Termodinamik Nedir?

Latince therme (ısı) ve dynamis (güç) sözcüklerinin bir araya gelmesiyle oluşan termodinamik, Türkçe de ısı gücü olarak kullanılır. Adından da anlaşıldığı gibi ısıyı, ısının oluşturduğu enerjiyi ve ısı enerjisini konu alan bilim dalına termodinamik ismi verilir. Yani, “Termodinamik nedir?” sorusunun yanıtı olarak, termodinamik hem ısıyı hem sıcaklığı hem de enerjiyi konu alan bir bilim dalı denilir. 

Termodinamik hakkında yapılan araştırmalar 19. Yüzyıla kadar dayanır. Sanayi devrimine yol açan birçok teknoloji, termodinamik kapsamındaki bilgilerin ışığında gerçekleşir. Termodinamiğin 4 farklı yasası bulunur. 0, 1,2 ve 3 olarak geçen termodinamik yasaları farklı konuları ele alır. 

Termodinamik Yasaları Nelerdir?

Termodinamiğin temel prensiplerini içeren fiziksel yasalara, termodinamik yasaları denir. Termodinamik enerjinin hem ısı hem de iş şeklindeki enerji transferleriyle olan ilişkisini; bu enerji transferlerinin fiziksel ve kimyasal sistemler üstündeki etkilerini detaylı inceleyen bir bilim dalıdır. Bu bağlamda termodinamik yasaları ise, enerjinin ve ısı transferlerinin hem temel kurallarını hem de kısıtlamalarını kapsamlı şekilde belirler. 

Termodinamik yasaları 4 farklı kanundan meydana gelir. Bu yasalar ise termodinamiğin sıfırıncı yasası, termodinamiğin birinci yasası, termodinamiğin ikinci yasası ve termodinamiğin üçüncü yasası olarak bilinir. Termodinamik kanunları olarak da geçen bu 4 yasa, birbirinden farklı konuları ele alır. 

Termodinamik Yasalarında Geçen Kavramlar ve Anlamları

Termodinamik yasaları, termodinamiğin esas prensiplerini açıklar. Bununla beraber enerjinin transferini, etkileşimini ve dönüşümünü içerir. Termodinamik yasalarının başlıca kavramları ve anlamları vardır. Bunlar: 

• Entropi: herhangi bir sistemin düzenlik derecesini ölçen termodinamik büyüklüğü ifade eder. Entropi hem süreçlerin hem de sistemlerin termodinamik yönlülüğünü ortaya koyar ve genelde artış gösterir. Termodinamik denge sağlandığında ise bir sistemin entropisi genelde maksimumdur. 
• Termodinamik döngü: herhangi bir sistem ya da sürecin başlangıç sürecine geri dönüldüğü bir durumdur. Mesela, bir buhar türbini ve jeneratör arasında bulunan süreçlerin birleştiği buhar türbini ile jeneratör döngüsü gibidir. 
• Termodinamik denge: Herhangi bir sistemin iç enerjisinin ve farklı termodinamik özelliklerinin belirli bir süre içerisinde değişmediğini gösteren durumdur. Bu sistem termodinamik dengeye kadar ulaştığında net enerji transferi ya da iş yapma durumu gerçekleşmez. 
• Termodinamik süreçler: Herhangi bir sistemin basınç, sıcaklık, hacim ya da iç enerji gibi termodinamik özelliklerinin değişmesi sürecine denir. İzotermal süreç (sabit sıcaklık süreci), Isobarik süreç (sabit basınç süreci), adiabatik süreç (ısı alışverişi gerçekleşmeyen süreç ve izokorik süreç ( sabit hacim süreci gibi farklı türleri barındırır. 

Termodinamiğin 0. Yasası 

Sayma sayıları birden başlamasına rağmen termodinamik yasaları sıfırdan başlar. Bunun sebebi ise, yasanın birinci ve ikinci kanunlarının ortaya çıkarılmasının yarım yüzyılı aşan bir sürede anlaşılmasından kaynaklanır. Termodinamiğin 0 yasası, ilk olarak 1931 senesinde R.H. Fowler tarafından ortaya konulmuştur. 

Yüksek ısılı ortamlardan düşük ısılı alanlara doğru daima bir geçiş gerçekleşir. Bu durumdan ötürü, termodinamiğin sıfırıncı yasası, “termal denge” sözcüğüne dayanır. Dolayısıyla şu temel yargı ile ifade edilir: 

“İki ayrı cisim bir üçüncü cisimle ısıl dengede ise birbirleriyle de ısıl dengededir.”

Söz konusu ifade, temas durumunda bulunan cisimlerin ısı alışverişi yapmalarını ve bir zaman sonra termal dengeye gelerek eşit sıcaklığı içermelerini söyler. 

Termodinamiğin 1. Yasası 

Hiç yoktan enerjinin ortaya çıkarılması veya halihazırdaki enerjinin yol edilmesi için gerçekleştirilen çalışmalarından arzulanan sonuç alınmadığında termodinamiğin 1 yasası ortaya çıkmıştır. Gerçekleştirilen deneyler akıbetinde ise, kütle gibi enerjinin de korunduğunun neticesine ulaşılmıştır. Bu bağlamda termodinamiğin birinci yasası şu şekilde ifade edilir: 

“Enerji var iken yok, yok iken de var edilemez, ancak bir halden diğer bir hale dönüştürülebilir.”

Söz konusu ifade ile enerjinin yol edilemeyeceği ve yaratılamayacağı anlaşılır. Bunun üzerine bütün kimyasal ve fizikler durumlar için enerji denklikleri yazılır. Bu denklikte ise, sistem ya da objenin enerji kazanması durumunda o enerjinin dışardan gelmesi gerektiği yer alır. 

Termodinamik yasaları arasında önemli bir konuma sahip olan termodinamiğin 1 yasasını matematiksel açıdan kanıtlamak güçtür. Ancak doğadaki hal değişimlerinin her birinin birinci kanuna uyduğu nettir. Bu durum ise birinci yasa için yeterli bir kanıt sayılır. 

Termodinamiğin 2. Yasası 

Termodinamik yasaları içinde yer alan ikinci yasa, enerjinin işe dönüşebilmesini ele alır. Yani, hal değişimlerinin çeşitli yönlerde değil, belirlenen bir yönde olacağını ifade eder. Buna göre termodinamiğin 1 ve 2. Yasasını sağlamayan bir hal değişimi gerçekleşemez! Termodinamiğin ikinci yasası, ortaya çıkan olayların entropiyi arttıracak yönde gerçekleşeceğini söyler. Doğada olan her durum 2. Yasa sebebiyle gerçekleşir. Bu noktada termodinamiğin 2 yasası şunu ifade eder: 

“Enerjinin tamamı faydalı işe çevrilemez, bir kısmı sistemin içsel bütünlüğünü korumak için kullanılır.”

Termodinamik yasaları konusunda 2. yasaya göre, gerçekleşen bir olayda sistem ve çevresinde bulunan entropi değişimi ya sıfır ya da pozitif olur. Yani, evrendeki entropi hep artma eğilimi gösterir. Dolayısıyla ikinci yasaya göre, çevredeki enerji ve maddeler zamanın geçmesiyle birlikte daha az faydalı iş gerçekleştirebilir duruma gelir. 

Herhangi bir sistemin enerjisi ne kadar yüksek ise, o kadar çok iş gerçekleştirir. Bunun dışında, bir sistemin içerdiği enerji her işi yapmak üzere kullanılmaz. Belirli bir bölümü enerji sisteminin içsel bütünlüğünün korunması için saklanır. 

Termodinamiğin 3. Yasası 

Termodinamik yasaları arasında sayılan son yasa ise, termodinamiğin üçüncü yasasıdır. Termodinamiğin 3 yasası, mutlak sıfır sıcaklığında yer alan maddelerin entropisi ile alakalıdır. Temelde ise, iyi bir kristal maddenin mutlak sıfır sıcaklığında bulunan entropisinin 0 olduğunu belirtir. Söz konusu yasa ile entropi için başlangıç değer şartları iyi bir şekilde belirlenir. 

Termodinamik 3 yasası için mutlak sıfır, herhangi bir cismin rastgele yakınlaşabileceği, fakat, hiçbir durumda erişemeyeceği bir sıcaklığı içerir. Laboratuvarda 2,0 x 10- 8K kadar olan düşük sıcaklıklar elde edilmiştir. Fakat, mutlaka sıfıra hiç ulaşılamamıştır. Buradan hareketle termodinamiğin üçüncü yasası şu esası söyler: 

“Bir nesnenin sıcaklığını sonlu sayıda aşamada mutlak sıfıra indirmek olanaksızdır.”