Termodinamik ısısıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen fiziğin alt dallarından biridir. Enerjinin bir yerden başka bir yere transferiyle ilgilenir. Örneklemek gerekirse suyun kaynatılması ile ortaya çıkan buhar enerjisi ile bir treni hareket ettirme ile ilgilenir. Burada önemli olan ısı enerjisinin form değiştirerek mekanik bir iş ortaya çıkarmasıdır. Sadi Carnot (1796-1832) termodinamiğin kurucusu olarak kabul edilir.

Sistem Nedir?

Bilim insanları evrende olabildiğince çok şeyi sınıflandırır ve bunlara “sistem” adını verirler. Örneğin; atom ve moleküller, bir bardak su, bir oda gibi şeyler birer sistem olabilirler. Sistemler başka sistemlerin alt sistemleri olabilirler. Daha basit açıklamak gerekirse hidrojen ve oksijen atomları su molekülünü oluştururken kendi içinde bir sistemdir. H2O sistemi diğer H2O sistemleriyle bir araya gelerek suyu oluştururlar. Böylece bir ya da birden fazla sistem bir başka sistemi oluşturmuş olurlar.

termodinami

İzole Sistemler

İzole sistemler çevreleriyle hiçbir şekilde enerji ya da madde alışverişi yapmazlar. Bu yüzden sahip oldukları bütün madde ve enerji miktarı korunur fakat doğada %100 izole bir sistem yoktur. Bu sistemler belli hesapları yapabilmek adına idealize edilir.

Kapalı Sistemler

Bu sistemlerde sadece enerji alışverişi vardır madde alışverişi yoktur. Düdüklü tencereyi düşünelim. Isı verebiliriz fakat su eklememiz mümkün değildir. Isı enerjisinden dolayı içerideki sıvı su form değiştirebilir fakat miktarında değişiklik olmaz.

Açık Sistemler

Bu sistemler hem madde hem de enerji alışverişi yapabilirler. Örneğin ağzı açık bir tencerede su kaynattığımızı düşünelim. Su buharlaştıkça üstüne su ekleyebiliriz ve aynı anda ısı vermeye devam edebilir.

Termodinamiğin Kanunları

0. Yasa: Isıl Denge ve Sıcaklık İlişkisi

Normalde saymaya 1’den başlarız ama termodinamik kanunları için bu geçerli değil. Bu kanuna 0. Kanun denmesinin sebebi 1. ve 2. yasa tanımlandıktan sonra tanımlanması. Ralph H. Fowler tarafından 1931 yılında tanımlanan bu yasa, temel bir fizik ilkesi olduğu için 1. ve 2. yasanın önünde yer alması gerekiyordu. Bu sebeple 0. yasa olarak adlandırıldı.

A ve B sistemleri birbirleri ile ısıl dengede ise, A sistemi ile ısıl dengede olan bir C sistemi, B sistemi ile de ısıl dengededir.

A=B A=C ise B=C

termodinami

Örneklemek gerekirse bir bardak çay, bir bardak su ve bir oda düşünelim. Suyun ve çayın sıcakları birbirine eşit. Yani ısıl dengedeler. Suyun sıcaklığı ile odanın sıcaklığı da birbirine eşit. Yani 3. bir sistemle ısıl dengede. Böylelikle çayın ve odanın sıcaklığı birbirine eşit olmuş oluyor. Bu termodinamiğin birinci yasasını tanımlar.

1. Yasa: Enerjinin Korunumu

Maddeler atom ve moleküllerden meydana gelir. Bu atom ve moleküllerin sahip olduğu enerji vardır. Bunlar; kinetik enerji ve potansiyel enerji. Bu enerjilerin toplamına “iç enerji” denir.

Termodinamiğin birinci kanununa enerji vardan yok edilemez veya yoktan var edilemez. Muhakkak bir dönüşüm söz konusudur. Bu değişim ister potansiyel enerjiden kinetik enerjiye ister ısıl enerji elektrik enerjisine dönüşümle olabilir.

2. Yasa: Entropi

Bir sistemin düzensizliğini gösteren kavrama “entropi” denir. Sistemin düzensizliği arttıkça entropi artar. Peki bu nasıl olur?

Kapalı bir kutunun içine hava verdiğimizde hava bir yerde mi toplanır yoksa rastgele mi dağılır? Tüm gaz atomları rastgele şekilde hareket eder. Bu rastgele hareket düzensizliği yani entropiyi arttırır. R.Clausius tarafından 1850 yılında ilk defa ifade edilen kavram; sistemlerin entropisi daima artar ya da belirli durumlarda (izole sistemlerde) sabit kalır, fakat asla azalmaz şeklinde tanımlanmıştır.

İzole olmayan sistemler için geçerli değildir. Etkileşimdeki iki sistemden birinin entropisi azalırken diğerinin artabilir.

3. Yasa: Mutlak Sıfır

Bir sistemin sıcaklığı ile hareketi arasındaki ilişkiyi açıklayan yasa. Bir madde ne kadar sıcaksa molekül ve atomları o kadar hareketlidir. (Buzun katı halde olması, suyun sıvı hali ve buharın serbest gezen gaz olması) Sistemin sıcaklığı mutlak sıfıra (0 Kelvin = -273.15°Celcius) yaklaşırsa maddenin hareketi de (yani entropisi) sıfıra yaklaşır.

Peki mutlak sıfıra inip hareketi tamamen durdurabilir miyiz? Maalesef hayır. Çünkü bu teorik bir sonuçtur. Evrendeki teorik olarak ölçülebilecek en düşük sıcaklığı temsil eder.