Mühendislik biliminde termodinamik en temel fizik dallarının başında gelmektedir. Hatta üniversite sıralarında termodinamik ve ısı transferi dersleri öğrencileri en fazla zorlayan derslerden olduğu için öğrencilerin uzun yıllar aklında kalır.
Termodinamik nedir? Termodinamik nerelerde kullanılır? Termodinamiğin yasaları nedir? gibi sorularınıza bu yazımızda cevap olmaya çalışacağız. Öğrencilerin bunlar günlük hayatta ne işimize yarayacak sorusunun cevabı da burada. Termodinamik tabloları, temodinamiğin tanımını daha önce sizler için detaylıca açıklamıştık.
Termodinamik Nedir?
Termodinamik en yalın haliyle ısı ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi inceler ve ısı ile sıcaklık arasındaki etkileşimi açıklar. Maddelerdeki değişimlerin aslında atom ve moleküllerinden kaynaklandığını söyler.
Termodinamik, fiziğin bir alt dalı olduğu için ilk araştırmaları fizikçiler tarafından yapılmıştır. Fizikçiler evrendeki herşey sınıflandırır ve hepsine sistem ismini verir. Örnek olarak maddeleri oluşturan atomlar moleküller, büyük patlama (big bang) ile evrene yayılan atom altı parçacıklar, nükleer maddeler gibi milyonlarca sistem gösterilebilir.
Sistemlerin hepsi bir birinden farklı olmasına karşın temel fizik kurallarına uymaktadır. Termodinamik’te bu sistemleri ısı ve sıcaklık bazında inceleyen bir bilim dalıdır.
Termodinamik Sistemler
Yukarı belirttiğimiz gibi sistemler termodinamik açıdan incelenirken üç ana gruba ayrılır. Açık sistemler, Kapalı sistemler, İzole sistemler. Bu üç sistemi kısaca açıklayalım.
Açık Sistemler
Açık sistemler çevreleri ile tam etkileşim halinde olup hem enerji hem madde alışverişi bulunmaktadır. Açık sistemlerde enerji ve madde korunumu olmamakla birlikte bir denge durumu söz konusu ise enerjileri, ısıları ve sıcaklıkları eşittir.
Kapalı Sistemler
Kapalı sistemler çevreleri ile sınırlı bir etkileşim halinde olup sadece enerji alışverişi vardır, madde alışverişi yoktur. Uzun vadede enerji korunumu mümkün olmamakla birlikte bir denge durumu söz konusu ise sıcaklık sistem ve çevre’de eşittir. Enerji akışı durmuş bir durumdadır.
İzole Sistemler
İzole sistemler çevreleri ile hiç bir şekilde etkileşim halinde değildir. Ne enerji ne madde etkileşimi vardır. Bu sistemlerde enerji ve kütle korunumu olmakla birlikte ideal sistemlerdir. Doğada %100 izole sistem bulunmamaktadır.
Termodinamik Yasaları
Termodinamiği ve termodinamik sistemleri öğrendik. Bu sistemlerin hangi termodinamik yasalara uyduğunu öğrenmeye devam edelim.
Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası: Termal Denge ve Sıcaklık
Termodinamiğin neden sıfırıncı yasası olduğu sürekli sorulmuştur. Bu yasa diğer yasalardan sonra bulunmuş ve diğerlerine göre daha temel bir yasa olarak kabul gördüğü için termodinamiğin sıfırıncı yasası denilmiştir.
Termodinamiğin sıfırıncı yasası bizlere bir birlerine temas halinde olan iki cisim termal dengeye geldiğinde sıcaklıklarının da eşit olacağını söyler. Örneğin elimiz ile bir demiri tuttuğumuzda elimiz sıcak, demir soğuktur. Bir süre sonra elimizdeki ısı demire geçmiş olur ve elimizin sıcaklığı ile demirin sıcaklığı aynı olur.
Bir diğer tanım ile elimizde A, B ve C şeklinde üç cisim var ise ve bu üç cisim bir birleri ile temas halinde ise eninde sonunda sıcaklıkları eşit olur.
ve B=C ise A=C olur.
Termodinamiğin Birinci Yasası: Enerji Korunumu
Basit bir tanım ile enerji yoktan var edilemez, var olan enerji yok edilemez sözünün yer aldığı yasadır. Maddelerin bir iç enerjisi vardır bu enerji ısı alarak veya vererek değiştirilebilir fakat sonuçta alınan ısı verilen ısıya eşit olur ve toplam enerji korunmuş olur.
Termodinamiğin İkinci Yasası: Entropi
Entropi kelime anlamı ile düzensizlik demek olup mühendislerin havalı bulduğu ve konuşmalarında kullanmaya özen gösterdiği bir kelimedir.
Entropi sistemin düzensizliğini gösteren bir kavramdır. Kapalı bir kaba buhar koyarak incelediğinizde buhar içerisindeki su atomlarının gelişi güzel kap içinde dolaştığını görebiliriz. Kabın ısısı düşürüldüğünde buhar suya dönüşür ve su içerisindeki atomların hareketinin yavaşladığı görülür. Yani entropi azalır. Kabın sıcaklığı daha da düşürüldüğünde su buza dönüşür ve atomların hareketi çok daha yavaş olur. Bu durumda entropi daha da düşmüş olur.
Burada anlatılmak istenen nokta bir birleri ile temas halindeki iki cisim arasında sıcaklık farkı var ise cismin birinin entropisi azalırken diğerinin entropisinin artacağıdır.
Termodinamiğin Üçüncü Yasası: Mutlak Sıfır
Termodinamiğin Üçüncü yasası sistemin sıcaklığı ile hareketini açıklamaya çalışır. Sıcaklık aslında madde moleküllerinin ve atomlarının hareketliliğinin bir ölçüsüdür.
Mutlak sıcaklık 0 Kelvin (-273,15oC) ‘dir. Cisimler mutlak sıfıra yaklaşır ise entropileri de sıfır yaklaşır. Uzayın sıcaklığı yaklaşık 3 Kelvin (-270oC)’dir.
