Termodinamik Kanunları: Birinci Yasa ve Enerjinin Korunumu

Kısaca: Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin korunumu ilkesidir: Enerji yoktan var edilemez, var olan enerji de yok edilemez; yalnızca bir biçimden diğerine dönüşür. Bir sistemin iç enerjisindeki değişim, sisteme verilen ısıdan sistemin yaptığı işin çıkarılmasıyla bulunur: ΔU = Q − W. Bu yasa, hiç enerji almadan sonsuza kadar çalışan bir “devridaim makinesi” yapılamayacağını da gösterir.

Bir bisiklet pompasıyla lastik şişirdiyseniz, pompanın ucunun ısındığını fark etmişsinizdir. Kollarınızla yaptığınız işin bir kısmı, havayı sıkıştırırken onun iç enerjisine eklenir ve hava ısınır. Termodinamiğin birinci yasası tam olarak bu muhasebeyi tutar: Enerji nereye giderse gitsin, toplamı değişmez.

Termodinamiğin dört yasası

Termodinamik, ısı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişkileri inceleyen fizik dalıdır. Bütün bu alan, dört temel yasa üzerine kuruludur. İlginç bir ayrıntı: “Sıfırıncı” yasa diğerlerinden sonra, 20. yüzyılda adlandırıldı; ama hepsinden daha temel olduğu düşünüldüğü için başa yerleştirildi.

Üçüncü yasanın ilginç sonuçlarını Mutlak Sıfıra Ulaşmak yazımızda anlattık. Bu yazıda ise birinci yasaya odaklanıyoruz.

Temel kavramlar: Enerji, iş, ısı ve sıcaklık

Birinci yasayı anlamak için dört kavramı birbirinden ayırmak gerekir:

• İç enerji (U): Bir sistemi oluşturan atom ve moleküllerin hareket ve etkileşim enerjilerinin toplamıdır. Doğrudan ölçülemez; ama değişimi ölçülebilir.
• İş (W): Bir kuvvetin bir cismi yol boyunca hareket ettirmesiyle aktarılan enerjidir. 1 joule, 1 newtonluk kuvvetin bir cismi kuvvet doğrultusunda 1 metre ilerletmesiyle yapılan iştir. Gündelik bir ölçü: Yaklaşık 100 gramlık bir elmayı 1 metre yukarı kaldırmak yaklaşık 1 joule iş gerektirir.
• Isı (Q): Sıcaklık farkı nedeniyle bir sistemden diğerine aktarılan enerjidir. Isı bir cismin “içinde” bulunmaz; yalnızca aktarılırken ısı adını alır. İletim, taşınım (konveksiyon) ve ışıma yoluyla aktarılır.
• Sıcaklık (T): Taneciklerin ortalama hareket enerjisiyle ilgili bir büyüklüktür ve termometreyle ölçülür. Mutlak sıcaklık ölçeği kelvindir; 0 kelvin, yani mutlak sıfır, −273,15 °C’ye karşılık gelir.

Isı ve iş, eskiden farklı birimlerle ölçülürdü. Bugün ikisi de joule ile ölçülür. Beslenmede kullanılan kalori ise eski bir ısı birimidir: Termokimyasal kalori tam olarak 4,184 joule’dür ve besin etiketlerindeki “kalori” aslında kilokaloridir.

Birinci yasa: Formül ve anlamı

Formülü bir banka hesabına benzetebilirsiniz. İç enerji hesaptaki bakiyedir. Sisteme verilen ısı hesaba yatan paradır, sistemin yaptığı iş ise hesaptan çekilen para. Bakiye ancak bu iki hareketle değişebilir; para ne kendiliğinden ortaya çıkar ne de kaybolur.

Örneğin bir pistonlu silindirdeki gaza 500 joule ısı verdiğinizi ve gazın genleşerek pistonu iterken 200 joule iş yaptığını düşünün. Gazın iç enerjisi 500 − 200 = 300 joule artar ve gaz ısınır. Isı vermeden pistonu hızla bastırırsanız bu kez çevre gaza iş yapar (W negatif olur) ve gazın iç enerjisi yine artar. Bisiklet pompasının ısınması da budur.

Açık, kapalı ve yalıtılmış sistemler

Termodinamikte incelediğimiz bölgeye sistem, geri kalan her şeye çevre denir. Sistemin çevresiyle neyi paylaşabildiğine göre üç tür sistem vardır:

Dikkat: Sık yapılan bir hata, kapalı sistemin enerji alışverişi de yapmadığını sanmaktır. Kapalı sistem yalnızca madde alışverişi yapmaz; ısı ve iş alıp verebilir. Hiçbir alışveriş yapmayan sisteme yalıtılmış sistem denir ve birinci yasaya göre yalıtılmış bir sistemin toplam enerjisi sabittir.

Termodinamik süreçlerde birinci yasa

Bir sistemin durumu değiştiğinde buna süreç denir. Bazı özel süreçlerde birinci yasa çok basit bir biçim alır:

Adyabatik süreçler gündelik hayatta sandığınızdan yaygındır. Dizel motorlarda buji yoktur: Hava hızla sıkıştırılınca o kadar ısınır ki püskürtülen yakıt kendiliğinden tutuşur. Tersine, bir sprey kutusundan gaz hızla boşalırken genleşir, iş yapar ve kutu soğur.

Yasa nasıl keşfedildi?

Bugün apaçık görünen enerjinin korunumu, 19. yüzyılın ortasına kadar bilinmiyordu. O dönemde ısının, cisimlerin içinde akıp giden ve yoktan var olmayan bir tür akışkan (kalorik) olduğu düşünülüyordu. Bu fikri birkaç kişi birbirinden bağımsız olarak yıktı:

• Julius Robert von Mayer (1842): Alman bir hekim olan Mayer, ısı ile mekanik işin aynı şeyin iki biçimi olduğunu ve birbirine dönüştüğünü öne süren ilk kişilerdendi.
• James Prescott Joule (1840’lar): Ünlü deneyinde düşen ağırlıkların çevirdiği kanatlarla suyu karıştırdı ve suyun sıcaklığının yapılan işle orantılı olarak arttığını ölçtü. Böylece belirli bir miktar işin her zaman aynı miktarda ısıya karşılık geldiğini gösterdi. Enerji birimi joule onun adını taşır.
• Hermann von Helmholtz (1847): Enerjinin korunumunu fiziğin bütün alanlarını kapsayan genel bir ilke olarak formüle etti.
• Rudolf Clausius (1850): Termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını bugünkü biçimlerine yakın olarak ifade etti ve iç enerji kavramını kullandı.

Gündelik hayatta birinci yasa

• İnsan vücudu: Günde yaklaşık 2.000 kilokalori enerji alan bir yetişkin, bunu ortalama olarak yaklaşık 100 vatlık bir güce denk gelecek hızda harcar. Bu enerjinin büyük kısmı vücut ısısı olarak çevreye verilir: Kalabalık bir odanın ısınmasının sebebi budur.
• Buzdolabı: İçerideki ısıyı dışarı “pompalar”, ama bunu yapmak için elektrik enerjisi harcar. Arkasındaki ızgaranın ısınması, içeriden çekilen ısı ile harcanan elektrik enerjisinin toplamıdır.
• Otomobil motoru: Yakıtın kimyasal enerjisi; hareket, ısı ve sese dönüşür. Toplam yine korunur; ama ikinci yasa yüzünden bu enerjinin yalnızca bir kısmı arabayı hareket ettirebilir.
• Fren yapan araba: Hareket enerjisi kaybolmaz; fren balatalarında ve disklerde ısıya dönüşür. Elektrikli araçlar ise bu enerjinin bir kısmını rejeneratif frenlemeyle yeniden bataryaya kazandırır.

Devridaim makinesi neden imkânsız?

Tarih boyunca pek çok mucit, hiç enerji almadan sonsuza kadar çalışan bir makine yapmaya çalıştı. Birinci yasa bunun neden imkânsız olduğunu açıkça söyler: Böyle bir makine enerjiyi yoktan var etmek zorunda kalırdı. Isıyı kayıpsız biçimde işe dönüştürdüğünü iddia eden makineler ise ikinci yasaya takılır.

Bu yüzden bazı patent ofisleri bu tür başvurulara özel muamele uygular. Örneğin ABD Patent ve Marka Ofisi, buluşların çalıştığını göstermek için genellikle model istemez; tek istisna devridaim makineleridir. Kısacası “bedava enerji” vaat eden bir düzenek görürseniz, birinci yasayı hatırlayın.

Sık sorulan sorular

Termodinamiğin birinci yasası nedir?

Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin korunumu ilkesinin ısı ve iş için yazılmış hâlidir: Bir sistemin iç enerjisindeki değişim, sisteme verilen ısı ile sistemin yaptığı işin farkına eşittir (ΔU = Q − W). Kısacası enerji yoktan var edilemez, var olan enerji de yok edilemez; yalnızca biçim değiştirir.

Termodinamiğin kaç yasası vardır?

Termodinamiğin dört yasası vardır. Sıfırıncı yasa ısıl dengeyi ve sıcaklık kavramını, birinci yasa enerjinin korunumunu, ikinci yasa entropinin artışını ve ısının kendiliğinden sıcaktan soğuğa aktığını, üçüncü yasa ise mutlak sıfıra ulaşılamayacağını anlatır.

Açık, kapalı ve yalıtılmış sistem arasındaki fark nedir?

Açık sistem çevresiyle hem madde hem enerji alışverişi yapar (örneğin kapağı açık kaynayan bir tencere). Kapalı sistem yalnızca enerji alışverişi yapar, madde alışverişi yapmaz (ağzı sıkıca kapatılmış bir cam şişe). Yalıtılmış sistem ise çevresiyle ne madde ne enerji alışverişi yapar; termos buna yaklaşan bir örnektir.

Devridaim makinesi neden yapılamaz?

Hiç enerji almadan sürekli iş üreten bir makine, enerjiyi yoktan var etmek zorunda kalırdı; bu da termodinamiğin birinci yasasını çiğnemek demektir. Isıyı kayıpsız işe dönüştüren bir makine ise ikinci yasayı çiğnerdi. Bu yüzden devridaim makineleri fiziksel olarak imkânsızdır.

Isı ile sıcaklık aynı şey mi?

Hayır. Sıcaklık, bir maddedeki taneciklerin ortalama hareket enerjisiyle ilgili bir büyüklüktür ve termometreyle ölçülür. Isı ise sıcaklık farkı nedeniyle bir sistemden diğerine aktarılan enerjidir. Bir küvet ılık su, bir bardak kaynar sudan daha düşük sıcaklıkta olabilir ama çok daha fazla iç enerjiye sahiptir.

Kaynaklar

• Mayer, J. R. (1842). Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur. Annalen der Chemie und Pharmacie, 42, 233–240.
• Joule, J. P. (1850). On the mechanical equivalent of heat. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 140, 61–82.
• Clausius, R. (1850). Ueber die bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für die Wärmelehre selbst ableiten lassen. Annalen der Physik, 155, 368–397.
• NIST Guide to the SI, Appendix B.9: Factors for units listed by kind of quantity, NIST.
• MPEP 608.03: Models, Exhibits, Specimens, ABD Patent ve Marka Ofisi.
• Çengel, Y. A. ve Boles, M. A. Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill.
• Halliday, D., Resnick, R. ve Walker, J. Fundamentals of Physics. Wiley.

Bunlar da ilginizi çekebilir

• Mutlak Sıfır Nedir? Neden Ulaşılamaz?
• Leidenfrost Etkisi: Ateşe El Sokan Adam
• Sıcak Su mu Ağırdır Yoksa Soğuk Su mu?
• Kuantum Fiziği Nedir?
• Bir Yıldız Nasıl Oluşur?