Termodinamiğin İstatistiksel Mekandan Türetilen Yasaları ve Denge Kavramı

Termodinamik ve İstatistiksel Mekanik Arasındaki Bağlantı

Termodinamik; ısı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen bir bilim dalıdır. Basit bir ifadeyle termodinamik, enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi ile ilgilenir. Bu süreçteki anahtar kavram; ısının, belirli bir mekanik işe denk gelen bir enerji biçimi olmasıdır. Termodinamik yasalarının istatistiksel mekanikten türetilebileceği gösterilmiştir. Bu bağlamda termodinamik değişkenlerin ikisi istatistiksel mekanik tanımlarıyla anlaşılabilir; mekanik değişkenler ise temel klasik veya parçacık fiziği tanımlarıyla tarif edilebilir.

İstatistiksel mekaniği fizik yasalarıyla birleştirerek, termodinamik değişkenleri birbirleri cinsinden ifade edecek “durum denklemleri” yazılabilir. Bu denklemlerin en temel ve önemli olanlarından biri ideal gaz yasasıdır. Bu denklemde R evrensel gaz sabiti’dir. Ayrıca istatistiksel mekanik terimleriyle bu denklem Boltzmann sabiti k kullanılarak da yazılabilir.

Denge ve Denge Dışı Sistemler

Termodinamik her ne kadar sistemlerin madde ve/veya enerji alışverişiyle 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.

Sıfırıncı Kanun ve Isıl Denge

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 dengedirler. Sıfırıncı yasa, A ve B sistemlerinin birbirleri ile ısıl dengede olması durumunda, A sistemi ile ısıl dengede olan bir C sisteminin B sistemi ile de ısıl dengede olduğunu belirtir. Bu denge durumu, sıcaklık olarak tanımlanır. 1931 yılında Ralph H. Fowler tarafından tanımlanan bu yasa, doğal olarak 1. ve 2. yasarandan önce gelmek zorunluluğu nedeniyle sıfırıncı yasa adını almıştır.

Birinci ve İkinci Kanunlar

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. Bu ifadelerin deneylerle doğruluğu gözlenmiştir fakat ispat edilememektedir.

Termodinamiğin ikinci yasasına göre ısı, soğuk bir bölgeden sıcak bir bölgeye kendiliğinden akamaz; belirli bir sıcaklık derecesindeki ısı, tamamen işe dönüşemez. Bunun bir sonucu olarak, kapalı bir sistemin entropisi zaman içerisinde en yüksek değerine ulaşır. 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” kavramının oluşturulmasına neden olmuştur. Ludwig Boltzmann tarafından tanımlanmış olan ikinci yasa, dalgalanma teoreminin zamana göre tersinebilir dinamik ve nedensellik ilkesinden çıkan matematiksel kanıtıyla, fiziğin bir yasasından ziyade göreli olarak büyük sistemler ve uzun zamanlar için geçerli bir teoremi haline gelir.

Üçüncü Kanun ve Mutlak Entropi

Üçüncü yasa, sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, en durağan hâlindeki bir elementin kusursuz bir kristalinin entropisi de sıfıra yaklaşır şeklinde ifade edilir. Bu durum, istatistiksel bir bakış açısıyla, bir sistemdeki düzenin veya rastgeleliğin seviyesini belirleyen mutlak bir entropi ölçeği oluşturulmasına imkân verir. Bu yasa, sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça hareketlilik miktarının da sıfıra yaklaşması nedeniyle bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkânsız olduğunu izah eder. Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bir sistemin entropisi bir sabite yaklaşır; bu sayının sıfır değil de bir sabit olmasının sebebi, kristal olmayan maddelerin moleküler dizilimlerinin farklı olmasından kaynaklanan bir belirsizliğin hâlâ mevcut olmasıdır.

Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.