TERMODİNAMİK HAZIRLAYAN: AYHAN ÜNLÜ
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.
Fizikte korunum kanunları denince, fiziksel bir süreç geçiren kapalı bir sistemde ölçülebilen bazı niceliklerin sabit kalacağını ifade eden yasalar anlaşılır. Çokları korunum kanunlarını fiziğin en temel yasaları olarak kabul eder. Böyle bir yasayı ilk olarak formüle eden 18. yüzyıl Fransız kimyacısı Antoine Lavoisier'dir. Maddenin korunumu yasası olarak bilinen bu yasanın ifadesi şöyledir: Bir kimyasal reaksiyonda, reaksiyona giren ve reaksiyondan çıkan madde toplamı sabit kalır. Bu yasanın en genel ifadesi de şöyledir: Kapalı bir sistemdeki toplam madde miktarı sabit kalır.
19. yüzyılın başlarına kadar bilimciler enerjinin kinetik, potansiyel ve ısı formlarında bulunduğunu ve bunların birbirlerine dönüşebildiğini fark etmişlerdi. Bunu sonucunda Alman Hermann von Helmholtz ve Julius Robert von Mayer ve İngiliz James Prescott Joule enerjinin korunumu yasasını formüle etti. Bu yasa kapalı bir sistemdeki her türden toplam enerji miktarının sabit kaldığını ifade eder. Bugün bu Termodinamik'in I. Yasası olarak bilinir.
Alman fizikçi Mayer kapalı bir sistemdeki her türden toplam enerji miktarının sabit kaldığını ifade etti. Bugün bu Termodinamik'in I. Yasası olarak bilinir.
1905'te Albert Einstein'ın özel relativite teorisiyle madde ve enerjinin eşdeğer olduğunu [E=mc2] göstermesinden sonra maddenin korunumu ve enerjinin korunumu yasalarını birleştirmek gerekmiştir. Daha genel ve kesin olan korunum yasasına toplam madde ve enerjinin korunumu yasası denir. Bugün kısaca enerjinin korunumu dendiğinde bu yasa kastedilir ve anlaşılır.
Termodinamiğin birinci kanunu, enerji kavramını ve enerjinin ısıl sistemlerdeki durumunu ortaya koyar. Ancak, ısıl sistemlerde bu kanunun açıklayamadığı bazı olaylar söz konusudur. ilk olarak, herhangi bir sistemdeki tüm ısıl enerjiyi işe dönüştüren bir motorun tasarlanmasının termodinamiğin birinci kanununa uygun olmasına rağmen neden mümkün olmadığıdır. 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-çıkışı bilinse dahi bu sisteme uygulanabilirler.
Bu olgular, aşağıdaki şekilde özetlenebilir: 1- Herhangi bir ısıI sistem içerisindeki ısıl enerjinin tümü işe dönüştürülemez. 2- Isıl sistemler, yalnızca bazı yollarla anında değişime uğrarlar. Özellikle, kendiliğinden oluşan ısı akışı, her zaman daha sıcak cisimden daha soğuk cisme doğru gerçekleşir. Bu deneysel bulgular, termodinamiğin ikinci kanunu içerisinde özetlenmektedir. Kendiliğinden olan süreçlerin yönünü ise, yeni bir termodinamik değişken olan entropi kavramı belirler.
Entropi Entropi, bir sistemdeki düzensizliğin ölçüsü olarak ifade edilebilir. Daha değişik bir tanımla, entropi, bir termodinamik sistemden başka sistemlere iş şeklinde aktarabilecek enerji miktarını gösteren özellik veya durum fonksiyonu olarak da tanımlanır. Sistemdeki düzensizlik arttıkça, sistemin entropisi de artar, yani sistemin faydalı iş verme kabiliyeti de azalır. 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
Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz (Maxwell'in Cini). İskoç fizikçi James Clerk Maxwell'in 1867 yılında, termodinamiğin ikinci yasasını ihlal edecek bir mekanizma(bkz: devridaim makinası) bulmak için yaptığı bir düşünce deneyinin kahramınıdır. Termodinamiğin ikinci yasasına göre entropi hiçbir zaman azalmazken; aynı sıcaklıktaki iki cisim etkileşime sokulursa, arada ısı akışı oluşarak biri diğerini hiçbir zaman ısıtmaz. Maxwell'in deneyinde, aralarındaki kapı hariç tamamen yalıtılmış A ve B odalarının içinde aynı sıcaklıkta aynı gazlar bulunmaktadır. Odaların arasındaki kapının başına ise "cin" geçmiştir. Bu cin iki taraftaki molekülleri de gözlemleyerek A'dan ortalamanın üzerinde bir hıza sahip bir molekülün geldiğini gözlemleyince kapıyı açarak onun B'ye geçmesini; ortalamanın altındaki bir hızdaki molekülün ise B'den A'ya geçişini sağlamaktadır. Bu şekilde B'nin içindeki moleküllerin ortalama hızları artarken, A'dakilerin azalmaktadır. Ortalama hız da sıcaklık demek olduğundan termodinamiğin ikinci yasası açıkça ihlal edilmektedir.
Deneydeki muhtemel hatayı ilk defa 1929'da Leó Szilárd göstermiştir Deneydeki muhtemel hatayı ilk defa 1929'da Leó Szilárd göstermiştir. Bu açıklamaya göre cin'in moleküllerin ortalama hızlarını gözlemlerken, hız bilgilerini depolayıp, birbirleriyle karşılaştırırken ve kapıyı açıp kaparken ürettiği entropi, kaybolduğu iddia edilen entropiye en iyi ihtimalle eşittir. Ayrıca, Belirsizlik İlkesi'ne göre zaten moleküllerin kinetik enerjilerini ve hareket yönlerini değiştirmeden hızlarını tespit etmenin bir yolu yoktur. Kuantum fiziğinde Heisenberg'in Belirsizlik İlkesine göre, bir parçacığın momentumu ve konumu aynı anda tam doğrulukla ölçülemez. Belirsizlik ilkesini 1927 yılında Werner Heisenberg bulmuştur.
Entropi iş yapma yeteneği olmayan enerji olarak da tanımlanır Entropi iş yapma yeteneği olmayan enerji olarak da tanımlanır. İki cam balona farklı sıcaklıklarda gaz, cam balonlar arasına da bir pervane konacak olursa ilk başta pervanenin döndüğünü görülecektir. Fakat sonra entropi arttığı için pervanenin dönmesi duracaktır. Spor yapmak için bir parkta 100 metrelik bir koşu yapıldığını, 100 metrenin sonunda yorulup koşamayacak hale gelindiğini ve bir yere oturulduğu düşünülecek olursa koşarken harcanmış olan ve bir daha kazanılamayacak olan enerjiye entropi denir
Sıcaklığı farklı iki cisim termal olarak temas ettirilirse sıcak cisimden soğuk cisime doğru ısı akışı olur fakat soğuk cisimden sıcak cisime doğru ısı akışı olmaz. Bir lastik top yere düştüğü zaman birçok kez sıçradıktan sonra sonuçta durgun hale gelir fakat yerde bulunan top asla kendi kendine sıçramaz. Bu örnekler, tek yönlü süreçlerdir ve tersinmez süreçler olarak adlandırılır. Bu olaylardan hiç biri kendiliğinden ters yönde oluşmaz. Eğer oluşsaydı termodinamiği ikinci kanununa aykırı olurdu
Sadi Carnot Sadi Camot Fransız fizikçi (1796-1832) Carnot, ısı ve iş arasında nicel bir bağıntı olduğunu ilk gösteren Fransız fizikçidir. Isı makinalarının endüstriyel, politik ve ekonomik önemini ortaya koyan tek eseri "ısının hareket ettirici gücü üzerine düşünceler" adlı çalışması 1824 'de yayınlanmıştır. Bu eserinde işi "bir yüksekliğe kaldıran ağırlık" olarak tanımlamıştır. (FPG)
Sadi Carnot Sadi Camot, 1824 yılında termodinamiğin ikinci kanununu bulmuştur. Buharlı makinalarında verimin geliştirilmesi ile ilgilenmiş ve herhangi bir motorun verimi üzerinde sınırlamalar olduğunu keşfetmiştir. Bir ısı makinesi, ısıl enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren bir aygıttır. Bir otomobil motorunda, benzinin yanması ile elde edilen ısıl enerji, otomobilin hareket etmesini sağlar. Ancak, bilinen tüm makinalarda, ısıl enerjinin mekanik enerjiye dönüşmesi sırasında egzoz gazları oluşur ve bunlar ısıl enerjinin bir bölümünün kaybolmasına neden olur. Bu da, yakıtın yanması ile elde edilen ısıl enerjinin yalnızca bir bölümünün mekanik enerjiye dönüştüğünü gösterir
Termodinamiğin birinci kanunu aslında bir enerjinin korunumu kanunudur ve iç enerjiyi kapsayacak şekilde genelleştirilmiştir. Termodinamiğin birinci kanunu oldukça önemli olmakla birlikte kendiliğinden meydana gelen yada gelmeyen sistemler arasında ayrım yapmaz. Termodinamiğin ikinci kanunu doğada hangi işlemlerin meydana geleceğini ve hangilerinin meydana gelemiyeceğini anlatır.
lşıl enerjinin mekanik enerjiye dönüşünü açıklayan termodinamiğin ikinci kanununun iki ayrı eş anlatımı vardır. Kelvin şekli: Belli bir açıklıkta bulunan bir cisimden sağlanan ısıl enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürecek çevrimsel bir motor veya makine üretmek mümkün değildir. Atmosferin ısıtılması gibi bir ek etki olmadan okyanustan ısıl enerji elde edip, bu enerjiyi elektrik jeneratörünün işletilmesinde kullanmak olanaklı değildir.
Clausius şekli: Sadece daha soğuk bir kütleden daha sıcak bir kütle ye doğru ısıl enerji aktaran bir çevrimsel motor yapmak olanaksızdır. Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkansızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi) Daha basit bir ifade ile enerji soğuk bir cisimden sıcak bir cisime kendiliğinden akamaz.
Isı enerjisinin tersinir bir termodinamik çevrim ile mekanik enerjiye dönüştürmek için, iki farklı sıcaklıkta iki (veya daha fazla) ısı kaynağının gereklidir. Tam olarak iki ısı kaynağı gerektiren böyle bir motorun küçük tipi 1824 yılında Sadi Carnot tarafından yapılmıştır. Bu motorun izlediği tersinir çevrim karnot çevrimi olarak bilinir ve termodinamikte büyük, öneme sahiptir.
Tam bir Camot çevriminde gerçekleştirilen iş, p-V eğrileri arasında kalan alandır. Gösterilen çevrim saat yönünde olup yapılan iş pozitiftir. Ayrıca, Camot çevrimi ile ilişkili bir ısı alışverişi söz konusudur
Termodinamiğin ikinci kanununun iki önemli sonucu vardır: 1. Aynı iki sıcaklık arasında çalışan tüm Carnot motorları aynı verime sahiptir. Özellikle, bir Camot çevriminin verimi, ideal bir gaz kullanılmasına bağlı olmayıp, verim ifadesi ideal gaz için bulunan ifadedir.
2. Carnot motoru, verilen iki sıcaklık arasında çalışan en verimli motordur .
Isıl enerjinin çevrimsel olarak diğer enerji şekillerine dönüştürülmesi tam olarak verimli olamaz; ve bir miktar ısı enerjisi atılmak zorundadır. Gerek nükleer gerekse nükleer olmayan herhangi bir elektrik santralinin soğutma kuleleri, ısıl enerjinin atıldığı yerlerdir. Görülen bulutlar yoğunlaşan buhardır.
Mühendislik açıdan bakıldığında bu ikinci kanunun en önemli sonucu, ısı motorlarının veriminin sınırlı olacağı gerçeğidir. İkinci kanun bir çevrim sürecinde sürekli olarak iç enerjiyi tamamen başka bir enerji şekline dönüştürebilecek bir makinanın yapıamıyacağını ifade eder. Bir ısı makinası, iç enerjiyi mekanik enerjiye çeviren aygıttır. Örneğin elektrik santralleri, içten yanmalı motorlar, vb. Bir çevrimde ve bir kaynaktan soğurduğu enerjiye eşit miktarda iş yapan başka bir makine yapmak mümkün değildir.
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.
Bhom-Aharov kendi isimleri ile anılan bir yasa ile, uygun koşullar altında bir elektronun, herhangi bir elektronu bulma olasılığının sıfır olduğu bir bölge için manyetik alan bulunduğunu hissedebilme yetisine sahip olduğunu bulmuşlardır. Bu da sıfır nokta enerjisi denilen kavramla paralellik gösterir. Yani; uzayı mutlak sıfır sıcaklık sınırına dek soğutarak, (bilinen her türlü elektromanyetiksel alanların ısı, ışık …vb. sıfırlanması sağlanarak), mutlak boşluğa ulaştığımızda, bir boşlukla karşılaşmayıp elektromanyetik alanlarla dolu, hiç durmadan kımıldayan bir dalga yüzeyi gibi kaynaşarak madde-antimadde çiftleri yaratan dalgasal bir enerji görüntüsü şeklinde var olduğu dünülüyor.
Bu duruma Jhon Wheleer, “hiçbir düşünce bana şundan daha temel görünmüyor: Boşluk, boş değildir; en şiddetli fizik olaylarının oluştuğu yerdir” diyerek, Richard Feyman’la birlikte; bir elektrik ampulünün içindeki boşluğu incelediklerinde, boşluğun enerjisinin gezegenimizin tüm okyanuslarını kaynatmak için yeterli olduğunu buldular. Ve daha kapsamlı hesaplamalar, olayın bundan da korkunç olduğunu, yani uzay boşluğunun her bir santimetreküpünün bilinen evrendeki tüm maddelerin toplam enerjisinden daha fazla enerjiye sahip olduğunu gösterdi.
Boşluğun bu özelliğini daha iyi anlamak için, kuantum fiziğinin temellerine inmek gerekir ki, bu kuram, Haysenberg’in belirsizlik ilkesidir. Bu eşitsizlik bize,bir elektronun enerjisi ölçülürse ve bu ölçüm çok kısa fakat belirli bir zaman alırsa, enerji ölçümündeki belirsizlik ölçümün süresi ile ters orantılı olduğundan çok kısa süreler için, enerji ölçümündeki belirsizliğin çok önemli olabileceğini gösterir. Ve bu sonsuz küçük süre içinde, bu enerjinin son derece büyük olabileceğini düşünmek için bir engel yoktur. Sonuç olarak, boşluktan kısa yaşamlı parçacıklar yaratılabilir. Ve yaratılan parçacıkların var oluş ve yok oluş süreleri ne kadar kısa ise, enerjileri de o kadar çok yüksek olacaktır.
KİMYASAL BAĞLAR HAZIRLAYAN: AYHAN ÜNLÜ
İki ve daha çok sayıda atomun aralarında kurdukları kimyasal bağlar sonucu moleküller oluşur. Kimyasal bağ iki atomu (molekülü) beraber tutan çekici güç olarak tanımlanabilir. Moleküllerin oluşmasında başlıca rolü oynayan kovalent bağların kurulmasında özellikle dış kabuk elektronları rol oynar.
1916 yılında lewis tarafından ortaya atılan bir düşünceye göre iki atom arasında kurulan kovalent bağın amacı atomlarda He ya da Ne gibi asal gaz konfigürasyonu 2 ya da 8 elektrondan oluşan kararlı bir dış kabuk konfigürasyonu oluşturmaktır. Yalnız Lewis'in bu hipotezi kimyasal bağ gerçekIerini ve elementlerin değerliliğini ancak kısmen açıklayabilmektedir.
. Kuanta teorisine dayanan modern fiziksel anlayışa göre ise kimyasal bağ atomlarının dış kabuklarındaki spin fonksiyonlarını tamamlama eğilimlerinden doğar. İki komşu atomun birer ters spin değerli elektrona sahip orbitallerinin kesişmesi sonucu oluşan elektromagnetik çekim atomları birlikte tutan güç ortaya çıkar. Bir elektron için yalnız iki dönüş yönü ve dolayısıyla spin kuanta mekaniğine göre elektronların orbitallerine dağılımı aşağıdaki kurallara tabidir. 1) Bütün elektronlar erişebilecekleri en düşük enerji düzeyinde bulunur. 2) Bir orbitalde yalnız spin kuanta değerleri ters olmak koşuluyla iki elektron bulunur.
Bu mekanizmaya göre kimyasal bağ değerliliği bir elementin atomlarının dış kabuğundaki tamamlanabilecek spin değerlerinin sayısı olarak tanımlanabilir. Bu düşünceden hareket ederek yine Şekil de gösterilen elementleri örneğinde kimyasal değerlilik (valenz) kavramı açıklanabilir.
Kovalent bağlar: Yukarıda belirtildiği gibi bağların oluşmasında başlıca rolü atomların dış kabuklarındaki spin değerleri tamamlanmamış valenz elektronları oynar. İki atomun birbirlerine yaklaşmaları sonucu herbiri tek bir valenz elektronuna sahip iki orbitalin yollarının kesişmesi olanak kazanır. Eğer bu orbitallerdeki elektronların spinleri ters değerler taşımaktaysa meydana gelen elektromagnetik çekim iki elektronun atomlarının bir arada tutulmasını ve dolayısıyla kovalent bağın oluşmasını sağlar. Kovalent bağlarda valenz elektronları atomlar arasında eşit değerde dağılmışlardır.
İyonik bağlar: İyonik bağlar:. Bu tip bağlarda valenz elektron çifti elektronegatif atomun elektron bulutuna kayar. Örneğin NaCl gibi bir tuz molekülünde böyle bir elektron çifti elektronegatif klor atomunun üzerinde bulunur. Bunun sonucu ortaya çıkmış olan bağ elektronegatif'klor iyonuyla, elektropozitif sodyum iyonunun arasındaki elektrostatik çekim olarak düşünülebilir.
London-van der Waals Bağı: İyonik bağa benzer bir elektromagnetik çekim geçici olarak karşıt elektrik yüklerine bürünen iki molekül arasında da görülür. London-van der Waals bağı olarak adlandırılan bu bağın oluşabilmesi için bir bölgelerinde kısmi bir elektropozitif ve diğer bir bölgelerinde ise kısmi bir elektronegatif yüke sahip olmaları ön koşuldur. Bu elektriksel kutuplaşma geçici nitelikte olup, komşu moleküllerin etkileşmelerinden doğar. Bu tip bağlar özellikle hücre içinin yoğun ortamında, makromoleküller in hücre altyapılarıyla etkileşmelerinde, örneğin ribozom üzerinde gerçekleşen protein biyosentezinde, DNA'nın RNA moleküllerine çevrilmesinde ya da enzimatik kataliz sırasında büyük önem kazanır.
London-van der Waals Bağı:
HİDROJEN BAĞLARI: HİDROJEN BAĞLARI: Hidrojen bağı, polar kovalent bağlı bir hidrojen atomu ile yine polar kovalent bağlı olan azot, oksijen,flor atomları arasında meydana gelen bir bağ şeklidir. İyi Hidrojen bağı yapabilen birçok grup taşıyan piruvat ve glikoz gibi moleküller suda oldukça kolay çözülürler. DNA’nın iki ipliği biribirine hidrojen bağlarla bağlanır. Bir iplikteki Adenin diğer iplikteki Timin ile birleşir. Guanin ise diğer iplikteki Sitozin ile birleşir. A ile T birleşirken 2, C ile G birleşirken 3 hidrojen bağı oluşur.
Hidrofobik bağlar: Metan (CH4) gibi hidrokarbon molekülleri valenz elektronlarının eşit olarak hidrojen ve karbon atomları arasında paylaşılmaları nedeniyle elektriksel bir kutuplaşma göstermez. Böyle moleküller polar su molekülleriyle hidrojen bağları kuramadıklarından, su içinde çözülme yeteneğine sahip değildir ve su fazından kaçıp aralarında kümelenme eğilimi gösterir Böyle sudan kaçan (hidrofobik) gruplar arasındaki çekici güce hidrofobik bağ adı verilir. Hidrofobik bağların esasını ise apolar gruplar arasında da oluşabilen van der Waals güçleri teşkil eder.
Koordinasyon Bağları : Bu tip bağlarda elektron verici oarak davranan F, O, N, v.b. atomların dış kabuktaki serbest elektron çiftleriyle alıcı atomların boş yörüngeçleri doldurulur. Örneğin, demirin iki değerlikli iyonu (Fe+2) bu tür komplex yapılar oluşturur.