Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Termodinamik Nedir?

Hazırlayan: Alperen Erol
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Termodinamik isminden de anlaşılacağı gibi ısı, sıcaklık ve bunların aktarımı ile ilgilenir. Kendi içerisindeki yasalar dizisiyle enerjinin bir konumdan başka bir konuma nasıl aktarıldığı ve işlemin gerçekleşme yönü hakkında bilgiler verir. Termodinamik evrenin temel yasasıdır ve ısı gibi enerji türlerinin günlük hayatta kullanılabilmesi için bizlere yön gösterir. Zira günlük hayatımızda termodinamik yasalarını uygulayamadan evrenin termodinamik yasaları etrafında nasıl döndüğünü anlamak çok zor olacaktır. Ayrıca belirtmekte fayda vardır ki, ısı ve termodinamik iç içe olsa da; ısı transferinin kendi içinde bir mekanizması vardır ve kendi içinde bir bilim dalıdır.

Sıfırıncı yasa

Adı ne kadar ilginç gelse de termodinamik yasaları sıfırdan başlar. Bunun altındaki neden ise 1930’lara kadar yasanın farkında olunmasına karşın belirtilmemesidir. Bir bütünlük sağlanmasının farkına varan Ralph Fowler adlı gök bilimci sıfırıncı yasayı termodinamik kitaplarına işlemiştir. Bu yasayı şöyle ifade etmek mümkündür.

Eğer A ve B sistemleri ısıl dengedeyse (aralarında ısı alışverişi yoksa), o halde A sistemiyle dengede olan C sistemi, ayrıca B sistemi ile dengededir.

termodinamik-denge-2214

Bunu biraz daha açmakta fayda vardır. Varsayalım ki bir elimizle bir kitaba dokunuyoruz. Bu halde A sistemi biz ve B sistemi de kitap oluyor. Diğer elimizle bir başka sistem olan C sistemine dokunduğumuzda eğer vücudumuz ve B ve C kitapları arasında ısı akışı olmuyorsa o halde biliyoruz ki B ve C sistemleri arasında da ısı alışverişi olmayacaktır. Sıfırıncı yasanın kulağa pek heyecanlandırıcı gelmediği kesin. Zira sıfırıncı yasa cisimlerin eninde sonunda ısıl dengeye varacaklarını söyler.

Birinci Yasa

Olaylar birinci yasa ile daha bir hareketlenmektedir. Birinci yasa, bir sistemin toplam enerjisinin sabit olduğunu ancak ve ancak enerji türlerinin arasında dönüşüm olabileceğini söyler. Sistemin enerjisi kesinlikle yoktan var edilemez ve yok edilemez. Eminim hepiniz çocukken bisiklet pompası ile bisikletinizin tekerleklerini şişirdiniz. O günlere geri dönelim ve bisiklet pompasını düşünelim. Burada bisiklet pompası bizim sisteminiz olmakta.

bisiklet-pompasi-66654

Pompaya bastığımızda sistemin üzerinde iş yapmaktayız. Akabinde bisiklet pompasının sıcaklığının arttığının farkına varacaksınızdır. Bunun nedeni yaptığımız işin sistemin iç enerjisini arttırması ve bununla birlikte sistemin sıcaklığının da artmasıdır. Tekerleğin sibobunu tutan arkadaşınızın bu sıcaklığı farketmesi ile birlikte anlıyoruz ki ısı hava aracılığı ile arkadaşımızın vücuduna ulaşmıştır.

Thermally_Agitated_Moleculeİç enerji, cismin moleküler seviyedeki hareketliliği ile alakalıdır ve sıcaklık ile doğrudan orantılıdır. Zira sıcaklığı artan bir cismin içsel hareketliliği de artacaktır.

Pompa sistemimizi matematiksel olarak şu şekilde ifade edebiliriz.

termodinamik-1

Burada Q sistemden çıkan ısı enerjisi, W yaptığımız iş ve U iç enerjiyi ifade eder. İfadelerin önlerindeki işaretler bu enerjilerin sisteme aktarıldığı ya da ayrıldığını ifade eder. Sibobu tutan arkadaşımızın ısı akışını fark etmesinin nedeni sistemimizden ayrılan ısının vücuduna ulaşması ile ilgilidir. Mühendislik uygulamalarında  genellikle sisteme ısı verip sistemin iş yapmasını istediğimizden dolayı yukardaki ifade şu hale gelir.

 

termodinamik-2

Burada sistemimize ısı vermekte ve karşılığında sistem iş yapmaktadır.  Bir dahaki sefer arabaya bindiğinizde bunu aklınızda bulundurun çünkü yanan benzin motorun pistonunda iş yapmakta ve hareket etmesini sağlamaktadır.

İkinci yasa

Şimdi gelin hep beraber düşünce deneyi yapalım. Birinci yasadan bahsederken sisteme verilen enerjinin başka formlara dönüştürülebileceğinden bahsetmiştik. Dolaysıyla arabamızda yanan benzinden çıkan ısı enerjisi motor pistonlarını yüzde 100 verimlilikle (sürtünmeyi varsaymazsak) döndürmesini bekleriz. Ancak ısı iş yapma kapasitesi yüksek olan bir enerji türü değildir. Egzozdan çıkan sıcak gazın nedeni motora verdiğimiz ısının bir kısmının hiç kullanılmadan dışarı verilmesindendir. İkinci yasa da bundan ibarettir. Kelvin-Planck ifadesine göre;

termodinamik-332144

Döngüsel işlemde sıcak rezervden ısı alınıp bu ısının tamamının işe dönüştürülmesi imkansızdır. Bir kısım ısı soğuk rezerve aktarılmak zorundadır.

Eğer birinci yasa ve ikinci yasayı birleştirirsek şu şekilde ifade edebiliriz.

termodinamik-3

Eğer işlemi tersine çevirmek ve soğuk rezervden ısı alıp bunu sıcak rezerve aktarmak istersek o halde sistemimiz üzerinde iş yapmamız gereklidir. Odaya bıraktığımız kahve nasıl oluyor da ısı kaybedip soğuyorsa bu işlemi tersine çevirmek sistemde iş yaptığımız sürece ısı transferi mümkündür. Klimalar ve buzdolapları bu prensip ile çalışırlar. Az önce bahsettiğimiz olay aslında Rudolf Clausius’un ikinci yasayı başka sözlerle ifade etmesidir.

Soğuk rezervden sıcak rezerve ısı, ancak sistemin üzerinde iş yapıldığı taktirde taşınabilir.

Ama gerçek sistemler ne kadar mükemmel? Soğuk rezervden sıcak reserve ısı taşırken evrende değişikliğe neden oluyor muyuz?

bigstock-Hand-of-woman-includes-air-con-12558755

Isının sıcaktan soğuğa aktarılması (klimanın evinizin dışına ısı aktarması gibi) doğada olağan bir şeydir. Ne zaman bu işlem döngüsel olsa, yani odanın içinden ısının alınıp evin dışarısına sistemde iş yaparak aktaracak olsak, evrenin düzensizliğini arttırmaktayız. Bu entropi olarak bilinir. Eğer entropide değişme yoksa bu döngü tersinebilen olarak, aksi de tersinilenemez olarak bilinir.

Burada sistemimiz hala döngü içinde çalışmaktadır. Bu döngü yukardaki tersinebilinirlikten farklıdır.

 Bu yasalardan yola çıkan Carnot isimli mühendis kendi adıyla anılan prensipleri ortaya koymuştur. Buna göre;

  1. Tersinebilen döngü tersinebilenemeyen döngüden daha verimlidir.
  2. Aynı rezerve sıcaklıklarında işleyen döngüler aynı verimliliğe sahiptir.

Carnot prensibinden yola çıkarak sistemin verimliliği sadece rezerve sıcaklıklarıyla orantılıdır. Buna göre arabanız kışın daha verimli çalışacaktır çünkü dışarıya daha az ısı bırakılacaktır. Aynı şekilde klimayı 18 derece yerine 20 dereceye almak elektrik faturalarınızı azaltacaktır.

Son olarak entropi her zaman artmak zorundadır. Sistemden dışarı ısı verildiğinde entropi azalsa da ısının aktarıldığı ortamda entropi artmıştır. Dolaysıyla evrenin entropisi artmıştır.

Üçüncü yasa

İkinci yasa bize ısı ile iş yapmak istediğimizde bu ısının bir kısmının kullanılmadan atılması gerektiğini söyler. Bu atılan ısıyı ne kadar azaltabilirsek verimliliğimiz o kadar artar. Verimlilik de sıcak ve soğuk rezerve sıcaklıklarıyla orantılı olunca yüzde 100 verimlilik ancak 0 (sıfır) Kelvinde gerçekleşir. yüzde 100 verimliliğe ulaşmak imkansız olacağından 0 Kelvine ulaşmak imkansızdır.

Alperen Erol

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Alperen Erol

Avustralya'nın Monash Üniversitesi'nde makine mühendisliği öğrencisiyim. Astronomiye küçüklüğümden beri hayranlık duysam da ilk resmi tanışmamız Stephen Hawking' in kitaplarını okumakla başladı. Ve bildiklerimi burada sizlere aktarmaya çalışıyorum.