Verimli bir buhar makinası geliştirme sorununa çözüm getirmek için yapılan çalışmalar, kimyasal tepkimelerle ve fizikte kullanılan mutlak SICAKLIK ölçeğiyle ilgili yeni bir bilim dalını ortaya çıkarmıştır.

«Termodinamik» adı verilen bu bilim dalı, XIX. yüzyıl başlarında ortaya çıktı. Termodinamik temelde, bir gaz, bir elektrik PİL'i ya da bir gergin tel gibi fiziksel bir sistemde bulunan iç enerjinin incelenmesidir. İç enerji, gazda basınç ve hacim, pilde gerilim ve yük, telde de gerilme ve boy gibi, sistemin bazı koordinatlarına, bağlıdır. Bütün bu olaylarda ısı da önemli bir koordinattır. Bu sistemin koordinatları değiştiğinde, çevre ile bir mekanik enerji (iş) ve ısı alış verişi olur. Termodinamikte, bu alış verişler incelenir.
Mühendislikte ana amaç, en verimli yoldan enerji elde etmektir. Bir makinanın kuramsal verimi, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarından hesaplanır. Uygulamada verim, iletim nedeniyle ortaya çıkan ısı yitimi ve sürtünme sonucu, daha düşüktür.
Birinci yasa: Isının yapısı, 1840 yıllarında İ.P. JOULE'un araştırmalarına kadar bilinmiyordu. Joule' dan önce ısının, bütün maddelere girebilen hafif bir sıvı (kalorik) clduğu sanılıyor, iki cisim birbirine değdiğinde, sıcaklık eşitlenene kadar, sıcak olandan soğuğa doğru bu sıvının aktığı düşünülüyordu. Joule, bir miktar işin oluşturduğu ısı miktarını ölçtü ve bu değerin, dönüşüm biçimine bağlı olmadığını buldu. Isının «mekanik eşdeğeri» diye nitelenen bu miktar, 4,18 Joule'dur (J ile de gösterilebilen bu birim J.P. Joule'un adından gelir) ve bir kaloriye (bir gram suyun sıcaklığını bir santigrat dereceye yükseltmek için gereken ısı miktarı) eşittir. Çağdaş deneylerde, geleneksel ısı birimleri gereksiz olduğundan, ısı miktarları doğrudan Joule'la ölçülür.
Joule'un çalışmaları ısının yalın bir ENERJİ biçimi olduğunu göstermiştir. Tanımlanan ilk enerji türü. hareketli kütlenin enerjisi olan kinetik enerjidir: ama bir sistemin kinetik enerjiye dönüştürebildiği potansiyel enerji çeşitleri de vardır. Buna örnek olarak, yer yüzeyinden yüksek bir kütlenin, yerçekimi nedeniyle oluşan potansiyel enerjisi gösterilebilir. Sözgelimi, bir tuğla düşmeye bırakıldığında, yüksekliği azalıp hızı arttıkça, yerçekimiyle potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüşür, ama toplam enerji aynı kalır. Tuğla yere ulaştığında bu enerji yok olmaz; küçük bir bölümü ses dalgasına, büyük bir bölümü de ısıya dönüşür. Toplam enerji, çarpmadan öncekiyle aynıdır, joule'un deneylerinden elde edilen sonuç, bir kapalı sistemde toplam enerji miktarının korunduğunu gösterir.
Buna, «enerjinin korunumu yasası» ya da «termodinamiğin birinci yasası» adı verilir.
Bu yasa, devridaim (kendi enerjisini kendi üreten) makinaları yapımının olanaksızlığını ortaya. koymuştur. Bir miktar enerji, sürtünmeyle ısı olarak yataklardan salınacağından, makinanm çalışmasını sürdürmesi için, yeni enerji alması gerekir.

Carnot çevrimi:

Enerjinin korunumu yasası ortaya konmadan önce bile, ısıyı daha kullanışlı enerji biçimlerine dönüştüren çeşitli makinalar yapılmıştı. Bunlar, XVIII. yüzyıl başlarında maden ocaklarında su boşaltmada kullanıldı ve buharlı lokomotif gibi çeşitli alanlara uygulandı. Ne var ki, söz konusu makinalar, ısının % 10'undan azını değerlendirebilen çok verimsiz araçlardı.
Fransız fizikçi Sadi CARNOT, 1824' te, ISI MAKİNASI'nın verimini inceledi. Bütünüyle sürtünmesiz ve yalıtılmış «ideal» makinayı, belli bir derecede ısı alıp daha düşük derecede veren ve en büyük ısı miktarını yararlı enerjiye dönüştüren bir araç olarak tanımladı. Bu tür bir makinada sürekli devir yapan bir «akışkan» (buhar gibi) bulunmaktaydı. Ayrıca makina tersinirdi.
Tersine çalıştırıldığında elde
edilen mekanik enerji, ısı akımını, düşük sıcaklıklı depodan yüksek sıcaklıklı depoya taşıyabilirdi.

Carnot makinası, gerçekten yapılabilecek en verimli makinadan daha verimliydi; ama Carnot, bu kuramsal makinanın bile % 100 verimli olmadığını anlamıştı. Verim (işe çevrilebilen ısı oranı), akışkana değil, yalnızca iki ısı deposu arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır. Bu yüzden, alt sıcaklık deposu mutlak sıfır derecede (—273,16LC) olmadıkça, verim % 100'ün altında olur. Lord Kelvin 1884'te Carnot makinasının, herhangi bir maddenin ısıl özelliklerinden bağımsız bir mutlak sıcaklık ölçeği oluşturmada kullanılabileceğini düşünmüştür. «Kelvin ölçeği» adı verilen bu ölçek, fizikte hâlâ kullanılan ana sıcaklık birimidir. Mutlak sıfırın -altındaki sıcaklık derecelerini elde etmek olanaksızdır.
Böyle bir durum olanaklı olsaydı, Carnot makinasının verimi % 100'ün üstüne çıkar ve birinci termodinamik yasası çürütülürdü. Son yıllarda yapılan deneyler, çok yaklaşılmasına karşın, mutlak sıfıra da ulaşılamayacağını göstermiştir.

İkinci yasa:

Carnot'nun ısı makinaları incelemesinde vardığı en önemli sonuç, ısının, yalnızca aralarında sıcaklık farkı bulunan depolardan birbirine «aktığı» zaman yararlı enerji haline dönüşebildiğidir. Isıyı belirli sıcaklıktaki bir depodan alıp işe dönüştürmek olanaksızdır. Bu. termodinamiğin ikinci yasasında belirtilen özelliklerden biridir (öteki özellik, ısının yalnızca sıcak bir kütleden soğuğa aktığıdır). Bu nedenle, sözgelimi bir gemi, yalnızca denizin ısı enerjisi kullanılarak hareket ettirilemez.

Güneş ve Dünya arasındaki sıcaklık farkları.

Dünya'nın enerji kaynaklarını oluşturur (gelgit ve nükleer güçler dışında). Bu, hem rüzgarların kinetik enerjisinde, hem de daha önemlisi, fotosentez sonucu bitkilerde biriken potansiyel enerjide görülür. Dünya, uzayın —270"C'a kadar soğuk olan bölümlerine ısı vermeseydi, Güneş'in ısısı olan 6 000 C'a kadar ısınırdı.
Kullanılabilen enerjinin tümü. sürtünme gibi süreçler sonucu ısıya dönüştüğünden ve ısının işe dönüşümü hem verimsiz, hem de bütün ısı kaynaklarını aynı sıcaklığa getirme eğiliminde olduğundan, bazı bilim adamları, bütün gök kütlelerinin, sonunda. «ısı ölümü» dedikleri bir duruma gelip, aynı sıcaklıkta olacaklarını, böylece de ortada yararlı enerji kalmayacağını öne sürmüşlerdir.

İstatistik mekanik:

Değişik bir yöntem de, sistemdeki tek tek moleküllerin hareketlerini incelemektir (mikroskopik yaklaşım). Isı enerjisi, bütün moleküllerin kinetik enerjilerinin toplamıdır.
Bir gaz ısıtılarak, moleküllerinin hızı artırılabilir. Katıdaysa. moleküllerin konumları değişmez ama ısıtma işlemi, her molekülün bulunduğu yerdeki titreşimini artırır.
Düşen tuğla örneği göz önüne getirildiğinde, moleküllerin toplam kinetik enerjisi, yere çarpmadan hemen önce ve sonra aynıdır. Oysa, düşme sırasında, bütün moleküller aynı yönde hareket etmekte ve böylece tuğla toplu olarak düşmektedir. Çarpmadan sonraysa, hareketler gelişigüzel yönlere doğrudur. Tuğla, hareketsiz, ama daha sıcaktır.

Moleküllerin küçük bilardo topları gibi ele alınıp çarpışmalarının makroskopik (büyük ölçekli) özelliklerinin (basınç ve ağdalıklı gibi) açıklanması, kinetik kuramının oluşturur.
Kinetik kuramı, GAZ YASALARI' nı da açıklığa kavuşturur. Ne var ki, termodinamik sonuçları açıklamak için, molekülleri toplam enerjileriyle açıklayan daha ayrıntılı bir kuram gerekir. Bu. istatistik mekaniktir. İstatistik mekanik, birçok fiziksel sistemin özelliklerinin, p sistemi oluşturan taneciklere göre belirlenmesini sağlar.
Sistem, herhangi bir tepkimede en elverişli duruma girme eğiliminde olduğundan, istatistik mekanikte sistemin farklı enerji durumları hesaplanır. Sözgelimi, tuğla moleküllerinin farklı yönlerde titreşme olasılığı, aynı yönde titreşme olasılığından yüksektir.
Böylece, düşen tuğlada (moleküllerin düzenli hareketi), hareketsiz ve ısı kazanmış (düzensiz molekül hareketi) bir tuğla olma eğilimi bulunduğu anlaşılır. Öte yandan, bir tuğla ısıtıldığında, bütün moleküllerin aynı anda aynı yönde hareket etme olasılığı son derece azdır.
Bu nedenle, ısıtılan bir tuğlanın yerden sıçramayacağı kesinlikle söylenebilir.

Bu sonuç, ikinci yasadan da elde edilebilir:

Düzenli enerji (iş), ısıya (düzensiz enerji) dönüştürülebilir, ama bunun tersi olmaz. Bu nedenle, istatistik mekanik, termodinamik sonuçların mikroskopik tanımı olarak kabul edilebilir.

Antropi:

Bir sistemin antropisı, düzensizliğinin bir ölçüsüdür Kapalı bir sistemi etkileyen herhangi bir değişiklik, antropinin yalnızca artmasına yolaça-bilir. Bu, ikinci yasanın başka bir özelliğidir ve ilk kez antropi düşüncesini ortaya atan Clausius tarafından 1865'te açıklanmıştır. Söz konusu açıklama, ZAMAN' m yönünü de tanımladığı için ilginçtir.
Zaman geriye işleyebilseydi, fizik yasalarının çoğu tersine de geçerli olabilirdi. Sözgelimi, salınan bir sarkacın filmi tersine seyredildiğinde, aradaki fark anlaşılamaz. Ama bir antropi değişikliği söz konusuysa (sarkacın hava direnciyle ya da sürtünmeyle durması gibi), filmin hangi yönde seyredileceği hemen belli olur.
«Normal» zamanda, olaylar en olası yönde ortaya çıkar (artan antropide) ve bu durum, zamanın ileri. dönük yönünü açıklar. Düşen tuğla örneğinde, tuğlanın yerden zıplaması olasılığı çok az olduğundan, böyle bir filmin hangi yönde oynatılacağı kesinlikle bellidir.

Antropi, kimyasal tepkimelerin de yönünü belirler.
Tepkime sonucu genellikle ısı açığa çıkar; ama bu her zaman doğru değildir:
Sistemin antropisi işlem sırasında artarsa, bazı tepkimeler ısı soğurabilir. Örnek olarak, bazı kimyasal tuzların suda erimesi gösterilebilir. Düzenli billurlar düzensiz bir çözelti halins geldikçe antropi artar ve tepkimenin sürmesi için çevreden ısı soğurulur. Böylece, birkaç derecelik bir sıcaklık düşüşü oluşur.
Bazen yaşamın, antropi artışı yasasına uymadığı öne sürülür. Biyolojik evrimde canlılar, daha karmaşık ve düzenli hale gelmektedir.
Ama «biyosfer», enerji kaynağı Güneş'i içermediğinden, kapalı bir sistem değildir.
Bütün sistem göz önüne alındığında, Güneş in antropisindeki artışın, Dünya'nın evrimine bağlı olan azalmadan çok daha büyük olduğu görülmüştür. Bu, yaşamın, evrensel antropi artışını yalnızca yavaşlattığını, ama tersine çevirmediğini göstermektedir.


kaynak 4
7.cilt / s.2133-2137