Termodinamik yasaları hayatımıza hükmeder. Bir kahveyi elimize döktüğümüzde elimiz yanar, buzdolabını açtığınızda bir serinlik gelir; bunların hepsinin nedeni termodinamik yasaları. Hadi o zaman geçelim.
Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası
Termodinamiğin sıfırıncı yasası herkesin hayatta tecrübe ettiği bir şeydir. Yazları yeni aldığımız içecekleri buzdolabına koyarız. Ve bir miktar zaman sonra o içecek, daha fazla soğumaz. Sanki bir nokta var da sıcaklığı orada duruyor. İşte buradan da termodinamiğin sıfırıncı yasası geliyor: İki madde birbiriyle enerji alışverişi yapmıyorsa, bu maddeler “termik dengede veya ısıl dengede”dirler.
Enerji derken mesela ısı enerjisi alalım. Soğuk ve sıcak suyu yan yana koyarsak sıcak sudan soğuk suya enerji aktarımı olacaktır. Ve belli bir süre gerekli şartlar sağlanırsa ikisinin de sıcaklıkları eşitlenecektir artık o zaman termik dengede olacaklardır. Bu sefer de, iki tane aynı sıcaklıktaki suyu yan yana koyalım. Bunlar daha en başta termik dengededirler. Sıfırıncı yasa çok basit olabilir ama biraz sonra önemini göreceğiz.
Ayrıca ilk yasa bize der ki, A ile B enerji alışverişi yapmıyorlarsa ve C de A ile enerji alışverişi yapmıyorsa o zaman B ile C’de ısı alışverişi yapmaz. Çünkü, A ile B ısıl dengededir, C ile A da ısıl dengededir; sonuç olarak B ile C de ısıl dengede olmalı.
Enerjinin Korunumu: Termodinamiğin Birinci Yasası
Enerji hiçbir zaman kaybolmaz. Sadece şekil değiştirir. Mesela araba sürüyorsunuz. Arabayı çalıştırdığınızda Füzyon ve Fisyon Tepkimeleri: Nükleer Santraller Nasıl Çalışır? yazımızdaki gibi petrol yakılmaya başlar. Burada kimyasal enerji, kinetik enerjiye dönüşür ardından bu kinetik enerji yani buhar, sıkışır ve mecburen pistonları itmeye başlar. Pistonlar itildikten sonra motor çalışır ve araba hareket etmeye başlar yani burada da araba kinetik enerji kazanır. Bu süreçte fazladan duman egzoz ile havaya salınır.
Fark ettiyseniz burada enerji hiçbir şekilde yok olmadı. Sadece şekil değiştirdi. Ordan buraya, burdan oraya, Aziz Nesin’in “Yaşar Ne Yaşar Ne Yaşamaz” kitabındaki gibi. Bu konuya çok daha bir örnek vermek isterim: Şimdi bilime güveniyoruz ve şöyle bir düzenek hazırlıyoruz: tavana ip ile ağır bir gülle bağlıyoruz ve burnumuzun ucundan bırakıyoruz. Enerjinin korunumu yasasından dolayı güllenin kinetik enerjisi, baştakinden az olacağı için gülle tekrar dönüp size çarpmayacak.
Çünkü gülle, gidebileceği maksimum yere gidip size gelene kadar, hava sürtünmesi nedeniyle enerji değişimi oluyor. Sürtünme nedeniyle kinetik enerji, ısı enerjisine dönüşüyor. Güllenin baştaki kinetik enerjisine 10 birim dersek geriye 7-8 birim kalabilir. Ama dikkat edin, enerji yok olmaz sadece dönüşür. Bu na enerjinin korunumu da denir, çünkü enerji korunur; yok olmaz, yoktan da var olmaz. Bu da size canlı kanıt:
Devridaim Makineler Neden Çalışmaz?
Diyelim şöyle bir makinemiz olsun:
Size şimdi sistemi anlatayım: Tekerlek dönüyor, dinamo ise tekerleğin kinetik enerjisinden; tekerleği yeniden döndürecek kadar elektrik üretiyor. Böyle bir sistem olabilir? Gerçekten de “Gel Vatandaş Gel, Bedava, Sınırsız Elektrik Var” diyebilir miyiz?
Maalesef diyemeyiz, bunun gibi benzer birçok sistemde atladığımız şeyler var. İlk olarak tekerlek kendiliğinden dönmeye başlamayacak herhalde, biz; ilk başta tetikleyici bir enerji aktaracağız. Yani ilk olarak sistem için bir enerji harcayacağız. Peki bundan daha fazla enerji kazanabilir miyiz? Onun da cevabı hayır. Çünkü burada atladığımız bir sürü şey var: Bir kere kablo ne kadar kalın olursa olsun illaki bir direnç olacaktır ve bunun sonucunda dinamonun ürettiği elektrik giderek azalacaktır.
İkinci halatların sürtünmesi. Büyük fabrikalarda, böyle tekerlekleri döndüren halatlar çok fazla yıpranır. Bunun nedeni tekerleğin ve halatın birbirine sürtünmesi sonucunda ortaya çıkan ısı enerjisi. Yani tekerleğin de kinetik enerjisinin bir kısmı, ısı enerjisine dönüşecek. Bu yüzden dinamonun da ürettiği elektrik az olacak. Toplarsak:
- Kablodaki direnç, elektrik üretimi azaltacak
- Hava ve kablo ile tekerlek arasındaki sürtünme, kinetik enerjiyi ısı enerjisine çevirerek elektrik enerjisini kazancını düşürecek.
Yani bu durumda harcadığınızdan fazla enerji kazanmayı bekleyemezsiniz herhalde. Ayrıca bu ikisi sonucunda bile anlıyoruz ki birkaç dönüşten sonra, dinamonun sistemi başa sarması için gerekli elektrik orta kalmayacak; tabiri caizse dinamo elektriksiz kalacak. İşte, birinci yasa bunu diyor, enerji sürekli dönüşür. Ve çevresel faktörlerden dolayı devri daim makineler üretmek imkansızdır ve enerji yoktan var olmaz, vardan da yok olamaz; sadece dönüşür.
Her Şey Düzensizliğe Doğru Gidiyor: Entropi, Termodinamiğin İkinci Yasası
Entropi, termodinamik yasaları arasındaki kavramların içinde belki de en yanlış anlaşılan ve anlaşılması zor olan kavramlardan birisidir. Entropi, düzensizlik miktarıdır deriz fakat bu biraz yanıltıcı olabilir. O zaman şunu cevaplayın: küp küp buz dolu olan bir bardak mı daha düzenlidir yoksa su dolu bir bardak mı? Çoğu kişi buna su dolu bardak der, sonuçta su; bardağı doldurmuştur ve bardağın şeklini almıştır. Ama buzlar, bardakta boşluklar bırakmıştır. Yani buz daha düzensiz, su daha düzenlidir! Yani suyun entropisi az, buzun entropisi fazladır.
Fakat bu böyle değil. Buzun daha az entropisi vardır, yani daha düzenlidir buna karşılık su daha düzensizdir. Yani suyun entropisi daha fazladır. İşte, entropi bazen kafa karışıklığına ve yanlış anlaşılmaya yol açabiliyor. Şimdi entropiyi size anlatmaya çalışacağım. Anlamak biraz zor olabilir ama işin doğası bu zaten. Şimdi iki tane katı düşünün, bu katıların biri 6 diğeri 2 atomdan ve bunlar arasındaki 6 bağdan oluşsun:
Katılarda enerjiler bağlarda saklanır. Şimdi, ilk katıda 6 birim, ikincisinde 2 birim enerji olsun. Normalde bunlara quanta denir, biz de öyle diyelim, yani:
Buradaki her bir yeşil çizgi, bir quantayı simgeliyor. Ayrıca aynı bağda iki, üç veya diğer enerjiler toplanabilir. Yani her iki katının quanta‘ları da farklı şekillerde sıralanabilir ve toplamda iki katıda 9702 olasılık vardır ayrıca bunlar her zaman yer değiştirir çünkü enerjiyi sabit bir şekilde depolayamazsınız. Ayrıca tahmin edebileceğiniz üzere, daha fazla enerjiye sahip olan; daha sıcaktır. Şimdi bu katıları, enerji alışverişi yapacak şekilde yan yana getirelim:
Daha önce de bahsettiğimiz üzere enerjiyi depolayamazsınız, enerji her zaman hareket halindedir. Burada da enerjinin yoğun olduğu kısım, enerjinin daha az yoğun olduğu yere doğru yayılmak isteyecektir. Merak etmeyin, burada gizemli bir güç yok. Bu sadece istatistiksel ve olasılıksal bir şey. Bazı olasılık hesaplamalarıyla şunu buluruz:
Bu grafiği size açıklayayım. Şimdi bu grafik biraz karışık gelebilir ama aslında çok basit. Sarı çubuk, enerji transferi sonucu A katısındaki kalan quanta miktarını, mavi çubuk ise enerji transferi sonucunda B katısındaki kalan quanta miktarını gösteriyor. Ayrıca bunların değeri, soldaki dikey çubukta gösteriliyor.
Kırmızı, yarı saydam çubuk ise bu durumların olasılığıdır. Mesela 3. sütunu ele alalım. İlk olarak bu enerji transferi sonucunda, A’da 6, B’de 2 tane quanta kaldı. Yani hiç değişmedi; ayrıca yarı saydam kırmızı çubuk da olasılığı gösterdiğine göre bu durumun olasılığı, %13’dür. Aslında ne kolay değil mi!
Şimdi buradan bir yorum çıkartacak olursak şunu görürüz: enerji, yayılma eğilimindedir. İstatistiksel olarak bakacak olursak bu durumda enerji, %80 oranda yayılacaktır. Fakat istatistiksel olarak, sıcak bir cisimle soğuk bir cisimi yan yana koyarsak sıcak bir cismin daha çok sıcak olma ihtimali vardır. Fakat bu neden gerçek dünyada olmuyor derseniz, olay; maddenin büyüklüğüne bakıyor. Yüzlerce, binlerce quanta ve bağ düşünün, enerji burada çok daha fazla yayılmak isteyecektir bu sebeple sıcak bir nesnenin daha sıcak olma ihtimali çok düşüktür ki biz onu göremeyiz bile.
Her neyse devam edecek olursak entropi, enerjinin dağılımının seviyesidir. Enerji ne kadar çok dağılırsa entropi o kadar artar, yani enerjiler “düzensizleşir”. Ayrıca gördüğümüz üzere, dışarıyla enerji alışverişi yapan sistemlerin entropisi değişebilir; sonuçta enerji sürekli hareket ediyor. Fakat dışarıyla enerji alışverişi yapamayan şeylerde entropi sürekli artar, çünkü enerji kendi dışına yayılmaz.
Mesela dışarı ile enerji alışverişi yapan bir açık sisteme örnek verelim: biz. İnsanlar, dışarıdan enerji takviyesi alabilirler ve bu bizim entropimizi azaltır. Fakat en sonunda entropiye yenik düşeriz ve “ölürüz”. Kapalı sistem yani dışarı ile enerji alışverişi yapmayan bir sistem içinse evrenimizi örnek verebiliriz. Evrenimiz, kendi boyutundaki başka bir evrenle enerji alışverişi yapmaz. Enerji hep kendi içinde dolaştığından “toplam entropi” sürekli artar.
Hatta ve hatta, evren milyarlarca yıl sonra o kadar genişleyecek ve entropisi artacak ki; enerji her yere eşit olarak yayılacak ve artık enerji transferi olmayacak. Bu da yıldızların ve diğer şeylerin çalışamaması, ve hayatın durması demek. Evrenin sonlarından birisinin kuvvetli ihtimalle bu olduğu düşünülüyor. En baştaki örneğimize geri dönelim, hani buz daha düzenli ve su daha düzensizdi. Şimdi anlıyoruz ki bu doğru; çünkü buzda enerji daha düzenlidir, çünkü buz katıdır. Fakat sıvıda Brownian Hareketi dediğimiz kavram sonucunda moleküllerde rastgelelik ve biraz kaos vardır. Bu yüzden suda enerji daha çok yayılır ve suyun entropisi daha fazladır.
Anlarız ki, entropinin düzensizlikten anladığı şey bir maddeyi oluşturan parçacıkların ve enerjilerinin dağılım şekilleri. Mesela gazlarda, parçacıklar ve enerjiler daha çok yayıldığı için gazlarda entropi daha fazladır. Ayrıca şuna dikkat çekmek isterim, entropinin artmasının arkasında gizemli bir güç yoktur; arkasında sadece biraz matematik ve olasılık vardır.
Bu bölümde entropiyi anlattık. Aklınızda soru işaretleri olmuş olabilir. Bu normaldir, zaten entropinin fizikteki gelişim sürecinde pek çok bilim insanının aklını kurcalamıştır.
Hiçbir Şeyi Mutlak Sıfıra Kadar Soğutamazsın: Termodinamiğin 3. Yasası
Buzdolabına bir şey atarsınız, soğur; belli bir limite kadar gelir. Kimyasal reaksiyon gibi şeylerle ise daha çok soğutabilirsiniz bir şeyi. Fakat öyle bir nokta vardır ki onu asla aşamazsınız ve o noktaya ayak basamazsınız: -273 ° C, Nam-ı diğer 0 Kelvin. Peki neden bu noktaya gelemeyiz onu anlatalım. Şimdi, tipik bir parçacık böyle gözükür. Sürekli hareket eder ve titreşir:
Biraz Japon Bayrağına benzemiş ama olsun. Neyse normal bir parçacık böyledir, bazen kendisi soğuyunca titreşimi azalabilir; çünkü dışarı enerji aktarır. Bazen de parçacık daha çok titreşebilir bu durumda ısınmıştır yani dışarıdan enerji almıştır. Fakat diyelim ki bu parçacık, mutlak sıfıra yani 0° K’e ulaşsın, bu durumda parçacık şöyle görünür:
Yani hiçbir titreşim olmaz, çünkü maddede enerji kalmaz. Soğuya soğuya dışarı enerji vermiştir ve mutlak sıfıra gelince hiçbir enerjisi kalmamıştır. İlk sorumuza geri dönelim: Neden maddeleri mutlak sıfıra getiremeyiz? Bunun cevabı Heisenberg Belirsizlik İlkesinde saklı. Belirsizlik İlkesi, bize bir parçacığın hızıyla konumunu ancak ters orantılı bir doğrulukla ölçebileceğimizi söyler.
Mesela bir parçacığın hızını %70 doğrulukla ölçmek istersem, konumunu %30’luk bir doğruluk payıyla ölçmem gerekir. Her neyse şimdi bunu 0° K ile ilişkilendirelim. Maddeler 0 °K’de önceden dediğimiz gibi hiçbir şekilde titreşmezler yani hızları 0’dır. Konumu da belli değil midir, sonuçta hareket etmiyor. Yani toparlayacak olursak 0° K’de parçacığın verileri şöyledir:
- Parçacığın hızı 0, %100 Eminim
- Parçacığın Konumu Belli, %100 Eminim
Bu kesinlikle Heisenberg Belirsizlik İlkesini ihlal eder. Böyle bir şey olamaz. Yani tekil bir madde veya parçacık mutlak sıfıra inemez. Bunun yanında tüm evrene bakacak olursak da şunu görürüz: Evrenin her yerinde sıcaklık mutlak 0’a inemez. Çünkü tüm sıcaklıkların mutlak sıfıra inmesi demek etrafta hiçbir enerjinin olmaması demektir. Fakat enerji yok olmaz, fakat bu durumda yok oldu; paradoks ve çelişki yani böyle bir durum olamaz. (Paradoks ve çelişki derken şu yazımızı öneririz: Bilim Nasıl Çalışır: Teori ve Kanun, Matematikle Farkı) Sonuç olarak, Maddeler mutlak sıfıra kadar soğutulamaz. Ve bununla da artık yazımızın sonuna geldik.
Son Söz
Bu yazı için acayip vakit harcadım. Çizimleri yapmak zor oldu, bunun yanında kavramları çok iyi anlamak için baya uğraştım. Herkesin anlayabileceği ve görebileceği şekilde şekiller çizerek anlatmaya çalıştım. Lütfen bir hatamız varsa bize ulaşınız ki daha iyi yazarlar olalım. Sağlıcakla kalın.
Kaynakça
Ted-Ed, How It Works
