Entropi Nedir, Ne Demek? – Entropi Ve Termodinamik

Entropi Nedir, Ne Demek? – Entropi Ve Termodinamik

Entropi, “düzensizlik” eylemini bildiren ölçüm ve bilim disiplini. Fakat burada bir ayrım yapmakta fayda var, entropi için kullanılan düzensizlik kelimesi entropiyi daha iyi anlatabilmek adına kullanılır. Bunu yazımızın ilerleyen kısımlarında anlatacağız. İlk önce entropinin ne olduğuna, entropi ne demek ve entropi nedir sorularına ufak bir yanıt verelim.

Entropi Nedir?

Entropi nedir sorusunun cevabını verebilmek kolay gibi gözükse de aslında değildir. Çünkü entropi, termodinamik gibi evrenin, kelimenin tam anlamıyla en temel yasalarından birisidir. Aynı zamanda hayatımızın pek çok alanında da kullanılan bir terimdir.

Genel tanımı ise şudur “Mekanik işe çevrilemeyecek termal enerji”. Termodinamik yasalarında ise olasılığı veya rastgeleliği ölçmek için kullanılır.

Peki gerçekte entropi nedir? Örnekler vererek açıklayalım;

En meşhur örneklerden birisiyle başlamak gerekirse bir bardağın kırılması entropinin en popüler örneklerinden birisidir. Olay örgüsünü baştan başlatacak olursak masanın üzerinde duran bir cam bardağı düşünelim. Bardağın bu durumda entropisi 1’dir, fakat bardağı alıp yere atacak olursanız bardağın -açıklama veya felsefi anlamında- “düzenden düzensizliğe” geçişi gerçekleşir. Bardak yere düştüğü anda parçalara ayrılarak enerjisini evrene dağıtacak bu da entropiyi artıracaktır.

Buna verebileceğimiz bir diğer örnekte insan yaşamının sonlanması olacaktır. Toprağa gömüldükten sonra bizde kalan enerjimizi etrafa verip entropiyi artırmış olacağız. Her ne kadar Crispr Cas-9 teknolojisi gibi tıp alanında ilerleme göstersekte bu ve benzeri teknolojik gelişmelerin bizi ölümsüz değil, sadece insan yaşamını uzattığını ve kalitesini uzattığını unutmayalım.

Crispr Cas-9 Teknolojisi hakkında daha fazla bilgi almak için tıklayın.

Entropi Tarihçesi

Sadi Carnot’un 1824 yılında yayınladığı “Ateşin devindirici gücü ve bu gücü açığa çıkaran makineler üzerine düşünceler” makalesinin ardından termodinamik alanında oldukça önemli gelişmeler yapılmaya başlandı.

Sadi Carnot Kimdir? başlıklı yazımıza buradan ulaşabilir ve konu hakkında detaylı bilgi alabilirsiniz.

Tarihler 1854 yılına gelindiğinde bir adam buharlı makinelerin ortaya çıkardığı gücün sadece %2’lik bir kısmının iş çıktısına dönüştüğünü, geri kalan kısmının ise nereye gittiğini merak etmeye ve bunun üzerine çeşitli çalışmalar yapmaya başladı. Bu adam Rudolf Clausius’tu ve buharlı makinelerden çıkan ısı enerjisinin kademeli bir şekilde dağıldığını söyleyen bir makale yayınladı.

İlerleyen yıllarda Clausius bu teorisini geliştirdi ve entropi kavramını bize kazandırdı. Clausius’tan sonraki yıllarda da entropi terimi farklı iş ve bilim alanlarına girmeye ve fizikte kullanılandan biraz farklı bir şekilde kayıp, eksik gibi anlamlarda kullanılmaya başlandı.

Termodinamik yazımızı okumadıysanız yazının anlam bütünlüğünü sağlamak ve konu hakkında daha fazla bilgi almak için tıklayın.

Mutlak sıfır, Termodinamiğin 3. yasası ve Entropi

İlk önce termodinamiğin 3. Yasasını hatırlayalım;

“Bir cismin sıcaklığı ancak ve ancak mutlak sıfıra indirgenebilir.”

Termodinamik yazımızda bu yasanın ve açıklamasından bahsetmiştik. Mutlak sıfırda herhangi bir hareket olmayacağı için madde içerisinde düzen hakimdir ve entropi 1 olarak sabitlenir. Entropi düzeyi bu değer baz alınarak ölçülür. Buradan çıkaracağımız bir diğer kavram ise bir nesne, cisim veya varlık ısısını ne kadar artırır ise entropisi o denli artacaktır.

Termodinamiğin 2. Yasası ve Entropi

Termodinamiğin 2. Yasasını bir kez daha hatırlamakta fayda var;

“Isı daima sıcaktan soğuğa olacak şekilde ilerler.”

Veya

“İzole bir sistemde entropi daima artmak zorundadır.”

İzole bir sistemden kasıt olarak termodinamiği anlattığımız yazımızda bunun evren olduğundan bahsetmiştik. Termodinamiğin en önemli yasalarından biri olan 3. yasaya göre bir gün entropi o kadar artacak ki evrende herhangi bir fiziki hareketin olması imkânsız denecek seviyede olacaktır. Evrenin sonuna dair bu açıklamaya ise Isıl Ölüm adı veriliyor.

Bu yasadan ve entropi ile yakından ilişkisinden çıkarılması gereken bir diğer olgu ise Termodinamik Zaman Oku’dur. Bunu açıklayabilmek adına verdiğimiz bardak örneğine bir kez daha dönelim ve bu bardağın gelecekte herhangi bir zamanda, zaman sınırlaması olmaksızın tekrar birleşmesini ve ilk haline dönmesini bekleyelim. Tahmin edebileceğiniz gibi böyle bir şey asla gerçekleşmeyecektir. Size bir videoda bardağın kırılma anını tersten bir şekilde izlettiğimde bile böyle bir şeyin olmasının imkânsız olduğuna videonun ilk başlarında bile anlayabilirsiniz.

Evrende bulunan entropinin artışı ile belirlenen bu yöne “Termodinamik Zaman Oku” deniliyor. Termodinamik Zaman Okundan biraz daha bahsetmekte fayda zira bu konu tam olarak anlaşılamamış olabilir. Bu terimi tanımlarken “entropini artışı” kelimelerini kullanmıştık. Bardak örneğinde bahsettiğimiz gibi entropinin artması için düzen içerisindeki bir nesnenin veya varlığın düzensizliğe yani kaosa geçmesi lazım. Zaman oku, entropinin artması sonucu ortaya çıkan bir kavram ise tek bir yönde gelişmesi oldukça mantıklı ve olası olacaktır.

Çünkü bir nesnenin düzenli hali geride düzensiz kısmı yani entropisinin artmış olduğu zaman daima ileri bir yönde olacaktır.

Mikro Ölçek ve Makro Ölçekteki Örnekler

Micro ölçeği ve makro ölçeği açıklayabilmek için evrenimizi hayal edelim. Sistemimiz evren, içerisindeki cisimler yani milyonlarca gezegen ve galaksi sistemi bu durumda bizim mikro ölçekteki cisimlerimiz oluyor. Eğer ben mesela dünyayı güneş sisteminden alıp başka bir sisteme yerleştirirsem mikro ölçekte bir değişiklik yapmış olurdum fakat makro ölçekte herhangi bir değişim olmazdı. Makro ölçeğin değişebilmesi için içerisine daha fazla kütle, enerji veya hacim girmesi gerekirdi.

Güneş Sistemimiz hakkında detaylı bilgi almak için tıklayınız.

Bu konuyla ilgili iki terime daha göz atalım bunlardan birisi yüksek entropi hali. Bu terimleri daha kolay anlatmak adına madeni paraları kullanalım. Önümüzde baya bir madeni para olduğunu hayal edelim buradaki “baya bir” kelimesini hayal gücünüze bırakıyorum. Şimdi önümüzdeki o madeni paralardan 2 tanesini alıp yazı-tura atalım. Burada karşımıza 4 farklı sonuç çıkıyor, yazı-tura, tura-yazı, tura-tura veya yazı-yazı. Fakat bunlardan 2(yazı-tura ve tura-yazı) tanesi fark edebileceğiniz gibi aynı olasılığı içeriyor. O yüzden olasılık sayımız 2’ye düşüyor.

Şimdi ise önümüzdeki madeni paralardan 100 tanesini bu işlem için kullanalım. Buradaki olasılıkları saymaya gerek yok sayı oldukça yüksek olacaktır. Tahmin edebileceğiniz üzere paraların oldukça karmaşık bir vaziyette gelmesi çok olası buna “Yüksek Entropi Hali” deniliyor. Çok az bir olasılık ile paraların hepsinin yazı veya tura gelmesi olasılığını da düşünmek gerekiyor. Fakat dediğimiz gibi bu olasılık oldukça az olacağı için buna “Düşük Entropi Hali” deniliyor.

Evrim ile İlişkisi

Az önce verdiğimiz örneği evrim ve entropi arasındaki sarsılmaz bağı ve olasılığı açıklayabilmek adına tekrar kullanalım. Yüksek ve düşük entropi hallerinden bahsetmiştik, peki ya doğada bunun örneğini görebilir miyiz? Evet, görebilmek mümkün hatta siz, ben veya dünyadaki her insan bunun birer örneği. Bir atomun canlı yaşamı başlatabilmek adına başka bir atom ile gireceği etkileşim olasılıklar arasında zayıf bir yerde.

Düşük entropi halinde olan bu olasılık, fizik olarak herhangi bir engel ile karşılaşmıyor sadece olma olasılığı oldukça düşük entropi halleri yani düzenden düzensizliğe geçiş halini yansıtıyor. Burada sorulması gereken bir diğer soru düzensizlikten düzene geçiş, yani bir canlının, bilincin veya karmaşık yaşamların oluşumu.

Evrenin izole bir sistem olduğunu ve entropisinin sürekli artacağını söylemiştik, fakat burada ayrım yapılması gereken çok önemli bir nokta var. Evrenin içerisindeki yapılar veya varlıklar izole bir sistem değil, aksine açık bir sistemdeler. Yani bu olay bazı olasılıklarda düşük entropi halinde de düzene geçilmesinin önünde herhangi bir engel olmadığını açıklığa kavuşturuyor.

Evrenin Sonu

Evrenin ısıl ölümünden bahsetmiştik fakat bu konuyu biraz daha açmakta fayda var çünkü bu bilim camiasındaki en önemli yok oluş teorilerinden birisi. Termodinamiğin 3. Yasası gereği evrenin her zaman entropisi artacaktır. Günümüzden trilyonlarca yıl sonra entropi maksimum düzeyine ulaşacak. Buda evrende enerji alışverişi yapabilmek adına hiçbir enerjinin kalmadığını ve herhangi bir hareket olmaz ise yaşamın ve evrenin sonu olacağını bizlere söylüyor.

Büyük Patlama hakkında daha detaylı bilgi almak için tıklayın.

Boltzmann Beyni – Paradoksu

Bu konuyu bir diğer yazımızda detaylı bir şekilde tekrardan ele alacağız fakat bu yazıda buna değinmeden geçmek olmaz. Ludwig Boltzmann adlı fizikçi evrende karmaşık yaşamların olduğu bir gezegenin var olma olasılığının matematiksel tarafını öne sürer. Yüksek ve düşük entropi hallerinden bahsetmiş ve yüksek entropi derecesindeki olayların yaşanmasının düşük entropi olaylarının yaşanmasından daha yüksek olduğunu söylemiştik.

Ludwig Boltzmann buradaki olasılığı matematiksel olarak ele alan ilk kişidir. Boltzmann Beyni Paradoksuna göre evrende bir atomun diğer bir atom ile etkileşime girmesi ortaya yüksek bir entropi çıkarır ve bu olay oldukça düzensizdir. Fakat atomlara gerekli zaman verilirse rasgele etkileşim sonucu bir gezegende karmaşık yaşamların var olması oldukça olasıdır.

Bu zaman ise 10¹⁰⁵⁰ olarak belirtilir, bu denli büyük ölçekteki bir sayıyı hayal etmek zor olacağından şöyle bir örnek ile durumu anlaşılır kılmak mantıklı olacaktır;

Evrenimizin yaşı 13,8 milyon yıl yani 10⁹ ‘dur.

Ludwig Boltzmann’a göre bu süre içerisinde atomlar birbirleriyle rasgele bir şekilde etkileşimde bulunarak karmaşık bir yaşam formunu oluşturabilecek, düşük entropi halini ve düzene geçişi sağlayacaklardır.

Ludwig Boltzmann Kimdir? başlıklı makalemize buradan göz atabilirsiniz.

.