ISI NEDİR?
Şu anda, yeryüzünün derinliklerinde var olup da depremler ve yanardağ patlamalarına neden olan kuvvetlerin neler olduğunu sormak kişiye akılcı gibi görünecektir. Ancak bu soruyu sormadan önce, “Isı Nedir?” diye sormalıyız.
Isıyı her zaman algılayabilir ve onu hep varmış gibi benimseriz. Birincil olarak, ısı bize güneşten gelir. İşte bu nedenle ışıklı yerde ısıyı algılarken gölgelikte onu duyumsamayız. Daha az derecede olmak üzere yanan ateşten, elektrik ışık lambasından, radyatörlerden ve kaynayan sudan bize ısı gelir. Isının ne olduğunu bilmesek de onun ne yaptığını iyi biliriz: Isı bir cisimden ötekine akar. Eğer üşümüşsek ve ateşin karşısında duruyorsak, ateşten bize ısı geçer. Ama, orada uzun süre durursak, o denli çok ısı alırız ki, kendimizi rahatı kaçmış gibi duyumsamaya başlar ve oradan uzaklaşmak üzere harekete geçeriz. Eğer bir çaydanlık dolusu soğuk suyu gaz sobasının üzerine koyarsak, alevlerden çıkan ısı çaydanlığın içine akar ve soğuk su ısınıp sonunda kaynamaya başlar.
Bu tür örnekleri çoğaltabilir, sonunda ısının bir tür sıvı olduğu ve aynen sıvının akışı gibi bir cisimden ötekine aktığı varsayımını akılcı buluruz. Belli bir madde, belirli koşullar altında yalnızca sınırlı miktarda ısı sıvısını içerir. Bu durumdan emin olmak üzere, sıcak su dolu çaydanlığı soğuk bir zemine koyarsak, suyun ağır ağır ısısını yitirdiğini ve sonunda tümüyle soğuduğunu görürüz.
Olay böyle düşünülürken 1798 yılında Amerikalı İngiliz fizikçi Benjamin Thompson, Lord Rumford (1753-1814) top namlusu yapmak üzere uzun metal bloklarda delikler açıp onları içi boş silindirler şekline sokuyordu. Rumford delme aygıtının metali öyle çok ısıttığını gördü ki, sonunda delinecek metali suyla soğutmak zorunda kaldı. O sırada yapılan geçerli açıklama, metal delme aygıtı ile traş edilirken sıvı ısının serbest kalıp öteki maddeye doğru akmış olacağı biçimindeydi.
Oysa, Rumford delgi işlemi sürdükçe ısı üretiminin devam ettiğini ve kullanılıp bitmediğine dikkat etmişti. Büyük miktarlarda suyu ısıtacak kadar ısı üretilmekteydi. Eğer bütün o sıvının öteki metala akıtıldığı hayal edilirse, metal o kadar çok ısınacaktı ki, sonunda ergiyecekti. Kısaca, metal delgi işlemi yapılmadan önceki durumuna oranla belli daha çok ısı verecekti.
Dahası, Rumford metal bloku öyle ağır hareketli bir delme aygıtı ile delmeyi denedi ki, sonuçta metali hiç traş edemediği gibi ortaya ısı çıkmadı. Ama, olay hiç de böyle değildi: Kör delgi aygıtı ile keskip olana orana çok daha fazla ısı oluşturulmuştu. Bu kaba deneyle Rumford ısının bir sıvı değil bir tür hareket olduğu sonucuna varmıştı. Ancak bilim adamı delme aygıtının hareketinin delinen metalle her nasılsa bir ilişki kurduğunu, gözle görünmeyecek kadar minik metal parçalarının bu harekete kapıldıklannı ve kendisinin de bunu ısı olarak gözlemlediğini sanıyordu.
Böyleyken bile Rumford doğru iz üzerindeydi. 1803 yılında İngiliz kimyacısı John Dalton (1766-1844) bu görüşü şöylece geliştirdi: Tüm maddeler minik parçacıklardan oluşmuştur. Bunlar öyle küçüktür ki, görülemezler ve adlarına atom denilir. Sonuç olarak, tüm maddelerin atomlardan oluştuğu ve atomların çoğu kez molekül adı verilen gruplar şeklinde birleştiği saptanmıştır. 1860’lı yıllarda İngiliz matematikçisi James Clerk Maxwell (1831-1879) ve AvusturyalI fizikçi Ludvvig Edward Boltzmann (1844-1906) birbirlerinden bağımsız çalışarak ısının, atom ve moleküllerin rasgele hareketleri (bunlar bir hacim içinde devinim, titreşim ya da fırıldak gibi dönmeler olabilir) olduğunu gösterdiler. Bu açıklama, Eski Yunancadaki hareket anlamına gelen sözcükler, ısının kinetik kııranıı olarak adlandırılır.
SICAKLIK NEDİR?
Bazı şeyler ötekilerden daha sıcaktır. Bir çaydanlık dolusu su ılıkken diğer çaydanlıktaki su kaynamak üzere olabilir. Ve bizler yalnızca her iki çaydanlığa dokunarak farkı kolayca söyleyebiliriz. Gerçekte onlara dokunmak zorunda bile değilizdir. Parmağımızı her iki çaydanlıktaki suya birkaç santimetre sokarak hemen hangi suyun kaynamak üzere olduğunu söyleyebiliriz. ı
Neden bazı şeyler ötekilerden daha sıcaktır? Bu, sıcak şeyin soğuk şeyden daha çok ısıyı içermesi nedeniyle midir? Başlangıçta bu tür düşünce öyle akla yatkın görünüyordu ki, kimse konuyu tartışmayacak gibiydi.
Oysa ki, 1760 yılında İngiliz kimyacısı Joseph Black (1728- 1799) belli miktarda ısının o cisimde sıcaklıktan dolayı bulunmadığım gösterdi: Elimize aynı ağırlıkta ve sıcaklıkta bir demir, bir de kurşun parçası aldığımızı varsayalım. Her ikisini de ayrı kaplardaki soğuk suya koyalım. Her iki durumda da metaller ısı yitirir ve bu ısı suya akar. Böylecek metal soğurken ısı geçişi tamamlanıncaya dek su ısınır. Her iki kapta da suyun eşit olarak ısınacağım umarsınız. Oysa, durum öyle olmaz. Demirin batırıldığı su ayırt edilecek şekilde, kurşunun batırıldığı sudan daha sıcaktır. Vc bu nedenle başlangıçta eşit sıcaklıkta olsalar bile demirin daha çok ısıyı içerdiği anlaşılmaktadır.
Bir kez daha, sıcak bir demir parçasını buz ve su karışımına sokarsak, sıcak demir soğurken buzun bir miktarını eritecek, ama buz ve su karışımı şimdi daha çok su ve daha az buzu içermek üzere, sıcaklığı daha önceki durumdakiyle aynı kalacaktır. Böylece bir maddeyi sıcaklığını yükseltmeden ısıtmak olasıdır. Bunun yerine ısı diğer sonuçları üretir: Masif buz moleküllerini
parçalayarak onları daha gevşek su moleküllerine değiştirmiş olur.
Bu düşünceyi anlamak üzere, akan ısıyı akan su ile kıyaslayabiliriz. Isı gerçekte suya benzer bir sıvı olmadığı halde suyun benzeri niteliklere sahiptir. Ve suyun özellikleri bize ısının özelliklerini anlamamızda yardımcı olur.
Sıcaklık, su basıncı ile kıyaslanabilirken ısı miktarı da su miktarı ile kıyaslanabilir. Böylece, belli yükseklikten su bir silindire dökülürken, silindirin tabınma belli bir basınç uygular. Belli miktardaki su geniş bir kaba döküldüğünde, dar bir silindire döküldüğü kadar yükselmez. Belli miktardaki su dar bir silindirin tabanına geniş bir silindirin tabanından daha fazla basınç uygular. Aynı şekilde, aynı derece sıcaklığa kadar yükseltmek üzere
demiri kurşundan daha çok ısıtmak gerekir. Demir, su örneğindeki geniş silindir gibidir. Daha çok ısı kapasitesi vardır.
Isının daha çok ısı içeren cisimden daha az ısı içeren maddeye akması gerekmez. Ama, içindeki ısı miktarı ne olursa olsun ısı, yüksek sıcaklıktaki cisimden sıcaklığı düşük olan cisme doğru akar. Benzer şekilde, dibindeki boruya bir musluk takılmış olan silindirik bir kapta ağzına kadar su dolu olsun. Bu silindirin altındaki çıkış borusu bir banyo küveti ile bağıntılı iken küvette yüksekliği daha az olan su bulunsun. Silindirdeki su tabana küvetteki sudan daha fazla basınç yapmakta iken musluk kapalı olduğu için iki kap arasında su gidiş gelişi olmaz. Şimdi musluğu açarsak basıncın denkleşmesi yolunda işlem gelişir: Su silindirik kaptan küvete, yüksek basınçtan alçak basınca doğru akar. Oysa, daha çok su bulunan küvetten silindire doğru akış kesinlikle olmaz.
Aynı şekilde, birkaç damla sıcak su bir küvet dolusu ılık sudan daha yüksek sıcaklıkta olsun. Oysa ki, küvette bulunan fazla miktardaki suyun içerdiği ısı, küçük miktardaki ama yüksek sıcaklıktaki suyun içerdiği ısıdan daha fazladır. Bununla birlikte, sıcak sudan birazını küvete dökerseniz, birkaç damla sıcak sudaki ısı küvetteki suya geçer ve tersi olay meydana gelmez. Bu nedenle: yani sıcaklığın ısı akışım dikte etmesi olayı yüzünden bilim adamları ısı miktarı ile değil, daha çok sıcaklıkla ilgilenmişlerdir.
21.
SICAKLIĞINI NASIL ÖLÇERİZ?
.Bir maddenin ötekinden daha sıcak olduğunu basit şekilde’ maddelere dokunarak ve onları kıyaslayarak söyleyebiliriz. Ama, dokunma duyumuz maddenin ne kadar daha sıcak olduğunu bize gösterecek duyarlılıkta değildir. Gerçekte bu konuda çok bilinen bir deney şöyle yapılır: İki elimizden biri sıcak, öteki soğuk suya sokulur ve orada bir süre bekletilir. Sonra her iki elimizi ılık suya daldırırız. Ilık su, sıcak elimize soğuk; soğuk elimize sıcak gelecektir.
Kısaca, sıcaklığı ölçmede dokunma duyusu maddenin sıcaklığını gözle değerlendirmemizden daha iyi değildir. Ama, uzaklıkları değerlendirdiğimiz bir metre ölçeği gibi, sıcaklıkları da ölçen bir aygıtı isteriz. Sıcaklık yükseliş ve düşüşleri ile düzenli olarak değişen ve bu değişiklikleri kolay birimlerle gösteren bazı olayları gözlemlemeyi dileriz. İşte böyle bir aygıtı yapmayı ilk kez deneyen Galileo olmuştur. 1603 yılında bilim adamı bir cam borudaki ısıtılmış havayı, boruyu ters yüz ederek bir kasedeki suyun içine soktu. Borudaki hava soğudukça hacmi küçülürken boruda su düzeyi yükseldi. Oysa, odadaki hava ısındığında tüpteki hava genleşti ve su düzeyi alçaldı. Tersi olupda oda soğuduğunda borudaki hava büzülürken yeniden su düzeyi boruda yükseldi. Kişi, borudaki suyun düzeyini ölçerek odanın sıcaklığını artık tahmin edebilirdi.
Galileo’nun aygıtı ilk kaba tennometre’ydı (bu sözcük, Eski Yunanca’ daki sıcaklığı ölçme kelimelerinden oluşturulmuştu) ve camdan yapılmış ilk bilimsel araçtı. Oysa ki, gerçekleştirilen aygıt iyi bir termometre değildi. Çünkü havaya açıktı. Bunun anlamı borudaki havanm, hava basıncından etkilenmesi ve bu yüzden sonuçların karışması demek oluyordu. 1654 yılında Tuscany dükü II. Ferdinand (1610-1670) hava basıncından etkilenmeyen bir termometre yaptı. Bunda, oldukça iri bir şişenin ucundan ince bir cam boru uzanıyordu. Şişe ve boru havaya açık değillerdi ve şişede bir sıvı vardı. Şişe ile boruda hava bulunmuyordu. Ortam ısınıp soğudukça sıvıların da hacmi büyür ve küçülür. Ancak sıvılar hava kadar fazla genleşip büzülmezler. Bununla birlikte, kullanılan boru ince ise, içindeki sıvının düzeyi en küçük bir genleşme ve büzülme ile oldukça büyük iniş çıkış gösterir.
İşte bu amaçla kullanılan ilk sıvılar ya su ya da alkoldü. Ama, her iki sıvı da doyurucu sonuçlar vermediler. Soğuk kış günlerinde borudaki su dondu ve iş görmedi. Benzeri şekilde, alkol de sıcak günlerde kolayca kaynadı ve işe yaramadı. 1695 yılında Fransız fizikçisi Guillaume Amontons (1663-1705) bu amaçla ideal sıvı olan cıvanın termometrelerde kullanılmasını önerdi. Suya ve alkole göre cıva çok daha geniş ölçekte sıvı olarak kalıyor; sıcaklık değiştikçe pek düzgün biçimde hacim artma ve azalmaları gösteriyordu.
1714 yılında Alman Hollandalı fizikçi Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736) ucunda şişkin bir hacmi bulunan ince cam borunun içine cıva koyarak ve boru ile şişkin hacimde hava boşluğu yaratarak bir termometre yapımını tasarladı. Buzun eridiği sıcaklık ile suyun kaynadığı sıcaklıkları bu termometrede cıva düzeyi olarak ayrı ayrı işaretledi. İki işaret arasındaki uzaklığı 180 eşit basamağa böldü. Şimdi bu basamaklara Fahrenhayt dereceleri denilmektedir. Fahrenheit’in tasarladığı ölçekte buzun erime noktası 32°F ve suyun kaynama noktası 212 °F’dir. Bilim adamının neden bu sayıları kullandığı, hep tartışılmıştır. Oysa, o seçimini öyle yapmıştı.
1742 yılında İsveçli gökbilimci Anders Celsius (1701-1744) günümüzde Celsius ölçeği olarak adlandırılan termometreyi tasarladı. (Türkçe’mizde bu ölçeğin basamaklarına Santigrat dereceleri adı verilmektedir. Çeviren.) Celsius, termometresinde buzun erime 0°C ve suyun kaynama noktasını 100°C olarak benimsemişti. Santigrat ölçeği, Fahrenhayt ölçeğinden çok daha açık seçiktir. Bu konuda terslik çıkaran ve eski sisteme bağlı kalan ABD dışında tüm dünya devletlerinde kullanılmaktadır. Bu iki sistemi birbirine çevirmek çok kolaydır.