Termodinamiğin temel kanunlarından birincisini Helmotz; “Isı, bir enerji nev’idir ve enerjinin diğer şekillerine çevrilebilir ” şeklinde ifade etmiştir.

1824 senesinde Sadi Carnot, kendisinden evvel Watt tarafından icat edilmiş olan buhar makinasının verimini arttırmaya çalıştı. Carnot, (bu makinada) su buharı yerine civa buharı kullanılırsa, verimin artacağına inanmaktaydı. Çalışmaları sonunda, buhar makinasının veriminin makinada iş gören maddeye tabi olmadığı neticesine vardı. Ve makinanın veriminin, çalışmakta olduğu iki sınır sıcaklığa (dış vasatın ve buharın sıcaklığı) bağlı olduğunu buldu.

Bu çalışmalardan elde edilen neticelere göre, termodinamiğin ikinci kanunu şöyle ifade edilebilir: “Isı, sıcak bir yerden daha soğuk bir yere doğru kendiliğinden akar. Akan ısı miktarının bir kısmını işe çevirme imkanı mevcuttur.” Veya Clausius’un ifadesiyle: “Dışarıdan iş almadan soğuk kaynaktan ısı alarak, sıcak kaynağa ısı taşımak mümkün değildir.”

Entropi: Entropi ısı enerjisinin bir faktörüdür. Termodinamiğin ikinci kanununun matematiki ifadesinde bir çarpan durumundadır. Entropi enerji birimleriyle ifade edilir. (Kcal/Kg.K). Ve maddenin hususi bir enerjisi sayılabilir. Bir sistemde ısı mübadelesi oldukça, sistemin entropisinde de bir değişiklik olacaktır. Bir sistem ısı aldıkça entropisi artar. Aynı şekilde ısı verdikçe entropisi azalır.

Günlük tecrübelerimiz bize gösterir ki ısı; muhtelif ısı kaynaklarından, çeşitli yollarla alçak sıcaklık bölgelerine geçer. (Termodinamiğin ikinci kanunu). Bunun neticesinde ısı kaynaklarının sıcaklıkları müsavi (eşit) hale gelir. Kainatın her tarafında bu ameliye olmaktadır. Yani kainatta birçok güneş (ısı kaynağı) vardır. Bunlar, termodinamiğin ikinci kanununa göre, etraflarına devamlı ısı yayarlar. Yani kainat, (bir sistem olarak) devamlı ısı almaktadır. Dolayısıyla kainatın entropisi daima artar. Ve “Kainatın entropisi, bir maksimum değere doğru çoğalıyor.” denir. Yani bir gün kainatta sıcaklık müsavi hale gelecektir. Kainatta sıcaklık müsavi olduğu zaman potansiyel bir enerji olsa bile hayat olmayacaktır. Çünkü hayat, birbirine zıt kutupların varlığı ile devam eder. Rüzgarın esmesi, yağmurun yağması, hayatın devamı, farklı ısı kaynaklarına bağlıdır.

Madem ki maddi hayat birgün tamamen bitecektir. Acaba maddenin bir başlangıcı var mıdır? Yoksa madde ezeli midir? Bazı kimseler maddenin ezeli olduğunu iddia ediyorlar. Yani maddenin bir Yaratıcı tarafından yaratıldığına inanmıyorlar

Eğer madde ezeli ise elektronların hareket hali için, iki durum söz konusudur: “Elektronlar ya duruyordu sonradan harekete başladı” veya “ezelden beri hareket halindeydi”. Yani bir şey, ya hareket halindedir veya sabittir.

İkinci şık: “Elektronlar ezelden beri hareket halindedir.” Eğer elektronlar ezelden beri hareket halinde olsalardı, termodinamiğin ikinci kanununa göre kâinattaki sıcaklık müsavi seviyeye şimdiye kadar çoktan gelmiş olmalıydı. Çünkü kâinatta cereyan eden hertürlü hadiseyi ancak elektronların hareketiyle izah edebilmekteyiz. Yani madde ezeli olsaydı; ileride olmasını beklediğimiz hadiseler, şimdiye kadar çoktan olmuş olacaktı. Çünkü ezel; başlangıcı olmayan, (bilinmeyen) bir sonsuzluk demektir.

Güneşimizin çapı, dünyamızın çapının 109 katıdır. Isı ve ışık kaynağımız olan güneşte her saniye 564 milyon ton hidrojen helyuma dönüşür. Bu reaksiyon sonucu kütlesinden 4 milyon ton kaybeder (enerjiye dönüşür). Eğer madde ezeli olmuş olsaydı, güneşimiz şimdiye kadar çoktan kütlesini kaybedip sönmüş olacaktı. Öyleyse madde ezeli değildir. Ezeli değilse onu bir Yaratan vardır.

Termodinamik I. kanununun ifadesi:
?Bir oluşta (proses), enerji ne yaratılır ne de yok edilebilir, fakat enerji bir halden diğer bir hale dönüştürülebilir. ?Çeşitli tür enerjilerin birbirine çevrilmesi gibi, madde de ?yoğunlaştırılmış enerji? kabul edilerek diğer tür enerjilere çevrilebilir. Bu kanunun Birliğe olan işareti ise; ısı, madde, enerji vs. herşeyin aslında ?Bir Tek? olduğunu göstererek, kâinatta Yaradanın birliğini gösteren diğer birlere büyük bir katkıda bulunmasıdır. Einstein?in hayatının otuz yılı üzerinde uğraştığı ve kâinattaki her çeşit enerjiyi bire indirmeye çalıştığı ?Unified Field Theory ?(Birleşik Alan Teorisi)- aslen kâinatın yapıtaşının bir tek unsûr (esir) olduğu fikriyle tamamen muvafık düşmektedir. Einstein?in bu hakikatleri gördüğünü belirten bir sözü: ?Tabiatta kudretini gösteren nihayetsiz zekânın milyonda birini, alçak gönüllüce, anlamaya çalışmak. İşte benim işim..? (MM. Etüdleri)

Termodinamik II. Kanunun Makine Sahasındaki tarifi:
?Bütün ısı makinelerinde kullanılan cisim, bir sıcaklık düşmesine m5ruz kalır. Her ısı makinesinde sarf edilen ısının bir kısmı işe dönüştüğü halde, bir kısmı gene ısı enerjisi halinde etraftan yutulmakla dağılmaktadır. Bu suretle yutulan, kullanılmayan enerji hiçbir zaman sıfır olmadığından ısı makinelerinin verimi daima % 100 den küçüktür? (Enerji ve Hayat)

Bu kanunun Kelvin ve Planck?a göre tarifi: ?Tek bir reservuardan, o reservuara bir ısı dönüşü olmaksızın, daimi enerji üretemeyiz. Il. kanunla beraber ?Entropi? mefhumu da işin içine girmektedir. izole bir sistem içindeki düzensizlik derecesine ??entropi? adı verilir. Herhangi bir sistem kendiliğinden, daha düzensiz bir duruma varmaya meyillidir. Bir prosesde (oluşta) sistem ve çevresi düzensizlik ve rastgelelikte artış gösterir. Bu düzensizliğin ölçüsü entropidir. Bir sistemin düzensizliği artarken entropisi artar. Yolcular vapurda iken entropi düşük, karaya çıkıp dağılınca yüksektir. Oda sıcaklığında bir katının entropisi az iken, bir gazın entropisi çoktur. Yine bir balondaki gazın entropisi düşük iken balon patlayıp, gaz yayılınca entropi yüksektir.

R. Clausius (1865) ünlü sözünde:
?Die Energie der Welt stebt einem maximum zu.?

Kâinatın enerjisi sabittir, entropisi maximuma doğru gitmektedir diyerek 1. ve II. kanunları izolede etmiştir.

İzole sistemlerde mesela: (termos gibi) dış vasatla ne madde ne de enerji transferi olur. Kâinat da bir izole sistemdir. Netice olarak; Termodinamik II. kanunu kâinatla alakadar olarak: Kâinatın entropisi (bir maximuma doğru) daimi artmaktadır.

- Tâbiatta ve kâinatta cereyan eden bütün prosesler bir yönlü (one-direktıonal) ve geri dönüşsüz (irreversible) dür.

İkinci şıkla ilgili bazı misaller:
Isı her zaman sıcak cisimden soğuk cisme geçer. Sobadan odaya yayılan hararetin tekrar sobanın içine dönmesi gibi hadiseler tabiatta imkânsızdır. Elimizle çevirdiğimiz bir tekerlek bir müddet sonra duracaktır. Çünkü tekerleğin kinetik enerjisinin bir kısmı ısı enerjisine döner. Sürtünme ile devamlı enerji kaybı sonucu tekerlek durur. Hiçbir zaman kaybolan ısı enerjisinin tekrar mekanik enerji haline gelmesi ve tekerleğin dönmeye başlaması beklenemez. Yahut yanan bir kâğıt kendi kendine yeniden kâğıt haline gelmez. Akan bir nehir hiç bir zaman yukarı doğru çıkmaz. Yani kâinatın bütün hadisatı yokuş aşağı, tek yönlü ve geri dönüşsüzdür.

Bu hakikatler ışığı altında ?Lincoln Barnett?in Evren Ve Einstein isimli eserinden bir pasaja göz gezdirelim:

Güneş yavaş; Fakat belirli bir şekilde ölüyor. Yıldızlar ölmek üzere olan közlerdir. Kâinatın her yerinde ısı, denge sıcaklığına doğru gitmektedir. Madde radyasyona dönüşüyor. Enerji boş uzaya dağılıyor. Böylece kâinat bir ısı-ölümüne, ya da teknik yönden tarif edildiği gibi, işe çevrilemeyen maximum enerjiye doğru gidiyor. Bundan birkaç milyar yıl sonra kâinat bu duruma geldiği zaman bütün tabiat faaliyetleri duracak, bütün feza aynı sıcaklıkta olacak. Hiç bir enerji kullanılamayacaktır. Çünkü bütün enerji kozmos?da eşit olarak yayılacak. Hiç bir ışık, hiçbir canlılık ve sıcaklık olmayacak. Yalnız sürekli ve önüne geçilemez bir durgunluk olacak. Zaman sona erecek, çünkü işe çevrilemeyen enerji zamanının yönünü gösterir ve rastgele olmanın bir ölçüsüdür. Kâinattaki bütün nizam yok olduğunda, rastgelelik (entropi) en yüksek seviyesine geldiğinde ve işe çevrilemeyen enerji artmadığında, sebep e netice sırası kalmadığında, kısaca, kâinat faaliyetleri durduğunda, zamanın yönü olmadığından: Zaman mefhumu kalmayacaktır. Bu sonu, -insan olarak- önlemek mümkün değildir. Çünkü termodinamiğin II. kanunu diye bilinen prensip, kâinatın esas faaliyetlerinin dönüşsüz olduğunu bildirir. Kâinat yalnız bir yönde işler. Gerçekten kâinatta görülen yada teorik yollarla varlığı belirlenen herşey, kainatın önüne geçilemez bir biçimde karanlığa ve bozulup son bulmaya doğru gittiği görüşünü desteklemektedir. Bu görüşün lüzumlu kıldığı önemli, bir felsefi netice var. Kâinat ve içindeki faaliyetler yalnız bir yönde gidiyorsa, varılan netice; her şeyin bir başlangıcı olduğudur. Bundan başka ilmi neticelerin iç ve dış sınırlarında bulunan ipuçları yaradılış için kesin bir zaman olduğu yönündedir. Kâinatın en sonunda yok olacağını gösteren bütün deliller, aynı kesinlikle, zamanın da belirli bir başlangıcı olduğunu gösterir.

Barnett?in dediği gibi güneş ve bütün yıldızların enerjiye dönüşerek maddelerinin yok olması dünyada bütün elementlerin, hususiyle radyoaktif elementleri n enerjiye dönerek yok olmaları gösteriyor ki kâinat maddesi bir gün tamamen eriyerek bitecektir. Yani, farzımuhal semavi dinler bir kıyametten bahsetmeseydi bile; ilmen, bir kıyametin kopacağına kat?iyyetle hükmedilebilirdi. Bu, maddeden enerjiye dönüş işlemi, tek yönlü ve geri dönüşsüz olduğu için tekrar enerjiden maddi kâinatın meydana gelmesi imkansızdır. İşte bu netice, yani maddenin yok olması, onun başlangıçta YOK?tan varedildiğini gösteriyor. Çünkü, ölen herşey doğmuştur ve her doğan da ölmeye mahkumdur.

Bütün bunlar, yoktan var eden Kudret? in icraatını bizlere açıkça göstermektedir.

Bu hakikat ODTÜ?da okutulan Termodinamik kitabının yazarları ?Van Wylen? ve ?Sonntag? tarafından şöyle ifade edilmektedir:

?Yazarlar, Termodinamiğin II. kanununu, kâinatın ve insanın kaderini elinde tutan bir Yaratıcının ilk ve devam eden yaratma fiilinin tarifi olarak görmektedirler.?(1)

İlmin bu eski ve kuvvetli kanunları, materyalist düşüncenin temeli dahi olmadığını göstererek Tevhide (Birlik) büyük delil teşkil etmişlerdir. Kâinatın yaratılışına Termodinamik kanunlar ile bir nazar atfetmek bize Tevhid ile ilgili diğer bir delili de sunmaktadır. En modern yaratılış teorisi Büyük Patlama (Big Bang) teorisine göre:

Kâinat evvela dev bir atom şeklinde yaratılmış; sonra bu atom patlayarak bütün uzay serbest atom ve elektron tozları ile dolmuştur. Sonra da bunların sıkıştırılarak ve yoğunlaştırılarak bir araya getirilmesiyle kâinattaki cisimler teşekkül etmiştir.

Bu ancak bir şekilde mümkündür: Bir kısım molekülün, rastgele hareketleri esnasında hepsinin birden bir merkeze doğru hareket etmesi hali… Böyle bir hadisenin içinde bulunduğumuz odada vukua geldiğini düşünürsek, hava molekülleri bir noktaya toplanacak, bir araya gelecek ve odanın geri kalan kısmı havasız bir boşluk olacaktır. (2)

Bir odada havanın bir noktada toplanması ne derece imkansız ise Kainatta yayılmış eloktronların yahut esir maddesinin de kendi kendine toplanıp kümeleşmesi, yıldızlar ve nebulalar meydana getirmesi 0 derecede imkansızdır. Ama madem görüyoruz ki bu imkansız olay meydana gelmiş, o zaman bunu, ezeli ilim ve kudretin dışında, hangi maddi ve sınırlı güce ve gelişigüzelliği içinde bocalayan hangi kör kuvvete bağlayabiliriz?

Termonükleer Enerjinin İlkeleri :

Deuterium (D) ve tritium (T), hidrojen elema-nının izotoplarıdır. İki deuterium çekirdeği birleştirliebilirse ya 1.01 Mega-elektron volt enerjisinde bir tritium çekirdeği ile 3.03 Mega-elektronvolt enerjisinde bir proton, ya da 0.82 Mega-elektronvoltluk bir helyum çekirdeği ile 2.45 Mega-elektronvoltluk bir nötron oluşur. Diğer iki denklem de buna benzer biçimde açıklanabilir. Bu denklemlerden görüleceği üzere, 3 deuterium çekirdeğiyle yola çıkılırsa, sonunda bir helyum çekirdeği (alfa taneciği bir nötron, bir proton ve toplam olarak 21.61 Mega-elektronvotluk enerji elde edilir. Bu enerji ise, 9.62×10^-19 kw-saat olarak ifade edilebilir. Bir gram deuterium’da 3×10²³ çekirdek bulunduğuna ve her 3 çekirdek bu kadar enerji verebileceğine göre, 1 gram deuterium yaklaşık olarak 100 Megavat saat enerji üretebilecek demektir, deuterium izotopunun doğal hidrojen içinde % 0.02 oranında bulunduğu anımsanırsa, 1 gram deuterium’un 50 litre sudan elde edilebileceği görülür. Dolayısıyla, okyanuslardaki suyun dünyanın enerji gereksinmesini 70 milyar sene boyunca karşılayabileceği görülür. Yukarıdaki denklemlerle gösterilen tüm reaksiyonların son ürünü. enerjinin yanı sıra. alfa, nötron ve proton tanecikleri olup, bu tanecikler kolaylıkla soğurulablleceklerinden herhangi bir uzun ömürlü, zararlı, radyoaktif artık da oluşturmazlar.

Termonükleer Reaktör İçin Koşullar :

Çok çekici görünen bu sürecin denetimli bir şekilde gerçekleştirilebilmesinde çeşitli zorluklar vardır. İki pozitif yüklü deuterium çekirdeğini, aralarındaki elektrostatik itme gücüne rağmen kaynaşabilecekleri bir yakınlığa kadar birbirlerine yaklaştırabilmek için bu çekirdeklere yaklaşık 10 kilo-elektronvolt mertebesinde kinetik enerji verebilmek gerekir. Bu enerji sıcaklıkla ifade edilirse, çekirdeklerin 100 milyon dereceye kadar ısıtılması anlamına gelir. Yakıtın böylesine yüksek bir sıcaklığa ısıtılabilmesi için reaktöre büyük bir enerji sağlanması gerektiği açıktır. Reaksiyonlardan elde edilecek nükleer enerjinin en az enerjiye eşit olması da ekonomik bir zorunluktur. Bu düzeyde bir nükleer enerji elde edilebilmesi için çok sayıda çekirdeğin reaksiyona sokulabilmesi gerekmektedir. Bu sayı Lawson tarafından saptanmış olup, gerçekleştirilebilmesi için her santimetreküp başına 10¹⁴ çekirdeklik bir yoğunluğun en az 1 saniye süresince tutulabilmesi gerektiği ortaya çıkmıştır.

Gerekli koşulları sağlayabilmek için deuterium gazının söz konusu sıcaklıklarda ne durum aldığına bakmak gerekir. 150.000 derece mertebesinde bir sıcaklıkta, deuterium gazı tamamen iyonize olur. Maddenin bu şekilde iyonize olmuş durumuna “plazma” hali denir, elektrik alanları uygulandığında akım geçirir ve ısınır. Manyetik alan uygulandığı zaman ise sıkışır; çünkü yüklü tanecikler manyetik alana dik yönde serbestçe hareket edemez ve dairesel yörüngelere otururlar. Bu nedenlerle, plazmayı manyetik bir alan ile hapsedip sıkıştırmak ve elektrik alanları ile ısıtmak ilk akla gelen yöntemlerden biri olmuştur. Ancak, düzgün ve yeknesak bir manyetik alanın plazmayı hapsedemiyeceği açıktır: çünkü manyetik alana paralel yönde hareket durdurulamaz. Buna çare olarak manyetik alan şiddetini iki uçta arttıran sistemler geliştirilmiş ve bunlara “manyetik ayna” adı verilmiştir. Şekil 1′de görüleceği üzere, birbirinden belirli bir uzaklıkta, aynı eksen üzerine yerleştirilmiş, halka şeklinde iki sarım, manyetik ayna sisteminin en basit örneğidir. Böyle bir manyetik alan içindeki yüklü bir taneciğin aynalara (sarımlara) doğru yaklaştığında dairesel yörüngesinin çapının ufaldığı ve geriye doğru bir manyetik güç ile itildiği görülür. Bu güç, taneciklerin büyük bir kısmını iki ayna arasında tutabilmekle birlikte, manyetik alana paralel yöndeki hızları belirli bir değerin üstünde olan tanecikler bu göçü yenip aynadan kaçabilmektedirler. Bu kaçışı azaltabilmek amacıyla çeşitli yöntemler denenmekteyse de, bu yolla erişilen değerlerin hedeflerin henüz oldukça gerisinde olduğunu itiraf etmek gerekir.

Manyetik alanın uçlarından tanecik kaybını önlemek amacıyla, manyetik alan çizgilerinin kapalı birer daire oluşturdukları manyetik torus konfigürasyonu akla gelen ikinci çare olmuştur. Simit şeklinde bir nüve üzerine sarılan bobinden geçirilen akım yoluyla oluşan manyetik alan, bu konfigürasyonun en basit örneğidir. Bu tür alanın kullanıldığı araştırmalar, “Tokamak” ve “Stellerator” adlarıyla tanımlanan iki ana grupta toplanmıştır. Tokamaklar, şekil 2′de gösterilmiş olup, karmaşık bir transformatörden ibarettir. Transformatörün sekonder sarımı, simit şeklinde bükülmüş paslanmaz çelikten bir borunun içine doldurulmuş deuterium gazıdır. Alçak güçte bir radyo frekans alanı ile gaz önce iyonize edilerek iletken durumuna sokulur. Hemen sonra, transformatörün çok sarımlı primer devresine akım verilir ve tek sarımlık bir sekonder oluşturan gazdan çok yüksek bir akım geçmesi sağlanır. Bu akımın çelik boru ile paylaşılmasını önlemek için, boru çeşitli yerlerinden yalıtkan şeritlerle kesilmiştir. İçinden geçen yüksek akım nedeniyle deuterium plazması çok yüksek derecelere kadar ısıtılabilir. Isınan taneciklerin çelik cidara kaçarak nötralize olmalarını önlemek amacı ile de çelik boru çevresince dizilmiş yassı sarımlardan geçirilen akım yoluyla toroidal magnetik alan (B_T) oluşturulur. Bu arada deuterium gazından geçen akımın poloidal yönde oluştuğu manyetik alan (B_P)’de IxB_P gücü nedeniyle gazı daha da sıkıştırarak yoğunluğunu arttırır. Stelleratorların tek farkı, yassı sarımlar yerine heliks şeklinde sarımlarla hem B_T alanının tümünü, hem de B_P alanının bir kısmını üretmesidir. Bu şekilde B_P alanının plazma akımına bağımlılığı ve bu akımdaki bozulmalardan çok fazla etkilenmesi önlenir.

Bu yöntemin amaca ulaşması yolunda iki önemli engel kalmıştır. Bunlar, gaz akımı halkasında bazı kararsızlıklardan oluşan dirsek ya da benzeri şekilde bozulmalar ile, plazma direncinin ısındıkça düşmesidir. Akım halkasının dışa doğru dirsekler yapması plazmanın cidara değip nötralize olması, elektrik direncinin düşmesi ise, belli bir sıcaklıktan sonra akımın plazmayı artık ısıtamıyacağı anlamına gelir. Bu engellere rağmen geçen 20 yılda aşılan yol şekil 3′de de görüleceği gibi oldukça ümit vericidir. DEMO ve STARFIRE reaktörlerinde, çelik boru üzerine yerleştirilen lityum tabakası, termonükleer enerjiyi taşıyan nötronları durdururken ısınacak ve bu tabakayı soğutan akışkanın buharından elde edilecek elektrik enerjisi insanlık hizmetine sunulacaktır. Bu reaktörler için öngörülen büyüklükleri de şöyle özetleyebiliriz: torus dış çapı: 12 metre, iç çapı: 4 metre, plazma akımı : 7 milyon amper ve manyetik alan : 6 tesla mertebesinde olacaktır.

Son olarak, güçlü lazer demetlerinin küçük deuterium hedefleri üzerine uygulanarak termonükleer sıcaklık ve yoğunlukların sağlanmaya çalışıldığı, ancak bu amaç için gereken lazer gücünün günümüzdeki lazerlerden 100 kat daha büyük olduğunu ve bu yöntemin tokamaklara göre daha yavaş ilerlediğini de belirtmekte yarar vardır.

– Güneş rüzgarı olarak adlandırılan. Güneş’ten ayrılan yüklü partüküllerden oluşan ve Dünya’dan da geçen sürekli akıntının hızı, ses hızının 1.200 katıdır.

• Duyularla algılanmakta ve genellikle sıcak veya soğuk terimleri ile ifade edilmektedir. Teknik olarak bu değerlendirme doğru değildir. İki cisim birbirisine temas ettirildiğinde sıcak olan soğumakta soğuk olan ısınmakta ve belirli bir süre temas halinde kaldıklarında her ikisi de aynı sıcaklığa gelmektedir. Buradan yola çıkarak sıcaklık bir maddenin ısıl durumunu belirten ve ısı geçişine neden olan etken olarak tanımlanabilir.

• Termik denge halinde bulunmayan sistemle çevresini termik denge haline getirmeye zorlayan potansiyeldir. Termik denge sağlandıktan sonra bu potansiyel kalkmakta sistemde çevresiyle aynı değeri almaktadır.

• Noktasal bir özelliktir.

• Enerjinin mikroskobik düzeydeki statik halidir.

• Bir maddenin ortalama hıza sahip herhangi bir molekülünün kinetik enerjisiyle doğru orantılı olan büyüklüğüne denir.

• Sıcaklık doğrudan ölçülebilir. Ölçümünde termometre denilen cihaz kullanılabilir.

• Bir cismin etrafına kendiliğinden enerji verme eğiliminin bir ölçüsüdür. Enerji veren madde daha yüksek sıcaklıktadır.

Sıcaklık Birimleri

• Celsius (C)

• Fahrenheit (F)

• Kelvin (K)

• Rankine (°R)

• Rømer (°Rø)

• Réaumur (°r)

• Newton (°N)

• Delisle (°De)

Isı, başka cisimler üzerinde meydana getirdiği etkiye dayanarak dolaylı olarak ölçülür. Bu etkilerden en çok bilinenleri;

1. Bir maddenin hacminde sıcaklıkla meydana gelen artma,

2. Bir maddede durum değişmesine sebeb olma,

3. Enerjiye dönüşme olarak verilir.

Isı ölçümünde ilk gerekli olan şey birimin tesbit edilmesidir. Böyle değişik birimler ortaya atılmıştır.

Buz kalorimetresi

En basit ısı ölçü birimi, bir kilogram buzu eritmek için gerekli ısı miktarıdır. Birime dayanan ölçme şeklinde, bir buz kütlesi alınır. İçinde bir oyuk açılır. Mesela belirli bir sıcaklıktaki bir cismin 0°C dereceye inmek için vereceği ısıyı ölçmek için, o cisim bu oyuğa konulur ve üstü bir buz tabakasıyla kapatılır. Konulan cismin sıcaklığı 0°C dereceye bir müddet sonra iner. Sonra meydana gelen su alınarak tartılır. Cismin sıfır dereceye inmek için vereceği ısı su haline geçen buzun erimesi için gerekli olan ısıya eşit olacağından, kilogram cinsinden ölçülen su ağırlığı ısı miktarını verir. Daha sonra Joseph Black tarafından kullanılan bu alet, Pierre Laplace tarafından geliştirilmiştir.

Robert W. E. Bunsen ise, bu aleti iki hazneli yaparak daha da pratik hale getirmiştir. İç hazne ısısı ölçülecek cisim için olup, dışta bulunan ve iç hazneyi çeviren haznede buz ve su karışımı bulunur. Dış hazneye bir kapiller boru bağlanmıştır. Ayrıca aleti, dış tesirlerden korumak için bütün dış hazne buz parçacıklarıyla sarılmıştır. Çalışma durumunda dış haznedeki buz ve su karışımı tamamen dengede olup, ne erime ve ne de donma mevcuttur. Isısı ölçülecek cisim, iç hazneye konulduğunda buz-su karışımındaki buzlar erimeğe başlar.

Eriyen buz miktarı bu haznede meydana gelen hacim değişikliğinden ve bu ise eklenmiş bulunan tüpteki seviye değişikliğinden anlaşılır. Bu değerden, cismin sahib olduğu ısıya geçmek mümkündür.

Buhar kalorimetresi

Bir kilogram buharın yoğunlaşıp aynı sıcaklıkta su haline dönüşürken verdiği ısı da, başka bir ısı birimi olarak tarif edilir. Bugünkü durumuna fizikçi John Joly’in çalışmalarıyla gelmiştir. Hassas bir terazinin bir kefesine sahib olduğu sıcaklığı ölçülecek cisim konur. Cismin sıcaklığı kendisini saran buharın sıcaklığına çıkarken, buharın bir kısmı cisim üzerinde yoğunlaşır. Daha sonra cisim tartılarak yoğunlaşmış olan buharın ağırlığı bulunur. Bu kadar buharın yoğunlaşması için gerekli olan ısı miktarı, cismin bulunduğu sıcaklıktan, buharın sıcaklığına gelmesi için gerekli olan ısı miktarına eşit olacaktır.

Kab kalorimetresi

Değişik bir ısı birimi de, belirli bir su kütlesinin sıcaklığını 1°C artırmak için gerekli olan ısı miktarı olarak tarif edilir. Bu birim oldukça yaygın olarak kullanılır. Yaklaşık olarak mesela, bir kilogram suyu 32°C’den 33°C’ye çıkarmak için gerekli olan ısı miktarı 99°C’den 100°C’ye çıkarmak için gerekli olana eşittir. Ancak daha kesin bir tarif yapmak için bu bir kilogram suyu, 15°C’den 16°C’ye çıkarmak için gerekli olan ısı miktarı olarak tarif edilir ve kilokalori olarak isimlendirilir. Bu birim sisteminde başka bir birim de Joule’dür ve bu saniyede bir watta veya 107 erge eşdeğerdir. Diğer benzer bir birim de, 1 pound (0,454 kg)luk suyun 59°F’den 60°F’ye çıkarmak için gerekli olan ısı miktarı olarak tarif edilir ve BTU – British Thermal Unit olarak isimlendirilir. Bu birimle bir cismin sahip olduğu ısıyı ölçmek için dışarıya karşı tamamen yalıtılmış kapta bulunan suya atılır. Suyun sıcaklığındaki artma ölçülür. Buradan ısı miktarı hesap edilir. Herhangi bir yakıtın ısı kapasitesini bulmak için yakıt, hava geçirmeyen, içinde bol oksijen bulunan bir kaba konulur. Bu kap su ile çevrilmiş olup, suyun sıcaklığındaki yükselme ölçülerek ısı miktarı hesap edilir.

Isı birimi iş birimi ile aynıdır, yani joule (J) dür.

dQ=S*dT

• S:Entropi

• T:Sıcaklık

Örneğin bir akışkan ısıtıldığında, molekül hareketleri düzensizleştiği için entropisi artar. Eğer bir sistem tamamı ile düzenli ise entropisi sıfır olabilir. Entropi, enerji gibi korunan bir özellik değildir. Gerçekte tüm işlemlerde, çevre ile sistemin entropi değişimlerinin toplamı daima pozitiftir. Kainatta bulunan her sistem ve canlının entropisi sürekli artmaktadır.

Termodinamiğin ikinci yasasına göre entropi ile ilgili olarak şu bağıntı verilmiştir.

• dS =dQ/T

Termodinamik bilimi ondokuzuncu yüzyılın başından itibaren Avrupa’da (sonraları A.B.D’de) geliştirilmiştir. Katkıda bulunanlar arasında Carnot, Clausius, Maxwell, Boltzmann ve Gibbs en önde gelenlerdendir. Tarihsel olarak bu bilimin gelişimi makinelere dayalı sanayînin ve her türlü enerji kullanımının ilerlemesine paralellik gösterir.

Termodinamiğin ikinci yasasının değişik (ama eşdeğer) ifadelerinden birinde, kapalı bir sistemin entropisinin hiç bir zaman azalamayacağı belirtilir. “Kapalı” deyimi dışarıyla madde veya enerji alışverişinde bulunmayan sistem anlamına geliyor.

Klasik termodinamikte hacim, basinç, sıcaklık, enerji, ve entropi gibi kavramlar temel alınır. Diğer yandan termodinamik aynı zamanda istatistiksel kavramlar kullanılarak da ifade edilebilir. Mekanik (klasik veya kuantum) yasalarının istatistikle birleştirilerek kullanılması sayesinde geliştirilen “istatistiksel mekanik” veya “istatistiksel termodinamik”, klasik termodinamiğin tarif ettiği ancak açıklayamadığı bazı olgulara derin açıklamalar getirmiştir. Bunlardan biri de entropi yasasıdır.

Entropi istatistik bağlamında yeniden tanımlanır. Örneğin Boltzmann’ın ünlü denkleminde

• S = k log W

entropi, S, bir sistemin girebileceği mikroskopik durumların sayısı, W, yoluyla tanımlanır. Burada k Boltzmann sabitidir. Sözü edilen mikroskopik durumların tanımı ve sayılması ise, sistemi oluşturan atomları tarif eden temel mekanik yasalar kullanılarak yapılır.

Entropi yasasının zaman açısından tek taraflı niteliği ve gelecek ve geçmiş arasında ayrım yapması, onu fizikte bilinen tüm diğer yasalardan farklı kılar. (Yüksek enerji fiziğindeki muhtemel bir istisna dışında.) Doğal fiziksel olayların, insanların ve diğer canlıların kurdukları düzenlilikleri artırmak değil azaltmak eğiliminde olması (örneğin depremde binaların yıkılması) ve benzeri bir takım olgular, entropi yasasına onun bilimsel tanımını aşan anlamlar yüklenmesine önayak olmuştur. Dawkins, özellikle “The Blind Watchmaker” (Kör Saatçi ) adlı kitabında, bu eğilimin genelleştirilmiş bir biçimi ile biyolojik evrim arasındaki bağlantılardan sözeder. Reichenbach, Bohm, Feynman, Popper ve Grünbaum gibi bazı düşünürler entropi yasası ve zaman kavramı arasındaki ilişkiyi değişik yollardan açıklamaya çalıştılar.

Batı’daki entropi yaklaşımı, Doğu’da özellikle Budha düşüncesinde kendini, benzer bir biçimde gösterir. Budha, “Bileşik olan heşeyin eninde sonunda çözüleceğini, dağılacağını” söyler. Budha’ya göre bu, evrensel bir yasadır ve istisnası yoktur. Entropi yasasında evrensel geçerli düzensizlik yönelimi, Budha düşüncesinde çok daha kesin bir yasa olarak yenilenir. Bu düzensizliğin ardından gelecek olan yepyeni düzenlilik, entropi yasasınca da Budha düşüncesince de inceleme alanına alınmaz. Bu alan Batı düşüncesinde Kaos kuramları, Doğu düşüncesinde ise Tao açılımlarında ele alınmıştı.

Her termodinamik sistem özel bir durum içinde varolmuştur. Sistem, farklı durumları sırası ile takip ediyor ve en sonunda önceki haline geri dönüyorsa termodinamik bir çevrim oluşur. Bu çevrim boyunca proses içinde, sistem çevresine iş yapabilir, bu yolla bir ısı makinesi olarak rol oynayabilir.

Bir ısı makinesi enerjinin sıcak bölgeden, soğuk bölgeye transfer edilmesini sağlar, bu proses içinde enerjinin bir kısmı mekanik işe dönüşür. Çevrim tersinirdir (yani tersine de gerçekleşebilir). Sistem bir dış kuvvet ile çalışabilir ve proses içinde soğuk sistemden, sıcak sisteme ısı transfer edebilir, bu şekilde bir ısı makinesinden çok bir soğutucu olarak çalışır.

Carnot çevrimi, termodinamik çevrimin özel bir tipidir. Özeldir çünkü, verilen ısı enerjisinin işe çevrilme miktarı ya da tersi için (verilen işin soğutma amaçları için kullanımı) mümkün olan en verimli çevrimdir.

1. T_H sıcaklığındaki ??sıcak?? gazın tersinir izotermal genişlemesi (İzotermal ısı ilavesi):Bu adım esnasında, genişleyen (hacmi artan) gaz pistonun iş yapmasına neden olur. Gaz genişlemesi, yüksek sıcaklıktan ısının absorbe edilmesi ile ilerler. (A-B arası)

2. Gazın tersinir adyabatik genişlemesi:Bu adımda piston ve silindirin ısıl olarak yalıtılmış olduğu kabul edilir, bu nedenle ısı kaybı yoktur. Gaz genişlemeye ve iş yapmaya devam eder. Gaz genişleme nedeni ile T_C sıcaklığına soğur. (B-C arası)

3. T_C sıcaklığındaki ??soğuk?? gazın tersinir izotermal sıkıştırılması (İzotermal ısı atılması):Bu anda çevresine iş vermiş durumdaki gaz, düşük sıcaklığa doğru ısı çıkışına neden olur. (C-D arası)

4. Gazın tersinir adyabatik olarak sıkıştırılması:Yine piston ve silindir ısıl olarak yalıtılmış kabul edilir. Bu adımda yapılan iş gaz üzerinde sıkıştırılmaya ve sıcaklığının T_H sıcaklığına yükselmesine sebep olur. Bu noktada gaz ilk basamaktaki başlangıç haline dönmüştür. (D-A arası)

Carnot çevriminin mümkün olan en verimli çevrim olmasının sebebi, tamamen tersinir adımlardan oluşmasıdır. Adımların hiçbirinde, aralarında sıcaklık farkı bulunan iki sistem arasında ısı alış-verişi gerçekleşmez. Dolayısıyla, her adımdaki ve toplamdaki entropi değişimi sıfırdır.

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.