Termodinamik Kanunları ve Evrenin Entropisi

Termodinamik, enerjinin dönüşümü ve ısı ile iş yapma gibi konuları inceleyen bir fizik dalıdır. Termodinamik kanunları, bu enerji dönüşümlerinin ve ısı transferinin temel kurallarını belirler. Mühendisliğin en önemli konularından biri olan termodinamik, fizik kanunlarının yanı sıra felsefe ve yaratılış hakkında da detaylar içerir.

Termodinamiğin İkinci Kanunu entropi kavramını tanımlar ve evrenin düzensizliğe doğru olan eğilimini ortaya koyar. Entropi sadece fiziksel sistemlerin değil, zamanın akışı ve evrenin geleceği hakkında da önemli ipuçları sunar. Bu makalede, termodinamiğin temel yasaları ile birlikte entropi kavramı çerçevesinde evrenin makro düzeyde nasıl bir değişim süreci içinde olduğu incelenecektir.

Termodinamiğin Sıfırıncı Kanunu

Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası, termodinamik kanunları arasında günlük hayatta kolayca tecrübe ettiğimiz bir durumu ifade eder. Temel olarak sıcaklık nedir sorusuna cevap arar. Bilim insanları tarafından ilk iki termodinamik kanunundan sonra kabul edildiği ve bu kanunların ön koşulu olan temel bir ilkeyi ifade ettiği için sıfırıncı kanun adını almıştır. Halihazırda bilinen bir durum bütünlük sağlanması amacıyla Maxwell tarafından ortaya atılmış ve Ralph Fowler tarafından termodinamik kitaplarında belirtilmiştir.

Termodinamiğin Sıfırıncı Kanunu‘na göre, birbiriyle temas eden sistemler arasında bir süre sonra enerji akışı duruyorsa sistem termal dengeye ulaşmış demektir. Yani A sistemi ve C sistemi termal dengedeyse, B sistemi de C sistemi ile termal dengedeyse; o halde A ve B sistemi de termal dengededir. Termal denge, iki sistemin birbirleriyle temas halindeyken net ısı transferi olmaması durumudur. Bu durum, sistemlerin ortalama moleküler kinetik enerjilerinin, yani sıcaklıklarının eşitlendiği anlamına gelir.

Sıfırıncı kanun özellikle ısıtma-soğutma sistemlerinde ve kalibrasyon süreçlerinde doğrudan kullanılmaktadır. Herhangi bir sistemde sıcaklık ölçümü yapılmadan önce, ölçüm cihazının sistemle termal dengeye ulaşması gerektiği unutulmamalıdır.

Termodinamiğin Birinci Kanunu (Enerjinin Korunumu)

Termodinamiğin Birinci Yasası, termodinamik kanunları arasında en çok bilinendir. Enerji vardan yok olmaz, yoktan var olmaz, sadece şekil değiştirir. Yani doğal gazın sahip olduğu kimyasal enerjiden elektrik enerjisi üretmek gibi… Sürtünme nedeniyle kaybolduğunu sandığınız kinetik enerjinin ısı enerjisine dönüşmesi gibi… Bir sistemin iç enerjisindeki değişim (U), sisteme aktarılan ısı (Q) ile sistemin yaptığı iş (W) arasındaki farktır. Sistem ısı aldığında ya iç enerjisi artar ya da iş yaparak sisteme enerji verir.

Termodinamiğin Birinci Kanunu temel olarak devridaim makinesi yapmak mümkün mü sorusuna cevap arar. Sınırsız ve bedava enerji mümkün müdür? Peki ya verdiğimizden daha fazlasını alabileceğimiz bir sistem? İş esnasındaki enerji dönüşümlerinden dolayı ihtiyaç duyulan faydalı enerji miktarı her zaman giren enerjiden daha azdır. Bu durumda devridaim makineleri yani sonsuza kadar çalışan makineler termodinamik kanunlarına aykırıdır. Devridaim makineleri, makineyi hareket ettiren ilk enerji verildikten sonra herhangi bir enerji girişi sağlanmadan sonsuza kadar hareketini sürdürmeyi hedeflediğinden bu kanunu ihlal eder.

Isı makineleri, soğutucular, ısı eşanjörleri, türbinler ve pompalar gibi birçok termodinamik sistemin performans analizi ise doğrudan termodinamiğin birinci kanununa dayanır. Örneğin, bir piston-silindir düzeninde gazın genleşmesiyle yapılan iş, dışarıya aktarılan enerjiye dönüşür. Burada alınan ısı enerjisi, sistemin iş yapmasını sağlar.

Termodinamiğin İkinci Kanunu (Entropi)

Termodinamiğin İkinci Kanunu, mühendislikteki enerji dönüşüm sistemlerinin sınırlarını belirleyen en temel ve en derin termodinamik yasasıdır. Kelvin-Planck‘a göre bir ısı kaynağından elde edilen ısıya eşit düzeyde iş yapan ve başka herhangi bir çıktısı olmayan sistem elde etmek mümkün değildir. Bu ifade, %100 verimli bir ısı makinesinin mümkün olmadığını söyler. Clausius ise ısının soğuk bir cisimden daha sıcak bir cisme kendiliğinden akmayacağını ifade eder. Bunun gerçekleşmesi için ise dışarıdan bir iş yapılması gereklidir. Soğutucuların ve ısı pompalarının çalışma prensibi bu temele dayanır.

Termodinamiğin İkinci Yasası‘nın temelinde doğanın düzensizliğe olan ilgisi yatar. Zaman ilerledikçe maddenin entropisi, yani düzensizliği artar ve bu düzensizlik geri döndürülemez. Bu yasa, doğada bazı süreçlerin neden yalnızca tek bir yönde gerçekleştiğini ve zamanın neden ileri aktığını açıklar. Bir bardağın yere düşüp kırılması olağan bir süreçken, kırık bir bardağın kendiliğinden eski haline dönmesi imkansızdır. Çünkü bu durumda entropi azalır.

Evren, kapalı bir sistem olarak kabul edilir ve evrendeki her şey düzensiz olmaya meyillidir. Bu nedenle, uzayın herhangi bir bölgesinin entropisindeki düşüşler, başka bir bölgedeki enerjinin kullanımını gerektirir. Bu enerji yok olmaz. Enerjinin daha az yoğun olduğu bölgeye doğru ilerler. Yani bir bölgenin entropisi düşerken, evrenin genel entropisi yükselmeye devam eder. Evrenin entropisinin artmasıyla da büyük sona yaklaşılmış olur.

Termodinamiğin İkinci Kanunu, her şeyin yok olmaya mahkum olduğunu, bir sona ulaşılacağını, maddenin soğuyacağını ve çürüyeceğini ifade eder. Örneğin, iskambil kartlarının renklerine ve sayılarına göre, ikiden asa kadar dizildiğini düşünelim. Bu sistemin entropisi düşüktür. Kartları karıştırdığınızda ise sistemin entropisi artar. Kartlar tamamen karıştığında entropi artık en yüksek değerine ulaşmış demektir ve daha çok karıştırmakla düzen daha fazla bozulamaz.

Termodinamiğin Üçüncü Kanunu

Termodinamiğin Üçüncü Kanunu, bir maddeyi mutlak sıfıra yani -273.15°C’ye (0°K) kadar soğutmanın imkansız olduğunu açıklar. Temel olarak mutlak sıfıra ulaşılabilir mi sorusuna cevap arar. Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bir kristal yapılı saf maddenin entropisi de sıfıra yaklaşır. Mutlak sıfır noktasında entropideki değişim sıfırdır.

Maddenin mutlak sıfır noktasına ulaştığını varsayalım. Bu noktada maddede hiçbir titreşim olmaz. Yani hızı sıfırdır. Çünkü maddenin enerjisi yoktur. Enerjiyi dışarıya aktardığı için oldukça soğumuştur. Hızı sıfır olduğundan konumu da sabittir. İşte bu durum imkansızdır. Heisenberg Belirsizlik İlkesi‘ne göre madde mutlak sıfıra inemez. Çünkü enerji yok olamaz.

Termodinamiğin Üçüncü Yasası malzeme bilimi, kriyojenik sistemler ve kuantum termodinamiği açısından büyük öneme sahiptir. Metallerin özgül ısıları, elektriksel iletkenlikleri ve manyetik özellikleri mutlak sıfıra yaklaşırken değişir. Sıcaklığı mutlak sıfıra yaklaştırmak için harcanan enerji, sıcaklık azaldıkça logaritmik olarak artar. Yani mutlak sıfıra ulaşmak termodinamik olarak imkânsızdır. Bu nedenle üçüncü yasa, soğutma teknolojilerinde teorik sınırları belirler.

Evrenin bilinen en soğuk yeri yaklaşık -272.15°C sıcaklığındadır. Yani mutlak sıfır noktasıyla arasında 1°C fark vardır. Peki evrenin en soğuk yeri neresidir? Bu konu hakkında detaylı bilgi için ‘Evrenin Keşfedilen En Soğuk Yeri’ başlıklı yazımızı inceleyebilirsiniz.