Termodinamik Evren 

18 Ağustos 2008 05:01 · Spinoza · 0 fav · Etiketler atom , elektron , fizik , gaz , hava , kimya , kuvvet , madde , moment , termodinamik evren , vektör

Evrendeki tüm varlıklar belirli bir yaşam sürerler ve bu yaşamları ise onların enerjisi ölçüsünde olmaktadır. Varlıklar içlerinde bulunan bu enerji ile hayatlarını sürdürürler, enerjileri tükendiğinde ise ölürler. Acaba yaşam İle ölüm arasında akıp giden enerjinin varlıklar arasındaki hareketinin yönünü belirleyen kanunlar nelerdir? Termodinamik biliminin temellerini atan Fransız fizikçi Sadi Cornat, enerji ve hareket ile birlikte ısı dönüşümü olayını da ele alarak incelemelerine başlayınca, bu kanunlar da ortaya çıkmaya başladı.

Daha sonraları Robert Mayer, Hermann Von Helmholtz, W.Thomson, R.Clousius ve J.Joule'ün çalışmalarıyla fiziğin üçüncü, belki de en sağlam sütunu termodinamik doğmuş oldu.

Termodinamik enerjinin korunumundan faydalanarak mekanik ve termal olayları birbirine bağlayan bir bilimdir.

Termodinamik, mekanik ve elektromanyetikten çok farklıdır. Çünkü özel hiç bir durum öne sürmeksizin tüm modellerle uyum içindedir, incelik gerektirse de sonuçları kesin ve sağlamdır. İşte bu nedenledir ki, Planck ve Einstein termodinamiğin üzerine fiziksel bir kuram inşa edilebilecek biricik mutlak, sağlam teme! olduğu hususunda hemfikirdiler.

Anlaşılması güç engellerle karşılaştıklarında, olaya termodinamik açısından yaklaşarak çözüme ulaşmaya çalışırlardı.

Şimdi ise fiziğin yıkılması en zor görünen kalesinin mahiyetine yani termodinamiğin kanunlarına değinelim.

A) Sıfırıncı Kanun

Sıfırına kanun sıcaklık ve termal dengeyle ilgili bir kanundur. Burada şunu belirtelim, ısı ve sıcaklık aynı şeyler değildirler. Isı; sıcaklık farkından dolayı bir cisimden diğerine akan enerji iken, sıcaklık; bir cisimde bulunan enerjinin bir ölçüsüdür. Termal dengeyi ise. ısı alışverişinde bulunabilecek bir durumda bulunan (Termal temas) iki veya daha fazla cismin sıcaktan soğuğa doğru olan enerji akışının kesilmesiyle kurulan bir denge hali olarak tarif edebiliriz.

Bu açıklamalara göre sıfırına kanun, "Birbirleriyle termal temasta bulunan varlıkların oluşturduğu bir sistem, yeterli zaman sonunda termal dengeye ulaşır ve sistem içindeki bütün varlıklar aynı sıcaklığa sahip olurlar" şeklinde ifade edilebilir.

Termometreler bu kanuna göre çalışmaktadır. Termometreler bulundukları sistemin bir parçası olduklarından sistemle termal denge içindedir. Yani sistemin sıcaklığına sahiptir. Bundan sonra sisteme verilen veya çekilen ısıdan termometre direkt olarak etkilenir ve ortamın yeni sıcaklığını gösterir.

B) Birinci Kanun

Termodinamiğin birinci kanunu enerjinin korunumu kanunudur. Bu kanuna göre enerji yoktan var, vardan da yok edilemez, ancak şekil değiştirebilir. Bizde bundan faydalanarak (enerji dönüşümleri) ısınıyor, hareket ediyor ve cisimleri hareket ettiriyoruz. Buhar makineleri, diğer ısı üretim makineleri ve yakıtlı motorlar hepsi bu kanunun öngördüğü şekilde enerjinin işe dönüştürülmesinden faydalanarak çalışmaktadır.

Bu kanun belki de fizik kanunlarının en sağlam olanıdır. Ayrıca bu kanuna göre. yaşam kaynağımız olan güneş de mevcut enerjisini bir gün tüketecek ve insan yaşamı ile birlikte kendiliğinden sönecektir. Bilim adamlarının yaptıkları hesaplamalara göre güneş yaklaşık 4,6 milyar yıl yaşındadır, ancak 5 milyar yıllık enerjisi kalmıştır. Beş milyar yıl çok uzun bir zamandır, ama hiç bir zaman sonsuz anlamına gelmez.

C) İkinci Kanun

19. yüzyıl, atağa kalkan bilim sayesinde sanayi devrimine sahne oldu. Bu devrimin hiç kuşkusuz baş aktörü makinalardı. Makinalar da daha mükemmele ulaşma isteği ile yapılan çalışmalar sırasında bilim adamlarının Önünde bazı sorular belirdi. Hangi tür bir makina en çok verimle çalışır? Kayıplar sıfırlanabilir mi? Kayıpların kaynağı nedir? v.b. Bu soruların cevaplan hiç de beklenildiği gibi olmadı. Çünkü yanıtlar insanoğluna hiç bitmezmiş gibi görünen enerji rezervlerinin hesapsızca kullanılamayacağını gösterecektir.

Yapılan araştırmalar neticesinde yüzde yüzlük verimle çalışan makinalar düşüncesi tarih oldu. Çünkü ne türlü bir makina yapılırsa yapılsın makinaya verilen enerji ile makinadan başka bir şekle dönüştürülmüş olarak elde edilen enerji arasında sıfırlanamaz bir kayıp mevcuttur. Ne yaparsak yapalım verilen enerjinin bir kısmı makina içi sürtünmeler vasıtasıyla ısıya dönüşmektedir. Kaybolan ısı ise hiç bir zaman enerji olarak tekrar elde edilemez. Bu olay enerji kaybı dolayısıyla birinci kanunun ihlali şeklinde anlaşılmasın. Kayıplardan kasıt, vardan yok olma şeklinde olmayıp, enerjinin ısı şekline dönüşüp kullanılabilir olmaktan çıkması, sistemin (makina. ortam, araç vb.) yapısına katılmasıdır.

Kısaca ikinci kanun; bir süreç içinde gerekli toplam enerji sabit kaldığı halde, sürtünme ve benzeri temaslar yüzünden kullanılabilir enerji azalmaktadır ve bunun sonucu olarak yüzde yüzlük verimle çalışan bir makina yapılamaz.

Termodinamiğin ikinci kanunu, fiziğe geri döndürülemez (tersinmez) olaylar düşüncesini getirdi. Bu kanuna göre fiziksel hadiselerde geri döndürülemez belirli bir eğilim vardır. Örneğin, bir bardak sıcak çay etrafına ısı vererek soğur ve hiç bir zaman çayımız verdiği ısıya kendiliğinden toplayıp eski haline gelmez. Yukarıdan serbest bırakılan bir top yerden sekip bırakıldığı yüksekliğe kadar çıkmayı başaramaz. Bir pervaneyi ne kadar hızlı çevirirsek çevirelim, çevirme işlemini bıraktıktan bir müddet sonra durur ve hiç bir zaman da sürtürmeye harcadığı enerjisini toparlayıp tekrar dönmeye başlamaz. Bir odaya sıktığımız parfüm ilk Önce yakın çevresi tarafından hissedilir, bir süre sonra karşı köşedeki arkadaşımız bile kokuyu alır, ama daha sonra koku gittikçe etkisini kaybeder ve parfüm zerrecikleri atmosferde dağılıp gider. Hiç bir zaman odadan çıkmam demez, geri dönüşsüz evrensel eğilimin etkisinde bir harekete mecbur kalır.

Bütün bu saydığımız süreçlerin ortak yanı; belirli bir doğrultuda, düzenden düzensizliğe, bütünden yayılmaya, kullanılır olabilirlikten kullanılmamazlığa doğru, yol almalarıdır.

R.Clausius bu evrensel eğilime entropi ismini verdi ve matematiksel bir ifadesini oluşturmayı başardı. Entropi Yunanca kökenli bir kelime olup "Bir sistemin düzensizlik derecesinin ölçüsü" manasında kullanılır.

İkinci yasa kısaca entropi artışı olarak özetlenebilir. Bütün varlıkların, eninde sonunda entropisi artmaktadır. Kainattaki olayların tümü yukarıda saydığımız gibi geri dönüşümlü olmayan olaylardır. Bizi ısıtan ve aydınlatan güneş bir bardak sıcak çay gibi ısısını tüketmektedir. İçinde bulunduğumuz Samanyolu Galaksisi ve diğer galaksiler bir odaya sıktığımız parfümün zerrecikleri gibi birbirlerinden hızla uzaklaşmaktadırlar. Kısacası evrenin entropisi sürekli olarak artmaktadır.

Sürekli enerji kaybından dolayıeninde sonunda evrenin entropisi maksimum değere ulaşacaktır. Bu andan itibaren evrenin her yeri aynı sıcaklık ve yoğunlukta olacak. Bu maksimum düzensizlik halinde iş yapacak kullanılabilir enerji olmadığından bütün fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçler duracaktır.Bu umutsuz tabloya bilim adamları "Isı ölümü" adını verirler.

Bu konu hakkında Fizikçi Poul Davies "Tanrı ve Yeni Fizik" adlı kitabında şöyle diyor: "Eğer evren sınırlı bir düzen birikimine sahipse ve düzensizliğe doğru tersinmez biçimde sonunda termodinamik dengeye değişiyorsa iki çok derin çıkarımı hemen izlemeye başlar, îlki evren en sonunda ağır ağır yuvarlanarak kendi entropisi içinde ölecektir. Bu fizikçiler arasında evrenin "ısı ölümü" olarak bilinir. İkincisi evren ebediyen varolmuş olamaz, bu yüzden sınırlı bir zaman önce dengesi son durumuna erişmiş olacaktı. Özet olarak evren daima varolmadı."

Entropi, 19. yüzyılda büyük yankılar uyandırdı. Entropi, bir türlü Newton mekaniği ile açıklanamıyordu. Ludwig Boltzman olasılık kavramını gündeme getirdi. Olasılıklar yardımıyla kurulan istatistiksel mekanik. Newton mekaniğini düştüğü zor durumdan kurtardı.

D) Üçüncü Kanun

Üçüncü yasa fizik bilimindeki görülmeyen engellerden biriyle ilgilidir. Bu termodinamik engel, mutlak sıfır sıcaklığıdır. Bu kanun 1906 Wolther Nernst tarafından ortaya atılmıştır.

Mutlak sıfır noktası, bütün gazlar için basıncın sıfır olduğu andaki sıcaklık değerine karşılık gelmektedir. Yani bütün gazların mutlak sıfır sıcaklığında basınçları sıfırdır. Mutlak sıfır sıcaklığı -273, 15°C karşılık gelir. Fakat bu değer bu sıcaklığa inilerek elde edilmiş bir Ölçüm olmayıp bütün gazların sıcaklık-basınç grafiğinden elde edilmiş bir değerdir. Zaten fiziki bir engel olma özelliği buradan kaynaklanmaktadır. Yapılan deneylerde bu sıcaklığa inilememiştir.

Basıncın sıfırlanması ise ayrı bir problemdir, önceleri fizikçiler cisimler soğudukça molekül ve atomların hareketlerinin yavaşladığı ve mutlak sıfır sıcaklığında tamamen durduğu ve böylelikle etraflarına bir basınç uygulayamadıkları düşüncesindeydiler. Fakat daha sonra fiziğe giren Kuantum mekaniğine göre atomların sıfırlanamâz alt limit enerji değerleri olmak zorundadır. Kısaca deneylerle de doğrulanan Kuantum mekaniğine göre, atomlar -273, 15 ° C 'de etrafıyla paylaşamayacağı bir enerjiye sahiptirler,

Nernst bu sonuçlardan faydalanarak işi bir adım daha ileri götürdü. Ona göre mutlak sıfır noktası -273,15 ° C maksimum düzensizlikten çok düzensizliğin yokluğu yani mükemmel bir düzen halidir.

Daha sonra yapılan çalışmalar da mutlak sıfıra İnmenin eldeki bilgilerle imkansız olduğu ortaya çıktı. Çünkü sıcaklığı düşürmek için gerekli caba her seferinde zorlaşmaktadır. Bu ışık hızına erişmek için gereken enerjinin sonsuza gitmesi gbi -273.15 ° C inmek için gereken çaba da sonsuza gitmektedir.

Termodinamiğin temcilerini oluşturan bu dört kanun, kesin ve sağlamlıklarına rağmen bizde fiziğin en az bilinen alanlarından biridir. Genelde bu konu ya temel fizik kitaplarının son bölümünü oluşturur ya da başlı başına bir ders olarak okutulur. Kalın teme! fizik kitaplarının tamamını bir dönemde bitirmek pek görülmüş şey değildir. Bir ders olarak müfredata koyulduğunda ise ezberci sistemin bir sonucu olarak sayfalar süren formül kargaşasında işin özüne, manasına girilememekte veya girilmemektedir.

Şu bir gerçek ki, bildiğimiz en mükemmel izole sistem içinde yaşadığımız kainattır. İşte bu kainat sürekli genişleyen yapısıyla ısı Ölümüne doğru koşmaktadır. Bu uzun maraton bir gün entropinin maksimumlanmasıyla son bulacak. İşte o andan itibaren, ölüm bir daha ölmemek üzere kainatı kuşatacak.

0 yorum