Termodinamik yasaları nelerdir? Termodinamik nedir?

Termodinamik nedir?

Termodinamik yasaları, termodinamiğin temelini oluşturan dört yasa. Termodinamik proseslerdeki ısı ve iş transferlerinin yapısını tanımlar.

Termodinamik yasaları, çok genel bir geçerliliğe sahiptir ve karşılıklı etkileşimlerin ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmez. Yani bir sistemin sadece madde veya enerji giriş-çıkışı bilinse dahi bu sisteme uygulanabilir.

Sıfırıncı yasa

1931 yılında Ralph H. Fowler tarafından tanımlanan bu yasa; temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıktığı ve doğal olarak termodinamiğin 1. ve 2. yasalarından önce gelme zorunluluğu doğduğu için "sıfırıncı yasa" adını almıştır.

Termodinamiğin bu en basit yasasına göre eğer iki sistem, birbiriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler, termodinamik dengededir. Sıfırıncı yasa şöyle der:

Eğer A ve B sistemleri, termodinamik dengedeyse ve B ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindeyse; A ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindedir.

Daha basit bir ifadeyle farklı sıcaklıklara sahip iki cisim arasında ısı alışverişine dayalı bir temas olursa sıcak olan cisim soğur, soğuk olan cisim ısınır. İşin temelinde, iki farklı sıcaklığa sahip iki cisim arasında gerçekleşen ısı akışının sıcak cisimden soğuk cisme doğru gerçekleştiği gerçeği yatar. Bazı soğuk cisimlerin sıcak, bazı sıcak cisimlerin de soğuk algılanması mümkündür. Örneğin –30° sıcaklık, kategorik olarak soğuk sınıfında düşünülebilirse de –50°ye göre daha sıcaktır. Isı akışının soğuktan sıcağa doğru olmayışının temeli şudur: Sıcaklık; malzeme atomlarının -daha doğrusu elektronlarının- kinetik enerjisine etki eden bir faktördür. Elektronlar, her zaman temel enerji seviyesinde olacak şekilde davranış gösterir. Kinetik enerjilerinin fazlasını aktarma ve temel enerji seviyesine dönme isteği hâkimdir. Sıcaklık, malzeme içinde atomların titreşmesi ile iletilir. Bu nedenledir ki ısı akışı, sıcak cisimden soğuk cisme doğru gerçekleşir.

Birinci yasa

Bir sistemin iç enerjisindeki değişim: sisteme verilen ısı ile, sisteme çevre tarafından uygulanan iş toplamıdır.

U₂ – U₁ = Q + W

Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir. Enerji, yoktan var edilemez; var olan enerji de yok edilemez; sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Bir sistemin herhangi bir çevrimi için çevrim sırasında ısı alışverişi ile iş alışverişi aynı birim sisteminde birbirlerine eşit farklı birim sistemlerinde ise birbirlerine orantılı olmak zorundadır. Bu ifadelerin yapılan deneylerle doğruluğu gözlenmiştir fakat ispat edilememektedir. Bütün bu ifadeler matematiksel olarak çok daha kolay ifade edilebilir.

Aşağıdaki formüllerde

• Q = çevrim boyunca net ısı alışverişini
• W = çevrim boyunca net iş alışverişini

İkinci Yasa

Birçok alanda uygulanabilen ikinci yasa şöyle tanımlanabilir:

Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi)

ya da

Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkânsızdır. (Clausius Bildirisi)

Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz (bkz: Maxwell'in Cini). Ancak mikroskopik bir sistem, yasanın dediğinin tersine entropi dalgalanmaları yaşayabilir (bkz: Dalgalanma Teoremi). Aslında, dalgalanma teoreminin zamana göre tersinebilir dinamik ve nedensellik ilkesinden çıkan matematiksel kanıtı ikinci yasanın bir kanıtını oluşturur. Mantıksal bakımdan ikinci yasa bu şekilde aslında fiziğin bir yasasından ziyade göreli olarak büyük sistemler ve uzun zamanlar için geçerli bir teoremi haline gelir. Ludwig Boltzmann tarafından tanımlanmıştır. Sisteme dışarıdan enerji verilmediği sürece düzenin düzensizliğe düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini anlatır. Kırık bir bardağın durup dururken veya kırarken harcanan enerjiden daha azı kullanılarak eski haline döndürülemeyeceği örneği verilir klasik olarak. 

Üçüncü Yasa

Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkânsız olduğunu belirtir:

Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bütün hareketler sıfıra yaklaşır.

Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, bir sistemin entropisi bir sabite yaklaşır. Bu sayının sıfır değil de bir sabit olmasının sebebi, bütün hareketler durmasına ve buna bağlı olan belirsizliklerin yok olmasına rağmen kristal olmayan maddelerin moleküler dizilimlerinin farklı olmasından kaynaklanan bir belirsizliğin hâlâ mevcut olmasıdır. Ayrıca üçüncü yasa sayesinde maddelerin mutlak sıfırdaki entropileri referans alınmak üzere kimyasal tepkimelerin incelenmesinde çok yararlı olan mutlak entropi tanımlanabilir.

Bu yasalardan birini ihlal eden makinelere o yasanın numarası türünden (örneğin, yoktan enerji yaratıyorsa birinci türden) devridaim makinası (ilginç bir şekilde Türkçede "Con Ahmet Makinası") denir.