Termodinamiğin İkinci Yasası bize bazı şeylerin imkansız ve bazı şeylerin olması gerektiğini söyleyen bir yasadır. Buzdolabından çıkardığınız donmuş bir hazır pizzayı sıcak su dolu bir kabın üzerine bıraktığınızda, hazır pizzanın buzları biraz çözünürken sıcak su dolu kap ise bir miktar soğur. Bu Termodinamiğin İkinci Yasası’na göre gerçekleşir ve siz asla ısının bunun tersi yönde yani sıcak su dolu kabın giderek daha sıcak, donmuş hazır pizzanın ise daha soğuk yaptığını göremezsiniz. Dolayısıyla ısı daha soğuk olan bir ortamdan daha sıcak olan bir ortama akmaz. Isı daima sıcak cisimlerden soğuk cisimlere doğru akmaktadır ve hiçbir şekilde bunun tersi olmaz. Isının soğuk bir cisimden sıcak bir cisme akması Termodinamiğin İkinci Yasası’na göre imkansızdır. İkinci Yasa’nın olması gerektiğini söylediği şey ise kapalı bir sistemde, sistemin düzensizliğinin ölçüsü olan entropinin ya sabit kalacak ya da artma eğiliminde olacak olmasıdır. Yani bu yasaya göre evrenin entropisi zamanla sürekli artacaktır. Ayrıca bu yasaya göre evrendeki entropi asla negatif olamaz. Bir masanın üzerinden düşen cam bardak yere düştüğünde onlarca parçaya ayrılır ve Termodinamiğin İkinci Yasası’na göre bu parçaları tekrar bir araya getirip cam bardağı oluşturmak mümkün değildir. Bu süreç tersinir değildir. Aynı şekilde bir elektrik devresinde akım geçtikçe oluşan ısının tersine o devreye ısı uyguladıkça akım üretemezsiniz.
Termodinamiğin İkinci Yasası oda sıcaklığında bıraktığınız dondurmanızın neden erimeye başladığını, bizim neden yaşlandığımızı ve asla gençleşemeyeceğimizi açıklar. Yani zamanın oku bu yasa ile anlaşılır, buna zamanın termodinamik oku denilir ve bir sistem içindeki bozukluğun ölçülmesi olarak tanımlanır.
19. yüzyılda Fransız fizikçi Sadi Carnot, ki termodinamiğin babası olarak anılır, buhar motorunun verimliliğini analiz etmeye çalışırken bilimin en derin denklemlerinden biri olan İkinci Yasa’nın ilk ifadesini üretmiştir. Carnot 1824 yılında iki sıcaklık arasında çalışan bir ısı motoru döngüsünde ısının işe dönüşme verimliliğinin bir üst sınırı olduğunu gösterdi. Bunu yaparken entropi yerine kaloriyi kullanmıştır. Kalori ısı ile ilgilidir ve Carnot bu hareketli döngüde bir miktar ısının her zaman kayıp olduğu fikrini ortaya koymuştur. Bu hareketli döngü Carnot ısı motoru olarak bilinir ve ısı ile iş transferleri her zaman termodinamik dengedeki iç durumlar olan alt sistemler arasında olur. Ancak Carnot ısı motoru ısı motorlarının verimliliği ile ilgilenen mühendislerin özel olarak ilgisini çeken idealleştirilen bir aygıttır. Dolayısıyla gerçekte böyle bir Carnot ısı makinesi yoktur. Çünkü böyle bir sistem tersinir adımlardan oluştuğu için toplamdaki entropi değişimi sıfırdır.
Carnot’tan sonra İkinci Yasa’ya ait ikinci ifadeyi ortaya koyan Alman fizikçi Rudolf Clausius, Clausius ifadesi olarak bilinen şu fikri geliştirdi, “Isı genellikle düşük sıcaklıktaki bir malzemeden yüksek sıcaklıktaki bir malzemeye kendiliğinden akamaz.” Bu ifadeyi 1854 yılında formüle etmiştir.
Lord Kelvin ise daha sonra Kelvin ifadesi olarak adlandırılan şu ifadeyi formüle etmiştir, “herhangi bir enerji kaybı olmaksızın çalışan bir sistemin enerjisinin tümünü başka bir enerji türüne dönüştürülmesinin yolu yoktur.”
İkinci Yasa’nın çok sayıda farklı ifade ile tanımlanması gibi Entropi de farklı şekillerde tanımlanmaktadır.
- Entropi ısı soğurmasının Q olduğu T sıcaklığında tersinir bir süreç için bu değişimin bir değişkenlik durumudur.
- Entropi bir işi yapmanın mümkün olmadığı enerji miktarının bir ölçüsüdür.
- Entropi bir sistemin bozukluğunun/düzensizliğinin bir ölçüsüdür.
- Entropi bir sistemin çokluğunun bir ölçüsüdür.
Entropi zamanla kapalı bir sistemin geleceği hakkında bilgi verdiği için termodinamik zaman okunun yönünü bize verdiği söylenir. Eğer iki farklı zamandaki bir sistemin anlık fotoğrafları daha fazla düzensiz bir durumu gösterirse, bu durum basitçe gelecek zamana ait olandır. Kapalı bir sistem için, olayların doğal akışı sistemin daha fazla düzensiz bir duruma iter.
Entropi kavramı evrendeki en büyük ölçeklere değin de uygulanabilir. Başka bir deyişle evrende düzensizlik ve karışıklık kaçınılmazdır. Öyle ki, evrenin kaçınılmaz sonunun tüm yıldızların yanmış olduğu ve geriye ısı dışında hiçbir şeyin kalmadığı “ısı ölümü” şeklinde olacağı sonucunu bu İkinci Yasa’dan çıkaranlar bile var. Başkaları ise bu yasa ile evreninin kökenine dair anlayışımızı geliştirme çabasında iken Büyük Patlama anının sıfır entropiye sahip olduğunu dolayısıyla bunun mükemmel bir düzen olarak açıklamada kullandılar.
Pratikte bu yasa ne söylüyor?
Bu yasa buhar motorlarından içten yanmalı motorlara, buzdolabından kimya mühendisliğine değin endüstri devrimi teknolojilerinin geliştirilmesi için önemliydi. Gerçek motorlarda, bir miktar enerji kaybı muhakkak olmaktadır. Yani bu yasa devri daim makineleri geliştirme çabalarının boşa olduğunu gösterdi.
Termodinamiğin İkinci Yasası 19. yüzyılda buhar motorlarının verimliliği geliştirme çabalarından bu yana evrenin ilk zamanlarına dahi dokunan fiziğin basit ama derin bir denklemi olarak tarihin akışını değiştiren önemli yasalardan biri olarak karşımızda duruyor. Bugün hâlâ evrenin ilk anının neden düşük entropiye sahip olduğunu çözebilmiş değiliz, henüz tam olarak kavrayamadığımız kuantum dünyasında bile bu yasanın geçerli olduğu gerçeği müthiş bir gizemle yasayı canlı kılıyor.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Referanslar:
http://physics.about.com/od/thermodynamics/a/lawthermo_4.htm
http://chemwiki.ucdavis.edu/Core/Physical_Chemistry/Thermodynamics/Laws_of_Thermodynamics/Second_Law_of_Thermodynamics
http://www.livescience.com/50941-second-law-thermodynamics.html
Cosmic Magazine
https://tr.wikipedia.org/wiki/Carnot_%C3%A7evrimi
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
https://tr.wikipedia.org/wiki/Termodinamiğin_ikinci_yasası
