Termodinamik, fiziğin ısı olaylarıyla mekanik olaylar arasındaki ilişkilerini inceleyen bölümü.
Tarihçe
Soğuk ve sıcak kavramları en eski çağdan beri tanınır. Bu ısıl olayların mekanik olaylara bağlı olma olasılığı da uzun süreden beri bilinmektedir. Bununla birlikte, gerçek anlamdaki ilk termometrenin 1612‘de İtalyan hekimi Santorio tarafından ortaya konduğu sanılır. Yeni ortaya çıkan sıcaklık ölçümü, böylece hızla gelişti ama, hesapların kesinliğine karşın kavramlar hala karışıktı: Farklı yapıda büyüklükler olan sıcaklık ve ısı miktarı açıkça birbirinden ayrılmamıştı. İlk olarak, 1760’ta J. Black, sabit sıcaklıkta ısı miktarlarından yararlanan hal değişimlerini (ergime, buharlaşma, süblimleşme) inceleyerek bu ayrımı kesin biçimde yaptı. Isının incelenmesi, XVIII. yy’da Lavoisier, Thomson, Fourier sayesinde sürdü, ama, gerçek bir termodinamikten söz etmek için henüz erkendi: Isı, madde ve elektrik gibi yok edilemeyen bir kendilikti. 1840‘ta Alman fizikçisi ve hekimi R. Mayer ilk olarak, iş ve ısının eşdeğerliğini kabul etti ve bunu izleyen yıllarda Joule, Hirn ve Colding bu eşdeğerliği sayısal açıdan oldukça büyük bir kesinlikle incelediler.
Böylelikle termodinamiğin birinci ilkesi doğmuş oldu; bu ilke 1847‘de Alman fizikçisi Helmholtz tarafından gerçekleştirildi. Ancak burada, termodinamiğin ikinci ilkesinin (işin ısıya ve ısının işe dönüşüm yönüyle ilgili bilgi verir) birinciden önce oluşturulmuş olduğunu belirtmek gerekir: Nitekim, bu ikinci ilke Fransız fizikçisi Sadi Carnot‘nun Refiexions sur la puissance (Ateşin Hareket Ettirici Gücü ve Bu Gücü Geliştirmeye Yönelik Makineler Üstüne Düşünceler, 1824) adlı yapıtından kaynaklandı. İstatiksel termodinamik, Clausius ve Maxwell‘in çalışmaları sayesinde 1855‘e doğru ortaya çıktı. XIX. yy’ın sonuna doğru termodinamik, fiziksel ve kimyasal dengelerin sistematik incelenmesiyle olduğu kadar, madde ve ışıma arası etkileşimlerin incelenmesiyle de zenginleşti. Yalnızca termodinamiğin araçlarıyla geliştirilen kara cismin ışımının incelenmesi bu kuramın gücünün sınırı gösterir; uygulamayla olan bağdaşmazlık bu kuvanta kuramının kökeninde yer alır. Nitekim XX. yy’da uygulama alanının çok verimli olduğu görülen kuvanta termodinamiği ortaya çıktı. Cisimlerin çok düşük sıcaklıklardaki özelliklerinin tanınması büyük gelişme gösterdi. Bu yüzyılın termodinamik alanındaki büyük adları, fiziğin öbür dallarında çalışan Planck, Einstein, Bron, Ehrenfest, Landau, Fermi‘ydi.
Termodinamik ve Çağdaş Fizik
Termodinamiğin tarih içinde gelişmesinin incelenmesi önem taşır. Bu inceleme bize, söz gelimi, günümüzde sık yararlanılan kavramların yerleşmesi için geçen süreyi anlamamızı sağlar; ayrıca termodinamiğin çağdaş fizik içindeki yerini ve fizikte termodinamik bakış açısının ne olduğunu anlamak için de önemlidir.
Maddenin yapısı oldukça iyi tanınmaktadır ve bunun çeşitli bileşenlerinin etkileşimi, yavaş yavaş açıklığa kavuşturulmuştur. Bununla birlikte, günlük uygulama çok sayıda temel bileşenden oluşan nesnelerin kullanımını ve incelenmesini gerektirir ve bu bileşenlerin eksiksiz bir tanımını gerçekleştirmekle uğraşmamak gerekir. Söz gelimi, bir sandalyeyi oluşturan bütün taneciklerin koordinantlarını kaydetmek olanaksızdır. İlk bakışta böyle karmaşık bir sistemin özellikleri içinden çıkılmaz gibi görünebilir ; oysa durum hiç de öyle değildir ve makroskopik nesnelerle ilgili yasaların ortaya konduğu bilinmektedir: Sandalye, içinde taneciklerin kaynaştığı bir magmaya benzemez. Çok büyük bir sayıda taneciğin var olması, kuşkusuz nitelikleri farklı temel çalkantılara (bunlar, mikroskopik olarak adlandırılırlar) bağlı toplam olaylara (makroskopik denir) yol açar; böylece ortaya konan yasalar yalnız çok büyük sayıda temel tanecik-den oluşan oluşan bütünlere uygulanabilen istatistiksel yasalardır.
Isıl (termik) olaylar bu makroskopik olaylardandır; taneciklerin yer değiştirmelerine bağlı mikroskopik yapıları öbür fiziksel olaylardan gerçek anlamda farklı olmamakla birlikte, makroskopik yapıları nitelik olarak farklıdır: Isı ve hareket kavramları birbirinden bütünüyle farklı kavramlar olarak ortaya çıkarlar.
Dolayısıyla, termodinamik, mikroskopik alandaki uygulamada ve yayılmaları ne olursa olsun makroskopik fiziğin dalıdır. Amacı, ısıl olayları göz önünde bulundurarak fiziksel bir sistemin makroskopik parametrelerinin evrimini tahmin etmek ve bu parametreleri birbirine bağlayan yasalar oluşturmaktadır. Bu sonuçları elde etmek için termodinamik, sistemlerin evrimiyle ilgili genel postulatlardan yola çıkarak mikroskopik bir bakış açısı edinebilir. İlki klasik termodinamiğin, ikincisiyse istatistiksel termodinamiğin bakış açısıdır.
Uygulama Alanları
Klasik termodinamiğin üç ayrıcalıklı uygulama alanı vardır: Arı cisimler ya da karışımların termoelastik özelliklerinin incelenmesi; kimyasal termodinamik. Bu üç ayrıcalıklı alanın dışında termodinamik şu ya da bu biçimde makroskopik fizik alanına girer. Ayrıca, piroelektrik, pizoelektrik, aşırı iletkenlik, termoelektrik etkiler, bir kondansatörün şarşına ya da bir metalin mıknatıslanmasına bağlı ısıl etkiler de sayılabilir.
İstatistiksel termodinamik, söz gelimi, atmosfer yoğunluğunun yükseltiyle ortalama değerleri çevresindeki dalgalanmalarını, paramagnetizmayı inceler. En önemli uygulama alanlarından birini ısıl (termik) ışımın incelenmesi ve kuramı oluşturur.
Dolayısıyla termodinamik, fiziğin bağımsız bir dalından çok çerçeve bir bilim olarak ortaya çıkar. İstatistiksel bakış açısı git gide üstünlük kazanmaktadır.