Termodinamik pek çok kişi tarafından kelime olarak bilinmese dahi enerjinin temelini oluşturur. Enerji üzerine tüm hesaplamalar genellikle termodinamik yasalara bağlıdır. Dinamik’in alt dalı olan termodinamik tüm enerji hesaplamalarında mühendislere yol gösterici olmuştur.
Enerji ve soğutma konuları başta olmak üzere bir çok çevrim termodinamik üzerine kuruludur. Termodinamiği basitçe açıklamaya çalışalım.
Termodinamik Nedir?
Termodinamik, (Yunancada: thermos:ısı ve dynamic:enerji). Bazı Türkçe kaynaklarda ısıl devingi olarak da geçer. Enerji, ısı, iş, entropi ve ekserji gibi fiziksel kavramlarla ilgilenen bilim dalı. Termodinamik yasalarının istatistiksel mekanikten türetilebileceği gösterilmiştir. Termodinamik her ne kadar sistemlerin madde ve/veya enerji alış-verişiyle ilgilense de, bu işlemlerin hızıyla ilgilenmez. Bundan dolayı aslında termodinamik denilirken, denge termodinamiği kastedilir. Bu yüzden 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. Yani bir sistemin sadece madde veya enerji giriş-çıkışı bilinse dahi bu sisteme uygulanabilirler.
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 Değişkenler
Bu değişkenler genellikle sistemin ya kendisini, ya da çevre koşulları tarif etmek için kullanılır. En çok kullanılanlar ve simgeleri şunlardır:
- Mekanik değişkenler:
- Basınç: P
- Hacim: V
- İstatistiksel değişkenler:
- Sıcaklık: T
- Entropi (düzensizlik): S
Mekanik değişkenler, temel klasik veya parçacık fiziği tanımlarıyla tarif edilebilirken, istatistiksel değişkenler sadece istatistiksel mekanik tanımlarıyla anlaşılabilir.
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. Bunların en basit ve en önemli olanlarından biri ise ideal gaz yasasıdır.
- P.V = n.R.T ( Lisede Paran Varmı NuReTtin şeklinde esprili olarak öğretilir. )
Bu denklemde R evrensel gaz sabiti’dir. Ayrıca istatistiksel mekanik terimleriyle bu denklem şöyle yazılır:
- P.V = n.K.T ( Bu denklemde de k Boltzmann sabiti’dir. Kaynak: Wikipedia )
Termodinamik Potansiyeller
Termodinamik değişkenler vasıtasıyla dört tane termodinamik potansiyel tanımlanabilir:
| Sistemin İç Enerjisi | E: | dE = T . dS – P . dV |
| Helmholtz Serbest Enerjisi | A: | dA = -S . dT – P . dV |
| Gibbs Serbest Enerjisi | G: | dG = -S . dT + V . dP |
| Entalpi | H: | dH = T . dS + V . dP |
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:
Termodinamik yasaları bu bilim dalına özel olmakla birlikte bilim insanları bu yasalar için evrenin temel yasaları demektedir.. 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.
Temel Termodinamik yasalarını açıklamaları ile hazırlandığı yazımız için Termodinamiğin Kanunları yazımızı inceleyebilirsiniz.
