Katalog

Ç E V R E VE K İ M Y A Enerji ve entropi iliskisi Termodinamik bilimi ve enerji... insanoğlu, enerjinin kullanılabilirliğini azaltmadan, enerji kullanmanın yollarını araştırmalı Prof Dr Dcmır Inan ewcomen'ın 1700 lerde ılk kez yapıp çalıştırdığı buhar makınesı % 1 2 verımle çalışan ve o zamana değın kullanılagelmış kas ruzgar su gucu dışında bır enerıı kaynağından (komur) yararlanan ılk makıne ıdı Makıne komur madenlerınde birıken suyun dışarı atılmasında kullanılmak amacıyla yapılmıştı 1760 larda bır sucu ustası (o zamanların alaylı mııhendısı) olan James Watt, makıne uzerınde bazı gelışmeler yaparak makınenın verımını %5 lere değın yukselttı Pratık olarak yapılıp gelıştırılmış bu makınanın verımının % 5 lerın uzerıne yukseltılmesınde ustaların pratık bılgılerı yetersız kahnca bılımsel çdlışmalar da kaçınılmaz oldu Işte termodinamik bilimi, bu tur makınaların verımlerının arttırılması uzerındekı bılımsel çalışmalarla serpılıp gelışmış bır bılım dalıdır Ancak bu bılım dalının gelışmesıyle ortaya çıkan yasa lar sadece ısı makınalarının verımlerının hesaplanmasıyla kalmamış bılımde daha bır çok konuya da ışık tııturu olmuştur Termodinamik uzerındekı çalışmalar sonucu dört doğa yasası ortaya çıkmıştır Bunlar ter modınamığın sıfırıncı yasası bırıncı yasası ıkıncı yasası ve uçuncu yasası olarak adlandırılırlar Enerji donuşumlerı ve verım uzerındekı çalışmalarda temelde ıkı doğa yasası esas rolu oynar Termodınamığın I yasası ve termodınamığın II yasası Gelın konuyu fazla formullere boğmadan bır ornekle bıraz daha derınleştırelım ve bu arada yenı bır kavramı dağıntı (entropy) kavramını da boylece açıklayalım Elınızdekı bır taşı hızla fırlattığınızı duşunun Taş bellı bır yolu aldıktan sonra yere duşecektır Yere duşen taş kendılığınden sıçrayarak sızın elınızp gerı gelebıhr mı? Enerjı korunumuna gore bunun olmasını kısıtlayan bır neden yoktur Mddem kı enerji korunmaktadır sızın taşa verdığınız hız enerjısı taşın yere duşmesıyle yok olamaz ancak başka bır ener|iye donuşebılır (soz gelımı ısı ener jısıne) öyleyse bu enerji de yenıden hız ener Iisıne donuşerek taşı yerden gerı fırlatabılır Ama doğada boyle bır olayı gozlemlıyoruz Acaba neden? Nedenı şu Taşın yere duşmesıyle donuşen enerjinin kullanabılırlığı duşuk tur dolayısıyla da ış yapabılme yeteneğı azalmıştır Olaya bıraz daha kuçuk oçekte molekul ve atomlar olçeğınde bakarsak sanırım daha ay dınlatıcı Oıacaktır Taş elınızden çıktığında ta şın her molekulunun aynı hızda olduğundan pmınsınızdır (yoksa bazı molekuller gerı kalarak ya de ılerı gıderek taştan ayrılırlardı) Ta şın her molekulu aynı yonde ve aynı hızda gıt mektedır ve bu duzenll bır gıdıştır Bu duzenlı gıdışten bır ış alabılırız yanı bu hız enerjılerını kullanablllriz Taş yere çarpınca enerıı kaybolmdrnıştır ama başka bır şpkle donuşmuştur yerde bır bıçım bozukluğu olus turabıldığı gıbı kendısınde de bır bıçım bozuk luğu bır kırılma (molekuller arası bağ koparıl ma) olabılır bunlar ıse sonuçta bır ısı enerjısıne dönuşumdur yanı taş ve yer ısınmış tır ya da taş ve yer molekullerının tıtreşım ener|ilerı artmıştır Artık taşın molekullerı aynı yonde aynı hıza sahıp doğıllerdır Bır rasgelelık sozkonusudur ve sozgelımı rıolekullerdun bırı saga gıderken dığerı sola qıtmektedır ve bız hangı molekulun ne zaman hangı yone dogru hangı hızla gıttıgını bılemez duruma gelmışızdır Daha on cekı duzenlı gıdış ye rını duzensız gıdışlere bırakmıştır MolekulleŞışt Şuna rın ütıer|ilerını teker bak! teker toplarsanız bdş takı toplam enerjıyı bu lursunuz ama bu duzensızlık bızım bu enerjıyı kullanabılmemıze engel olmakta dır Öyleyse artık şu nu soyleyebılırız Çifçıler bıçordoverler mezbâl 3 /Bunun için harcanan Tdşın molekullerının halarda, dukkanlarda çalısanlar lbugday tarlalarını Ç baştakı duzenli çjıcJı Binlerce kışının bunu yapmak \blra yapımındakl^şınden kaynaklanan içln, gece gundüz çalışbgmı o arpaları blr 'l < enerjinin kullanablllrtldüşun duşun! '""" ği taşın yere çarpma sı sonucu ortaya çıkan • v duzensizllk bılgı ıçerığı ne eşıttır Dağıntının azalması dağıntısızlıgın artması ya da bılgı ıçerığının artması anlamındadır Genelde eksı dağıntı yada dağıntıgızlık (negatıve entropy ı negentropy) dıyebılırız kı bu da bılgı ıçerığı ne eşıttır Dağıntının azal ması dağıntısızlıgın arkması ya da bılgı ıçenğı nin artması anlamındadır öyleyse bır konu ya da bır duzenım hakkında bılgınız arttıkça o konu ya da duzenım dağıntısı azalacaktır (taş orneğınde molekullerın hızları hakkında bılgı edı nırsenız onlardan kurtulabılır enerıı sağlayabılır ve dolayısıyla dağıntıyı duşurmuş olunsunuzb) Genelde çevremıze şoyle bır baktığımızda bılgı ıçerığı ıle dağıntı arasında ılışkıierı çok çeşıtlı yerlerde görebılırız Sozgelımı demırden yapılmış bır makıne parçasını duşunun Ham demır madenının topraktan çıkarılışından bır demır makıne parçasının yapılmasına degın olan ışlemlerde her basamakta malzemenın duzenlılığı (bılgı ıçerımı) arttırılmakta dağıntısı da boylece azaltılmaktadır Dığer yandan bu ışlemlerın yapımı sırasında harcanan ısı ve çevreye atılan atıklarla buyuk bır dağıntı artışı olmaktadır Bunun yanında malzemenın ışlenışı sırasında kullanılan bılgı/bılgıler de bır da ğıntı artışından sağlanmıştır Öyleyse ışlenmış blr parça satın aldığınızda sadece bunun ıçer dığı malzeme ve buna harcanan enerjıye değıl aynı zamanda bunun ıçerdığı duzene (bılgıye)de para oduyoruz Eskı ve yenı ıkı plakçaları kıyasladığınızda aradakı farkın malzemeden çok bılgı ıçerığınden kaynaklandığını gorursu nuz Her zaman olmamakla bırlıkte bazı uretım mallarının duzenlılıklprınden termodinamik olarak ış gerı alabılırız Sozgelımı plastık ya da kağıttan yapılmış bır gereç bır ocakta yakılarak bunda bulunan ısı enerjısının bır kısmı ışe çevrılebılır Bılgı ıçerıklerı bazen bır desen şeklınde de olabılırler Sozgelımı bır DNA molekulundekı bılgı ıçerığı bır desen şeklındedır Bır DNA molekulunden bır DNA molekulu daha turedığınde bılgı (duzenlılık) artmıştır Benzer şekılde kıtap basımında kalıp kullanarak demır dokumunde fotokopı ıle çoğaltmada malzemeye bılgı aktarılarak malzemenın duzenlılığı arttırılmıştır Ancak tum bu bılgı aktarımları ıçın kullanılabılır enerjinin harcanması dolayısıyla genelde da gıntının artması gerekmektedır Şımdı yıne II ydsd verımıne donecek olur sak sanırım buradakı kullanılabılır enerıı (A) kavramını daha lyı anlamış bulunuyoruz Da ğıntı nın enpr|inın kullanılamazlığının bır olçusu olduğunu gorduk Buna gore enerp kullanı mında yanı enerıının bır tutden başka bır lure donuşumunde dağıntısı duşuk enerıının bır tur den başka bır ture donuşumunde dağıntısı duşuk (kullanılabılırlıgı yuksek) bır ener|iden yıne dağıntısı duşuk (kullanılabılırlıgı duşuk) bır enerjıye donuşum yapıldığında II yasa verımı yuksek olur Sozgelımı eleklrık ener|isı ıle bır motor çalıştırıldığında eleklrık enerjısınden devınım ener|isıne bır donuşum sozkonusudur ve her ıkı enerpnın de ddğıntısı duşuk oldugu ıçın II yasa verımı bu donuşumde yuksektır (yakla şık %90) Oysa bır evı ısıtmak ıçın bır alevlı ocak kullanıldığında sıcak bır alevden elde edı len ısı (dağıntısı yuksek bır ener|i) donuştıırul muş dolayısıyla II yasa verımı yoııunden çok duşuk bır verım elde edılmıştır Boyle bır ışltm de II yasa venmın 3 dolayındadır Yanı yanan gazdakı kullanılabılır enerıının hemen hepsı (%97 sı) yıtırılmıştır Oysa evı bdşkd şekılde de ısıtabılırdık Sozgelımı duşuk sıcaklıklarda çalı şan bır ısı pompası kullanabılırdık Ya da dağıntısı duşuk alevden eldp pdılen ısı enerıısını evı ısıtmaddn once başka donuşumlerden geçırerek sonunda evı ısıtabılırdık Sonuç olarak enenıyı gıderek artan tutarlardd gereksınım insanoğlu enerjinin kullanımın da yanı enerıının bır turden başka bır ture donuşturumunde II yasa verımını de goz onune almak zorunluğundadır Bilgi ve Entropi iliskisi Dört doğa yasası enerji ış ılışkılerını verır Başka bır deyışle ma kınaya verdığınız ener|i ıle makınenın sıze verdıgı ış arasındakı ılışkıierı enerji korunumu açısından ıncoİGmemızı saglar Ayrıra makınaya bır ener|i vermeden onddn bır ış alamayacagı nızı da soyler yukarıdakı ornekte hıç komur yakmadan madenden su çekecek bır makıne yapmanız I yasa ıle yasaklanmıştır I yasa ıle enerji donuşumlerınde hesap delterı tutulur ve toplam enerjinin nıcelığının değışmezlığı bu defter tutumunda esastır Buna gore bu ısı makınesının "I yasa verlml" makıneye verdığınız ısı ener|isı başına makıneden aldığınız ıştır (I yasa verımı) <alınan ış/verılen ısı W/ Qv (Qv Qa)/ Qv Buradd V makıneden alınan ışı Qa dışarı V atılan ısıyı gostermektedır Atılan ısı kendısın den bır ış alamadığımız ve çevreye atmak zcrunda oldugumuz yıtık bır enerjıdır Bellı bır riongude çdlışdn her ısı makınası aldığı ısının tumunu ışe çevıremez Verımı termodınamı ğın II yasasıyla da sınırlıdır öyleyse II yasa ıle bır enerıı donuşturen ışlemının ulaşabılecegı sınırı olçebılecegımız bır tanım yapmakta yarar vdrdır II yasa verımı ıçın şoyle bır tanım verebılırız (II yasa verımı) n A atılan/Averılen Burada A kullanılabılır enerjinin bır olçusudur Bu kavram uzerınde bıraz duralım Genelde enerji nın tanımı şoyle yapılır Enerji ış yapa bılme yetenoğının bır olçusudur Ne yazık kı II yasa her enerjıyı ışe donuşturmemızı kısıtlıyor Kullanılabılırlık enerjinin ışe donuşturulebılırlı gının bır olçusudur Kulanılabılırlık azaldıkça o ener|inın ışe donuşturulebılırlığının bır olçusudur Kullanılabılırlık azaldıkça o ener|inın ış ya pabılme yeteneğı azalır ve gıderek kullanılmaz duruma donuşur Demek kı kullanabılıyoruz oy leyse? I yasa, enerji korunumu yasasıdır ve bıze yenı bır ad verelım ve buna dağıntı (entropy) dıyelım Buna gore taşın yere duşmesıyle taş molekullerının dağıntısı artmaktadır Dağıntının artması ıse ener|inın kullanılabilirliğini duşurmektedır öyleyse dağıntısı duşuk ener|i daha çok kullanılabılır bır enerji dağıntısı buyuk enerji de daha az kullanılabılır bır enerpdır Doğa I olaylar oyle olur kı her doğal olay sonunda dağıntı bıraz daha artar Enerji korunumunun tersıne dağıntı korunmaz (duşsel ışlemler dışında) hepartmaeğılımıgosterır Iştetermodı namığın II yasası da bıze dışarıdan kımse ka rışmadığı surece yanı yalıtılmış bır duzenımde dağıntının azalamayacağını soyler II Yasa ener|i donuşumlerının yonunun farklı olarak ener|inın nıcellğı ıle uğraşan I yasadan farklı olarak enerıının nıtelığıne ılışkın kurallar getıren bır yasadır Oağıntı kavramını tum doğa olaylarında kul lanabılırsınız ancak bu her zaman kolay olma yabılır Yukarıda verdığımız taş atma orneğınde taşın yere duştukten sonra taş molekullerının ne zaman nereye hangı hızda gıttığını bılemedığımız ıçın bu molekullerın hız enerjılerınden yararlanamayacağımızı soyledık Eğer bılebılseydık o zaman bu enerııden yararldnabılırdık Bu goruş altında olaya baktığımızda yenı bır olgu ıle karşılaşıyoruz Bılgı dağıntının azalmasına ya da enerjinin kullanı labılırlığının artmasına yol açabılıyor Bılgı ıle dağıntı arasındakı bu ılışkı 1946 de Shannon tardfından ortaya atılmış ve daha sonra da gelıştırılmıştır Shannon bılgı kavramını nıtelıktpn çıkararak nıcelık kazandıran ve boylece olçule bılmesını sağlayan ılk kışıdır Shannon ve daha sonra Brillouin dağıntı ıle bılgının (ınformatıon) ozdeş olduğunu gostermışlerdır Skl Burada S dağıntıyı I de bılgı olçusunu gostermektedır k orantı katsayısıdır Öyleyse bır duzenımın mıkroskopık durumunu ne denlı bı lırsek duzenımın dağıntısı da o denlı azalacak tır Dağıntı ıle bılgı arasındakı bağıntıda ( ) ışa retı bıze Sdekı artımın I dekı azalmaya ya da I dekı artımın S dekı Hâîâ\ azalmaya bomba glbl! eşıt olduğunu gos torır Bu goruşaltın da duşuk dağıntılı vr ıkroskopık (ya da Boyle gorkemlı termodına bir yapı ortaya çıkarmak Için ne mık) dukadar zaman ve rumlar duIş harçanmıştır zenımın bu durumu hakkında fazlasıyla bılgı taşır lar Enerjiyi kullanabilmek Enerjinin tanımı ve... enenının kullanabılırlı gını duşurmuş ve he men henıon kullanılamaz duruma getırmıştır sonucu ç ı l t Boyle adamlara enerji Ben sana kaç kez motorunu 1 sureklı çalışır bırakma ' acığımızın olması dedlml '' ...Entropi kavramı Şımdı gelınız bu du zensızlık kavramına durumlar ıse çokda hd kuçuk bılgı taşır lar Genel dp eksı dağıntı (entropi) ya dağıntısızlık (negatıve ent ropy neg entropy) dıyebılırız kı bu da Yuksek dağıntılı 23110