Termodinamiğin ikinci yasası

Tanım

Birinci yasa enerjinin korunduğunu söyler ama hangi dönüşümün gerçekleşeceği konusunda sessizdir: bir bardak çayın kendiliğinden ısınıp masayı soğutması enerji korunumuna aykırı değildir. İkinci yasa bu boşluğu doldurur ve süreçlere yön verir.

Yalıtılmış bir sistem içinde gerçekleşen doğal, kendiliğinden ve tersinmez süreçler sistemin entropisini artırır; tersinir süreçte entropi değişmez. Bu, yasanın en sade ifadelerinden biridir.

İki klasik ifade

• Clausius ifadesi: Bunu gerçekleştirmek için herhangi bir iş yapılmadan, ısının soğuk bir cisimden sıcak bir cisme akması mümkün değildir.
• Kelvin–Planck ifadesi: Sıcak bir kaynaktan belli bir ısı çekip bunun tamamını işe dönüştürmek mümkün değildir; bir miktar ısının soğuk kaynağa atılması gerekir.

İki ifade birbirine denktir: birini ihlal eden bir düzenek kurulabilseydi, onunla diğerini ihlal eden bir düzenek de kurulabilirdi.

İkinci ifadenin ders kitaplarındaki makine temelli karşılığı şudur: çevrim hâlinde çalışan, çevresiyle yalnızca tek bir sıcaklıkta ısı alışverişi yapan ve çevresinde iş üreten bir makine kurmak imkânsızdır.

Tarihsel kökeni

Yasanın kökü, Sadi Carnot'nun 1824'te yayımladığı Réflexions sur la puissance motrice du feu'ya dayanır. Carnot kitabının 38. sayfasında şunu yazar:

La puissance motrice de la chaleur est indépendante des agens mis en œuvre pour la réaliser; sa quantité est fixée uniquement par les températures des corps entre lesquels se fait en dernier résultat le transport du calorique.

Yani ısının devindirici gücü, onu gerçekleştirmek için kullanılan araçlardan bağımsızdır; niceliği yalnızca kaloriğin sonuçta aktarıldığı cisimlerin sıcaklıklarıyla belirlenir. Carnot aynı kitapta, devindirici güç doğurmak için ısı üretmenin tek başına yetmediğini, ayrıca soğuk da sağlamak gerektiğini vurgular (il faut encore se procurer du froid).

Rudolf Clausius 1865'te Annalen der Physik'te yayımladığı çalışmada entropi kavramını adlandırdı ve makalesini iki cümleyle bitirdi:

1. Die Energie der Welt ist constant.
2. Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.

Yani: evrenin enerjisi sabittir, evrenin entropisi bir azami değere doğru yönelir. (Alıntı, makalenin 400. sayfasındaki özgün imlasıyla verilmiştir.)

Clausius aynı makalede ikinci yasayı kendi genel biçimiyle de ifade eder: doğada gerçekleşen bütün dönüşümler, onun pozitif saydığı yönde kendiliğinden — yani telafi edilmeksizin — gerçekleşebilir; ters yönde ise ancak eşzamanlı olarak gerçekleşen pozitif dönüşümlerle telafi edilerek gerçekleşebilirler.

Neden önemli

İkinci yasa, ısı makinelerinin verimine aşılamaz bir üst sınır koyar; bu sınır yalnızca sıcak ve soğuk kaynakların sıcaklıklarına bağlıdır. Bugün buhar türbinlerinden soğutma çevrimlerine, kimyasal denge hesaplarından bilgi kuramına kadar geniş bir alanda kullanılır.

Yasanın "her şey bozulmaya gider" biçimindeki gündelik yorumu ise dikkatli okunmalıdır: entropi artışı yalıtılmış sistemler için geçerlidir. Enerji alışverişi yapan bir sistemde (örneğin canlı bir organizmada) yerel düzen artabilir; bu, yasaya aykırı değildir, çünkü sistem ile çevresi birlikte ele alındığında toplam entropi yine azalmaz.