Yarı durgun süreç

Bu konu başlığında, termodinamik dengedeki bir sistemin makro durumunu değiştirmek için izleyebileceğimiz farklı yollardan bahsedeceğiz.

Öncelikle aşağıda, soldaki resimde gösterildiği gibi, bir kap içerisinde bir miktar ideal gaz olduğunu varsayalım. Önceki örneklerden farklı olarak, bu sefer kabın üst kısmına aşağı yukarı hareket edebilen bir piston yerleştirdiğimizi düşünelim. Kap içerisindeki gazın basıncını dengelemek için de, piston üzerine iki adet ağırlık koyduğumuzu varsayalım. Bu ağırlıkları yerleştirmekteki amacımız, kap içerisindeki gazın pistona alttan uyguladığı basıncı dengeleyerek, pistonun konumunu belli bir noktada sabitlemek; diğer bir deyişle, sistemin hacminin sabit kalmasını sağlamak.

Sistemimizin hacmini bu şekilde sabitlemeyi başardıktan sonra, uygun ölçüm aletlerini kullanarak sistem içindeki gazın basıncını ve sıcaklığını ölçtüğümüzü, ve bu değerlerin de sabit kaldığını gördüğümüzü varsayalım. Sistemimizi tanımlayan bütün değişkenler sabit olduğuna göre, sistemin, yani kap içindeki gazın, termodinamik dengede olduğunu söyleyebiliriz. Buraya kadar her şey güzel.

Şimdi yukarıda, sağdaki resimde gösterildiği gibi, ağırlıklardan bir tanesini kaldırdığımızı düşünelim. Ağırlığı kaldırdığımızda, pistonun üzerindeki kuvvet birden azaldığı için, kap içindeki gazın hızlıca pistonu yukarı doğru itmeye başladığını gözlemliyoruz. Bu şekilde hareket etmeye başlayan piston, yukarıda bir noktada tekrar dengelenerek yeni bir konumda sabitleniyor. Bunun nedeni, sistemin hacmindeki artış nedeniyle gazın pistona uyguladığı basıncın azalıyor olması. Pistona ağırlık ve gaz tarafından uygulanan basınç değerleri eşit olduğunda, pistonun tekrar sabitlenmesiyle, sistem yeni bir denge konumuna ulaşıyor.

Sistemin bir denge konumundan diğerine nasıl geçebildiğini iki farklı senaryo üzerinden düşünebiliriz. Şimdi bu senaryoları teker teker ele alalım.

Birinci senaryo:

Yukarıdaki örnekte olduğu gibi, ağırlıklardan birini hızlıca kaldırdığımızı varsayalım. Bu durumda, pistonun ikinci denge konumuna yavaşça ilerlemek yerine, aşağıdaki resimde gösterildiği gibi, yukarı aşağı bir miktar salınarak ulaştığını gözlemliyoruz.

Ağırlığı birden kaldırdığımızda, kap içindeki gaz pistonu hızlıca ittiği için, sistemin makro durumu tarif edilmesi çok zor, karman çorman bir hale geliyor. Pistonun aniden yukarı hareket etmesiyle basınç hızla düşüyor, hacim artıyor, hatta ileride açıklayacağımız nedenlerden dolayı sistemin sıcaklığı da belki bir miktar azalıyor. Piston bu şekilde ikinci denge konumunun hizasını bir miktar geçip yavaşladıktan sonra, bu sefer aşağı doğru hareket etmeye başlıyor. Dolayısıyla, sistemin basıncının artmasına, hacmininse tekrar azalmasına yol açıyor. Piston yukarı aşağı, gittikçe azalan miktarlarda bir süre salındıktan sonra, piston nihayetinde ikinci denge konumuna erişerek sabitleniyor.

İkinci senaryo:

İkinci bir örnek olarak, piston üzerine yerleştirdiğimiz ağırlıkların kum yapısında olduğu varsayalım. Bu sefer, yukarıdaki örnekte piston üzerinden kaldırdığımız ağırlığa eşit miktarda ağırlığı tek adımda değil, kum tanelerini piston üzerinden teker teker atarak kaldırdığımızı düşünelim. Aynı miktarda ağırlığı bu şekilde kaldırdığımızda, pistonun ikinci denge konumuna yukarıdaki gibi salınarak değil, çok yavaş hareketlerle, adım adım, her bir kum tanesinin kaldırılmasıyla, uzun bir zaman sonunda ulaştığını gözlemleyeceğiz.

Bu senaryoda ilk senaryodan farklı olarak, pistonun yukarı doğru çok minik hareketlerle ilerlemesi nedeniyle, her kum tanesi kaldırıldığında sistem yeni bir “denge” konumuna ulaşıyor. Her yeni kum tanesi kaldırıldığında, piston sadece birkaç mikrometre yukarı ilerleyip yeni bir denge konumunda sabitleniyor. Yani, ilk senaryoda olduğu gibi rastgele yukarı aşağı salınmadan, bir denge konumundan diğerine ilerleyerek, yavaşça yukarı hareket ediyor. Bir sistemin bir denge konumundan diğerine çok yavaş bir hızda, sürekli olarak denge koşullarına çok yakın seyrederek ilerlediği bu tür süreçleri yarı durgun (İngilizce: quasistatic process) olarak adlandırıyoruz.

Bir sonraki konu başlığında yarı durgun süreç kavramına çok yakın, ama bazı farklar içeren bir diğer kavram üzerinde duracağız.

Devamı: