Sıcaklık Düşündüğünüz Şey Değildir!

Peki sıcaklık nedir? Bu soru özellikle fen derslerinin ilk ünitelerinde ele alınır. En yaygın yanıtı şudur:

Sıcaklık, bir cisimdeki parçacıkların ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Sıcaklık arttıkça, bu parçacıkların hareketleri de artar.

Bu çok kötü bir tanım olmamakla birlikte en iyisi de değildir. Muhtemelen sıcaklıkla ilgili bilmeniz gereken başka birçok şey vardır.

Termal Enerji ve Sıcaklık Farklıdır

Sıcaklık ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsü ise, termal enerji ve sıcaklık aynı şey değil midir? Hayır. Termal enerji, bir nesnenin parçacıklarının iç hareketleri nedeniyle sahip olduğu toplam enerjidir. Sıcaklık ortalama kinetik enerji ile ilişkilidir, toplam kinetik enerji ile değil.

İşte evde deneyebileceğiniz klasik bir örnek. Bir parça alüminyum folyo üzerine soğuk pizzayı koyun ve sonra ısıtmak için fırına atın. Yaklaşık 10 dakika sonra pizza afiyetle yenecek sıcaklığa gelir, alüminyum folyo da yaklaşık aynı sıcaklıktadır. Alüminyum folyoyu elinizle çıkarabilirsiniz fakat pizzayı çıkaramazsınız. Bu, alüminyum folyonun yüksek bir sıcaklığa sahip olmasına rağmen, düşük kütlesinden dolayı fazla termal enerjiye sahip olmadığı anlamına gelir. Folyoda çok fazla termal enerji yoksa eliniz yanmaz. Bunun anlamı nedir? Termal enerji ve sıcaklık farklı şeylerdir.

Sıcaklığın Diğer Tanımı

Zaten yukarıda bir tanım var ancak iki tanım daha yapılabilir. Birinci tanım geçmişte kullanılan bir tanımdır ve şöyledir:

Sıcaklık iki cismin birbirine uzun süre temas etmesinden sonra aynı değere sahip oldukları miktardır.

Bu tanım termal denge fikrine dayanmaktadır. Bir miktar suya bir alüminyum top koyarsanız, sonunda suyun ve topun sıcaklığı aynı olur. Aynı termal enerjiye sahip olmazlar ancak aynı sıcaklığa sahip olacaklardır. Bu, sıcaklığın çok işlevsel bir tanımıdır ve kötü de değildir.

Gerçekten bu sıcaklık tanımı çoğu termometrenin temelini oluşturur. Cıvalı veya alkollü bir termometre alın (cıvalı olanlar çok yaygın değildir çünkü bildiğiniz gibi cıva içerirler). Bu termometreyi bir sıvıya veya başka bir şeye yerleştirdiğinizde, termometrenin içindeki sıvı sıcaklığı nesne ile aynı olana kadar değişir. Hem cıva hem de alkol, sıcaklık arttıkça genişlediğinden, bu termal genleşmeye (veya daralmaya) bağlı sıcaklığı belirleyebilirsiniz. Aslında termometrenin sıcaklık kavramından bile önce ortaya çıktığını söyleyebilirsiniz.

Şimdi sıcaklığın ikinci tanımına gelelim; bu oldukça zor, sıkı durun.

Sıcaklık, iç enerjinin entropiye göre değişim oranıdır.

Kısa ama çok anlamlı. İlk olarak, entropi nedir? Entropiyi açıklamaya çalışabilirim ancak bu tamamen yeni bir blog yazısı olur. Bunun yerine, Aatish Bhatia'nın koyunları kullanarak entropiyi anlatan harika yazısına bir göz atabilirsiniz. Evet, gerçekten iyi bir yazı.

Dolayısıyla entropinin tam bir açıklamasını yapmak yerine sadece bazı ilginç yönlerini vereceğim. Termal denge sadece bir enerji olayı değildir. İki nesne termal dengeye ulaştığında enerji korunur ama bir nesne ısınıp diğeri soğuduğunda da enerji korunacaktır. Termal denge istatistiksel bir işlemdir. Temas halinde olan iki nesnenin aynı sıcaklığa ulaşması en olası sonuçtur. Diğer garip vakalar (birinin ısınıp diğerinin soğuması gibi) teknik olarak olabilir, ancak şansları piyangoyu kazanma şansınızdan daha azdır (ki piyangoyu kazanma şansınız aslında sıfırdır).

Sıcaklık gerçekten istatistiksel bir miktar olduğundan, tek bir parçacığın sıcaklığını elde edemezsiniz. Bir dahaki sefere birisi tek bir elektronun sıcaklığı hakkında veya daha kötüsü bir fotonun sıcaklığı hakkında konuşursa hemen orayı terk edin.

Hangi Sıcaklık Ölçeği En İyisidir?

Oldukça az sayıda sıcaklık ölçeği var fakat bu üçü en yaygın olanları: Celsius (Santigrat), Fahrenheit ve Kelvin. Uygar dünyanın çoğunun Celsius kullandığını biliyorum ama sıcaklığı bu ölçekte düşünmekte zorlanıyorum. Muhtemelen değişmek için çok yaşlıyım. Ayrıca her zaman aklımdan 0°C’nin soğuk olduğunu ama 100°C sıcaklıkta ölünebileceğini (kaynar suyun sıcaklığıdır) gösteren bir grafik geçiyor.

Sıcaklık ölçeğini nasıl derecelendirirsiniz? Celsius ölçeği kolaydır. 0 değeri suyun donma noktasında ve 100 değeri kaynama noktasındadır. Oldukça kolay. Ancak bu değerler atmosfer koşullarına bağlıdır, bu nedenle bir termometrenin derecelendirilmesi için mükemmel bir yöntem değildir. Kelvin ölçeği tıpkı Celsius ölçeği gibidir ancak 273.15 kadar kaymıştır, 0 kelvin (Kelvin ölçeğinde derece bulunmamaktadır) -273.15°C'ye eşittir. Kelvin ölçeğinde negatif sıcaklık bulamazsınız, yani bu birçok hesaplamada daha kullanışlıdır.

Peki ya Fahrenheit ölçeği? Bunun iki ölçüm üzerine kurulu olduğunda hepimiz hemfikiriz sanırım: İnsan vücudunun sıcaklığı (yaklaşık 98°F) ve tuzlu buzun sıcaklığı (0°F). Aslında bu ilginç bir şey. Eğer buz ve tuzu karıştırırsanız (biraz suyla), yapabileceğiniz en soğuk karışım sıfır olur. Bu şaşırtıcı derecede soğuktur.

Yine de insan vücudunun sıcaklığının neden 100°F yerine 98°F'de kaldığı konusunda tam bir mutabakat yok gibi görünüyor. Bir fikire göre ölçek 32 derecelik üç kısma ayrılır, çünkü 32°F suyun donma sıcaklığıdır. Bu, 100°F insan vücudu sıcaklığına pek uymazdı, her ne kadar yakın olsa da. Sanırım birisi zaman makinesini icat edene kadar bunu bilemeyeceğiz.

-40 Dereceyi Özel Kılan Şey Nedir?

-40°F’yi Celsius’a dönüştürdüğünüzde -40°C bulursunuz. Ancak -40 derecenin önemine dair doğru cevap Hoth'taki sıcaklık olmasıdır. Eğer Wookiepedia'ya (Star Wars Wikia) bakarsanız, Hoth geceleri -60°C'ye iner. Bu durumda gündüzleri -40°C (veya°F) olduğunu tahmin ediyorum. Her neyse, MythBusters bir Tauntaun'un termal özelliklerini test ederken -40 derece sıcaklığını kullanmışlardı.

Şimdi biraz matematik: °F'yi °C'ye nasıl dönüştürsünüz? Her ikisi de doğrusal sıcaklık ölçekleri olduğundan, Celsius sıcaklığı için Fahrenheit sıcaklığının fonksiyonu olarak bir bağıntı bulabilirim. Bunu yapmak için, iki veri noktasına ihtiyacım var ki bir doğru çizebileyim. Bu iki nokta suyun kaynama ve erime noktasıdır. Bu, iki (x,y) noktası verir (x’in Fahrenheit sıcaklığı ve y’nin Celsius sıcaklığı olması dışında), bunlar (32,0) ve (212,100) noktalarıdır. Şimdi doğrunun eğimini bulmak için bu noktaları ve doğrunun denklemini bulmak için nokta-eğim formülünü kullanabilirim. Ayrıntıları atlayacağım (eğlenmek için bunu evde yapabilirsiniz) ama aşağıdaki denklemi buluruz.

T_C = (0,556) T_F - 17,79

Bu formüle -40 Fahrenheit sıcaklığını koyup ne bulacağınızı görebilirsiniz ama bunun yerine bir grafik kullansak nasıl olur? Aynı grafiğe iki doğru çizelim; bir doğru Fahrenheit sıcaklığının fonksiyonu olarak Celsius sıcaklığı ve diğeri de Fahrenheit’a karşı Fahrenheit olacaktır.

Wired

Fahrenheit ve Celsius doğruları nerede çakışıyor? Evet, -40 değerinde. Yani bir dahaki sefere Hoth'taysanız veya hava çok soğuksa sıcaklığın -40 olduğunu söyleyebilirsiniz. Arkadaşınız, ‘’Bu Celsius derece mi yoksa Fahrenheit mı?’’ diye sorarsa sadece "Evet" cevabını verin.