Sıcak ve Soğuk

    Talleyrand, anlamlı bir sohbet yapacak kadar yakından tanımadığı biriyle karşılaştığında, konuşmaya "Nerede o eski günler?" sorusuyla başlarmış. Bu soru ile birlikte hatıralar ve şikayetler ortaya döküldüğünden, karşısındaki kişiyi tanıma fırsatı yakalar ve sohbetin koyulaşması için sağlam bir temel oluştururmuş.
    Fizikçi ve romancı Lord Snow da, bu iki farklı kimlik arasında gidip gelirken değişik yöntemler geliştirmişti. Akşam yemeğinde yanında oturan kişiye kibarca dönüp soruyordu : "Termodinamiğin ikinci yasası ile ilgili neler biliyorsunuz?" Son günlerde, (belki genç hanımların bilimsel konularda daha bilgili hale gelmesi, ancak büyük olasılıkla da ev sahibelerinin daha kurnaz olmaları nedeniyle) bu soruyu nükleik asitlerle ilgili bir soruyla değiştirmesi tembih ediliyor.
    Termodinamik, seçkin toplulukların dışında da sohbet açmak için işe yarar bir konu olmaya devam ediyor. Geçen gün bir grup felsefeci, öğle yemeği ile öğleden sonraki toplantı arasında kavhe içip dinlenirken bu konu yine ortaya çıktı. Felsefecilerden biri mutlak sıfır sıcaklığının bir açıklaması olup olmadığını sordu, ihtiyatlı bir meslektaşı, öncelikle sıcaklığın tanımlanıp tanımlanamayacağını sorarak karşılık verdi. Bir çırpıda önerilen tanımların birkaçı "Isı ölçüsü", "Moleküllerin kinetik enerjisi" ve "Yalnızca soyut bir kavram" biçimindeydi. Kökleri ilkel teknolojide olan ve dalları termodinamiğin geniş sahasına giren sıcaklık kavramı söz konusu olduğunda, bunların hepsi de oldukça akla uygundur.
    Bilimin gelişmesi için hammadde oluşturan soyut kavramlar daima gözleme dayanır. Sıcaklık kavramı (ki bu ısı ile aynı şey değildir) eskiçağda da yaygın olarak biliniyordu. 2300 yıl önce Aristoteles, bütün maddelerin, sıcak, soğuk, nemli ve kuru sıfatları ile tanımlanan dört farklı niteliğe değişik oranlarda sahip olduğunu ileri sürmüştü. Simyacılar, hekimler ve filozoflar, kuramlarını sayılarla ifade etmek için hiçbir birim veya ölçüm sistemleri olmadığı halde, bu sınıflandırmayı pek çok açıdan yararlı bulmuşlardı.     Galileo kimilerince termometrenin mucidi olarak kabul edilir, oysa 1592 yılında tasarladığı alet bugün neredeyse hiç bilinmiyor. Arkadaşı Benedetto Castelli'nin yıllar sonraki anlatımına bakılırsa :

    Küçük bir tavuk yumurtasına benzeyen bir haznesi olan, bir saman çöpü çapında ve yaklaşık iki karış uzunluğunda camdan bir boru yaptı: hazneyi ellerinin içinde ısıttı ve ters çevirerek boruyu su dolu bir kabın içine soktu; hazne soğudukça su borunun içinde yükseldi. Bu, sıcaklığın ve soğukluğun derecelerini araştırmak için kullandığı bir alettti.
    Galileo'nun sıcaklık değişiklik göstergesi, havanın ısındığı zaman genleşmesi, soğuduğu zaman da büzülmesi gözlemine dayanıyordu.

    Su, modern bir termometredeki cıva gibi davranmıyordu, yalnızca cam hazne içindeki havanın genişlemesini ve büzülmesini gösterme işine yarıyordu. Önceden ısıtma, su düzeyindeki değişikliği kolayca görülebilecek hale getirmek için uygulanan bir yöntemdi.
    Büyük olasılıkla, termometreyi işe yarar bir hale getiren ilk kişi 1612'den 1624'e dek Padova Üniversitesi'nde tıp profesörü olan Sanctorius'tur. O, bir hastanın ateşini ölçen ve bir termometrenin hastalığın teşhisi ve tedavisi için yararlı bilgiler sağlayabileceğini fark eden ilk hekimdi.
    1641 yılında Toscana Grandükü II. Ferdinando, termometre tasarımını önemli ölçüde geliştirdi. Atmosfer basıncındaki değişikliklerden etkilenmeyen ilk termometre olan bu alet, havanın genişlemesi yerine bir sıvının genişlemesini kullanıyordu. Uzun, dar bir borunun cam haznesi renklendirilmiş alkolle doldurulmuş ve borunun üst kısmı sıkı bir biçimde kapatılmıştı. İlk termometrelerin bazılarında, sıcaklık ve soğukluk derecelerini gösteren sayılar veya işaretler bulunan ölçekler vardı. Magdeburg'un becerikli belediye başkanı Otto von Guericke, 6 metre uzunluğunda gösterişli bir termometre yapmıştı. Alkol genleşirken veya büzülürken bir şamandırayı hareket ettiriyor, şamandıraya bağlı bir melek figürü de, havanın durumuna göre, "çok sıcaktan "çok soğuk"a kadar sıralanan değerleri gösteriyordu.
    Ferdinando'nun termometrelerinden biri Robert Boyle'a dek ulaştı. Boyle'un bu konudaki düşüncesi şöyleydi: "Soğuğu ölçmek için bir ölçütümüz yok. Bilinen araçlar havanın göreceli soğukluğundan başka bir şey göstermiyor." Boyle'un bir termometre üzerinde altı tane nokta tanımlama çabaları pek başarılı olmadı, ancak 1694 yılında Padova Üniversitesi matematikçilerinden Carlo Renaldini önemli bir gelişme kaydetti. Renaldini, buzun erime noktası ile suyun kaynama noktasının ölçüt olarak kullanılması ve aralarındaki mesafenin termometre üzerinde on ikiye bölünmesi gerektiğini öne sürdü. Bu sağlam bir düşünceydi, ancak uzun yıllar üzerinde durulmadı.
    On sekizinci yüzyılın başlarında, Daniel Fahrenheit ilk güvenilir cıvalı termometreyi yaptı. Britanyalıların günümüzde de kullandığı ölçeğinde, buzun erime noktası 32 dereceye yerleştirilmişti, normal vücut sıcaklığı da 96 derecedeydi. En üst nokta sonradan suyun kaynama noktası ile 212 derece olarak belirlendi.
    Tutucu Britanyalılar çoğunlukla, kilogram, santimetre ve Fransızlara özgü diğer terslikler gibi santigrat ölçüsünü de disiplinsiz Fransızların düşünüp bulduğuna inanır. Oysa, buzun erime noktası ile suyun kaynama noktası arasında 100 derecelik bir sıcaklık ölçüsü düşüncesi, 1742 yılında İsveçli gökbilimci Anders Celsius tarafından önerilmişti. Termometre basit bir alet gibi görünse de, onu tam olarak kavrayabilmek için termodinamiğin inceliklerini biraz bilmek gerekir.

    Çoğu insan Beethoven'in yalnızca dört senfonisini bilir: Eorica (kahramanlık), Beşinci, Pastoral ve Dokuzuncu Senfoniler. Benzer bir yanılgı, herhangi bir maddede, şöminede ve evrenin her yerinde gerçekleşen bütün enerji dönüşümlerini ele alan termodinamik yasaları için de geçerli.
    İlk yasa hemen herkesçe bilinir, ikinci yasa, Lord Snow da dahil olmak üzere, pek çok insan tarafından bilinir ve çalışkan öğrenciler zorlanırlarsa üçüncü yasa ile ilgili yarım sayfa yazar; fakat en pahalı ders kitapları bile dördüncüsünden söz etmez. Dördüncü yasanın nerede saklandığını açıklamadan önce, ilk üçünü ele almamız gerekiyor. Çünkü bu üç yasa, bir veya iki sayfa önce öğle arası filozoflarını tartışırken bıraktığımız mutlak sıfır konusuna bir açıklık getiriyor.
    Yasalardan her biri pek çok değişik biçimde tanımlanabilir. Bu tanımlardan bazıları diğerlerinden daha ayrıntılıdır, ilk yasanın basit bir ifadesi, enerjinin yoktan var edilemeyeceği ve yok edilemeyeceği biçimindedir. Bu yasaya açıkça aykırı bir olgu ile karşılaştıklarında bilim adamlarının yeni bir enerji türü uydurduklarını ve yasanın da ancak bu şekilde geçerliliğini koruduğunu söyleyen eleştirilerde doğruluk payı var. Bir kibrit çaktığınızda ısı ve ışık biçiminde büyük miktarda enerji üretilir. Fizikçiler kibritin ucunun ve sapının, daha açık biçimlere dönüştürülmeyi bekleyen kimyasal enerji içerdiğini iddia ederek bunu açıklar. Kimyasal enerjinin, tutuşmadan önceki ve sonraki toplam enerji miktarları birbirine eşit olacak biçimde tanımlandığını söylemeye gerek yok.
    Bazı işlemlerde, örneğin atom çekirdeğinin bölünmesinde, bilançonun her iki yanına işleme giren maddenin kütlesini belirten matematiksel bir terim eklemek gerekir. Bu yararlı ekleme, 1905 yılında Einstein tarafından ünlü E=mc² formülü ile ifade edilerek yapıldı. Bu formülde E, m kütlesinden elde edilebilecek enerji miktarını, c de ışık hızını belirtir.
    Termodinamiğin ikinci yasası dikatimizi, enerjinin diğer biçimleri için geçerli olmayan, ısıyla ilgili bazı özel noktalara çeker. Farklı sıcaklıklarda iki cisim temas edecek biçimde yerleştirildiklerinde, her iki cisim de aynı sıcaklığa gelene kadar, sıcak cisimden soğuk cisime bir ısı akışı olacağını herkes bilir. Bu süreç pek çok öğrenci neslinin karışımlar yöntemi olarak bildiği bir deneysel bir çalışmanın temelini oluşturur. Temas eden iki cismin sıcaklıklarının sonunda birbirine eşitlenmesi olgusunun, termodinamiğin üç sağlam yasasının temelini oluşturduğu yakın zamana dek anlaşılmamıştı. Uzun zamandan beri bilinen ancak yeni terfi ettirilen bu ilke, bu nedenle termodinadiğin sıfırıncı yasası olarak adlandırılır.
    Sıcaklık kavramı oldukça iyi bilinse de, bu sözcüğün başarılı bir tanımını yapmak o kadar da kolay değil. Bilim adamı genellikle şöyle davranmaya teşvik edilir : "Bir sözcük kullandığımda, bu sözcük ne anlama gelmesini istiyorsam o anlama gelir." Bir alevin sıcaklığı rengi ile ifade edilebilir; bir hastanın vücut sıcaklığı hekimin termometresindeki cıvanın uzunluğu ile; bir tel sarımının sıcaklığı da elektriksel direnci ile tanımlanabilir. Oysa bilim adamı, belirli maddelerin veya malzemelerin özellikleri ile böyle açık bağlantısı olmayan tanımlar arar. Bir cismin sıcaklığını, moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi biçiminde tanımlamak yollardan biridir. Bir elektrikli su ısıtıcısı çalıştırıldığında, elektrik enerjisi ısıya dönüştürülür ve sonra da su molekülleri arasında ek kinetik enerji olarak bölüşülür. Böylece moleküller, sıvı halden tamamen çıkmak ve buhar olarak kaçmak için gerekli enerjiyi kazanana kadar, artan bir hızla hareket ederler.
    Sıcak bir cisimle soğuk bir cisim temas ettiğinde, moleküller, temas noktalarında meydana gelen çarpışmalarda enerji alışverişinde bulunur. Yeterli sayıda çarpışmadan sonra moleküllerin enerjisi eşitlenir ve iki cismin sıcaklıkları aynı değere yaklaşır.
    Termodinamiğin sıfırıncı yasasının uygulama açısından büyük önemi var. Aslında, bir termometre kendi sıcaklığını ölçer; havanın, insan vücudunun veya temas ettiği başka herhangi bir şeyin sürekliğini gereken hassasiyetle ölçebilmesi için, termometrenin ısıl dengeye ulaşacak kadar bekletilmesi gerekir.
    Bilimsel amaçlar için en iyi sıcaklık ölçme araçlarından biri gaz termometresidir. Bir kabın içine bir miktar gaz koyulup ısıtılırsa, gazın basıncı artar; basınç dediğimiz şey aslında gaz moleküllerinin kabın duvarlarına çarpmasıdır ve sıcaklık arttıkça moleküller hızı arttığından bu çarpma da fazlalaşır. Buna karşılık gaz soğutulduğunda, kaba uyguladığı basınç azalır. Fizik laboratuvarında genellikle öğrencilere bir gazın değişik sıcaklıktaki basınçları ölçtürülür. Bir basınç sıcaklık grafiği çizildiğinde ve grafik geriye doğru uzatıldığında, gazın hiç basınç uygulamayacağı sıcaklık bulunabilir. Bütün gazlar için bu sıcaklık, mutlak sıfır olarak bilinen yaklaşık -273,2 C derecedir. Gaz, mümkün olan en düşük sıcaklığa ulaşmadan önce sıvıya ardından da katıya dönüşeceğinden, grafikle belirtilen özellik elbette ki bütünüyle gerçekçi değildir, Yine de mutlak sıfır çeşitli biçimlerde tanımlanabilir ve santigrat ölçeğinde hep aynı yerde yer alır.
    Mutlak sıfıra nasıl ulaşabilir veya yaklaşabiliriz? Termodinamiğin ikinci yasası bize, ısının sıcak bir cisimden soğuk bir cisime kendiliğinden akacağını, ancak "yardım edilmeden" ters yönde akmayacağını söylüyor.
    Bir çaydanlık dolusu su ocakta kaynatılabilir, ancak çaydanlıktaki su hiçbir zaman kendiliğinden buza dönüşüp ocak alevinin biraz daha fazla ısı vererek yanmasını sağlamaz. Düşük sıcaklıktaki bir cisimden yüksek sıcaklıktaki bir cisime kendiliğinden bir ısı akışı olmasa da, ek bir enerji kaynağı ile bunu gerçekleştirmek olanaklıdır. Buzdolabının temel çalışma ilkesi budur.
    Gittikçe gelişen soğutucularla mutlak sıfıra yaklaşılmaya çalışılıyor. Diğer üç yasa gibi olgulara (veya bir biçimde güvenilir bilim adamlarının açıkladığı olgulara) dayanan termodinamiğin Üçüncü yasası, mutlak sıfıra yaklaşabileceğimizi ancak, uygulanan yöntem ne kadar yaratıcı olursa olsun, hiçbir zaman ulaşamayacağımızı söylüyor.
    Termodinamik, buhar makinesini açıklama çabalarından ortaya çıktı, ancak bu önemli sorunun çözülmesinden sonra da durmadı. Tersine, bilimin ve mühendisliğin her koluna yayılarak daha zorlaştı ve karmaşıklaştı. Hâlâ araştırma için oldukça canlı bir konu. Ancak, termodinamiğin beşinci yasasını bulan kişi ona uygun gün bir isim verme konusunda çok zorlanacak.