Herkes az veya çok bilime merak duymuştur. Zira yapılan araştırmalar, deneyler bazen tüm insanlığı etkileyebiliyor. Mesela bir hastalığa bulunan tedavi yöntemi, geliştirilen yeni teknolojik cihaz, yapılan bir keşif; hepsi bilimin bize hediyesi. Peki insanlığın buralara ulaşmasındaki en büyük etmen nedir? Cevap: Termodinamik.
Bilim insanların yaptıkları çalışmalar ile ulaştıkları önemli bir nokta var. Artık evrenin temellerine ilişkin diğer soruları bırakıp, önemli bir soruya yönelmemizi istiyorlar: Şayet termodinamik olmasaydı, şu anki insanlık olur muydu? Cevabı ise hayır, muhtemelen olmazdı.
Termodinamik nedir?
Peki bu termodinamik adındaki bilim dalı neyi araştırıyor? Isıyı, sıcaklığı, enerjiyi ve enerjilerin kendi aralarındaki etkileşimleri. Yani enerjinin olduğu her şeyi bu bilim dalı inceliyor. Evet, evren de dahil. Çünkü evrende de enerji var.
Kendisine öz yasaları bulunan bu bilim dalı için bazı bilim insanları o yasalara evrenin temel yasaları diyorlar. Evrenin temel yasaları olarak adlandırılan bu dört yasa, güçlerini birleştirdikleri zaman ise termodinamik bilim dalını ortaya çıkarıyorlar. Tarihte yapılan sanayi devrimlerini, teknolojik keşifleri ve hatta insanların uzaya gidebilmesini bile termodinamiği oluşturan bu yasalar mümkün kıldı.
Termodinamik yasaları:
Sıfırıncı yasa:
İsminin ilginç geldiğinin farkındayız ama yasanın ismi 1930’lu yıllara kadar belirtilmediği için Ralph Fowler bu yasayı sıfırıncı yani isimsiz yasa olarak belirtmiştir. Peki bu termodinamik sıfırıncı yasa ne? Hemen açıklayalım;
Sıfırıncı yasa bize ısıdaki dengeyi anlatır. Yasaya göre A ve B sistemlerinin ısısı dengede ise, o zaman A sistemi ile dengede olan C sistemi, B sistemi ile de dengededir. Örneğin diyelim ki bir elimizle deftere dokunuyoruz. Elimiz A sistemi, defterimi ise B sistemi oluyor. Diğer elimizle de kaleme dokunuyoruz ve kalem de C sistemi. Şayet bu üç sistem arasında ısı alışverişi yoksa o zaman üç sistem de dengede demektir.
Şayet iki sistem arasında bir ısı alışverişi varsa o zaman üç sistem de dengede değildir çünkü ısı alışverişi sırasında enerjiler birbirleriyle etkileşimde olacağı için manyetik alan oluşturacaklar.
Birinci yasa:
Bu yasa ise direkt olarak enerjiye odaklanan yasa olarak kabul ediliyor. Birinci yasaya göre bir sistemdeki toplam enerji sayısı sabittir lakin enerjinin türleri arasında etkileşim olur. Ayrıca bir sistemdeki enerji kesinlikle hem yok edilemez hem de yoktan var edilemez.
Örnek; Bir pompa ve futbol topu düşünelim. Bu bir sistemdir. Şayet bir süre topu şişirirseniz pompanın ısındığını fark edeceksiniz. Bunun sebebi ise yaptığımız iş yüzünden pompa sistemindeki iç enerjinin yoğunlaşarak artmasından kaynaklanıyor. Sibobu topun deliğine sokup tutan arkadaşımız elinde bir sıcaklık hissettiğinde ise enerjiler etkileşime geçerek ısıyı havaya iletmiştir.
Formül: -Q + W = U (Q= ortaya çıkan enerji | W= yaptığımı iş | U= pompanın içindeki iç enerji)
İkinci yasa:
Belki de termodinamik yasaları arasında en karışık olan yasa. Ama basitçe açıkladığı konu, enerjinin işe dönüşebilmesi. Yani nasıl ki arabalardaki motorlar benzin veya gaz yakarak enerjiyi itici güç haline dönüştürürler ve arabalar da bu güç sayesinde gider, işte bunu termodinamiğin 2. yasası açıklar.
Bu olaya parantez açan ikinci yasa, hiçbir ısı enerjisinin tamamının işe dönüşmeyeceğini söyler. Yani araba alırken satıcı size 10 litre depo ile 10 km yol gidebilirsiniz derse bu ortalama 7-8 km yol demektir. Çünkü yasaya göre enerji hiçbir sistemi tam verimli çalıştıramaz. Bunun sebebi ise enerjinin işe çevrildiği süre boyunca içerideki sıcak enerji ile egzozdan giren soğuk enerjinin birbirleriyle olan etkileşiminden kaynaklanıyor. Yine yasaya göre enerji ters döngüye girdiği zaman kendi veriminde çalışabilir. Buna da Carnot prensibi deniliyor.
Carnot prensibine göre;
- Tersine çevrilebilen döngü, tersine çevrilemeyen döngüden daha verimlidir.
- Aynı kaynak sıcaklığında işleyen döngüler aynı verimliliğe sahiptirler.
Bu da şu demek oluyor; şayet evinizdeki klimayı 1 ay boyunca her gün 18 derecede çalıştırırsanız, yine 1 ay boyunca her gün 20 derecede çalıştırdığınızdan daha fazla elektrik faturası ödersiniz. Yani klimanızı 20 derecede çalıştırmak, 18 derecede çalıştırmaktan daha az masraflı.
Bunun sebebi ise klima içerideki sıcak havayı alarak dışarıya veriyor ve doğanın yani evrenin dengesini bozuyor. Ama dışarıdaki soğuk havayı da alarak içeri veriyor ve bir carnot prensibi döngüsü oluşturuyor. Bu olaya da entropi deniliyor. Düzensizliğin ölçüsü entropi ile tanımlanıyor.
Üçüncü yasa:
Bu yasa ise bize iş yapmak için üretilen ısının bir kısmının dışarı atılması gerektiğini söyler. Üçüncü yasaya göre dışarı atılan bu ısı ne kadar az olursa verimlilik de aynı oranda artar. Yüzde yüz verim ise sadece sıcak ve soğuk rezerve sıcaklıklarıyla eşit olduğu zaman yani 0 Kelvinde (-273 santigrat derece) gerçekleşir. 0 Kelvine ulaşmak imkansız olacağı için yüzde yüz verim de imkansızdır.
Termodinamik tarihçesi:
Enerji ve enerjilerin birbirleriyle olan etkileşimini inceleyen bu bilim dalı, ilk ortaya çıktığı tarihten itibaren dünya genelindeki tüm mühendislik dalları için adeta yapı taşı oldu. Termodinamik ile alakalı çalışmalar ilk olarak 18. yüzyılın başlarında Thomas Savery ve Thomas Newcomen tarafından yapıldı. Bu çalışmalar, Thomas Savery’in 1697 yılında, Thomas Newcomen’ ise 1712 yılında ürettiği buhar makineleri ile yapılır.
Her ne kadar termodinamik bilim dalı 1697 yılında ortaya çıkmış denilse de bilim tarafından kabul edilen resmi tarih 1766 yılıdır ve babası ise James Watt’tır. Lakin Watt yeni bir makine icat etmemiş, Newcomen ve Savery tarafından üretilen buhar makinelerini daha da geliştirmiştir.
Yani 1697 yılında o buhar makinesi ile hayatımıza giren termodinamik, günümüzde beyaz eşyalarla evlerimize, taşıtlarla gündelik işlerimize ve uzay biliminin de desteği ile roketlerimizdeki yakıtlarla da gökyüzümüze kadar geldi.
Termodinamik, sıradan insanlar için ne anlama gelir?
- Doğada ve günlük yaşamda meydana gelen tüm süreçler termodinamik yasalarına bağlı şekilde gelişir.
- Termodinamik sıcaklık ölçeği, standart bir ölçek görevi görür ve aynı zamanda insaların sıcaklığı değer olarak okumasını sağlar.
- Termodinamik yasalarının doğrulan kullanıldığı alanlardan bazıları: Enerji santralleri, endüstriyel üretim işlemleri, motorlar, ısı pompalar, yapay ortamda kurgulanan yanma işlemleri.
- Örneğin düdüklü tencere bile termodinamik yasaları sayesinde icat edilmiştir. Basınç arttıkça kaynama noktasının da arttığını söyleyen kanuna bağlı olarak geliştirilmiştir.
- Kondüksiyon (ısı transferi), konveksiyon (taşınım) ve radyasyon, termodinamik yasalara bağlı oluşan süreçlerdir.
- Telefonlarda, CPU'larda, dizüstü bilgisayarlarda, tabletlerde yer alan soğutucular, termodinamik yasalarına bağlı kalarak tasarlanmıştır.
- Termometre, sıfırıncı termodinamik kanununa dayanan bir icattır.
- MR, röntgen gibi işlemlerin dayandığı radyografi alanı, termo-fizik çalışmaları sonucunda üretilmiştir.
- Daha sağlam metaller için ısıyı nasıl kullanacağımızı anlamak için önce termodinamiği öğrenmemiz gerekmiştir.
Sizlerde termodinamik ile ilgileniyorsanız, yorumlar kısmında bizimle düşüncelerinizi paylaşabilirsiniz.
