Baktığımız zaman evrenimizdeki birçok olayın bir düzen içinde olduğunu düşünürüz. Yıldızların yörüngeleri, gezegenlerin hareketleri, hatta günlük yaşantımızdaki rutinler. Ancak, derinlemesine bakıldığında, her şeyin altında bir miktar düzensizlik veya kaosun yattığını görmektedir. İşte burada entropi devreye girer. Entropi, bir sistemin düzensizliğini veya dağınıklığını ölçmektedir. Artan entropi, bir sistemin düzeninin bozulduğunu ve daha rastgele bir duruma geçtiğini göstermektedir. Dolayısıyla, evrenimizdeki düzenli görüntülerin altında, entropinin yavaşça artarak sistemi daha da rastgele bir hale getirdiği gerçeği yatmaktadır.

Entropi Nedir?

Entropi, termodinamikte bir sistemdeki düzensizlik, karmaşıklık veya kaosun ölçüsüdür. Bir başka deyişle, entropi, bir sistemdeki enerjinin dağınıklığı veya düzensizliği ile ilişkilidir. Daha yüksek entropi, daha fazla düzensizlik veya dağınıklık anlamına gelir.

Termodinamik hakkında yazılan tüm temel kitaplarda entropiden bahsedilir. Termodinamik, enerjinin dönüşümü ve hareketiyle ilgilenen fizik bilim dalıdır. Isı, sıcaklık, basınç, hacim ve enerji gibi konuları inceler. Termodinamiğin temel amacı, enerjinin nasıl davrandığını, bir sistemdeki bu enerji değişimlerinin nasıl oluştuğunu ve bu süreçlerin hangi kısıtlamalar altında gerçekleştiğini anlamaktır.

Termodinamiğin ikinci yasasına göre, izole bir sistemde entropi zamanla artar veya en fazla sabit kalır. Bu yasa, ısı transferi, mekanik iş, kimyasal reaksiyonlar ve diğer enerji dönüşümleri gibi birçok süreçte önemli sonuçlar ortaya koyar. Örneğin, sıcak bir nesnenin soğuk bir nesneye ısı transferi, ikinci yasanın bir sonucudur çünkü bu süreç, entropinin artmasına neden olur ve daha düzensiz bir duruma yol açar.

Bir sistemin bir düzen içinde yer alması durumunda, moleküllerin daha düzenli bir yapıya sahiptir ve entropi düşüktür. Entropi, sistemin düzensizliği arttıkça arttığına göre bir sistem nasıl daha düzensiz hale gelir?

Buna örnek olarak şişirilmiş bir balon gösterilebilir. Balonun içindeki hava belli bir alanda sıkışmış olduğundan moleküller birbirine daha yakın ve daha düzenli haldedir. Ancak balon patlatıldığında gazlar etrafa yayılır ve dağınık hale gelir. Bu durumda balonun içinde bulunduğu sistemin entropisi artmış olur.

Başka bir örnek olarak da ayrı kaplarda duran iki sıvı düşünülebilir. Bu sıvılar ayrı kapların içerisindeyken, sadece o sıvının molekülleri bir arada toplanmış ve düzenli haldedir. Ancak bu iki sıvı birbirine karıştırıldığında moleküller birbirinin içine rastgele karışır ve düzensizlik artar. Bu durum da entropinin artışına sebep olur. Benzer bir düzensizlik artışı bir gaz veya sıvı karıştırıldığında ya da bir sıvının içinde bir katı çözdürüldüğünde de meydana gelir. Mesela çaya şeker attığımızda şeker molekülleri suyun içinde rastgele dağılır ve entropiyi artırır.

Bir oda içindeki sıcak bir nesnenin soğuk bir nesneye ısı transferi yapması durumunda, sıcaklık dengesi sağlanana kadar enerjinin dağılması sürecinde de entropi artar. Ayrıca, bir sistemdeki sıcaklık farklılıkları, entropinin artmasına katkıda bulunabilir çünkü sıcaklık farklılıkları, ısı transferi ve enerjinin yayılmasını hızlandırır.

Entropinin temel ilkeleri, 19. yüzyılın başlarında Clausius ve Boltzmann tarafından formüle edilmiştir. Boltzmann'ın entropi formülü, mikroskobik parçacıkların durumlarının olasılıklarına dayanarak entropiyi hesaplamak için kullanılır. 1876 yılında Josiah Willard Gibbs, kimyasal tepkimelerin yönü ile ilgili çalışmalar yapmıştır. Sistemdeki ısı değişimi olan entalpi (∆H)  ve sistemin düzensizliğindeki değişim olan entropi (∆S) ile oluşturduğu formül günümüzde hala kullanılmaktadır.

Entropinin Kimyasal Reaksiyonlardaki Etkisi Nedir?

Kimyasal reaksiyonlar ya enerji elde etmek ya da yeni  ürünler üretmek amacıyla gerçekleştirilir. Özellikle organik kimya alanında reaksiyonların yönünü tahmin etmek, en büyük zorluklardan biridir. Birçok kimyasal reaksiyon geri dönüşümlüdür. Fakat bir reaksiyon “kendiliğinden” gerçekleşiyorsa bu reaksiyon tek yönde ilerler. Peki bir tepkime nasıl kendiliğinden gerçekleşir ve bu tepkimenin yönü nasıl belirlenir?

Kimyasal tepkimelerde kimi zaman yönü belirlemek için ısıdaki değişiklikleri temsil eden entalpideki (∆H) değişikliklere bakılsa da bu tek başına yeterli olmamaktadır.  Genel olarak kimyasal reaksiyonlar, sistemin düzensizliğinin artmasına ve dolayısıyla entropinin (∆S) artmasına yol açacak yönde ilerler. Dolayısıyla reaksiyon eğilimi, reaksiyon sırasında meydana gelen entalpi ve entropi değişiklikleri olmak üzere iki itici güç tarafından belirlenir.

1876 yılında Josiah Willard Gibbs tarafından ortaya atılan Gibbs serbest enerjisi kavramı entropi ile entalpi arasındaki ilişkiyi belirlemeye yardımcı olur. Ayrıca bu kavram bir reaksiyonun yönünü ve kendiliğinden olup olmadığını tahmin etmeyi kolaylaştırır. Gibbs serbest enerjisi formülü şu şekildedir:  

∆G = ∆H - T∆S

Bu denkleme göre entalpi negatif ve entropi pozitif ise tepkime kendiliğinden gerçekleşir ve dışarıya ısı çıkışı olur (ekzotermik). Eğer entalpi pozitif ve entropi negatif ise tepkime kendiliğinden gerçekleşmez ve başlangıçta ısı verilmesi gerekir (endotermik). Denklemdeki T sembolü de sıcaklığı temsil eder. Eğer ∆S pozitif ise, daha yüksek sıcaklık (T) reaksiyonun daha kendiliğinden olmasını sağlar. Eğer ∆S negatif ise, daha yüksek bir T reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşme özelliği azalır.  

Entropinin Sürekli Artmasının Sebepleri Nelerdir?

Entropideki artışın temel sebebi doğal süreçlerin geri döndürülemezliği ile ilişkilendirilir. Çünkü bir reaksiyon kendiliğinden gerçekleştiğinde çoğu zaman geri döndürülemez olur. Yani düzensizliği arttığı zaman doğal yollarla tekrar düzenli hale gelmesi zordur. Bu durumda çevresinin toplam entropisindeki değişim her zaman pozitiftir.

Mesela doğadaki makromoleküllerin (büyük yapıdaki moleküller) mikromoleküllere (küçük yapıdaki moleküller) dönüşmesi entropiyi artırır. Bunun en büyük örneği organik maddelerin bozulmasını sağlayan çürümedir. Bir canlı çürümeye başladığında organik maddelerdeki karmaşık yapılar basit moleküllere dönüşür. Bu durumda da düzensizlik artar. Üstelik bu normal şartlarda geri dönüştürülemeyecek bir süreçtir.

Vücudumuza giren besinler de geri dönüşü olmayan bir sindirim sürecinden geçer. Büyük parçalar halinde aldığımız besinler, hücrelerimizin içinde kullanılabilir hale gelmek için çok küçük parçalar haline getirilir. Bu da besinde bulunan moleküllerin düzensizliğini arttır ve doğal olarak sistemdeki entropi artar.

Yanma tepkimeleri de geri döndürülemez tepkimelerdir ve entropiyi artırır. Demirin paslanması, aslında bir yanma tepkimesidir. Suyla uzun süre temas eden demir havadaki bulunan oksijen ve temas ettiği su sayesinde yavaş yavaş yanar. Bunun sonucunda yüzeyinde daha düzensiz olan demir hidroksit (Fe(OH)3) veya demir oksit (FeO) maddeleri oluşur. Bunlar pas olarak isimlendirilir.

Çürüme, sindirim ve yanma gibi olayların gündelik hayatımızda ne kadar çok gerçekleştiğini gözlemleyebiliriz. Bu durumda doğadaki düzensizliğin yani entropinin sürekli olarak artıyor olması, çok da şaşılacak bir durum değil.