TERMODİNAMİK VE MERCİMEK SORUSUNUN

TERMODİNAMİK VE MERCİMEK SORUSUNUN ALAKASI
Enerji, ısı, iş, entropi ve ekserji gibi fiziksel kavramlarla ilgilenen bilim dalı. Termodinamik
yasalarının istatistiksel mekanikten türetilebileceği gösterilmiştir.i girTermodinamik her ne
kadar sistemlerin madde ve/veya enerji alış-verişiyle ilgilense de, bu işlemlerin hızıyla
ilgilenmez. Bundan dolayı aslında termodinamik denilirken, denge termodinamiği kastedilir.
Bu yüzden termodinamiğin ana kavramlarından biri “quasi-statik” (yarı-durağan) adı verilen,
idealize edilmiş “sonsuz yavaşlıkta” olaylardır. Zamana bağlı termodinamik olaylarla, denge
halinde olmayan termodinamik ilgilenir.
Termodinamik yasaları çok genel bir geçerliliğe sahiptirler ve karşılıklı etkileşimlerin
ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmezler. Yani bir sistemin
sadece madde veya enerji giriş-çıkışı bilinse dahi bu sisteme uygulanabilirler.
Termodinamiğin yasaları:
Sıfırıncı kanunu
Termodinamiğin en basit yasasıdır. Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim içerisindeyken
aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler termodinamik dengededirler.
Sıfırıncı yasa şöyle der:
Eğer A ve B sistemleri termodinamik dengedeyseler, ve B ve C sistemleri de termodinamik
denge içerisindeyseler, A ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindedirler.Daha basit
bir ifadeyle farklı sıcaklıklarda iki cisim ısıl bakımdan temas ederse sıcak olan cisim soğur,
soğuk olan cisim ısınır. İşin temelinde, iki farklı sıcaklığa sahip iki cisim arasında gerçekleşen
ısı akışının sıcak cisimden soğuk cisme gerçekleştiği gerçeği yatar, bazı soğuk cisimlerin
sıcak, ya da bazı sıcak cisimlerin soğuk algılanması mümkündür. –30 derece soğuk olarak
düşünülebilirse de –50 dereceye göre daha sıcaktır. Isı akışının soğuktan sıcağa doğru
olmayışının temeli şudur: sıcaklık, malzeme atomlarının, daha doğrusu elektronlarının kinetik
enerjisine etki eden bir faktördür. Elektronlar her zaman temel enerji seviyesinde olacak
şekilde davranış gösterirler. Fazla kinetik enerjilerini aktarmak ve temel enerji seviyesine
dönmek isterler. Sıcaklık, malzeme içinde atomların titreşmesi ile iletilir. Bu nedenledir ki, ısı
akışı sıcak cisimden soğuk cisime doğru gerçekleşir
Birinci kanunu
Bu yasa “enerjinin korunumu” olarak da bilinir. Enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez
sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Bir sistemin herhangi bir çevrimi için çevrim sırasında
ısı alışverişi ile iş alışverişi aynı birim sisteminde birbirlerine eşit farklı birim sistemlerinde
ise birbirlerine orantılı olmak zorundadır. Bu ifadelerin yapılan deneylerle doğruluğu
gözlenmiştir fakat ispat edilememektedir
İkinci kanunu
Birçok alanda uygulanabilen ikinci yasa şöyle tanımlanabilir:
Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir
döngü elde etmek imkânsızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi)
ya da
Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek
imkânsızdır. (Clausius Bildirisi)
Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz (bkz:
Maxwell’in Cini). Ancak mikroskopik bir sistem, yasanın dediğinin tersine entropi
dalgalanmaları yaşayabilir (bkz: Dalgalanma Teoremi). Aslında, dalgalanma teoreminin
zamana göre tersinebilir dinamik ve nedensellik ilkesinden çıkan matematiksel kanıtı ikinci
yasanın bir kanıtını oluşturur. Mantıksal bakımdan ikinci yasa bu şekilde aslında fiziğin bir
yasasından ziyade göreli olarak büyük sistemler ve uzun zamanlar için geçerli bir teoremi
haline gelir. Ludwig Boltzmann tarafından tanımlanmıştır. Sisteme dışardan enerji
verilmediği sürece düzenin düzensizliğe düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini anlatır. Kırık bir
bardağın durup dururken veya kırarken harcanan enerjiden daha azı kullanılarak eski haline
döndürülemeyeceği örneği verilir klasik olarak. Yine aynı şekilde devrilen bir kitabı
düzeltmek için devirirken harcanan enerjiden fazlasını kullanmak gerekir, potansiyel enerjinin
bir kısmı ısıya dönüşmüştür ve geri getirilemez. Aynı zamanda evrendeki düzensizlik
eğilimini de anlatır. Düzensizlik eğilimini anlatırken entropi kelimesini kullanır.
Üçüncü kanunu
Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkânsız olduğunu belirtir:
Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bütün hareketler sıfıra yaklaşır.
Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, bir sistemin entropisi bir sabite yaklaşır. Bu sayının sıfır
değil de bir sabit olmasının sebebi, bütün hareketler durmasına ve buna bağlı olan
belirsizliklerin yok olmasına rağmen kristal olmayan maddelerin moleküler dizilimlerinin
farklı olmasından kaynaklanan bir belirsizliğin hala mevcut olmasıdır. Ayrıca üçüncü yasa
sayesinde maddelerin mutlak sıfırdaki entropileri referans alınmak üzere kimyasal
tepkimelerin incelenmesinde çok yararlı olan mutlak entropi tanımlanabilir.
Bu yasalardan birini ihlal eden makinalara o yasanın numarası türünden (örneğin, yoktan
enerji yaratıyorsa birinci türden) devridaim makinası (ilginç bir şekilde Türkçede “Con Ahmet
Makinası”) denir.
Bu yasaların çeşitli komik çeşitlemeleri de vardır:
Ginsberg’in teoremi: (1) kazanamazsınız, (2) berabere kalamazsınız, ve (3) oyundan
çıkamazsınız.
Ya da: (1) çalışmadan bir şey elde edemezsiniz, (2) çalışarak en fazla elde edebileceğiniz şey
ancak karsız zararsız olmaktır, ve (3) bunu da ancak mutlak sıfırda elde edebilirsiniz.
Ya da, (1) oyunu ne kazanabilirsiniz ne de oyundan çıkabilirsiniz, (2) çok soğuk olmadığı
sürece oyunu berabere bitiremezsiniz, (3) hava o kadar soğumaz.dahi bu sisteme
uygulanabilirler.
Termodinamik ve İstatistiksel mekanik (mercimek problemi)
termodinamiği istatistik mekanikten ayıran en önemli unsur, bu iki alanda problemlerin ele
alınış yöntemidir. termodinamiğin tüm yasaları ampiriktir, yani sadece deney ve gözlem
sonucu oluşturulmuşlardır. fiziğin pek hoşlandığı bir yöntem değildir yasaları bu şekilde
türetmek. fizik, temel prensiplerden yola çıkılarak elde edilen yasaların peşinde koşar. bu
yöntem, hem yeni temel yasaların doğmasına yol açabilir, hem de eldeki problemin, fiziğin en
temel prensipleri cinsinden anlaşılmasını sağlayabilir.
termodinamiğin önemli yasalarından biri, entropi diye tanımlanan büyüklüğün her süreçte
artması yada sabit kalması gerektiğini fakat hiç bir fiziksel süreçte azalamayacağını söyler.
evet bu bir yasadır!.Ancak, bu yasa sadece entropi denilen bir büyüklük hakkında bir ifadedir,
entropinin ne olduğu hakkında hemen hiç bir şey söylemez. daha temel yasalar kullanılarak
anlaşılamaz mı bu yasa sorusunun cevabını ise istatistik mekanik sorar ve cevaplar.
istatistik mekanik, newtonun 2. yasasından, en temelden başlar işe, entropiyi türetir ve
tanımlar. termodinamiğin söylediklerine ilave olarak derki istatistik, enerji alış-verişinin
olduğu fiziksel bir süreçte, bu enerjinin sürece iştirak eden sistemler arasında en adil şekilde
dağılmasının bir ölçüsüdür entropi. örneğin, etkileşen iki sistem düşünün, bu sistemlerden
birinde hiç, diğerinde ise bir miktar enerji dediğimiz şeyden olsun. iki sisteme ait olan ve
enerjiyi depolayabilecek ne varsa, atomlar mesala, bu sabit miktardaki enerjinin toplam
sistemi oluşturan atomlar arasında “eşit” olarak paylaşıldığı duruma gelecek şekilde işler
fiziksel süreç sonucuna ulaşır istatistik mekanik. biraz daha açık bir ifadeyle, istatistik
mekanik, enerjinin tümünün sistemlerden birinde olması durumunuda, enerjinin bu sistemi
oluşturan parçacıklar arasında paylaşma yollarının sayısı, aynı enerjinin her iki sistem
tarafından paylaşıldığında, her iki sistemi oluşturan parçacıklar arasında paylaşmanın
yollarının sayısının her zaman daha fazla olduğunu istatistiksel olarak ispatlar. entropi öylese,
enerjinin sistemi oluşturan varlıklar arasında paylaşım yollarının sayısıdır, denilebilir. ve
termodinamikle uyumlu olarak, herhangi fiziksel bir süreçte bu paylaşım yollarının sayısı
herzaman artar en azından değişmez kalır, ama hiç bir zaman azalamaz der fiziğin bu bilim
kolu.