Isı ve sıcaklık nedir? Birer madde mi? Enerji mi? Yoksa bazı olguları açıklayabilmek için varsaydığımız kavramlar mı? Fiziğin önemli alt disiplinlerinden birisi olan termodinamik, bu iki kavramı merkeze alarak maddeyi inceliyor. Peki, termodinamik ilmi zaman içinde gelişerek ısı ve sıcaklığı nasıl açıkladı? Termodinamik Kanunları olarak bilinen 4 yasa nasıl ortaya çıktı? Günümüzde ısı ve sıcaklık kavramlarına dair neler biliyoruz? Gelin videonun devamında hep beraber öğrenelim.
(intro)
İnsanlar eski zamanlardan bu yana nesneleri sıcak ya da soğuk olarak adlandırıyordu. Ancak bu sıcak ve soğuk kavramları fizikten daha çok insanın biyolojik yapısına bağlıydı. Eğer derimizdeki reseptörlerde impuls oluşturuyorsa o nesneye sıcak yahut soğuk diyorduk. Ancak bir nesnenin sıcaklığına neyin sebep olduğu uzun bir süre tartışma konusu olmuştu. Bu süre içerisinde sıcaklığın da bir derecesi olduğu fark edilmiş ve böylece termometreler icat edilmişti. 1700’lü yıllara kadar termodinamik ilmi karanlıkta kalmış, ancak tam da bu yüzyıldan sonra hızlı bir gelişme kaydetmişti. Bu zamanlarda güvenilir termometrelerin de geliştirilmesiyle akademilerde sıcaklık üzerine çalışmalar başlamıştı.
Edinburgh Üniversitesi’nde profesör olan Joseph Black, farklı sıcaklıklardaki nesnelerin bir araya getirilmesi durumunda hepsinin sonunda aynı sıcaklığa, yani bugün ısıl denge dediğimiz şeye ulaşacağını fark etti.
Modern kimyanın kurucularından biri olan Antoine Lavoisier 1787’de, kimyasal işlemlerin daha basit hallere ayırmayı başaramadığı 33 maddenin yani elementin listesini çıkardı. Listede hidrojen, oksijen ve kükürt gibi günümüzde bildiğimiz elementlerin dışında ısı ağırlıksız maddesi olan kalorifik sıvı yani kalorik de vardı. Lavoisier, sıcak kütlelerin soğuk kütlelerden daha fazla kalorifik sıvı içerdiğini ve kalorifik sıvı parçacıklarının birbirini iterek ısının sıcaktan soğuk cisimlere akmasına sebep olduğunu düşündü. Kalorik teori aynı zamanda maddenin hallerini açıklamak için de kullanılıyordu. Örneğin katı bir maddenin atomları arasındaki kalorifik sıvı aralarındaki çekimi zayıflatıyor ve katının eriyerek sıvıya dönüşmesine sebep oluyordu.
1798’de Benjamin Thompson’ın gözlemleriyle bu teori yanlışlanacaktı. Thompson, demir bir ucu pirinç bir silindirin içinde döndürerek topun delinmesi işlemiyle ısı üretme deneyini gerçekleştirdi. Thompson, ısının daha önce varsayıldığı gibi toptan salınan kalorifik sıvı tarafından değil, uç ile silindir arasındaki sürtünmeden üretildiğini belirledi.
1811’de Joseph Fourier matematiksel bir ısı iletimi teorisi yayınladı. Fourier’in teorisine göre iki nokta arasındaki ısı akış hızı noktalar arasındaki sıcaklık farklıyla doğru, aralarındaki mesafeyle ters orantılıydı.
1840’ta Alman hekim Julius Robert von Mayer, tropik bölgelere bir yolculuk için gemi doktoru olmayı kabul etti. Yolculuk sırasında von Mayer garip bir şey fark etti. Hasta mürettebattan kan alırken, toplardamar kanlarının neredeyse atardamar kanları kadar parlak bir kırmızılıkta olduğunu görmüş ve şaşırmıştı. Memleketi Almanya’nın daha serin ikliminde toplardamar kanı çok daha koyu olurdu. Lavoisier’in vücut ısısının yiyeceklerin yavaşça yanması ile üretildiği görüşüne aşina olan Mayer, tropik bölgelerde vücudu ısıtmak için daha az beslenmenin gerekli olduğu ve bu nedenle kanda daha az atık ürün olduğu sonucuna vardı. Oksidasyon dediğimiz kimyasal süreci yaşamak için gereken enerjinin birincil kaynağı olarak tanımlayan ilk kişi olmuştu. Mayer, yalnızca vücuttaki gıdaların ısıya dönüştürülmesi hakkında değil, vücudun iş yapabileceği ve bunun için de enerji gerektiği hakkında da tahminlerde bulundu. Isı ve işin birbirinin yerini alabileceğine, yani yediğimiz gıdanın ısıya veya işe dönüştürülebileceğine inanıyordu ancak toplam enerji aynı kalmalıydı. Bu ilkenin sadece canlılar için değil, enerji kullanan tüm sistemler için geçerli olduğuna inanıyordu. Mayer 1841’de ilk bilimsel makalesini yazdı. Burada “kuvvetin korunumu kanunu” dediği bir yasayı anlatıyordu ki kuvvetten kasti enerjiydi. Daha sonra ısının mekanik eşdeğeri için sayısal bir değer sunuyordu: birim miktarda ısı üretmek için yapması gereken iş.
Mayer’in enerjinin korunumuna ilişkin fikirleri çok ilgi görmedi. Aynı yıllarda İngiltere’deki James Joule soruna farklı bir açıdan yaklaşmasına rağmen benzer şeyler düşünüyordu. Isının mekanik eşdeğeri kavramını ortaya koyan ilk kişi Mayer olmuştu ve Joule onu yakından takip etmişti. Fakat bu çalışmaları elle tutulur deneysel kanıtlarla destekleyen ilk kişi Joule oldu. Bir makaranın bir tarafına ağırlık bağladı ve diğer tarafına suya batırılmış bir çark yerleştirdi. Ağırlık, düştüğünde çarkı çeviriyor ve suyun karışmasını sağlıyordu. Joule, tekerleği döndürmeden önceki ve sonraki su sıcaklıklarını ölçtü ve ikinci ölçümün daha sıcak olduğunu keşfetti. Joule, Mayer’le aynı sonuca vardı: Isı ve mekanik iş eşdeğerdir; belirli miktardaki iş, ölçülebilir ve tahmin edilebilir bir ısı miktarına dönüştürülebilir. İşte bu ilke termodinamiğin birinci yasasıdır. Bir sistemin iç enerjisindeki değişim: sisteme verilen ısı ile, sisteme çevre tarafından uygulanan iş toplamıdır. Bu yasa “enerjinin korunumu” olarak da bilinir. Enerji, yoktan var edilemez; var olan enerji de yok edilemez, sadece bir şekilden diğerine dönüşür.
Kalorifik teori, ısının yüksek sıcaklıktaki bir bölgeden daha düşük sıcaklıktaki bir bölgeye aktığı şeklindeki tasviriyle katı maddelerde ısı akışını oldukça başarılı tanımlamıştı. Ama enerjinin korunumu kanunu, ısının düşük sıcaklıktan yüksek sıcaklığa aktığı durumlarda bile eşit derecede muazzam bir performans sergiliyordu. Berlin’deki kraliyet topçuluk ve mühendislik okulunda fizik profesörü olan Rudolf Clausius buradan yola çıkarak termodinamik için ikinci bir yasa önerdi: Isı her zaman sıcak bir nesneden daha soğuk bir nesneye akar, asla soğuktan daha sıcağa akmaz. Sistem nihayetinde bir denge durumuna ulaşır.
Newton’un hareket yasaları gibi bazı fiziksel yasalar zamana bağlı değildir. Bir cismin mevcut hareketini biliyorsak, Newton yasalarını kullanarak geçmişte nasıl hareket ettiğini ve gelecekte nasıl hareket edeceğini anlayabiliriz. Ancak bu yasalar zaman tersinirdir ve ister gelecekteki ister geçmişteki hareketi hesaplıyor olalım her iki yönde de aynı şekilde çalışır.
Kinetik teoriye göre ısı, atomların hareketinin bir ölçüsüdür. Atomlar ne kadar titrerse ısı o kadar büyük olur. Hareket hâlindeki diğer nesnelerde de olduğu gibi, moleküller arasındaki bireysel çarpışmalar tamamen tersinirdir. Ama iki gaz karıştırılırsa, teoride yapabilseler de gerçek hayatta asla bir anda kendi bileşenlerine ayrılamazlar. Ludwig Boltzmann, fizikte bu sözde “tersinirlik paradoksunu” çözmek için kinetik teoriyi kullandı. 1876 civarında, bir sistem için düzenli durumlardan çok daha fazla sayıda düzensiz durum olması gerektiğini fark etti ki rastgele etkileşimler bundan ötürü öyle ya da böyle daha büyük düzensizliğe yol açacaktır. Kısacası düzensizlik yahut fizikteki adıyla entropi hep artma eğilimindedir. Boltzmann, ikinci yasanın olasılıklara dayandığını belirleyerek tersinirlik paradoksunu çözdü. Bir cismi oluşturan sayısız atom ve molekülün tümü devamlı olarak rastgele bir hareket hâlindedir. Kırık bir yumurtadaki moleküllerin tümünün yumurtayı yeniden birleştirmek için doğru yönde hareket etme olasılığı yok denecek kadar küçüktür lakin kesinlikle imkânsız değildir. Tabi, bunun olma ihtimali o kadar düşüktür ki yumurtanın kırılması pratik açıdan geri döndürülemez.
Termodinamiğin üçüncü yasası ise 1906-1912 yıllarında kimyacı Walther Nernst tarafından geliştirilmiştir. Bu yüzden, Nernst’in teoremi ya da Nernst’in varsayımı olarak bahsedilir. Termodinamiğin üçüncü yasası, mutlak sıfırdaki yani sıcaklığı hiç olmayan bir sistemin entropisinin iyi tanımlanmış bir sabit olduğunu belirtmektedir. Bunun sebebi, sıfır sıcaklıktaki bir sistemin temel durumda var olmasıdır. Öyle ki bunun entropisi sadece temel durumun eşenerjiliği tarafından belirlenir. Basitçe, üçüncü yasa; mutlak sıcaklık sıfıra yaklaştıkça saf bir maddenin ideal kristalinin entropisinin sıfıra yaklaştığını belirtmektedir. Sistemin bileşenlerinin konumu ve kristalin her bir parçasının yönelimi aynı olduğu sürece, ideal bir kristalin sıralaması belirsizlik bırakmaz. Kristalin enerjisi azaldıkça, her bir atomun kendine has titreşimleri sıfıra düşer. Bu noktada, kristalin hiçbir parçası kendine has değildir. Bu yüzden, özü olan tek bir şeye dönüşür. Bu yasa, herhangi bir diğer sıcaklıkta entropinin belirlenmesi için mutlak bir referans oluşturur. Bir sistemin entropisindeki herhangi bir artış, ki bu sıfır noktasına göre belirlenir, bu sistemin mutlak entropisidir.
1931 yılında Ralph H. Fowler tarafından termodinamik için dördüncü bir yasa daha tanımlanmıştır. Ancak bu yasanın adı termodinamiğin dördüncü yasası değil termodinamiğin sıfırıncı yasasıdır. Çünkü bu yasa temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıkar ve termodinamiğin 1. ve 2. yasalarından önce gelme zorunluluğu doğduğu için onlardan önce gelir. Termodinamiğin bu en basit yasasına göre eğer iki sistem, birbiriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler, termodinamik dengededir. Daha basit bir ifadeyle farklı sıcaklıklara sahip iki cisim arasında ısı alışverişine dayalı bir temas olursa sıcak olan cisim soğur, soğuk olan cisim ısınır. Peki ısı alışverişi nasıl olur?
Ne yazık ki bu konu videoyu fazlaca uzatacak. Bu yüzden Isı ve Sıcaklığın Doğası konusunu 2 ayrı videoya ayırmış olalım. Bu videoda modern termodinamik öncesi ısı ve sıcaklık anlayışı ile termodinamik yasalarının gelişimini konu almış olduk. Haftaya yayınlanacak ikinci bölümde de ısı ve sıcaklık kavramları arasındaki farkı ve ısı alışverişinin gerçekleşme yollarını inceleyecek, sonrasında da kuantum dünyasının kapılarını göreceğiz.
Böylece bir videomuzun daha sonuna gelmiş olduk. Videolarımızdan haberdar olmak için abone olmayı ve bizlere destek olmak için videoyu beğenmeyi unutmayın.
0 Yorum