Termometrelerde cıva yerine ısı değişimini gösterebilecek her madde kullanabilir. Hatta su bile dar bir tüp içine konulursa ısının düşmesini ve yükselmesini gösterebilir. Aslında kapalı bir tüpün içine konulacak her sıvı, bu prensibe uygun olarak çalışır. Peki su kadar bol ve ucuz bir şey bile bu işi görüyorsa neden cıva gibi son derece pahalı bir madde kullanıyoruz?

Tarihçe

Termometrenin icadı sıcaklığın tanımlanmasında büyük bir ilerleme kaydetmemizi ve termodinamik hakkında birçok şey keşfetmemizi sağlamıştır.  Ancak ilk termometreler, ısı ölçer olmaktan ziyade sıcaklığın yüksek ya da düşük olduğunu gösteren, bugünkü termometrelere kıyasla daha kaba değerlendirmeler yapan cihazlardı.

Termometre, antik çağın en büyük deneycisi sayılan İskenderiyeli Heron adı ile tanınan bir mühendis tarafından geliştirilmiştir. Geliştirdiği cihaz, ucu küçük bir su kabına batırılmış hava ile dolu bir tüptü. Cihaz, sıcak veya soğuk bir yüzeye dokunduğunda hava genişleyerek ya da daralarak, hava-su ara yüzünün dalgalanmasına neden oluyordu.

Galileo’nun buluşu da aynı prensibe dayanmıştır. Ancak bu cihaz hava basıncına da duyarlıydı. Sadece ısıya duyarlı bir cihaz geliştirme fikri ilk kez Galileo’nun bir öğrencisi olan Joseph Delmedigo’ya aittir. Onun icadına ilk termometre demek daha doğrudur çünkü kullandığı kapalı tüpü ilk kez o ölçeklendirmiştir. Ancak Delmedigo’nun kapalı tüpün içine koyduğu sıvı su değil, alkoldür.

Genişleme Nedeni

Sabit basınç altında ısıya maruz kalan her madde genişler. Çünkü ısı, atomların kinetik enerjisini yükseltir. Kinetik enerjinin artışı atomların hareketini artırarak birbirlerinden ayrılmalarına neden olur. Isıya bağlı hacim artışı tren rayları gibi metallerde, kauçuk tekerlekler gibi katı maddelerde, su, alkol, cıva gibi sıvılarda ve klor, brom gibi madensi elementlerde (halojenler) görülür.

Aşırı sıcak havalar, tekerleklerde fotoğrafta görüldüğü gibi deformasyona yol açabilir.

Alkol ise sudan daha yüksek bir genleşme katsayısına sahip olması gibi basit bir nedenle tercih edilmiştir. Sıcaklıktaki küçük bir değişiklik bile tüpün içine konmuş alkolün büyük bir değişime uğrayarak yükselmesine neden olur. Ancak alkol o kadar hassastır ki tüpün içindeki değişimler, neredeyse çalkantılı bir harekete yol açar. Bu yüksek değişkenlik özelliği küçücük ısı değişikliğinde bile seviyenin hızla değişmesine ve termometrenin okunmasının güçleşmesine yol açar. Örneğin termometreyi kaynayan su dolu bir kaba daldırarak, suyun ısısını ölçmek istediğinizi düşünün, ölçümden sonra termometreyi sudan çıkardığımız anda dalgalanma başlayacağından suyun kaç derece olduğunu öğrenemeyiz.

Bu engeli ortadan kaldırmak isteyen Hollandalı mucit Danie Fahrenheit alkolü cıva ile değiştirmiştir. Cıva sudan daha yüksek bir genleşme katsayısına sahiptir. Bu da sıcaklık değişikliklerinin daha belirgin olarak görülmesine imkan tanımıştır. Sızdırmaz bir tüp içine konan cıva alkolden çok daha yavaş bir hızda yükselir ve düşer. Yani termometre, kaynayan su dolu bir kaba batırılıp, ölçüm yapıldıktan sonra çıkarıldığında ölçülen sıcaklık hızla düşmeyeceğinden, suyun sıcaklığının çok daha güvenilir bir şekilde belirlemesi sağlanır.

Fahrenheit tarafından geliştirilen termometreden önceki termometrelerde standart bir ölçek kullanılmamıştır. Fahrenheit’ın standart hale getirdiği ölçeklendirme tüm termometre üreticileri tarafından benimsenmiştir. Çünkü başlangıçta cıvalı termometrelerin neredeyse tamamı Fahrenheit’ın bizzat kendisi tarafından üretilmiştir. Fahrenheit’ın ölçeklendirmesi sonradan biraz değiştirilmiş olsa da bu ölçeklendirmeye onun adı verilmiştir.

Alkolün daha iyi olduğu örnekler

Alkolün aşırı duyarlı yapısının, avantaj olduğu durumlar da vardır. Öncelikle alkol cıvaya kıyasla çok daha ucuz ve boldur. Ayrıca zehirli değildir. Cıva içeren bir termometrenin kırılması ciddi sağlık riskleri içerir. Oysa alkol için böylesi bir risk söz konusu değildir.

Bunun da ötesinde cıva -40ᵒC’de donarken; alkol -115ᵒC’de donar. Yani cıvalı bir termometre -40ᵒC’nin altındaki sıcaklıkları ölçemez. Bu da fen laboratuvarlarında veya süper iletken teknolojili ürünlerin imalatında cıvalı termometrelerin kullanılamayacağı anlamına gelir.

Antarktika’da bir laboratuvar.

Bununla birlikte cıva renksiz değildir. Oysa alkol kolaylıkla boyanabilir. Bu özelliği alkollü termometrelerin daha kolay okunabilmesini sağlar. Ancak alkol kaynama noktası olan, 78.37ᵒC’den daha yüksek sıcaklıkları ölçemez. Yüksek sıcaklıkları ölçme konusunda cıva çok daha avantajlıdır. Kaynama noktası 356,7ᵒC olduğundan alkole göre çok daha yüksek sıcaklıkların ölçülebilmesini sağlar.

Cıvanın az bulunması, pahalılığı ve zehirliliği konusunda bir çözüm olmadığı halde sunduğu geniş bir aralıkta ölçüm yapabilme özelliği, tercih edilmesinde etkili olmuştur. Hatta kaynama noktasını artırmak için cıva, azot gibi durağan bir gazla kaplanarak kullanılabilmektedir. Azot cıvanın basıncını artırarak kaynama noktasını da yükseltir. Bununla birlikte talyum ile donma noktası da -62ᵒC’ye kadar düşürülebilir. Yani cıva bazı kusurlarına rağmen termometrelerde kullanılabilecek en uygun maddedir.

Kaynaklar:

Benzer Kanıtlar