İçindekiler
Kısaca anlatmak gerekirse bir sistemin yalnızca enerji veya madde giriş-çıkışı biliniyor olsa bile bu sisteme uygulanabilir.
Termodinamik Yasaları Nelerdir ?
- İki adet cisim, üçüncü bir cisim ile sıcaklık açısından eşdeğerse, bu durum termodinamiğin sıfırıncı yasası olarak tanımlanmaktadır.
- Birinci yasa enerjinin korunumu yasası olarak bilinir. Bu da izole bir sistemde enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini belirtir.
- Termodinamiğin ikinci yasası, izole edilmiş herhangi bir sistemin entropisinin her zaman arttığını belirtir.
- Termodinamiğin üçüncü yasası, bir sistemin entropisinin, sıcaklık değerinin mutlak sıfıra yaklaştıkça sabit bir değere ulaştığını belirtir.
Termodinamiğin Genel Kanunları
Bilim adamları, olası karışıklığı önlemek adına termodinamik yasaları ile alakalı değerli bir sistem ve çevresi için tartışmalar yürüttüler. Bu anlamda sistemin bir parçası olmayan her şey çevresini oluşturur.
Termodinamik yasaları içerisinde sistem ve çevre bir sınırla ayrılmıştır. Örneğin, sistem bir kaptaki bir gaz ise sınır basitçe kabın çevresinin iç duvarlarıdır. Sınırın dışında yer alan her şey kabın kendisini de içeren çevre olarak kabul edilir.
Sınırın açıkça tanımlanması son derece önemlidir. Böylece dünyanın belirli bir bölümünün sistemde mi yoksa çevrede mi olduğu açıkça söylenebilir. Eğer madde sınırı geçemiyorsa sistemin kapalı olduğu söylenir. Aksi durumda ise sistem açıktır.
Kapalı bir sistem, izole bir sistem olmadığı sürece çevresiyle hala enerji alışverişi yapabilir. Bu durumda ne madde ne de enerji sınırı geçemez. Termodinamik yasaları bu incelemeler ışığında ortaya konulur.
Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası
İki adet cismin üçüncü bir cisim ile sıcaklık açısından eşdeğer olması durumunda bu iki cisimde birbiriyle sıcaklıkta eşdeğerdir. Bu da termodinamik yasaları içerisinde sıfırıncı olarak kabul edilir.
Söz konusu sistemler birbiri ile etkileşim içerisinde oldukları halde, durumlarında bir değişiklik olmadan kalabiliyorsa bu iki sistem için birbirleri ile dengededir diyebiliriz.
Ancak iki sistemde de etkileşime tam olarak açık oldukları halde, mekanik etkileşim sonucunda oluşan enerji transferi dışında net bir enerji transferi (ısı geçişi) olmayabilir. Bu durumda etkileşimde olan iki sistem kendi aralarında ısıl dengededir.
Termodinamik yasaları içerisinden ilki olan sıfırıncı yasa şöyle der; A ve B sistemleri kendi aralarında ısıl dengede ise A sistemi ile dengede olan farklı bir C sistemi, B sistemi ile de ısıl açıdan dengededir.
Ortaya çıkan denge durumu ise sıcaklık olarak tanımlanır. Burada da anlatılmak istenen her sıcaklık derecesinin farklı bir denge durumunu temsil ettiğidir. Bu durumu aşağıdaki şekilde formüle edilir.
TA=TB=TC
Bu yasa 1931 yılında Ralph H. Fowler tarafından tanımlanmıştır. Termodinamik yasaları içerisinden sıfırıncı olan bu yasa, temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıkar. Bu anlamda 1. ve 2. yasalardan daha önce gelmesi zorunlu olmuş ve sıfırıncı yasa olarak kabul edilmiştir.
Sıfırıncı yasanın uygulanışına termometreler örnek olarak gösterilebilir. Böylece termometreler üçüncü sistem olarak kullanılır ve sıcaklık ölçeklerinin oluşturulabilmesine imkân verir.
Termodinamiğin Birinci Yasası
Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin korunumu yasası olarak da tanımlanır. Termodinamik yasaları içerisinde enerjinin ancak bir biçimden diğerine aktarılabileceğiniz veya değiştirilebileceğini anlatır.
Örnek vermek gerekirse, bir lambayı açmak için enerjinin üretilmesi gerektiğini gösterebiliriz. Bura da dönüştürülen enerji elektrik enerjisidir.
Termodinamiğin birinci yasasını ifade etmenin başka bir yolu, bir sistemin iç enerjisindeki (∆E) herhangi bir değişikliğin sınırları boyunca akan ısının (q) ve sistem üzerinde yapılan işin (w) toplamı tarafından verilmesidir. Termodinamik yasaları içerisinden ikinci yasa aşağıdaki şekilde formülüze edilir.
E = q + w [/lateks]
Bu yasa, bir sistemin iç enerjisinde bir değişikliğe yol açabilecek ısı ve iş olmak üzere iki tür süreç olduğunu söyler. Böylece hem ısı hem de iş ölçülebilir ve nicelleştirilebilir.
Termodinamik yasaları olarak da bir sistemin enerjisindeki herhangi bir değişikliğin, sistem dışındaki çevrenin enerjisinde karşılık gelen bir değişiklikle sonuçlanması gerektiğini söylemekle aynıdır.
Başka bir deyişle, enerji yaratılamaz veya yok edilemez. Bir sisteme ısı akarda veya çevre sistem üzerinde iş yapılırsa, iç enerji artar. Böylece q ve w’nin işareti pozitiftir.
Tersine bir durumda ise, sistemden ısı akışı veya sistem tarafından (çevre üzerinde) yapılan iş, iç enerji pahasına olacaktır ve bu nedenle q ve w negatif olacaktır.
Termodinamiğin İkinci Yasası
Termodinamik yasaları içerisinde uygulamaların belirli bir yön doğrultusunda gerçekleşebileceğini yani ters yönde olamayacağını ifade eden yasa ikinci yasa olarak bilinir. Buna göre durumdaki herhangi bir değişim ancak, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını sağlıyorsa gerçekleşebilir.
Örnek olarak yokuş yukarı çıkan bir araç düşünelim. Çıkış sırasında depodan eksilen yakıt yokuş aşağı aracın kendi kendine indiği durumda depoya yeniden dolmaz. Böylece durum değişiminin tek yönlü olduğunu görürüz.
Termodinamik yasaları içerisinden birinci yasa söz konusu bu durum değişikliklerinin yönü üzerine herhangi bir kısıtlama koymamaktadır. Birinci yasada ise bu duruma farklı olarak çevirimde ısının tamamen işe dönüştürülebileceği savunulur.
Qçevrim = Wçevrim
Yani birinci yasa ile kıyaslandığında sistemden dışarıya ısı vermeksizin işini yapabilen bir ısı motoru, yani tam verimlilikte çalışan bir motor tasarlayabilmek mümkündür. İşte ikinci yasa da tam da bu duruma kısıtlama getirir.
Kelvin Plack’ın ifadesi termodinamik yasaları konusunda ikinci yasanın açıklamasını yapmıştır. Buna göre periyodik olarak çalışan bir ısı kaynağı ile ısı alışverişi yapan ve sürekli olarak üretimde olan bir makinenin yapılabilmesi mümkün değildir.
Bir ısı kaynağından ısıyı çekip eşit miktarda iş yapabilecek ve başka bir sunucusu bulunmayan bir döngü elde etmek de imkansızdır.
Soğutma ve ısıtma cihazlarının (klima, kombi, buz dolabı…) termodinamik yasaları içerisinden ikinci yasa ile ilişkisini ise Clausius şu şekilde açıklar. Çevreye hiçbir etki bırakmadan ısıyı soğuk bir ısı kaynağından sıcak bir ısı kaynağına iletebilen ısı pompası yapabilmek mümkün değildir. Başka bir deyişle ısı enerjisi kesinlikle soğuk bir ortamdan sıcak bir ortama kendiliğinden akamaz.
Termodinamikte ikinci yasa, doğada var olmayan işlemlerin sakınım yasasıdır. Bu yasa, sistemdeki termodinamik özelliklerin biri olan ve entropi olarak da adlandırılan bir ifadenin ortaya çıkmasına yol açar.
Entropi sistemde bulunan düzensizliğin bir ölçüsü olarak da tanımlanabilir. Böylece sistemdeki düzensizlik artışından entropide de artış görünür.
Termodinamiğin Üçüncü Yasası ve Mutlak Entropi
Termodinamik yasaları gereği farklı maddelerin entropisi için başlangıç noktasının oluşturulması konusu 3. Yasayı ortaya çıkarmıştır. Bu yasa ile ilgili olarak ilk çalışmaları W.H Nernst ve Max Planck yürütmüştür.
Termodinamiğin üçüncü yasasında mutlak sıfır sıcaklığına sahip olan maddelerin entropisi konuşulur. Bu duruma göre üçüncü yasa da mükemmel durumdaki bir kristalin, mutlak sıfır sıcaklığındaki entropisi de sıfırdır.
Sıcaklık seviyesi mutlak sıfır seviyesine yaklaştığında bütün hareketler sıfıra yaklaşır. Bu durumda da sistemin entropisi de bir sabite yaklaşır. Bu rakamın sıfır değil de sabit bir rakam olmasının sebebi de bütün hareketlerin durmasından kaynaklanır.
Buna bağlı belirsizliklerin ortadan kalkmasına rağmen, kristal özellikte olmayan tüm maddelerin moleküler dizilimlerinin de farklı olmasına bağlı olarak bir belirsizliğin hala mevcut olmasıdır.
Aynı zamanda termodinamik yasaları içerisinde üçüncü yasa sayesinde maddelerin mutlak sıfır durumundaki entropileri referans alınarak kimyasal tepkimelerin incelenmesi konusunda çok yararlı olabilen mutlak entropi rahatlıkla tanımlanabilir.
