Termodinamik

Termodinamik
Termodinamik* Termodinamik* ( Yunancada: ''thermos'':ısı ve ''dynamic'':değişim). Bazı Türkçe kaynaklarda ısıl devingi olarak da geçer. Enerji* ısı* iş ve entropi gibi fiziksel kavramlarla ilgilenen bilim dalı. Termodinamik yasalarının istatistiksel mekanikten türetilebileceği gösterilmiştir.

Termodinamik her ne kadar sistemlerin madde ve/veya enerji alıp-vermesiyle ilgilense de* bu işlemlerin hızıyla ilgilenmez. Bundan dolayı aslında termodinamik denilirken* denge termodinamiği kastedilir. Bu yüzden termodinmaiğin ana konseptlerinden biri "quasistatik-neredeyse durağan(?)" adı verilen* idealize edilmiş "sonsuz yavaşlıkta" olaylardır. Zamana bağlı termodinamik olaylarla* denge halinde olmayan termodinamik ilgilenir.

Termodinamik yasaları çok genel bir geçerliliğe sahiptirler ve karşılıklı etkileşimlerin ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmezler. Yani bir sistemin sadece madde veya enerji giriş-çıkışını bilinse bile bu sisteme uygulanabilirler.

== Termodinamik değişkenler ==

Bu değişkenler genellikle sistemin ya kendisini* ya da çevre koşulları tarif etmek için kullanılır. En çok kullanılanları şunlardır:

:Mekanik değişkenler:
:
Basınç:P
:
Hacim:V
:İstatistiksel değişkenler:
:
Sıcaklık:T
:
Entropi(Düzensizlik):S

Mekanik değişkenler* temel klasik veya parçacık fiziği tanımlarıyla tarif edilebilirken* istatistiksel değişkenler sadece istatistiksel mekanik tanımlarıyla anlaşılabilir.

Termodinamiğin çoğu uygulamasında* bir ya da daha çok değişken sabit tutulurken* bir ya da daha çok değişkenin buna göre nasıl değiştiği incelenir. Matematiksel olarak bu sistemin n sabit tutulmayan değişkenlerin sayısı olmak üzere n boyutlu bir uzay olarak tarif edilebileceği anlamına gelir. İstatistiksel mekaniği fizik yasalarıyla birleştirerek* bu değişkenleri birbirleri cinsinden ifade edecek "durum denklemleri" yazılabilir. Bunların en basit ve en önemli olanlarından biri ise ideal gaz yasasıdır:
V=nRT
Bu denklemde ''R'' evrensel gaz sabiti'dir. Ayrıca istatistiksel mekanik terimleriyle bu denklem şöyle yazılır:
V=NkT
Bu denklemde de ''k'' Boltzmann sabiti'dir.


== Termodinamik Potansiyeller ==
Termodinamik değişkenler vasıtasıyla dört tane termodinamik potansiyel tanımlanabilir:

:
Sistemin İç Enerjisi ''E'': d''E''=''T''d''S'' - ''p''d''V''
:
Helmholtz Serbest Enerjisi ''A'': d''A'' = −''S''d''T'' - ''p''d''V''
:
Gibbs Serbest Enerjisi ''G'': d''G'' = −''S''d''T'' + ''V''d''p''
:
Entalpi ''H'': d''H'' = ''T''d''S'' + ''V''d''p''

Bu dört potansiyelin differansiyel denklemlerini ve zincirleme türev kuralını kullanarak bu dört potansiyel değişkenler ve birbirleri cinsinden yazılabilir:

:
E=H-PV=A+TS
:
A=E-TS=G-PV
:
G=A+PV=H-TS
:
H=G+TS=E+PV

== Termodinamik Sistemler ==

== Termodinamik Yasaları ==

'''Sıfırıncı Yasa:'''Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler termodinamik dengededirler. Sıfırıncı yasa şöyle der:
Eğer A ve B sistemleri termodinamik dengedeyseler* ve B ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindeyseler* A ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindedirler.

1930'lara kadar böyle bir yasaya ihtiyaç duyulmadığı halde* diğer kanunlardan bağımsız olduğu anlaşılınca sıfırıncı yasa adı verilerek termodinamik yasalarına eklenmiştir.


'''Birinci Yasa:'''Enerjinin korunumu yasası olarak da bilinir. Aslında mekaniğin* hatta fiziğin temel prensiplerinden biridir. Şu şekillerde belirtilebilir:

::''Bir adyabatik işlemde (sistemin dışarıyla ısı alıp vermediği durum) iş değişimi miktarı* işlemin nasıl bir yol izlediğinden bağımsız olarak sadece sistemin ilk ve son durumlarına bağlıdır.''

: ya da

::''Bir sisteme akan ısı* sistemin iç enerjisindeki artış artı sistemin yaptığı işe eşittir.''

: ya da en bilinen haliyle

:: ''Enerji yoktan var* var iken yok edilemez* sadece şekli değiştirilebilir''

Matematiksel olarak bu yasa şöyle gösterilir:

:Q = \Delta U\ \pm \ W

burada ''Q'' = sisteme giren enerji* Δ''U'' = sistemin iç enerjisindeki değişim* ve ±''W'' = sistemin yaptığı işi gösterir.


'''İkinci Yasa:'''Birçok alanda uygulanabilen ve güçlü bir yasa yasa olan ikinci yasa şöyle belirtilebilir:
:: ''Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkansızdır.'' ( Kelvin- Planck Bildirisi)

: ya da

:: ''Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkansızdır.'' ( Clausius Bildirisi)

Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz (bkz: Maxwell'in Cini). Lakin mikroskopik bir sistem* yasanın dediğinin tersine entropi dalgalanmaları yaşayabilir (bkz: Dalgalanma Teoremi). Aslında* dalgalanma teoreminin zamana göre tersinebilir dinamik ve nedensellik ilkesinden çıkan matematiksel kanıtı ikinci yasanın bir kanıtını oluşturur. Mantıksal bakımdan ikinci yasa bu şekilde aslında fiziğin bir yasasından ziyade göreli olarak büyük sistemler ve uzun zamanlar için geçerli bir teoremi haline gelir.


'''Üçüncü Yasa''': Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkansız olduğunu belirtir:

::''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 Türkçe'de "'''Con Ahmet Makinası'''") denir.

Bu yasalar çeşitli komik çeşitlemeleri de vardır:

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.