Termodinamik Sistem Tanımı ve Sınıflandırma Temelleri
Bir termodinamik sistem, termodinamik yasaları kullanılarak incelenebilen, çevresinden ayrılmış bir madde ve/veya radyasyon bütünüdür. Sistem, onu sınırlayan ve çevresine bağlayan duvarlarla çevrilidir. Çoğunlukla bir duvar, üzerinden bir tür madde veya enerji geçişini kısıtlayarak bağlantıyı dolaylı hale getirir. Bazen bir duvar, çevreyle bağlantının doğrudan olduğu hayali iki boyutlu kapalı bir yüzeyden fazlası değildir.
Sistem, korunan (madde ve enerji gibi) veya korunmayan (entropi gibi) niceliklerin sisteme girip çıkabildiği, gerçek veya kavramsal duvarlar veya sınırlarla sınırlandırılmıştır. Termodinamik sistemin dışındaki uzay, çevre, rezervuar veya ortam olarak bilinir. Duvarların özellikleri hangi transferlerin gerçekleşebileceğini belirler. Bir niceliğin transferine izin veren bir duvara, o niceliğe geçirgen denir ve bir termodinamik sistem, çeşitli duvarlarının geçirgenliklerine göre sınıflandırılır.
İç Süreçlere Göre Pasif ve Aktif Sistemler
Termodinamik sistemler, iç süreçlerine göre pasif ve aktif olabilirler. İç süreçlere göre pasif ve aktif sistemler şu şekilde ayırt edilir: Mevcut enerjinin yeniden dağılımının olduğu pasif sistemler ve bir enerji türünün diğerine dönüştüğü aktif sistemler.
Termodinamik sistemin içinde, örneğin bir ucu diğerinden daha sıcak olan bir çubukta olduğu gibi bir sıcaklık farkı varsa, o zaman içinde daha soğuk kısmın sıcaklığının yükseldiği ve daha sıcak kısmın sıcaklığının düştüğü termal enerji transfer süreçleri meydana gelir. Sonuç olarak, bir sonra çubuktaki sıcaklık eşitlenecek ve çubuk termodinamik denge durumuna gelecektir.
Termodinamik bir sistemin içinde bir enerji türünün diğerine dönüştürülülmesi süreci gerçekleşiyorsa (örneğin kimyasal reaksiyonlarda, elektrik veya pnömatik motorlarda, bir katı cisim diğerine sürtündüğünde), enerji açığa çıkma veya soğurma (absorption) süreçleri meydana gelecek ve termodinamik sistem çevreye göre her zaman dengedışı bir duruma yönelme eğiliminde olacaktır.
Tarihsel Gelişim
Termodinamik sistemlerin sınıflandırılması, termodinamik sistemin bir bilim olarak gelişmesiyle ortaya çıkmıştır. İlk ısı makineleri teorisinden (Saadi Carnot, Fransa, 1824) yitirgen sistemlerin teorisine (theory of dissipative structures; Ilya Prigogine, Belçika, 1971) kadar olan dönemde termodinamik süreçlerin teorik çalışmaları, esas olarak termodinamik sistemlerin çevre ile etkileşim modellerini ilgilendiriyordu.
2010 yılında Boris Dobroborsky (İsrail, Rusya), enerji yeniden dağılımından (pasif sistemler) ve enerji dönüşümünden (aktif sistemler) oluşan iç süreçlere göre termodinamik sistemlerin bir sınıflandırmasını önerdi.
Denge ve Dengedış Durumlar
Bir termodinamik sistemin belirli bir zamandaki fiziksel durumu, bir dizi termodinamik durum değişkeninin değerleri ile belirtilen durumu ile tanımlanır. Bir termodinamik sistem, içinde veya diğer sistemlerle arasında makroskobik olarak belirgin madde veya enerji akışları olmadığında termodinamik dengedir.
Termodinamik denge, yalnızca kütle veya enerji akışının yokluğu ile değil, aynı zamanda “makroskobik ölçekte değişime yönelik herhangi bir eğilimin yokluğu” ile karakterize edilir. Dengedeki bir sistemin termodinamik özellikleri zamanla değişmez. Denge sistemi durumlarını deterministik bir şekilde tanımlamak, dengedışı durumlara göre çok daha kolaydır.
Denge termodinamik süreçleri akıları içerebilir, ancak bir sistemi nihai termodinamik durumuna getiren bir termodinamik süreç veya işlem tamamlandığında bu akılar durmuş olmalıdır. Dengedışı termodinamik, durum değişkenlerinin, bir sistem ve çevresi arasındaki kütle, enerji veya entropi transferlerini tanımlayan sıfır olmayan akıları içermesine izin verir.
Sistem Türleri ve Enerji Transferi
Ortamla etkileşimine bağlı olarak bir termodinamik sistem, yalıtılmış sistem, kapalı sistem veya açık sistem olabilir. Yalıtılmış bir sistem, çevresiyle madde veya enerji alışverişinde bulunmaz. Kapalı bir sistem ısı alışverişi yapabilir, kuvvetlere maruz kalabilir ve kuvvet uygulayabilir (iş yapabilir), ancak madde alışverişinde bulunmaz. Açık bir sistem ise çevresiyle hem madde hem de enerji alışverişi yaparak etkileşime girebilir.
Kapalı bir sistemde, sistem sınırlarından içeri veya dışarı kütle transfer edilemez. Sistem her zaman aynı miktarda madde içerir, ancak (duyumsanır; sensible) ısı ve (sınır) işi, sistemin sınırı boyunca değiş tokuş edilebilir. Kapalı sistemler için enerji transferlerine ilişkin termodinamik sistemin birinci yasası şöyle ifade edilebilir: ΔU = Q − W, burada U sistemin iç enerjisini, Q sisteme eklenen ısıyı, W ise sistem tarafından yapılan işi gösterir.
Gerçekte, doğada neredeyse hiçbir şey mutlak termodinamik dengede değildir, ancak termodinamik denge varsayımı genellikle hem teorik hem de deneysel olarak çok yararlı idealleştirmeler veya yaklaşımlar sağlar. Dengedışı termodinamik, yerleşik bir yapıdan ziyade üzerinde halen çalışılan bir konudur. Örnek teoriler ve modelleme yaklaşımları arasında karmaşık akışkanlar, viskoelastisite ve yumuşak malzemeler için GENERIC formalizmi yer alır.
Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.
