Abone Ol

Mayıs ayında büyük bilim adamı Isaac Newton’un adı ile anılan ve taşınımla ısı transfer mekanizmasını açıklayan soğuma yasasını ele alacağız. Isı bilimi ile ilgilenen herkesin bildiği ya da en azından sonuçlarını tecrübe ettiği bu konu ısı transferi bilim dalının temel konularından birini oluşturmaktadır.

Her zaman olduğu gibi yazımıza konumuzun tanımı ile başlayalım. Newton’un soğuma yasası sıcak bir cismin çevresine ısı yayarak soğumasını tanımlayan bir fizik prensibidir. Bu yasa, bir cismin çevresine ısı yayma hızının, o cismin sıcaklığı ile çevre sıcaklığı arasındaki farkla doğru orantılı olduğunu ifade eder. Yani, sıcak cisim, çevresine ısı yaydıkça, bu yayılan ısı miktarı, cismin sıcaklığı ile çevre sıcaklığı arasındaki farka bağlı olarak azalır. Basit bir örnek üzerinden anlatırsak: bir bardak sıcak çay, soğuk bir odada, sıcak bir odaya göre daha hızlı soğuyacaktır. Bu soğuma mekanizması Newton’un soğuma yasası ile açıklanmaktadır. Burada çok basite indirgenmiş bir şekilde açıklanan bu olay oldukça karmaşık bir süreçtir. Zira soğuma olayı bir yandan ışınımla ısı transferi mekanizması ile gerçekleşirken bir yandan iletim ve taşınım da işin içindedir. Bu yazıda, bu zorluğun tarih boyunca nasıl aşıldığını ve soğuma yasasının nasıl geliştirildiğini inceleyeceğiz.

Eski çağlardan itibaren soğuma olayı incelenmiş olsa da konuya bilimsel olarak yaklaşan ve ilk ifade eden 1701 yılındaki yayını ile Isaac Newton olmuştur. Kraliyet Bilimler Akademisine gönderdiği “Isı Dereceleri Ölçeği” adlı kısa makalesinde Newton, soğuma prosesi için sıcaklık ile zamanın ilişkisini açıklamıştır. Bu makalenin iki ilginç yanı bulunmaktadır. İlki makalede hiçbir şekilde soğuma yasası ile ilgili bir denklem bulunmamaktadır, Newton sadece mekanizmayı sözlü olarak ifade etmekle yetinmiştir. Makalesinde yasanın, sıcaklık değişim hızı ile nesne ve çevre arasındaki sıcaklık farkının doğrusal ilişkisinden matematiksel olarak çıkarılabileceğini belirtmiştir. İkinci ise, Newton bu makaleyi kaleme aldığı yıllarda henüz sıcaklık ve ısı kavramları netleşmediğinden sıcaklık için “ısı derecesi”, sıcaklık farkı için ise “ısı derecesinin fazlalığı” terimlerini kullanmıştır. Newton bu makalesinde keten tohumu yağı termometresi kullanarak yaptığı deney sonuçlarını da paylaşmıştır. Zira makalenin temel amacı özellikle yüksek sıcaklıklar için de geçerli iyi bir sıcaklık ölçeği belirlemektir. Dolayısıyla makalenin büyük bir kısmı ölçülen sıcaklık değerlerinin bir listesi ve karşılık gelen durumların açıklamalarına ayrılmıştı. Bu açıklamayı yapmamdaki sebep soğuma yasasının tam anlamıyla anlaşılması ve doğruluğunun ispatı bundan sonraki yıllarda sıcaklık ölçeği ve ısı transfer mekanizmalarının tam olarak anlaşılması ile yapılacak olmasıdır.

Bu kısa makale sonraki yıllarda büyük etki yaratacak, birçok bilim insanı için referans olacak ve aynı zamanda ısı biliminin gelişiminin temel taşlarından birisi haline gelecekti. Newton’dan sonra benzer deneyler gerçekleştiren birçok bilim insanı Newton’unkine yakın sonuçlar elde ettiler. Ancak yayınlarında sonuçlarla ilgili olarak bazı tutarsızlıkların olduğunu ve Newton’un yasasının sadece belirli şartlar altında geçerli olduğunu belirttiler. 1738 yılındaki makalesinde İskoç bilim insanı George Martine, yasanın özellikle büyük boyutlu cisimlerde ve doğal akış koşullarında problemli olduğunu gösterdi. Ayrıca Wilhelm Richmann, 1747 yılındaki çalışmasında yüksek sıcaklıklar için Newton’un önermesinin birçok tutarsızlık barındırdığını buldu.

Bu iki bilim insanının tespitleri ileriki yıllarda sıcaklık ölçeklerinin geliştirilmesi ve taşınım ve ışınım yoluyla ısı transferinin anlaşılmasıyla doğrulanacaktı. 1800’lü yıllardan itibaren ışınımla ısı transferi üzerine yapılan araştırmalar neticesinde yüksek sıcaklıklarda yasanın neden deneylerle tutarsızlık içinde olduğu anlaşılmaya başlandı. Yüksek sıcaklıklarda ışınımın etkisi göz ardı edilemeyecek boyuta geldiği için soğuma hızı hesaplanırken sadece Newton’un soğuma yasası değil aynı zamanda ışınımla ısı transferi de hesaba katılmalıydı. 1817 yılında sayısız deneyler sonucunda oluşturdukları makalelerini yayımlayan Fransız bilim insanları Pierre Dulong ve Alexis Petit ilk kez Newton’un soğuma yasası ile ışınımla ısı transferini birleştirerek soğuma hızının bu iki mekanizmanın birleşimi ile açıklanabileceğini gösterdiler. Ancak o tarihte henüz ışınımla ısı transferinin sıcaklığın dördüncü kuvveti ile orantılı olduğu bilinmiyordu. Bu konu 1848 yılında Lord Kelvin’in mutlak sıcaklık ölçeğini tanıtması ve 1879 yılında Josef Stefan’ın çalışmaları sonucunda netleşti. Dulong ve Petit tarafından geliştirilen denklemlere Stefan kuşkuyla yaklaşmış ve deney düzeneklerinde iletimden dolayı ciddi kayıplar olduğunu fark etmişti. Deney verilerini gözden geçirip düzenledikten sonra Stefan, bir cisimden yayılan ışınımın cismin mutlak sıcaklığının dördüncü kuvveti ile orantılı olduğu sonucuna ulaştı. Bu konuda Stefan’dan sonra Boltzmann da çalıştı ve soğuk bir ortamda yer alan sıcak bir cismin soğumasının taşınım ve ışınımla ısı transferi ile gerçekleştiği sonucuna ulaşıldı.

Newton’un soğuma yasasının üzerinde çalışan bilim insanları yasanın tutarsızlık oluşturduğu farklı bir noktayı daha fark ettiler. Yasa, zorlanmış taşınım şartlarında doğru çalışırken doğal taşınım şartlarında deney sonuçlarından uzaklaşıyordu. Newton 1701 yılındaki makalesinde ilginç bir şekilde yaptığı deneyi tarif ederken sıcak bir demir parçasının sakin bir havada değil üzerinden üflenen hava akımı altında soğumaya bırakıldığı şeklinde ifadeler kullanmıştı. Bu ifadelerden Newton’un bu durumun farkında olduğu tahmin edilmektedir. Dulong ve Petit de dahil olmak üzere bu konuda birçok kişi tarafından çalışmalar yapıldı ve ancak 20. yy’da taşınımla ısı transferi mekanizması tam olarak anlaşıldıktan sonra konu netliğe kavuştu. Newton’un soğuma yasası zorlanmış taşınım için doğru sonuç verirken, doğal taşınım durumunda sadece bir yaklaşım sunmaktaydı.

Newton’dan sonra yapılan deneyler ve araştırmalar Newton’un yasasını doğrularken geçerli olduğu şartları da belirlemiş oldu. Günümüzde Newton’un soğuma yasası veya taşınımla ısı transferi yasası üzerine hala çalışılmakta ve farklı şartlar için ampirik formüller geliştirilmeye devam edilmektedir.

Süleyman Kavas

ÜNTES Pazarlama ve İş Geliştirme Müdürü