Termodinamiğin ikinci kanunu – Mühendishane
Termodinamiğin birinci kanununun odak noktası enerji korunumu olmasına rağmen, bu kanunun enerjinin neden korunduğu ya da enerjinin ne olduğunu açıklamak için herhangi bir çaba içinde olmadığını daha önce belirtmiştik. Birinci kanunun açıklama hevesinden bu kadar yoksun ve direkt bir biçimde ortaya konmuş olmasının nedeni, matematiksel bir akıl yürütmeyle elde edilmiş bir kuram değil, insan tecrübesinin bir ürünü olmasından kaynaklanıyor. Tıpkı yerçekimi kanunu gibi, birebir tecrübe ederek öğrendiğimiz ve daima geçerli olduğunu gördüğümüz bir gerçeğe işaret ediyor.
İkinci kanun da, benzer şekilde, özünde insan tecrübesinin bir ürünü: karmaşık kuramlarla ya da matematiksel bir yaklaşımla türetilmiş bir kanun değil. Bilimsel literatüre baktığımızda, bu kanunun genellikle iki farklı açıdan ele alınarak tarif edildiğini görüyoruz. Bu başlık altında ikinci kanunun bu iki tanımı ve bu tanımlar arasındaki ilişki üzerinde nasıl düşünememiz gerektiği üzerinde duracağız.
Birinci tarif, entropinin klasik tanımı çevresinde şekilleniyor:
Enerji bir formdan diğerine dönüşürken, bir miktarı daima istediğimizden farklı bir forma dönüşür.
Carnot çevrimi sırasında kaybolan enerjiden bahsederken, bu tarife dair ilk izlenimlerimizi edinmiştik aslında: her bir çevrim yapıldığında sisteme sağlanan enerjinin bir kısmı işe dönüşürken, bir kısmı da çevreye gidiyordu.
İkinci kanunun diğer tarifi ise entropideki değişimi üzerinden yapılıyor:
Evrende kendiliğinden gerçekleşen bütün süreçler evrenin entropisinde bir artışa yol açar (ΔS ≥ 0).
Bu tarif ilkine kıyasla biraz daha afilli ve haliyle kavraması da biraz daha güç. İsterseniz bu ifadeyi günlük hayattan birkaç örnekle açmaya çalışalım; fakat, örneklere geçmeden önce de belirtelim: vereceğimiz bu örnekler termodinamiğin kapsamının biraz dışında olmaları nedeniyle, entropi ve enerji kavramlarına dair çok doğru bir bakış açısı sağlamayacaklar. Bu yüzden bu örnekleri, ikinci kanunun ardındaki mantığa dair sezgisel bir kavrayış elde edebilmek için, ama çok da ciddiye almadan okumanızı tavsiye ediyoruz.
İkinci kanunun söylemek istediği özünde şu: evrende her ne zaman bir süreç kendiliğinden gerçekleşirse, enerji daima sürecin gerçekleştiği mekandan evrene doğru yayılma eğilimi taşıyor.
Örneğin, sabah kahvaltısında demlediğiniz çayı ele alalım. Çay demlemek için çaydanlığı ocağa koyup çaydanlığa bir miktar ısı veriyorsunuz. Verdiğiniz bu ısı (yani enerji) lokal bir noktada yoğunlaşmak yerine, ocağın tabanına ya da çaydanlığın yüzeyinden havaya doğru akarak çevreye doğru yayılıyor. Yani istediğiniz bir noktada yoğunlaşıp kalmak yerine, çevreye doğru akma eğilimi taşıyor.
İkinci bir örnek olarak sabah kahvaltınızın tam bir kabusa dönüştüğünü ve çay koyarken çaydanlığı elinizden düşürdüğünüzü varsayalım (termodinamik biraz sevimsiz bir hal almaya başlıyor). Çaydanlığın havada sahip olduğu potansiyel enerji, yere düşerken (yani kinetik enerjiye dönüştüğünde) hem havadaki gaz atomlarını iterek, yani bu atomların momentumlarını arttırmak için harcanarak, hem de yere düştüğünde ses çıkararak, yani hem yerdeki hem de havadaki atomları titreştirerek (ve bir miktar da ısıtarak) evrene doğru yayılıyor.
Bu iki örnekte gördüğümüz ortak nokta şu: kendiliğinden gerçekleşen bir süreçte enerji daima evrene doğru yayılma eğilimi taşıyor. Tıpkı havaya attığımız elmanın yere düşmesi gibi, enerjinin de daima yayılma eğiliminde olduğunu gördüğümüz için, bu durumu evrenin işleyişine dair bir kanun olarak kabul ediyoruz.
İsterseniz bir de ikinci kanuna uymayan bir senaryonun nasıl gerçekleşebileceği üzerinde düşünelim. Enerjinin evrene yayılmak yerine kendiliğinden tek bir noktaya yoğunlaşmasının olmasının nasıl bir şey olacağını kafamızda canlandırmaya çalışalım. Mesela, bir bardak sıcak suyu ele alalım. Bir bardağa sıcak su doldurduğumuzda, ikinci kanun gereği, su moleküllerinin sahip oldukları yüksek kinetik enerjiyi çevreye yaymaları sonucunda, bir süre sonra suyun oda sıcaklığına soğumasını bekliyoruz. Sıcaklık dediğimiz niceliğin, atomların ya da moleküllerin sahip olduğu “ortalama” kinetik enerjiyle ilgili olduğunu daha önce belirtmiştik. Burada dikkat etmemiz gereken nokta, sıcaklığın “ortalama” kinetik enerjiyi tarif eden bir nicelik olması. Oda sıcaklığı sıcak suya kıyasla daha düşük olduğu için, havadaki atomların ortalama kinetik enerjileri de su moleküllerine göre daha düşük olsa da, havada çok yüksek enerjiye sahip birkaç molekülün geziniyor olma olasılığı daima bulunuyor. Şimdi, havadaki bu yüksek kinetik enerjiye sahip moleküllerin hepsinin birden sıcak suya doğru hareketlendiklerini ve su moleküllerine çarparak suyun daha da ısınmasına yol açtığını varsayalım. Bu durumda masada duran sıcak suyun soğumak yerine gittikçe daha da ısındığı görmemiz gerekiyor. Yani, suyun kendiliğinden ısınabilmesi için enerjinin yayılmak yerine kendiliğinden bir noktaya lokalize olması gerekiyor. Elbette ki bu gibi durumlarla günlük hayatımızda hiçbir zaman karşılaşmıyoruz. Bu nedenle, yani günlük hayat tecrübemizin bir sonucu olarak, enerji yayılımını bir kanun olarak kabul edebiliyoruz.
İkinci kanuna dair anlamamız gereken bir diğer önemli noktanın daha altını çizerek bu başlığa son verelim. Bu kanun kendiliğinden gerçekleşen her süreç sonunda evrenin entropisinin artacağını söylüyor. Sistemin değil, çevrenin de değil. Sistem ve çevrenin toplamını temsil eden evrenin. Bu noktayı kavramamız ikinci kanunu doğru anlamamız açısından oldukça önemli. Örnek olarak katılaşma sürecini ele alalım. Katılaşma sırasında atomların sıvı fazdaki düzensiz bir durumdan düzenli bir duruma geçmeleri nedeniyle entropinin azaldığını, bunun da ikinci kanunla çeliştiğini söyleyebilir miyiz? Hayır. Katılaşma esnasında atomların düzenlenmesiyle “sistemin” entropisinin azaldığı doğru. Fakat katılaşma sırasında salınan ısı nedeniyle enerji çevreye doğru yayılarak çevrenin entropisinin artmasına yol açıyor. Bu iki değişim arasındaki net sonuca baktığımızda (evren = sistem + çevre) çevredeki entropi artışının sistemdeki düşüşe göre daha fazla olduğunu, sonuç olarak evrendeki entropinin katılaşma sırasında da arttığını, yani ikinci kanun açısından bir sorun olmadığını görebiliyoruz.
Sonraki sayfa: Entalpi
Önceki sayfa: Entropinin istatistiksel mekanik tarifi