Termodinamika və 3 qanunu

Elm günü-gündən inkişaf edərək, özünü durmadan yeniləyir. Müasir texnologiyanın yaranmasına təkan verir, alimlər tərəfindən yeni nəzəriyyələr ortaya qoyulur və ya bir başqa nəzəriyyə yalnışlanaraq “arxivə” qoyulur. Artıq kvant fizikası, sim nəzəriyyəsi, M nəzəriyyəsi və başqa nəzəriyyələr dillər əzbərinə çevrilmişdir. Kvant fizikasının adını uşaqdan-böyüyə demək olar ki, hər kəs eşidir. Ölkəmizdə iş daha geniş “vüsət” almaqdadır. Belə ki, Youtube platformasından kvant fizikasına aid sənədli film izləyənlər belə sosial şəbəkələrdə buna aid status yazaraq özünü fizikanın, xüsusən kvant fizikasının bilicisi kimi göstərir. Bu yaxşı haldır, təbii ki, izləmək, öyrənmək yaxşıdır, ancaq daha özünü sanki illərdir CERN-də təcrübə aparan fiziklər kimi qələmə vermək düzgün deyil. Bir də əsas məsələ budur ki, təməl nəzəriyyələri bir kənara qoyaraq, ancaq Kvant, Sim və sair şeylərdən danışmaları məni düşündürməyə vadar et və bu yazını yazmağa qərar verdim. Bu yazıda sizlərə fizikanın ən təməl və gözəl, bir o qədərdə ağır qolu olan Termodinamika haqqında məlumat verəcəyəm. Yazıma başlamazdan əvvəl Termodinamikanın ağırlığını sizlərə bu cümlələrlə çatdırmaq istəyirəm: “Əgər siz gənc fiziksizsə, sizin əlinizdə yeni bir nəzəriyyəniz varsa və sizin nəzəriyyəniz Maksvel Elektrodinamikası ilə uyğun gəlmirsə, sizin haqlı olma ehtimalınız haradasa mümkündür. Ola bilsin, Maksvel səhv edib. Ancaq sizin nəzəriyyəniz Termodinamika ilə üst-üstə düşmürsə, ona ziddirsə, sizin haqlı olma ehtimalınız 0-a bərabərdir. Siz nəzəriyyənizi heç üzə çıxarma zəhmətinə belə qatlanmayın”.

İndi isə termodinamikaya daxil olaraq onun sirrini açmağa başlayaq. Termodinamika nədir? Hərfi mənası istilik qüvvəsi (termo, diamika) deməkdir. Termodinamika temperaturla bağlı olan prosesləri öyrənən fizika sahəsidir. Daha dəqiq tərifini versəm, Termodinamika enerjinin və qanunların bir növdən digərinə çevrilmələrini öyrənən elm sahəsidir. İşçi maddələrin köməyi ilə istilik və mexaniki enerjilərin qarşılıqlı çevrilməsinə baxılan hissəsi texniki termodinamika adlanır. Bir-biri ilə və ətraf mühitlə qarşılıqlı əlaqəsi olan cisimləri göstərən termodinamik sistem texniki termodinamikanın əsaslarından biridir. Termodinamik sistemlərə misal olaraq silindirdə porşenin hərəkəti ilə genişlənən və ya sıxılan qazları göstərmək olar. Termodinamika istilik hadisələri bağlı olduğu üçün bu hadisələri analiz edərkən bir neçə parametrlərdən istifadə edilir. Bu parametrlərə hal göstəriciləri də deyilir. Hal göstəriciləri – istilik, təzyiq və xüsusi çəki ilə müəyyən edilir. Bu parametrlər bəzən sistemin funksiyası adlanır. İstilik – makroskopik sistemin termodinamik tarazlıq halını xarakterizə edən fiziki kəmiyyətdir. Termodinamik fizika inkişaf etdirildikcə artıq aksiom halını alan qanunlar ortaya qoyuldu. Belə ki, əvvəlcə qanun olaraq ortaya atılan daha sonra fiziki-riyazi metodlarla isbatlanan qanunlar o qədər dəqiq bir şəkildə işlədi ki, artıq o qanunlar aksiom halını aldı.

Termodinamikanın 3 qanunu

Termodinamikanın 1-ci qanunu

Termodinamikanın birinci qanunu enerjinin saxlanma qanununun həm də istilik hadisələrinə tətbiqindən ibarətdir. Bu qanunu ifadə etməzdən əvvəl mexanikada enerjinin saxlanma qanununu bir daha yada salaq: daxilində yalnız konservativ qüvvələr təsir göstərən qapalı sistemin tam mexaniki enerjisi sabitdir. Bəs sistem daxilində həm də qeyri-konservativ, məsələn, sürtünmə qüvvəsi təsir göstərdikdə hansı hadisələr baş verir ki, mexaniki enerjinin saxlanma qanunu pozulur? Bu zaman mexaniki enerjinin bir hissəsi sürtünmə nəticəsində istiliyə çevrilir. Enerjinin istiliyə çevrilən hissəsini (sürtünmə nəticəsində ayrılan istilik miqdarını) də nəzərə alsaq, bu halda da tam enerjinin saxlandığını deyə bilərik. Mexanika bəhsində istilik miqdarı anlayışı olmadığına görə enerjinin saxlanma qanununun təsir dairəsi məhdudlaşır. Bu məhdudluq istilik hadisələri də nəzərə alındıqda aradan qaldırılır. Məlum olduğu kimi, qazın daxili enerjisinin dəyişməsi, onun üzərində görülən, yaxud qazın özünün gördüyü işlə bağlıdır. Deməli, sistemin daxili enerjisi və görülən makroskopik iş bir-biri ilə əlaqədar kəmiyyətlərdir. Bəs sistemə xarici istilik mənbəyindən müəyyən istilik miqdarı verdikdə, sistemdə hansı dəyişikliklər baş verir? Termodinamikanın birinci qanunu bilavasitə bu sualla əlaqədardır. Həmin qanunun məzmunu belədir: sistemə verilən istilik miqdarı (δQ), onun daxili enerjisinin artmasına ( dE ) və sistem tərəfindən xarici qüvvələrə qarşı görülən işə (δA) sərf olunur. Riyazi olaraq termodinamikanın birinci qanunu belə ifadə olunur:

ΔQ = ΔU + ΔA
ΔQ – İstilik miqdarı (cismə kənardan verilən istilik miqdarı)
ΔU – Cismin daxili enerjisinin artması
ΔA – Enerjinn sərf olunduğu iş

Termodinamikanın 1-ci qanunundan belə bir maraqlı nəticə alınır. Ətraf cisimlərdə heç bir dəyişiklik etmədən heçdən iş görmək olmaz. Heçdən iş görə bilən belə bir qurğu olsaydı, onu daimi mühərrik adlandırmaq olardı. Bunu nəzərə alaraq daimi mühərrikə belə tərif vermək olar: Yeganə nəticəsi heçdən iş görməklə nəticələnən proses əsasında işləyən qurğu birinci növ daimi mühərrik adlanır. Birinci növ daimi mühərrik yaratmaq üçün göstərilən çoxlu sayda cəhdlərə baxmayaraq bu qurğu termodinamikanın birinci qanuna zidd olduğundan həmin cəhdlərin hamısı iflasa uğramışdır. Termodinamikanın birinci qanununu şərh və təhlil edərkən onun tətbiq olunduğu sistem üzərinə heç bir şərt qoymadıq. Bu səbəbdən termodinamikanın birinci qanunu istənilən termodinamik sistem üçün doğrudur. Xüsusi halda sistem qapalı (izolə olunmuş) olarsa, onun xariclə heç bir əlaqəsi olmadığından dQ=0 və dA=0 olur. Bunları yuxarıdaki formulda nəzərə alsaq, dE=0 və buradan, E=sabit alırıq. Deməli, qapalı sistem daxilində hansı proseslərin getməsindən asılı olmayaraq onun daxili enerjisi dəyişmir. Bu ifadə qapalı sistemlər üçün termodinamikanın birinci qanunudur. Unutmamaq lazımdır ki, termodinamika yalnız çoxlu sayda zərrəciklərdən ibarət sistemləri öyrənə bildiyindən birinci qanunu ayrı-ayrı atom, yaxud molekullara tətbiq etmək olmaz. Bu mənada termodinamikanın birinci qanunu mexanikada enerjinin saxlanma qanununa nəzərən məhduddur. Bundan fərqli olaraq ayrılıqda götürülmüş atom və molekullara, həmçinin az sayda zərrəciklərdən ibarət sistemlərə mexaniki enerjinin saxlanma qanununu tətbiq etmək olar. Birinci qanunun izahının sonunda enerjinin saxlanma qanununun tarixinə çox qısa nəzər salaq.

Bu qanun üç böyük alimin adları ilə bağlıdır. Bunlar Mayer, Helmhols və Couldur. Məşhur yapon fizikaşünası R. Kubo bu 3 alim haqqında deyir: “Yulius Robert Mayer (1814-1878) həqiqətən dahidir. O, bizim dünyaya yeganə bir məqsədlə – belə böyük kəşf etmək məqsədilə təşrif buyurdu. German Lüdviq Ferdinand Helmhols (1821-1894) bu qanunu “Erhaltung der Kraft”, yəni enerjinin saxlanma qanunu adlandırdı. Mayer kim o, da fəaliyyətə həkim olaraq başladı, mənalı ömrünü isə o zamanın böyük fizioloqu və fizikaşünası kimi yaşadı. Ceyms Preskott Coul (1818-1889) 40 ildən çox müddət ərzində iş və istiliyin ekvivalentliyini eksperimental tədqiq etməklə məşğul oldu. Bu üç nəhənglərdən həmin qanunu müəyyənləşdirməyə müyəssər olan birinci şəxs və bu sahədəki fəaliyyəti etiraf olunan sonuncu şəxs Mayer olmuşdur.”

Termodinamikanın 2-ci qanunu

Bu qanun sistemin entropiyasının yüksəlməsi qanunu kimi də bilinir. Mahiyyəti budur ki, qapalı sistemdə baş verən bütün istilik prosesləri üçün entropiyanın artması zəruridir, qapalı sistemin entropiyasının mümkün maksimum qiyməti (kəmiyyəti) istilik tarazlığında əldə olunur. Termodinamikanın II qanununun kəşfi fransız alimi S.Karlo (1796-1832), ingilis fiziki U. Tomson və R. Klauzisin işləridir. Bu kəşf 19-cu əsrin 50-ci illərində baş vermişdir. Qeyri-taraz proseslərin termodinamikasının banilərindən biri Belçika alimi İ.R. Priqojin (1917-2003) özünün mühazirələrindən birində (1977-ci ildə) demişdir: Elm tarixində termodinamikanın II qanunu izah etməli olduğu hadisələr çərçivəsindən kənara çıxaraq elmdə görkəmli rol oynadı. Onu demək yetər ki, Bolsmanın kinetik nəzəriyyə sahəsindəki işləri, M.Plankın şüalanmanın kvant nəzəriyyəsi və A. Enşteynin spontan emissiya nəzəriyyəsinin əsasında termodinamikanın II qanunu durur. Termodinamikanən 2-ci qanunu bir çox alimlər başqa cürə tərif etmişdilər, ancaq ümumi məna eynidir.
Klauzius: İstilik özbaşına soyuq cisimdən isti cismə keçə bilməz.
Kelvin: Yeganə nəticəsi istilik mənbəyinin daxili enerjisinin azalması hesabına iş görmək olan dairəvi dövri proses mümkün deyildir.
Plank: Yeganə nəticəsi istilik mənbəyinin soyuması hesabına yük qaldıran dövri işləyən maşın düzəltmək olmaz.

Fiziki qanunların şərh formalarının xüsusiyyəti ondan ibarətdir ki, oradakı sözlərdən hər birinin öz yeri və mənası var – onlardan biri atılarsa qanunun mahiyyəti ya itər, ya da təhrif olunar. Bu baxımdan Kelvin və Plankın ifadələrində işlədilən “yeganə nəticəsi” ifadəsinin dərin fiziki mənasına nəzər salaq. Əvvəla, onu qeyd edək ki, bu ifadəni tərifdən çıxarsaq məna tamamilə itər. Mənanın itməməyi şərti ilə həmin ifadəni mənaca ona ekvivalent olan “ətraf mühitdə heç bir dəyişiklik yaratmadan” ifadəsi ilə də əvəz edə bilərik. Hər iki halda mahiyyət ondan ibarətdir ki, qurulacaq maşının istilik çənindən aldığı enerji hesabına onun periodik işləməsi yalnız bir nəticəyə gətirməlidir – iş görülməlidir. Bu dediklərimi sadə misalla izah edim: bildiyimiz kimi məişətdə istifadə olunan soyuducular onun içərisinə qoyulmuş ərzaqı otaq temperaturundan başlayaraq soyudur. Bu o zaman mümkündür ki, ərzaqdan istilik miqdarı alınıb temperaturu daha yüksək olan ətraf mühitə verilsin. İlk baxışda elə görünə bilər ki, istilik özbaşına olaraq soyuq cisimdən isti cismə keçir – termodinamikanın ikinci qanunu üçün Klauziusun verdiyi tərif ödənmir. Lakin, unutmamalıyıq ki, istiliyin soyuq cisimdən isti cismə keçməsi özbaşına olmur. Bu prosesi reallaşdıran elektrik şəbəkəsinə birləşdirilmiş soyuducunun həmin şəbəkədən aldığı elektrik enerjisidir. Bu enerji ətraf mühitdən (kənar mənbədən) alındığına görə, soyuducunun işləməsi nəticə- sində təkcə soyuq cisim (soyuducudakı ərzaq) soyumaqda davam etmir, həm də ətraf mühitdə dəyişiklik baş verir – oradan enerji alınır. Deməli, bu prosesdə də termodinamikanın ikinci qanunu ilə ziddiyyət təşkil edən heç bir hadisə baş vermir, tərsinə soyuducuda baş verən hadisə – ərzağın soyuması termodinamikanın ikinci qanununa tam uyğun şəkildə baş verir.

Yuxarıda adı çəkilən İstilik Maşını – Sadi Karnonun əsas fəalliyət sahəsi olan “İdeal İstilik” və Karno Maşınıdır. Yəni tarixi faktlara nəzər salsaq görərik ki, Karnonun işlərindən alınan dərin mənalı nəticələr nə onun özü, nə də müasirləri tərəfindən yetərincə başa düşülmədiyinə görə onun işlərinin nəticəsi termodinamikanın ikinci qanunu şəklində ifadə oluna bilməmişdir. Bu nəticə yalnız Karnonun vəfatından xeyli sonra, 1850-ci ildə İsveç alimi Vilyam Tomson (1824-1907-ci illərdə yaşamış, elmdəki müstəsna əhəmiyyətli xidmətlərinə görə sonralar ona lord Kelvin adı verilmişdir) və alman alimi Rudolf Klauzius (1822-1888) tərəfindən qanun şəklinə salınmışdır. Daha sonralar isə entropiya anlayışı ilə daha da umumiləşdirilmişdir Bu hissədə S.Karnonun İstilik Maşınına-Karno Maşınına və entropiyaya toxunmayacam.

Termodinamikanın 3-cü qanunu.

Termodinamikanın birinci və ikinci qanunları üzərində ətraflı dayandıq. Birinci qanunun atom və molekulların istilik hərəkətləri və bununla əlaqədar meydana gələn istilik enerjisi də nəzərə alınmaqla enerjinin saxlanma qanununu ifadə etdiyini söylədik. Həmin qanuna görə istiliyin soyuq cisimdən isti cismə keçməsi mümkündür. Vacib olanı odur ki, iki cisimdən ibarət sistemdə soyuq cisimdən alınan istilik miqdarı isti cismə verilən istilik miqdarına bərabər olsun. Bu qanuna görə enerjinin saxlandığı bütün hallarda prosesin istənilən istiqamətdə getməsi üçün heç bir qadağa yoxdur. Deməli, birinci qanun prosesin real getmə istiqaməti haqqında heç bir məlumat vermir, daha doğrusu verə bilmir. İkinci qanun bu qüsuru aradan qaldırdı. O prosesin getmə istiqamətini müəyyən edən qanundur. İkinci qanundan çıxan mühüm nəticələrdən biri də mütləq sıfır temperaturun varlığıdır, lakin praktik olaraq bu temperaturu əldə etmənin qeyri-mümkünlüyüdür. Bununla yanaşı, ikinci qanun mütləq sıfır temperaturun bilavasitə yaxınlığında və mütləq sıfır temperaturda fiziki kəmiyyətlərin dəyişmə xarakterləri haqqında heç nə deyə bilmir. Qarşıya çıxan çətinlik bununla bitmir. Məlum olduğu kimi entropiya onun diferensialı (dS) vasitəsilə hesablanır. Bu səbəbdən S kəmiyyəti müəyyən sabit (məsələn: S0 ) dəqiqliyi ilə təyin olunur. Bizi adətən müxtəlif hallardakı entropiyalar fərqi maraqlandırdığından haqqında danışdığımız qeyri-müəyyənlik əhəmiyyət kəsb etmir. Lakin elə hal funksiyaları vardır ki, onlar ST hasili vasitəsilə təyin olunur. Buna misal Helmholsun (F=E-ST) və Qibbsin (H=E-ST+pV) sərbəst enerjilərini göstərmək olar. Bu hallarda qeyri-müəyyənlik S0 ilə deyil, T*S0 hasili ilə əlaqədardır. Ona görə də, iki müxtəlif temperatura uyğun gələn belə hal funksiyalarının fərqini təyin edərkən ( xüsusilə də, kimyəvi proseslərin təhlili zamanı), sıfırdan fərqli olan (T2 –T1) S0 həddi meydana gəlir. Deməli, entropiyanın sabit dəqiqliyi ilə təyin olunan qiymətini deyil, mütləq qiymətin təyin etməyi bacarmaq lazımdır. Əks halda, yəni S0 kəmiyyətini konkretləşdirməsək, ST hasili daxil olan hal funksiyalarının termodinamikada işlədilməsi mənasız olur. Qarşıya çıxan bu problem termodinamikanın üçüncü qanunu vasitəsilə həll olunmuşdur. Termodinamikanın üçüncü qanunu Nernst tərəfindən empirik üsulla müəyyənləşdirilmişdir. Ona görə bir çox ədəbiyyatlarda bu qanun “Nernstin istilik teoremi” adlandırılır. Termodinamikanın üçüncü qanununu Nernstin ifadə etdiyi kimi təqdim etmək bəsit olmadığından onun Plank tərəfindən ifadə olunmuş formasını şərh etmək daha məqsədəuyğundur:

Mütləq sıfır temperaturda sistemin ola biləcəyi bütün tarazlıq hallarında entropiya dəyişməz qalır.

Ancaq ədəbiyyatlarda Nernst nəzəriyyəsi olaraq daha çox qarşıla bilərsiz. Nernstin dili ilə ifadə edəsi olsaq: Tarazlıqda olan sistemin entropiyası temperaturun mütləq “0”-a yaxınlaşması ilə “0”-a can atır. Bu, “istilik nəzəriyyəsi” adlanır.

Artıq yazımda Termodinamikaya, onun qanunlarına mümkün qədər dərin bir formada toxundum və çalışdım ki, termodinamikanın önəmini sizlərə çatıdırım. Termodinamika özü-özlüyündə böyük bir nəzəriyyədir. Hətta fizikanın bütün sahələrində keçərli olan entropiya kimi anlayışlar da buraya daxildir ki, onun haqqında başqa yazılarda məlumat verəcəyəm. Qıaca deyə bilərəm ki, entropiya ümumilikdə kainata baxış bucağını dəyişən bir kəmiyyət - mövhum oldu. İnanıram ki, termodinamikanın önəmini, ağırlığını və gözəlliyini izah edə bildim.