Termodinamiğin birinci yasası

Enerjinin korunumu
Öğrenim dönemimizde fizik ve kimya gibi temel konulardan haberdar olan herkes enerjinin korunumu yasasını bir şekilde duymuştur. Bu yasaya göre enerji yoktan var edilemez ve var olan enerjide yok edilemez sadece başka formlara dönüşür. (potansiyel enerji, kinetik enerji vs.)Bu durumu ilk kez denel olarak Amerikalı bilim insanı Benjamin Thomson ve İngiliz bilim insanı James Prescott Joule kanıtlamıştır. Evrendeki enerji ise sabittir ve madde ile enerji arasında yakın bir bağ vardır. Madde enerjinin yoğunlaşmış/katılaşmış hali olarak düşünülebilir, bunu da yine ilk kez Albert Einstein kuramsal yoldan bulsa da (E=mc²) daha sonra bu durum deneysel olarak kanıtlanmıştır ve yine bu yolla kütlenin korunumu yasası, enerjinin korunumu yasası gibi Termodinamiğin I. yasasında yerini almaktadır.

Enerji ve Enerji türleri
Konuya giriş yapmadan önce enerji nedir, önce onu tanımlayalım. Enerji, bir sistemin iş yapabilme yeteneği/kapasitesidir. Buna bağlı olarak eğer sistem iş yapıyorsa enerjisi azalır, fakat iş alıyorsa enerjisi artar. Bunun gibi ısı enerjisi de ısı bırakan sistemin enerjisi azalırken, ısı alan sistemin enerjisi artmaktadır. Bu sıcaklıktan doğan enerji farkına ‘ısı’, basınçtan doğan enerjiye ise ‘iş’ adı verilir. (İş ise, bir kuvvetin bir sisteme belirli bir yol boyunca etki etmesi sırasında açığa çıkardığı enerjidir. WʃF.dx şeklinde formülize edilir.) Yaşamımızın en büyük enerji kaynağı ise Güneş’tir. Enerji türleri ise ısı, elektrik ve mekanik (potansiyel enerji ve kinetik enerji toplamı) enerjidir. Örneğin fosil yakıtların yanmasıyla kimyasal enerjiden ısı enerjisi elde edilir ve ışıma yoluyla da Güneş ısı kaynağımızı oluşturmaktadır. Bir elektrik enerjisinin dönüşümlü sistemi ise termoelektrik, nükleer ve hidroelektrik enerji santrallerinden elde edilir. Kimyasal bir yakıt yakılarak ısı enerjisine, oradan bir kazandaki sıvıyı ısıtıp basınç farkıyla mekanik enerjiye ve oradan da türbinden geçirilerek elektrik enerjisine dönüştürülür. Yine mekanik enerji çeşitli kara, deniz ve hava taşıtlarının motorlarında sıvı yakıtların kimyasal enerjiye çevrilmesiyle ısıya, oradan da mekanik enerjiye dönüşmektedir. Bunun dışında kimyasal enerji, elektrik enerjisine çevriliyorsa böyle düzeneklere de ‘pil’ adı verilir ve verim arttırılarak yakıt hücreleri oluşturulur. Şimdide bu enerji çeşitlerinin teker teker inceleyelim.

Potansiyel enerji
Potansiyel enerji, bir sistemin bulunduğu konumdan dolayı kazandığı enerjidir. Burada bulunduğu duruma etkisi yer çekimi ivmesidir. ve ‘g’ olarak ifade edilirse;
F=mg
Sistemin yerin merkezine olan çekim kuvveti olarak bulunur ve potansiyel enerji formülize edilecek olursa;
E(p)=m.g.h
formülü açığa çıkmaktadır ve elde edilen tüm potansiyel enerji sistemleri bir mekanik enerjidir.

Kinetik enerji
Kinetik enerji, bir sistemin hareketinden dolayı kazandığı enerjidir. Mekanik enerjiden ve elektrik enerjisinden kaynaklanan tüm enerji dönüşümleri ısı enerjisine dönüşürken, ısı enerjisi hiçbir şekilde diğer enerji türlerine dönmemektedir ve bir sistemin toplam kinetik enerjisi hesaplanacak olursa da;
E(k)=1/2 mc²
bağıntısından m kütle, c ise ışık hızını ifade etmektedir.

Elektrik eenrjisi
Ohm yasasınca; direnç
R=∆ф/I
olmak üzere
E(e)=∆ФQ=∆ф/t=RI²t
Şeklinde ifade edilen enerji dönüşümüdür.

Enerji paketi: Kuantum
Siyah cisim ışıması; her dalga boyundaki ışınları yutarak yani absorplayarak enerjisini arttıran cisimlere ‘siyah cisim’ denir. Bu her dalgayı absorplayan siyah cisim soğuk ortama götürülürse farklı frekanslarda (enerji paketleri halinde) ışın yayar bu duruma ‘kuantum’ denir.
Kuantum enerjisi;
E=hv=hc/λ=pc
Burada E toplam enerji durumunu, h Planck sabitini, v ışığın frekansını, λ ışığın dalga boyunu, c ışık hızını, p ise maddesel doğa göz önünde bulundurulursa eğer bu da momentumu (hızın kütleye olan çarpımı) göstermektedir.

İç enerji
Bir sistemi oluşturan atom, molekül veya iyonlar gibi küçük yapıların sahip oldukları enerjidir. Eğer bir sistemde ısı ve iş enerjisi yoksa iç enerji ve kinetik enerjisinden yani toplam mekanik enerjiden bağımsızdır. İç enerjinin sembolü ‘U’ olup, bir sistemin toplam iç enerjisi;
U=U(o)+U(tit)+U(dön)+U(elek)+U(çek)
şeklinde ifade edilir. Burada U(o)mc² durgun enerjiden kaynaklanan durumu göstermektedir. Yine bu enerji sisteminde durgun enerji, ışık hızına yaklaşmadığı için hesaplanma durumu söz konusudur, fakat titreşim, dönme, öteleme, elektron ve çekirdek enerjileri fiziksel ve kimyasal olaylar dahilinde değişmektedir. Kütleye karşılık gelen durgun enerji kesin olarak bilinmesine rağmen, diğer enerji türleri kesin olarak ölçülememektedir. Termodinamiğin I. yasasının matematiksel gösteri ise;
du=δ(q)+δ(w)
şeklinde gösterilir. Burada δ, ısı ve işin diferansiyel halini göstermektedir.

İç enerji, entalpi ve ısınma ısıları
Kimyasal bir tepkimenin gerçekleşmediği sistemlerde kütlenin yanında molar miktarda değişmemektedir. Bir sistemde hacim ve şiddete bağlı sıcaklık (T) ve basınç (P) değişkenleri birbirine bağımlıdır. Değişkenlerden ikisi biliniyorsa
pv.nRt
bağımlılık koşullarından hesaplanabilir ve iç enerji herhangi iki hal durumuna bağlı olarak yazılabilir. Bunun yanında bir sistemin iç enerjisiyle, basınç ve hacmin çarpımın toplamlarına ‘entalpi’ denir. [Sabit hacimdeki sisteme verilen ısı yalnızca iç enerjiye harcandığı halde sabit basınçtaki sisteme verilen ısı, iç enerjinin artmasıyla iş enerjisine de harcanmaktadır.Bu durum Termodinamiğin ısı ve iş enerjisinin diferansiyel hal fonksiyonlarını karşılayarak entalpi fonksiyonuna dönüşmektedir.
h≡U+pV
şeklinde ifade edilir.]

İsmail Çelik

Kaynaklar:
[1]. Prof.Dr.Yüksel Sarıkaya – Fizikokimya (Gazi Kitabevi Yayınları-2011)
[2].