Termodinamiğin 0., 1., 2., ve 3. olmak üzere 4 yasası bulunmaktadır. Termodinamik kanunları, çok genel bir geçerliliğe sahiptir ve karşılıklı etkileşimlerin ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmez. Yani bir sistemin sadece madde veya enerji giriş-çıkışı bilinse dahi bu sisteme uygulanabilir.
Termodinamiğin Kanunları
Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası
“İki cisim üçüncü bir cisimle sıcaklıkça eşdeğerde ise, bu iki cisim birbirleriyle de sıcaklıkça eşdeğerdedir”. Buna termodinamiğin sıfırıncı yasası denmektedir.
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 dengededirler. Sıfırıncı yasa şöyle der:
“Eğer A ve B sistemleri birbirleri ile ısıl dengede ise, A sistemi ile ısıl dengede olan bir C sistemi, B sistemi ile de ısıl denge durumundadır.”
Bu denge durumu, sıcaklık olarak tanımlanır. Yani her sıcaklık derecesi, farklı bir denge durumunu temsil eder. Bu durum:
TA=TB=TC şeklinde formülize edilir.
1931 yılında Ralph H. Fowler tarafından tanımlanan bu yasa, temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıktığından, doğal olarak 1. ve 2. yasalardan önce gelmek zorunluluğu doğmuş ve sıfırıncı yasa adını almıştır.
Bu yasanın uygulanışına örnek olarak termometreler verilebilir. Termometre “üçüncü sistem” olarak kullanılır ve bir sıcaklık ölçeği oluşturulmasına imkan verir.
Termodinamiğin Birinci Yasası
Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasını ifade etmekte ve enerjinin termodinamikle ilgili bir özellik olduğunu vurgulamaktadır. Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasına göre, enerji yok edilemez veya yokken var edilemez, ancak değişik fiziksel ve kimyasal işlemlerle bir enerji biçiminden diğer enerji biçimine dönüşür.
Termodinamiğin birinci yasası, şöyle ifade edilebilir:”Kapalı bir sistemin belirli bir durumu arasında gerçekleşebilecek tüm adyabatik durum değişimleri sırasında yapılan net iş, sisteme veya durum değişimlerine bağlı olmaksızın aynıdır.”
Bir çevrimde iş ve ısı değerleri arasındaki fark δQ-δW=dE diferansiyeli ile ifade edilir. Burada ilk iki terim eğri fonksiyonu, üçüncü terim nokta fonksiyonudur. Kapalı bir sistemde Termodinamiğin Birinci Yasası; δQ=dU+d(Ek)+d(Ep)+δW şeklinde yazılabilmektedir. Bu, şu anlama gelir: Bir sistem termodinamik durum değişikliğine uğradığında enerji, ısı veya iş olarak sistem sınırlarını geçebilir, ısı ve iş pozitif veya negatif olabilir, sitemin sahip olduğu enerjideki net değişme tam olarak sistemin sınırlarını geçen net enerjiye eşittir.
Termodinamiğin İkinci Yasası
“Termodinamiğin ikinci yasası, işlemlerin belirli bir yönde gerçekleşebileceğini, ters yönde olamayacağını ifade eder.” Bir durum değişimi ancak, termodinamiğin hem birinci ve hem de ikinci yasasını sağlıyorsa gerçekleşebilir.
Örneğin yakıt tüketerek bir yokuşu çıkan bir otomobil düşünelim. Otomobilde depodan eksilen benzin, otomobilin yokuş aşağıya kendiliğinden inmesiyle tekrar depoya dolamaz. Yani durum değişimi tek yönlüdür. Termodinamiğin birinci yasası durum değişiminin yönü üzerine bir kısıtlama koymamaktadır. Birinci yasaya göre bir çevrimde ısı tamamen işe dönüştürülebilir, Qçevrim=Wçevrim. Yani birinci yasaya göre, sitemden çevreye ısı vermeksizin iş yapabilen bir ısı motoru, yani %100 verimli bir motor, yapmak mümkündür. İşte İkinci Yasa buna kısıtlama getirmektedir.
Termodinamiğin ikinci yasasının Kelvin-Planck ifadesi bu durumu açıklar:”periyodik olarak çalışan bir tek ısı kaynağı ile ısı alış verişi yaparak sürekli olarak iş üreten bir makinenin yapılması mümkün değildir.Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır.”
Isıtma ve soğutma makinelerinin (klima, buzdolabı…) termodinamiğin ikinci yasasıyla ilişkisini ise Clausius şöyle açıklamıştır:”çevrede hiçbir etki bırakmaksızın ısıyı soğuk ısı kaynağından sıcak ısı kaynağına ileten bir ısı pompası (veya soğutma makinesi) yapmak mümkün değildir.”ya da başka bir deyişle “ ısı enerjisi kendiliğinden soğuk ortamdan sıcak ortama doğru akamaz”.
Termodinamiğin ikinci yasası, doğada bulunmayan tersinir işlemler için sakınım yasasıdır. Bu yasa, sitemin termodinamik özelliklerinden biri olan ve entropi olarak adlandırılan yeni bir ifadenin tanımlanmasına yol açmıştır.
“Entropi, sistemdeki düzensizliğin bir ölçüsü olarak tanımlanabilmektedir”. Sistemde düzensizlik arttıkça entropi de artar. Örneğin bir gaz ısıtıldığında moleküllerinin hareketleri hızlandığından ve düzensizleştiğinden, entropisi artar. Eğer bir sistem tam olarak düzenli ise, entropisi sıfır olabilir. Enerjinin aksine, entropi korunan bir özellik değildir ve gerçek tüm işlemlerde sistemin ve çevrenin entropi değişimlerinin toplamı daima pozitiftir.
Termodinamiğin Üçüncü Yasası ve Mutlak Entropi
Değişik maddelerin entropisi için, başlangış oluşturma konusu, Termodinamiğin 3.Ysasası’nı ortaya çıkarmıştır. Bu yasayla ilgili ilk çalışmalar W.H Nernst (1864-1941) ve Max Planck (1858-1947) tarafından yapılmıştır. Termodinamiğin üçüncü yasası mutlak sıfır sıcaklığındaki maddelerin entropisi ile ilgilidir. Buna göre termodinamiğin üçüncü yasası: “mükemmel bir kristalin, mutlak sıfır sıcaklığındaki entropisi sıfırdır” şeklindedir. Bu durum istatiksel olarak, kristal yapının en yüksek derecede olduğunu belirtir ve burada ısıl enerji minumumdur.
Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bütün hareketler sıfıra yaklaşır. Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, bir sistemin entropisi bir sabite yaklaşır. Bu sayının sıfır değil de bir sabit olmasının sebebi, bütün hareketler durmasına ve buna bağlı olan belirsizliklerin yok olmasına rağmen kristal olmayan maddelerin moleküler dizilimlerinin farklı olmasından kaynaklanan bir belirsizliğin hala mevcut olmasıdır. Ayrıca üçüncü yasa sayesinde maddelerin mutlak sıfırdaki entropileri referans alınmak üzere kimyasal tepkimelerin incelenmesinde çok yararlı olan mutlak entropi tanımlanabilir.
Bu yasalardan birini ihlal eden makinalara o yasanın numarası türünden (örneğin, yoktan enerji yaratıyorsa birinci türden) devridaim makinası (ilginç bir şekilde Türkçede “Con Ahmet Makinası”) denir.
Ginsberg’in teoremi: (1) kazanamazsınız, (2) berabere kalamazsınız, ve (3) oyundan çıkamazsınız.
Ya da: (1) çalışmadan bir şey elde edemezsiniz, (2) çalışarak en fazla elde edebileceğiniz şey ancak karsız zararsız olmaktır, ve (3) bunu da ancak mutlak sıfırda elde edebilirsiniz.
Ya da, (1) oyunu ne kazanabilirsiniz ne de oyundan çıkabilirsiniz, (2) çok soğuk olmadığı sürece oyunu berabere bitiremezsiniz, (3) hava o kadar soğumaz.
Kaynak: Mehmet TAŞKAN, Termodinamik Kanunları