TERMODİNAMİK YASALARI

İnsan vücudu 37 derece sıcaklığa sahiptir. Sıcaklığın(temperature) birimi derece, ısının(heat) birimi cal. ’dır. Dışarıdan gelen ısıdır. Isı bir enerjidir. Küçük ve büyük hacimli iki demir parçasının sıcaklığı 10 derece diyelim. Bunların sıcaklıklarını aynı derecede koruyabilmeleri için dışarıdan alacakları ısı miktarı aynı değildir.

Sıfırıncı Yasa: 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. Bu alışveriş, sıcaklık eşitleninceye kadar sürer. Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler termodinamik dengededirler. Termodinamiğin en basit yasasıdır.

Birinci Yasa: Termodinamiğin birinci yasası, evrendeki (tecrit edilmiş bir sistemdeki) toplam enerjinin her zaman aynı olduğunu söyler. 19. yüzyılda bu yasa “enerjinin korunumu yasası” ve “maddenin korunumu yasası” olarak, enerjinin ve maddenin ayrı ayrı ele alınmalarıyla ifade ediliyordu. Fakat Einstein’ın ünlü E=m. c2 (Enerji= Kütle Işık hızının karesi) formülüyle, birbirinden bağımsız olarak görünen bu yasalar birleştirildi. Maddenin enerjinin bir formu olduğunun anlaşılmasıyla yasa, “enerjinin-maddenin korunumu yasası” oldu. Buna göre evrendeki enerji (E) değişmediği için, enerji değişimi  (∆) sıfıra eşittir. Bunun matematiksel formülü şu şekildedir: ∆Eevren=0 (∆= Son enerji veya son zaman ile ilk enerji veya ilk zaman arasındaki fark)

Bu yasa “enerjinin korunumu” olarak da bilinir. Enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Enerji bir türden başka bir türe dönüşebilir ama toplam enerji miktarı sabit kalır. Alınan enerji ile verilen enerji birbirine eşittir. Benzinde bir potansiyel enerji vardır. Araba benzini yakıt olarak kullanırken bu potansiyel enerji, hareket(kinetik) enerjisine ve ısı enerjisine dönüşür. Bu iki enerjinin toplamı, benzindeki potansiyel enerjiye eşittir. Örneğin yağda yüksek potansiyel enerji vardır. Ateşte tutuşması buna örnektir. İnsan vücudu bu yağı yakabilmesi için buna denk kinetik ve ısı enerjisini açığa çıkarması zorunludur. Termodinamiğin temel kanunlarından birincisini Helmotz; “Isı, bir enerji çeşididir ve enerjinin diğer şekillerine çevrilebilir ” şeklinde ifade etmiştir. Enerji(E), Isı(Q), İş(W) Bir hal değişimi ancak termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarına uyarak gerçekleşebilir. (William Rankine- Rudolph Clausius- Lord Kelvin)

İkinci Yasa: İkinci Yasa: Enerjinin niceliğinin(quantity) yanında niteliğinin(quality) de dikkate alınması gerektiğini ortaya koyar. Doğadaki değişiklikler(actual processes) enerjinin niteliğini(quality) azaltan yönde gerçekleşir. Hal değişimlerinin hangi yönde gerçekleşebileceklerini belirler.

Termodinamiğin ikinci yasası (entropi) özellikle Clausius’un çalışmaları sayesinde 19. yüzyılın ikinci yarısında ortaya konuldu. Entropi terimini ilk kullanan da odur. Bu yasayla, enerjinin, sürekli, daha çok kullanılabilir bir formdan daha az kullanılabilir bir yapıya doğru değiştiği söylenir. Kısacası, evrende düzensizlik sürekli artmaktadır ve bu tek yönlü tersinemez bir süreçtir. Evrendeki enerjinin tüm değişmelere karşı sabit kaldığını söyleyen birinci yasa bir eşitlikle belirtilmesine karşın, evrendeki enerjinin sürekli daha düzensiz bir hale gittiğini söyleyen (Pozitif entropi değişikliği: Düzensizliğin artışı, entropinin artışı) ikinci yasa eşitsizlikle belirtilir. Aslında Clausius başta, enerjinin korunumu yasası gibi entropinin korunumu yasasını bulacağını umuyordu; ama, sonuçta evrenin, entropinin korunmaması yasası ile yönetildiğini gördü. Bunu ifade eden formülde, evrendeki entropinin (S), değişiminin (∆) sürekli olarak tek yönlü ve artış halinde olduğunun belirtilmesi için sıfırdan büyük olduğu söylenir. Formül kısaca şöyledir: ∆Sevren > 0

Tek yönlü süreçler sonun habercisidir. İnsanın yaşlanma süreci de, evrendeki entropinin artışı da böyledir. Aslında evrendeki entropinin artışına sebep olan birçok tek yönlü süreci sürekli gözlemlemekteyiz. Isı, hep sıcaktan soğuğa doğru akar, hiçbir zaman soğuktan sıcağa doğru akmaz. Sıcak bir çayın her zaman soğuduğunu gözlemleriz, ama hiçbir zaman odadaki sıcaklık çaya doğru geriye akarak (süreç tersinerek) çayımızı ısıtmaz. Bisikletimizin frenine basarak durmamıza yol açan süreç ısıyı açığa çıkarır, ama hiçbir zaman Güneş’in ısıttığı bisikletimizin hareket ettiğini göremeyiz. Parfümümüzün kapağı açıksa koku odaya dağılır, ama odanın içindeki dağılmış moleküller tekrar bir şişeyi doldurmazlar.

Kapalı bir sistemdeki enerji akışı tek yönlüdür ve bu akış tam bir denge noktasına ulaşıncaya kadar devam eder. Bu denge noktasına “termodinamik denge” denir ve bu durumda entropi, en yüksek değerine kavuşur. Tersine çevrilmesi mümkün olmayan bu fizikî sürecin varlığı, evrenin de, tıpkı insanlarda olduğu gibi, aslâ geri dönüşü olmayan bir yaşlanma sürecine sahip olduğunu gösterir. Gerek bizim Güneşimizde, gerekse evrendeki diğer yıldızlarda, ısının bu tek yönlü hareketine dayalı termodinamik yasa hüküm sürmektedir. Güneş, soğuk uzaya ısı yayarak entropiyi sürekli arttırır. Fakat uzaydaki bu ısı toplanıp da, Güneşe geri dönmez. Termodinamik yasa, entropinin sürekli arttığını ve bu sürecin kesinlikle tek taraflı olduğunu söyler. Entropi ile ilgili bilgileri birçok kişi salt fiziksel bir konu olarak algılamakta ve ele almaktadır. Oysa Entropi Yasası, bizi çok önemli felsefi sonuçlara da ulaştırmaktadır. Bu sonuçlar, maddelenerek şöyle gösterilebilir:

1. Evrendeki ısı akışı, tek yönlüdür ve bu akış geri çevrilemez (Termodinamiğin ikinci kanunu).

2. Buna göre evrende bir gün termodinamik denge oluşacak ve “ısı ölümü” yaşanacaktır. Kısacası evren ebedî değildir, evrenin bir sonu vardır.

3. Şayet evren sonsuzdan (ezel) beri var olsaydı, aradan geçen zamanda evren çoktan termodinamik dengeye gelip “ısı ölümü”nü yaşıyor olacaktı. Şu halde ölümlü bir evren, sonsuzdan beri var olamaz.

4. Evren sonsuzdan beri var olamıyorsa, evrenin bir başlangıcı var demektir. Bu başlangıç durumundaki evren, düşük entropili bir halden yüksek entropili duruma doğru gitmektedir. Entropinin sürekli olarak artıp hiç azalmaması, evrenin başlangıcının çok düşük entropili olduğunu gösterir. [Caner Taslaman Big Bang ve Tanrı, s. 67-68]

“Isı, sıcak bir yerden daha soğuk bir yere doğru kendiliğinden akar. Akan ısı miktarının bir kısmını işe çevirme imkânı mevcuttur. ” “Dışarıdan iş almadan soğuk kaynaktan ısı alarak, sıcak kaynağa ısı taşımak mümkün değildir. “

Günlük tecrübelerimiz bize gösterir ki ısı; muhtelif ısı kaynaklarından, çeşitli yollarla alçak sıcaklık bölgelerine geçer. Bunun sonucunda ısı kaynaklarının sıcaklıkları eşit hale gelir. Bu olay kâinatın her tarafında yaşanmaktadır. Kâinatta birçok güneş (ısı kaynağı) vardır. Bunlar, termodinamiğin ikinci kanununa göre, çevrelerine devamlı ısı yayarlar. Kâinat, (bir sistem olarak) devamlı ısı almaktadır. Dolayısıyla kâinatın entropisi daima artar. Buna “Kâinatın entropisi, bir maksimum değere doğru çoğalıyor. ” denir. Bir gün kâinatta sıcaklık eşit hale gelecektir. Kâinatta sıcaklık eşit olduğu zaman potansiyel bir enerji olsa bile hayat olmayacaktır. Çünkü hayat, birbirine zıt kutupların varlığı ile devam eder. Rüzgârın esmesi, yağmurun yağması, hayatın devamı, farklı ısı kaynaklarına bağlıdır.

II. yasaya göre tüm doğal ve teknik enerji dönüşüm süreçleri tersinmezdir (yanan kağıt geri dönmez) ve bu süreçlerin yönü hep olasılığı yüksek olan duruma doğrudur. Enerji farklarının azaldığı ve ortadan kalktığı durum olası durumdur. Isı enerjisi hiçbir zaman tümüyle bir diğer enerji formuna, örneğin mekanik enerjiye, dönüşmez. Ancak bu saptamadan, dönüşüm süreci esnasında, enerjinin bir kısmının yok edildiği anlamı çıkarılmamalıdır.

Termodinamik II. Yasaya göre tüm doğal (reel) enerji dönüşüm süreçlerinde entropi sürekli artar. Entropi kavramı sezgisel bir büyüklüktür, kendine özgü bir birimi yoktur ve sıcaklık, basınç, ağırlık vb fiziksel büyüklükler gibi ölçülmesi mümkün değildir. Ancak hesap yoluyla bulunur. Entropi artışı sonunda, sistemde ısıl eşitliğe ulaşılır. Bardak içindeki suya konulan buz parçası bir müddet sonra erir ve bardaktaki suyun sıcaklığı (veya oda sıcaklığı ile) bir dengeye kavuşur.

Kapalı bir sistemde ve tersinmez süreçlerde entropi daima artar. Entropi artışı ancak denge (ısıl denge)durumunda sabit kalır.

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. Yunanca, en = ingilizcedeki ‘in’ gibidir, önüne geldiği kelimeye -de, -da eki verir ve tropos = yol kelimesinin çoğulu olan ‘tropoi’ (tropi diye telaffuz edilir) kelimesinden. Yani; “yolda”).

Düzensizlik ya değişmez ya da artar. Örnek olarak difüzyon(çok yoğun ortamdan az yoğun ortama dağılma: örneğin parfüm) verilebilir. Ayrı duran maddeler bir arada olandan daha düzenlidir ve kendiliğinden karışmış sıcak ve soğuk sudan olmuşmuş ılık suyun, bir daha sıcak ve soğuk diye ayrılması imkânsızdır.

1. Eskime, yaşlanma, yıllanma gibi eylemlerin nedenidir. 2. En düzensiz enerji ısıdır ve bir gün gelecek bütün enerji ısı olacaktır ve bu da evrenin sonu demektir. 3. İleri sürülecek teoriler termodinamiğin 2. kanunuyla çelişmemelidir. 4. Entropi iş yapma yeteneği olmayan (işe yaramaz) enerji olarak da tanımlanır. İki cam balona farklı sıcaklıklarda gaz, cam balonlar arasına da bir pervane konacak olursa ilk başta pervanenin döndüğünü görülecektir. Fakat sonra entropi(havaya giden ısı akışı) arttığı için pervanenin dönmesi duracaktır. 5. Spor yapmak için bir parkta 100 metrelik bir koşu yapıldığını, 100 metrenin sonunda yorulup koşamayacak hale gelindiğini ve bir yere oturulduğu düşünülecek olursa koşarken harcanmış olan ve bir daha kazanılamayacak olan enerjiye entropi denir.

Sistemin düzensizliği arttıkça artan herhangi bir fonksiyon rahatça entropi fonksiyonu olabilir. Örneğin bir bardak suyumuz olduğunu ve bunun içine bir damla mürekkep damlatıp gözlediğimizi düşünelim ve içeride neler olduğunu hayal etmeye çalışalım. Mürekkep molekülleri başlangıçta kısa bir süre bir arada bekleştikten sonra su içine dağılmaya başlayacaklardır. Çünkü kendilerine çarpan su molekülleri tarafından değişik yönlere itileceklerdir (su ve mürekkep maddelerinin kimyasal bağlarının birbirlerini itmeye elverişli olmalarından dolayı). Şimdi de olağanüstü bir bilgisayarın, sistemin bütün mümkün durumlarını sayabildiğini düşünelim. Sistemin bir durumu denildiğinde anlamamız gereken şey bir molekülün belirli bir koordinata ve belirli bir hıza; bir başka molekülun bir başka belirli koordinata ve hıza sahip olduğu konfigürasyondur. Bardaktaki mürekkep örneğinde bu tür durumların sayısının çok fazla olduğu açıktır. Zira bunların çok büyük bir kısmı mürekkebin moleküllerinin bardak içinde oraya buraya rasgele dağıldığı, düzensiz, yani yüksek entropili durumlara karşılık gelirler. Bizim algıladığımız düzeyde bunların hepsi homojen durumlardır. Çünkü karışıma baktığımızda o molekülün burada, bir başkasının şurada olmasına aldırmadan, mürekkebin homojen olarak dağıldığını söyleyebiliriz. Yani olağanüstü sayıda farklı mikroskopik durum tek bir makroskobik duruma, yani homojen duruma karşılık gelir.

Aslında sistemler bozulmamakta, enerji değişimi bazında en kararlı hali almaya çalışmaktadırlar. Hayatın anlamı da budur, yaşam entropi yollarından biridir, şekerin çaya çok daha çabuk karışmasını sağlayan kaşık işlevindedir.

Kapalı bir sistemde entropi her zaman artar. Kapalı sistem kısmı çok önemlidir. Sisteme enerji vermek suretiyle entropisi azaltılabilir. Dünya kapalı bir sistem değildir. Güneşten sürekli olarak enerji akmaktadır dünyaya, ve düzeni bu sağlar.