Kelvin Sıcaklık Ölçeği

Kelvin sıcaklık ölçeğinin fikir babası, Lord Kelvin olarak da tanınan İngiliz mucit ve bilimci William Thomson'dır. Celcius ve Fahrenheit sıcaklık ölçekleriyle birlikte, en iyi bilinen üç sıcaklık ölçeğinden biridir. Diğer sıcaklık ölçeklerinde olduğu gibi, Kelvin ölçeğinin aralıklarının belirlenmesinde de suyun donma ve kaynama noktaları dikkate alınmıştır.

Suyun donduğu sıcaklık (273.16 K) ile kaynadığı sıcaklık (373.16 K) arasında 100 birim vardır. Bu ölçekteki herbir birime bir derece denmez; bir Kelvin denir. Bu nedenle Celsius ve Fahrenheit ölçeklerinde sayı belirtilirken derece simgesi kullanılırken, Kelvin ölçeği sayılarına sadece K eklenir. Kelvin ölçeğinde negatif sayı olmaz ve en düşük sıcaklık 0 K olabilir. Bu ölçeğin düşünce bazında doğuşunda, gazların hacmi ile sıcaklığı arasındaki ilişkinin keşfi ve Carnot makinesindeki verim düşüncesi etkili olmuştur.

Carnot Makinesi

Fransız fizikçi Sadi Carnot (1796 – 1832), yaşadığı dönemde kullanılmaya başlanan buhar makinesinde ısının harekete dönüşümünü inceliyordu. Isı enerjisinin en fazla %10 gibi düşük bir verimle işe çevrilebildiği bu makinelerde, verimin ısı kaynağı görevi gören kazan (T_h) ile ısıyı alan yoğuşturucu (T_c) arasındaki sıcaklık farkına bağlı olduğunu ortaya koydu. Elde ettiği bağıntılara bakarak, gerçekleşen çevrimin yinelenebilir olacağı ideal bir makine kurguladı. Sıcaklığı yüksek olan hazneden bir Q_h ısısı makineye giriyor ve sıcaklığı düşük olan hazneye bir Q_c ısısı aktarılıyordu. Elbette Carnot çevrimi adı ile anılan ve tersinir olan bu kuramsal çevrimin, uygulamada sürtünmeyi sıfırlamak mümkün olmayacağından, Carnot makinesinin gerçekten yapılması beklenemez.

Carnot makinesi, iş yapmada kullanılan malzemeyi çevrimsel bir dizi durum değişiminden geçirip, her çevrim sonunda malzemenin başlangıçtaki durumuna gelmesini sağlar. Bu süreçte bir W işi yapılmış olur. Bu tür ısı makinelerinin verim hesaplamaları ile uğraşan Carnot, mümkün olan bir en yüksek verim değerinin olduğunu ve ayrıca verimin (η), kullanılan malzemeden bağımsız olup, sadece hazneler arası sıcaklık farkına bağlı olduğunu buldu:

Bağıntıdan, kuramsal olarak mümkün olan en yüksek verimin η=1 olduğu ve buna T_c=0 durumunda ulaşılacağı görülüyor. Bu da T_c=0 sıcaklığını özel bir sıcaklık yapıyor. Kuramsal olarak olduğunu bir kez daha anımsayalım; gerçekte η=1 verimine de, T_c=0 sıcaklığına da ulaşılamaz ve bir Carnot makinesi yapılamaz.

Kelvin, termodinamiğin ikinci yasasının, entropiyi içeren modern bir formülasyonuna sahipti. Entropi, Carnot makinesinde korunan bir nicelikti ve makinede iş yapan malzemenin durumunun bir fonksiyonuydu. Bu bilgilerin ve Carnot argümanının malzemeden bağımsız olduğunu bilmesinin yardımıyla, Kelvin sıcaklığın bir mutlak ölçeğini tanımlayabildi. Bunu yaparken, T₁>T₂>T₃ şeklinde sıcaklıklara sahip üç farklı ısı haznesi arasında işleyen ve dikkatle düzenlenmiş üç Carnot makinesi göz önüne aldı. Bu aşamada mutlak sıcaklık ölçeği, sadece malzeme davranışından bağımsızlığı ifade ediyordu.

Charles Yasası

1800'lerde kuramsal olarak -273.15°C sıcaklıktaki bir gazın hacminin sıfır olması gerektiği ortaya konmuştu. 1848 yılında Kelvin bu gerçeği kullanarak mutlak sıcaklık ölçeği oluşturmaya karar verdi. Kelvin'in seçimi, bir mutlak sıcaklık ölçeği için tek olasılık değildi; aslında bu ölçek, monoton artan herhangi bir fonksiyon ile değiştirilebilir. Ama en basit seçim, Charles Yasası olarak bilinen ve gazın hacminin lineer bir fonksiyonu olan ideal gaz sıcaklık ölçeğini kullanmaktır. Kelvin bunu kullandı ve yaptığı hesaplamalar sonucunda mutlak sıfır, Charles Yasası'na uyan bir gazın hacminin kuramsal olarak sıfırlanacağı nokta olan -273°C civarı çıktı. Burada "mutlak" sözcüğünü şöyle tanımlanıyordu: Moleküllerin hareket edemez olacakları sıcaklık, yani sonsuz soğuk. Yine bunun sadece kuramsal olduğunu hatırlayalım; yani bu sıcaklığa inilemez ve gazın hacmi sıfırlanamaz; hareket durmaz.

Sol üstteki sıcaklık-basınç yüzeyinde, hem basıncın hem de sıcaklığın sıfırlandığı nokta Celsius ölçeğine göre -273.15°C'ye denk gelir. Bu nokta sıcaklığı, Kelvin ölçeğinde sıfır noktası olarak alınmıştır.

Mutlak Sıfır

Bu hesaplamaların ardından geriye yapılacak tek şey kalıyordu: Mutlak sıcaklık ölçeğini, gerçek bir malzemenin bir özelliği ile ilişkilendirmek. 1954'ten beri mutlak sıfırın tanım olarak, Viyana Standart Ortalama Okyanus Suyu'nun üçlü noktasının tam olarak 273,16 K olduğu sıcaklık olduğu kabul edilmiştir.

Mutlak sıfıra teknik olarak erişilemez. Bununla birlikte, araştırmacılar lazerli parçacık yavaşlatma gibi yöntemler kullanarak, sıcaklığı mutlak sıfırın çok az üzerine kadar düşürebiliyorlar.

Kelvin Ölçeğinin Kullanımı

Kelvin ölçeği, negatif sayı barındırmaması nedeniyle bilimsel uygulamalarda oldukça yaygın kullanılır. Sıvı helyum ve sıvı azot gibi çok düşük sıcaklıklı maddelerin ölçümü için uygundur. Negatif sayı olmamasının iyi yanlarından biri de sıcaklıklar arası fark hesabını kolaylaştırmasıdır. Ayrıca bazı mühendislik uygulamalarında, bir diğer mutlak sıcaklık ölçeği olan Rankine sıcaklık ölçeği kullanılır. Kelvin ölçeğinden ayrıca renk sıcaklığının belirlenmesinde yararlanılır. Işıklandırma uygulamalarında Kelvin sıcaklığı, renk sıcaklığını temsil eder.