Latince therme (ısı) ve dynamis (güç) kelimelerinin bir araya getirilmesi ile oluşan termodinamik nedir, yasaları nelerdir hakkında bilgileri yazımızda bulabilirsiniz.
Termodinamik nedir ?
Latince therme (ısı) ve dynamis (güç) kelimelerinin bir araya getirilmesi ile oluşan termodinamik, “ısı gücü” şeklinde dilimizde kullanılmakta olup ısıyı, sıcaklığı ve enerjiyi konu alan bilim dalıdır.
Termodinamik, sistemlerin madde ve/veya enerji alış-verişiyle ilgilense de, bu işlemlerin hızıyla ilgilenmez. Bu nedenle termodinamik aslında denge termodinamiğidir. Termodinamiğin ana kavramlarından biri quasi-statik (yarı-durağan) adı verilen, idealize edilmiş sonsuz yavaşlıkta olaylardır. Zamana bağlı termodinamik olaylarla, denge halinde olmayan termodinamik ilgilenir.
18. yy başlarında, ısının kalorik adında bir sıvı olduğu ve sıcak nesnelerden soğuk nesnelere aktığı düşünülüyordu. Yani, bir bardak çaydaki kaloriğin çevreye yayılmasıyla çay soğuyor, bardak ve sehpa ısınıyordu. Benjamin Thompson, bir topun delinmesi sırasında oluşan ısının nereden geldiğini incelerken kalorik teoremde bir kusur keşfetti. Topun delinmesi sırasında yapılan iş, bir ısı oluşmasına neden oluyordu. Yani ısı, bir iş yaparak yaratılabiliyordu. Isı ve iş arasındaki ilişkinin bu şekilde anlaşılması ve makineleşmenin başlamasıyla birlikte termodinamik kavramı ve termodinamik yasaları oluşmaya başlamıştır. Günlük kullandığımız eşyalardan, enerji üretim sistemlerine kadar çok geniş bir yelpazeyi kapsayan termodinamiğin, genel geçerliliğini halen devam ettiren 4 yasası vardır.
Termodinamik yasaları çok genel bir geçerliliğe sahiptirler ve karşılıklı etkileşimlerin ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmezler.
Termodinamik yasaları
Sıfırıncı yasa
İsminin ilginç geldiğinin farkındayız ama yasanın ismi 1930’lu yıllara kadar belirtilmediği için Ralph Fowler bu yasayı sıfırıncı yani isimsiz yasa olarak belirtmiştir. Peki bu termodinamik sıfırıncı yasa ne? Hemen açıklayalım;
Sıfırıncı yasa bize ısıdaki dengeyi anlatır. Yasaya göre A ve B sistemlerinin ısısı dengede ise, o zaman A sistemi ile dengede olan C sistemi, B sistemi ile de dengededir. Örneğin diyelim ki bir elimizle deftere dokunuyoruz. Elimiz A sistemi, defterimi ise B sistemi oluyor. Diğer elimizle de kaleme dokunuyoruz ve kalem de C sistemi. Şayet bu üç sistem arasında ısı alışverişi yoksa o zaman üç sistem de dengede demektir.
Şayet iki sistem arasında bir ısı alışverişi varsa o zaman üç sistem de dengede değildir çünkü ısı alışverişi sırasında enerjiler birbirleriyle etkileşimde olacağı için manyetik alan oluşturacaklar.
Birinci yasa
Bu yasa ise direkt olarak enerjiye odaklanan yasa olarak kabul ediliyor. Birinci yasaya göre bir sistemdeki toplam enerji sayısı sabittir lakin enerjinin türleri arasında etkileşim olur. Ayrıca bir sistemdeki enerji kesinlikle hem yok edilemez hem de yoktan var edilemez.
Örnek; Bir pompa ve futbol topu düşünelim. Bu bir sistemdir. Şayet bir süre topu şişirirseniz pompanın ısındığını fark edeceksiniz. Bunun sebebi ise yaptığımız iş yüzünden pompa sistemindeki iç enerjinin yoğunlaşarak artmasından kaynaklanıyor. Sibobu topun deliğine sokup tutan arkadaşımız elinde bir sıcaklık hissettiğinde ise enerjiler etkileşime geçerek ısıyı havaya iletmiştir.
Formül: -Q + W = U (Q= ortaya çıkan enerji | W= yaptığımı iş | U= pompanın içindeki iç enerji)
İkinci yasa
Belki de termodinamik yasaları arasında en karışık olan yasa. Ama basitçe açıkladığı konu, enerjinin işe dönüşebilmesi. Yani nasıl ki arabalardaki motorlar benzin veya gaz yakarak enerjiyi itici güç haline dönüştürürler ve arabalar da bu güç sayesinde gider, işte bunu termodinamiğin 2. yasası açıklar.
Bu olaya parantez açan ikinci yasa, hiçbir ısı enerjisinin tamamının işe dönüşmeyeceğini söyler. Yani araba alırken satıcı size 10 litre depo ile 10 km yol gidebilirsiniz derse bu ortalama 7-8 km yol demektir. Çünkü yasaya göre enerji hiçbir sistemi tam verimli çalıştıramaz. Bunun sebebi ise enerjinin işe çevrildiği süre boyunca içerideki sıcak enerji ile egzozdan giren soğuk enerjinin birbirleriyle olan etkileşiminden kaynaklanıyor. Yine yasaya göre enerji ters döngüye girdiği zaman kendi veriminde çalışabilir. Buna da Carnot prensibi deniliyor.
Carnot prensibine göre;
- Tersine çevrilebilen döngü, tersine çevrilemeyen döngüden daha verimlidir.
- Aynı kaynak sıcaklığında işleyen döngüler aynı verimliliğe sahiptirler.
Bu da şu demek oluyor; şayet evinizdeki klimayı 1 ay boyunca her gün 18 derecede çalıştırırsanız, yine 1 ay boyunca her gün 20 derecede çalıştırdığınızdan daha fazla elektrik faturası ödersiniz. Yani klimanızı 20 derecede çalıştırmak, 18 derecede çalıştırmaktan daha az masraflı.
Bunun sebebi ise klima içerideki sıcak havayı alarak dışarıya veriyor ve doğanın yani evrenin dengesini bozuyor. Ama dışarıdaki soğuk havayı da alarak içeri veriyor ve bir carnot prensibi döngüsü oluşturuyor. Bu olaya da entropi deniliyor. Düzensizliğin ölçüsü entropi ile tanımlanıyor.
Üçüncü yasa
Bu yasa ise bize iş yapmak için üretilen ısının bir kısmının dışarı atılması gerektiğini söyler. Üçüncü yasaya göre dışarı atılan bu ısı ne kadar az olursa verimlilik de aynı oranda artar. Yüzde yüz verim ise sadece sıcak ve soğuk rezerve sıcaklıklarıyla eşit olduğu zaman yani 0 Kelvinde (-273 santigrat derece) gerçekleşir. 0 Kelvine ulaşmak imkansız olacağı için yüzde yüz verim de imkansızdır.