Termodinamik ve ısı ilişkisi

Çoğu kişi tarafından yanlış anlaşılan ve yanlış yorumlanan "Entropi" gibi kavramlarını da dahil eden Termodinamiği, ve onun ısıyla ilişkisini anlatıyoruz.

Isı ve termodinamik arasındaki ilişki, bilim adamları tarafından tam olarak anlaşılmayan karmaşık bir ilişkidir. Bununla birlikte, ısı ve termodinamiğin nasıl ilişkili olduğunu açıklamak için kullanılabilecek bazı temel ilkeler vardır.

Termodinamik, ısı ve iş arasındaki ilişkinin incelenmesidir. Enerjinin bir biçimden diğerine dönüştürülmesiyle ilgilenen bir fizik dalıdır. Termodinamik, birbirleriyle termal temas halinde olan sistemlerin davranışını incelemek için kullanılır.^[1]

Isı, bir sistemden diğerine aktarılabilen bir enerji şeklidir. Isı aktarıldığında, sistemin sıcaklığında bir değişikliğe neden olur. Isı iletim, konveksiyon veya radyasyon yoluyla aktarılabilir.

İletim, moleküler çarpışmalar yoluyla ısı transferidir. Birbiriyle temas halinde olan iki nesne arasında sıcaklık farkı olduğunda ortaya çıkar. Daha sıcak cismin molekülleri, daha soğuk cismin molekülleri ile çarpışır ve ısı, daha sıcak nesneden daha soğuk cisme aktarılır.

Konveksiyon, ısının akışkan hareketi yoluyla aktarılmasıdır. Bir sıvı (sıvı veya gaz) ısıtıldığında ve sıcak sıvı yükseldiğinde ve daha soğuk sıvı düştüğünde oluşur. Sıcak akışkan, ısıyı konveksiyon yoluyla soğutucu akışkana aktarır.

Radyasyon, ısının elektromanyetik dalgalar yoluyla aktarılmasıdır. Bir nesne elektromanyetik dalgalar yaydığında ve dalgalar ısıyı başka bir nesneye aktardığında oluşur.

Bu 3 kavramı bildiğimize göre Termodinamik yasalarına biraz göz atalım.

Enerjinin korunumu yasası olarak da bilinen termodinamiğin birinci yasası, enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini, yalnızca bir biçimden diğerine dönüştürülebileceğini belirtir. Örneğin, bir araba sürülürken, benzindeki enerji, motora güç veren ve arabayı hareket ettiren ısı ve kinetik enerjiye dönüştürülür. Fakat benzindeki enerji yok olmaz, sadece ısı ve kinetik enerjiye dönüşür.

Termodinamiğin ikinci yasası, entropinin veya düzensizliğin zamanla her zaman arttığını belirtir. Entropi, bir sistemdeki iş yapmaya müsait olmayan enerji miktarının bir ölçüsüdür. Örneğin, bir araba sürülürken motor, benzindeki enerjiyi ısıya dönüştürür ve bu da çevreye dağılır. Motor, benzindeki tüm enerjiyi faydalı işe dönüştüremez, bu nedenle bir kısmı ısı olarak kaybolur.

Termodinamiğin üçüncü yasası, bir sistemin entropisinin, sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça sabit bir değere yaklaştığını belirtir. Mutlak sıfır, mümkün olan en düşük sıcaklıktır ve özel teknikler kullanmadan ulaşmak imkansızdır. Örneğin, bir madde çok düşük sıcaklıklara soğutulduğunda, maddedeki atomlar ve moleküller yavaşlar ve hareket etmeyi bırakır. Sistemin entropisi daha sonra minimum değerindedir.

Termodinamik çalışması, sistemlerin nasıl çalıştığını ve güç üretmek için nasıl kullanılabileceğini anlamak için gereklidir. Termodinamik ilkeler, mühendislik, kimya ve hatta biyoloji dahil olmak üzere çeşitli alanlarda kullanılmaktadır.

Isı ve termodinamik arasındaki ilişki aşağıdaki denklemle özetlenebilir:

$Q=\Delta U+W$

burada $Q$ısı transferi, $\Delta U$ iç enerjideki değişim ve $W$ yapılan iştir.

Yukarıdaki denklem, iki sistem arasında bir sıcaklık farkı olduğunda ısının transfer edildiğini gösterir. Isı, daha sıcak sistemden daha soğuk sisteme aktarılır. Sistem çevresi üzerinde iş yaptığında iş yapılmış olur.

Isı ve termodinamik arasındaki ilişkiyi anlamak için entropi kavramını anlamak gerekir. Entropi, bir sistemin düzensizliğinin bir ölçüsüdür. Bir sistemin düzensizliği arttıkça sistemin entropisi de artar.

Bir sistemin entropisi iki yöntemle artırılabilir:

1) sistemin sıcaklığını arttırmak veya

2) sistemdeki partikül sayısını arttırmak.

Bir sistemin entropisi, sistem daha düzenli hale geldiğinde azalır.

Mesela Evrenin entropisi sürekli artar. Bunun nedeni, evrenin sürekli genişlemesi ve evrendeki parçacıkların sayısının sürekli artmasıdır. Evren genişledikçe evrenin entropisi de artar.^[2]

Evrenin entropisi bir noktada artık maksimum bir değere ulaşacaktır. Bu değer evrenin ısı ölümü olarak bilinir.^[1]

Evrenin ısı ölümü, evrenin entropisinin maksimum değerinde olduğu evrenin son durumudur. Evrenin entropisi çok yüksek olduğu ve tüm yıldızların söndüğü ve tüm maddenin evren boyunca eşit olarak dağıldığı gelecekte evren bu duruma ulaşacaktır (bu konuyu başka bir yazımızda ayrıntılı olarak işleyeceğiz)

Evrenin ısı ölümünde sıcaklık farkı ve ısı transferi olmayacaktır. Evren bir denge durumunda olacaktır.

Sonuç olarak, Isı ve Termodinamik arasındaki ilişki aşağıdaki denklemle özetlenebilir:

$Q=\Delta U+W$

Burada $Q$ ısı transferi, $\Delta U$ iç enerjideki değişim ve $W$ yapılan iştir.