in

Fiziğin temel ilkeleri – Termodinamik ve görelilik teorisi

Fiziğin temel ilkeleri yazı dizimiz devam ediyor. İlk bölümde mekanik ve optik, ikinci bölümde elektrik, manyetizma, atomlar ve radyoaktvite konularını anlatmıştık. Termodinamik çoğu kez "ısı enerjisi bilimi" olarak nitelendirilir. Oysa enerjinin ve ayrıca maddenin diğer bütün biçimlerini de inceler.

Termodinamik

Termodinamik yasaları bir nesnenin sıcaklığı, ısısı ve içsel enerjisi arasındaki ilişkileri açıklar. Katıların erimesi ve sıvıların buharlaşması enerji değişiminin örnekleridir. Kapalı bir sistem çevresiyle madde ya da enerji alışverişine girmez. Bu yalıtılmış bir test tüpü, bir makine ya da bütün evren olabilir.

Birinci Yasa

Termodinamiğin temel bir varsayımı farklı bir enerji türlerinin bulunduğudur: Kinetik enerji, potansiyel enerji, kimyasal enerji, enerji, ışık enerjisi vs. Bu farklı enerji biçimleri birbirine dönüşür; ama kapalı bir sistemdeki toplam enerji miktarı sabittir. Termodinamiğin birinci yasası enerjinin yoktan yaratılamayacağını ve yok edilemeyeceğini ön görür.

İkinci Yasa

Termodinamiğin ikinci yasası birincisine kısıtlamalar getirir. Entropi evrendeki düzensizliği bir ölçüsüdür. Örneğin, bir çay kaşığı kadar barut yakılınca gaz salar ve ısı üretir. Böylece uzağa dağılan parçacıklar daha değişken hızlara kavuşur. Aynı şekilde ısı sıcak nesnelerden soğuk nesnelere doğru akar. Bunun anlamı entropinin artmasıdır; çünkü evrende düzen azalır, yani evrene dair bilgi kısıtlanır. Yanma süreci tersine çevirebilir; ama bu bir enerji girdisini gerektirir. Buna dönük adımlar ise daha fazla entropi doğurur. Termodinamiğin ikinci yasası evrende entropinin artması yönünde bir eğilimin bulunduğunu öngörür.

İLGİLİ:  Edward Jenner kimdir? Çiçek aşısının keşfi ve İstanbul etkisi

Üçüncü Yasa

Bir milyon dereceyi aşkın sıcaklıklara ulaşmak mümkün olsa da, varılabilecek en düşük sıcaklık 273,15 derece, yani Kelvin ölçeğindeki sıfırdır. Bu olası en düşük dereceye mutlak sıfır denir. Teorik olarak, bu noktada madde artık bir enerji biçiminden yoksundur; çünkü parçacıklar hareket etmez. Termodinamiğin üçüncü yasası mutlaka sıfıra ulaşılamayacağını ön görür. Deneysel düzeyde laboratuvar mutlaka sıfıra bir derecenin milyonda biri kadar yaklaşmış, ama bu noktaya asla ulaşamamıştır. Sıcaklık ne kadar düşerse, daha aşağıda inmek o ölçüde zorlaşır.

Bilim ve teknolojide termodinamik

Bilim ve teknoloji termodinamiğin bilgi ve bulgularına başvurur. Örneğin, kimyada tepkimelerde enerji soğurmanın meydana gelip gelmediğini bilmek önemlidir. Mühendislikte motorların ve diğer termal makinelerin randımanı termodinamiğin ikinci yasasıyla ilişkilidir.

Devridaim makineleri

Ulrich von Cranach'ın 1664'te, bir çark, bir Archimedes (Arşimet) burgusu ve toplarla tasarladığı bir devridaim makinesi

Bilim insanları yüzyıllardan beri devridaim makineleri tasarlamışlardır. Bir örnek: Bir şelale bir su dolabını harekete geçirir. Su dolabına bağlanan bir pompa suyu tekrar yukarıda pompalar. Su dolabı bir yandan değirmeni çalıştırırken, bir yandan da kendi suyunu sağlar.

Böyle bir düzenek aslında işlemez. Su dolabının devinimine bağlı sürtünme şelalenin enerjisinde kayba yol açar. Suyun asla tükenmemesini sağlayacak bir pompayı çalıştırmak için şelaleyi kullanmaya kalkışmak sürtünme yoluyla daha büyük enerji kaybını getirir. Diğer olası makineler, aygıtlar ve motorlara gelince, enerji ya sürtünmeden ya da çevreye salınan ısıdan dolayı kaybolur.

Isı ölümü

Evrenin kapalı bir sistem olması nedeniyle, zamanın bir anında ısı ölümünün ortaya çıkması mümkündür. Bu durum evren sıcaklığı tek-örnek haline geldiğinde yaşanacaktır. Hayatı yaratan kimyasal ve fiziksel süreçlerin işlenemez hale gelmesiyle, o anda hiçbir canlı varlık yaşayamaz. Isı ölümü azami entropi durumudur ve termodinamikte ön görülen bir şeydir. Bütün enerji dönüşümleri gerçekleştiğinde ve bütün parçacıklar aynı kinetik enerjiyle hareket ettiğinde, hiçbir enerji akışı olamaz.

İLGİLİ:  Geometrinin tarihi: Ünlü bilimcilerin geometri keşifleri

Görelilik teorisi

Albert Einstein'ın teorileri fiziği ve dünyayı algılayışımızı değiştirdi. Öngörülen etkilerin geniş kapsamı, onun teorilerinin bütün sonuçlarını deneylerle doğrulamayı imkansız kılıyor. Albert Einstein 1905'te dört önemli makale yayımladı ve fizikçi olarak ün kazandı. Makaleleri arasında özel görelilik teorisini ve fotoelektrik etkiyi açıklayan çalışmaları da vardı. Einstein 1915'te genel görelilik teorisini yayımladı ve 1921'de Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.

Uzay ve zamanın göreliliği

Fizikçilerin karşılaştığı sorunlardan biri, Newton'un teorilerinin atom düzeyinde uygulanabilir olup olmadığıydı. Einstein fotoelektrik etki üzerinde çalışmasıyla bu konuyu açıklığa kavuşturdu. Soyut fiziğe dayanan yaklaşımının ilham kaynağı felsefe ve görsel karşılaştırmalardı.

Einstein'ın yaklaşımı

Newton'a göre uzay ve zaman, hızı hesaplamada kullanabilecek bağımsız değişkenlerdi. Einstein ışık hızını olası en büyük hız, ayrıca gerçek uzay ve zaman değişkenlerini hesaplamada doğal bir sabit değer sayma yoluna gitti.

Işığın Güneş'ten Dünya'ya yolculuğu yaklaşık 8 dakikadır. Bu da ışık hızının yaklaşık 300.000 km/s olduğu anlamına gelir. Yeryüzünden bakan bir kişi o andaki Güneş parlaklığını değil, Güneş'in 8 dakika önceki parlaklığını görür. Einstein referans çerçeveleri arasındaki dönüşüm denklemlerini türetmek için çıkarsamaları kullandı.

Genel görelilik teorisinde, yerçekimi uzay – zamanda bir eğri olarak açıkladı. Bu göre, yıldız gibi oldukça büyük kütleye sahip cisimler uzayı büker ve ışığın sapmasına yol açar. Kara deliklerin varlığına ilişkin teorisi daha sonraları bu temelde geliştirildi. Bir kara deliğin öylesine büyük kütlesi vardır ki, kütle çekimi alanı herhangi bir ışığın kaçmasını önler.

İLGİLİ:  Enerji içecekleri kalp ve kan basıncınız için kötüdür

E=mc²

Görelilik teorisinin ve fotoelektrik etkinin getirdiği bir sonuç, madde ile enerji arasındaki ilişkidir. Ünlü denklem E=mc² uyarınca, madde enerjiye dönüştürülebilir ve tersi de olabilir. Güneş enerjisinin kaynağı nötronlardan ve protonlardan oluşan helyumun kütlesindeki azalıştır. Nükleer fizyon enerjisi de buna benzer. Söz konusu denklemin atom bombasını ve nükleer fizyon teknolojisini geliştirmesiyle özdeşleşmesine karşın, bu aslında Einstein'in doğrudan çalışmadığı bir alandır.

Uygulama ve kapsam

Einstein yerçekimi kavramında bir çığır açtı ve elektromanyetik radyasyonun yayıldığı mecra anlamındaki esirin var olmadığını kanıtladı. Ayrıca kuantum mekaniğinin kurucuları arasında yer aldı. Bununla birlikte, Einstein inanılmaz bir dahi değildi. Yıllarını evrensel bir madde teorisini ortaya koyma çabasıyla geçirdi, ama bunu başaramadı. Onun fotoelektrik etki, görelilik teorisi ve genel görelilik üzerinde çalışmaları modern fiziğin yanı sıra 20. yüzyıla damgasını vuran teknolojik atılımların temelidir.

İkiz Paradoksu

 İkiz paradoksu için örnek bir görsel anlatım
İkiz paradoksu için örnek bir görsel anlatım

İkizlerin birbirinden ayrıldığı bir örnek düşünün. Biri yeryüzünde kalırken, diğeri ışık hızına yakın hıza sahip bir uzay gemisiyle uzayda yolculuk etsin. Uzaydan iki yıl sonra dönen kardeş, görelilik teorisi denklemlerinin kullandığı hesaplamalara göre, kardeşiyle karşılaştığında onun 40 yıl yaşlanmış olduğunu görecektir.

Uzay gemisinin hızı ne kadar yüksek olursa, zaman o ölçüde yavaş ilerler. Kütleli madde ışık hızıyla hareket edemez; ama bu hipotezde ışık hızına yakın bir hız varsayılarak hesaplamalar yapılabilir. Yeryüzünde kalan kardeş alışılmış biçimde yaşlanır. Yolculuk eden kardeş ise hareketli bir referans çerçevesinde zamanın daha yavaş ilerlemesi nedeniyle daha geç yaşlanır.

kara deliğin merkezi

Kara deliğe düşersek ne olur: İçinde ve diğer tarafta ne var?

kızıl gerdanlı güneş kuşu

Güneş kuşu (Nectariniidae) – Türler, özellikler, habitat ve dağılım