*Sıcaklıklar ve Süperiletkenlik Üzerine*

*Sıcaklık (temperature)* ne demek? Bir kere bu bir algı. Sıcak veya soğuk diyoruz ama neye göre? Tabiiki insanoğlunun algılarına göre. Ancak sıcaklık fiziksel bir nicelik. Tanımı Uluslararası Ağırlık ve Ölçü Bürosu (*BIPM*) tarafından yapılmıştır. Maddedeki moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin ölçüsü sıcaklıktır. Termometre ile ölçülür.

Sıcaklık birimi olarak *Celcius* (Selsiyus diye okunur)'u kullanıyoruz. Zaten kullanılan 3 birim var. *Celcius*, *Fahrenheit* (Fahrenhayt) ve *Kelvin*. Kelvin daha çok bilimde kullanılıyor. Kelvin ile Celcius arasında basit bir formül var. İkisi de aynı ölçüde ancak başlangıç noktaları farklı. K-273.15 = C. Yani 0 Kelvin (eksi 273.15) -273.15 derece Celcius eder. 0 derece ise +273.15 Kelvin. Sadece derece diyorsak Celcius anlaşılır. Diğerine de zaten Kelvin veya Fahrenheit diyoruz.

*Daha net bir ölçü yok mu? Referans noktamız neresi?*
Suyun donma noktasına 0 derece demişler. Deniz seviyesinde yani 1 bar basınç altında kaynama noktasına ise 100 derece demişler. Kaynamanın da bir tanımını yapmamız lazım burda. Kaynayan suyun çıkardığı buhar basıncı 1 bar ise kaynama noktası orasıdır. Kışın derelerden buhar çıkıyor ama su kaynıyor demiyoruz. Çıkan buharın basıncının ortamdaki basınca eşit olması lazım. Suda bu durum 100 derecede oluyor. Dağlara çıkarsanız kaynama noktası düşer. Su 2300 metrede mesela, 92 derecede kaynar. Düdüklü tencerede su 130 derecede kaynar. İçerdeki basınç yüksek olduğu için. Bu yüzden kuru fasulye normal ateşte zor pişerken düdüklü tencerede daha fazla ısıya maruz kaldığı için çabuk pişer. Havasını indirmeden açarsanız kapağı başınıza bela alabilirsiniz. Ben küçükken böyle bir deney yapmıştım. Tencere tamamen boşalmıştı. Elde var sıfır. Denemeyin derim. ;)

Dünya üzerinde insanoğlunun yaşadığı yerlerde sıcaklıklar -50 derece ile +50 derece arasında değişiyor. Ancak insanın yaşayabildiği sıcaklık aralığı çok daha dar. 15 ila 25 derece arası. Onun için oda sıcaklığını yaklaşık 20 derece alıyoruz. Bazı tanımlara göre bir miktar değişse de oda sıcaklığı 20 ile 25 derece arasında oynuyor. İdeal gaz denkleminde 298 Kelvin yani 25 dereceyi referans alıyoruz.

İnsanoğlunun vücut sıcaklığı ise 36.5 derece. Thermal havuza girdiğimizde suyun sıcaklığı 36.5 üstünde ise vücut ısınıyor, çünkü vücuda ısı enerjisi giriyor. 38 derece normal ılık gelirken, 40 derece sıcak geliyor. Bazı kişiler için 40 ve üstü tehlikeli sayılıyor, çünkü sağlık problemi oluşturabiliyor. 36.5 derece altında bir su ise biraz soğumaya başlıyor. İçtiğimiz su mesela 16 derece civarında ise soğuk, 25 derece civarı ise normal geliyor.

*Güneş ışığının çok yatay açılı geldiği kutuplarda durum ne?*
Kutuplarda yılın belli ayları zaten karanlık. Ancak güneş gördüğü aylarda da sıcaklıklar düşük. -80 dereceye düştüğü durumlar oluyor. Dünyada en düşük sıcaklık Antartica'da Vostok istasyonunda ölçülmüş. -89.2 derece. En yüksek sıcaklık ise Libya çölünde ölçülmüş ve 58 derece olmuş.

Ben 2015 yılında Kuzey kutbundaki Svalbard adasına (Norveç'in bir şehrine) gitmiştim. Nisan ayının son günlerinde orda 3 gün kaldım. Güneş bu 3 gün boyunca batmadı. Buna rağmen sıcaklık -10'un üstüne çıkmamıştı. Orda yaşayan insanların yüzlerindeki yanıkları gördüm. İki cisim arasındaki sıcaklık farkı açılırsa yanma olur.

*Dünya üzerinde durum bu iken evrenin diğer yerlerinde durum nasıl? Uzayda sıcaklık ne?*
Dünya atmosferinden ayrılınca sıcaklık düşer. Uzay ortamına çıkıldığında sıcaklık -269 derecedir. Yakın uzay bu durumda 4 Kelvin civarında diyebiliriz. Derin uzayda bu durum 2.8 Kelvin civarında. Big Bang başladığında tahminlere göre 1000 trilyon derece iken şimdi -270 dereceye kadar soğumuş.

*Sıcaklığın en dip noktası neresi? Ve tam o noktada ne oluyor?*
Üst sıcaklığın sınırı bilinmiyor ama alt sıcaklığın sınırı -273.15 derece. Bu noktaya mutlak sıfır (absolute zero) deniyor. Bundan daha aşağı bir nokta yok.

Üst sınır için parçacık fizikçilerinin teklifi Planck sıcaklığı. Bu da 142 nonilyon Kelvin. (What the heck is that!! Söyleyelim: 142×10^32 Kelvin).

Avrupa Uzay Ajansının ben Fransa’da çalışırken Thales Alenia Space’e yaptırdığı bir uydu vardı. Planck satellite. Bu uydunun çok hassas ölçüm alabilmesi için dedektör 0.15 Kelvin sıcaklıkta idi. Yani hemen hemen tam dip noktasında. Galaksilerin oluşumunu ve evrenin kökenini anlamak için yapılmış bir uydu idi. Dedektör hassasiyeti çok artırılıyor bu yolla.

*En aşağıda olunca ne oluyor?* Bütün ısı enerjisi bitmiş oluyor. Maddenin atomlarının dahi durduğu söyleniyor.

Böyle bir sıcaklık noktasının olduğu biliniyordu ancak İngiliz matematikçi *Lord Kelvin* bunu hassas bir şekilde tespit etti. -273.15 derece. Adamın esas ismi William Thomson. Yaptığı başarılardan dolayı aldığı ödülden sonra Lord sıfatını alıyor. Çalıştığı labın yakınında akan Kelvin nehrinden dolayı Lord Kelvin ismi ile anılıyor.

Lord Kelvin, çok düşük sıcaklıklarda elektronların duracağını ve akımın biteceğini düşünüyordu. Düz mantıkla düşününce öyle olmasını bekleriz. Bu durumda maddenin rezistans değeri sonsuza yaklaşıyor olmalıydı. Tam tersine inananlar da vardı. Rezistans değerinin sıfır olacağını ve bu durumda kayıpsız enerji taşınacağını söyleyenler de oldu. Zamanla yapılan deneylerde ikinci grubun haklı olduğu ortaya çıktı.

*Heike Kamerlingh Onnes* isminde Hollandalı bir bilim adamı 1911 yılında süperiletkenliği (superconductivity) ispat etti. Tarihte Helyumu ilk defa sıvılaştıran da O'dur (1908 yılı). Bu yolla 0.9 Kelvin dereceye kadar inebilmiştir. Gerçekten sıcaklığı o noktalara (0 Kelvin) düşürünce rezistansın kaybolduğu durumlar ortaya çıkıyordu. Platinyum ve altının sıcaklığını düşürdü ancak ölçtüğü sonuçlar tutarlı değildi. Sıvı merkür (Mercury elementi) kullanarak deneyler yaptı. 4.19 Kelvin'de Merkür'ün rezistansı sıfır oldu. Bu durumda merkürün içinden geçen bir akım kayıpsız bir şekilde sonsuz akacaktı. Buna süperiletkenlik (superconductivity) dedi. Kamerlingh 1913'te Nobel ödülü almıştır.

CERN'de yapılan bir deneyde voltaj verilen bir süperiletken devrede, akım 5 yıl boyunca extra bir voltaja ihtiyaç duymadan ve gücünü kaybetmeden akmıştır.

Süperiletkenliğin asıl teorisi ise Kamerlingh'in yaptığı deneylerden nerdeyse 40 yıl sonra yazılabildi (1951'de *John Bardeen* tarafından). Geldiğimiz noktada süperiletkenlik çok enerji gerektirdiği için endüstride az uygulama alanı buldu. Biraz daha makul derecelerde süperiletken olan bir malzeme bulunabilirse belki daha fazla uygulama görürüz. Bugün için MRI/NMR cihazlarında, süper bilgisayarlarda, hızlı trenlerde ve daha başka birkaç uygulamada kullanılıyor.

Daha makul derecelerde elde edilen süperiletken maalesef cıva ve bakırdan yapılmış zehirli seramik bileşikler kullanılarak 138°Kelvin (-131°C)'de elde edildi. Bununla birlikte çoğu zaman malzemeyi soğutmak daha pahalı bir yöntem olduğu için günlük hayattaki uygulamalarda göremeyiz. Birçok bilimsel çalışma devam etmektedir.

*Soru*: Konuyu bu kadar anlattık. Vücut sıcaklığı 36.5 derece olmasına rağmen ve hava 36 derece iken neden sıcak hissediyoruz? Biraz düşünün, güzel bir cevabı var.