Termodinamiğin ikinci yasası nedir, neyi savunur? Entropi nedir, nasıl artar? Entropi, Maxwell’in cin deneyi hakkında bilgi, açıklamalar.
Termodinamiğin İkinci Yasası
Termodinamiğin ikinci yasası modern fiziğin temel direklerinden biridir. İsmin sıcak nesnelerden soğuk nesnelere doğru gittiğini, tersi yönde gitmediğini söyler. Isı, düzensizliği yani entropiyi ölçtüğünden, aynı olguyu şöyle de anlatabiliriz: Yalıtılmış bir sistemde entropi her zaman artar. İkinci yasa, zamanın akışı, olayların gelişmesi ve Evren’in sonunun nasıl olacağı sorularında kilit öneme sahiptir.
Bir bardak buza sıcak kahve koyduğunuzda buz ısınır ve erir; kahveyse soğur. Böyle bir durumda sıcaklığın neden daha uç noktalara gitmediğini hiç düşündünüz mü? Yani kahve buzun sıcaklığını alıp buzu daha da soğuturken kendisi de biraz daha ısınabilirdi. Deneyimlerimiz böyle bir şeyin olmayacağını söyler. Peki ama neden?
Sıcak ve soğuk nesnelerin ısı alışveriş eğilimleri ve bir denge sıcaklığına doğru ilerlemeleri, termodinamiğin ikinci yasasında ele alınır. Bu yasa, kabaca, sıcaklığın soğuk nesneden sıcak nesneye doğru akamayacağını söyler.
Öyleyse buzdolabı nasıl çalışır? Sıcaklığını başka bir şeye aktaramıyorsak, bir bardak portakal suyunu nasıl soğutuyoruz? İkinci yasa bunu yalnızca bazı özel durumlarda yapmamıza izin verir. Buzdolapları aslında nesneleri soğutma sürecinin yan ürünü olarak bolca ısı üretir. Bunu çalışan bir buzdolabının arkasına dokunup anlayabilirsiniz. Buzdolabının ve çevresindekilerin toplam enerjisini göz önüne aldığımızda, ısı yaydıklarını, dolayısıyla ikinci yasayı ihlal etmediklerini görürüz.
Entropi
Isı gerçekten de düzensizliğin bir ölçüsüdür ve fizikte düzensizliğin miktarı çoğu kez “entropi” ile belirtilir. Entropi, bir grup ögenin kendilerini düzenleyebileceği yolların bir ölçüsüdür. Paket halindeki spagetti makarna çubuklarının entropisi düşüktür, çünkü yapısında yüksek bir düzen vardır. Makarnalar tencerede kaynayan suya atılıp da karışarak birbirlerine dolandığında artık daha düzensizdirler, dolayısıyla daha yüksek bir entropileri vardır. Benzer şekilde, düzgün sıralanmış oyuncak askerlerin entropisi düşüktür ama yere saçılmış olanlarınki yüksektir.
Bunun buzdolaplarıyla ne ilgisi olabilir? Termodinamiğin ikinci yasasını ifade etmenin bir başka yolu da sudur: Sınırlı bir sistem için entropi sürekli artar, hiçbir zaman azalmaz. Soğuk nesnelerin atomları, sıcak nesnelerin daha çok titreşen atomlarına göre daha çok düzen içindedir. Tersten söylersek, düzensizlikleri (entropileri) daha azdır. Bir sistemin bütününün entropisindeki değişime baktığımızda hep artmakta olduğunu görürüz.
Buzdolabına gelince, portakal suyunun soğuması entropisini azaltır ama bu, buzdolabının yaydığı sıcak havayla dengelenir. Hatta ısınan havadaki entropi artışı, soğumayla gerçekleşen entropi düşüşünden fazla olur. Bütün sistem, yani buzdolabı ve çevresindekiler göz önüne alındığında termodinamiğin ikinci yasasının işlediği görülür. İkinci yasanın bir başka ifadesi, entropinin her zaman arttığıdır.
ikinci yasa yalıtılmış sistemler için, yani içeriden dışarıya veya dışarıdan içeriye enerji akışı olmayan sistemler için geçerlidir. İçerideki enerji korunur. Evren’in kendisi de yalıtılmış bir sistemdir, çünkü tanımı gereği “dış”ında hiç bir şey yoktur. Dolayısıyla bir bütün olarak Evren’de de enerji korunur ve entropisi sürekli artmalıdır. Bazı küçük bölgelerde soğuma gibi enlerle entropide hafif düşüşler görülse de bunlar tıpkı buzdolabında olduğu gibi, başka bölgelerdeki ısınmayla ve entropi artışıyla telafi edilir; böylece toplam entropi artar.
Entropideki artış neye benzer?
Bir bardak sütün içine çikolata sosu boşalttığınızda ilk başta düşük bir entropi vardır. Süt ve sos birbirinden ayrı beyaz ve kahverengi bölgeler halinde görünür. Ama bir kaşıkla karıştırmaya başladığınızda düzensizliği arttırırsınız ve moleküller birbirine karışmaya başlar. Düzensizliğin en üst düzeye ulaştığı noktada sos ile süt tümüyle birbirine karışmıştır ve karışım da soluk karamel rengini almıştır.
Bütün olarak Evren’i düşündüğümüzde, ikinci yasa Evren’deki atomların da benzer bir şekilde zamanla daha düzensizleşeceğini söyler. Tüm madde topaklanmaları zamanla ayrışıp dağılacak ve Evren onların atomlarıyla dolacaktır. Yani yıldızlardan ve galaksilerden oluşan çok renkli bir halı olarak yaşamına başlayan Evren’in nihai kaderi, gri bir atom denizine dönüşmektir. Evren’in genişlemesinin sonunda galaksiler parçalanıp dağılacak, içerdikleri madde yoğunluğu seyrelecektir. Geriye yalnızca çok çeşitli atom-altı parçacıklardan oluşan bir çorba kalacaktır. Evren’in sürekli genişleyeceği varsayımına dayanan bu son, “ısı ölümü” olarak bilinir.
Sıvı dolu kanallar, çarkın dönmesiyle bir tarafta dışa diğer tarafta ise içe daha yakın hale gelecektir. Ağırlık dengesindeki fark dönüşe sebep olacaktır. (solda)
Sıvıların özelliğinden faydalanılarak tasarlanan bir devridaim makinesi (sağda)
Devridaim
Isı bir enerji biçimi olduğundan, iş üretmek için kullanılabilir. Buhar makinesi ısıyı, bir pistonun ya da türbinin mekanik hareketine dönüştürür ki bununla da elektrik üretilebilir. Termodinamik konusundaki bilimsel çalışmaların çoğu 19. yüzyılda, fizikçilerin kağıt üzerinde vardıkları sonuçlardan değil de buhar makinelerindeki mühendislik uygulamalarından çıkmıştır. İkinci yasanın bir başka çıkarımı da buhar makinesi de dâhil, ısıyı başka enerji biçimlerine çeviren hiçbir makinenin kusursuz olamayacağıdır. Isıyı herhangi başka bir enerji biçimine çeviren her süreçte küçük de olsa bir miktar enerji kaybolur ve böylece sistemin entropisi artar.
Hiç enerji kaybı olmayan ve bu nedenle sonsuza dek çalışabilen devridaim makinesi fikri, ortaçağdan beri biliminsanlarını boş yere umutlandırmıştır. Termodinamiğin ikinci yasası, böyle bir makinenin peşinde koşanların başarısız olacağını garantiler. Ama bu yasa bilinmezken pek çok insan bu tür makineler tasarlamaya çalışmıştır. Robert Böyle kendi kendine boşalıp dolan bir kupa düşlemişti. Hintli matematikçi Bhaskara da dönerken tellerinden sarkan ağırlıklar sayesinde kendi kendine sürekli dönen bir tekerlek fikri ortaya atmıştı. Ama iyi incelendiğinde her iki makinenin da enerji kaybediyor olduğu görülür. Bunlara benzeyen fikirler öylesine yaygındı ki daha 18. yüzyılda bile devridaim makineleri kötü bir nam salmıştı. Fransız Kraliyet Bilim Akademisi ve Amerikan Patent Bürosu’nda devridaim makinesi tasarımlarının değerlendirilmesi yasaklanmıştı. Günümüzde devridaim makinesi, bazı eksantrik mucitlerin kendi kendilerine peşinde koştuğu bir fikirden ibarettir.
Maxwell’in Cini
Maxwell’in cini
İkinci yasayı ihlal etmeye yönelik en tartışmalı girişimlerden biri, İskoç fizikçi James Clerk Maxwell‘in 1860’lı yıllarda ileri sürdüğü bir düşünce deneyi oldu. Aynı sıcaklıkta, yan yana duran, içi gaz dolu iki kutu düşünün. Aralarında bir delik olsun ve gaz parçacıkları bir kutudan diğerine geçebilsin. Eğer bir taraf diğerinden daha sıcaksa, parçacıklar delikten öteki tarafa geçer ve zamanla sıcaklıkları eşitlenir. Maxwell mikroskobik bir cin olduğunu varsaydı. Bu cin kutulardan birindeki hızlı molekülleri yakalayıp delikten öteki kutuya atıyordu. Bu durumda ikinci kutudaki moleküllerin ortalama hızı artıyor, ilk kutudakilerinki de düşüyordu. Dolayısıyla Maxwell ısının soğuk kutudan sıcak olana doğru hareket edebildiğini farz etti. Bu süreç termodinamiğin ikinci yasasını ihlal etmiyor muydu? Doğru moleküller seçilerek ısı daha sıcak olan nesnelere aktarılabilir miydi?
Maxwell’in cininin neden çalışmayacağına dair açıklamalar o günden beri fizikçilerin zihinlerini meşgul etmektedir. Birçoğu, parçacıkların hızlarını ölçme ve kutuların arasındaki kapağın açılıp kapanması eylemlerinin bir iş olduğunu ve enerji gerektirdiğini, dolayısıyla da sistemin toplam entropisinin düşmeyeceğini ileri sürmüştür. Edinburgh’lu fizikçi David Leigh’in nano ölçekteki çalışması şimdiye değin bir “cin makinesf’ne en yakın şeydir. Tasarımı gerçekten de hızlı ve yavaş hareket eden parçacıkları ayırabilir ama bunu yapabilmek için dışarıdan bir kaynağına gerek duyar. Ek bir enerji kullanmaksızın parçacıkları aktaracak bir mekanizma olmadığından, günümüz fizikçileri bile ikinci yasayı ihlal etmenin bir yolunu bulamamıştır. En azından şimdilik, yasa sapasağlam ayakta duruyor.
