Neden Her Şey Düzensizliğe Doğru Gider? Entropi Nedir?

Neden Her Şey Düzensizliğe Doğru Gider? Entropi Nedir?

Sert bir cisim alır ve onu evinizin camına fırlatırsanız cam kırılabilir. Şimdi o camın tüm parçalarını alıp birleştirip hiçbir kusur olmadan eski haline geri getirdiğimizi düşünelim. Camı eski haline getirmeye çalışmak ne kadar zor bir iş, değil mi? Ama camı kırmak hiç de zor değil. En fazla 3 saniyemi alabilecek parçalama olayına karşılık saatlerimi belki de günlerimi alabilecek birleştirme olayı… Çok garip! Bozulan teknolojik aletin tamir edilmesi, kullanılan bir kâğıdın geri dönüşümle yeniden kullanılabilir bir kâğıda dönüşmesi, kırılan kemiğin iyileşmesi… Fark ettiyseniz günlük hayattan alınan bunlar ve bunlar gibi birçok durumda sorun çıkarmak, onu düzeltmekten çok daha kolaydır. Daha bilimsel bir dil ile ifade edersek: Düzensizlik düzenden daha olasıdır. İşte entropi kavramı tam olarak bu durumu anlatıyor. Birçok yerde duyarız entropi kelimesini: fizik, kimya, kozmoloji, istatistik, ekonomi, felsefe. Peki ya nedir bu entropi?

Kısaca entropi, birim sıcaklıkta faydalı iş yapmak için kullanılamayan enerji miktarıdır. Bunun yanı sıra, düzensizliğin ölçüsü olarak da kullanılır. Yani düzensizlik artarsa bu, entropinin arttığını gösterir. Yukarıda bahsettiğim gibi, evrendeki düzensizlik daima ya artma eğilimi gösterir ya da durgun halde kalır. Ama asla azalmaz. Yani hiçbir şey düzensizden düzenliye artma eğilimi göstermez. Bu nasıl olur? Bunu anlayabilmek için öncelikle termodinamik yasalarını bilmemiz lazım. Bildiğiniz gibi termodinamik yasaları sıfırdan başlıyor:

Termodinamik Yasaları

Yasa – 0: İki sistem üçüncü bir sistem ile termal dengede ise birbirleriyle de termal denge içerisindelerdir.

Sıcaklıkları farklı olan cisimler mutlaka birbirleriyle ortak bir sıcaklığa gelene kadar ısı alışverişi yapacaklardır. Sıcak olan soğur, soğuk olan ısınır.

Yasa – 1: Enerji yoktan var, varken de yok edilemez.

Evrendeki enerji miktarı sabittir. Bu yüzden yeni enerji yaratmak veya var olan enerjiyi yok etmek imkânsızdır. Sadece farklı enerji türleri birbirine dönüşebilir. Örneğin ellerimizi birbirine sürttüğümüzde ısınır. Burada ısı enerjisi yaratmış olmayız. Sadece sürtünme kuvveti, kinetik enerjiyi ısı enerjisine çevirmiştir.

Yasa – 2: İzole bir sistemin(evren) entropisi mutlaka artar ve hiç azalmaz.

Dışarıyla etkileşimi olmayan bir yerin entropi seviyesi kendiliğinden, her zaman maksimum entropi durumuna çıkma eğilimi gösterir. Bunu bir odaya benzetebiliriz. Temizlenmediği sürece zamanla kirlenir(entropisi artar). Sonra bir gün odayı temizleriz, entropisi azalır fakat odayı temizlemek için harcanan enerjinin yarattığı entropi azalan entropiden mutlaka fazladır. Bunun yanında girişte bahsettiğim olaylar da buna örnek olarak verilebilir.

Yasa – 3: Bir sistemin sıcaklığı mutlak sıfıra ( 0 Kelvin veya -273,15 Santigrat derece ) yaklaştıkça entropisi de sabit bir değere yaklaşır.

Bildiğiniz gibi sıcaklık, bir maddeyi oluşturan atomların ortalama enerjisiydi. Mutlak sıfırdan daha düşük bir sıcaklık seviyesi yoktur. Çünkü mutlak sıfırda bir maddeyi oluşturan atomların hepsi durmuştur. Hiçbir hareketleri yok dolayısıyla hızları yok, dolayısıyla sıcaklıkları yok ve dolayısıyla ısıları yani enerjileri yoktur. Ve enerjinin olmadığı yerde entropi de artış göstermez. Ve ısı enerjisi arttıkça da entropi daima artış gösterir ( bunun nedenine birazdan değineceğiz ). Bu yüzden entropi mutlak sıfırın üzerindeki her şey için artış gösterecektir.

Termodinamiğin 4 yasası sayesinde entropi hakkında biraz bilgi edinmiş olduk. Şimdi bu bilgiler ışığında entropinin neden zorunlu olduğunu, nasıl işlediğini anlamaya çalışacağız.

Bir Cismin Entropisi

İlk olarak tek bir maddenin entropisinin nasıl işlediğine bakalım. Entropinin 3. yasasını hatırlarsak( termodinamik yasalarının işimize yarayacağını söylemiştim ) belli bir sıcaklığa sahip olan cisimlerin entropisi daima artış gösterecekti. Ama hangi cisim, ne kadar gösterir? Ortaokuldan bildiğimiz gibi cisimler ısı aldıkça veya verdikçe hal değiştirirler. Bir cisim ısı alarak katı halden sıvı veya gaz hale geçtikçe atomlar hızlanır, birbirlerinden uzaklaşır ve düzenliden daha dağınık hale geçerler. Sıvının, katının aksine akışkan olmasının nedeni budur. Veya seslerin katıda daha iyi iletilmesinin nedeni, katıyı oluşturan atomların birbirine daha yakın olması ve bu yüzden ses dalgalarını daha iyi iletebilmeleridir. Bu yüzden ısı alan yani enerjisi artan cismin atomlarının entropisi daima artış gösterecektir.

Şimdi ise termodinamiğin 1. yasasına bir bakalım: Enerji yoktan var, varken de yok edilemez. Bu madde belki de bilimde en çok tanınan yasalardan biridir. Evrendeki enerjinin değişmediğini, bunların sadece farklı türlere dönüştüğünden bahsetmiştik. İşte bu enerjinin dönüşümü de aslında entropiyi arttıran temel unsurlardan birisidir.

Yine bir tek maddeyi ele alalım: en basitinden bir kutu. Çevresiyle termal dengededir ve iç enerjisi sabittir. Bu kutuyu sürükleyerek A noktasından B noktasına taşıdığımızı varsayalım. Bu çok basit bir eylem gibi gelebilir ama bunu yaparken kutunun entropisini arttırmış olduk. Çünkü A noktasındaykenki iç enerjisiyle B noktasındaykenki iç enerjisi farklıdır. Bunun nedeni, kutunun kinetik enerjisinin sürtünme kuvvetinden doğan ısı enerjisine dönüşümüdür. Böylelikle kutu kendi içerisindeki toplu ve düzenli halde bulunan enerjinin bir kısmını dağıtarak zemine aktarmıştır. Bunun aynısı arabalardaki ısının mekanik enerjiye dönüşümünde de gözlenebilir. Veya lambada elektrik enerjisinin ısı ve ışığa dönüşümünde… Tüm bunlardan çıkarabileceğimiz sonuç şudur ki: Enerji gerek yapay gerekse doğal haliyle mutlaka dönüşüme uğrar ve bu yine entropinin artmasını sağlar.

Bir Sistemin Entropisi

İkinci olarak entropiye sistemsel gözle bakmaya çalışalım. Maddelerin içerisinde kuanta adı verilen ve enerji taşıyan parçacıklar vardır. Bunlar atomlar arasındaki enerji bağlarında depolanırlar. Tahmin edileceği üzere bir cisim içerisindeki bağlarda ne kadar kuanta mevcutsa cisim o kadar enerjiye yani sıcaklığa sahiptir.

Şimdi yan yana duran, birbirinden farklı sıcaklıklarda olan iki cisim düşünelim: Sıcak olan çok kuantaya sahip, soğuk olan ise daha az kuantaya sahiptir. Buradaki kuantalar hareketleri sayesinde birçok farklı duruma geçiş yapabilirler. Bu durumların sayısı inanılmaz fazladır. Ama sonuç olarak 3 olasılık vardır: ya soğuk cisim daha da soğuyup sıcak cisim daha da ısınacak ya iki cismin de durumu değişmeyecek ya da ikisi de aynı sıcaklığa gelene kadar soğuk olan ısınıp sıcak olan soğuyacaktır. Bilim insanları ilk başta birkaç atomdaki enerji bağlarını kombinasyon kullanarak hesaplamıştır ve bunlarda en olası sonucun 3. durum olduğunu hesaplamışlardır. Ve aynı kombinasyonu elle tutulabilen boyutlardaki nesnelere uyguladıklarında 1. ve 2. durumların çok çok çok küçük olasılıkla 3. durumun ise çok çok çok büyük olasılıkla gerçekleştiğini hesaplamışlardır. Bu demek oluyor ki enerji, cisimler arasında en dağınık halde olduğu durumda olmaya ve cisimler de bulunduğu durumdan çıkmaya eğilimlidirler.

Entropi Sonumuz mu?

Entropi, sandığımızın aksine evrenin durmaksızın işleyen bir düzen değil de düzensizliğe giden bir düzen olduğunu açıklamıştır. Yıldızlar ölür, devasa galaksiler çarpışır, evren genişler. Hatta bu konuyla ilgilenen bazı teorisyenler evrenin sonunu entropinin getireceğine inanır. Sürekli dağılma durumunda olan her şey, bir gün, en sonunda gidebileceği maksimum entropi seviyesine varacaktır ve dağılabilecek hiçbir şey kalmayacaktır. Galaksiler dağılacak, sistemleri oluşturan gezegenler yörüngesinden kopacak, kütleçekimi gezegenleri tek parça halinde tutmaya yetmeyecektir. En sonunda atomları bir arada tutan elektromanyetik kuvvet bile yok olunca biz ve bizim gibi organizmaların sonu gelecek ve evren sonsuz bir karanlığa gömülecektir.

Evet, biraz korkutucu. Ama bunun sadece birer teori olduğunu unutmayalım. Aslında sorun hangi entropiden bahsettiğimizdedir. Başta söylediğim gibi entropi birçok alanda kullanılan bir kavram. Genel olarak rastgelelik veya düzensizliğin ölçüsü olarak tanımlanır fakat bu, birçok alanda farklı anlamlarda algılanır. Mekanikte faydalı işe çevrilemeyen enerji miktarı; termodinamikte ısının farklı maddelere farklı dağılımının veya atomların maddeye düzensiz dağılımının bir ölçüsü; felsefede ve teolojide evreni düzensizliğe iten kanun veya güç; sosyolojide toplumların düzeni sevmeyip, onu yıkma isteğidir… Entropi kavramı için bunlar gibi çeşitli, birçok tanım vardır. Biz bu yazıda fizik üzerine olan anlamını anlatmaya çalıştık. Eğer entropi kavramı ilginizi çektiyse diğer alanlardaki entropi kavramı üzerine yazılarımızın da gelmesini istiyorsanız bunu yorumlarda belirtebilirsiniz.

Kaynakçalar Ve İleri Araştırmalar

https://tr.wikipedia.org/wiki/Entropy

https://en.wikipedia.org/wiki/Entropy_(Buffy_the_Vampire_Slayer)

https://www.britannica.com/science/entropy-physics

https://www.thoughtco.com/definition-of-entropy-604458

https://jamesclear.com/entropy

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir