Özel Ders

TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI

Termodinamiğin 2. Yasası. İstemli ve istemsiz gerçekleşen olaylar ve örnekler. Entropi kavramı. Entropi ve Gibbs Serbest enerjisinin hesaplanması. Konu anlatımı.

Entropi

Entropi, bir sisteminin düzensizliğini belirtmek için kullanılan bir kavramdır. Bir başka deyişle entropi, bir sistemin düzensizliğinin bir ölçüsüdür.

Entropi bir sistemde mekanik enerjiye çevrilemeyen termal enerjiyi gösteren termodinamik bir terimdir.

İstemli olarak gerçekleşen ve sistemin düzensizliğini artıran her olay genelde entropinin artmasına neden olur.

Bununla birlikte entropinin net tanımı şöyledir. "Bir sistemde mekanik enerjiye çevrilemeyen termal enerjiye entropi denir".

Herhangi bir fiziksel ve kimyasal olayda yararlı enerji düzensiz ve geriye dönüşümsüz olarak dağılır. Bu enerji entropi ile berlirtilir.

Entropinin minimum olması enerji kaybının minimum olduğunu, entropinin maksimum olması enerjinin tamamının kayıp olacağını belirtir.

İstemli ve İstemsiz Olaylar

Evrendeki olaylar istemli ve istemsiz olaylar olmak üzere ikiye ayrılabilir. Gerçekleşmesi için dışarıdan bir enerji gerekmeyen olaylara istemli olaylar, gerçekleşmesi için dışarıdan bir (enerjiye) ihtiyaç duyan olaylara istemli olaylar denir.

İstemli gerçekleşen olaylar için çoğu zaman bir enerji gerekmez, bazen bu olaylar gerçekleşmek için bir başlangıç enerjisine ihtiyaç duyar, daha sonra kendiliğinden devam eder. İstemsiz gerçekleşen olaylar için özel koşullar ve sürekli enerji gereklidir.

1- Bir akarsuyun yüksek yerden alçak yere doğru akması istemli olarak gerçekleşen bir olaydır. Dağ tepesinden dağın eteklerine doğru akan bir suyun akışı istemli gerçekleşen bir olaydır. Suyun dağın dibinden tepesine doğru akması ise istemsiz bir olaydır. Su, dağın dibinden yukarısına doğru akamaz.

2- Yüksekten bırakılan bir cisim yere doğru düşüşe geçer. Cismin yere doğru hareketi istemli bir olaydır.

Yerdeki bir cisim, dış bir kuvvet olmadan tekrar yukarı çıkamaz. Cismin yükselerek düştüğü yere dönmesi istemsiz bir olaydır.

3- Buz 0 °C de erimeye başlar. 100 °C sıcaklığındaki bir su 20 °C sıcaklığındaki bir ortama getirilirse kendiliğinden soğur. Buz erimek için çevreden ısı almakta, su soğurken çevreye ısı vermektedir.

Buradan cisimlere enerji vermenin veya cisimlerden enerji almanın tek başına entropiyi belirleyemeyeceğini anlıyoruz.

4- Maddelerin kristal ve katı halde bulunduğu halleri en düzenli halleridir. Gaz halleri ise en düzensiz halleridir. O halde maddeler katı halden sıvı hale ve sıvı halden gaz haline geçerken düzensizlikleri, dolayısıyla entropileri artmaktadır.

Maddeleri gaz haline getirmek için ısı verilmesi gerekir. Oda sıcaklığında katı halde bulunan bir madde devamlı katı hale geçme eğilimindedir. Fakat maddenin en düzensiz olduğu hali gaz hali olduğundan entropisi, gaz halinde maksimumdur.

5- Yüksek bir yamaçtan aşağı doğru kayak yapan bir kişinin hareketi istemli gerçekleşen bir olaydır. Bu kişinin aşağıdan yamacın tepesine doğru kaymaya çalışması istemsiz gerçekleşen bir olaydır.

6- Bir dış ortamda yakılan odun dumanının atmosfere dağılması istemli bir olaydır. Odun dumanlarının tekrar bir araya gelmesi istemsiz bir olaydır.

Buna göre bir kimyasal tepkime veya fiziksel bir olay tek yönlü ise yani tersinin gerçekleşmesi imkansıza yakın bir değerde ise bu olay tek taraflıdır. Gerçekleştiği yönde istemlidir.

Bazı olaylar sadece tek taraflı gerçekleşebilir.

1 – Yanan bir kömür CO₂ oluşturur. Ancak CO₂ ten kömür sentezleyemeyiz.

2 – İki cisim birbirine sürtülürse ısınır, fakat iki cismi ısıtırsak birbirlerine sürtünmezler.

3 – Üzerinden akım geçen bir tel ısınır, fakat ısıtılan bir telin üzerinden akım geçmez.

4 – Bir demir parçası korozyona uğradıkça paslanır, fakat pastan tekrar demir parçası elde edilemez.

Termodinamiğin II. Yasası

"İstemli gerçekleşen her olay sistemin entropisini artırır. Yalıtılmamış sistemlerde gerçekleşen fiziksel veya kimyasal bir olayın entropisindeki değişim, sistemin entropisindeki değişim ile çevrenin entropisindeki değişimin toplamıdır".

Burada sistem, olayın gerçekleştiği ortamdır. Bu ortam bir kap, laboratuvar veya doğa olabilir.

ΔS = ΔS_sistem + ΔS_çevre

ΔS : Toplam entropideki değişim

ΔS_sistem : Sitemin entropisindeki değişim

ΔS_çevre : Çevrenin entropisindeki değişim

Entropi mekanik enerjiye çevrilemeyen termal enerji olarak tanımlanmaktaydı. Öyleyse;

Termodinamiğin ikinci yasası özetle, yalıtılmamış bir sistemde hiçbir enerjinin %100 işe dönüştürülemeyeceğini açıklar.

Sistemde düzensizlik arttıkça entropi de artar. Bu olay termodinamiğin II. Kanunu ile ilgilidir. Örneğin ısı transferi her zaman sıcak sistemden soğuk sisteme doğrudur. Isıyı soğuk sistemden sıcak sisteme doğru hareket ettirmek mümkün değildir.

İstemli bir olayda, ΔS > 0

Dengedeki bir olayda, ΔS = 0

İstemsiz bir tepkimede, ΔS < 0

ΔS, evrenin entropisidir, toplam entropi de denir.

Toplam entropi olayın meydana geldiği sistem ile sistemin gerçekleştiği ortamın entropilerinin toplamıdır.

ΔS = ΔS_toplam = ΔS_evren = ΔS_ortam + ΔS_sistem

Bir Kimyasal Tepkimenin Entropisi

Herhangi bir tepkime için standart entropi değişimi,

ΔS_tep = ΣΔS_ürünler – ΣΔS_reaktifler

Sabit basınçta bir tepkime için çevrenin (ortam) entropisindeki değişim;