Termodinamiğin İkinci Yasası (second law of thermodynamics)

Termodinamiğin ikinci yasası, izole bir sistemin toplam entropisinin zamanla daima arttığını; veya sistemin kararlı halde olduğu veya reversibil bir proses varlığında sabit kaldığını ifade eder.

Entropideki artış doğal proseslerin irreversibilitesinden (dönüşümsüz), ve gelecek ve geçmiş arasındaki asimetriden kaynaklanır.

İkinci kanun deneysel bulgulara dayanır ve termodinamik teorinin bir kanıtı olarak kabul edilmiştir.

· 1824 Carnot:

(1) Harekete geçirici gücü elde etmek için ısı üretimi yeterli değildir. Soğuk bir sistemin de bulunması gerekir; soğuk olmadıkça ısı yararsız olacaktır.

(2) Isı motorlarında hareket gücü üretimi mevcut bir ısının harcanmasından dolayı değil, ısının sıcak bir cisimden soğuk bir cisme nakledilmesidir; dengesinin yeniden kurulmasıdır.

Carnot Teoremi (Carnot Prensibi, Carnot Kuralı)

Carnot teoremi 1824’de Nicolas Léonard Sadi Carnot tarafından geliştirilmiştir. Teorem, bir ısı motorunda elde edilebilecek maksimum verim limitlerini belirten bir prensiptir; buna göre maksimum verim sadece sıcak ve soğuk rezervuarlar arasındaki ısı farkına bağlıdır.

Carnot Teoremi:

“İki rezervuar arasında çalışan hiçbir ısı motoru, aynı iki rezervuar arasında çalışan bir reversible bir ısı motorundan (Carnot ısı motoru) daha verimli olamaz”.

Bir çift ısı rezervuarı arasındaki her Carnot ısı motoru (yani, tüm reversible motorlar) aynı derecede verimlidir, verim, kullanılan substanslar ve operasyon koşullarından bağımsızdır. Maksimum verim, h_maks.:

W = sistemin yaptığı iş, Q_H  = sisteme verilen ısı, T_C = soğuk rezervuarın mutlak sıcaklığı, T_H = sıcak rezervuarın mutlak sıcaklığıdır.

Verim h, motorun yaptığı işin sıcak rezervuardan çekilen ısıya oranıdır.

· 1850 Clausius:

(1) Kapalı bir sistemde herhangi bir proseste ısı içeriğinin mutlak sıcaklığa oranı daima yükselir’; bu orana sistemin entropisi denir.

(2) Isı kendiliğinden soğuk bir cisimden sıcak bir cisme geçemez.

(3) Isının soğuk bir rezervuardan sıcak bir rezervuara transferi, aynı zamanda bir miktar işin ısıya dönüştürülmemesi halinde olanaksızdır.

(4) Dünyanın entropisi bir maksimuma doğru yöneliktir.

Clausius Açıklaması: Bir çevrimde çalışan ve daha soğuk bir cisimden (body) daha sıcak bir cisme ısı transferinden başka bir etkisi olmayan bir motor yapılması olanaksızdır.

Kelvin-Planck Açıklaması: İşin tamamı ısıya dönüştürülebilir, fakat ısının tamamının işe döndürülmesi olanaksızdır.

· 1852 Kelvin:

(1). Tek bir rezervuardan ısı akışıyla buna eşdeğer miktarda iş verebilen çevrimsel bir proses mümkün değildir.

(2) Cansız maddenin bir parçasının, daha soğuk çevre cisimlerin sıcaklığının altına soğutulmasıyla mekanik etki elde edilmesi olanaksızdır.

(3) Mekanik enerjinin yok edilemezliğine karşın, dağıldığı veya yayıldığı yönünde evrensel bir eğilim vardır; bu durum sistem boyunca derece derece yükselir ve ısı difüzyonu, harekette kesilme ve potansiyel enerjinin boşalması olarak meydana gelir.

(4) Cansız maddelerin bulunduğu proseslerde, yayılan enerjiden daha fazla olmayan herhangi bir mekanik enerji restorasyonu olanaksızdır; herhangi bir canlı (bitkisel veya diğer) malzeme katkısı durumu değiştirmez.

· 1865 Clausius: Herhangi bir proseste sonuçta oluşan tüm entropi değişikliklerinin toplamı sıfırdan büyüktür; proses reversibil duruma gelirken, limitte sıfıra yaklaşır.

· 1879 Kelvin, Planck: Çevrimsel çalışarak tek bir rezervuardan ısı alıp net miktarda iş üreten herhangi bir cihaz yoktur.

· 1897 Planck:

(1) Tam bir çevrimde çalışarak sadece bir ağırlık artışı ve bir ısı rezervuarını soğutmanın dışında herhangi bir etki üretmeyen bir motorun yapılması olanaksızdır.

(2) Doğadaki her fiziksel veya kimyasal proses, prosesin herhangi bir kısmında tüm cisimlerin entropileri toplamı artacak şekilde gerçekleşir; limitte (reversibil proses) toplam entropi değişmeden kalır.

(3) Doğada ‘bir miktar (kuanta)’ vardır ki tüm doğal proseslerde olduğu gibi daima değişir.

Kelvin – Planck Açıklaması:

İşin tamamı ısıya dönüştürülebilir, fakat ısının tamamının işe döndürülmesi olanaksızdır. Termal verimi %100 olabilen ısı motoru yoktur; veya bir güç ünite-sini çalıştırmada, kullanılan akışkan fırınla olduğu kadar çevreyle de ısı transferi yapmalıdır.

· 1908 Caratheodory: Kapalı bir sistemin verilen herhangi bir halinin yakınında, adyabatik reversibil veya irreversibil yollarla erişilemeyecek haller bulunur.

· 1936 Fermi:

(1) Amacın sadece, aynı sıcaklıkta olan bir kaynaktan alınan ısının işe dönüşümü olduğu bir proses olanaksızdır.

(2) Amacın sadece, belirlenen bir sıcaklıktan daha yüksek sıcaklıktaki bir cisimden ısı transferi olduğu bir proses olanaksızdır.

(3) A cisminden B ismine kondüksiyonla ısı akışı varsa, B’den A’ya bir ısı transformasyonu olanaksızdır.

· 1941 Bridgman: İzole sistemler kesin (ölü) bir seviyeye ulaşmak isterler.

· 1941 Keenan:

(1) İkinci tür sürekli çalışan bir makine (kendiliğinden termal enerjiyi mekanik işe çeviren) yapılaması olanaksızdır.

(2). Tam bir çevrim içinde çalışan, ancak bir ağırlık artışı ve tek bir rezervuarla ısı değişimi dışında başka etki üretmeyen bir motorun yapılması olanaksızdır. (Planck formülü)

· 1950 Koltz:

(1). Daha düşük sıcaklıktaki bir rezervuardan daha yüksek sıcaklıktaki diğer bir rezervuara çevrimsel bir prosesle ısı taşıyabilen bir makine, dış bir kaynaktan makinede iş yapılmadıkça olanaksızdır.

(2) Sabit sıcaklıktaki bir rezervuardan ısı alınması ve bunun işe dönüştürülmesi, rezervuarda veya çevresindeki değişikliler dikkate alınmadığında, olanaksızdır.

· 1959 Fritz: Amacı sabit sıcaklıkta ısının işe dönüştürülmesi olan herhangi bir proses olanaksızdır.

· 1962 King: Pozitif bir sıcaklıktaki tek bir termal rezervuardan aldığı ısının tamamını bir sistemde işe dönüştüren, veya bir sistemde işin tamamını ısıya dönüştüren ve negatif sıcaklıktaki tek bir termal rezervuara veren bir proses yoktur. (Kelvin-Planck-Ramsey açıklaması).

· 1963 Lee, Sears:

(1) Tek bir ısı rezervuarından ısı akışıyla bir ısı rezervuarında eşdeğer miktarda işin alınabildiği çevrimsel proses mümkün değildir. (Kelvin-Planck açıklaması)

(2) Herhangi bir sıcaklıktaki bir ısı rezervuarından alınan ısıya, daha yüksek sıcaklıktaki ikinci bir rezervuarda eşit miktarda ısı akışı sağlayabilecek çevrimsel proses mümkün değildir. (Clausius açıklaması)

· 1964 Bazarov:

(1) İkinci tür sürekli çalışan bir makine (kendiliğinden termal enerjiyi mekanik işe çeviren) yapılaması olanaksızdır; bu ifade hiçbir karşıt önermeyi kabul etmez.

(2) Her denge sisteminde entropinin varlığı ve onun herhangi bir prosesle izole sistemlerde asla azalmayacağı kanunudur.

· 1965 Bent: Evrenin entropisi yükselmeye yöneliktir.

· 1967 Kern, Weisbrod:

(1) Doğadaki değişikliklerin bazılarının kendiliğinden (doğal), bazılarının ise yapay olarak (doğal olmayan) yollarla oluştuğu tamamen gözleme dayalı genel bir gerçektir. (Planck Koşulu)

(2) Farklı sıcaklıklardaki iki cisim arasındaki ısı değişiminde ısı, doğal olarak sıcak cisimden soğuk olana akar.

(3) Bir sistem doğal olarak sabit hacimde veya sabit basınçta izotermal olarak evrimleşirse (doğal bir prosesle), Gibbs serbest enerjisi (G) veya Helmholtz serbest enerjisi (F) daima azalır:

Evrim için Kriter:

T, V sabit         ΔF < 0  (F = U – TS)

T, P sabit         ΔG < 0       (G = H – TS)

· 1968 Hatsopoulos, Kenan, Kestin: İzole bir sistemde, bir seri iç kısıtlamalar kaldırıldıktan sonra bir proses gerçekleştiğinde sistem eşsiz bir denge haline ulaşır: bu denge hali sistemdeki kısıtlamaların kaldırılma sırasından bağımsızdır.

· 1968 Battino, Wood: İçinde doğal çevrimsel bir prosesin meydana geldiği hiçbir izole sistem, orijinal haline geri dönemez.

· 1971 Bekenstein: ‘Kara delik entropi toplamı + olağan entropi’ asla azalmaz.

· 1971 Lehninger:

(1) Kendiliğinden gerçekleşen tüm fiziksel ve kimyasal değişiklikler olası denge kriterlerine göre yönlenir.

(2) Kendiliğinden gerçekleşen tüm fiziksel ve kimyasal prosesler o şekilde ilerler ki, rastgelelik veya evrenin entropisi (sistem artı çevre), dengenin olduğu en yüksek noktaya kadar artar.

· 1977 Prigogine: İzole sistemlerde dış dünyayla ne enerji ve ne de madde değişimi olur; dS/dt ≥ 0. Yani bir fonksiyona bağlıdır; bu termodinamik denge halinde bir maksimuma ulaşıncaya kadar monoton olarak artan entropidir (S).

· 1983 Adkins:

(1) Tek sonucun, soğuktan sıcak bir cisme ısı transferi olan bir proses olanaksızdır. (Clausius açıklaması)

(2) Tek sonucun, ısının tümüyle işe dönüştürülmesi olan bir proses olanaksızdır. (Kelvin açıklaması)

· 1984 Adkins:

(1) Tek sonucun, soğuktan sıcak bir cisme enerji transferi olan bir proses olanaksızdır. ([Clausius açıklaması)

(2) Tek sonucun, bir rezervuardan ısı absorpsiyonu ve bunun tamamının işe dönüştürülmesi olan bir proses olanaksızdır. (Kelvin açıklaması)

(3) Doğal prosesler evrenin entropisini yükseltirler. (Clausius-Kelvin açıklaması)

(4) Enerji dağılma eğilimlidir.

(5) Tutarlılık (uyum), tutarsızlığa düşme eğilimindedir.

(6) Kinetik hareket termal hareket içinde azalma veya harcanma eğilimindedir.

(7) Kimyasal reaksiyonların yürütücü kuvvetidir.

(8) Herhangi bir proseste toplam enerji miktarı korunmalıdır; ancak enerji değişikliklerinin dağılımı irreversibildir. İkinci kanun dağılan enerji değişiminin doğal yönüyle ilgilenir.

· 1984 Groot, Max: Bir sistem içinde üretilen entropinin diferansiyeli reversibil (veya denge) transformasyon için sıfır, sistemin irreversibil transformasyonu için pozitif olmalıdır.

· 1988 Barrow: Doğal (kendiliğinden) değişikliklerin yönü hakkında herhangi bir açıklamadır.

· 1988 Halliday, Resnick:

(1) Bir denge halinden bir diğerine ilerleyen herhangi bir termodinamik proseste sistemin entropisi + çevre, ya değişmez veya yükselir.

(2) İkinci kanuna göre enerji daima sıcaktan soğuğa doğru hareket eder, doğal olayların kendiliğinden oluşmasını yönlendirir.

· 1990 Serway: İkinci tür sürekli çalışan bir makine (kendiliğinden termal enerjiyi mekanik işe çeviren) yapılamaz.

· 1990 Ebbing: Bir sistem ve çevresinin toplam entropisi daima kendiliğinden bir proses için artar; verilen bir sıcaklıkta kendiliğinden bir proses için sistemin entropi değişimi. ısının mutlak sıcaklığa bölümünden daha büyüktür.

· 1991 Schneider, Kay: Le Chatelier Prensibi veya ‘Denge Kanunu’.

(1) Dengedeki bir sisteme dışarıdan bir etkide bulunulduğunda, sistem bu etkiyi azaltıcı yönde yeni bir denge hali oluşturur.

(2) Denge halindeki herhangi bir sistemin konsantrasyon, sıcaklık veya basıncı değiştirildiğinde, sistem kendini yeniden ayarlayarak yeni bir denge hali oluşturur.

· 1991 Rosen: Organize bir hale eğilimli olan özerk bir sistem kapalı olamaz.

· 1993 Lehniger, Nelson, Cox: Tüm kimyasal ve fiziksel prosesler sırasında evrenin entropisi artar, fakat reaksiyon sisteminde entropi artışı olmayabilir; açık canlı sistemlerde monomerlerinden makromoleküllerin sentezinde entropi azalır, dolayısıyla sisteme serbest enerji takviyesi gerekir.

· 1995 Schneider, Kay: Sistemler denge halinden uzaklaştırılırken uygulanan gradientlere karşı tüm yolları kullanır; gradientler artırıldıkça sistem dengeden ayrılmaya karşı çıkar.

· 1996 Black, Hart:

(1) Bir çevrimde çalışan ve çevreye, düşük sıcaklıktaki bir cisimden daha yüksek sıcaklıktaki bir cisme ısı transferinden başka etki yapmayan bir cihazın yapılması olanaksızdır. (Clausius açıklaması)

(2) Bir çevrimde çalışan ve çevreye, eşdeğer miktarda net bir pozitif iş verirken tek bir termal enerji rezervuardan ısı transferinden başka etki yapmayan bir cihazın yapılması olanaksızdır. (Kelvin-Planck açıklaması).

(3) İkinci kanun bir doğa kanunudur; ısı transferinin, yalnızca her zaman yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru olduğunu söyler, gözlemlere dayanan davranışını tanımlar.

· 1997 Gleick: Her şey düzensizliğe eğilimlidir. Enerjiyi bir formdan başka bir forma dönüştüren herhangi bir prosesin bir miktar ısı kaybetmesi gerekir; mükemmel verim olanaksızdır. Evren tek-yönlü bir yoldur, evrendeki ve içindeki varsayımsal izole sistemlerin entropileri daima artmak zorundadır.

· 1997 Nordholm:

(1) Doğa entropiyi maksimize etmek peşindedir (koşul: izole sistem).

(2) Doğa serbest enerjiyi minimize etmek peşindedir. (Koşul: termal bir rezervuar gibi davranan, çevresiyle enerji alış verişi yapan sistem)

· 1998 Prigogine, Kondepudi:

(1) Bir sistem ve dış bağlantılarının entropi değişikliklerinin toplamı asla azalmaz.

(2) Tam bir çevrim içinde çalışan ve bir rezervuardan absorpladığı tüm ısıyı mekanik işe dönüştüren bir motor yapılması olanaksızdır.

· 1998 Perot:

(1) İzole bir sisteme uygun olan tüm haller arasında sadece tek bir hal vardır ki bu ‘kararlı hal’dir; kararlı hale, sisteme uygun herhangi bir halden (gerekli kısıtlamalar dikkate alınarak) ulaşılabilir.

(2) Bir Evrim Prensibidir.

(3) Kararlı denge hallerinin varlığını onaylayan bir açıklamadır.

· 1998 Chang: Evrenin entropisi kendiliğinden bir prosesle artar ve bir denge prosesiyle değişmeyecek şekilde kalır.

· 1998 Cuttnell, Johnson:

(1) Sabit sıcaklıklardaki iki rezervuar arasında çalışan hiçbir irreversibil motor, aynı sıcaklıklar arasında çalışan reversibil bir motordan daha yüksek verime sahip olamaz. (Carnot Prensibi)

(2) Evrenin toplam entropisi reversibil bir proses meydana geldiğinde değişmez (ΔS_evren = 0), fakat irreversibil bir proses oluştuğunda yükselir (ΔS_evren > 0).

· 1999 Baierlein: Çok sayıda molekül içeren bir sistemin değişime uğraması sağlandığında (karşı konulmaz olasılıkla) sistem çok çeşitli makrohal geliştirir ve öylece kalır. (Koşul: Kapalı Sistem)

· 1999 Swenson: Çevresiyle dengede olmayan enerjiyi, (her ne zaman, hangi formda olursa olsun) değiştirebilecek bir potansiyel vardır; enerji, ikinci kanunu izleyerek kendiliğinden minimize olur.

Enerjinin dengesiz dağılımından oluşan potansiyele örnekler

· 1999 Wark, Richards:

(1) Herhangi bir sistemin çevrimsel çalışarak, tek bir termal rezervuardan ısı transferiyle enerji alması ve eşdeğer miktardaki enerjiyi çevreye iş şeklinde vermesi olanaksızdır. (Kelvin-Planck açıklaması)

(2) Herhangi bir cihazın, tek sonucun soğuk bir cisimden daha yüksek sıcaklıktaki bir cisme ısı transferiyle enerji transferi sağlayacak şekilde çalıştırılması olanaksızdır. (Clausius açıklaması)

(3) Bazı özel kısıtlamaları olan ve hacmi üst sınırdaki herhangi bir sistem, çevrede etki yaratmadan, herhangi bir başlangıç halinden kararlı denge haline ulaşabilir. (Hatsopoulos-Keenan açıklaması)

(4) Bir sistem kararlı denge halindeyse ve diğer bir kararlı denge haline dönüşüm yoksa, sistem dışına net bir iş çıkışı gösterir. (Hatsopoulos-Keenan sonucu)

(5) Entropi (S), ekstensif (kapsamlı) gerçek bir özelliktir. Entropi, kapalı bir sistemin sınırları boyunca ısı transferiyle taşınır. Entropi transfer hızı (q/t)/T eşitliğiyle tanımlanır; t zaman, q/t ısı transfer hızı, T = sabit sıcaklıktır. Entropi sadece üretilebilir, bir içten reversibil prosesin limitinde entropi üretimi sıfıra düşer. Bu nedenle herhangi bir sistemin entropi üretim hızı S/t aşağıdaki eşitlikleri karşılamalıdır: S / t > 0 içten irreversibil proses, S / t = 0  içten reversibil proses. (İkinci-Kanun Postülat)

· 2000 Gribbon: Her şeyin eskiyeceğini (veya tükeneceğini) söyleyen doğa kanunu.

· 2000 Schroeder:

(1) Bir sistem en olası makrohalde veya makrohale çok yakın olduğunda, kendiliğinden enerji akışı durur; bu durum makrohalin en yüksek çeşitliliği (çokluğu) kapsamasındandır.

(2) Partiküller ve enerji, çeşitlilik (çokluk)  maksimum olduğunda veya maksimum değere çok yaklaştığında, kendilerini yeniden düzenleme eğilimindedir.

(3) Denge halindeki büyük herhangi bir sistem, en yüksek çeşitlilikte (çoklukta) makro haldedir.

(4) Çeşitlilik artmaya eğilimlidir.

· 2001 Haynie:

(1) Isı, kendi başına daha soğuk bir cisimden daha sıcak birine geçemez; gerçekleşmesi için iş gerekir.

(2) Hücreler ısı transferiyle iş yapamazlar; çünkü, izotermal sistemlerdir.

(3) Evrenin entropisinde bir artışa neden olmayan doğal proses meydana gelemez.

(4) Evrenin entropisinde bir artışa neden olmayan kendiliğinden proses meydana gelemez.

(5) Tüm doğal prosesler dönüşümsüzdür (irreversibil) ve tek yönlüdür (unidirectional).

(6) Mutlak sıfırda olmayan herhangi bir proses sistem için önemli bir özellik olan bir miktar enerjiye sahiptir; bir TS değerine sahip olan bu enerji izotermal olarak elverişizdir, yani yok gibidir.

· 2002 Kay: Enerji iş yaptığında kalitesi ve miktarı düşer.

· 2002 Cengel, Boles: Bir çevrimde çalışan ve daha düşük-sıcaklıktaki bir cisimden daha yüksek-sıcaklıktaki bir cisme ısı transferinden başka bir etkisi (veya verimi) olmayan bir cihaz yapılması olanaksızdır. (Clausius-açıklaması)

· 2002 Chin: Organik veya ekonomik bir sistemin termodinamik difüzyonu kendiliğinden olur (doğaldır).

· 2003 Avery:

(1). Kapalı bir sistemde (serbest enerji girişi yok) entropi veya düzensizlik daima artar; açık bir sistemde (sürekli serbest enerji girişi var) entropi daima azalır.

(2) Kapalı bir sistemde herhangi bir proseste ısı içeriğinin mutlak sıcaklığa oranı daima yükselir. (Clausius yorumu)

· 2004 Baeyer: Evrenin entropisi, kara deliklerin (black holes) entropileri de dahil artma eğilimindedir.

· 2004 Gladyshev: Isının, sistemin bulunduğu hal içinde, başka herhangi bir değişiklik yapılmaksızın işe dönüştürüldüğü proses irreversibildir. (Thomson Prensibi)

· 2005 Schneider, Sagan:

(1) Birincisi, ısı sıcak cisimlerden daha soğuk olanlara akar. İkincisi, ısının tümüyle işe dönüştürülmesi olanaksızdır; enerjetik transformasyonla daima bazı şeyler kaybolur.

(2) Doğa gradientten nefret eder.

· 2005 Thims:

(1) Temel partikül etkileşimleri noktalarda veya yarı-kalıcı maksimal kararlı konfigürasyonlarda (sistemin toplam enerjisinin minimize edilmesi gibi) kendiliğinden gelişir. (Deneme niteliğinde)

(2) Genişleyen bir evrende partikül motorlar maksimal verime doğru gelişir.(Deneme Niteliğinde)

· 2005 Porteus: Non-termal-akışkanlaştırılmış sistemler dağılmaya veya maksimal düzensizliğe eğilimlidir. Termal-akışkanlaştırılmış sistemler bütünleşmeye veya maksimal düzene eğilimlidir.

· 2005 Klyce:

(1) Kapalı bir sistemde entropi asla azalamaz.

(2) Nesneler kendilerini organize edemezler.

· 2005 Smith, Van Ness, Abbott:

(1) Sadece sistemde ve çevresinde etkili olan, sistemin absorpladığı ısının tamamını sistemin yaptığı işe dönüştürebilecek şekilde çalışan hiçbir aparat yoktur.

(2) İşlevi sadece, ısının bir sıcaklık seviyesinden daha yüksek bir sıcaklığa transferi olan bir proses yoktur.

(3). Çevrimsel bir prosesle bir sistemin absorpladığı ısının tamamının sistem tarafından yapılan işe dönüştürülmesi olanaksızdır.

(4) Toplam entropi değişikliğinin pozitif, limit değerin sıfır olacağı yönde ilerleyen her prosesin sadece reversibil bir proses olması gerekir. Toplam entropinin azaldığı bir proses mümkün değildir: ΔS_toplam ≥ 0. (İkinci Kanunun matematiksel açıklaması)

· 2005 Penrose:

(1) Sistemlerin tahmin ve evrimine ilişkin bir prensiptir; sıcak bir cismi uygun bir ısı-iletim malzemesiyle soğuk bir cisme bağlarsak, sıcaklıkları aynı değere gelinceye kadar sıcak cisim soğurken soğuk cisim ısınacaktır.

(2) Her baryonun entropisi, zamanla amansızca ve müthiş artma eğilimindedir. (Koşul: Pozitif kozmolojik sabit).

https://en.wikipedia.org/wiki/Second_law_of_thermodynamics

19 Temmuz 2019

GERİ (yasalar)

GERİ (astrofizik)

GERİ (termodinamik)