Entropi

[Constantin]

Entropi, Alm. Entropie (f), Fr. Entropie (f), İng. Entropy. Isı enerjisinin tamamının mekanik işe dönüştürülmesinin imkansız olduğunu ifade eden termodinamik büyüklük. İzole bir sistem içindeki düzensizlik derecesi.

Entropi, termodinamik bir sistemin başka sistemlere iş şeklinde aktarabileceği enerji miktarını gösteren özelliği veya hal fonksiyonu olarak da tanımlanır. Entropinin değeri sistemin var olan şartları veya hali tarafından belirlenir. Sabit enerjili bir sistemin entropisi sıfırdan bir maksimum değere kadar değişir. Entropi değeri sıfırsa, aktarılabilecek iş miktarı sistemin enerjisine eşittir. Entropi maksimumda ise aktarılabilecek iş miktarı sıfır olur. Bir sistemden diğer bir sisteme sabit sıcaklıkta q miktarda bir ısı aktarıldığında, sistemin entropisindeki artış, DS=q/T’dir. (T=mutlak sıcaklık). Geri dönüşümlü olmayan proseslerde DS>q/T olur.

İzole sistemlerin entropisi artmak mecbûriyetindedir. İçinde bulunduğumuz odanın bir köşesine bir sprey püskürtülürse püskürtülen zerreler toplu bir halde o köşede kalamazlar. Molekül hareketleri sebebiyle bütün odanın içinde, oradan atmosfere dağılmak mecbûriyetindedirler. Görülüyor ki, entropinin artması bir “geriye döndürülemez olay”dır.

Birisi daha sıcak iki cisim yanyana dursa, belli bir zaman geçtikten sonra sıcak olandan, daha az sıcak olana doğru bir ısı geçişi olur. Ve her iki cismin sıcaklığı eşit hale gelinceye kadar bu ısı akışı devam eder. Odamızda yanmakta olan bir soba ısı neşreder ve odayı ısıtır. Bu durumda ısının tek yönlü geçişi “geri döndürülemez” bir hadisedir. Hiçbir zaman soğuk bir cisimden ısının daha sıcak bir cisme geçmesi bu sûretle birinin daha fazla soğuyup ötekinin de daha fazla ısınması beklenemez. Sobadan odaya yayılan hararetin tekrar sobanın içine dönmesi gibi hadiseler tabiatta imkansızdır.

Bir kabın içine o kabı ikiye bölen bir bölme yerleştirip, sonra bölmenin iki tarafına birbirinden farklı iki sıvı doldursak, bölmeyi çektiğimiz zaman, çok kısa bir müddet içinde iki farklı sıvının birbirine karıştığını görürüz. Kabı karıştırmayıp, çalkalamasak bile, bir süre sonra iki sıvı tamamen ve homojen bir şekilde birbirine karışır. Aynı şey gazlar için de söz konusudur. Bu karışma olayları da “geriye döndürülemez” hadiselerdir. Birbirine karışmış iki sıvının kendiliğinden tekrar ayrılması, karışan gazların herbirinin bir köşeye toplanarak birbirinden ayrı durması mümkün değildir.

Birbirine musluklu bir boru ile birleştirilmiş iki balon alalım. Bunlardan birinin içi bir gazla, mesela, hava ile doldurulmuş, diğerinin de havası boşaltılmış olsun. Aradaki musluğu açtığımız takdirde, gaz (mesela hava), her iki balon da aynı miktarda bulunacak şekilde dolu balondan boş balona doğru geçecektir. Bu da “geri döndürülemeyen” bir hadisedir. Gazın gerisin geriye balonlardan biri içine geçip, diğer balonun içinin boş kalması düşünülemez.

Başka bir tecrübe daha: Bir pervaneyi rahatça dönebileceği bir tel eksene takar ve döndürürsek, bir süre sonra bu dönme muhakkak duracaktır. Zîra pervanenin kinetik enerjisi sürtünmeler sebebiyle yavaş yavaş ısı enerjisi haline geçecek ve bu sûretle bir müddet sonra hareketin durmasına, yani mekanik enerjinin tükenmesine sebeb olacaktır. Burada bir enerji azalmasının olmadığını sadece enerjinin şeklinin değiştiğini, kinetik enerjinin ısı enerjisine dönüştüğünü belirtmek gerekir. Bu mekanik olay da “geri döndürülemeyen” bir hadisedir. Hiçbir zaman kaybolan ısı enerjisinin tekrar mekanik enerji haline gelmesi ve pervanenin dönmeye başlaması beklenemez.

Vapur iskelesine bir vapurun yanaştığı ve yolcularını boşaltmaya başladığı düşünülürse, çıkış turnikesine kadar bir koridorda ve sıkışık bir şekilde yürüyen yolcular, çıkışta dağılmaya başlayacaklar ve her biri ayrı istikamete, kimisi güney tarafına kimisi kuzey tarafa, kimisi doğuya doğru gidecektir. Zaman geçtikçe bunların aralarında mesafe artacak, birbirleriyle ilgilerini tamamen kaybedeceklerdir. Bu da “geriye döndürülemeyen” bir hadisedir. Geriye döndürülemeyen olayların cereyan ettiği bütün bu sistemlerde esas olarak enerji miktarının sabit kaldığını, fakat termodinamik özelliklerinin ve mekanik bakımdan sayıların değiştiğini söyleyebiliriz. Pervanenin kinetik enerjisi ile meydana gelen ısı enerjisinin toplamı sabittir. Giderek daha çok kinetik enerji ısı enerjisi haline dönüşmektedir.

Aynı şekilde iki balonu dolduran gaz moleküllerinin sayısı da sabit kalmakta, ancak bir balona düşen gaz molekülü sayısında bir azalma meydana gelmekte, mevcut moleküllerin bir kısmı karşıdaki boş balona geçerek onu doldurmaktadır. Vapur iskelesinden çıkıp İstanbul’un her tarafına dağılan insanların da sayısı değişmemiştir. Ama birbirinden uzaklaşmışlar, birbirleriyle irtibatlarını kaybetmişlerdir. Bu dağılma sırasında gittikçe artan bir “düzensizleşme” de bahis konusudur.

Kendiliğinden olan bütün prosesler inreversibl (geri dönüşümlü olmayan)dir. Buna dayanarak kainatın entropisinin daima artmakta olduğu söylenebilir. Bir başka ifadeyle, her an bir miktar enerji daha mekanik enerjiye dönüştürülemez hale gelmekte ve böylece kainat giderek tükenmektedir.

Canlı organizmalar dış dünyadan serbest enerji almak sûretiyle geçici olarak entropilerinin artmasını durdurabilmekte veye hiç değilse yavaşlatabilmektedir. Ancak mukadder olan akıbet değişmemekte, ölüm anında entropi artmaya başlamakta, organizma çürüyüp dağılarak, adeta zerrelerine ayrılmaktadır.

Bir sistemin entropisi arttıkça kullanılabilir enerji verme kabiliyeti de azalır. Bir arada toplu bulunan insanlar beraberce çok işi yaparlar ama, dağıldıkları, birbirinden uzaklaştıkları nisbette, (toplam güçleri yine aynı olmakla beraber) hiçbir iş yapamaz hale gelirler.

Saatte 45 santigrat derece sıcaklıkta 3000 litre su temin eden sıcak (veya ılık) su kaynağı hararet miktarı bakımından “bol bir su kaynağı” sayılır. Dış ortamdaki sıcaklığın 15°C olduğu düşünülürse, bu kaynaktan saatte 90.000 kilokalori ısı alınabilir. Ancak bu kadar muazzam kalori ile bir yumurtayı pişirmek mümkün değildir. Yumurtayı pişirebilmek için “kaynar su”ya ihtiyaç vardır. Bundan dolayıdır ki 45°C’de elde edilen büyük kalorinin 100°C’de elde edilen bir cezve sudaki pek az miktarda kalorinin yerini tutması imkansızdır.

Görülüyor ki, entropinin artması ile sistemin düzensizliği artmakta ve kullanılabilir enerji verme kabiliyeti, yani işe yararlığı azalmaktadır.

Bütün kendini düzenleyen sistemlerin, canlılarda olduğu gibi, entropilerinin artmasına karşı direnmeye gayret ettiklerini görürüz. Bu, sistemin “düzenini bozucu” tesirinden haberli olması ve buna karşılık gerekli “düzeltici ayarlamaları” yapması ile mümkün olabilmektedir. Bu hadiseyi, atom içinde de görmek kabildir. Çekirdek etrafında dönen elektronu merkeze doğru çeken kuvvetle dönüşün verdiği santrifüj kuvvet arasındaki denge, onu yörüngede tutmakta, fırlayıp gitmesine mani olmaktadır. Kainatı teşkil eden elementlerin entropisi de artmaktadır. Evvela dev bir atom şeklinde olduğu tasavvur edilen kainat, gittikçe genişlemekte, birbiri etrafında dönen cisimlerin merkezden olan uzaklıkları mütemadiyen artmakta olduğu görülmektedir. Odamızın bir köşesine püskürtülen kokunun her tarafa yayılması gibi kainatta da “geri döndürülemeyen” bir olay mevcuttur.

Kainatta her sistemin ve canlının entropisi devamlı artmaktaydı. Bu artış ilelebet devam etmeyecek, maksimuma erişince işe yarar enerji kalmayacaktır. İşe yarar enerjinin kalmaması demek, maddeler arasında ısı bakımından dengenin sağlanması demektir.