Termodinamiğin ikinci yasası

Termodinamiğin ikinci yasası veya Isıldevinimin ikinci yasası, izole sistemlerin entropisinin asla azalmayacağını belirtir. Bunun sebebini izole sistemlerin termodinamik dengeden (maksimum entropi aşaması) spontane olarak oluşmasıyla açıklar. Buna benzer olarak sürekli çalışan makinelerin ikinci kanunu imkansızdır.
Termodinamiğin ikinci yasası deneysel olarak bir ısı bilgisi önermesi olarak kabul edilir fakat bu yasa altında yatan istatistiksel kuantum mekaniğiyle anlaşılabilir ve açıklanabilir. İstatiksel mekanik literatüründe entropi, makroskopik evrelerde mikroskobik gruplaşmaların ölçümü olarak ifade edilir. Çünkü ısıbilgisinin denge, dengede olmayan duruma göre büyük miktarda mikroskopik dizilişe sahiptir. Bu maksimum entropiye sahiptir ve ikinci yasayı takip eder çünkü düzensiz yalnız değişim kısmen sistemin ısı bilgisinin dengesini geliştirmesini sağlar.
Zamana bağlı bir ifade olarak; sıcaklık, basınç ve kimyasal potansiyel ısıbilgisi dengeye doğru izole edilmiş ve yerçekiminin önemsiz olduğu sistemde azalır.
İkinci yasa farklı birçok şekilde açıklanabilir ama ilk formülasyon 1824 yılında Fransız bilim adamı Sadi Carnot tarafından yazılmıştır. Ikinci yasanın ilk ifadeleri yalnızca yatay düzlemde (yerçekimisiz alanda) doğrudur. 
Ikinci yasa, iç enerji U’ ya eşit olarak kapsamlı özelliklerin fonksiyonu olarak yazılabilir. (Kütle, hacim, entropi,)

Carnet’s prensibi

Isıbilgisinin 2. Yasasının tarihsel kökeni Carnet’s prensibi'dir. Bu prensibi, Carnot makinesi döngüsünü gösterir. Carnot makinesi; ısı ve iş aktarımlarının birbiri içinde sürekli kendi iç ısıbilgisi dengede almasını düzenler. Bu makine, ısı makinelerinin verimliliğiyle ilgilenen mühendislerin ilgisini çeker, idealize edilmiş bir aygıttır. Carnot’s prensibi, kalasik teorisi caddice anlaşıldıktan sonra ve termodinamiğin 1. Kanununun ve entropinin matematiksel izahından önce tanıtılmıştır. 1. Kanunun yorumlanması. Termodinamiğin 2. Kuralının anlaşılmasını kolaylaşmıştır. Bu, bugün için bile hala geçerlidir.
Quasi-statik veya tersinir Carnot döngüsünün verimliliği, sadece iki ısı kaynağının sıcaklığına ve çalışan kaynağın serbestliğine bağlıdır. Bir Carnot makinesi, bu iki sıcaklığın kullanılmasıyla en verimli şekilde kullanılabilir.

Clausius ifadesi

Alman bilim insanı Rudalf Clausius, ısı ve iş aktarımlarını inceleyerek, ısıbilgisinin 2. Yasasını kurmuş oldu. (1850) onun bu yasayı açıklaması "Clausius ifadesi" olarak bilinir:(1854 Almanya) 
Isı, hiçbir zaman soğuk bir cisimden ılık bir cisme bir takım değişiklikler olmadan geçmez.
Isı, sıcak bölgelerden soğuk bölgelere aniden ve iş yapmadan geçemez. Bu, sıradan bir donma olayıyla kanıtlanabilir. Bir dondurucu içinde, ısı soğuktan sıcağa ve sadece dışarıdan bir kuvvet uygulandığında geçebilir.

Kelvin ifadesi

Lord Kelvin 2.kanunu şu şekilde ifade etmiştir:
Donuk meteryal aracılığıyla, etrafındaki en soğuk nesne vasıtasıyla soğutulmuş herhangi bir maddeyi türetmek imkansızdır.

Caratheodory prensibi

Constantin Caratheodory, ısıbilgisi saf matemetic aksiyemura bağlı olarak formüle etti. Onun 2. Kanunla ilgili ifadesi "Caratheodory prensibi" olarak bilinir.
Caratheodory adyabatik erişebilirlik kavramını ilk kez tanımladı ve klasik ısıbilgisinin alt kategorilerini sınıflandırdı.
Bunlar “geometric ısıbilgisi” olarak adlandırılır ve enerjinin quasi-statik olarak transferinin miktarı prensibini taktik Eder. (Çünkü ısı holonomic bir süreçtir. .)
Caretheodory’nin Prensibi 2. Kanunu ifade Eder ve Clausius ya da Kelvin-Planck ifadesine eşdeğerdir. 2. Kanunun tümiçeriğini almak için Caratheodory Prensibi, Planck Prensibi ne ihtiyaç duyar. Isokharic iş, her zaman başta kendi iş ısıbilgisi denkliğine sahip kapalı sistemin iç enerjisini artırır.

Yerçekimi sistemleri

Yerçekimsiz sistemlerde, nesne her zaman pozitif ısı kapasitesine sahiptir; bu da sıcaklığın enerji ile yükseleceği anlamına gelir. Bu yüzden, enerji yüksek sıcaklıktaki nesneden düşük sıcaklıktaki nesneye geçtiğinde kaynak sıcaklık düşer. Buna rağmen lavabo sıcaklığı yükselir. Sonuç olarak; sıcaklık farklılıkları zamanla azalma eğilimindedir.
Ancak, bu yerçekimi kuvvetinin önemli olduğu sistemlerde her zaman geçerli olan bir durum değildir. Kara delikler en göze çarpan örneklerdir ve teoriye göre kara delikler negatif ısı kapasitesine sahiptirler. Kara deliklerin büyüklükleri arttıkça, sahip oldukları enerji de artar ama sıcaklıkları düşer. Sonuç olarak, samanyolundaki süper büyük kara deliğin sıcaklığı 10-4K varsayılır, bu sıcaklık kozmik mikrodalga arka plan sıcaklığı olan 2,7 K'den çok düşüktür, fakat bu kara deliğin düşük olan sıcaklığı daha çok azalır çünkü kozmik mikrodalga arka plan fotonlarını absorbe ettiğin için kütlesi artar. Bu yüzden yerçekiminin olduğu ortamlarda kütle ve enerji eşit olarak dağılmaz.

Sürekli hareket yasası

İkinci yasanın oluşturulmasından önce, sürekli hareketli makinelerinin icadıyla ilgilenen pek çok insan, makinenin gücü ile sistemin büyük iç enerjisinin farkını alarak ısıbilgisinin birinci yasasının kısıtlamalarından kaçınmaya çalışmışlardır. Bu tür makinelere “devridaim makinesi” denir. İkinci kanun bu makinelerin imkansızlıklarını açıklamıştır.

Tarihçe

Isının mekanik işe dönüşümüyle ilgili ilk teori Nicolas Leonard Sadi Carnot tarafından 1824 yılında ortaya atıldı. Carnot ilk kez, bu dönüşümün verimliliğinin makine ile çevresi arasındaki sıcaklık farkına bağlı olduğunu fark etti.
Rudolf Clausius, Prescott Joule’in enerjinin korunumu hakkındaki çalışmalarını da göz önünde bulundurarak 1850 yılında ikinci kanunu formülize etti. Bu kanuna göre, bugün bilinenin aksine, ısı kendiliğinden soğuktan sıcağa doğru akmazdı. Buradan hareketle Rudolf, entropinin tanımını ve Sadi Carnot’un ilkelerini tanımlayabildi.
19. Yüzyılda yayımlanan Kelvin Planck’ın açıklaması şöyleydi: “Hiçbir cihaz tek başına bir rezervuardan ısı alarak periyodik olarak çalışamaz ve iş elde edemez.” Bu açıklama Clausius’un açıklamasıyla eşdeğerdi.
Boltzmann’ın yaklaşımı için ergodik hipotez de oldukça önemliydi. Bu hipotez şöyle söylüyordu: “Küçük alanlardaki bölgelerin evrelerinin gerçekleşmesi için gereken zaman, bu bölgenin hacmiyle doğru orantılıdır.” Aynı zamanda ortalama zaman ve statistik grupların ortalaması da eştir.
Sadece klasik sistemlerde değil, quantum mekaniğinde de entropiyi maksimuma çıkarma eğilimi olduğunu görebiliriz.Bu yüzden ikinci kanunda verilen ilk koşullar düşük entropiyle verilir. Sonuçlar üst sınıf izole edilmiş quantum sistemleri için geçerli olur. (Örneğin konteynr içindeki gaz)  Bütün sistemde hiç entropi olmasa ve sistem saf olsa bile gaz ve konteynır arasındaki karmaşıklık gazın yerel entropisindeki artışı verir. Bu sonuç quantum ısıbilgisinin en önemli sonucudur.
Bugün, evrenin ilk zamanlarında neden düşük entropiye sahip olduğunu anlamak için oldukça çaba harcanıyor.

Kuantum mekaniğinin birleştiriciliği

Kuantum mekaniğinin temel yapıtaşlarından biri olan ikinci yasaya baktığımızda geçiş olasılık matrisi ve zamanla gelişen bir birim var. İkinci yasanın bu denli geniş kapsamlı olması onu bir bakıma diğer önerme ve yasaların birleştiricisi de yapar. Genellenebilirliği ve birleştiriciliği açısından herhangi bir ileri kanıta veya desteğe ihtiyacının olmaması evrensel genel geçer bir üne ve güvene sahip olmasının da bir nevi kanıtıdır.

Dengede olmayan durumlar

Termodinamik analiz amacıyla yaklaştığımızda aslında uzay zaman çizgisinden rastgele seçilmiş herhangi bir olayın ısıbilgisi dengede olduğu düşünülür. Daha geniş bir perspektiften bakıldığında ise uzay-zaman çizgisinde bulunan, kısacası evrendeki hiçbir şey tam anlamıyla ısıbilgisi denge halinde değildir hiç de olmamıştır. Bir diğer ayrıntı ise termal dengedeki bir sistemin istatistiksel olarak denge durumundan çıktığı anlar olması doğaldır. Bazı karşılaşması güç olaylarda ise, sıcak parçacıkların soğuk parçacıklardan enerji çaldığı ve bu sayede ortamdaki sıcak kısmın daha sıcak soğuk kısmın ise giderek daha soğuk bir hal aldığı gözükmüştür, son derece kısa bir zaman aralığında olsa bile.
Fiziğin dâhil olduğu ve gerçekleşmesi kâğıt üzerinde mümkün olan bazı olaylar vardır ki bilindik ısıbilgisinin denge kurallarının çok ötesinde davranış sergileyen. Dalgalanma önermesi ise bir sistemin dengeden uzak kaldığı süre zarfı boyunca entropisindeki değişim miktarının olasılığının rakamsal olarak yaklaşık bir değerini verir.

Geçmişten bugüne

Isıbilgisinin ikinci yasası bir fizik yasasıdır ve geri dönüşlü zaman kavramını kapsamaz. Aslında geçmişte bu yasanın geliştirilmesi açısından zamanda ileri ve geri gidildiğinde ne gibi farklılıklar olabileceğine dair bir açıklama eklenilmesi gerektiği önerilse de günümüze kadar pek bir değişim sergilememiştir.

Maxwell’in İblisi

James Clerk Maxwell, A ve B şeklinde ikiye bölünmüş bir konteynır hayal etmiştir. İki parça da eşit miktarda ve eşit sıcaklıktaki aynı gazla doldurulmuş ve yan yana bekletilmektedirler. İki taraftaki molekülleri de izlerken hayali iblisin iki tarafta da savunma yaptığını görür. A’daki iblis daha hızlı hareket ettiğinde B’ye uçan moleküller olur ve A yavaşladığından B zaman içinde daha fazla ısınır ve A’daki ısı düşer. Bu ısıbilgisinin ikinci yasasına göre tamamen zıt bir durumdur.

Loschmidt paradoksu

Loschmidt paradoksu geri döndürülme paradoksu olarak da bilinir. Zamanla simetrik dinamiklerin geri döndürülebilen işleme bir faydası olma ihtimalinin düşünülmesine karşı çıkılmaktadır. Bu bizi, çıplak gözle işleyişini görebildiğimiz sistemlerin davranışlarını açıklamak adına ısıbilgisinin ikinci yasasını kullanmak için bilinen bütün yöntemlerden bir adım daha öne götürmektedir. Bu yöntemlerin neredeyse hepsi kuramdan gücünü almakla beraber bazıları kendi aralarında çelişmektedir. Bu yüzdendir ki onlara paradoks deniyor.

Gibbs paradoksu

İstatistiksel mekanikte, birbirinden ayrılabilen parçacıklardan oluşan ideal gazın entropisinin basit bir türevini aldığımızda bunun ısıbilgisinin ikinci yasasının bazı kurallarını çiğnemesinin yanı sıra kanonik sete dayanması ise bizi bu paradoksun Gibbs paradoksu olarak adlandırmaya itmektedir. 
Parçacık türünün entropiyi direkt olarak etkilemediği fark edildiğinde bu paradoks durdurulmuştur. Bilindik bir tabir ile bu, kuantum mekaniği ile bağdaştırılan ve parçacıkların birbirinden farksızlığı ile açıklanan bir tanımlamadır.

Yineleme teoremi

Yineleme kuramı der ki belirli sistemler, üzerlerinden yeteri miktarda uzun bir zaman geçtiğinde başlangıç durumlarına son derece yakın bir konuma gelirler. Bu yenileme zamanı yenilenene kadar akıp giden zaman  tabirle bulunmaktadır. Bu formül enerjinin korunduğu bütün fiziksel sistemlere uygulanabilir. Yineleme kuramı belli ki ısıbilgisinin ikinci yasasıyla bir çelişki içindedir. İkinci yasa der ki bir sistem çoğu durumda öyle yüksek enerji seviyelerine gelir ki; geri dönüşü mümkün olmayan kazançlar veya kayıplar yaşanır ve sistem bir daha asla eski haline dönemez. Bu paradoksu çözüme kavuşturmanın birden çok yolu var ancak hiçbiri evrensel olarak kabul görmemiştir. Bunlardan bir tanesi, yinelenme için gereken zaman o kadar büyüktür ki; ne kadar uzun zaman geçerse geçsin, sistemin başlangıç haline yaklaşması bile gözlenememektedir.

Kâinatın geleceği

Geçmişten gelen bir uyarı olarak evrendeki entropi miktarı zaman içinde giderek arttığı için, etrafımızdaki enerji miktarı da zaman içerisi azalacak ve “ısı ölümü” yaşanacağı ve bunun bir sonucu olarak da fiziksel anlamda hiçbir iş yapılamayacak ve dünya üzerindeki hayatın sona ereceği de söylenenler arasındadır. Bir yandan da sürekli genişleyen bir evrenin içinde olduğumuzu düşünecek olursak ısıl dengeye hiçbir zaman ulaşılamayacak ve bu “ısı ölümü” kuramı çürütmeye yetecektir. 
Kainatın şu anki durumunu göz önüne alacak olursak, öne çıkan fikirlerden biri kainat bize muhtemelen evrendeki bütün enerji kaynaklarının yok olacağı yıldızların bile söneceği bir gelecek sunacaktır. Bununla beraber, belki de küçük parçacıklardan oluşan sistemlerden az miktarda da olsa enerji üretmek mümkün olur ve son derece düşük enerji seviyelerinde de olsa ‘ilginç olaylar yaşanmaya devam edebilir.’