Evrenin en soğuğu: Mutlak Sıfır

Soğuk nedir? Evrende ulaşabileceğimiz en düşük sıcaklık değeri nedir?

Bu sorular bizden yüzyıllarca yıl önce pek çok bilim insanı tarafından sorulmuş, belirli cevaplar alınmış ve zamanla geliştirilerek bu kavramlar, sorular sonuca ulaştırılmış. Bu sonuçlarla da birlikte günümüzde kullandığımız sıcaklık bilimi yani termodinamik alanı ortaya çıkmış. Hatta bu alanda da dört temel yasa ortaya atılarak sistematik bir hale getirilmiş. Termodinamik sayesinde de günümüzde bize nefes aldırtan, yer yer rahatlatan pek çok icat ortaya çıkmıştır. Gelin sizinle önce termodinamiğe sonra termodinamik yasalarına ve mutlak sıfır dediğimiz noktaya göz atalım.

Bunları incelemeden önce ise sıcaklık ve ısı kavramlarının anlamlarına bakalım.

Sıcaklık nedir?

Sıcaklık, bir maddeyi oluşturan taneciklerden ortalama hareket(kinetik) enerjisini ifade den bir değerdir. Sıcaklık, bir cismin sıcaklığının ya da soğukluğunun bir ölçüsüdür. Ayrıca sıcaklık enerji değildir. SI birim sisteminde birimi Kelvin(K)dir. Sembolü ise T'dir. 

Isı nedir?

Isı ise maddeler arasında doğal ya da yapay yollarla oluşan enerji aktarımıdır. Isı bir enerji olduğundan birimi Joule(J)'dur. Başka bir birimi ise cal(kalori) dir.(1 kalori = 4,18 Joule)  

Soğuk nedir?

Soğuk, atmosferdeki düşük sıcaklığın varlığıdır. Sıcakla zıttır. Soğuk, öznel olarak ifade edilebilir. Peki bir cisim en fazla ne kadar soğuk olabilir? Sıcaklığın herhangi bir alt sınırı var mıdır? Evet, vardır. Ama bu sorulara cevap vermeden önce termodinamiğe ve termodinamik yasalarına biraz göz atalım. 

Termodinamik nedir?

Wikipedia'nın tanımına göre "Termodinamik; ısı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen bilim dalıdır. Basit bir ifadeyle termodinamik, enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi ile ilgilenir."

Termodinamik dediğimiz alanda dört temel yasa bulunmaktadır.

Sıfırıncı Yasa

Öncelikle yasanın birinci değilde sıfırıncı olmasının nedeni, bu yasanın birinci ve ikinci yasadan yaklaşık 50 yıl sonra konulması. Neden üçüncü yasa olmamış diyecek olursanız, sebebi birinci ve ikinci yasadan önce gelme zorunluluğu olmasıdır. İnceleyince daha iyi anlayacağız. 

Bu kanun ilk olarak 1931 yılında Ralph Howard Fowler tarafından ortaya konmuştur. Termodinamiğin en sade yasası olarak görülür. Ve termal dengeye dayanır. Termal denge dediğimiz şey şudur: Isılar farklı olan iki cisim arasında enerji akışı olur. Eğer ki enerji akışı yoksa bu sistem termal(termodinamik) dengededir. Bu yasa ise şunu açıklar:

"Üç bileşenli bir sistemde, örneğin; A ve B sistemi termal dengede, B ve C sistemi termal dengedeyse, A ve C sistemi de termal dengededir."

Termal dengede olmayan sistemlerde sıcak cisimden soğuk cisme ısı akışı olur.

Birinci Yasa

Termodinamikte ilk olarak konulan, birinci yasa "Enerjinin Korunumu" yasasıydı. Bu yasa Alman Hermann von Helmholtz ve Julius Robert von Mayer ve İngiliz James Prescott Joule tarafından formüle edildi. 

Bu yasaya göre,

“Enerji var iken yok, yok iken de var edilemez, ancak bir halden diğer bir hale dönüştürülebilir.”

Bu yargı ile enerjinin yaratılamayacağı ve yok edilemeyeceği bilinerek tüm fiziksel ve kimyasal olaylar için enerji denklikleri yazılır. Eğer bir sistem ya da obje enerji kazanırsa bu enerji mutlaka dışardan bir yerden gelmek zorundadır.

İkinci Yasa

Birinci yasa, enerjinin miktarı ve korunumunu ortaya koyarken ikinci yasa, enerjinin işe dönüşebildiği kısmı yani kalitesini ele almaktadır.

Bu yasayı bulucularından dinlersek de şöyledir:

Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi)

ya da

Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkânsızdır. (Clausius Bildirisi)

Bu yasanın temeline yatan ise "Enerjinin tamamı faydalı işe çevrilemez, bir kısmı sistemin içsel bütünlüğünü korumak için kullanılır."yargısıdır.

Üçüncü Yasa

Termodinamiğin son yasası bu yasadır. Bu yasa ise neden mutlak sıfır noktasına ulaşılamayacağını açıklar. Temel yargısı "Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bütün hareketler sıfıra yaklaşır." cümlesidir.

"Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, bir sistemin entropisi bir sabite yaklaşır. Bu sayının sıfır değil de bir sabit olmasının sebebi, bütün hareketler durmasına ve buna bağlı olan belirsizliklerin yok olmasına rağmen kristal olmayan maddelerin moleküler dizilimlerinin farklı olmasından kaynaklanan bir belirsizliğin hâlâ mevcut olmasıdır. Ayrıca üçüncü yasa sayesinde maddelerin mutlak sıfırdaki entropileri referans alınmak üzere kimyasal tepkimelerin incelenmesinde çok yararlı olan mutlak entropi tanımlanabilir."(Wikipedia)

Gelelim mutlak sıfıra ve ulaşılamamasının sebebine.

Mutlak sıfıra neden ulaşamayız?

Mutlak sıfır dediğimiz nokta, 0 Kelvin yaklaşık -273.15 Celcius noktasıdır. Bu noktaya ulaşılamamasının birkaç nedeni vardır.

Bunlardan ilki şudur:

Katı bir cismin sıcaklığını mutlak sıfıra ulaştırmaya çalışalım. Bu noktaya ulaşabilmesi için dışarıdan herhangi bir şekilde dışarıdan ısı almaması gerekir. Dışarıdan herhangi bir ısı alınmaması için etrafıyla bütün ilişiğinin kesilmesi gerekir. Fakat siz bu cismin etrafını tamamen kapatsanız dahi cisim, etrafını kapattığınız şeyle ısı alışverişi halinde olur. Mükemmel bir yalıtım yapmanız olanaksızdır. Her türlü bir ısı akışı olur. Mükemmel yalıtım imkansız olduğundan mutlak sıfıra ulaşılması da mümkün değildir.

Bir diğer nedenine gelecek olursak:

Mutlak sıfırdan daha düşük bir sıcaklık değeri yoktur. Termodinamiğin ikinci yasası, ısı alışverişi yapan iki sistem varsa sıcak olandan soğuk olana net ısı akışı gerçekleşeceğini söyler. Dolayısıyla bir malzemenin sıcaklığını termodinamik yollarla mutlak sıfıra düşürebilmek için ısı alışverişi yapacağı sistemin sıcaklığının mutlak sıfırdan daha düşük olması gerekir. Ancak mutlak sıfır zaten toplam ısı enerjisinin sıfır olduğu sıcaklığa karşılık geldiği için bir malzemenin sıcaklığı mutlak sıfırdan daha düşük olamaz. Dolayısıyla bir malzemenin sıcaklığını kendisinden daha soğuk başka bir malzemeye ısı aktarmasını sağlayarak sıfıra düşüremezsiniz.

Bu durumla ilgili üçüncü sebep Heisenberg'in belirsizlik ilkesidir. "Bir parçacığın konumundaki belirsizlik ∆x, momentumundaki belirsizlik ∆p ise, Heisenberg belirsizlik ilkesi ∆x∆p çarpımının hiçbir zaman -h Planck sabiti olmak üzere- h/4π’den küçük olamayacağını söyler. Bu durumun mutlak sıfıra ulaşılmasına nasıl bir engel oluşturduğunu anlamak adına, içinde helyum atomları bulunan kapalı bir kabı ele alalım. Isı enerjisinin kaynağı atomların düzensiz hareketleri olduğu için mutlak sıfıra ancak kaptaki atomların düzensiz hareketleri sonlandığında ulaşılabilir. Başka bir deyişle eğer gazın sıcaklığını mutlak sıfıra düşürmeyi başarabilirsek tüm atomlar belirli konumlarda hareketsiz durmaya başlayacak ve hepsinin momentumu sıfır olacaktır. Böyle bir durumda gazı meydana getiren atomların konumlarındaki belirsizlik -atomlar kabın içinde bilinmeyen bir konumda sabit durdukları için- kabın hacmi tarafından belirlenen sonlu bir sayıya, momentumlarındaki belirsizlikse -tüm atomların momentumu sıfır olduğu için- sıfıra eşit olur. Ancak sıfır ile sonlu bir sayının çarpımı sıfıra eşittir. Dolayısıyla bu durum ∆x∆p’nin h/4π’den küçük olamayacağını söyleyen Heisenberg belirsizlik ilkesiyle çelişir.(Tübitak) "

Takipte kalmaya devam edin. Bu konuyla ilgili yazacaklarımız daha var. Sıcak hakkında, sıcaklığın üst limiti hakkında... Anlatacaklarımız bitmedi.