termodinamik yasaları ile ilgili bir düşünce deneyi.

yazı, içerikten kaynaklı olarak mecburen biraz uzun olacak. baştan uyarmış olayım.

***

termodinamik, 4 yasa üzerine şekillenmiştir. cinin olayını anlamak için kısaca bakalım bunlara.

0. yasa:
elimizde bir a ve bir de b olmak üzere 2 sistem olsun. bu sistemler birbirleriyle etkileşim içerisinde olsunlar. eğer etkileşime rağmen ikisinin de sıcaklığında zamanla bir değişim meydana gelmiyorsa, bu sistemler ısıl dengededir.

bir c sistemimiz daha olsun. bunun sıcaklığına dair bir bilgimiz olmasın. bu sistemi mesela a sistemi ile etkileşecek şekilde konumlandıralım. tıpkı yukarıdaki gibi, a ve c arasında bir ısı alışverişi ve sıcaklık değişimi olmazsa, a ile c ısıl dengededir. o halde c sistemini b ile bir araya getirmeye gerek kalmadan, b ve c'nin de ısıl dengede olacağını rahatlıkla söyleyebiliriz.

1. yasa:
çoğumuzun bildiği "enerji yoktan var, vardan yok edilemez" sözünün temeli olan yasadır. ancak enerji bir formdan diğerine dönüştürülebilir.

2. yasa:
en meşhur yasadır da diyebiliriz. entropi ilkesi olarak da bilinir. en kaba şekliyle, evrendeki her şeyin minimum enerji ve maksimum düzensizliğe gitme eğilimi içerisinde olduğunu söyler. bir yerde var olan enerji, %100 verimli şekilde işe dönüştürülemez. bir kısmı işe dönüşürken, bir kısmı da sistem içerisinde kullanılır.

3. yasa:
basitçe, hiçbir maddenin sonlu sayıda işlemden geçirilerek mutlak sıfır noktasına kadar soğutulamayacağını söyler.

***

cin konusuna geçmeden önce 2 detayı daha hatırlamak gerek.

1- bir ortamda bulunan parçacık ya da moleküllerin tamamı aynı hıza sahip değildir. ortalama bir hız değeri ve bunun altında ya da üstünde kalan hızlarda hareket eden parçacıklar bulmak mümkündür. yani hız değerleri bir dağılım gösterir.

2- odaya bıraktığınız sıcak bir çayın zamanla soğumasını beklersiniz, daha fazla ısınmasını değil. normal şartlarda ısı transferi sıcak olan ortamdan, daha soğuk olana doğru gerçekleşir. sıcak çay, ısısını daha soğuk olan oda ortamına vererek onunla eşit sıcaklığa gelir bu yüzden.

***

düşünce deneyimiz şöyle:

ortasında açılıp kapanan küçük bir kapı olan, eşit sıcaklıkta 2 bölmemiz var ve cinimiz de bu kapının yanında nöbet tutuyor.

cinin görevi, ortamdaki moleküller içerisinde, ortalama hızdan daha hızlı ve daha yavaş olan molekülleri ayrı ayrı bölmelerde bir araya toplamak için, uygun zamanda kapıyı açıp kapatmak. ortalamadan daha hızlı moleküller kapıya yaklaştığında cin kapıyı kapatıyor ve geçişe izin vermiyor. ortalamadan daha yavaş moleküller içinse kapıyı açıyor ve bunların diğer bölmeye geçmesine izin veriyor. yani 1. bölmeye hızlı, 2. bölmeye de yavaş olan molekülleri topluyor.

şöyle bir sorun geliyor karşımıza: başlangıçta bölmelerin sıcaklıkları eşitti, ancak cin termodinamiğin 2. yasasına aykırı görünen bir iş yapıyor gibi... eşit sıcaklıktaki bölmeler arasında ısı transferi yaptığı için bölmelerden biri zamanla daha sıcak, diğeri daha soğuk oluyor. hatta sıkıntı tam olarak şu: yavaş olan molekülleri diğer tarafa geçirerek, soğuk ortamdan sıcak ortama ısı aktarıyor. oysa böyle bir şey gerçekte pek de karşılaşacağımız bir durum değil.

görünüşe göre termodinamiğin 2. yasası ihlal edildi ama gerçekten edilebilir mi?

edilemeyeceği, birçok uğraş ve çalışmadan sonra, landauer - penrose - bennett çözümü ile anlaşıldı. buna göre cini de sistem içerisindeki bir faktör olarak hesaba katmak gerektiği açıkça ortaya çıkmıştı. cin, gazın entropisini düşürmesine düşürüyordu, ama aynı işlemi sürekli tekrarlıyordu (moleküllerin hızını ölçme ve kapıyı açıp kapatma.) cin canlı bir varlık da olsa, bir bilgisayar da olsa hafızasını sonsuza kadar verimli kullanamayacak ve eski bilgileri "kafasından" silmek zorunda kalacaktı. silme işlemini yaparken enerji harcamak, çevreye ısı vermek zorunda kalacağından, sürekli olarak entropi doğuracak ve böylece toplam entropi sürekli olarak artmaya devam edecekti. bu da 2. yasanın geçerliliğini koruması demekti.

maxwell'in cini adlı bu düşünce deneyi 2. yasayı geçersiz hale getirmek şöyle dursun, yasanın mikroskobik sistemler için de geçerli olduğunu ortaya koymuş oldu.