Sıcaklığı ölçmek için dokunma duyumuza güvenemeyeceğimizi sıcaklık nasıl ölçülür sorusunu yanıtlarken görmüştük. Sıcaklığı nesnel bir şekilde ölçmek için termometre kullanılır.
Termometre nasıl çalışır?
1. Termometre bir cisimle ya da ortamla ısıl temas haline getirilir.
2. Cisimle termometre arasında ısıl dengeye ulaşılması beklenir.
3. Isıl dengeye ulaşıldığında termometrenin ve cismin sıcaklığı birbirine eşit olur. Termometrenin gösterdiği değer cismin sıcaklığını verir.
Termometre çeşitleri
Termometreler çeşit çeşittir, çünkü her biri farklı bir amaç için kullanılır. Tüm termometreler maddenin bir termometrik (sıcaklık ile değişen) özelliğini kullanır. Yapıldıkları maddenin türü ve özelliğine göre ölçebildikleri sıcaklık aralıkları değişir.
Metal Termometreler
Metal termometreler metallerin sıcaklıkla birlikte uzama (genleşme) özelliğini kullanır. Bunlar metal eritme ocakları ya da fırınlar gibi yüksek sıcaklığa sahip ortamlarda kullanılır. 1600 °C’ye kadar sıcaklıkları ölçebilirler.
Gazlı Termometreler
Sabit hacimde ve kütledeki bir gazın basıncının sıcaklığa göre değişmesi özelliğinden yararlanılarak tasarlanmışlardır. -270 °C ile 1450 °C arasındaki sıcaklıkları ölçmek için gazlı termometreler kullanılır. Çok hassas ölçümler yapabilirler. Ancak kocaman oldukları için kullanışlı değildirler, laboratuvarlarda kullanılırlar.
Elektrik direnciyle çalışan termometreler
Metallerin sıcaklığa göre elektrik akımına gösterdikleri direncin değişmesi özelliğinden faydalanılarak yapılırlar. -183 °C ile 1100 °C arasını ölçebilirler. Küçük sıcaklık farkları en iyi metal termometrelerle ölçülür.
Isıl çift (Termokupl) termometreleri
Isıl çift termometreleri farklı cins iki metalin birbirine değmesiyle ortaya çıkan potansiyel farkın sıcaklığa göre değişmesi ilkesine göre tasarlanmışlardır. -240 °C ile 1100 °C arasındaki sıcaklıkları ölçebilirler.
Işınımla çalışan termometreler (Pirometre)
Pirometreler bir cismin yaydığı elektromanyetik ışınımın dalgaboyuyla sıcaklığı arasındaki ilişki kullanılarak yapılır. Çok yüksek sıcaklıkları ölçmek için kullanılır. Ayrıca insan bedeninin yaydığı kızılötesi ışınımı ölçerek çalışan vücut termometreleri de sıklıkla kullanılmaktadır.
Sıvılı Termometreler
En yaygın olarak kullanılan termometre çeşidi sıvılı olanlardır. Sıvıların sıcaklık arrtıkça genleşme, azaldıkça büzülme özelliği kullanılır. Sıvı, alt kısmında hazne bulunan kılcal cam bir tüpün içine yerleştirilir. Sıcaklık artınca sıvı genleşir ve kılcal tüpün içinde yükselir, azalınca büzülür ve alçalır.
Cıvalı Termometreler
Cıva -39 °C’de donar ve 357 °C’de kaynar. Bu aralıktaki sıcaklıkları ölçmek için kullanılabilir. Kutup bölgelerinde ya da sıcaklığın -39 °C’nin altına düştüğü durumlarda sıcaklığı ölçemez. Ama suyun kaynama sıcaklığını ölçebilir.
Cıvalı hasta termometreleri, vücut sıcaklığını ölçmek için tasarlandıkları için, 33 °C ile 45 °C arasını ölçebilir. Ancak cıvanın ağır metal zehirlenmesine yol açma ihtimalinden dolayı son yıllarda cıvalı termometreler evlerde pek kullanılmamaktadır.
Alkollü Termometreler
Alkol -115 °C’de donar ve 78 °C’de kaynar. Bu aralıktaki sıcaklıklar alkollü termometreyle ölçülebilir. Evlerimizde kullandığımız termometrelerin çoğu renklendirilmiş (genellikle kırmızı) alkol içerir. Soğuk ortamları ölçebilir ama suyun kaynama sıcaklığını ölçemez. Kullanışlı ve taşınabilir oldukları için tercih edilirler.
Sıvılı termometrenin hassaslığı ve duyarlılığı nelere bağlıdır?
- Kullanılan kılcal borunun kesit alanı: Boru ne kadar dar olursa sıvı o kadar rahat yükselir. Böylece daha hassas ölçümler yapılabilir.
- Sıvının cinsi: Genleşme katsayısı yüksek olan sıvı küçük sıcaklık değişimlerine duyarlıdır. Hassas ölçümler için cıvanın tercih edilmesinin nedeni budur.
- Sıvının konulduğu haznenin büyüklüğü: Hazne ne kadar büyük olursa o kadar çok sıvı konulabilir. Böylece daha duyarlı ölçüm yapılabilir.
- Bölme sayısı: Termometrenin bölmeleri artırılarak ondalıklı 11,2 °C gibi sıcaklıklar ölçülebilir.
- Yer çekimi sıvıların genleşmesini etkilemez, bu nedenle sıcaklık ölçümünün duyarlılığıyla ilgisi yoktur. Sıvılı termometreler uzayda da çalışır.
Sıvılı termometrelerin ölçeklendirilmesi (derecelendirilmesi)
Bir termometreyi ölçeklendirmek ya da derecelendirmek için iki referans noktası gerekir. Bu referans noktaları suyun deniz seviyesinde (1 atmosfer basınçta) donma ve kaynama noktaları olarak belirlenmiştir. Donarken ve kaynarken suyun sıcaklığı değişmediği için bu iki nokta seçilmiştir.
Fahrenheit (Fahrenhayt)
Alman bilim insanı Daniel Gabriel Fahrenheit, 1724 yılında, suyun donma sıcaklığını 32 °F kaynama sıcaklığını 212 °F olarak seçmiştir. Bu iki değerin arasını 180 eşit aralığa bölmüştür. Amerika Birleşik Devletleri’nde Fahrenheit kullanılır.
Santigrat (Celcius)
İsveçli bilim insanı Anders Celsius, 1742 yılında, saf suyun donma sıcaklığını 0 °C kaynama sıcaklığını 100 °C olarak seçmiştir. Bu iki değerin arasını 100 eşit parçaya bölmüştür. Dünyadaki çoğu ülkede Santigrat kullanılır.
Reaumur (Reomür)
Fransız bilim insanı René-Antoine Ferchault de Réaumur, 1730 yılında, suyun donma sıcaklığını 0 °R kaynama sıcaklığını 80 °R olarak seçmiş, bu iki değerin arasını 80 eşit aralığa bölmüştür. 19. yüzyılın sonuna dek kullanılsa da sonraları diğer sistemlerin ardında kalmıştır.
Kelvin
İrlandalı bilim insanı William Thomson (Lord Kelvin), 1848 yılında, saf suyun donma sıcaklığını 273,15 K, kaynama sıcaklığını
ise 373,15 K olarak seçmiştir. Bu iki değerin arasını tıpkı santigratta olduğu gibi 100 eşit aralığa bölmüştür. Kelvin birimi K ile gösterilir, derece (°K) kullanılmaz.
Rakamların bu kadar garip olmasının nedeni, maddenin düşebileceği en düşük sıcaklığın mutlak sıfır olarak alınmasıdır. Diğer sıcaklık birimleri günlük hayatta kullanılsa da bilimsel olarak sıcaklık Kelvin birimiyle ölçülür. Çünkü sıcaklık oranı yapabileceğiniz tek ölçek budur. Örneğin, 20 °C, 10 °C’ın iki katı değildir. Ama 20 K, 10 K’nin iki katıdır.
Sıcaklık birimleri ve dönüşümleri
Yukarıdaki resim beş farklı termometrenin aynı sıcaklığı farklı birimlerle ölçtüğünü gösteriyor. Bu birimleri birbirine dönüştürebiliriz. En genel haliyle şu formül bir X birimini bir Y birimine dönüştürmekte kullanılabilir:
X, X birimiyle ölçülen sıcaklığı, DSx X biriminde suyun donma sıcaklığını ve KSx X biriminde suyun kaynama sıcaklığını gösterir.
Y, Y birimiyle ölçülen sıcaklığı, DSy Y biriminde suyun donma sıcaklığını ve KSy Y biriminde suyun kaynama sıcaklığını gösterir.
Gözünüz kormasın şimdi sırayla formülün nasıl kullanıldığını görelim.
Santigrat’tan Fahrenheit’a
\frac{F - 32}{212 - 32} = \frac{C - 0}{100 - 0}Buradan
\frac{F - 32}{180} = \frac{C}{100}bulunur. F’yi çekersek:
F=\frac{180}{100}C + 32 F= \frac{9}{5}C + 32buluruz.
Fahrenheit’tan Santigrat’a
\frac{F - 32}{180} = \frac{C}{100}olduğunu biliyoruz. Şimdi C’yi çekelim:
C = \frac{100}{180}(F-32) C = \frac{5}{9}(F-32)Kelvin’den Santigrat’a ve Santigrat’tan Kelvin’e
\frac{C - 0}{100 - 0} = \frac{K - 273}{373- 273} \frac{C}{{100}} = \frac{K - 273}{{100}}C = K – 273
K = C + 273
Kelvinden santigrata çevirirken 273 çıkarıyoruz. Santigrattan Kelvine çevirirken 273 ekliyoruz.
Örnek soru – Oda sıcaklığı
Oda sıcaklığı 20 °C ise kaç °F ve kaç K’dir?
Çözüm:
F= \frac{9}{5}C + 32 F= \frac{9}{5}20 + 32F = 36 + 32 = 68 °F
K = C + 273
K = 20 + 273 = 293 K
Yani, 20 °C = 68 °F = 293 K
Termometreler ile ilgili Fizik dersi Kazanımları
9.5.1.2. Termometre çeşitlerini kullanım amaçları açısından karşılaştırır.
9.5.1.3. Sıcaklık birimleri ile ilgili hesaplamalar yapar.
- °C, °F, K için birim dönüşümleri yapılması sağlanır.