Sayı: IV - Latif Mutlu
advertisement
Sayı: IV 21.06.2010 TERMODİNAMİĞİN YÜKSELİŞİ VE YIKILIŞI HAZİRAN 2010 1 İçindekiler Termodinamiğin I. ve II. Prensiplerinin yeni şekli 3 Termodinamik sanayi çağının en parlak yıllarında yani 19. yy. ortaya çıkmıştı 6 Doğanın Temel Kuvvetleri 8 1. 2. 3. 4. Kuvvetli nükleer etki Zayıf Nükleer etki Manyetizmanın çekme ve itme etkisi Kütle çekim etkisi Nükleer kuvvetler; Isı yayanlar 9 1. Zayıf Nükleer etki 2. Kuvvetli nükleer etki Uzaktan, çekme ve itme özelliği olan kuvvetler 11 3.. Manyetizma 4. Kütle Çekim kuvveti Doğanın en temel gücü; Kütle Çekim Kuvveti 12 a) Kütle Çekim Kuvvetinin Evrendeki Etkileri 1. 2. 3. 4. Galaksilerin oluşumu Yıldızların oluşumu Kahverengi cüce yıldızların yaydıkları enerji Gezegenlerin ısı yayması b) Yeryüzünde kütle çekim kuvvetinin yarattığı işler 15 5. 6. 7. 8. 9. 16 Hidroelektrik Santrallerde Rüzgarlar Yıldırım ve Şimşekler Küresel Isınma Gelgit 17 Sonuç 18 Yürürlükteki prensipler Termodinamik Kanunları (0,1,2,3) 19 21 Termodinamik Prensiplerini Hazırlayan Bilim adamları 24 Termodinamiğin I. Ve II. Prensiplerinin Yeni şekli (IV) 2 Özet Bilgi çağının sağladığı yeni olanaklara dayanarak yapılan gözlem ve hesaplamalar sonucunda, dünyada ve evrende sürekli olarak yeni enerjilerin meydana geldiği görülmüş ve doğrulanmıştır. Bu durum karşısında; Enerjini korunumu yasası olarak bilinen, Termodinamiğin I. Prensibinin “enerji yok edilemez ve yeniden yaratılmaz, hükmü geçerliğini yitirmiştir Isının ölümü olarak ün yapmış olan II. Kanunun bir dayanağı kalmadığı için, ENTROPİ terimine de gerek kalmamaktadır. Bugün Termodinamik Kanunları olarak anılan dört fizik kuralı, bilimin diğer dallarını da etkisi altına almış bulunuyor. Felsefe, ekonomi, biyoloji ve kimyada, hatta din adamlarından bazılarının da görüşlerini, termodinamik ve entropi kanunları ile ilişkilendirerek açıklama yapmakta olduklarını görüyoruz. Termodinamiğin (0, 1, 2 ve 3 numaralı) bu dört kanununa, bilim adamları önem vermekte ve tüm evrende geçerli olduğunu ileri sürebilmektedirler. Einstein bir dönemde, bilimsel yasaların en önemlisi hangisidir diye düşündüğünde şu gözleme varmış: “Bir kuram iddialarında ne kadar yalınsa, aralarında bağıntı kurduğu şeyler ne kadar farklı türlerde ise ve uygulama alanları ne denli genişse, o kadar etkileyicidir. Klâsik termodinamiğin üzerimdeki derin izleri bu yüzdendir. Eminim ki klâsik termodinamik, evrensel içerikli tek fiziksel kuram olarak, temel kavramlarının uygulanabilirliği çerçevesinde hiçbir zaman yerinden edilemeyecektir.” Einstein’a göre: Entropi Kanunu bilimin birincil yasasıdır. Yani o, entropi yasasını, Yerçekimi Yasası’ndan ve kendi bulduğu Görecelilik Kuramı’ndan bile daha kalıcı ve önemli olarak görüyor. 3 Sir A. Eddington ise entropinin: “tüm evrenin en üstün metafizik yasası” Olduğunu, düşünüyor. Bu doğa kanunlarını, yoğun bir emek ve sayısız deneyleriyle bulup, matematik bir dille açıklayan çok saygın kişilerle ilgili bilgileri ve Termodinamik düşüncenin gelişmesini özetleyen tarihsel kronoloji, ekli olarak sunulmuştur. Başlangıçta bilimin ilerlemesine katkıda bulunan termodinamik kanunların, zaman içinde bilimin önünde aşılması güç, engeller oluşturduğunu görüyoruz. Gelişen gözlem olanakları ve bilgi birikimi özellikle çok sağlam olduğuna inanılan I. Kanunun, enerjinin yaratılamayacağı prensibi ile termodinamiğin diğer, en sağlam kanunu olarak bilinen II. Kanunun genel kabul gören şu yalın deyimine bakalım: (Bütün doğal olaylarda evrenin entropisi artar.) Bu iki hüküm, Bilgi çağının ortaya çıkardığı somut ve açık doğa olayları karşısında sarsılmaya ve yıkılmaya başladı. Bu kanunları kuran büyük adamlar artık hayatta olmadıkları için çağımıza uygun yeni fikirler ileri süremiyor ve düzeltme de yapamıyorlar. Onların yaşadıkları çağda henüz atomun içine girilmemişti, parçacıkların davranışları ve etkileri standart olarak belirlenmemişti. Termodinamiğin I. Kanunu; Enerji ne yaratılır ve ne de yok edilir. Diyor. Bu görüş, yüz yıl önce söylendiğinde doğru sanılıyordu. Bugün değil. Çünkü; Dünyada, gezegenlerde ve uzayda kütle çekim kuvvetinin, madde tüketmeden, enerji ürettiğini açık ve net olarak biliyoruz. Termodinamiğin II. Kanunu; Enerjinin, her faz değişiminde bir miktarı değersizleşir. Bu döngü devam ettikçe, iş yapma özelliği bulunmayan Enerji artarak devam eder. Sonuçta bir gün artık kullanışlı hiçbir enerjinin kalmadığı bir maksimuma ulaşılacak ve düzensizlik hakim olacaktır. Bu da doğru değil. Çünkü; Doğa, gücünü kaybeden enerji yerine yenilerini yaratmaktadır. Bilim adamları, fizikçiler, filozoflar ve din adamlarının çok önem verdiği, koruduğu yaygınlaştırdığı klasik Termodinamiğin I. ve II. Kanunlarını ve Kütle çekim kuvvetinin yoktan yarattığı enerjiyi incelemeye geçmeden önce, enerjinin ve termodinamiğin tarihsel gelişimine bakalım. Esasında, termodinamik kanunları değil, termodinamik prensipleri olarak anmamız gerekirdi. İleri sürülen I. ve II. prensipler bir ispata dayanmadığı için 4 kanun değildirler. Bu olaylar pek çok kereler denendiği halde aksi görülmediği ve daima aynı sonuca ulaşıldığı için, aksi çıkıncaya kadar prensip olarak ileri sürülmüşlerdi. Bu saygın fizik bilginleri adına ve onlara büyük saygı duyarak, termodinamik kanunlarını Bilgi Çağına uygun hale getirmek için bir düzeltme yapıyoruz. Seçkin aydınlarımızdan oluşan fizik bilgini okuyucularımızın beğeni ve katkıları ile Termodinamiğin I. Ve II. prensiplerinin evrimleşmesine birlikte hizmet etmiş olacağız. Termodinamik kanunlarında yapacağımız bu düzenleme ile birlikte, düşünce ufkumuzu daraltan, Sümer uygarlığının bize kadar ulaşan mitlerin antik prensiplerinden de kurtulmuş oluyoruz. Genişleyen ufkumuzda temel enerjinin belirtilerini görebiliyoruz. Bu, maddenin tabiatında var olan doğal enerjidir. Maddenin bir davranışı olan bu doğal enerjiyi, daha tanımadan ve adını bile koymadan biz, iki yüz yıldan beri ondan yararlanıyoruz. Gravitasyon kuvvetinden bahsetmekte olduğumuz açık. Hidroelektrik santrallerinde temel güç, kütle çekim kuvvetinden kaynaklanmaktadır. Gelgit olayına bağlı olarak kurulan elektrik santrallerinde, kütle çekim kuvvetinin etkisi ile ısı ve iş üretilmektedir. Genç araştırmacılarımızın, maddenin davranışında var olan bu doğal enerjiyi yaygın olarak kullanılabilir hale getirmeleri amacıyla onları yönlendirip cesaretlendireceğiz. Bu doğal enerji yeryüzünde eşit dağıtılmış, daha doğrusu her yerde sınırsız olarak var, çevreyi kirletmez, maddeyi tüketmez. Ekonomiktir. Bunu görebilmek için önce çevremize, yani doğaya bakacağız, etrafımızda akıp giden tüm hareketli olayları meydana getiren nedenleri araştıracağız. Başta astrofizik olmak üzere, meteoroloji, deneysel fizik kuralları, Atomaltı parçacıklar ve jeoloji ile ilgili fizikçilerinin buluşlarından yararlanacağız. İncelememize başlamadan önce sanayi çağından beri kullanmakta olduğumuz enerji kaynaklarına bir göz atmamız, konun büyüklüğünü anlamamız ve yanlış kullanıldığını görmemiz bakımından yararlı olur. *** 5 Termodinamik Prensipleri, sanayi çağının en parlak yıllarında, Yani 19. yüzyılda Bir zorunluluktan ortaya çıkmıştı. Sanayi çağını başlatanlar, Savery ve Newcomen’ın ilk buharlı makinaları idi. Bunlar maden kuyularındaki suyu dışarı atarken çok verimsiz iş yapıyorlardı. Buhar elde etmek için yakılan odun ve kömürün büyük bir kısmı işe yaramadan etrafa duman ve buhar olarak atılıyordu. James Watt’ın (1736–1819) rotatif buhar makinası 18. yüzyılın son çeyreğinde birçok iş alanında hizmete girmeye başlamıştı. İnsanın kol gücünün yerini alan bu makinelerin verimi % 7 yi aşmıyordu. Gücün % 93 ü boşa gidiyordu. 19. yüzyıl boyunca pek çok bilim adamı, buharlı güç makinelerinin verimini artırmak için durmadan çalışıyordu. Fransız mühendis Sadi Carnot’un deneyimlerini “Ateşin Tahrik Kuvveti üzerine” isimli kitabını yayınlamasıyla termodinamik bilimin temeli atılmış oluyordu. Bu araştırmaların temeldeki amacı daha verimli makineler yapmaya dayanıyordu. Carnot’un çevriminden sonra W. Rankine’nin önerdiği çevrim sanayiciler tarafından verimli bulunduğu halde yine de verimi düşüktü. Verimli makineler için çalışmalar devam ediyordu. O günlere kimse, çevrenin ve havanın kirlenmesiyle ilgilenmiyordu. Amaç, esasında daha verimli buhar makineleri üretmekti. Bu amacı gerçekleştirmeye çalışanlar amaçlarına ulaşamadılar. Çünkü pistonlar buhar kaçırıyor, baca yanmamış gaz ve tozları çekip havaya savuruyordu. Isı ve hareket konusunu aydınlatmaya çalışan Claucius, Kelvin ve Planck her çevrimden sonra ısının, iş yapma kapasitesinin giderek azalmasının yanında birde, devridaim makinesinin yapılamayacağı gösterdiler. Söylentiye göre, ısı konusunda çalışan Clausius, çok sevdiği karısının ölmüş bedenini kollarının arasına aldığında, karısının sıcaktan soğuğa doğru giden vücut ısısı ile ölüm hakikatini görüp pozisyonunu ona göre belirlemesi 6 gerektiğini bilmeden, sıcak vücudun soğuması olayını Entropi ile açıklamış. Karısının vücudunun, kucağında soğuyarak ölmesi ile buhar makinelerinde her çevrimde değersizleşen ısının, bir gün tamamen iş yapamaz hale geleceğini öne sürmüş olduğu rivayet edilmiştir. Clausius’un günümüze ulaşan inandırıcı söylemleri, kapalı bir sistem için tamamen doğrudur. Aslında Clausius başta, enerjinin korunumu yasası gibi entropinin korunumu yasasını bulacağını umuyordu; ama sonuçta evrenin, entropinin korunmaması yasası ile yönetildiğini sandı. Bunu ifade eden formülde, evrendeki entropinin (S), değişiminin ( ) sürekli olarak tek yönlü ve artış halinde olduğunun belirtilmesi için sıfırdan büyük olması gerekir. Formül kısaca şöyledir: S >0 (Kapalı sistem için doğru olan bu önerme, dışa açık bir sistemde ve evrende doğru olamayacaktır) Clausius’un ortaya attığı entropi önerisi, Din felsefesi ile yakınlık arz eden sonuçları kapsamaktadır. Evrenin, başlangıcı ve sonu ile tasarımı konusundaki düşünce ve savları, entropi ile bağlantılı olarak açıklama yapan düşünürler ortaçağda daha etkili idiler. Bugün artık, bilimsel gerçeklerle, teolojik varsayımların bir arada düşünülemeyeceği açıkça belli olmuştur. Termodinamik kanunların yazılıp biçimlendirilmesi 100 yıl kadar sürdü. O günlerde, bilimsel gerçekler zayıftı. Fizik, kimya, astronomi yeterince etkili değildi. Dünyanın enerjisinin yalnız güneşten geldiği sanılıyordu. Yıldızlarda olup bitenleri analiz edemiyor ve doğru olarak ölçüp tartamıyorduk. 19. yüzyılda, güneşten başka enerji kaynağı olarak radyoaktif maddelerin varlığı ve ısı yaydıkları fark edildi. Ayrıca, uzay boşluğundan ışımalar geliyordu. 20. yüzyılda, radyoaktif maddelerin yaydığı enerjiyi disiplin altına alma düşünceleri yaygınlık kazandı. Atom ve Hidrojen bombalarından sonra, ABD’de 20 Aralık 1951’de Idaho’da deneme için küçük bir nükleer santral kurulmuştu. EBR–1 ismiyle anılan deneysel reaktöre bağlanan küçük bir jeneratör, yan yana dizilmiş dört ampul ile etrafı aydınlatmıştı. O günlerde henüz ismi doğru olarak konmayan, yeni bir doğal enerji idi. 1970’lerden sonra doğadaki bilinen dört temel güçten biri idi. Bu güç “zayıf nükleer kuvvet” olarak isimlendirildi. Ardından, 1954 Haziran’ında Rusya’da 5 Mwe gücünde bir nükleer gösteri santrali ile (Moskova)’da elektrik üretmeye başlamıştı. Halen çalışmakta olan bu küçük reaktörlere, nükleer santrallerin atası gözüyle bakılmaktadır. Bu küçük santrallerin yapımı, büyük boyutlular için yaşanması gereken birer deney olmuşlardır. 7 Nükleer santraller havayı kirletmemekle beraber, radyoaktif atık maddeler problem olmaya başladı. Çevre bilincinin oluşması ile havayı ve çevreyi korumayı amaçlayan dernekler, çevre Bakanlıkları ve hatta çevreci partiler bile kuruldu. Bu karşı koymalara rağmen fosillerin yakıt olarak kullanılması önlenemedi. Yenilenebilir enerji kaynağı olduğu sanılan Jeotermal enerjinin, yenilenme olanağının olmadığı, ayrıca güneş ve rüzgârdan elde edilen elektriğin yaygınlaşması ve herkese yeterli olmasının da mümkün olmadığı görünüyor. Bugüne kadar kullanılan enerjilerin hiç biri, temel ve kalıcı güç değildi. İnsan ve hayvan kas gücü, yel değirmenleri, tezek, odun, kömür, petrol, jeotermal ve güneş enerjilerden hiç biri, insanlığın temel ve kalıcı gücü olamadı. Bilgi çağına uyan kalıcı, kolay, bol, sağlıklı ve ekonomik bir enerji kaynağını devreye sokmaya çalışıyoruz. 19. yüzyılda temel enerji üretimi için, fosil maddeler yakılıyordu. 20. yüzyılda bunlara zayıf nükleer enerji ilave edildi. 21. yüzyılda, Maddenin özünde var olan temel kuvvetlere yönelmeliyiz. Doğanın Temel Kuvvetleri 1970’lerden sonra belirgin olarak anlaşılan ve standartlaşan atom altı kuvvetleri göz önüne aldığımızda, atom altı parçacıkların dört ayrı etkiden birine ya da bir kaçına neden olduğu belirlendi. Bunlar, 1. 2. 3. 4. kuvvetli nükleer etki, zayıf nükleer etki, manyetizmanın çekme, itme etkisi, kütle çekim etkisi. İşte evrendeki temel güçler bunlar. Evrendeki bütün hareketler, kimyasal reaksiyonlar, biyolojik oluşumları meydana getiren temeldeki güçler bu dört etkiden kaynaklanmaktadır. (Orbiter ve Spin devinimler hariç) Evrenin bu dört temel kuvvetinin etkisi ile meydana gelen ısı ve işlerin neler olduğuna bakarsak karşımıza şöyle bir tablo çıkar: doğanın bu dört temel kuvvetinin orijinleri bakımından iki ana guruba ayırabiliyoruz, a) Termonükleer kuvvetler, (Zayıf ve kuvvetli etkileşim) b) İtme, çekme gücü olan ve uzaktan etkileyen kuvvetler, (Manyetizma ve kütle çekim kuvveti.) 8 Pratik olarak atomaltı parçacıklarının etkileşimlerini ön plana alıyoruz. Bu temel kuvvetlerin deneysel özellikleri ve ürettikleri ısı, iş ve enerjileri yukarıda belirttiğimiz gibi iki ana gurubu şöyle sıralayabiliriz. Nükleer Kuvvetler: Isı yayanlar. Nükleer kuvvetler, (Füsyon ve Fizyon) ikilisi. Bu reaksiyonlarla, çekirdeğin yapısında, birleşme ve bozunma sonucunda yeni elementler oluşurken, büyük miktarda enerji açığa çıkmaktadır. Bu enerjinin işe dönüştürme prosesi oldukça masraflı ve zordur. Ayrıca bu reaksiyonlardan yayılan izotopların, canlıların yaşamı için tehlikeli olduğunu da savunan ve engel olmaya çalışan çevrecilerin güçleri giderek artmaktadır. Bu nedenlerle, güçlü ve zayıf kuvvetleri kısa bir tariften sonra, bunları incelememizin dışında bırakacağız. En basit element olan Hidrojenden başlayarak, bozunup birleşerek daha ağır moleküllerin meydana gelmesi ve olgunluğa eriştikten sonra parçalanıp yeni elementlerin oluşması prosesinin, insan ömrünün evrelerine benzediğini düşünebiliriz. Atomlar, atom ağırlıkları 90’ı bulduktan sonra radyoaktif hale geçerek, yeni elementler oluşturmak üzere dağılırlar. (Hidrojen, helyum, radon, kurşun ve ışınlar gibi: α, β, γ). 90 yaşına ulaşan insan ömrü, yerini genç nesle bırakmak üzere dağılmaya başlar. Atom ağırlıkları da aynı, insan ömrü gibi 100 den sonrası ender görülebiliyor. Hidrojen atomunun nükleonları bozunup yeniden birleşerek Helyuma dönüştükten sonraki hali, nihai ve ekonomik bir hal değildir. Helyum çekirdekleri sırası ile daha karmaşık çekirdekler oluşturduktan sonra, demiri oluşturur. Bu aşamaların her safhasını giderek azalan bir oranda enerji salarak devam eder. Hidrojenden Helyuma geçiş sırasında, saniyede 5 milyon tonluk kütle enerjiye dönüşürken, Helyumdan demire geçiş sırasında yalnız 1,5 milyon tonluk kütle enerjiye dönüşür. Demire kadarki dönüşümler egzodermik (Isıveren) iken, daha sonraki dönüşümler için dışarıdan enerji vermek gerekiyor. Bu konular için elde güvenilir fazla bilgi bulunmuyor. Ayrıca, pratik ve kullanılabilir enerji elde etme olanağını da görmediğimiz için, zayıf ve kuvvetli nükleer kuvvetler konusunda bilinen temel konulara, böylece kısa bir göz attıktan sonra, doğanın diğer iki temel kuvveti olarak bilinen, elektromanyetizma ve kütle çekim kuvvetleri üzerinde duracağız. 9 1. Zayıf nükleer etki, (Fizyon) nükleer santrallerdeki düzenekle dünyanın birçok yerinde elektrik üretilmektedir. Ağır elementlerin, atom ağırlıkları 88’den ve daha ağır olanlar kendiliğinden parçalanarak yeni elementler ve enerji yayarlar. Bu kendiliğinden oluşan doğal radyoaktifliktir. Doğada dünyanın sıcaklığını belli düzeyde tutmak için var olan bu doğal aktiflik çok yavaş seyrettiği için varlığı ancak geçen yüzyılda anlaşılmıştı. Termik santrallerde buhar elde etmek için kömür ve petrol yakılmaktadır. Nükleer santrallerde de radyoaktif maddelerin bozunması hızlandırılarak, yüksek sıcaklık elde edilerek buhara ve sonuçta elektriğe ulaşılmaktadır. Nükleer santraller için yüksek teknolojik prosesler gerekmektedir. Yayılan yüksek sıcaklıktaki büyük ısı enerjisi, termik santrallerde olduğu gibi buhar sistemine bağlı jeneratörlerde elektrik elde edilmektedir. Çevrecilerin karşı çıkmalarına rağmen, bugün dünyada kullanılan elektriğin yüzde onuna yaklaşan bir bölümü bu nükleer santrallerde üretiliyor. 2. Kuvvetli nükleer etki, (Füzyon) Güneş ve benzeri büyük yıldızların ısı kaynağı olarak bilinir. Güneşteki tükenmek bilmeyen enerjinin kaynağının ne olabileceğini düşünen ilk bilim adamı Alman Tıp doktoru Hermann Von helmholtz idi. Helmholtz, böylece 1854’de üzerinde çalıştığı enerjinin sakımı yasasının yeryüzündeki olaylara olduğu gibi güneşe de aynen uygulanması gerektiğini düşünerek, güneş enerjisinin kaynağını araştıran ilk kişi oldu. 84 yıl sonra, 1938’de Alman fizikçi Hans Albercht Bethe, güneşteki enerjinin kaynağını tanımlayan kuramını açıkladı. Yüksek basınç ve sıcaklık altında dağılarak iyonlaşan hidrojen protonları, birleşerek helyumu oluştururken büyük miktarda enerji açığa çıkıyordu. Hidrojen füzyonunun başlaması için gerekli ilk sıcaklık ve basıncı, güneşin kütle çekim kuvveti sağlıyor. Bethe’nin kuramı bugün de geçerliğini korumaktadır. Güneşte saniye 630 milyon ton hidrojen, 625 milyon ton helyuma dönüşür. Aradaki 5 milyon ton kütle uzaya enerji olarak dağılır. Bunun, milyonda biri dünyamıza ulaşarak yaşamı sürdürmemizi sağlar. Bu reaksiyonun başlaması için çok yüksek sıcaklık ve basınç gerekmektedir. 15 milyon Cº lik yüksek sıcaklığı yıldızın kendi kütle çekim kuvveti sağlar. Füzyon olayında meydana gelen yüksek güç, enerji peşinde koşanların dikkatini çekmekte gecikmedi. Füzyon, uranyum ve toryum kadar zararlı atık bırakmaz. Aynı zamanda ham maddesi evrende en bol olan hidrojendir. Uzmanlar, yeryüzünde kontrollü ve pratik füzyon gücü elde edebilirsek, enerji sorunumuzu sonsuza kadar çözmüş oluruz diye düşündüler. Ama bu hidrojen reaksiyonun birleşerek helyumun oluşması için gerekli on milyondan fazla sıcaklığı yeryüzünde elde edilemeyeceği anlaşıldı. Alçak sıcaklıkta füzyon 10 reaksiyonu oluşturma deneyleri “soğuk füzyon” olarak 50 yıl kadar sürdü. Çünkü hidrojen çekirdekleri ancak, yüksek basınç ve sıcaklıkta bir araya gelebiliyorlar. Düşük sıcaklıkta olmayacağı anlaşılınca soğuk füzyon bırakıldı. Daha sonra, hidrojen çekirdeklerini bir araya getirmek için yüksek hızın yararlı olabileceği ön görüldü. Şimdi gözler CERN de. *** * Uzaktan, çekme ve itme özelliği olan kuvvetler 3. Manyetizma: Bu kuvvet, geçen yüz yılda, bilim adamları ve fizikçiler, “Elektromanyetizma etkileşimi” olarak isimlendirilmişti. II. Numaralı raporumuzda, elektrikle manyetizmanın benzer görünümlerinden dolayı ortak bir isimle anılmanın yerinde olmadığına işaret etmiştik. Çünkü elektrik, maddenin özünde kendiliğinden var olan ve kendiliğinden etkileşim yapan doğal bir kuvvet değildir. Başka kuvvetlerin görünümü olarak ortaya çıkmakta ana kuvvet kesilince elektrik de yok olmaktadır. Diğer taraftan, manyetik maddelerde itme ve çekme özelliği kendiliğinden, kalıcı ve daimi olarak vardır. Bu nedenle atom altı parçacıklarda var olan itme ve çekme özelliğini, “Manyetizma” olarak anıyoruz. Maddenin bu özelliğine ilk kez İyonyalı Thales işaret etmiş ve denemişti. Özelliği ve davranışları etraflıca bilinen Manyetik kuvvetin etkisi ile ısı ve iş elde edilmediğini biliyoruz. Doğanın bu temel kuvvetinin diğer üç temel kuvvet yanında bir iş yapmamış olması, onun işe yaramaz bir güç olduğunu göstermez. Eğer doğanın dört temel güçlerinden biri olduğunu kabul ediyorsak, bir gün onu birileri insanlığın hizmetine sokacağını düşünebiliriz. Onun bir köşede unutulmuş olması, iş yapabilirlik özelliğinin hiç dikkat çekmemesi ve ona verdiğimiz “Elektromanyetik kuvvet” deyimin uygun olmamasına bağlanabilir. Belki bu birleşik isimden dolayı, Maxwel’in gölgesinde kalmış olduğunu da düşünebiliriz. Elektromanyetizma deyiminin, manyetizma olarak değiştirilmesi gerekiyor. 4. Kütle Çekim Kuvveti Kütle çekim ile manyetizma kuvvetleri; bir birine çok benzeyen bu iki etkileşimin temel ortak yanlarını şöyle gösterebiliriz; Her iki kuvvetin erim menzilleri çok büyüktür. Fiziki bir temas olmadan nesneleri uzaktan etkilerler. Kütle çekim, dört temel kuvvetin en zayıfı olduğu halde, sayısız parçacıkların bir araya gelmesi ile muazzam bir güç oluşturur. Her zaman sadece çeker. 11 Manyetizma, demir gibi bazı maddeler, hem çekme ve hem de itme ile kendini belli eder. 1970’lerden sonra aydınlatılmaya başlanan, maddedeki doğal güçler hakkında bugüne kadar elde edilen bilgiler, ana hatları ile şu başlıklarla bilinmektedir. Doğanın en temel gücü: Kütle Çekim Kuvveti Doğadaki dört temel kuvvetin en zayıfı olduğu halde, onu en temel güç olarak anmamızın birçok nedeni var. Onun gücünü hemen hepimiz biliyoruz. Çocuklukta, oyunda düşerek bir yerlerimizin yaralanması, yaşlılıkta yerimizden kalkmakta zorlanmamız hep onun yüzündendir. O etkisini arada fiili temas olmadan uzaktan yapmaktadır. Tüm evrende geçerlidir. Galaksilerin, yıldızların, planetlerin, bulutların şimşeklerin, yıldırımların meydana gelmesinin ilk ve temel nedenidir. (Görelilik Kuramına rağmen) Doğanın bu en temel ve yaygın gücü yeryüzünde her zaman vardı. Antik çağlarda Anadolu’nun batı kıyılarında yaşayan İyonyalılar, Atina’daki eski filozoflar da yer çekiminin farkında ve etkisinde idiler. Onu ilk kez Newton isimlendirdi ve tarif etti. Kuramsal düşünceler ve anlatımları bir kenara bırakarak, pratik alanda kütle çekim kuvvetinin yapmakta olduğu somut işlere, görebildiklerimize bakalım. Kütle çekim kuvvetinin etkisi ile oluşan, Isı ve İşler Kütle çekim kuvvetinin dünyada ve evrende bir iş yaparak enerji ürettiğini görebiliriz. Eğer dikkatle bakacak olursak; Hidroelektrik Santrallerinin (HES’lerin) çalışması, gelgit’lerin etkisi ile santraller, rüzgârların esmesini ve Yıldırırım- şimşeklerin oluşmasını, yağışları hep kütle çekim kuvvetinin yaratıp, yönlendirdiğini görürüz. Bu somut örnekleri hemen görmek çok kolay. a) Kütle Çekim kuvvetinin Evrendeki etkileri Işın yayan gök cisimlerinde (Füzyon) termonükleer reaksiyonun başlaması için, gerekli olan çok büyük basınç ve yüksek sıcaklıklar, Kütle çekim kuvveti tarafından yaratılmaktadır 1. Galaksilerin oluşumu: Genel kabul gören bir görüşe göre, galaksiler, gaz ve toz halinde iken yoğunlaşan bir çekirdek etrafında dönmeye başlarlar. 12 Sonra girdaplar oluşur, bu girdaplar ayrı ayrı yoğunlaşarak yıldız olma yoluna girerler. Evreni oluşturan maddelerin başlıcaları hidrojen ve helyumdur. Helyum atomlarının bir birleriyle birleşme eğilimleri hiç yoktur. Yıldızlar arasındaki bu çok seyreltik ortamda çok az da olsa kozmik toz da bulunur. Helyumdan sonra en sık rastlanan element oksijendir. 1965 yılında yapılan saptamalar, uzayda kozmik toz olarak CO² ile karbon moleküllerinin varlığı tespit edilmişti. Bu kozmik tozların bir araya gelerek yoğunlaşması kütle çekim kuvvetinin etkisi ile olmaktadır. 2. Yıldızların oluşumu; Amacımız, yıldızların oluşumunu açıklayan kuramları incelemek olmadığından, teorilerden birinin özetini kısaltarak buraya alıyoruz. Böylece, yıldızların oluşmasına neden olan temel gücün kütle çekim kuvveti olduğunu görmemizin yeterli olduğunu düşünüyoruz. ABD’li ünlü bilim adamı ve uzay araştırmacısı Profesör Carl Sagan; “Gökyüzünü incelediğimizde, parlayan, varlığımızın hammaddeleri yıldızların bizler gibi doğup büyüyerek, olgun hale geldikten sonra yavaş yavaş yaşamlarının sona erdiklerini görmekteyiz. Ama bir farkla; bizler sessizce bu dünyayı terk ederken, yıldızların ölümü etrafındaki diğer yapılar için bir tehdit halini alır.” “Uzayda galaksilerin içinde, nebula olarak adlandırılan, soğuk ve karanlık toz bulutları vardır. Bunlar az sayıdaki helyum atomları ile hidrojen atomlarından meydana gelen seyrek gazlardır. Bu gaz ve toz bulutları, galaksi etrafındaki şok dalgalarının ve gaz bulutlarının kendi kütle çekiminin neden olduğu etki ile büyük bulut ve küreler halinde yoğunlaşarak, sıkışıp ısınırlar. Çünkü bu gaz küresi kendini oluşturan gazların korkunç ağırlığına karşı koyamaz. Böylece yıldız taslağı büzülmeyi, merkezdeki basınç ve sıcaklık da artmayı sürdürür (basınçla sıcaklık doğru orantılıdır).Sonunda da yıldız taslağının merkezindeki sıcaklık on milyon dereceye ulaşınca hidrojen yanması başlar.” "http://www.le.ac.uk/ph/faulkes/web/images/stars.jpg" grafik dosyası hatalı olduğu için gösterilemiyor. Böylece, yıldızlardaki termonükleer (Füzyon) reaksiyonun başlaması için gerekli on milyon derecedeki ısı ve yüksek basıncın, kütle çekimin, madde tüketmeden 10 milyon Cº ısı enerjisi yarattığını görmüş olduk. . 3. Kahverengi cüce yıldızların yaydıkları enerji: Uzayda zor görünen küçük yıldızlar “kızıl cüce” olarak anılırlar. Parlayan yıldızlardan daha küçük olan “kahverengi cüceler” füzyon olayını başlatacak güçleri olmadığından ışıkları çok soluktur. Yaydıkları hafif enerjiyi kütle çekim kuvveti 13 yaratmaktadır. Küçük çaplı yıldızlar, parlayan büyük yıldızlardan sayıca daha fazladır. Aynı zamanda kızılötesi ışın da yayabiliyorlar. Evrenin % 80 ni oluşturduğu tahmin edilmektedir. Kırmızı veya al cüce yıldızlar yaklaşık olarak güneşin yarısından daha az kütleye sahiptirler ve yüzey sıcaklıkları 3.500º K'den düşüktür. Oldukça uzun bir yaşam süresine sahiptirler. Güneş'e en yakın yıldız Proxima Centauri bir kırmızı cücedir. Güneşe en yakın otuz yıldızın yirmisi kırmızı cücedir. 4. Gezegenlerin ısı yayması; Dünya, Jüpiter ve Satürn’ün kütle çekimin etkisi ile yükselen sıcaklıklarını dengelemek için uzaya enerji yaymaktadırlar. Şimdiye kadar tespit edilen bu üç gezenin, uzaya enerji yayma olayının nedenlerine ayrı ayrı bakalım. Dünya, güneşten ve uzaydan aldığı 100 birim ışımaya karşılık 115 birimlik ışıma yaymaktadır. İlk oluşumunda kazanmış olduğu sıcaklığın 4,6 milyar yılda dış uzaya dağılmış olması gerekirdi. Yeryüzünde yapılan kazı ve sondajlarda derinleştikçe sıcaklığın yükseldiği görülüyor. Jeologlar dünyanın çevresini kayalık mantoda yoğunluğun derinleştikte artmadığını, hep aynı kaldığına ve mantonun altında demirin çoğunlukta olduğuna inanırlar. Dünyanın uzaya yaydığı fazla enerjide, kömür ve petrol gibi yakıtların yanması ile meydana gelen hava kirliliğin etkisi zayıftır. Radyoaktif maddelerin bozunması yeryüzü sıcaklığını 14–15 derecelerde tutmada etkilidir. Kütle çekim kuvvetinin dünyanın çekirdeğindeki metalleri sıvı olarak yüksek sıcaklıkta tutmuş olması da enerji fazlalığını doğurmaktadır. Bazı deprem dalgaları, katı maddelerden geçtiği halde, sıvı içinden geçmedikleri saptanmıştır. Pelerini aşan bu dalgalar merkeze giremezler. Bu özellikten yararlanılarak katmanların kalınlıkları hesaplanmaktadır. Kayaların erime sıcaklığı 2.000 Cº den fazla iken demirin erime sıcaklığı 1.500 Cº dir. İki katmanın birleştiği yerde sıcaklığın daha düşük olduğu kabul edilmektedir. Jüpiter, güneşten aldığı enerjinin 1,7 kat fazlasını uzaya yaymaktadır. Jüpiter’in çekirdeğindeki yüksek sıcaklığı açıklayan iki kuram vardır. Birincisi, Jüpiter’in hızla büzülüyor olmasıdır. Bu durumda ortaya çıkan fazla enerji, kütle çekim ile bağlantılıdır. İkincisi de Güneş sistemini oluşturan bulutsunun şekillenmesinden bu yana geçen süre Jüpiter’in soğumasına yetmemiş olabilir. Her iki kuramın kütle çekimi ile bağlantılı olduğu açıkça görülüyor. 14 Satürn de Jüpiter gibi etrafa güneş’ten alabileceğinden daha çok enerji yayıyor. Ancak Jüpiter’e göre daha küçük olan Satürn’ün oluşumundan bugüne kadar geçen zaman içinde soğumuş olduğu kabul edilebilir. Böylece, Satürn’ün fazla ısısının, kütle çekim kuvvetinden geldiği kabul görüyor. Gezegen yüzeyindeki sıvı helyumun, kütle çekim kuvvetinin etkisi ile daha az yoğun olan hidrojen içinden geçerek, çekirdeğe doğru hareket etmesi ile meydana geldiği kabul ediliyor. Yani kütle çekim kuvveti, madde tüketmeden ısı yaratıyor. Tatmin edici olmasa da başka bir kuram bilinmiyor. b) Yeryüzünde kütle çekim kuvvetinin yarattığı işler 5. Hidroelektrik santrallerde, yüksekten düşen suyun etkisi ile HES’da elektrik üretilmektedir. Okyanuslarda bir kg. Suyun buharlaşması için gerekli 540 Kcal. İ güneşten gelmektedir. Buhar haline geçen su, kütle çekimin etkisi ile kütle çekim merkezi karşısındaki yerini almak üzere, yoğunluğunun eşit olduğu düzeye kadar yükselir. Ortalama 3.000 metre olan bu yükseklikte, buharlaşma için aldığı 540 kcal.’yi bırakarak sıvı hale geçip bulutları oluşturur. Güneşten gelen ısı, katalizör olarak olaya girmişti. Çünkü buharlaşma ısısı ile yoğunlaşma ısısı eşittir. (Tersinirdir) 6. Rüzgârlar; Meteoroloji bilimi, rüzgârları hava akımı olarak tarif etmektedir. Hava akımları, yeryüzündeki farklı basınç merkezlerinin olmasından kaynaklanmaktadır. Farklı basınç merkezlerinin oluşmasının temel nedeni genellikle güneştir. Gün içinde güneşin ışınları atmosferde çok düzgün bir dağılımla soğurulmaz. Kimi bölgeler daha çok enerji alırken kimi bölgeler daha az alabilir. Böylece atmosferde farklı sıcaklık bölgeleri oluşur. Soğuk bölgelerde (yüksek basınç merkezleri) havanın yoğunluğu daha fazladır. Sıcak bölgelerde (alçak basınç merkezleri) yoğunluk daha azdır. III. numaralı raporumuzda: “Kütle çekim alanında bulunan farklı yoğunluktaki akışkan nesneler, kütle çekim kuvvetinin etkisi ile çekim merkezi doğrultusunda, en yoğunu en önde olmak üzere sıralanırlar ve bu konumlarını korurlar” prensibini ileri sürmüştük. Bu prensibe uyarak, yoğunluğu fazla olan, yüksek basınç merkezindeki soğuk hava kütlesi, yoğunluğu daha az olan, alçak basınç merkezinin altına doğru hareket eder. 15 Kütle çekim kuvvetini etkisi ile meydana gelen hava akımlarının (rüzgâr) hızları, alçak ve yüksek basınç merkezlerinin yoğunlukları arasındaki farkla, orantılı olarak artar. Güneşten saatte 18x10¹² w enerji geldiği kabul ediliyor. Bunun % 1rüzgâra dönüşebiliyor. Rüzgârların yönü üzerinde, dünyanın dönmesinin etkisi var ise de, asıl neden olmadığı için buraya almıyoruz. Rüzgârların ortaya çıkış nedeninin Kütle Çekim Kuvveti olduğunu saptamış olduk. 7. Yıldırım ve şimşekler; Çevremizde gözlemleyebildiğimiz en büyük elektrik olayı, şimşek ve yıldırımdır. Bulutları oluşturan su tanecikleri ve havadaki toz parçacıkları, rüzgâr nedeniyle sürtünme sonucu bulutların bir kısmı elektron kaybeder. Bulutların bir bölümünde yoğunlaşan elektronlardan dolayı (–) yüklü denilirken, elektron kaybeden bulut da (+) yüklü olarak anılmaktadır. Bu elektron akışları zaman içinde artarak bir doyum noktasına gelir. Yüklü bulutlar birbirine yaklaştığında bir buluttan diğerine yük akışı olur. Bu olaya şimşek denir. Bazen aynı bulutun alt ve üst kısımları zıt yükle yüklendiği için şimşek aynı bulut içinde de oluşabilir. Elektrikle yüklü bir bulut, yere yeterince yakınsa, bulut üzerindeki yükler etki ile yeryüzünü elektrikler. Bunun sonucunda yerle bulut arasında yük boşalması olur. Bu olaya yıldırım denir. Yıldırım ve şimşeklerin oluşmasına yol açan hava hareketlerinin Kütle Çekim Kuvvetinin etkisi ile meydana geldiğini görmüştük. Böylece havayı ısıtan, yaşam için çok önemli azot oksidin oluşmasına yol açan şimşek ve yıldırımların da asıl nedenin kütle çekim kuvveti olduğunu açıkça görebiliyoruz. ABD’li E. Fransblau ile Carl Popp, altmış kadar yıldırım ve şimşek olayını inceledikten sonra, her şimşeğin, bin trilyon kere trilyon molekül azotoksit oluşturduğunu rapor etmişlerdi. Bu yaklaşık bir kilodur. Yeryüzüne ortalama saniyede yüz milyon yıldırım düştüğüne göre meydana gelen büyük ısının dünyanın sıcaklığını korumasına önemli katkıda bulunur. 8. Küresel ısınma: Yeryüzü sıcaklığının +15Cº civarında kalmasını sağlayan mekanizmalar mevcuttur. Merkezi sıcaklığın 5.000 Cº kadar olduğunu tahmin eden bilim adamları, dış uzayın soğuk yüzeyi kuşatılan dünyanın, termodinamik prensiplerine uygun olarak iç sıcaklığın, 4,6 milyar yıldan beri neden kaybolup gitmediğini araştırdılar. Geçen yüz yılın sonlarında radyoaktif maddelerin varlığı anlaşılınca, radyoaktif maddelerin bozunmasının yeryüzüne önemli derece ısı yaydığı görüldü. Yeryüzünde sera etkisi yaparak dünyanın sıcaklığının artmasına yol açan karbondioksitin havadaki miktarı artınca, denizler C02 fazlasını emerek 16 dengeyi sağladıkları gibi bu işlem gerektiğinde ters yönde de çalışıyor. Doğal düzeyini sanayi devriminden beri aşırı derece yakılan kömür ve petrol ürünlerinin atmosfere saldığı karbondioksit miktarı, okyanusların emebileceğinden fazla olduğundan, atmosferdeki CO2 oranı artarak yeryüzünün daha fazla ısınmasına yol açmaktadır. Doğanın önümüze serdiği dört temel kuvvetten, Manyetizma ve Kütle çekim küvetlerini, insanlığa hizmet eder şekilde güncelleştirmeliyiz. 9. Gelgit, Okyanus gelgitlerin esas yaratıcısı ayın kütle çekim kuvvetidir. Ayın, yeryüzünde bir meridyenden ikinci kez geçişi 12 saat 51 dakika olduğundan gün içinde suların kabarıp alçalmaları iki kez görülür. Ayın güneşe bakan yüzünde suların kabarmasının, ayın kütle çekim kuvvetinden kaynaklandığı açık.(a) Aksi yönde suların kabarması da yine kütle çekim kuvvetinin etkisi ile oluşmaktadır. Dünyanın iç kısımlarının yoğunluğu, okyanus sularından çok daha fazla olduğundan, ayın etkisi ile artan dünyanın kütle çekim kuvveti suların buraya yığılarak kabarmasına yol açmaktadır. Bu şişkinlikler dünya ile birlikte dönmez ve ayın altında kalmayı sürdürür. Gelgit olayı devam ederken, okyanuslarda suların gün içinde iki kez yükselip alçalmalarına bağlı olarak kurulan santrallerde önemli miktarda elektrik üretilmektedir. Bu santrallerde yaratılırken iş, Ayın kütle çekim kuvvetinden gelmektedir. Okyanus açıklarında, bir parsel suyu düşünelim, Ay’ın çekim alanın karşısındaki bir parsel suyumuz olduğu yerde birkaç metre yükselecektir. Ay ve dünya’nın dönmesi ile çekim doğrultusu değiştiği halde, ele aldığımız bir parsel su, ayın çekim alanın etkisinden kurtulduğu için yine alçalarak eski konumuna gelecektir. Çünkü gelgit olayında suların kabaran kısımları yanal hak et etmez, yani Ayı takip etmez. Kabarıp alçalmalar bir dalgalanma olayıdır. 17 Bu açıklamalar bize, gelgit olayında sular, kabarıp ve alçalması sürtünme veya başka bir engelle karşılaşmadığı için, güç kaybı yoktur. Ancak sahillerde kabaran sular geri çekilirken deniz diplerini kazıyarak yeryüzü şekillerinin değişmesine ve yerin ısınmasına neden olmaktadır. Suların deniz dibini tarayarak sürtünmesi ve diğer gök cisimlerinin fren etkisi yapan çekim kuvvetlerinin dünyanın dönüş hızını etkilemesi kaçınılmazdır. Buna göre, uzmanlarımız günlerin her 62.500 yılda 1 saniye uzadığını hesaplamaktadır. Diğer ifade ile 1 milyon yılda günlerimizin 16 saniye uzadığı söylenebilir. Ayın ve Güneşin dünyamızın dönüş hızına yaptıkları bu çok küçük yavaşlatma etkisi, dünyanın katı yapısına yapılan fren etkisidir. Okyanus sularının kabarıp alçalması dünya dönüş hızını etkilemez. Biyolojik, Canlı organizmaların varlığı, entropiyi azaltan önemli bir olgudur. Gerçekte yaşam güneşten gelen enerjinin depolandığı bir sistemdir. Sonuç olarak entropiyi azaltan bir sistem değildir. Sonucu özetlersek; Uzayda; Kütle çekim kuvvetinin uzayda ve yeryüzünde madde tüketmeden ısı ve iş yarattığını örnekleri ile gördük. Gök cisimlerinde (füzyon olayı) termonükleer tepkimenin başlayabilmesi için sıcaklığın 10.000.000 Cº kadar yükselmesini, yıldızın kütle çekim kuvvetinin sağladığını, Dünya, Satürn ve Jüpiter’in termonükleer reaksiyon olmadan, bu gezegenlerin kendi kütle çekim kuvvetinin enerji yarattığını ve fazlasını uzaya yaydığını görmüş olduk. Dünyada; Maddenin özünde bir değişiklik yapmadan, yeryüzünde oluşan rüzgârlar, yağışlar, hidroelektrik santralleri ve okyanuslardaki gelgit olaylarının temel nedeni kütle çekim kuvvetidir. Bu doğal olaylara uyumlu olarak kurulan düzeneklerde büyük çapta elektrik enerjisi ve ona bağlı olarak iş ve ısı elde edilmektedir. Kütle Çekim Kuvveti, bu enerjiyi yaratırken, bazen ısı enerjisi katalizör olarak devreye girmekte ve daha sonra bir kayba uğramadan, devreden çıkmaktadır. 18 Newton’un “Genel Çekim Yasası” Einstein “Genel Görelilik Yasaları” ile Termodinamiğin (0 ve 3) numaralı kanunlarını bir tarafa bırakarak, doğadaki enerjin sabit olduğunu söyleyen 1. kanunla, ısıl ölümü öne süren 2. kanuna dönersek dönersek, şu gerçekleri görürüz: Yürürlükteki prensipler Birinci kanun: Enerjinin korunumu kanunu olarak bilinir. Isı sıcak kaynatıcıdan, soğuk yoğunlaştırıcıya doğru hareket eder ve bu sayede bir iş ortaya çıkar. Enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Bilgi Çağının Getirdiği Yeni Görüşler Evrende madde ve enerji arasında sürekli döngü vardır. Evrende enerji sürekli olarak artmaktadır. Bu nedenle; Termodinamiğin 1. ve 2. prensipleri geçersizdir. Termodinamik prensipleri konusundaki bilimsel çalışmaların iki amacı vardı; 1. Buhar makinelerinin verimini artırmak. 2.Devridaim makineleri yapmak. Bu çalışmalar amacına ulaşamadı. Kömür yakan buharlı makineler de artık yoğun çalıştırılmıyor 19 İkinci Kanun; Isıl enerjinin ölümü ; Entropi Yürürlükteki Prensipler Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkânsızdır. (Clausius Bildirisi) Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi) İzole bir sistemin entropisi kendiliğinden meydana gelen bir süreçte artar. S toplam > 0 buradaki S toplam izole sistemin tüm kısımlarının toplam entropisidir. **** Bilgi Çağının Getirdiği Yeni Görüşler Evrende ve dünyada sürekli olarak işleyen, madde ve enerjinin yok olma ve varolma döngüsü vardır. İş yaparak veya biçim değiştirerek gücünü kaybeden ısı enerjisi yerine, Kütle çekim kuvveti birçok yolla yeni enerjiler üretmektedir. Yapay olarak, Clausius tarafından bilime monte edilen Entropi teriminin bilim literatüründen çıkarılması gerekmektedir. İnsanlığı korkutan bu ısıl ölüm düşüncesinden artık kurtulmalıyız. Doğal olmayan tezek, odun, kömür ve petrol ürünlerinden kurtulmamızı hızlandırmak için atomaltı alemde varolduğu bilinen Temel enerjilere yönelmemiz kaçınılmazdır. 20 Not: I. TERMODİNAMİK KANUNLARI (0, 1, 2, 3, 4) (0) Sıfırıncı kanunu 1931 yılında Ralph H. Fowler tarafından tanımlanan bu kanun, temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıktığından, doğal olarak 1. ve 2. yasalardan önce gelmek zorunluluğu doğmuş ve bu nedenle sıfırıncı kanun adı verilmiştir. Termodinamiğin en basit yasasıdır. Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler termodinamik dengededirler. Sıfırıncı kanun şöyle der: “Farklı sıcaklıklarda iki cisim, birbirleriye temas ettiklerinde, sıcak olan cisim soğur, soğuk olan cisim ısınır. Isı akışının soğuktan sıcağa doğru olmayışının temeli şudur: sıcaklık, malzeme atomlarının, daha doğrusu elektronlarının kinetik enerjisine etki eden bir faktördür. Elektronlar her zaman temel enerji seviyesinde olacak şekilde davranış gösterirler. Fazla kinetik enerjilerini aktarmak ve temel enerji seviyesine dönmek isterler. Sıcaklık, malzeme içinde atomların titreşmesi ile iletilir. Bu nedenledir ki, ısı akışı sıcak cisimden soğuk cisme doğru gerçekleşir. 21 Birinci kanun: Enerjinin korunumu kanunudur. Tipik bir termodinamik sistem: ısı sıcak kaynatıcıdan soğuk yoğunlaştırıcıya doğru hareket eder ve bu sayede bir iş ortaya çıkar. Bir sistemin iç enerjisindeki artış: sisteme verilen ısı ile sistemin çevresine uyguladığı iş arasındaki farktır. U2 – U1 = Q – W Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir. “Enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez sadece bir şekilden diğerine dönüşür”. Bir sistemin herhangi bir çevrimi için çevrim sırasında ısı alışverişi ile iş alışverişi aynı birim sisteminde birbirlerine eşit farklı birim sistemlerinde ise birbirlerine orantılı olmak zorundadır. Bu ifadelerin yapılan deneylerle doğruluğu gözlenmiştir fakat ispat edilememektedir. Bütün bu ifadeler matematiksel olarak çok daha kolay ifade edilebilir. Yalıtılmış bir sistemin enerjisi sabit kalır U1 =Us Aşağıdaki formüllerde Q = çevrim boyunca net ısı alışverişini W = çevrim boyunca net iş alışverişini Q1-2 : Sistemin hal değişimindeki ısı alışverişi W1-2 : Sistemin hal değişimindeki iş alışverişi E1 : Sistemin ilk haldeki enerjisi ve E2 : Sistemin son haldeki enerjisi olmak üzere; Q1-2 – W1-2 = E2 – E1 formülü çıkar. Termodinamikte enerji, maddenin yapısına bağlı iç enerji ve koordinat eksenlerine bağlı olan kinetik enerji (EK) ve potansiyel enerji (EP) olarak ayrılabilir; Sistemin herhangi bir hal değişimindeki enerjisi de; E = U + EK + EP 22 İkinci kanunu Birçok alanda uygulanabilen ikinci yasa, şöyle tanımlanabilir: Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi) ya da Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkânsızdır. (Clausius Bildirisi) Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz. “Yalıtılmış sistemler düzensizliğe doğru meylederler Ve Entropileri bu düzensizliğin bir ölçüsüdür.” Üçüncü kanunu Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkânsız olduğunu belirtir: Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bütün hareketler sıfıra yaklaşır. 23 Not: II. TERMODİNAMİK PRENSİPLERİNİ HAZIRLAYAN BİLİM ADAMLARI 1. Guillaume Amontons (1663-1705) Fransız fizikçi ve mucit. Hiç üniversiteye gitmemesine rağmen matematik ve fizik bilimleri (özellikle mekanik ve termodinamik) konularında çalıştı. Kendine özgü icatlarda bulundu ve barometre, higrometre ve termometreler geliştirdi. 1699 yılında sürtünme alanında daha önce Leonardo da Vinci tarafından öne sürülen sürtünme kanunlarını yayınladı. Bu kanunlar daha sonra 1781 yılında CharlesAugustin de Coulomb tarafından doğrulanmıştır. 2. 1753-1814 Benjamin Thompson Top yapılırken tornanın ısındığını gördü.. Barut ve silahlar üzerinde fiziksel çalışmalar yaptı. Isı ve sürtünme ile ilgili kuramlar ileri sürdü. Mekanik enerji ve ısının eşdeğerliği üzerine ilk ölçümleri gerçekleştirdi. 3. 1774 Fransız Kimyacısı Antine-Laurent Lavoisier 1743–94 tarından deneyler maddenin korunduğunu gösterdi. Kapalı bir sistem içinde, bazı cisimler kütle kaybederken, bazı cisimle kütle kazanabiliyordu. Ama sistemin toplam kütlesi sabittir. Lavoisier Kapalı bir sistemde, hangi fiziksel veya kimyasal değişiklikler gerçekleşirse gerçekleşsin toplam kütlenin miktarının hep aynı kaldığını kendisin yazdığı kitapta açıkladı. “Kütlenin korunumu yasası” 4. 1824 Fransa’da Sadi Carnot “Ateşin tahrik kuvveti üzerine” adlı kitap yayımlandı. Maksimum randımanın en sıcak halindeki buharla, en soğuk halindeki suyun sıcaklığı arasındaki farka bağlı olduğunu gösterdi. Carnot, ısı ve işin bir birine dönüşmesi yolunu ilk olarak ele alan bilgindi. Bu nedenle Termodinamiğin kurucusu olarak anılır, çeyrek yüz yıl sonra Termodinamik yasasının var olduğunu sonucunu çıkardı. Ancak bu çalışması termodinamik prensiplerini açıkladığı halde, dikkat çekmedi. “Enerjinin hepsinin faydalı işe çevrilemeyeceğini söyledi”. 5. William Rankine (1820–1972) Rankine çevrimi, termodinamik bir çevrimdir. Buhar kullanan enerji santralleri için ideal çevrimdir. Bu çevrimde suyun kızgın buhar haline getirilmesi ve tekrar kondanserlerde doymuş sıvı haline getirilmesi, Carnot çevriminde uygulamada karşılaşılan pek çok zorluğu da ortadan kaldırır. 24 6. 1842 Jullius Robert Von Mayer (1814–1878) Isının mekanik eşdeğerine ait bir rakam verdi ve bununla “Enerjinin korunumu yasasının olduğu sonucunu çıkardı.” Bu çalışması dikkat çekmedi 7. İngiliz Fizikçi James Prescoot Joule (1818–1889) deney yaparak sonucu yayınladı; 41.880.000 erglik iş 1 kalori ısı üretiyordu. Buna ısının mekanik dengi denildi. 10.000.000 erge Joule’nin onuruna 1Joul dendiğinden 4.18 Julün 1 kaloriye eşit olduğunu söyleyebiliyoruz. Bu keşif, Enerjinin Korunumu teorisine ve oradan da Termodinamiğin birinci kanunun elde edilmesini sağladı. Lord Kelvin ile mutlak sıcaklık skalasını geliştirdi. Bir direnç üzerinden geçen elektrik akımının ısı yaydığını bulmuştur (Joule yasası). 8. 1847 Alman Fizikçi Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz 1821– 1894) Sağlığı iyi olmadığı için 17 yaşına kadar evde eğitim gördükten sonra tıp eğitimine başladı. 1843'ten sonra orduda doktor olarak çalıştı. Bu süre boyunca çok sayıda bilimsel makale yayınladı. Enerjinin korunumu kanunu matematiksel olarak gösterdi. Sonra gerekli verileri toplayarak; Enerjinin korunumu kanunu matematiksel olarak göstererek, Enerji Koruma Yasasının var olduğu sonucunu yayımladı. Evrendeki tüm enerji miktarı sabitti. Daha fazlası yaratılamaz ve yok edilemezdi. Enerji yok olmadığı ve kazanılamadığı için, elektrik, mıknatıslık, ışık, ses, kimyasal enerji, kinetik enerji, ısı kendi aralarında birbirlerine dönüşebilirler. Enerjinin koruma yasası aynı zamanda termodinamiğin ilk yasası olarak bilinir ve doğal olarak doğanın tüm yasalarının en temelinde yer aldığı düşünülür. 9. 1824–1894 William Thompson, daha sonra (1894–1907) Lord Kelvin oldu. İngiliz Fizikçi ve matematikçisi: Soğuk cisimden sıcak cisme kendiliğinden ısı girişi olamayacağını göstermiştir. Termodinamiğin ikinci kanunu. (Kelvin-Plank) formuna göre; “Bir çevrimde, ısı alıp, eşit mıktarda iş yapan ve başka etkiler oluşturmayan bir ısı makinası yapmak mümkün değildir.” Lord Kelvin “Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme kendiliğinden ısı girişinin olamayacağını söylemiştir. William Thomson ve Joule birlikte çalışarak 1852 yılında bir gazın iş üretmeden ya da ısı aktarımı olmadan genleşmesi durumunda sıcaklığın azaldığını buldular. Bu olgudan gazların sıvılaştırılması gerçekleştirilmiş ve soğutma sanayi gelişmiştir. Carnot, ısı makinelerinin verimini ısının kalorik kuramına dayanarak açıklamıştı. William Thomson, bu çalışmayı ısının mekanik enerjiyle eşdeğer olduğunu kanıtlayan Joule’un bulguları ile bağdaştırarak ısı kuramını bir mekanik ilkeye dönüştürmek istiyordu. Böylece 1848 yılında mutlak sıcaklık ölçeğini geliştirdi. Termodinamik terimi ilk kez, W.Thomson (Lord Kelvin) tarafından, 1849 yılında yaptığı bir yayında kullanılmıştır Kelvin, 600’den fazla bilimsel makale yazdı. 69 tane patent sahibi oldu. 25 10. Termodinamiğin 2. yasası. Alman fizikçi Rudolf Julius Emenuel Clausius: (1822–1888) Her enerji dönüşümünde bir miktar enerji etrafa yayılarak yok oluyordu. Clausius, 1868’de kapalı bir sistemde ısı miktarının sistemin mutlak sıcaklık derecesine oranın, gerçekleşen bütün süreçlerde daima artacağını ileri sürdü. Mükemmel koşullarda bunun sabit olarak kalması gerekiyordu, fakat asla azalmayacaktı. Yıllar sonra Clausius bu orana daha çok bilinmeyen nedenlerden ötürü Entropi (termodinamik bir sistemde enerjinin değersizleşmesini gösteren bir fonksiyon) adını verdi. Düzenli eğitimi, matematik ve felsefe üzerinedir. Dalton’dan kimya dersi aldı. Eğitimin geri kalan kısmını kendi kendine çalışarak tamamladı. Böylece Clausius Termodinamiğin ikinci yasasını belirledi. Yani; evrendeki Entropi miktarı her zaman artar ve bir gün artık kullanışlı hiçbir enerjinin kalmadığı bir maksimuma ulaşacak ve düzensizlik hakim olacaktır. Bu kötümser bir tablodur. Fakat evrendeki bütün enerjinin bozulması muhtemelen birçok milyon yıl olacağından, hemen telaşa gerek yok. Yalıtılmış sistemler düzensizliğe doğru meylederler ve entropileri bu düzensizliğin bir ölçüsüdür. Bütün doğal olaylarda evrenin entropisi artar. Bir sistemin entropi değişimi yalnızca ilk ve son durumlarının özelliğine bağlıdır. Tersinir bir süreçte evrenin entropisi sabit kalır 11. Ludwig Boltzman (1844–1906). İstatistik mekaniğin ana sonuçlarından biri yalıtılmış sistemlerin düzensizliğe meylettiği ve entropinin de bu düzensizliğin bir ölçüsü olduğudur. Bu yeni görüşün ışığında Boltzmann, aşağıdaki bağıntıyı kullanarak entropinin hesaplanması için alternatif bir metot bulmuştur. Ludwig Boltzmann, termodinamiğin temel ilkeleri üzerine çalışıyordu. 1906’da intihar etti. İntiharının nedeni tam olarak bilinmese de atom ve moleküllerle ilgili tezlerinin dönemin bilim topluluğu tarafından küçümsenmesinin buna yol açmış olabileceği düşünülüyor. 12. Willard Gibbs (1839–1903) Clausius un tarifi ter türlü enerjiye uyar. 1876 da ABD li 1876 da iki yıllık bir dönemde, Connecticut Bilim Akademisi Raporlarında yayımlandı. Serbest enerji, Kimyasal Potansiyel gibi modern kavramlar geliştirdi. Yazılarında farklı fazlar arasındaki( Sıvı, katı, gaz.) bir sistemin bir ya da fazla sayıdaki bileşenlerinin katıldığı ve artık değişimin gerçekleşmediği nokta) ele aldı. Bu tür durumlarda sıcaklık, basıncın da değişimin değiştirilme yollarının sayısı(Serbestlik dereceleri) faz kuralı dediği basit bir denklemle ifade etti. uğ u Bu 12. 1905 Alman Fizikçi Albert Einstein 1879–1955 maddenin enerjinin bir türü old uğnu ileri sürdü. Belli bir miktar madde, belli bir miktar enerjiye dönüşüyordu. Bu duruma göre; maddenin sakımı yasası, yalnızca Enerjinin sakımı oldu. 26 13. Walther Hermann Nernest (1864-1941): mutlak sıfıra hiçbir teknikle ulaşılamayacağına dair termodinamik nedenler buldu. Boşluktaki ışığın hızı gibi, mutlak sıfırın gittikçe dehada yaklaşılan bir sınır kodluğunu, fakat asla ulaşılamayacağını ileri sürdü. Buna bazen Termodinamiğin üçüncü yasası denilir. Bu çalışmalarına1920 Nobel kimya ödülü verildi. Bu yasa genel ve sonsuzdur, bir hareket ve iş meydana getirmemektedir. Isı teoremi, Üçüncü Kanunu Termodinamiğin olarak bilinen, 1906 yılında geliştirilmiştir. Bu en fazla bir çalışma sürecinden ısı sıcaklıklarda gelişti hesaplanan olabilir mutlak sıfıra yakın elde edilebilecek 14. 1931 Sir Ralph Howard Fowler, (1889 – 1944). İngiliz fizikçi ve astronom. 1931 yılında termodinamik alanında yaptığı çalışma ile termodinamiğin en temel yasası olan sıfırıncı yasayı bulmuştur. Termodinamik konusu kömürden azami verimi elde etmeye yönelikti. İçten yanmalı motorların devreye girmesi ile ısıl verimle uğraşanlar azaldı. Fowler’in 1831 yılındaki tespitleri bilimsel amaçlı idi. Bu tarihlerden sonra termodinamik konularında ilgi 2. kanun.üzerinde odaklandı. Isıl ölümü, mahşer gününe benzetenler, yeniden evrenin kaosa girip canlanacağını da kabul edebilirler. Bu görüşler fantezi olabilir, gerçekler günümüzde enerjinin madde tüketilmeden, kütle çekim kuvvetinin etkisi ile enerji yaratıldığını ve evrenin sıcaklığının yükselme yönünde olduğunu görebiliyor ve ölçebiliyoruz. Binlerce yıl, yıldırım ve şimşekten korkarak yaşayan insanlık, ABD’li Benjamin Franklin’in deney ve açıklamalarından sonra, düşen yıldırımın bir ceza olmadığını, normal bir elektrik boşalması, daha doğrusu, doğal bir olay olduğunu anlayarak rahatlamışlardı. Yıldırımdan korunmak için paratoner devresi oluşturarak yaşamlarını garanti altına almışlardı. Bütün dünyada olduğu bizde paratonerle kendimizi doğanın yıkımına karşı koruyoruz. Bugün artık, doğal olaylardan korkma zamanı geçti. Şimdi doğanın güçlerini enerji kaynağı olarak kullanmak için çabalar sarf ediyoruz. Temel ve doğal enerjiyi yaygın olarak kullanmaya başladıktan sonra, kömür ve petrolü de terk ederek huzurlu ve rahat bir çağa gireceğiz. Ulaşımı ve iletişimi en hızlı ve en ekonomik düzeye ulaştırdık. Dünyanın en uzak köşesi ile iletişime geçebiliyor, en gidilmez sandığımız ülkelere gidip görebiliyoruz. Üçünü hedef enerji. Genç araştırmacılarımızı araladığımız perdenin arkasındaki enerjiyi gün yüzüne çıkarmalarını ve her bireyin kullanabileceği kadar yaygınlaştırmalarını bekliyoruz. Latif Mutlu İstanbul Bilgi Üniversitesi Kurucusu 23 temmuz 2010 www.latifmutlu.com 27 Yağışların Termodinamiği Bulut 1 Kg Su 600 Kcal Yağış 600 Kcal 1 Kg Su Buharı + 600 Kcal (Gizli Isı) Okyanus Yüzeyi •Not;1 kg. su buharı, aynı hacimdeki kuru havadan daha az yoğundur.Yani daha hafiftir. Prensip: Sıvılar buharlaşırken aldıkları ısıyı, yoğunlaşırken geri verirler. ısısı yoğunlaşma ısısına eşittir. Bir madde için Lb = Ly Bu yüzden buharlaşma Prensip: Kütle çekim alanındaki, farklı yoğunluktaki akışkan nesneler, kütle çekim merkezi doğrultusunda, en yoğun olanı en önde olmak üzere, yoğunluklarına göre sıralanırlar. (Akışkan veya kolayca yer değiştirebilen nesnelerin yoğunluğu G olsun. En yoğun madde G1, diğerleri azalan yoğunluk sıralaması G2, G3, G4 ve ....olsun) Kütle çekim merkezi karşısındaki sıralama daima; G1 > G2 > G3 >G4 olarak dizilir. 28 Rüzgârların amili (Oluşumu) Yeryüzünde rüzgârların oluşumu Alçak Basınç Merkezi (Yoğunluğu daha az) Yüksek Basınç merkezi (Yoğunluğu daha çok) Yeryüzünde, denizler ve okyanuslar güneş enerjisini farklı oranlarda alırlar. Bu yüzden farklı sıcaklık bölgeleri meydana gelir. Sıcaklığın yüksek olduğu yerlerde, Alçak basınç merkezi, soğuk yerlerde ise Yüksek basınç merkezi oluşur. Yüksek basınç merkezindeki hava kütlesi yoğun olduğu için, kütle çekim kuvvetinin etkisi ile daha az yoğun olan, alçak basınç merkezi altına doğru akar. İşte rüzgarı estiren kuvvet budur. Yani Kütle çekim kuvvetidir. 29
