Enerji korunumu

Korunum yasasının çerçevesi hakkında az çok bir fikir sahibi olduğumuza göre, artık eneri korunumu yasasından bahsedebiliriz.

Enerji korunumu yasası, tıpkı kedi korunumu yasası gibi, fiziksel varsayımlardan türetilen değil, bakkal hesabı misali yazılmış bir kanun. Kedi korunumundan farklı olarak bu yasa, enerji gibi soyut bir kavramın hesabını tutmaya çalışıyor. Bunu da bir sistemin ürettiği  ve ısı miktarlarına bakarak yapmaya çalışıyor. Diğer bir deyişle, bir önceki konuda bahsettiğimiz mutfak kapısının yerini , evin ana kapısının yerini ise ısı alıyor – yani sadece birer enerji sayacı görevi görüyorlar. Evin mutfak kapısından dışarı 2 kedi çıktı demek yerine sistemin 2 Joule iş yaptığını, ana kapıdan içeri 3 kedi girdi yerine de sistemin ısısının 3 Joule arttığını belirtiyorlar.

Konu enerjiyle ilgili olunca anlattıklarımız ister istemez soyut bir hal alarak karmaşıklaşmaya başlıyor. Bu karmaşayı yaşıyor olmanız gayet normal, çünkü enerji konusunda kafası karışık olan bir tek siz değilsiniz. Hatta öyle ki, enerjinin termodinamik kapsamındaki tanımı bile bu karmaşadan geliyor. Enerjinin ne ifade ettiğini anlayabilmek için, termodinamiğin ilk ortaya çıktığı dönemlere bakmamız gerekiyor.

Termodinamik ile ilgili çalışmaların ilk başladığı 1650’li yıllar, Thomson’un atomu üzümlü keke benzeterek açıklamaya çalıştığı yıllardan yaklaşık 250 sene öncesi. Enerji kelimesi ise, bugün kullandığımız anlamıyla ilk olarak 1807 yılında, İngiliz bilim adamı Thomas Young tarafından kullanılıyor. Yani, Thomson’un tarifinden bir asır önce. Termodinamikte bugün bile kullandığımız birçok kavram, insanların ne atom, ne de sıcaklığın fiziksel kökeni hakkında çok kapsamlı bilgiye sahip olmadıkları dönemlerde şekillendiriliyor. Örneğin, o dönemin mühendisleri buhar makinesinin verimliliği üzerinde düşünürken, bu makinenin iş ya da ısı üretebilme becerisinin fiziksel kökenini nasıl açıklayacaklarını bilmedikleri için, enerji diye bir kavram ortaya atıyorlar. Neyi açıklamaya çalıştıklarını tam bilemedikleri için de, enerjiyi bir sistemin ısı ya da iş üretebilme kapasitesi olarak tarif ediyorlar. İlerleyen konularda bahsedeceğimiz entalpi ya da entropi gibi kavramları doğru bir şekilde anlayabilmek için, bu tarihsel bakış açısını aklımızın bir köşesinde tutmamızda fayda var. Çünkü ilerleyen konularda bahsedeceğimiz çoğu kavram, aynı enerji gibi, iş üreten bir sistemin davranışını açıklayabilmek için yapılan bu tür soyutlamalara dayalı olacak.

Biz de hem işi basit tutmak, hem de o dönemde yaşayan mühendislerin bakış açısı anlayabilmek adına, şimdilik enerjinin yukarıdaki tanımına sadık kalalım.

Enerjiyi bir sistemin iş ya da ısı üretebilme kapasitesi olarak tanımladığımıza göre, bir sistemin enerjisinin sisteme ısı (ana kapı) ya da iş (mutfak kapısı) olarak giren ya da sistemden çıkan enerji miktarıyla değişeceğini kolaylıkla görebiliriz. Bu düşünceden hareketle enerji korunumu yasasını, kedi korunumu yasasına benzer şekilde aşağıdaki gibi yazabiliriz:

Yukarıdaki eşitlikte U sistemin sahip olduğu bütün enerjiyi, yani sistemin iç enerjisini (İngilizce: internal energy), Q ısıyı (İngilizce: heat), W ise işi (İngilizce: work) temsil ediyor. İç enerji kavramının kökeni de, malzemelerin atom düzeyindeki yapısının bilinmediği yıllardan geliyor. Bugün malzemeleri anladığımız şekliyle tarif etmek istersek, iç enerjinin bir sistemde yer alan bütün enerjilerin toplamı olduğunu söyleyebiliriz. Örneğin sistemimiz oksijen (O2) gibi iki atomlu bir gazdan oluşuyorsa, sistemdeki bütün gaz moleküllerinin kinetik enerjileri, ya da  atomlar arası bağlardan kaynaklanan kimyasal enerji gibi tüm enerjilerin toplamının sistemin iç enerjisini oluşturduğunu söyleyebiliriz.

Kedi korunumu yasasına benzeterek yazdığımız yukarıdaki eşitlikte hem işi, hem de ısıyı eksi işaretle göstermiş olmamızın nedeni, kedi korunum yasasındaki sayaçları bütün kedilerin evde olduğu anda sıfırlamamız nedeniyle, formülü kedilerin evden çıkışını dikkate alacak şekilde geliştirmiş olmamızdan kaynaklanıyor. Yani, eşitliğin yazılışı gereği eksi işareti kedilerin evden dışarı çıktığını ifade ediyor. Dolayısıyla artı işareti de kedilerin eve girdiğini gösteriyor.

Benzer şekilde, enerji korunumu yasasında da sistemden dışarı çıkan ısıyı eksi ile, sisteme eklenen ısıyı da artı ile gösteriyoruz. Benzer bir durum iş için de geçerli. Ancak sisteme giren ya da sistemden çıkan iş ifadelerin pek doğru tabirler olmaması nedeniyle, bu durumları sistemin iş yapması ve sisteme iş yapılması şeklinde tarif ediyoruz. Tahmin edeceğiniz gibi, sisteme iş yapılmasını (ya da eklenmesini) “+” ile, sistemin iş yaptığı durumu ise “-” ile gösteriyoruz.

Son olarak bu kanuna dair genel bir kafa karışıklığından bahsederek konuyu kapatalım. Birçok kaynakta enerji korunumu yasasının aşağıdaki şeklide yazıldığını görebilirsiniz. Bu eşitlikte “+” ve “-” işaretlerinin farklı tercih edilmesinin nedeni tarihsel bir hikayeye dayanıyor. Enerji korunum yasası ilk olarak ısı alıp iş üreten buhar makineleri üzerinde kullanılıyor. Mühendisler, bu eşitliği buhar makinelerinin çalışma prensibine uygun hale getirmek amacıyla ısının başına artı (çünkü sisteme ısı ekleniyor), işin başına da eksi (çünkü sistem iş üretiyor, yani iş sistemden dışarı çıkıyor) koyarak yazıyorlar.

Birinci kanunu bu gösterimlerden hangisine sadık kalarak yazacağımızın, artı ve eksi işaretlerinin ne anlama geldiğini ve değerleri eşitliğe nasıl yerleştirdiğimizi bildikten sonra pek bir önemi yok. İlerleyen konularda bu eşitliği kullanarak sistemin yaptığı iş miktarını ve sistemin iç enerjisini hesaplamaya yönelik birkaç örnek vereceğiz. Bu örneklere geçmeden önce, kullanacağımız termodinamik kavramları doğru bir şekilde anladığımızdan emin olmamızda fayda var. Bir sonraki başlıktan itibaren, termodinamik sistem ile başlayarak bu kavramları birer birer açıklamaya başlayacağız.


Devamı: