Termodinamik durum

Bu başlık altında, termodinamik durum (İngilizce: thermodynamic state) adını verdiğimiz yeni bir kavram üzerinde duracağız. Termodinamik durumu doğru bir şekilde anlamamız, ilerleyen konularda bahsedeceğimiz termodinamik denge, tersinirlik ya da entropi gibi kavramları da anlayabilmemiz açısından büyük önem taşıyor.

Bir termodinamik sistemin durumu, sıcaklık, hacim ya da basınç gibi, deneysel yöntemlerle ölçülebilen bir takım termodinamik değişkenler aracılığıyla tanımlanıyor. Örnek olarak, bir kap içerisinde duran bir miktar ideal gazı ele alalım. Kap içindeki gazın sahip olduğu basınç, hacim ve sıcaklık değerlerinin birleşimi, bu sistemin termodinamik durumunu belirtiyor. Örneğin kabın hacimi 1 litre, içindeki gazın basıncı 1 atm, gazın sıcaklığını da 25°C ise, bu değerlerin birleşimini sistemin bir termodinamik durumu olarak kabul ediyoruz. Bir zaman sonra, eğer bu değişkenlerde bir değişim gözlemliyorsak, örneğin hacim sabit olmasına rağmen bir nedenle sistemin sıcaklığının ve basıncının artması gibi, sistemin farklı bir duruma geçtiğini kabul ediyoruz. Sistemin tanımlayan bu değişkenlerde herhangi bir değişim olmadığında ise, sistemin durumunun değişmediğini, yani sistemin “termodinamik dengede” (İngilizce: thermodynamic equilibrium) olduğunu söylüyoruz.

Sistemin termodinamik durumunda bir değişimin olmadığı, diğer bir deyişle deneysel yöntemlerle ölçebildiğimiz tüm termodinamik değişkenlerin sabit kaldığı “denge” kavramını biraz daha açmak için, şimdi termodinamik durum kavramına biraz daha yakından bakalım.

Bir termodinamik sistemin durumunu iki ayrı ölçekte ele alabiliyoruz. Yukarıda üzerinde durduğumuz durum tarifini, sistemlerin makro durumunu (İngilizce: macrostate), yani büyük ölçekteki durumunu tanımlamak için kullanıyoruz. Diğer bir deyişle, bir sistemin makro durumu denildiğinde, sistemin basıncı, hacmi ya da sıcaklığı gibi, deneysel yöntemlerle ölçebildiğimiz değişkenlere bağlı bir tariften bahsetmiş oluyoruz.

Makro durumdan farklı olarak, bir termodinamik sistemi küçük ölçekte, sistemin mikro durumu (İngilizce: microstate) üzerinden de değerlendirebiliyoruz. Mikro durum kavramını bir örnek üzerinden anlatmak için, aşağıdaki resimde gösterildiği gibi, kapalı bir kap içinde duran bir miktar gazı ele alalım. Resimde, kap içindeki, sürekli hareket halinde olan gaz atomlarının bir zaman dilimindeki konumları gösteriliyor. Atomlara bitişik resmedilen vektörler ise, her bir atomun o andaki hızını ve hareket yönünü gösteriyor.

Sistemin mikro durumu, gaz atomlarının bir an içindeki konumları ve momentumlarıyla tanımlanıyor. Bu ifadeden tahmin edebileceğiniz gibi, sistemin mikro durumu sürekli olarak değişim gösteriyor. Çünkü, sistemi oluşturan gaz atomlarının hem konumları, hem de momentumları, her bir zaman diliminde farklı şekillerde değişiyor. Bu iki durum tarifini yanyana koyduğumuzda ortaya şöyle bir resim çıkıyor: bir sistemin makro durumu (yani basıncı, hacmi ve sıcaklığı) sabit kalsa bile, sistemin mikro durumu (yani gaz atomlarının konumları ve momentumları) sürekli olarak değişiklik gösteriyor.

Termodinamik denge, sistemin makro durumu üzerinden tanımlanıyor. Sistemin mikro durumu sürekli bir değişim içinde olsa da, sistemin makro durumunda bir değişim olmadığında, yani basınç, sıcaklık ve hacim gibi deneysel yöntemlerle ölçebildiğimiz değişkenler sabit kaldığında, sistemin termodinamik dengede olduğunu kabul ediyoruz. Örnek olarak aşağıdaki resimde, bir sistemin üç farklı zaman dilimindeki makro ve mikro durumları gösteriliyor. Mikro durum sürekli değişim gösterse de, sistemin makro durumunun sabit kalması, sistemin termodinamik dengede olduğunu gösteriyor.

Bir sonraki konuya geçmeden önce, sistem tabiriyle kap içindeki ideal gazı kastettiğimizi bir kez daha hatırlatalım. İlerleyen konu başlığında, sistemlerin makro durumlarındaki değişimler üzerinde duracağız.

Devamı: