Fizik – 5 –

İçerik: Şu an hava kaç derece?

Günlük hayatımızda en çok kullandığımız malzeme olan suyun donduğu sıcaklık 0 ve kaynadığı sıcaklık da 100 derece alınarak Celcius (oC󠆾) sıcaklık basamakları tanımlanır. Termometreler (sıcaklıkölçer) genellikle Celcius cinsinden gösterir sıcaklığı.
Her türlü devinimin, enerji aktarımının, fiziksel etkileşmelerin, atom ve molekül salınım ve ışımalarının donduğu sıcaklığa da mutlak sıfır denir ve yaklaşık olarak -273.15 oC󠆾 değerindedir. Birimi de 1 oK kadardır. (*)
Bazı okuyucular için tekrarlama olmuş olabilecek yukarıdaki bilgiye şu nedenle yer verdik. Dikkatli okuyucu fark etmiştir ki, önceki yazılarımızda T simgesini sıcaklık karşılığı olarak kullanmış ama tam olarak tanımlamamış idik. O eksikliği burada gidermeyi deneyelim(?).
Boltzmann faktörü dâhil, Termodinamik’in hemen her eşitliğinde T simgesi mutlak sıcaklık ölçütüdür. Yani, yaklaşık olarak -273.15 oC󠆾 (Celcius) değerinde sıfır olup birimi 1 oC󠆾 değerine eşit olan ve Lord Kelvin’in adıyla anılan (oK) bir birimi 1 oC󠆾 değerine eşit olan bir sıcaklık ölçüm sistemidir mutlak sıcaklık ölçüm sistemi ve Termodinamik’te yoğunlukla kullanılır.
Önemli bazı örnekler şöylecedir:
1. Örnek: Maxwell-Boltzmann İstatistiği

2. Örnek: Maxwell-Boltzmann Dağılımı

3. Örnek: Planck Karacisim Işıma İzgesi (‘spectrum’)

Tüm simgeler önceki gibi.
4. Örnek: Einstein Isı Sığası

Üstteki örneklerde ve Termodinamik’in pekçok denkleminde görülebileceği gibi enerji bölü sıcaklığın Boltzmann sabitiyle çarpımı olan kBT (kT) ifadesi boyutsuzdur yani salt sayıdır ve dolayısı ile birimsizdir.
Buraya dek her şey iyi hoş da (enerji/ k_BT) ifadesi son derece ciddi bazı sorunlar içermekte (ama bunlardan derslerde ve ders kitaplarında hemen hiç söz edilmemektedir).
Bakınız, enerji terimi örneğin Örnek 2’de kütle ve hız cinsinden Örnek 3’te de frekans cinsinden gayet hassalıklı (‘precise, accurate’) olarak tanımlanabilir. Ama T’yi, örneğin bir karacisim olan bir fırının veya bir bardak suyun hatta bizzat bu satırları okumakta olan sizin sıcaklığınızı ölçmek mümkün müdür acaba?
“A sistemi ile B sistemi ve A sistemi ile C sistemi aynı sıcaklıkta ise, B sistemi ile C sistemi de aynı sıcaklıktadır.” denir ya hani. Ama herhangi bir sıcaklığın nasıl ölçüle_BİLE_ceği söylenmez, bir türlü!
En basitinden alttaki gibi bir bardak suyunuz ve bir tane de sıcaklıkölçeriniz olsun.

Önce X okuyan sıcaklıkölçeri suyun içine soktuk ve bir süre bekledikten sonra baktık ki, Y okuyor.
Şimdi de Maxwell’e, Boltzmann’a, Planck’a ve Einstein soralım; suyun sıcaklığı Y mi idi önce ve hatta Y midir sonrasında?
Yine soralım; Isıölçeri içine sokmazdan evvelki sıcaklığı ne idi acep aynı suyun?
Benzer başka sorularımız da var da onları sona saklayıp Maxwell, Boltzmann, Planck ve Einstein yerine yanıtlayalım:
İlkin; ısıölçeri içine sokmazdan evvelki sıcaklığını asla bilemeyiz suyun! Totoloji kadar yalın ve açık bir yanıt, değil mi? Ölçmeden nasıl bilebiliriz ki?
“En çoğu; bilebileceğimiz, ısıölçeri içine soktuktan sonraki sıcaklığıdır suyun.” Bu söylem hakkında da emin olamayız; çünkü ısıölçer bize bizatihi (aracısız, kendisi olarak) kendi sıcaklığını söylemektedir ister su dışında olsun ister su içinde. Oysa suyun sıcaklığını bizatihi değil, ısıölçer aracılığı ile ve dolaylı olarak saptamaya çalışmaktayız. Bunun mümkün olup olmayacağını anlamaya çalışmaktayız.
İkincileyin, dışarıdaki ve sıcaklığı o an X olan ısıölçerin demek ki bir de ısısı var (ısı sığası ile kütle ve sıcaklığı cinsinden tanımlanan) ve bu sıcaklıkölçer suya sokulduğu zaman ısılar toplanır ve yeniden su ve ısıölçerin kütleleri ve ısı sığalarına bağlı olarak ve aynı sıcaklıkta olacak şekilde paylaşılır, üleşilir. Bu demektir ki, sıcaklık içine sokulduktan sonra suyun sıcaklığı değişir.
Fizik deyimiyle söyleyecek olursak; her ölçüm, üstünde ölçüm yapılan sistemde değişikliğe yol açar. W. Heisenberg’den beridir bu ilke, Belirsizlik İlkesi olarak bilinir. Örneğin, bir elektronun yerini saptamak, konumunu ölçmek için üstüne ışık fotonu yolladığımızda, foton elektronu etkileyip konum değişikliğine sebep olur. Bu etkilemeyi en aza indirmek için fotonun enerjisini ve momentumunu azaltmak amacıyla düşük frekanslı uzun dalga boylu foton yollasak da, bu kez konum ölçümündeki belirsizlik hayli artmış olur çünkü konumdaki belirsizlik dalganın dalga boyu ile doğru orantılıdır. Elektron, o fotonun dalga boyu uzunluğu kadar bir uzay parçasının herhangi bir yerinde bulunmuş olabilir. Yok eğer, konum ölçümündeki hassalığı artırmak için kısa dalga boylu foton kullansak, bu kez de enerji ve momentum artmış olacağı için elektron hızla konum değiştirecektir. Yani, ölçülmüş olan ilk konumundan uzaklaşmış olacaktır.
Belirsizlik hayatın başka alanlarında da mevcut. Bu söze inanmayan, bu gece nasıl uyuyakaldığını gözlemeye, anlamaya çalışsın bakalım.
Bütün bunlar yetmezmiş gibi şöyle de bir özelliği var sıcaklık ölçümlerinin. Bundan sonra, sözüm ona anlamında sıcaklık ölçümleri sözcükleri tırnak (‘…’) içine alınmış olsa yanlış olmaz.
Isıölçerin ölçtüğü sıcaklığın (X ve Y) kendi sıcaklığı olduğundan söz etmiş idik. Bu sıcaklıkların, ısıölçere o an dokunmakta olan hava ve su miktarının da sıcaklığı olduğu açıktır.
Peki ama, bardak içindeki suyun diğer taraflarındaki suyun veya karacisim fırının diğer taraflarındaki fırın sıcaklığını ölçmek için ısı ölçerimizi de dolaştırmak gerekli değil midir? Aynı şekilde, bir insanının sıcaklığı nasıl tanımlanır ve nasıl ölçülür? Ayrıca, bu dolaştırmalar sırasında suyun veya fırının sıcaklığı sürekli olarak değişmeyecek midir? Dahası, katı içindeki minik hacimler içindeki yerel sıcaklığı nasıl ölçeceğiz de Planck’ın Karacisim Işıma izgesi’nden ve Einstein’ın Isı Sığası’ndan emin yani bilimsel kesinliğe sahip olacağız?
Maxwell’e, Boltzmann’a, Planck’a ve Einstein’a soralım bakalım ne derler?
Sıcaklığı tanımlamayan, sıcaklığı nasıl ölçe_BİLE_ceğimizi açıklamayan Maxwell, Boltzmann, Planck ve Einstein zaten bir de evrende var olmayan ‘sonsuz’ büyük enerji kullanmamışlar mıydı formüllerinde?
Sıcaklığı tanımlamayan, sıcaklığı nasıl ölçe_BİLE_ceğimizi açıklamayan fizik kitabı yazarlarına, internetteki sitelerinde yazı yazıveren bilgiçlere de soralım bakalım bir şey diyecekler mi?
Bir de şunu soralım:
Sıcaklığı tanımlamayan, sıcaklığı nasıl ölçe_BİLE_ceğimizi açıklamayan öğretmenlerin de hocaların da sınavda sıcaklık ile ilgili bir soruyu tam yanıtla_YA_madığı için öğrencisinden not kırması reva mıdır?
Ne dersiniz?

(*) Mutlak sıcaklığın ne kadar da yakında yaşıyoruz, değil mi? Bu satırların yazanı, arada bir boş kaldığında falan, daha yüksek, çok daha yüksek sıcaklıklarda nasıl canlıların oluşabileceğini, dolayısı ile de Güneş ve diğer yıldızlar içinde canlılar olabileceğini hayal eder bazı bazı.