Bir maddenin ısınması ne demek? Bir maddenin sıcaklığı neyi temsil eder? Isı nasıl aktarılır? Geçen haftaki videoda modern termodinamik öncesi ısı ve sıcaklık anlayışı ile termodinamik yasalarının gelişimini konu almıştık. Bu devam videosunda ise ısı ile sıcaklık kavramları arasındaki farkı ve ısı alışverişinin gerçekleşme yollarını inceleyecek, sonrasında da kuantum dünyasının kapılarını göreceğiz. Gelin ısı ve sıcaklığın nasıl bir doğası varmış videonun devamında hep beraber öğrenelim.
(intro)
Önceki videomuzdan da hatırlarsınız, termodinamiğin gelişmeye başladığı yıllarda bir maddenin ne kadar çok kalorifik sıvıya sahipse o kadar sıcak olacağı düşünülüyordu. Yani sıcaklığa sebep olan şey bir maddeydi. James Clerk Maxwell, 1871 yılında ortaya attığı ısı teorisinde ısının madde olamayacağını söylüyordu. Çünkü ısı madde olmayan bir şeye mesela mekanik işe dönüştürülebiliyordu. Richard Feynman ısıyı bir enerji türü olarak tanımladı. Günümüz termodinamik yaklaşımındaysa ısı ve sıcaklık şu şekilde tanımlanır:
Bir maddeyi oluşturan tanecikler ve fotonlar titreşir yahut etkileşimde bulunurlar. Bu etkileşimlerin sonucu olarak da ısı ismini verdiğimiz enerji çeşidini üretme potansiyeline sahiptirler. Bir sistemi oluşturan herhangi bir taneciğin kinetik enerjisi ne kadar yüksekse sıcaklık da o kadar yüksektir. Kısacası sıcaklık bir ölçüdür. Sıcaklık iki sistem arasındaki potansiyel farkını anlayabilmemiz için tanımlanmış bir kavramdır. Bu manada sıcak ve soğuğu alçak ve yüksek kavramlarına benzetebiliriz. Yüksek olan dağlar kütleçekim sebebiyle alçalma eğilimindedir, alçak olan vadiler de yükselme eğilimindedir doğal olarak. Bu yüzden heyelanlar olmaktadır. Bu sayede sistem potansiyel enerjinin her yerde eşit olduğu noktaya ulaşır ve dağlarla vadiler kalmadığında, bütün kara yüzeyi kütle merkezine eşit uzaklıkta olduğunda hareket eğilimi durur. Böylece sistem dengeye gelmiş olur. Termodinamikte de enerji potansiyeli yüksek olan sıcak cisim ile potansiyeli düşük olan soğuk cisim bir araya getirildiğinde bir enerji dengesizliği oluşmuş olur. Bu yüzden sıcak cismin sahip olduğu fazla enerji soğuk cisme akmak ister. İşte bu oluşan potansiyel fark yüzünden aktarılan enerji ısıdır. Isı enerjisinin aktarılmasına neden olan şey ise sıcaklık farkıdır. Sıcaklık ölçü, ısı enerjidir.
Peki, ısı enerjisi sıcak cisimden soğuk cisme doğru nasıl akabilir? Bunun üç yolu var: iletim, taşınım ve ışınım. İletim yolunda sıcak olan cismin tanecikleri soğuk olan cismin taneciklerine temas yoluyla titreşimi ve enerjiyi aktarır. Aynı havadaki moleküllerin titreşimleri birbirine aktararak sesimizi iletmesi gibi. Bu yöntemde aktarımın gerçekleştiği madde ne kadar yoğunsa iletim o kadar hızlı gerçekleşir. Bu yüzden metallerin iyi bir iletken olduğunu söyleriz. Tanecikler arası boşluk fazla değildir, bir tanecik enerjiyi aldığında kısa sürede yakınındaki taneciklere ısıyı aktarabilir.
Diğer bir yöntem ise taşınım. Konveksiyon olarak da bilinen bu yöntemde akışkan olan maddeler ısıyı da maddenin kendi akışıyla aktarmış olurlar. Genellikle sıvı ve gazlarda bu yöntem görülür. Örneğin odanın tek bir noktasındaki kalorifer peteğinin bütün odanın içini ısıtmasında bu yöntemi görebiliriz. Peteğe yakın olan havadaki moleküller iletim yoluyla ısınırlar. Daha sonra oda içindeki havada oluşan sıcaklık ve yoğunluk farkı sebebiyle havayı oluşturan gazlar odanın içerisinde akmaya başlar. Sıcak olan hava ile soğuk olan hava akarak yer değiştirir ve böylece soğuk olan gaz tanecikleri de iletim yoluyla ısıyı alabilecek kadar peteğe yaklaşmış olur. Bu olaylar zincirinin sonunda ise bütün bir oda ısınmış olur.
Son ısı aktarım yöntemi ise ışınım yahut diğer bildiğimiz bir adıyla radyasyon. Radyo dalgaları, görünür ışık ve x-ışınları gibi ısıl ışınımlar, varlığı ilk kez 1865’te James Clerk Maxwell tarafından ortaya atılan bir elektromanyetik ışınım şeklidir. İngiliz gökbilimci William Herschel, ısı ve ışık arasında bağlantı gören ilk isimlerdendi. 1800’de, görünür ışık spektrumu içindeki farklı noktalarda sıcaklığı ölçmüş ve termometresini mordan kırmızıya doğru hareket ettirdikçe sıcaklığın arttığını fark etmişti. Şaşırtıcı bir şekilde, spektrumun hiçbir ışığın görünmediği kırmızı ucunun ötesinde de termometresinin sıcaklıkta bir artış kaydettiğini gözlemledi. Gözle görülmeyen, sadece ısı olarak algılayabildiğimiz kızılötesi ışınımı keşfetmişti.
1858’de İskoç fizikçi Balfour Stewart, “An Account of Some Experiments on Radiant Heat” isimli makalesini yayınladı. Farklı malzemelerin ısıyı emme ve yayma yetilerini araştırıyordu ve bir malzemenin enerji soğurma eğiliminde olduğu dalga boylarında, enerji yayma eğiliminde de olduğunu keşfetti. İki yıl sonra, Stewart’tan haberi olmayan Gustav Kirchhoff benzer sonuçlar yayınladı. Fizikçi meslektaşları, Kirchhoff’un çalışmasının Stewart’inkinden daha titiz olduğunu düşündü ve bunun sonucunda, Stewart keşfi yapan kişi olsa da katkısı büyük ölçüde unutuldu.
Kendisine çarpan tüm elektromanyetik ışınımı mükemmel bir şekilde emen bir nesne hayal edelim. Bu nesneden hiç radyasyon yansımadığı için, yaydığı enerjinin tamamı yalnızca ve yalnızca sıcaklığına bağlı olacaktır. Fizikçiler bu varsayımsal nesnelere, Kirchhoff’un türettiği “kara cisim” ismiyle hitap eder. Kirchhoff, herhangi bir sıcaklık ve dalga boyunda, termodinamik dengede bulunan bir cismin yüzeyi tarafından emilen ışınım miktarının, yayılan ışınım miktarına eşit olduğunu belirten bir ısıl ışıma yasası öne sürdü. Bir siyah cismin enerji çıktısının çoğu, sıcaklık arttıkça artan bir tepe frekans etrafında yoğunlaşır. Enerji yayan dalga boylarının tepe frekans etrafında yayılması, kara cisim eğrisi denen belirgin bir şekil oluşturur.
1893’te Wilhelm Wien, sıcaklık değişimi ile kara cisim eğrisinin şekli arasındaki matematiksel ilişkiyi keşfetti. Maksimum ışınımın yayıldığı dalga boyunun kara cismin sıcaklığıyla çarpımının hep sabit olduğunu buldu. Bu, tüm sıcaklıklar için en yüksek dalga boyunun hesaplanabileceği anlamına geliyor ve nesnelerin ısındıkça neden renk değiştirdiğini açıklıyordu. Sıcaklık arttıkça tepe dalga boyu azalır ve daha uzun kızılötesi dalgalardan daha kısa mavi-beyaz ve morötesi dalgalara doğru hareket eder. Ancak 1899’a gelindiğinde dikkatli deneyler, Wien’in kızılötesi menzil tahminlerinin doğru olmadığını gösteriyordu.
1900’de Lord Rayleigh ve James Jeans, spektrumun kırmızı ucunda neler olup bittiğini açıklayan bir formül buldular ancak bu formül mor uçta sonsuz ışınımın gerçekleşeceğini öngörüyordu. Bu bir felaketti, morötesi felaket… Ancak bilinen fiziğe göre tam da böyle olması lazımdı. Aynı yıl Max Planck, Berlin’de bir kara cisim ışıması teorisi üzerinde çalışıyordu ve Ekim 1900’de, tüm deneysel ölçümlerle uyumlu olan kara cisim eğrisi için bir açıklama buldu. Planck, bir kara cismin enerjiyi sürekli dalgalar hâlinde değil, “quanta” olarak adlandırdığı ayrık paketler hâlinde yaydığını varsayarak felaketin önlenebildiğini buldu. 19 Aralık 1900’de Berlin’de Alman Fizik Derneği’nin bir toplantısında bulgularını sunduğu gün, genel olarak kuantum mekaniğinin doğuşu ve fizikte yeni bir çağın başlangıcı kabul edilir. Planck’ın bulgularının ışık teorisi üzerinde nasıl bir etkisinin olduğunu Işığın Doğası videomuzda anlatmıştık. Onu da izleyerek daha ayrıntılı bilgi sahibi olabilirsiniz.
Böylece bir videomuzun daha sonuna geldik. Videolarımızdan haberdar olmak için abone olmayı ve bizlere destek olmak için videoyu beğenmeyi unutmayın.
0 Yorum