AÇIK VE KAPALI SİSTEMLER

AÇIK VE KAPALI SİSTEMLER

TERMODİNAMİĞİN SIFIRINCI, BİRİNCİ, İKİNCİ VE ÜÇÜNCÜ KANUNU

GİRİŞ

Ne yazık ki sıcaklık ve ısı ifadeleri sık sık karıştırılmaktadır. Reklamlarda, haberler ve hava durumu programlarında sık sık duyduğumuz "Düşük ısılarda bile mükemmel temizlik", "Dış ısı göstergesi", "Vücut ısısı düştü", "Bugün Ankara’da en yüksek ısı 32°C" gibi sıcaklık yerine ısının kullanıldığı ifadeler, sizi bilmem ama, beni rahatsız etmeye devam ediyor. Oysa, bu karmaşadan kurtulmanın şifresi çok basit. Eğer belirtilen değer termometre ile ölçülebiliyorsa, sıcaklıktır. Isı ise, belirli sıcaklıktaki bir cisimden, daha düşük sıcaklıktaki bir cisme, sıcaklık farkı nedeniyle geçen enerjidir. Aşağıda bu konuda biraz daha ayrıntılı açıklamalar verilmiştir

Sıcaklık Nedir?
Çokça kullanılan bir kavram olduğu halde, sıcaklığın tam bir tanımını yapmak oldukça güçtür. Sıcaklık, duyularla algılanmakta ve genellikle "sıcak" veya "soğuk" kavramlarıyla ifade edilmektedir. Gözlemlerimizden, sıcak ve soğuk iki cismin birbirine temas ettirilmesi halinde, sıcak olanın soğuduğunu, soğuk olanın da ısındığını, belirli bir süre temas halinde kaldıklarında ise, her ikisinin de aynı sıcaklık veya soğukluğa ulaştıklarını biliyoruz. Bir maddenin ısıl durumunu belirten bir ifade olan sıcaklık, "ısı geçişine neden olan etken" olarak da tanımlanmaktadır. Ancak, sıcaklık artmaksızın da ısı geçişi olabileceği (ör. kaynayan su) hatırda tutulmalıdır.

Isı Nedir?
Termodinamiğin en önemli kavramlarından biri de ısıdır. Isı, belirli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme, sıcaklık farkı nedeniyle transfer edilen enerjidir. Isı da iş gibi bir enerji transfer biçimidir. Isı ve iş hiçbir cisimde depo edilemez, ancak sistem sınırlarında ve geçiş halinde iken belirlenebilir. Her ikisi de birer eğri fonksiyonudurlar. Bir başka deyişle, ısı ve iş geçiş halindeki enerjilerdir.
Isı birimi iş birimi ile aynıdır, yani joule (J) dür. Eski bir alışkanlık olarak calorie (cal) de kullanılmaktadır. 1 calorie, 1gram suyun sıcaklığını 14,5°C 'den 15,5°C 'ye yükseltmek için gerekli olan ısı miktarıdır. 1 calorie = 4,187 joule dür

Açık ve Kapalı Sistemler

Termodinamik sistem veya sadece sistem terimi, belirli bir kütleyi veya uzayın incelenmek üzere ayrılan bir bölgesini belirtir. Sistemin dışında kalan kütle veya bölgeye çevre adı verilir. Sistemi çevresinden ayıran gerçek veya hayali yüzeye de sınır adı verilir. Sistemin sınırları hareketli veya sabit olabilir. Sınırın, sistem ile çevresinin temas ettiği ortak yüzey olduğu vurgulanmalıdır. Matematiksel açıdan, sınırların kalınlığı sıfırdır, bu nedenle de kütlesi ve hacmi sıfırdır.
Belirli bir kütlenin veya belirli bir bölgenin çözümlemeye esas alınmasına göre, sistemler kapalı veya açık sistemler diye nitelendirilir. Kapalı sistem veya diğer adıyla kontrol kütlesi, sınırlardan kütle geçişi olmayan sabit bir kütledir. Fakat enerji, iş veya ısı biçiminde kapalı sistem sınırlarından geçebilir. Kapalı sistemin hacminin sabit olması gerekmez. Ayrık sistemler kapalı sistemlerin bir alt kümesi olup, bu tür sistemlerin s8ınırları kütle yanında enerji geçişine de kapalıdır.
Açık sistem veya yaygın olarak bilinen adıyla kontrol hacmi, uzayın problemin çözümüne uygun bir şekilde seçilmiş bir bölgesidir. Kontrol hacmi genellikle kompresör, türbin, lüle gibi içinden kütle akışı olan bir makineyi içine alır. Bu makinelerin içindeki akışın termodinamik çözümlemesinde, makinenin fiziksel sınırları sistem sınırları olarak ele alınır. Kütle ve enerji, kontrol yüzeyi adı verilen kontrol hacmi sınırlarını geçebilir.










Açık Sistem Kapalı Sistem



Açık ve kapalı sistemlere uygulanan termodinamik bağıntılar d-farklıdır. Bu nedenle çözümlemeye başlamadan önce sistemin türünü belirlemek çok büyük önem taşır.
Tüm termodinamik çözümlemelerde, incelenen sistem dikkatle tanımlanmalıdır. Birçok problemde incelenen sistemin türü kolayca belirlenebilir, sistemi tanımlamak gereksiz ve sıkıcı bir işlem olarak görülebilir. Öte yandan, bazı karmaşık problemlerde sistemin doğru seçilmesi, çözümlemeyi büyük ölçüde kolaylaştırır.

Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası

Sıcaklık veya soğukluk algılaması pek de güvenilir değildir. Bazen sıcak cisimler soğuk ya da soğuk cisimler sıcak olarak algılanabilmektedir. Bu güçlükleri önlemek üzere, sıcaklık ölçümünün temeli olan "sıcaklık eşdeğeri" veya Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası" tanımından yararlanılmaktadır. İlk defa 1931 yılında R. H. Fowler tarafından tanımlanan Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası, temel bir fizik ilkesi olarak Termodinamiğin Birinci ve İkinci Yasası'ndan 50 yıl kadar sonra anlaşılmış olduğu halde, mantıksal olarak onlardan önce gelmesi gerektiğinden "Sıfırıncı Yasa" olarak adlandırılmıştır.

Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası: İki cisim üçüncü bir cisimle sıcaklıkça eşdeğerde ise, bu iki cisim birbiriyle de sıcaklıkça eşdeğerdedir.

Sıfırıncı yasada söz konusu edilen cisimlerden herhangi biri kalibre edilerek bir sıcaklık ölçü aleti olarak düzenlenebilir. Sıcaklık ölçü aletlerine termometre denilmektedir. Yaygın olarak kullanılan sıcaklık göstergeleri celsius (°C), [daha önceleri centigrade olarak kullanılan bu ölçek, 1948 yılından itibaren celsius olarak anılmaya başlamıştır] bölüntülü termometrelerdir. Şekil 1'de görüldüğü gibi, celsius skalasında buz saf suyun erime sıcaklığı sıfır (0°C), kaynama sıcaklığı ise yüz (100°C) kabul edilmiştir. İngiliz milletler topluluğu ve Amerika Birleşik Devletleri gibi bazı ülkelerde kullanılmakta olan fahrenheit (°F) termometre ölçeğinde ise, saf suyun buz ve kaynama noktalarına sırasıyla 32°F ve 212°F değerleri verilmiştir.

Celsius ve fahrenheit dereceleri arasında;



bağıntısı bulunmaktadır.


Maddelerin fiziksel özellikleri sıcaklıkla değiştiğinden (örneğin, ısınan madde genleşir, ısınan tel uzar, ısınan iletkenin direnci değişir, ısınan metal renk değiştirir), tekrarlanabilir ve doğru ölçülebilmesi koşuluyla, bu özelliklerden yararlanılarak termometreler yapılabilir.
Mutlak Sıcaklık

Celsius skalasında buzun erime sıcaklığı sıfır kabul edilmiştir. Ancak, bu değerin çok altında da sıcaklıklar bulunmaktadır. Daha düşük sıcaklığın mümkün olmadığı en düşük sıcaklık derecesi -273,15°C ‘dir ve bu sıcaklığa, "mutlak sıfır sıcaklık derecesi" denmektedir. Kelvin skalası işte bu en düşük sıcaklık derecesini başlangıç olarak kullanmaktadır. Kelvin, mutlak sıcaklık denilen termodinamik sıcaklığın birimidir. Kelvin skalasındaki sıcaklık birim aralıkları, celsius skalasındakinin aynıdır (1 K = 1 °C). Ancak, sıcaklık göstergelerinin başlangıçları farklıdır. Kelvin ölçeğinin sıfır başlangıç noktası, celsius ölçeğinin - 273,15 °C değerine rastlamaktadır. Buna göre;
kelvin olarak sıcaklık = celsius olarak sıcaklık + 273 [T (K) = t.°C + 273,15]

Temodinamiğin Birinci, İkinci ve Üçüncü Yasaları

1. Yasa
1. yasa evrendeki toplam enerjinin sabit olduğunu ve enerjinin yok edilemeyeceğini söyler. Diğer bir tanımlama ile enerjinin korunumu yasası olarak da bilinir. Bu yasaya göre enerji değişik formlarda bulunabilir. Isı da bir enerji formudur. Radyasyon enerjisi, kimyasal enerji, mekanik enerji, elektrik enerjisi vb. diğer enerji formlarına örnek olarak sayılabilir.
Sayılan enerji çeşitleri yine 1. yasaya göre birbirlerine dönüştürülebilir. Hiçbir kaynak kullanmadan enerji üretecek bir makine yoktur. Yemi verilmeden araba çekecek sütçü beygiri ırkını yetiştirmek de bugüne kadar mümkün olmamıştır.
Yüksekte bulunan bir taşın potansiyel enerjisi olduğu ve düştüğü zaman bu enerjinin bir bölümünün kinetik enerjiye dönüştüğü herkes tarafından bilinmektedir. Deneysel sonuçlar hava direnci ihmal edildiği zaman potansiyel enerjideki azalmanın kinetik enerjideki artmaya tam olarak eşit olduğunu göstermektedir. Bu sonuç enerjinin korunumu ilkesini doğrulamaktadır.
Birinci yasanın en önemli sonuçlarından biri de toplam enerji E adı verilen bir özeliğin varlığının ortaya konması ve tanımının yapılmasıdır. Kapalı bir sistemin belirli iki hal arasındaki tüm adyabatik hal değişimleri için net işim aynı olması net işim sadece ilk ve son hallere bağlı olduğunu, bu nedenle de sistemin bir özeliğindeki değişim ile ilişkili olması gerektiğini göstermektedir. Bu özelik toplam enerjidir. Birinci yasanın, sistemin verilen bir haldeki toplam enerjisinin toplam değeriyle ilgisi olmadığını vurgulamak gerekir. Birinci yasa sadece, adyabatik bir hal değişimi sırasında, sistemin toplam enerji değişiminin net işe eşit olduğunu belirtmektedir. Bu nedenle bir referans hali belirleyip toplam enerjiye bu halde herhangi bir değer atanmalıdır.
Birinci yasanın yukarıda verilen ifadesinde enerjinin korunumu kavramı üstü kapalı olarak yer almaktadır. Birinci yasanın özü toplam enerji adı verilen özeliğin ortaya konmasıdır. Bununla birlikte birinci yasa genellikle, enerjinin korunumu ilkesinin bir ifadesi olarak görülür.
Yukarıda belirtilen ifadelere göre, kapalı sistem olarak tanımlanan, belirli sınırlar içinde bulunana sabit bir kütle için termodinamiğin birinci yasası veya enerjinin korunumu ilkesi aşağıdaki gibi ifade edilebilir;


Sisteme veya sistemden Sistemin
Isı veya iş olarak = toplam enerjisindeki
Net enerji geçişi net artış veya azalma

veya (kJ) (1) Burada; Q, sistem sınırlarından net ısı geçişini, W, değişik biçimleri kapsayan net işi, ∆E, sistemdeki toplam enerji değişimini, g ve ç indisleri ise sistem sınırlarından giren veya çıkan ısıyı veya işi göstermektedir.
Sistemin toplam enerjisi E üç parçadan oluşmaktadır. İç enerji U, kinetik enerji KE ve potansiyel enerji PE. Bu nedenle bir hal değişimi sırasında sistemin toplam enerjisinin değişimi, iç enerji, kinetik enerji ve potansiyel enerjilerdeki değişimlerin toplamına eşittir.
∆E = ∆U + ∆KE + ∆PE (kJ) (2)

bu bağıntı 1 nolu ifadede yerine yazılırsa;

Q – W = = ∆U + ∆KE + ∆PE (kJ) (3)

Uygulamada karşılaşılan sistemlerin çoğu hareketsizdir, bu nedenle hızlarında ve kütle merkezlerinin bulunduğu noktada hal değişimi sırasında herhangi bir değişim olmaz. Bu nedenle, hareketsiz ve kapalı sistemlerin kinetik ve potansiyel enerjileri ihmal edilebilir ve birinci yasa genelleştirilerek;

Q – W = ∆U (kJ) (4) şeklinde yazılabilir.

Birçok enerji formu kayıpsız olarak ısı enerjisine dönüşürken, ısı enerjisinin dışardan destek olmaksızın, örneğin mekanik enerjiye kayıpsız olarak dönüşümü mümkün değildir. Kayıpsız olarak enerji dönüşümü tersinir (reversible) süreç olarak adlandırılır. 19. yüzyılda Lord Kelvin, Carnot ve Clausius gibi bilim adamları termal enerjiyle (ısı enerjisiyle) çalışan makinelerde enerji alış verişinin matematiksel esaslarını ortaya koymak için yaptıkları çalışmalarda enerjinin değişik formları arasında bir hiyerarşi olduğunu ve enerji dönüşümleri arasında bazı dengesizlikler bulunduğunu ortaya koydular. İşte bu hiyerarşi ve dengesizlikler termodinamiğin 2. Yasasının temelini oluşturmuştur.

2. Yasa
2. yasaya göre tüm doğal ve teknik enerji dönüşüm süreçleri tersinmezdir ve bu süreçlerin yönü hep olasılığı yüksek olan duruma doğrudur. Enerji farklarının azaldığı ve ortadan kalktığı durum olası durumdur. Isı enerjisi hiçbir zaman tümüyle bir diğer enerji formuna, örneğin mekanik enerjiye dönüşmez. Ancak bu saptamadan, dönüşüm süreci esnasında, enerjinin bir kısmının yok edildiği anlamı çıkarılmamalıdır. Çünkü 1. yasaya göre enerji yok edilemez. Bunun anlamı; ısı enerjisinin bir kısmının iş üretme yeteneğinden yoksun kalmasıdır.
1. yasaya göre yerdeki taş masanın üstüne sıçrayabilir. Bu iş (W= m.g.h) için gerekli olan enerji taşın bünyesindeki iç enerjiden (U) sağlanır ve taş soğur. Böyle bir olayı pratikte gözlemlememiz mümkün değildir.
Oysa bu sürecin tersi yani taşın masadan aşağı düşmesi mümkündür. Taş masadan düşerken kazandığı kinetik enerji, onun yere çarptıktan sonra tekrar masanın boyu kadar yükseltebilir. Ancak düşen taş, düştükten sonra belki bir iki küçük sıçrama yapar ve hareketsiz kalır. Çünkü düşerken kazanılan enerjinin büyük kısmı ısıya dönüşür ve bu ısı dahili (iç) enerji olarak absorbe edilir. Yani taşın absorbe ettiği ısı tekrar kinetik enerjiye ve işe dönüşmez. Taşın sıcaklığı yükselir ve bu sıcaklık çevreye ısı olarak yayılır. Sonunda taşla çevresi arasında bir ısıl denge kurulur.
Tüm doğal süreçlerde bir enerji dönüşümü söz konusudur. Doğal süreçlerdeki yön, enerjinin dönüşüm yönü tarafından belirlenir. Potansiyel enerji, kinetik enerji, elektrik enerjisi gibi "daha kaliteli" olan enerji formları dönüşüm esnasında "düşük kaliteli" enerji formuna örneğin ısı enerjisine dönüşür.
Kapalı sistemlerde ısı enerjisi hiçbir zaman tümüyle diğer bir enerji formuna (örneğin mekanik enerjiye) dönüşmez. Isı enerjisi, sıcaklığı yüksek olan cisimlerden düşük olanlara doğru akar. Bu süreç tersinmezdir. Yani dışardan yardım olmadan ısı, düşük sıcaklıktaki cisimden yüksek sıcaklıktaki cisme ısı aktarmak mümkün olmaz. Dünya okyanuslarının bünyesindeki ısı enerjisini çekip bunu mekanik enerjiye dönüştürerek bir gemiyi yürütmek mümkün değildir. Böyle olsaydı sıfır masraflı ve çevre dostu gemiler ve uçaklar imal edilebilirdi. Gemiyi yürütmek bir yana, okyanuslardaki bu muazzam enerjiyi kullanıp bir yumurta pişirmek bile bugüne kadar kimseye nasip olmamıştır. Çünkü ısı enerjisinden yararlanmak için yararlanılan ısı kaynağı ile bu ısının işe dönüştürüleceği sistemin sıcaklıkları arasında bir fark olmalıdır.
İşte, kalitesi düşen enerji için kullanılan ölçüye "entropi" adı verilir. Örneğin içten yanmalı bir motorda ısı enerjisinin mekanik enerjiye dönüşümü esnasında bu ısı enerjisinin bir kısmı iş üretme yeteneği gösterememektedir. İş üretme yeteneğinde olmayan enerjinin evrende geri kazanımı mümkün olmayan biçimde artışı entropi ile ölçülür. Bu kavramı ilk kullanan Clausisus'tur.

; tersinir (reversible) süreçlerde entropi değişimi

Bu ilişki, çevredeki entropi artışının verilen ısı enerjisiyle orantılı olduğunun ifadesidir. Bu denklem aynı zamanda, iş üreten bir sisteme verilen ısı enerjisinin kayıpsız olarak mekanik enerjiye dönüştüğünü ve sistemin başlangıç durumu ile son durumu arasındaki entropinin değişmediğini yani sabit kaldığını anlatmaktadır. Ancak bugüne kadar bu özellikte bir enerji değişim süreci gözlenmemiştir. Kısacası, ısı enerjisinin diğer enerji formlarına dönüşümü %100 olamaz.
Termodinamiğin 2. yasasına göre tüm doğal (reel) enerji dönüşüm süreçlerinde entropi sürekli artar. Entropi kavramı sezgisel bir büyüklüktür, kendine özgü bir birimi yoktur ve sıcaklık, basınç, ağırlık vb fiziksel büyüklükler gibi ölçülmesi mümkün değildir. Ancak hesap yoluyla bulunur. Entropi artışı sonunda, sistemde ısıl eşitliğe ulaşılır. Bardak içindeki suya konulan buz parçası bir müddet sonra erir ve bardaktaki suyun sıcaklığı (veya oda sıcaklığı ile) bir dengeye kavuşur.
Kapalı bir sistemde ve tersinmez süreçlerde entropi daima artar. Entropi artışı ancak denge (ısıl denge) durumunda sabit kalır.







Düzensizlik ve Entropi
Oyun kağıtları, genelde sırasına dizilmiş paket olarak satılır. Bir deste oyun kağıdı bir kez karıştırıldığında ilk düzeni bozulur. Bu destenin, tekrar tekrar karıştırılmak suretiyle ilk düzenine girmesi neredeyse olanaksızdır. Aynı şekilde poker oyununda 2,6 milyon 5'li kart düzeni vardır. Bunların içinde flush sayısı sadece 40 adettir. Buna karşılık "beş benzemez" tabir edilen işe yaramaz el gelme olasılığı ise bir milyonun üstündedir.
Bir avuç kuru fasulyeyi torbasından yere dökersek, ortaya hiçbir zaman bir orta çağ Bizans mozaik süslemesi çıkmaz.Taneler en gelişi güzel biçimde dağılır. En olası olan sonuç budur.
Benzer şekilde ortasından bir perde ile ikiye bölünmüş bir kap içinde bölmelerden birine normal su diğerine mavi boyalı su koyalım ve daha sonra aradaki perdeyi kaldıralım. İki taraftaki su,moleküllerin gelişi güzel hareketleriyle birbirine karışacaktır. Kıyamete kadar beklesek bu kap içindeki su kendiliğinden ve yeniden mavi ve saydam olarak ayrılmaz. Bardak içinde eriyen buz, kendiliğinden eski durumuna dönemez. Banyo küvetinin zıt taraflarından doldurulan sıcak ve soğuk su bir müddet sonra birbirine karışır ve ısıl dengeye ulaşır.
Örnekler çoğaltılabilir. Bu örneklerden,kendisi de kapalı bir sistem olan evrenin düzensizliği ve karmaşayı (kompleksite değil!) tercih ettiğini söyleyebilir miyiz? İşte istatistiksel fizik bu sorunun yanıtını araştırır ve istatistiksel fiziğe göre doğa gelişi güzelliği, ısıl eşitliği ve organizasyonun olmadığı, bileşenlerin birbirine karıştığı bir tek düzeliği tercih eder. Yani sosyal boyutu dahil evrende her şey "yokuş aşağı" gider.
İstatistiksel fiziğin gelişimi entropiye yeni anlamlar kazandırmıştır. Buna göre entropi artık sadece enerjinin tüketimi esnasında, kalitesinin düşmesinin bir ölçüsü değildir. İstatistiksel fizikte entropi aynı zamanda sistemlerin düzenliliği (organize olmuşluğu) ile ilgili bir ölçü olmuştur. Buna göre doğal süreçler, termodinamik olarak meydana gelme olasılığı daha yüksek olan durum tercih ederler. Sadece ısı değil, aynı zamanda örneğin havayı oluşturan oksijen, karbon dioksit, azot gibi moleküller de mekan içinde ve homojen bir biçimde birbirine karışırlar. Herhangi bir bileşeninin,bir dış etki olmaksızın yani kendiliğinden bu mekanın belli bir bölümünde birikmesi olasılığı son derece zayıftır ya da yok denecek kadar azdır.





3. Yasa
Üçüncü yasa fizik bilimindeki görülmeyen engellerden biriyle ilgilidir. Bu termodinamik engel, mutlak sıfır sıcaklığıdır. Bu kanun 1906 Wolther Nernst tarafından ortaya atılmıştır.
Mutlak sıfır noktası, bütün gazlar için basıncın sıfır olduğu andaki sıcaklık değerine karşılık gelmektedir. Yani bütün gazların mutlak sıfır sıcaklığında basınçları sıfırdır. Mutlak sıfır sıcaklığı -273, 15°C ’ye karşılık gelir. Fakat bu değer bu sıcaklığa inilerek elde edilmiş bir ölçüm olmayıp bütün gazların sıcaklık-basınç grafiğinden elde edilmiş bir değerdir. Zaten fiziki bir engel olma özelliği buradan kaynaklanmaktadır. Yapılan deneylerde bu sıcaklığa inilememiştir.
Basıncın sıfırlanması ise ayrı bir problemdir. Önceleri fizikçiler cisimler soğudukça molekül ve atomların hareketlerinin yavaşladığı ve mutlak sıfır sıcaklığında tamamen durduğu ve böylelikle etraflarına bir basınç uygulayamadıkları düşüncesindeydiler. Fakat daha sonra fiziğe giren Kuantum mekaniğine göre, atomların sıfırlanamaz alt limit enerji değerleri olmak zorundadır. Kısaca deneylerle de doğrulanan Kuantum mekaniğine göre, atomlar -273, 15°C 'de etrafıyla paylaşamayacağı bir enerjiye sahiptirler.
Nernst bu sonuçlardan faydalanarak işi bir adım daha ileri götürmüştür. Ona göre mutlak sıfır noktası, maksimum düzensizlikten çok düzensizliğin yokluğu yani mükemmel bir düzen halidir.
Daha sonra yapılan çalışmalar da mutlak sıfıra inmenin eldeki bilgilerle imkansız olduğu ortaya çıktı. Çünkü sıcaklığı düşürmek için gerekli çaba her seferinde zorlaşmaktadır. Bu ışık hızına erişmek için gereken enerjinin sonsuza gitmesi gibidir, yani -273.15°C ’ye inmek için gereken çaba da sonsuza gitmektedir.

[AyTeK54]

teşekkürler

[Constantin]

tskler