Termodinamik Yasaları

Temel Kavramlar

• Sistem ve çevre: Açık sistem (madde ve enerji alışverişi), kapalı sistem (yalnız enerji alışverişi), yalıtılmış sistem (hiçbiri).
• Durum değişkenleri: Basınç (P), hacim (V), sıcaklık (T), iç enerji (U), entropi (S); yoldan bağımsızdır. Isı (Q) ve iş (W) ise yola bağlıdır.
• İdeal gaz denklemi: PV = nRT = NkT (R ≈ 8,31 J/mol·K; k ≈ 1,38 × 10⁻²³ J/K Boltzmann sabiti).
• Kinetik teori: Gaz moleküllerinin ortalama öteleme kinetik enerjisi (3/2)kT; mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Etkin (rms) hız v_rms = √(3kT/m) = √(3RT/M).
• İdeal gazın iç enerjisi yalnız sıcaklığa bağlıdır: Tek atomlu ideal gaz için U = (3/2)nRT. Serbestlik dereceleri ve eş bölüşüm ilkesi: her serbestlik derecesine (1/2)kT.

Termodinamiğin Birinci Yasası

• Enerjinin korunumu: ΔU = Q − W (Q: sisteme verilen ısı, W: sistemin yaptığı iş). Bazı kaynaklar ΔU = Q + W kullanır (W: sisteme yapılan iş); işaret kuralına dikkat edilmelidir.
• Gazın yaptığı iş: W = ∫P dV; P-V grafiğinin altındaki alan. Döngüsel süreçte net iş, kapalı eğrinin alanına eşittir.
• Süreçler:
  • İzobarik (sabit basınç): W = PΔV; Q = nC_pΔT.
  • İzokorik (sabit hacim): W = 0; ΔU = Q = nC_vΔT.
  • İzotermal (sabit sıcaklık): ΔU = 0 (ideal gaz); Q = W = nRT ln(V₂/V₁); PV = sabit (Boyle).
  • Adyabatik (ısı alışverişi yok): Q = 0; ΔU = −W; PVᵞ = sabit (γ = C_p/C_v). Adyabatik genleşmede gaz soğur, sıkıştırmada ısınır (bisiklet pompası, dizel motoru).
• Molar ısı kapasiteleri: C_p − C_v = R (Mayer bağıntısı). Tek atomlu ideal gaz için C_v = (3/2)R, C_p = (5/2)R, γ = 5/3; iki atomlu gaz için C_v = (5/2)R, γ = 7/5.

Termodinamiğin İkinci Yasası

• Kelvin-Planck ifadesi: Tek bir ısı kaynağından ısı alıp bunun tamamını işe çeviren döngüsel bir makine yapılamaz (verimi %100 olan ısı makinesi yoktur).
• Clausius ifadesi: Isı kendiliğinden soğuk cisimden sıcak cisme akmaz; bunun için dışarıdan iş yapılmalıdır (buzdolabı).
• Isı makinesi verimi: η = W/Q_sıcak = 1 − Q_soğuk/Q_sıcak.
• Carnot çevrimi: İki izotermal ve iki adyabatik süreçten oluşan tersinir çevrim; aynı sıcaklıklar arasında çalışan en verimli makine: η_Carnot = 1 − T_soğuk/T_sıcak (kelvin cinsinden).
• Soğutucu ve ısı pompası: Etkinlik katsayısı (COP) soğutucu için Q_soğuk/W, Carnot için T_s/(T_h − T_s).
• Entropi: Düzensizlik ölçüsü; tersinir süreçte dS = dQ/T. Yalıtılmış sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz (tersinir süreçte sabit, tersinmez süreçte artar). Evrenin entropisi sürekli artar; zamanın yönünü belirler. İstatistiksel tanım: S = k ln Ω (Boltzmann).

Termodinamiğin Üçüncü Yasası

Mutlak sıfır sıcaklığına (0 K) sonlu sayıda adımla ulaşılamaz; mükemmel bir kristalin entropisi 0 K'de sıfırdır (Nernst).

Uygulamalar

İçten yanmalı motorlar (Otto ve Dizel çevrimleri), buhar türbinleri, buzdolabı ve klimalar, ısı pompaları, termik santraller. Gerçek makinelerin verimi sürtünme ve ısı kayıpları nedeniyle Carnot veriminden düşüktür.