Termodinamika və Entropiya

Post date:

Author:

Category:

Termodinamika və Entropiya

Xülasə: İşin əsas məqsədi müasir fizikadan istifadə edərək zamanın nə olması və bir oxunun varlığı, təbiətdə düzənsizliyin artması və bunun fizikadakı qarşılığının tapılmasından ibarətdir.

Zamanı idarə etmək, zaman itirmək (qazanmaq) və s.- bu ifadələr demək olar ki, həyatımız boyu ən çox eşitdiyimiz birləşmələrdir. Bəs zaman dediyimiz bu məhfum nədir? İnsan oğlu min illərdir, zamanı ölçmək üçün çox müxtəlif cihazlar belə yaradıb ki, bunlara saat adını veririk. Sadəcə, kainatdakı təkrarlanan hadisələri görmüş və bunu müxtəlif üsullarla bir sistemə çevirməyi bacarmışdıq. Günümüzdə zamanı ölçmək üçün çox mükəmməl dəqiqlikdə işləyən belə cihazlara sahibik, amma bu, sualımıza cavab vermək üçün kifayət etmir. Zaman nədir?

Təbiəti başa düşmək, qarşımızda duran problemləri həll etmək üçün istifadə etdiyimiz bir “silah” var-Fizika. Elə isə, fizika- yəqin ki, bu suala da cavab verəcək. Fizikadakı bütün tənliklərdə zaman(t) görürük, yəni hər şey zamandan asılıdır. Daha aydın olması üçün bir neçə nümunədə yuxarda qeyd edilənləri isbat edək:

Bu və ya bunun kimi, bütün tənliklərdə zaman ifadəsinə ehtiyac duyulur, amma bu, zamanın nə olduğunu izah etmir, birmənalı şəkildə, zamanın bir oxuna ehtiyac duymur. Daha aydın desək, ən sadə izahla 5 kq kütləyə malik bir cisim qapalı sistemdə 10 il sonra da, 100000 il sonra da 5 kq olacaq və ya yuxarıdakı tənliklərdə olan zaman(t)-keçmiş və ya gələcək(zaman oxu) haqqında bir məlumat vermir.

Yuxarıda qeyd etdiklərimiz doğrudursa, bəs nə üçün qırılan bir qədəh əvvəlki halına qayıtmır? Bir buz əridikdə əvvəlki halını qorumur, metallar paslanır və ya bunun kimi ətrafımızda olan sonsuz hadisələr nə üçün zamanın geri qayıdıla bilmədiyini göstərir. Müasir fizikada bu hadisənin səbənini termodinamika qanunları, xüsusilə də 2-ci qanun (entropiya) izah edir. Termodinamika qanunlarının riyazi ifadələrinə keçmədən öncə bunu bir hadisə üzərində izah edək:

Sabit otaq temperaturuna malik bir mühitdə heç bir müdaxilə olmadan qədəhdəki suyun içərisində buz yarandığına şahid olmusunuzmu? –Təbii ki, xeyr. Amma mən bu hadisənin nəzəri də olsa olacağı fikrini irəli sürürəm:

Şəkil – 1

 

Şəkil1(a)-də həmin qədəhdəki, su molekulları olduğunu düşünək. Bilirik ki, cismin temperaturu, əslində,onun molekullarının sahib olduğu kinetik enerjidir. Şəkil1(a)-dakı, “1” molekulu “2” molekulu ilə toqquşsa, impulsun ötürülməsi qanununa görə impulsunun bir hissəsini “2” molekuluna ötürəcək və nəticədə “2” sürətləndiyi təqdirdə, “1”-in sürəti azalacaq.Bu hadisənin digər molekullarda da baş verdiyini düşünsək, şəkil1(b) halı, yəni daha zəif sürətli molekulların mərkəzə çəkildiyini və yüksək sürətlilərin isə onların ətrafında hərəkəti qaçınılmaz olacaq və beləliklə, buz hissəcikləri yaranacaq. Bu fikir nə enerjinin sabitliyi qanununa, nə termodinamikanın birinci qanununa, nə də digər bir qanuna tərs deyil. Fəqət termodinamikanın atası olaraq bilinən Sadi Carnot (1796-1832), Rudorf Klauzius(1822-1888), Uilyam Kelvin (1824-1907) bu tipli hadisələrin gerçəkləşmədiyini, xüsusən, soyuqdan istiyə bir temperatur axışının olmadığını təkrar-təkrar müşahidə etmişlər və sırf təcrübələrə dayanaraq termodinamikanın ikinci qanununu yaratmışlar. Qısacası, temperaturun soyuqdan istiyə axışının olmaması termodinamikanın ikinci qanunudur. Bəs yuxarıda qeyd etdiyim hadisənin gerçəkləşməməsinin əsl səbəbi nədir? Kiçik bir qədəhdə, belə demək olar, sonsuz sayda molekul var və bundan əlaqədar bu hadisənin (buz yaranmamasının) gerçəkləşmə ehtimalı həddən artıq (sıfıra yaxın) azdır. Başqa bir nümunə ələ alaq. Əlimizdə 500 səhifəlik bir kitab var. Bütün səhifələrin hər biri 1-500 ardıcıllığı ilə nömrələnib. Bu kitabı yuxarı atsaq (vərəqlərin bir-biri ilə bağlı olmadığını qəbul edək) yerə düşdükdə, yenədə sıralı olma ehtimalları çox azdır. Lakin çox müxtəlif hallarda dağınıq halda vərəqlər yerə düşə bilər və bu hadisənin olma ehtimalı isə çox yüksəkdir.

Riyazi şəkildə ifadə etsək, termodinamikanın birinci qanununa görə, V-həcminə və P təzyiqinə sahib ideal qazın, Q-temperaturunda gördüyü iş-W olur. Q-temperaturundan öncə qazın sahib olduğu enerji  U1,sonra isə U2 olacaq. ∆U= U1 – U2 daxili enerjinin dəyişimi olur.

Sözlə ifadə etsək, bir cismə verilən temperatur, onun daxili enerjisi və görülən işin cəminə bərabərdir. Tənliklərə diqqət etsək görərik ki, bu, enerjinin saxlanması qanunundan başqa bir şey deyildir.Yəni sistemdə heç bir enerji ölümü baş vermir.

Qeyd edək ki, sözü gedən sistemlər tam qapalı sistemlərdir. Doğrudur ideal qapalı sistem demək olar ki, yoxdur, lakin kainatımız özü qapalı sistemə ideal bir nümunədir.

Termodinamikanın ikinci qanunu ilə birinci qanununun arasındakı fərq isə belədir: İkinci qanuna görə sistemə verilən enerji onun daxili enerjisi və görülən işin cəmidir, yəni enerjinin saxlanması qanunu yenə də keçərlidir, lakin bu qanuna görə (2) tənliyinin sağ tərəfindən sol tərəfinə bir keçid itki olmadan mümkün deyil, belə ki, görülən işi və daxili enerjini geri alsaq, başlanğıcdakı Q temperaturunu əldə edə bilmərik, mütləq şəkildə bir itki baş verməlidir. Bəli, bu ifadə kainatın bir termal ölümlə üzləşəcəyinin və zamanın oxunun ifadəsidir.

Termodinamika qanunlarının tətbiqi həllinə nəzər salaq: Məsələn, neft, kömür və təbii qaz kimi maddələrin yanması nəticəsində daxili enerji sərbəst qalır və bu, temperaturdur. Lakin biz bir maşını hərəkətə gətirmək istəyiriksə, bu daxili enerjini mexaniki enerjiyə çevirməliyik. Qısacası:

Daxili enerji≫ temperatur≫mexaniki enerji.

İlk baxışda, bir problem görünmür, lakin real bir məsələ üzərində irəliləyək. Məsələn, 1 kal=4.18 jul.-dür.Yəni hər kalorilik termal enerji 4.18 jul mexaniki enerjiyə bərabərdir. 1 kq yüksək keyfiyyətli kömür yandıqda, təqribən, 7500 kcal-temperatur hasilatı olacaq.Buradan,  mexaniki enerji əldə olunmalıdır. Lakin təcrübədə bunun 5-30% lik bir hissəsi əldə olunur.Bəs geri qalan 95-70%? Bunun bir hissəsi sürtünmədən dolayı yaransa da, böyük hissəsi tüstü borusundan atılan istilikdir.Yəni termodinamikanın birinci qanunu enerjinin sabitliyi qanununa görə hər kaloridən 4.18 jul-dan daha çox bir iş əldə edə bilməyəcəyimizi, ikinci qanun isə heç bir mühərrikin bunu 100%-lik bir çevrilmə ilə edə bilməyəcəyi nəticəsinə çatır. Bunu riyazi yolla isbat edək:

Nəticə etibari ilə, hər enerji çevrilməsində bir ölü enerji ortaya çıxır ki, buda FİƏ-nin 100% ə əsla olmaması nəticəsini doğurur və beləliklə, bir gün bütün kainatın enerjisi ölü enerjiyə çevriləcək və termal ölüm baş verəcək.

Entropiya, yəni “hər şey düzənli haldan düzənsiz hala gedir” termini ilk dəfə Rudorf Klauzius tərəfindən 1865-ci ildə ortaya atıldı və riyazi ifadəsi:

 

Burada, S-entropiya, Q-sistemdəki istilik miqdarı, T-temperaturdur.

Daha sonra, 19-cu yüzillikdə entropiya Maxwell, Thomson və Boltzmann-ın təcrübə və elmi işləri nəticəsində molekulyar kinetik nəzəriyyənin inkişafı ilə birlikdə daha da təkmilləşdi.

Entropiyanın Klauzius tənliyinə sadiq qalınaraq entropiya dəyişiminə keçidi isə: Termodinamik bir sabitlik halındakı bir sistemin T temperaturu ilə Q-dən  dəyişimində S-də  olacaqdır və bu entropiyanın dəyişimi adlanır:

 

Nəticə: Zamanın oxu axtarışında əldə etdiyimiz ən böyük faktor entropiyadır. Yuxarıda verilən nümunəyə yenidən nəzər salsaq, əgər bir qədəh qırılırsa, ətrafa parçaları yayılacaq və bu parçalar müəyyən v-sürəti və istiqaməti ilə hərəkət edəcəklər.Əgər bütün hissəciklərin ayrı-ayrılıqda sürət vektorlarını əksinə dəyişsək, sanki, zaman geri axırmış kimi görünəcək, yəni entropiya çoxdan aza axacaq, bu isə, təbiətdə yuxarıda riyazi şəkildə də isbat etdiyimiz kimi mümkün deyil. Görünür, təbiət hər şeyin həllində (gələcəyində) ən qısa, rahat və daha çox ehtimal olan yolları seçir.

Termodinamikanın ikinci qanunundan aydın olur ki, temperatur ötürülməsi qapalı mühitdə sadəcə, istidən soyuğa doğru axır və bundan başqa, FİƏ-si 100% olan bir çevirici mühərrik yaradılması mümkün olmadığına görə kainat termal bir ölümə məhkumdur.

 

İstifadə edilmiş ədəbiyyatlar:

  1. Durmuş Hocaoğlu- Termodinamik’in ikinci kanunu ve Entropi, Kasım 2008, 63 səh.
  2. James P. Sethna- Entropy, Order Parameters, and Complexity, clarendon press . oxford 2017, 371 səh.
  3. M.Pənahov, V.İ.Əhmədov-Ümumi Fizika Kursu-Bakı 2013, 9№ kiçik müəssisə mətbəəsi, 303 səh.
  4. S.Rüstəmov-Fizika, Şərq-Qərb 2014, 489 səh.

Müəliif: İbrahimov Elcan. 

Redaktor: Ziya Mehdiyev

STAY CONNECTED

19,697FansLike
2,179FollowersFollow
0SubscribersSubscribe

INSTAGRAM

Mühəndis sözünün etimologiyası və formalaşması (Ensiklopedik bilgi)

Mühəndis sözünün ingilis dilində hərfi mənasını daşıyan “engineer” sözü “to engine” felindən yaranmışdır. “Engine” və “ingeniouse” sözləri “yaratmaq” mənasını daşıyan (to create) latın sözü olan “ingenerate” sözündən yaranmışdır....

Kralların zəhəri və ya zəhərlərin kralı – Arsen

Napoleon Bonapartı öldürən, Claude Moneti kor edən, Vinsent Van Qoqun ağlını itirib qulağını kəsməsinə səbəb olan...

Biotibbi texnikada elektronika amili

Biotibbi texnikanın inkişafı bilavasitə elektronika sahəsində əldə olunan naliyyətlərə əsaslanır. Buna görə də elektronikanın inkişaf mərhələlərinə uyğun olarq biotexniki vaisətlərdə müxtəlif...