Evrim Ağacı

Evrendeki En Temel Yasalar: Termodinamik Yasaları Nedir? Neler Söyler?

Dört Zarif ve Sade Termodinamik Yasasıyla, Mikroevrenden Makroevrene Kısa Bir Yolculuk...

Evrendeki En Temel Yasalar: Termodinamik Yasaları Nedir? Neler Söyler?
Galaksi
Pixabay
Tavsiye Makale

Bu yazı, Evrim Ağacı'na ait, özgün bir içeriktir. Konu akışı, anlatım ve detaylar, Evrim Ağacı yazarı/yazarları tarafından hazırlanmış ve/veya derlenmiştir. Bu içerik için kullanılan kaynaklar, yazının sonunda gösterilmiştir. Bu içerik, diğer tüm içeriklerimiz gibi, İçerik Kullanım İzinleri'ne tabidir.

Bir önceki yazımızda evreni anlamamızda büyük bir rolü olan fizik biliminin alt dalı olan istatistiksel mekaniğin tarihçesini ve önemini irdelemiştik. Şimdi ise onun bir uygulaması olan termodinamiğe giriş yapacağız.

Termodinamik; ısı ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi inceleyen ve bunlar arasındaki etkileşimleri açıklayan fiziğin bir alt dalıdır. Maddelerin makro özelliklerinin aslında mikro (atom ve molekül bazında) durumlarından kaynaklandığını söyler. O halde termodinamiğe bir giriş yapalım!

Samanyolu Galaksisi
Samanyolu Galaksisi
Pixabay

Fizikçiler evrendeki her şeyi olabildiğince sınıflandırır ve bunlara birer “sistem” derler. Çok sayıda parçacık ya da cisim içeren bu sistemler doğada her yerde bulunabilir: Örneğin maddeyi oluşturan atom ve moleküller, metallerdeki ve yarı-iletkenlerdeki elektronların kuantum gazları, galaksimizdeki süpernova patlamaları ile nötron yıldızlarının merkezindeki nükleer maddeler... Ya da evrenimizin başlangıcı olan Büyük Patlama ile üretilen atomaltı parçaçıklar; leptonlar,kuarklarlar ve gluonlar... Bunların her biri, çeşitli sistemleri oluşturur ve hatta kendileri de bazı diğer sistemlerin parçalarıdır.

Yengeç Nebulası
Yengeç Nebulası
Pixabay

Yukarıda saydığımız bu sistemler birbirlerinden oldukça farklıdır. Ama bu farklılıklara rağmen bunların tamamı genel fizik yasalarına uymaktadırlar. Biz burada sistemleri termodinamik açıdan inceleyeceğiz.

Maddelerin fiziksel özellikleri genel olarak iki ana kategoriye ayrılır: bunlardan ilki “makro-durum”, diğeri ise “mikro-durum”dur. Makro-durum, maddelerin makroskopik özelliklerini temsil ederken, mikro-durum maddelerin mikroskopik özelliklerini ifade eder. Ama iki ayrı kategori olmasına rağmen iki durum da birbirleriyle ilişkilidir. Bu ilişkiyi sağlayan ise uymuş oldukları “denge durumları” ya da bir başka deyişle “termodinamik yasaları”dır.

Termodinamik yasaları, sistemlerin enerjileri ve entropileri hakkında bilgi sahibi olmamızı sağlar. Ayrıca incelenen sistemlerin gelecekteki durumlarını ve aralarındaki genel etkileşimleri bulmamıza katkıda bulunur. Tabii bunu yaparken sistemlerin çok fazla sayıda parçacık içermesinden dolayı istatistiksel olarak olaylara yaklaşır.

Termodinamik Açıdan Sistemler

Yukarıda saydığımız ve buraya sığdıramayacağımız sistemlerin tamamı, üç ana grupta incelenir. Bu inceleme, çevreleriyle olan enerji ve madde etkileşimlerine göre yapılır. O halde sırasıyla sistemleri tanımaya başlayalım:

1) İzole Sistemler:

Bu tür sistemler çevreleriyle hiçbir şekilde etkileşimde değillerdir. Yani çevreleriyle enerji yada madde alışverişi yapmazlar. Bu sebepten dolayı da sahip oldukları toplam enerji (mekanik,elektriksel vb...) korunur ve buradan yola çıkarak sistemin makrodurumları bulunabilir.

Bu sistemler idealize sistemlerdir ve gerçekte olanı yansıtmazlar. Doğada %100 izole hiçbir sistem yoktur. Sadece çok iyi izole edilmiş sistemler vardır - ki bunlarda da az sayıda olsa dahi çevreyle bir etkileşim yine de vardır.

2) Kapalı Sistemler:

Bu sistemlerde ise çevreyle sadece enerji alışverişi vardır, madde alışverişi yoktur. Uzun vadeli olarak enerji korunumundan bahsetmek pek mümkün değildir. Dolayısıyla bundan dolayı enerji sürekli aktarılır. Eğer ki kapalı sistemler çevresiyle denge halindeyse, enerjinin oratalama değeri olan sıcaklık iki sistemde de eşittir. Ve burada enerji akışı da artık durur. Sıcaklık yardımıyla sistemin makrodurumları bulunabilir.

3) Açık Sistemler:

Bu sistemler çevreleriyle hem enerji hem de madde alışverişi içerisindedirler. Dolayısıyla bu tür sistemlerde enerji ve ya madde korunumundan bahsedilemez. Eğer ki açık sistemler çevreleriyle denge halindeler ise, enerji ve parçacık sayıları, sahip oldukları sıcaklık ve kimyasal potansiyel enerji ile ilişkilidir.

Termodinamiğin Yasaları

Artık sistemler hakkında yeterli bilgiye sahibiz. Şimdi ise birbirinden farklı olan bu sistemlerin uyduğu yasalara yani termodinamik yasalarına geçelim.

Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası: Termal Denge ve Sıcaklık İlişkisi

Bu yasayı açıklamadan önce şu soru akıllara takılmıştır diye düşünüyoruz: Neden birinci yasa denmemiş, onun yerine sıfırıncı yasa denilmiş? Evet, haklı bir soru! Çünkü bu yasa tarihsel gelişim açısından bakıldığında termodinamik yasalarının en son keşfedilen yasası. Oldukça da önemli temel bir yasa olduğu için öncelik sırası bu yasaya verilmiş ve sıfırıncı yasa denilmiş. Evet, fizikçiler biraz sıra dışı insanlar...

Peki nedir bu yasa? Ne anlatır bize?

Bildiğimiz üzere sıcaklık, madde moleküllerinin sahip olduğu kinetik enerjilerinin ortalama bir göstergesidir. Mekanik ve elektrodinamikte oldukça önemli bir parametredir. Birbirleriyle temas halinde olan iki cismin termal denge durumunda sıcaklıkları da eşittir. Ve sistemin sahip olduğu termodinamik denge nicelikleri sadece ve sadece denge durumunda tanımlanıp ölçülebilir.

Burada termal dengeden kasıt şudur: Kapalı bir sistemin bir makroskopik durumunu temsil eder ve yeterince uzun bir süre sonra otomatik olarak elde edilir. Ayrıca artık kapalı sistem denge durumunda olduğu için makroskopik özellikleri zaman değişse de değişmez.

Örnek vermek gerekirse içinde bulunduğumuz evrenimiz teknik olarak kapalı bir sistemdir. İçindeki bütün yıldızlar, galaksiler ve diğer nesneler arasında enerji alışverişi olmaktadır. Termodinamiğin sıfırıncı yasası bakımından bunu irdelersek, bu yasaya göre kapalı bir sistem uzun süreler sonunda eninde sonunda termal dengeye ulaşır ve enerji aktarımı da sonlanır.

Evrenimize baktığımızda, enerji kaynakları yıldızlardır. Dolayısıyla yıldızlar termal açıdan dengede değillerdir etraflarına sürekli enerji yayarlar. Ama bu yaydıkları enerji, oldukça geniş bir ölçeğe sahip evrenimizde oldukça çok küçük sıcaklık değişimleri meydana getirir. Bu değişimlerin gözlenebilmesi açısından da oldukça uzun yıllara ihtiyaç vardır. Dolayısıyla evrenimiz termodinamik açıdan termal denge içerisinde denilebilir - ki bu durumda evrendeki herhangi bir yerin sıcaklığı başka bir yerle oldukça çok küçük farklarla aynı olacaktır.

Deneysel gözlemlerimiz de bunu destekler. Dış uzayın sıcaklığı yaklaşık 3 Kelvin = -270 °Celcius’tur. Demek ki biz bu sıfırıncı yasa sayesinde eldeki verilerden yola çıkarak kapalı sistemin içindeki başka bir durum hakkında bilgi sahibi olabiliyoruz. Oldukça önemli bir bilgi bu!

Samanyolu Galaksisi'ndeki Yıldızlar (Herbir Nokta Birer Yıldız)
Samanyolu Galaksisi'ndeki Yıldızlar (Herbir Nokta Birer Yıldız)
Pixabay

Bu yasanın diğer bir yorumu da şudur: Elimizde A, B, C cisimleri bulunsun. Eğer ki A ve B cisimleri termal olarak dengede ve B ile C cisimleri de termal olarak dengede ise, otomatik olarak A ve C'nin de termal olarak dengede olduğunu söyleyebiliriz.

A=BA=B ve B=CB=C ise A=CA=C olur.

(Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası)

Termodinamiğin Birinci Yasası: Enerji Korunum Yasası

Bu yasayı açıklamak için önce “iç enerji” dediğimiz kavramı irdeleyelim.

Bildiğimiz üzere maddeler, atom ve moleküllerden meydana gelir. Dolayısıyla atomların ve moleküllerin sahip oldukları enerjiler vardır. Bunlara kabaca kinetik enerji ve potansiyel enerji diyebiliriz. Dolayısıyla madde moleküllerinin sahip olduğu toplam kinetik ve potansiyel enerjinin tamamına biz o maddenin “iç enerji”si diyoruz. Bu iç enerji, sistemde iş yapılarak yani ondan ısı alarak ya da verilerek değiştirilebilir. Biliyoruz ki biz ısı dediğimiz nicelik, aslında bir enerjidir.

Tam da burada devreye, termodinamiğin birinci yasası giriyor: Bir sistemin sahip olduğu iç enerjisindeki değişim miktarı (dUdU), ona aktarılan veya ondan alınan ısı miktarı (dQdQ) ve sistemin çevresine uyguladığı işin (dWdW) toplamına eşittir.

dU=dW+dQ dU = dW + dQ

(Termodinamiğin Birinci Yasası)

Daha açık ifade etmek gerekirse sistemin toplam enerjisindeki değişim, yapılan iş ve ısı ile birlikte yine dengelenir. Yani enerjinin korunduğunu ve bir türden başka bir türe değiştiğini gösteren en önemli çıkarımdır.

Kapalı bir sistemde ne yaparsanız yapın, sistemin ilk durumdaki toplam enerjisi ile son durumdaki toplam enerjisi aynı olacaktır. Evrenimiz de kapalı bir sistem olduğuna göre, evrenimizde de enerji korunur. Dolayısıyla Samanyolu Galaksisi’ndeki fizik yasaları, aynı zamanda Andromeda Galaksisi’nde de geçerlidir.

Yani fizik, evrenseldir. Zamanda ve mekanda ötelemeye sahip olup, bu temel yasa evrende her yerde vardır! Bunu R. Mayer (1814 – 1878) ve J.P.Joule (1818 – 1889) enerji ve ısıyla yaptıkları deneysel çalışmalarla bizzat göstermişlerdir.

Atom ve Moleküller
Atom ve Moleküller
Pixabay

Termodinamiğin İkinci Yasası: Entropi

Entropi dediğimiz olgu bir sistemin düzensizliğini gösteren bir kavramdır. Sistemin düzensizliği arttıkça, entropi de artar deriz. Peki nedir bu entropi?

Kapalı bir kutu düşünelim. İçinde herhangi bir madde yok. Şimdi içine belirli miktar sıcak gaz ekleyelim ve biraz zaman geçmesini bekleyelim. Kutuyu termal bir kamera incelersek ne görmeyi bekleriz? Tüm gaz atomlarının kutunun bir köseşinde birikmesini mi yoksa tüm gaz atomlarının gelişigüzel kutunun içine dağılmasını mı? Cevap %99,99999... oranla gelişigüzel dağılmaları olacaktır. Çünkü atomların gelişigüzel dağılma kombinasyonlarının sayısı, bir köşede sıkışıp toplanma kombinasyonlarının sayısından oldukça fazladır ve bu yüzden olasılık olarak gelişigüzel dağılmaları daha muhtemeldir!

İşte biz bu duruma ve olguya “entropi” diyoruz. Bu kavram ilk kez 1850 yılında R. Clausius tarafından ifade edilmiş olup sistemlerin entropisi (SS) daima artar ya da belirli durumlarda (izole sistemlerde) sabit kalır, fakat asla azalmaz şeklinde tanımlanır.

dS=0,S=SmaxdS = 0, S = S_{max} (izole sistemler)

0">dS>0dS>0 (diğer sistemler)

(Termodinamiğin İkinci Yasası)

S=kBlnΩS=k_Bln\Omega (Boltzmann Entropi Yasası)

Burada anlaşılması gereken kritik bir nokta, birbiriyle etkileşen sistemlerde, enerji akışı dolayısıyla bir sistemin entropisinin azalacak olmasıdır. Örneğin iki sistem birbiriyle etkileşiyorsa, bunlardan birinde entropi artarken, diğerinde entropi azalabilir. Bu durumda sistemlerin toplam entropisi sabit kalmıştır. Bu toplam entropi hiçbir zaman negatif olamaz; ancak sistemlerden biri daha düzenli hale gelebilir. Eğer bu böyle olmasaydı, dağınık haldeki odanızı toplamanız imkansız olurdu.

Termodinamiğin Üçüncü Yasası: Mutlak Sıfır

Bu yasa, sistemin sıcaklığı ile hareketi arasındaki ilişkiyi açıklar. Biliyoruz ki sıcaklık dediğimiz nicelik, madde moleküllerinin ve atomların hareketinin bir ortalama ölçüsüdür. Yani bir madde ne kadar sıcaksa o kadar atomik boyutta hareketlidir. Tabii ki bu hareket büyük ölçüde titreşim hareketi olmaktadır.

Peki maddelerin sıcaklığını arttırmak yerine azaltırsak hareketlerine ne olur? Bu sorunun cevabı üçüncü yasada saklıdır: Eğer ki bir cismin sıcaklığı, mutlak sıcaklığı (0 Kelvin = -273.15 °Celcius) yaklaşırsa, cismin entropisi de sıfıra yaklaşır (kristal dizilimindeki belirsizliklerden dolayı tam sıfır olmaz, sıfıra yakın bir sabite yaklaşır!)

Peki entropinin sıfıra yaklaşması ne ifade eder? Maddelerin içindeki atom ve moleküllerin hareketlerinin de sıfıra yaklaşması gibi bir durum ortaya çıkar, dolayısıyla hareket olmaz, madde bildiğimiz formunu kaybeder, dolayısıyla ortada bizim anladığımız formda madde diye bir kavram kalmadığı için canlılık da olamaz!

O zaman diğer soru: Mutlak sıfır noktasına inebilmek mümkün müdür? Hayır, mümkün değildir (entropinin yorumuna bağlı olarak bunu mümkün kılabilecek bazı ekstrem durumlar olabilse de). Çünkü bu teorik bir sonuçtur. Evrende teorik olarak ölçülebilecek en düşük sıcaklık değerini ifade eder.

Peki neden? Bu sorunun cevabı ise kuantum mekaniğinde aramak lazım. Bir elektronun Schrodinger Dalga Denklemi’ni çözüp bunu enerji için uyarladığınızda şöyle bir denklem elde edersiniz:

En=(n+1/2)hfE_n = (n + 1/2)hf

n:enerjiseviyesi(0,1,2,3,...)n: enerji seviyesi (0,1,2,3,...)

h:PlanckSabitih:Planck Sabiti

f:frekansf:frekans

Dolayısıyla hidrojen atomu için taban hal durumu (ground state) dediğimiz yani en düşük enerji seviyesi n=0 durumudur. Eğer denklemde n=0 yazarsanız E0=12hfE_0 = \frac{1}{2}hf değerini elde edersiniz yani enerji değerinin 0 olmasını değil! İşte evren adına en garip sonuçlardan biri! Eğer ki enerji değeri 0 olsaydı bu durum Heisenberg Belirsizlik İlkesi ile çelişirdi. Yani sistemin konumu ile momentumu kesin olarak bilindiği durumu ortaya çıkardı ve belirsizlik ortadan kalkardı. Ama böyle bir durum fizik yasalarınca mümkün değildir ve oyunun kurallarını değiştiremezsiniz.

Kuantum Mekaniği'nde Parçacığa Ait Dalga Denklemi ve Olasılık Yoğunluğu
Kuantum Mekaniği'nde Parçacığa Ait Dalga Denklemi ve Olasılık Yoğunluğu
Pixabay

Sonuç olarak bu yazımızı toparlarsak eğer, evrenimizdeki bütün farklı sistemlerin aslında aynı fizik yasalarına bağlı olduklarını, hareketlerinin ne kadar karmaşık olsa dahi basit ve sade fizik yasaları ile açıklanabileceğini hatta evrende sıfır enerjiye sahip bir sistemin olamayacağını görmüş olduk. Oldukça inanılmaz, değil mi?

Bir yerlerde inanılmaz bir şey keşfedilmeyi bekliyor. Carl Sagan
Bu İçerik Size Ne Hissettirdi?
  • Muhteşem! 5
  • Tebrikler! 10
  • Bilim Budur! 5
  • Mmm... Çok sapyoseksüel! 2
  • Güldürdü 0
  • İnanılmaz 0
  • Umut Verici! 1
  • Merak Uyandırıcı! 4
  • Üzücü! 0
  • Grrr... *@$# 0
  • İğrenç! 0
  • Korkutucu! 0
Kaynaklar ve İleri Okuma
  • G. Walter, et al. (1995). Thermodynamics And Statistical Mechanics. ISBN: 0387942998. Yayınevi: Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
  • D. Ross. (Bilimsel Rapor, 2008). Wavefunctions - Schrodinger’s Equation. Not: Emeritus Professor of Physics, University of Southampton.

Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?

Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:

kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci

Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 31/05/2020 07:19:05 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/8505

İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.

Evrim Ağacı %100 okur destekli bir bilim platformudur. Maddi destekte bulunarak Türkiye'de modern bilimin gelişmesine güç katmak ister misiniz?
Destek Ol
Gizle
Güncel
Kozmoloji
Darwin
Gerçek
Avcı
Beyin
Sanat
Bitki
Primat
Evrimsel Biyoloji
Ses Kaydı
Tutarlılık
Kedigiller
Bakteri
Genom
Doğa Yasaları
Bilgi Felsefesi
Canlı
Evren
Uçma
Astrobiyoloji
Mitler Ve Gerçekler
Göğüs
Erkek
Enfeksiyon
Kadın Doğum
Daha Fazla İçerik Göster
Daha Fazla İçerik Göster
Türkiye'deki bilimseverlerin buluşma noktasına hoşgeldiniz!

Göster

Şifrenizi mi unuttunuz? Lütfen e-posta adresinizi giriniz. E-posta adresinize şifrenizi sıfırlamak için bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Eğer aktivasyon kodunu almadıysanız lütfen e-posta adresinizi giriniz. Üyeliğinizi aktive etmek için e-posta adresinize bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Close
“Bilimin trajedisi, harikulade bir hipotezi gerçekler ışığında katletmesidir.”
Thomas Huxley
Geri Bildirim Gönder