Termodinamik nedir, Termodinamik Yasaları Nelerdir?

En eski çağlardan beri insanoğlu sürekli evrenin dilini anlama çabası içindeydi. Antik Yunan döneminde her şeyin bir akış, döngü ve devinim içinde olduğunu ilk defa açık ve net bir şekilde ortaya koyan Herakleitos, bir anlamda bugünkü modern fiziğin de temelini atmıştı. Devinim ve denge üzerine kurulu doğa yasalarını anlama yolunda insanlığa ışık tutan temel fizik kavramlarından biri de termodinamik. Bilimsel açıdan adeta bir kilometre taşı. Öyle ki termodinamik yasaları bugün birçok mühendislik alanında kullanılıyor. Peki termodinamik ne demek? Bu makalenin sonunda "Termodinamik nedir?" sorusuna büyük ölçüde cevap bulacağınızı umuyoruz.

Termodinamik Nedir?

Termodinamik, ısı ile diğer enerji türleri arasındaki ilişkiyle ilgilenen fizik dalıdır. Etimolojik olarak Yunanca thermos (ısı) ve dynamic (enerji) kelimelerinin bir araya gelmesiyle türetilmiştir. Temelde ısı enerjisinin diğer enerji biçimlerine nasıl dönüştürüldüğünü ve bu dönüşümün maddeyi nasıl etkilediğini açıklar.

Isı enerjisi, bir maddenin veya maddelerden oluşan bir sistemin sıcaklığından dolayı sahip olduğu enerjidir. Maddeler ve onların dahil olduğu sistemler atomlardan oluşur. Atomlar sürekli birbiriyle etkileşim halindedir ve biz bu etkileşimdeki değişkenleri sıcaklık, basınç gibi değerlerle tanımlarız. Sistemde termal (ısıl) denge sağlanıyorsa maddeler arasında ısı alışverişi yoktur, yani sıcaklıkları aynı demektir. İşte termodinamik bu değişimin sınırlarını çizip yasalarını ortaya koyuyor. Kısaca ısının değişken olduğu tüm sistemlerde termodinamik prensipleri geçerlidir diyebiliriz.

Termodinamik Yasaları

• Sıfırıncı Yasa: Sıcaklık
• Birinci Yasa: Enerjinin Korunumu
• İkinci Yasa: Entropi
• Üçüncü Yasa: Mutlak Sıfır

Sıfırıncı Yasa: Sıcaklık

Termodinamiğin sıfırıncı yasasına göre, termal denge halinde bulunan bir sistemdeki öğeler arasında herhangi bir ısı alışverişi olmuyorsa, bu öğelerin sıcaklıkları birbirine eşit demektir. Örneğin aynı sistem içerisinde A ve B cisimleri arasında ısı geçişi olmadığını düşünelim. Dolayısıyla A cismiyle B cismi eşit sıcaklıktadır. Bu sisteme sonradan dahil edilen C cismi A cismine dokunduğunda yine ısı alışverişi gözlenmiyorsa, bu demektir ki A, B ve C cisimlerinin sıcaklıkları birbiriyle aynıdır.

Birinci Yasa: Enerjinin Korunumu

Enerjinin korunumunu ifade eden birinci yasaya göre bir sistem içerisindeki toplam enerji miktarı sabittir. Kapalı bir sistemdeki enerji yok edilemez, yoktan var edilemez; sadece eklenen ısı oranında sistemdeki enerji türleri arasında değişim meydana gelir. Sisteme giren ve çıkan ısı enerjileri arasındaki fark bize sistemdeki iç enerji değişimini verecektir.

İkinci Yasa: Entropi

Buna göre enerji, dıştan herhangi bir müdahale olmadığı sürece yüksek enerjiden düşük enerjiye doğru akar. Yani ısı her zaman soğuk bölgeden sıcak bölgeye doğru akmak zorundadır. Bunun bir sonucu olarak da hiçbir kütle veya enerji alışverişinde bulunmayan bir sistemde entropi her zaman artar. Peki, burada bahsettiğimiz entropi nedir?

Entropi en yalın haliyle fizikte düzensizlik eğilimini ifade eden bir kavram. Bir sistemdeki düzensizlik arttıkça entropi de o oranda artar. Isı girişi varsa ve bunun sonunda enerji işe dönüşüyorsa, orada entropi düşer. Ne var ki hiçbir zaman ısı enerjisinin tamamı işe dönüşemez. Bunun sebebi de ısının sıcak enerji halinde bir sisteme giriş yaparken soğuk enerjiyle karşılaşması ve bu sırada enerjisinin bir kısmını yitirmesidir.

Üçüncü Yasa: Mutlak Sıfır

Termodinamiğin üçüncü yasasına göre bir sistemin sıcaklığını en fazla 0 Kelvin'e (-273°C) kadar düşürebiliriz. Bu sıcaklık noktasına mutlak sıfır adı verilir. Bir sistemin iş yapması için o sistemde üretilen ısının bir kısmı dışarı atılmak zorundadır. Dışarı atılan bu ısı miktarı ne kadar düşükse, sistem de o kadar verimlidir diyebiliriz. Mutlak sıfır, sistemin %100 verime ve minimum entropiye ulaşmasının tek şartıdır. Ne var ki fizikte bir maddenin bu sıcaklığa erişmesi olanaksızdır.

Gerek akademik gerekse endüstriyel alanda insanlığın çağ atlamasını sağlayan termodinamik yasaları hakkında temel bilgileri vermeye çalıştık. Özellikle termodinamiğin ikinci yasasında bahsettiğimiz entropi konusu, canlılık ve zaman kavramı hakkında yaşama dair birçok soru işaretini giderecek güçtedir. Kuantum fiziğinin temelinin atılmasında da etkin rolü olan termodinamik, bu bağlamda bilim tarihi için devrim niteliğindedir.