Bir maddenin sıcaklığı kütlesini etkiler mi? Bu soruya kimya ve fizik ders kitaplarının çoğunda bulabileceğimiz cevap “hayır”dır. Düşük hassasiyetli gözlemde gözlemlenen sisteme enerji verildiğinde kütle değişimini, kütle artışı gözlemleyemiyoruz. Tabii ki bu durum aslında düşük hassasiyet için geçerlidir.
Burada maddenin sıcaklıkla faz değişimi (maddenin halleri arasındaki geçiş) ya da hacim değişimi (genleşme vs) değil, bir nicelik olan kütle değişimidir. Sıcaklık bir maddenin ortalama moleküler kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür ve klasik fizikte değişmez olarak kabul edilir. Çünkü eşdeğer kütle ve enerjiyi biliyoruz. Başlıktaki sorunun asıl cevabı “sıcak su” olmalıdır.
Kütle başka bir enerji şeklidir ve dışarıyla enerji (ve dolayısıyla madde) alışverişi yapmayan kapalı bir sistemde sıcaklığı arttırırsak, kütleyi de arttırırız. Tipik bir sistemde bu kazanç çok küçüktür. Örneğin belirli bir enerji değerine sahip 1 kg suyu buharlaştırmadan ısıtmak için 4 kJ enerji verirsek m = E / c2 bağıntısından 4,4 x 10-14 kg kütle artışı meydana gelir. Bu, ölçebileceğimiz doğruluğun çok ötesinde bir değişikliktir.
Daha sıcak nesnelerin diğer eşdeğerlerinden daha fazla kütleye sahip olmasının nedeni, kütle-enerji denkliğinden, yani E = mc2 bağıntısından kaynaklanmaktadır. Genel görelilikte, yerçekimi, uzay-zaman yapısındaki enerji ve momentumun yoğunluğunu ve akışını belirleyen enerji gerinim tensörü (tensör: fizikte nicelikler arasındaki doğrusal ilişki için tanımlanır) ile ilgilidir. Daha doğrusu, bu tensör nesnenin toplam enerjisini temsil eder. Sıcaklık farkı, maddedeki atomların ve moleküllerin hareketine bağlı olarak kinetik enerjideki farkı da gösterir.
0°C’de iki adet bir litrelik durgun su nesnemiz olduğunu varsayalım. Bunlardan birinin sıcaklığı 100°C artırılırsa, sıcak yumru kütlesindeki değişimi aşağıdaki gibi ifade edilir.
Bu ifade 4.6 nanogram (ng) olacaktır. Başka bir deyişle, 100°C’deki su, 0°C’dekinden 4.6 nanogram daha fazla kütleye sahip olacaktır. Not: Denklemdeki pay, bilinen sıcaklıktaki suyun termokimyasal kalori hesaplamasına (enerji birimi) eşit enerji boyutuna dönüştürülmesidir. .
Elbette bu 4.6 ng’lik kazancı sorunsuz bir şekilde elde etmek için belirli koşullar gerekir. Sıcak su, kaynamamasına rağmen, soğuk sudan daha hafif olarak ölçülebilir çünkü genleşir ve daha düşük sıcaklıklarda sudan daha fazla hava ile yer değiştirir. Bu, çevredeki havanın sıcaklığı, genleşme katsayısı ve yoğunluğu kullanılarak hesaplanabilir. Özetle, bu tür etkilerden kaçınmak için deney vakumda yapılmalıdır. Bu etkiler katılarda sıvı ve gazlara göre daha az olacağından katılar üzerinde deney yapmak daha mantıklı olabilir.
Bu küçücük 4.6 ng(!) yaklaşık 154 trilyon su molekülü içerir. Bu sayısız su molekülünün 4.6 ng’lik kütlesi, suyun sıcaklığını 100°C yükseltmek için gereken enerjiye eşdeğerdir. 20 g’lık küçük bir kürenin durgun kütlesi, 500 kilotonluk bir nükleer bombanın patlaması sırasında açığa çıkan enerjiye yaklaşık olarak eşittir. Her birimiz, zayıf ya da şişman, bir hidrojen bombasının megaton patlama enerjisine sahibiz. Sorun şu ki, kütlemizden üretilen bu enerjileri teknik olarak kullanılabilir difüzyon enerjisine dönüştürmek çok zor.
Bir maddenin sıcaklığı kütlesini etkiler mi? Bu sorunun cevabını “hayır” olarak görseniz de, doğru cevap “evet” olmalıdır. Einstein’ın ünlü kütle-enerji denkliği E=mc2’den, bir maddenin artan sıcaklıkla ne kadar kütle kazanacağı belirlenebilir. Ancak bu değer günlük sıcaklık için çok düşük olduğundan hala ihmal edilebilir düzeydedir.
