Termodinamiğin İkinci Yasası ve Entropi

Bundan önceki termodinamik ile ilgili yazılarımızda sırasıyla sıfırıncı ve birinci yasayı açıklamıştık bu yazımızda sizlere özellikle de birinci yasayı tamamlayan ve bunun da ötesine geçen termodinamiğin 2. yasası ve entropiye değineceğiz.

Termodinamiğin 2. Yasası Nedir?

Termodinamiğin birinci yasası enerjinin bir formdan başka bir forma dönüşürken korunmasıyla ilgiliydi. Yani sıcak cismi oda sıcaklığında bırakırsanız bu cisim ortama ısı yayar ve soğur. Cismin ortama verdiği enerji miktarı, ortamın kazandığı enerji miktarına eşit olur. Bu kısım birinci yasayla örtüşüyor. Bir de olaya tam tersi bir gözden bakalım ılık bir odada bulunan sıcak cisimin dışarıdan herhangi bir iş olmadan ortamın havasıyla kendiliğinden ısınamayacağı aşikardır. Ama böyle bir olay gerçekleşseydi bu sefer de gene birinci yasaya göre çevre havanın kaybettiği enerji, cismin kazandığı enerjiye eşit olurdu.

Hal değişimleri belli bir yöne doğru doğal olarak gerçekleşirken, tersi yönde doğal yollarla gerçekleşmiyor. Termodinamiğin 2. yasası ile ilgili de birden çok ifade vardır. Genel olarak ise şu ifadeyle bilinir:

“Isı sıcak ortamdan soğuk ortama doğru kendiliğinden geçerken, tam tersi durumda ise dışardan iş yapılması gerekmektedir.” olarak bilinmektedir.

Termodinamiğin İkinci Yasası İfadeleri

Termodinamiğin 2. Yasası: Kelvin-Planck İfadesi

Termodinamiğin 2. yasası ile ilgili günlük hayatta bir çok örnek vardır. Yemeğin pişirilmesi, suyun ısıtılması ve en önemlisi de soğutma sistemlerinde ve termik santrallerdeki çevrimlerde kullanılır.

Kelvin-Planck ifadesi; ” Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan bir sistemin, tek bir kaynaktan ısı alıp net iş üretmesi olanaksızdır.“

Bu ifadeye göre termik santralleri ele alalım. Termik santrallerde sistem içerisinde bulunan su ısı kazanında buhar fazına geçer, türbinde elektrik üretilir ve yoğuşturucuda da soğuyarak sıvı faza geçer. Bu sistemde iki ayrı ısı kaynağı var bunlardan biri suyun buharlaştığı kazan ve buharın sıvı fazına geçtiği yoğuşturucudur. Ayrıca türbini de bir ısı kaynağı olarak değerlendirebiliriz çünkü buharın sıcaklığı burada bir miktar düşer. Bu sistem Kelvin-Planck ifadesine çok güzel bir örnektir. Bunun gibi termodinamik çevrimleriyle çalışan sistemler bu ifadeyle çelişemez.

Termodinamiğin 2. Yasası: Clausius İfadesi

Termodinamiğin 2. yasası ile ilgili bir diğer tanımlama da Clausius ifadesidir. Bu ifadeye göre;

“Termodinamik bir çevrim ile çalışan düşük sıcaklıktan alınan ısıyı yüksek sıcaklıktaki bir ortama hiçbir enerji aktarmadan aktaran bir makine tasarlamak olanaksızdır.”

Daha önce belirttiğimiz gibi soğuk bir ortamdan sıcak bir ortama doğru ısı akışı kendiliğinden gerçekleşmez. Bu ifadenin en güzel örneği buzdolabı sistemidir. Bilindi üzere buzdolabında bulunan soğutucu akışkan iç taraftan ısıyı çekerek dış ortama aktararak soğutma işlemini sağlar. Ancak bu da buzdolabı kompresörünün elektrik harcayarak gerçekleştirdiği bir çevrimdir. Yani bu da Clausius ifadesiyle birebir örtüşüyor.

Entropi

Bundan önceki anlattıklarımız termodinamiğin 2. yasası için sadece tanımlama ve açıklamaydı. Ancak ikinci yasanın yol açtığı durum olan entropi doğa ve evren anlayışımızı değiştirecek bir kavramdır. Entropi, düzensizlik anlamına gelmektedir. Yani nerede çokluk olursa orada entropi vardır. Evrenin genişlemesi, canlıların doğup büyüyüp ölmesi, zamanda geriye gidilememesi entropinin bir sonucudur.

Entropi’nin matematiksel olarak ispatı da Clausius eşitsizliğidir.

∮ dQ/T≤0  (kj/K)

Bu eşitsizliğe göre dQ/T ifadesinin integrali ya sıfırdan küçüktür yada sıfırdır.  Bu ifade evrenin tüm olaylarında geçerli bir durumdur. Termodinamiğin 2. yasası Kelvin-Planck ifadesine göre sistemdeki toplam iş hiçbir zaman pozitif değer alamaz. Bu da bu denklemin doğruluğunu ortaya koyar. Doğada hiçbir sistemin veriminin %100 olmayışı da bunun en güzel örneği ve entropinin kanıtıdır. Bu yüzdendir ki evrende her şey düzensizliğe doğru gider. Evren hala genişlemesini sürdürmekte, güneşimiz bile milyarlarca yıl sonra ölecek ve evrende bir gün yok olacak. Entropiyi belki yavaşlatabiliriz ama önüne geçemeyiz. Cihazlarımızın ve sistemlerimizin verimini arttırmamız entropiyi yavaşlatıyor ama asla kesin olarak durduramıyoruz.

Termodinamiğin 2. yasası, insanlığa o kadar büyük katkı sağlamıştır ki evreni anlamak için yaptığımız çalışmalarda dahi bu yasayı baz alıyoruz. Termodinamik yasalarını bir bütün olarak ele alıp irdelersek çevremizde gördüğümüz her şeyin temelinde bu yasaların olduğunu görürüz.

Kaynak: Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, Yunus A. Çengel, sayfa:280-281

Termodinamiğin 2. yasası ile ilgili sorularınız varsa yorum olarak belirtmeyi unutmayınız.