Sıcaklık, modern dünyamızda zamandan sonra en sık ölçülen fiziksel büyüklüklerden biridir. Sabah uyandığımızda ilk kontrol ettiğimiz şey genellikle saat olurken, ikinci şey hava sıcaklığıdır. Sıcaklık, yaşamımızın her alanında o kadar yaygın bir ölçüm ki onun önemini bazen unuturuz.
Süt üretiminden roket bilimine, iklim biliminden hava tahminine kadar birçok alanda doğru sıcaklık bilgisi kritik bir rol oynar. Bu ölçümde kullanılan metrik birim, Lord Kelvin’in onuruna “kelvin” olarak adlandırılmıştır.
Lord Kelvin ve Sıcaklık Biliminin İlk Yılları
Lord Kelvin, doğum adıyla William Thomson, 19. yüzyılın en etkili fizikçi, matematikçi ve mühendislerinden biridir. 1824 yılında İrlanda’nın Belfast kentinde doğan Thomson, Glasgow Üniversitesi’nde 53 yıl boyunca doğa felsefesi profesörlüğü yaparak bilim dünyasına damga vurdu. Termodinamik, elektrik ve mühendislik alanlarında yaptığı çalışmalar bugün hâlâ referans alınmaktadır.
Kelvin, bilim dünyasında yalnızca mutlak sıfır kavramını hesaplamasıyla değil, aynı zamanda Atlantik Okyanusu’na telgraf kabloları döşeme, gelgit hesaplama makineleri geliştirme ve Kraliyet Donanması için hassas bir pusula tasarlama gibi başarılarla da tanınır. Onun çalışmaları, bilimin teorik temellerinden uygulamalı mühendislik alanına kadar geniş bir etki alanı yaratmıştır.
O dönemde sıcaklık ölçümünde kabul edilen ölçek, suyun donma noktasını 0°C ve kaynama noktasını 100°C olarak belirleyen Celsius ölçeğiydi. Ancak Kelvin, iş birliği yaptığı James Joule ve diğer bilim insanlarıyla birlikte, sıcaklığın gazların hacmi ve basıncı üzerindeki etkilerini incelediğinde, ulaşılamaz bir mutlak sıcaklık noktası olduğunu keşfetti.
Mutlak Sıfır Nasıl Hesaplandı?
Mutlak sıfır kavramını anlamak için bir balonu ele alalım. İçindeki gaz soğutuldukça, balonun iç basıncı azalır ve hacmi küçülür. Bunu evde basit bir deneyle görebilirsiniz: Şişirilmiş bir balonu dondurucuya koyduğunuzda, balonun hacminin azaldığını fark edersiniz. Şimdi bu prensibi sonsuza dek genişlettiğinizi hayal edin. Gazın hacmi tamamen sıfıra ulaştığında, balonun negatif bir hacme sahip olması imkânsızdır; bu da daha düşük bir sıcaklığın fiziksel olarak mümkün olamayacağı anlamına gelir.
1848 yılında Lord Kelvin, bu mantığı kullanarak -273,15°C (veya -459,67°F) olarak hesapladığı mutlak sıfır sıcaklığını doğru bir şekilde belirledi. Yaklaşık bir on yıl sonra, bilim insanları, mutlak sıfırda gaz moleküllerinin hareket etmeyi bıraktığını anladılar.
Mutlak Sıfıra Ulaşmak Neden Mümkün Değildir?
Mutlak sıfıra ulaşamamanın nedenlerini anlamak için sıcaklığın temel tanımına geri dönmeliyiz. Sıcaklık, bir sistemdeki parçacıkların enerjisinin veya titreşimlerinin bir ölçüsüdür. Daha sıcak sistemlerde parçacıklar daha hızlı titreşirken, daha soğuk sistemlerde bu hareket yavaşlar. Ancak mutlak sıfır, bir sistemdeki parçacıkların tüm enerjisinin sıfırlandığı teorik bir noktadır.
Mutlak sıfıra yaklaşıldığında, fizik kuralları beklenmedik bir şekilde değişmeye başlar. Çünkü mutlak sıfır, bir sistemdeki tüm parçacıkların enerjisinin tamamen sıfıra düştüğü teorik bir noktadır. Ancak bu duruma ulaşmak pratikte imkânsızdır.
Termodinamiğin üçüncü yasası, mutlak sıfıra ulaşmanın neden pratikte imkânsız olduğunu açıklar. Bu yasa, mutlak sıfıra ulaşmak için sonsuz enerji veya sonsuz zaman gerektiğini belirtir. Her iki koşul da fiziksel olarak mümkün olmadığı için mutlak sıfır bir ideal olarak kalır.
Ayrıca kuantum mekaniği kuralları, mutlak sıfırda bile bir sistemin tamamen durağan olamayacağını söyler. Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi, bir parçacığın konumu ve momentumu aynı anda kesin bir şekilde bilinemeyeceğinden, parçacıkların daima bir miktar enerjiye sahip olmasını zorunlu kılar. Bu, mutlak sıfır noktasında bile bir miktar hareketin devam ettiği anlamına gelir.
Günümüzde atomik fizikçiler, lazer soğutma adı verilen bir teknikle gazları mutlak sıfıra son derece yakın bir sıcaklığa kadar soğutabiliyorlar. Bu teknik, gazdaki atomların hızını yavaşlatarak 100 mikrokelvin (mutlak sıfırın 0.0001°C üstü) gibi inanılmaz derecede düşük sıcaklıklara ulaşmayı sağlıyor.
Lazer soğutma, gaz atomlarının hızını ölçerek sıcaklığını belirler. Bu yöntem, Lord Kelvin’in sıcaklığı anlama prensiplerine oldukça benzer. Modern bilimde bu yöntem, atom saatlerinden kuantum bilgisayarlara kadar çeşitli teknolojilerin geliştirilmesine olanak tanımaktadır..
Sonuç olarak
Lord Kelvin, mutlak sıfır kavramını tanımlayarak termodinamiğin temellerini attı. Bugün hâlâ fiziksel bilimlerde sıcaklığın anlaşılmasında onun teorik katkılarından yararlanıyoruz. Onun katkıları, sadece geçmişte değil, günümüzde de bilimsel ilerlemeye ışık tutmaya devam ediyor.
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- How Low Can Temperature Go? Lord Kelvin and the Science of Absolute Zero. Yayınlanma tarihi: 26 Ocak 2024. Kaynak site: Bağlantı: How Low Can Temperature Go? Lord Kelvin and the Science of Absolute Zero
- Is it possible to reach absolute zero? Yayınlanma tarihi: 13 Mayıs 2024. Kaynak site: Live Science. Bağlantı: Is it possible to reach absolute zero?
- Scientists Got Close to Reaching Absolute Zero. Yayınlanma tarihi: 3 Mart 2022; Bağlantı: https://www.popularmechanics.com/
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
