Isınan Demir Neden Kızarır?

Ateş deyince aklımıza gelen ilk renk kırmızıdır. Aynı şekilde sıcağı çağrıştıran birçok şeyde kırmızı rengi kullanırız. Tıpkı musluklarda sıcak su tarafının kırmızı, soğuk su tarafının mavi yapılması gibi. Bunun sebebi, gündelik hayatta gördüğümüz sıcak şeylerin aslında gerçekten de "kırmızı" olmasıdır. Tıpkı güldür güldür yanan bir sobanın borusunun kızarması ya da ateşe tuttuğunuz herhangi bir metalin giderek kızarması gibi. Peki ısınan bu şeyler neden kızarıyor ve neden kırmızı renkte oluyorlar? Başka bir renkte olamaz mı?

Aslında ısıtıldığında kızaran şeyler yalnızca demir veya metaller değildir. O sıcaklığa kadar dayanabilen her şey ısıtıldığında kızaracaktır. Burada “o sıcaklık” diyoruz çünkü bir şeyin kızarması için belirli bir sıcaklığa ulaşmış olması gerekir. Yani o cismin kızarması gerçekten bir sıcaklık göstergesidir. Fakat burada bir nokta sıklıkla kaçırılır: Beyaz ve mavi olanlar aslında daha sıcaktır!

Bu yanılgıya düşmemizin sebebi gündelik hayatta karşımıza çıkan sıcaklıkların çoğunun o kadar sıcak olamayışından kaynaklanır. Yani aslında ısıttığımız bir cisim önce hafif kırmızı, sonra oldukça kırmızı, daha sonra sarı ve beyaz olarak ısınmasına devam eder. Biz bu olayı yıldızlarda da görüyoruz ve ardında oldukça basit bir fizik kuralı var. Hatta bu fizik kuralı, bize gündelik hayatta çok büyük olanaklar sağlıyor.

Her cisim sahip olduğu sıcaklığından ötürü bir ışıma yapar (bir başka deyişle radyasyon saçar). Tıpkı akkor lambanın çalışma prensibinde olduğu gibi, bir şeyi yeterince ısıtırsanız ışık saçacaktır. Aslında mevcut sıcaklığında da ışık saçar, fakat bu ışığın enerjisi oldukça düşük olduğundan bizim gözümüzün algılama aralığının dışındadır. Biz insanlar da diğer her şey gibi ışıma yapıyoruz, fakat bunun en kuvvetli olduğu bölge kızılötesi bölgedir. Dolayısıyla insanları algılamak için kızılötesi kameralar kullanırız (bu konuda daha fazla bilgi için Wien Kayma Yasası yazımızı okuyabilirsiniz).

Bu ışımanın enerjisini belirleyen asıl şey ise o cismin sahip olduğu sıcaklıktır. Sıcaklık arttıkça daha yüksek enerjili ışıma yapılır(mavi), aynı zamanda düşük enerjili(kırmızı) olanların da şiddeti artar. Bu yasayı kara cisim ışıması olarak adlandırırız ve aşağıdaki Planck dağılım fonksiyonuyla ifade ederiz.

Yukarıdaki grafikte, sıcaklığa bağlı olarak cismin nasıl bir ışıma yaptığını görüyoruz. Dört tane ayrı sıcaklığa sahip cismin yaptığı ışımanın eğrileri verilmiş. Soğuk olanın (3000 Kelvin) daha uzun dalga boyunda (yani daha düşük enerjide) en fazla ışığını yaydığını görüyoruz. Sıcaklığı artırdıkça cismin en fazla ışık saçtığı noktanın (tepe noktasının) sola doğru kaydığını görüyoruz. Yani sıcaklık arttıkça en fazla yapılan yayın daha yüksek enerjili bölgede oluyor. Aynı zamanda görüyoruz ki daha sıcak olan, daha soğuk olanın en fazla yayın yaptığı bölgede de daha fazla yayın yapıyor. Yani sıcaklık arttıkça her dalgaboyunda bir enerji artışı söz konusu fakat daha yüksek enerji tarafında bu artış daha şiddetli. Dolayısıyla sıcaklık arttıkça renk kırmızıdan giderek beyaza hatta maviye kayıyor.

Dolayısıyla ısıtılan cisim öncelikle kırmızı ışığı şiddetli saçacak, fakat sonra mavi bölgede de şiddet kazanacağı için bir noktadan sonra mavideki ışıması kırmızıdan da baskın hale gelecek. Bu sebeple biz ısıtılan bu cismi önce kırmızı daha sonra beyaz olarak göreceğiz. Çoğunlukla mavi görememe sebebimiz ise o kadar yüksek sıcaklıklara ulaşamamamızdan kaynaklanıyor. Ancak bunun örneklerini yukarıdaki gibi yıldırımlarda görebiliyoruz.

Buradaki animasyonda, Planck yasasının uygulamasını yapabilirsiniz. Sıcaklığı artırarak yapılacak ışımanın doğasını inceleyebilir ve rengin neye dönüştüğünü görebilirsiniz. Elbette bu bir kara cisim içindir ve cisimlerin birer kara cisim olmamalarından ötürü farklılıklar olabileceğini unutmayın.