Bu Yazıda Neler Var?
Termodinamik kavramı Yunanca thermos (ısı) ve dynamic (enerji) sözcüklerinden türetilmiştir. Enerji, ısı, iş, entropi ve ekserji gibi fiziksel kavramlarla (enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi) ilgilenir. Burada anahtar kavram, ısının, belirli bir mekanik işe denk gelen bir enerji biçimi olmasıdır.
Termodinamik, sistemlerin madde ve/veya enerji alış-verişiyle ilgilense de, bu işlemlerin hızıyla ilgilenmez. Bu nedenle termodinamik aslında denge termodinamiğidir. Termodinamiğin ana kavramlarından biri quasi-statik (yarı-durağan) adı verilen, idealize edilmiş sonsuz yavaşlıkta olaylardır. Zamana bağlı termodinamik olaylarla, denge halinde olmayan termodinamik ilgilenir.
Termodinamik yasaları çok genel bir geçerliliğe sahiptirler ve karşılıklı etkileşimlerin ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmezler.
Termodinamik Değişkenler
Bu değişkenler genellikle sistemin ya kendisini veya çevre koşullarını tanımlamak için kullanılır. En çok kullanılanlar:
Basınç
Hacim
İstatistiksel değişkenler:
Sıcaklık
Entropi (düzensizlik)
Termodinamiğin çoğu uygulamasında, bir ya da daha çok değişken sabit tutulurken, diğer değişkenlerin bunlara göre nasıl değiştiği incelenir ve bu da sistemin matematiksel olarak (n sabit tutulmayan değişkenlerin sayısı olmak üzere) n boyutlu bir uzay olarak tarif edilebileceği anlamına gelir. İstatistiksel mekaniği fizik yasalarıyla birleştirerek, bu değişkenleri birbirleri cinsinden ifade edecek durum denklemleri yazılabilir
Termodinamik potansiyeller
Termodinamik değişkenler aracılığıyla dört tane termodinamik potansiyel tanımlanabilir:
Sistemin İç Enerjisi
Helmholtz Serbest Enerjisi
Gibbs Serbest Enerjisi
Entalpi
Entalpi,özel bir fonksiyondur. Basınç sabit olduğu zaman bize ısıyı verir. Bu dört potansiyelin diferansiyel denklemlerini ve zincirleme türev kuralını kullanarak bu dört potansiyel, değişkenler ve birbirleri cinsinden yazılabilir.
Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası
İki sistem birbirleri ile etkileşim halinde oldukları halde, durumları değişmeden kalıyorsa bu iki sistem birbirleri ile dengededir denilir. Eğer iki sistem etkileşime açık oldukları halde, aralarında mekanik etkileşimle olan enerji transferi (iş) dışında net enerji transferi (ısı geçişi) yoksa, bu iki sistem birbirleri ile ısıl dengededir.
Eğer A ve B sistemleri birbirleri ile ısıl dengede ise, A sistemi ile ısıl dengede olan bir C sistemi, B sistemi ile de ısıl denge durumundadır. Bu denge durumu, sıcaklık olarak tanımlanır. Yani her sıcaklık derecesi, farklı bir denge durumunu temsil eder.
1931 yılında Ralph H. Fowler tarafından tanımlanan bu yasa, temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıktığından, doğal olarak 1. ve 2. yasalardan önce gelmek zorunluluğu doğmuş ve sıfırıncı yasa adını almıştır. Bu yasanın uygulanışına örnek olarak termometreler verilebilir. Termometre üçüncü sistem olarak kullanılır ve bir sıcaklık ölçeği oluşturulmasına imkan verir.
Termodinamiğin Birinci Yasası
Enerjinin korunumu olarak da bilinir. Bu yasaya göre:
Bir sistemin iç enerjisindeki değişim miktarı, o sisteme ilave edilen ısı miktarı ile sistemin çevresine uyguladığı iş arasındaki farka eşittir.
Enerji yoktan var edilemez ve 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.
Termodinamiğin İkinci Yasası
Isı, soğuk bir bölgeden sıcak bir bölgeye anında akamaz; başka bir deyişle, belirli bir sıcaklık derecesindeki ısı, tamamen işe dönüşemez.
Bunun bir sonucu olarak, kapalı bir sistemin entropisi zaman içerisinde en yüksek değerine ulaşır. Yani, tüm kapalı sistemler bir denge hâline ulaşmaya meyleder ve bu denge hâlinde entropi en yüksek düzeyde iken iş yapabilecek enerji miktarı sıfırdır. Bu ileri-geri asimetrik süreç fizikte zaman oku denen kavramın yaratılmasına neden olmuştur.
Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi) Verim asla 1’den büyük olamaz. Dolayısıyla tek kaynaktan ısı alarak çalışan bir makine yapmak olası değildir. Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkânsızdır. (Clausius Bildirisi)
Termodinamiğin Üçüncü Yasası
Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, en durağan hâlindeki bir elementin kusursuz bir kristalinin entropisi de sıfıra yaklaşır.
Bu durum, istatistiksel bir bakış açısıyla, bir sistemdeki düzenin veya rastgeleliğin seviyesini belirleyen mutlak bir entropi ölçeği oluşturulmasına imkan verir.
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.
Kaynak: https://www.wonderwhizkids.com/images/content/chemistry/chemical_reactions/thermo_chemistry/conceptmap/first_law_thermodynamics.html
