TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI

ENTROPİ

Fazla uzun bir aradan sonra tekrar merhaba herkese. 😇Bu yazım biraz geç oldu biliyorum. Telafi etmek adına en kafa karıştırıcı ama bir o kadar da önemli olan bir konuyla dönüş yaptım. Entropi. Evrenimiz de belki de her sorunun cevabında yer alan bir kavram. Peki nedir bu entropi?

Resim 1

 Genelde termodinamiğin ikinci yasası olarak bilinir çünkü özünde iş ve mekanik alanında bir terimdir. Ama anlamının genişletilebilir olmasıyla iş ve mekanikten çıkıp fiziğe, evrene kadar ulaşabilmiştir. Bilimin tamamında ve bu nedenle de evreni anlayışımızda ikinci yasanın merkezi bir önemi vardır çünkü bize herhangi bir değişimin neden meydana geldiğini anlamada bir temel oluşturur. Bu nedenle, yalnızca makinelerin neden çalıştığı ve kimyasal reaksiyonların neden meydana geldiğini anlamak için bir dayanak değil, aynı zamanda kimyasal reaksiyonların en hassas sonuçlarını, kültürümüzü geliştiren edebi, sanatsal ve müzik yaratıcılığı eylemlerini anlamak için de bir temeldir.

İkinci yasa her ne kadar ağır bir dökme-demir buhar makinesi gerçekliği üzerine gözlemlerle belirlenmiş olsa da soyut terimlerle ifade edildiğinde bütün değişimleri ilgilendirir. Başka bir deyişle, değişimin somut kavranışı her ne olursa olsun, bir buhar makinesi değişimin doğasını kısa ve öz biçimde açıklar. Tüm eylemlerimizin özü sindirimden tutun da sanatsal yaratıcılığa kadar esasında bir buhar makinesinin işleyişiyle anlaşılır.  Kozmosta ısı ve enerji düzeyinde gerçekleşmiş olan ve olacak olan her şey bu yasaların kontrolü altında işler.

18. yüzyılda fizik alanında yapılan deneyler, ısı ile mekanik iş arasında bir ilişki olduğunu göstermekteydi. Fransız fizikçi Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), buhar makinesinin çalışma prensiplerini ilk olarak dikkatle ele alan kişi olmasının yanı sıra ısı ve işin birbirine dönüşebileceğini söyleyerek bu konu üzerinde çalışmalar yapan da ilk kişiydi. Bu nedenle Fransız bilim insanı termodinamiğin kurucusu olarak kabul edilir.

Adı pek bilinmeyen bu bilim adamı öldükten yaklaşık kırk yıl sonra el yazması çalışmaları ortaya çıktı ve çok daha etkileyici, farklı konulara değindiği anlaşıldı. Carnot kısaca şöyle diyordu;

“(...) Isı, şekil değiştirmiş olan “Hareket Ettirici Güç”ten (ya da daha doğrusu) “Hareketin Kendisinden Başka Bir Şey Değildir”. (Bu hareket, cismin partiküllerinde “ufacık taneciklerinde” meydana gelen harekettir). “Hareket Ettirici Güç”ün, tükenip yok olduğu her yerde, bu “Güç”ün miktarı ile orantılı bir nicelikte “Isı” meydana gelir. Bunun karşılığı olarak da, “Isı”nın tükenip yok olduğu her yerde de “Hareket Ettirici Güç” ortaya çıkar. Şu duruma göre “Doğa”da bulunan “Hareket Ettirici Güç” miktarının “Değişmediği” ve genel olarak bu “GÜÇ”ün hiçbir zaman tükenip yok olmayacağı gibi, “Meydana da Getirilmediği”, genel bir tez olarak kabul edilebilir. Gerçekte bu “Güç” şekil değiştirir. Yani, şu ya da bu çeşit bir “Hareket meydana getirir. Fakat hiçbir zaman “Yok” olmaz…”

Peki bu ne demekti? Ne anlama geldiği 1841 yılında alman bir fizikçi sayesinde net bir şekilde anlaşıldı. J. Robert Mayer, yaptığı bir deneyde, havanın sıkıştırılması ile sıcaklığın meydana geldiğini gösterdi. Bu deney, kinetik enerjinin ısıya, ısının da kinetik enerjiye çevrilebileceğini açıkça ifade etmekteydi.

Tüm bu ön bilgilerden sonra entropiye geçebiliriz diye düşünüyorum.

ENTROPİ NEDİR?

Bu terimi bilmeden önce sistem denilince ne kast edildiği anlaşılmalı. Sistem, üzerinde incelemeler yapılan belli sınırdaki evren parçasıdır. Açık , kapalı ve izole olmak üzere üç kısımda incelenir. Detaylara girmeyeceğim.

Evren'de olduğu gibi, ele alınan belli bir sistemde de enerjinin işe dönüşebilmesi için o enerjinin yoğunluğunda belirli bir düzenin söz konusu olması şarttır. Şöyle ki: Bir sistemde var olan enerji, yoğunluğu yüksek olan noktadan, yoğunluğun daha düşük olduğu noktaya doğru bir yönelme gerçekleştirir; ta ki o iki sistem arasındaki enerjiler denkleşinceye kadar bu enerji alışverişi sürer. Sistemde bu hareketlenmeyi sağlayan enerjiden kolaylıkla iş elde edebilirsiniz. 

Buraya kadar sistemimizde iş elde etmek için ne yapılması gerektiğini kısaca öğrenmiş olduk. Şimdi gelelim bunun entropi ile olan bağlantısına.

Kelimenin kökeni Yunancadır. En ve tropos'dan oluşur. En eki de\da anlamı verir. Tropos ise (yol kelimesinin çoğulu olan tropoi'den –tropi- türemiştir) yollar demektir.

Bir sistemdeki düzensizliktir. “S” ile gösterilir. Sürekli olarak artan bozunma ve kaosun derecesini gösteren entropi, evrendeki değişimlerin giderek daha fazla düzensizliğe yol açtığını öngören termodinamiğin ikinci yasasıyla kontrol edilir.

Eğer bir sistem tamamı ile düzenli ise entropisi sıfır olabilir. Entropi, enerji gibi korunan bir özellik değildir. Örnek olarak yoğun bir efor harcayarak spor yaptıktan sonra belli bir noktada yorulur ve devam edemeyecek hale gelirsiniz. Bu eforu sarf ederken harcanmış ve bir daha kazanılamayacak olan enerjiye entropi denir.

Yani entropi diyor ki;

 Sisteme dışarıdan enerji verilmediği sürece düzenin düzensizliğe, düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini anlatır. Kırık bir bardağın durup dururken veya kırarken harcanan enerjiden daha azı kullanılarak eski haline döndürülemeyeceği örneği verilir klasik olarak. Yine aynı şekilde devrilen bir kitabı düzeltmek için devirirken harcanan enerjiden fazlasını kullanmak gerekir, potansiyel enerjinin bir kısmı ısıya dönüşmüştür ve geri getirilemez. Aynı zamanda Evren’deki düzensizlik eğilimini de anlatır bu.

Resim 2 

İkinci yasa bize evrenin, her sistemin bir sonu olmak zorunda olduğunu söyler. Bu görüş din ve felsefe konularında çok fazla ilgi çekmiş üzerine konuşulmuş tartışılmıştır. Dine göre bu görüşte sorun yoktur. Her din kitabına göre evrenin kıyametle sonu yaşanacaktır ama felsefede özellikle materyalist filozoflar tarafından bir hayli eleştirilen gündeme getirilen bir konudur. Bizler evrenimizin nasıl sona ereceğini ya da sona erip ermeyeceğini bilmiyoruz. Ama termodinamiğin ikinci yasasının bu konuda cevabı  net. Sonsuz evren görüşüne ciddi bir gölge düşürmüştür.

 

Resim 3 

Entropi bazı konularda net fikirlerin oluşmasına sebep olmuştur. İlk olarak, eğer nesneler yaşlanıyorsa zamanla düzensizliğe gidiyorsa bir gün ölmeleri yok olmaları kaçınılmazdır. Evrenimizde de entropi maksimuma eriştiğinde her yerde ısı aynı olduğunda evrenimiz de ölecektir. Bu sonun nasıl yaşanacağını bilim adamları araştırmaya devam ediyorlar.

İkinci bir konu ise zaman ve zamanın yönüdür. Yukarıda bardağın kırılmasını gösteren fotoğrafta kırık bardağın geri bütünleşmeyeceğini herkes bilir. En azından bizim fiziksel evrenimizde bu mümkün değildir. Peki  neden mümkün değildir? Cevap entropi. Entropi zamanın tek yönde ilerlemesine olanak verir. Sistemde ki düzenin düzensizliğe olan akışını geri çevirmek olanaksız değildir. Bu matematiksel olarak mümkündür. Ama öylesine küçük bir olanak vardır ki bunun için, bu olanağı görmezden gelmemek elde değildir. Bizim içinde bulunduğumuz evren zaman okunun tek yönde akmasının olanaklı olduğu evrendir. Belki o çok küçük ihtimalin bulunduğu evrende de yaşayan canlılar varsa da onlar entropi kavramı yoktur diyebilir. Ama bizim evrenimiz zamanın entropinin izin verdiği şekilde tek yönde ilerleyebileceği bir evrendir. Evrim, gelişim ve her şey sürekli olarak geçmişte kalan entropi durumundan gelecekte olan entropi durumuna doğru ilerler.

Üçüncü konu ise hemen hemen ilk konu ile alakalıdır. Eğer evren dahil her şey düzenli durumdan düzensiz duruma gidiyorsa yani yaşlanıp ölüyorsa o halde bu yaşlılığın bir de genç hali, bu ölümün bir de doğum hali olmalıdır. Bu evrenimizin doğumunda entropinin minimum olduğu bir anın olması gerektiği anlamına gelir. Belki de büyük patlamadan önce entropinin o minimum hali yaşanıyordu. Bunu bozan büyük patlama oldu. Lakin şöyle de bir karışıklık var. Bilim adamlarına göre evrenimizin başlangıcı olan büyük patlama sırasında entropi maksimumdu. Evrenin ilk anında yani sıfır anında (veya ilk Planck anında) evrenin entropisi en düşük değil, olabileceği en yüksek düzeydeydi. Bu da zaten olasılık dışı bir duruma değil, tam tersine en olası duruma işaret ediyor.

Kafanızda bir çelişki oluştuğunun farkındayım ama bununda bir açıklaması elbette var. Entropi sürekli artıyorsa başlangıçta en düşük durumda (sıfırda veya sıfıra çok yakın bir durumda) olması gerektiğini biliyoruz ama, bir sistemin entropisinin en yüksek değerinin sistemin büyüklüğü ile orantılı olduğunu unutmayalım.

Evren genişledikçe entropisi artar ama entropi tavanı yani olası en yüksek entropi değeri daha büyük bir hızla artar. Böylelikle maksimum entropi ile başlayan evren, genişledikçe, maksimum entropi durumundan giderek daha hızla uzaklaşır. Bu da, evrenin başlangıcının olasılık dışı bir durum olmadığını gösterir.

Evren karmaşık ilkelerle yasalarla dolu olabilir. Anlaşılması kavranması zor görünebilir. Ama unutmayalım ki aslında evren son derece basit ve olması gerektiği gibidir. Onu zorlaştıran kavranmasını güçleştiren biz insanlarız. Doğa, evren her zaman en basit ve kolay yolu seçer. Onu kolayca anlayabilmemiz dileğiyle…

Hoşçakalın💚