17. yüzyılda Avrupa’da birçok bilim insanı havanın özelliklerini araştırdı ve onların çalışmaları, İrlanda asıllı İngiliz bilim insanı Robert Boyle’nin bir gazdaki basıncı açıklayan matematiksel yasaları çıkarmasına yol açtı. Bu çalışma, yıldızlar ile gezegenler arasındaki uzayın doğasıyla ilgili daha geniş bir tartışmayla ilişkiliydi. “Atomculara” göre göksel cisimler arasında boş uzay vardı; Kartezyenlere (Fransız filozof Rene Descartes’ı izleyenler) göre ise, parçacıklar arasındaki uzay esir denilen bilenmeyen bir maddeyle doluydu ve bir vakum üretmek olanaksızdı.

Barometreler

İtalya’da matematikçi Gasparo Berti, bir emme tulumbanın suyu neden 10 metreden yukarıya çıkaramadığını anlamak için deneyler yaptı. Berti uzun bir boru aldı, bir ucunu kapatıp suyla doldurdu. Sonra ağzını bir su teknesinin içinde koyup ters çevirdi. Tüpteki suyun düzeyi, sütun yaklaşık 10 metre yükselene kadar düştü.

1642’de Berti’nin çalışmalarından haberdar olan yurttaşı Evangelista Torricelli benzer bir aygıt yaptı, ama su yerine cıva kullandı. Cıva sudan 13 kat daha yoğundur; bu yüzden sıvı sütunu yalnızca 76 santimetre kadar yüksekti. Torricelli’nin buna ilişkin açıklaması şöyleydi: çanaktaki cıvanın üzerideki havanın ağırlığı cıvayı aşağı bastırıyordu ve bu, sütunun içindeki cıvanın ağırlığını dengelemekteydi. Tüpün içinde cıvanın üstündeki alanın bir vakum olduğunu söyledi. Bu durum bugün basınçla (belli bir alan üzerideki kuvvet) açıklanır, ama temel düşünce aynıdır. Torricelli ilk cıvalı barometreyi bulmuştu.

Blaise Pascal’ın barometre deneyleri, hava basıncının yükseklikle birlikte nasıl değiştiğini gösterdi. Pascal fiziğin yanı sıra matematiğe de önemli katkılarda bulundu.

Fransız bilim insanı Blaise Pascal, Torricelli’nin barometresinden 1646’da haberdar oldu ve hemen kendi deneylerini yapmaya başladı. Kayınbiraderi Florin Perier’in gerçekleştirdiği bu deneylerden biri, hava basıncının yüksekliğe bağlı olarak değiştiğini gösterecekti. Bir barometre Clermont’ta bir manastırın zeminine yerleştirildi ve gündüzleri bir keşiş tarafından gözlemlendi. Perier başka bir barometreyi, kasabadan yaklaşık bin metre yükseklikteki Puy de Dôme’un tepesine götürdü. Dağın tepesindeki cıva sütunu, manastırın bahçesinde olandan 8 cm daha kısaydı. Dağın üzerideki hava miktarı aşağıdaki vadinin üzerindeki havadan fazla olduğuna göre, gerçekten de havanın ağırlığı su ya da cıva tüplerindeki sıvıyı orada tutmaktaydı. Bu ve diğer çalışmalarda ötürü, modern basınç birimine Pascal adı verilir.

– Bir barometreyi bir dağın başına götürürseniz, barometredeki cıvanın yüksekliği düşer.

– Bunun nedeni, cıvayı aşağıya bastıran havanın yukarıda daha az olmasıdır.

– Bir barometrede alıcının havası boşaltılınca, civanın düzeyi düşer.

– Yani, alıcıdaki hava miktarı ne kadar azsa, basınç da o kadar düşüktür.

– Havanın kütlesi küçüldükçe “havanın yayı” da küçülür.

Hava Pompaları

Bir sonraki önemli atılımı, bir kaptan bir miktar havayı boşaltabilen bir pompa yapan Prusyalı bilim insanı Otto von Guericke gerçekleştirdi. En ünlü gösterisini 1654’te yaptı: İki metal yarımküreyi aralarına hava geçirmez bir conta koyup birleştirdi ve aradaki havayı boşalttı. İki takım metal yarımküreleri birbirinden ayıramadı. Hava boşaltılmadan önce, contalı yarımkürelerin içindeki hava basıncı ile dışarıdaki hava basıncı aynıydı. İçeride hava kalmayınca, dışarıdaki havanın basıncı yarımküreleri bir arada tutuyordu.

Robert Boyle, von Guericke’nin deneylerinden 1657’de yayımlanınca haberdar oldu. Boyle kendi deneylerini gerçekleştirmek için, Robert Hooke’u bir hava pompası tasarlayıp yapmakla görevlendirdi. Hooke’un hava pompası, çapı yaklaşık 40 cm olan cam bir “alıcı” (kap), altında piston bulunan bir silindir ve bu ikisinin arasında tıkaçlardan ve vanalardan oluşmaktaydı. Pistonun peş peşe hareketleri alıcıdan daha fazla havayı dışarıya çekiyordu. Donanımın contalarındaki hafif sızıntı nedeniyle, alıcının içinde vakuma yakın bir durum ancak kısa bir süre sürdürülebiliyordu. Yine de makine daha önce yapılanların üzerinden büyük bir ilerlemeydi; bilimsel bir araştırmayı daha da ilerletmede teknolojinin önemini gösteren bir örnekti.

Deneysel Sonuçlar

Boyle, hava pompasıyla çok sayıda farklı deney yaptı ve bunları 1660’ta New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects kitabında tarif etti. Kitapta, Galileo gibi ünlü deneycilerin bile çoğu kez “düşünce deneylerinin” sonuçlarını ilan ettiği bir zamanda, açıklanan bütün sonuçların deney ürünü olduğuna işaret etmeye gayret etti.

Boyle’nin birçok deneyi, doğrudan hava basıncıyla bağlantılıydı. Alıcı bir Torricelli barometresini tutacak şekilde değişebiliyordu; tutkalla yerine sabitlenen tüp alıcının tepesinde kadar çıkmaktaydı. Alıcıdaki basınç azaltılınca, cıvanın düzeyi düşmekteydi. Tersinden bir deney de gerekleştirdi ve alıcının içinde basıncın yükselmesiyle cıva seviyesinin de yükseldiğini gördü. Bu, Torricelli’nin ve Pascal’ın daha önceki bulgularını doğruladı.

Boyle, hava miktarı azaldıkça alıcıdaki havayı boşaltmanın zorlaştığını belirtti ve alıcının içinde yarı şişirilmiş bir torbanın etrafındaki hava boşaltılınca, hacminin arttığını da gösterdi. Torba bir ateşin önünde tutulduğunda da benzer bir sonuca varılabiliyordu. Bu sonuçlara neden olan hava “yay”ına ilişkin iki olası açıklama yaptı: Her bir hava parçacığı bir yay gibi sıkıştırılabilirdi ve bütün hava kütlesi bir yapağıya benziyordu ya da hava rastgele hareket eden parçacıklardan oluşuyordu.

Bu Kartezyenlerin görüşüne benziyordu; ama Boyle esir düşüncesine katılmadı, “taneciklerin” boş uzayda hareket ettiklerini öne sürdü. Açıklaması, maddenin özelliklerini hareket eden parçacıklar bakımından tarif eden modern kinetik teorisine bariz bir biçimde benzer.

Boyle’nin bazı deneyleri fizyolojikti; hava basıncının azalmasının kuşlar ve fareler üzerindeki etkilerini araştırdı ve havanın akciğere nasıl girip çıktığına kafa yordu.

Boyle Yasası

Boyle yasasına göre, gaz miktarı ve ısı aynı tutulduğu sürece, bir gazın basıncının hacmiyle çarpımı bir sabitti. Başka bir deyişle, bir gazın hacmini azaltırsanız, basıncı artar. Hava yayını üreten, bu artan basınçtır. Bir bisiklet pompasında, pompanın ucunu bir parmağınızla kapatıp pompa kolunu içeri doğru iterseniz etkiyi hissedebilirsiniz.

Bu yasa Boyle adını taşımasına rağmen, ilk kez Boyle değil, Torricelli barometresiyle bir dizi deney yapan ve sonuçlarını 1663’te yayımlayan İngiliz bilim insanları Richard Towneley ve Henry Power önerdi. Boyle kitabın ilk taslağını gördü ve sonuçları Towneley’le tartıştı. O sonuçları deneyle doğruladı ve ilk deneylerine yöneltilen eleştiriye yanıtın bir parçası olarak 1662’de “Bay Towneley’in Hipotezi”ni yayımladı.

Boyle’nin dikkatli deney tekniğinden ötürü ve beklenen sonuçları versin ya da vermesin, deneylerini ve olası hata kaynaklarını eksiksiz rapor ettiği için, gazlarla ilgili çalışması özellikle önemliydi. Bu nedenle birçok kişi onun çalışmalarını genişletmeye çalıştı. Bugün Boyle Yasası, başka bilim insanları tarafından ortaya çıkarılan ve ısı, basınç ya da hacim değişiklikleri altında gerçek gazların davranışına yaklaşan “İdeal Gaz Yasası“nı oluşturan yasalarla birleştirilmektedir. Düşünceleri sonunda kinetik teorisinin gelişmesine de yol açtı.

Robert Boyle Kimdir?

Robert Boyle İrlanda’da doğdu, Cork Kontlarının 14. çocuğuydu. İngiltere’de Eton College’e gitmeden önce evde özel eğitim aldı ve sonra Avrupa’yı dolaştı. 1643’te babası öldü ve bütün zamanını bilimle ilgilenmeye ayırmasına yetecek kadar para bıraktı. Boyle iki yıllığına tekrar İrlanda’ya taşındı; ama 1654’ten 1668’e kadar çalışmalarını daha kolay yürütebilmek için Oxford’ta yaşadı, ardından Londra’ya taşındı.

Boyle, bilimsel konuları inceleyen, Londra’da ve Oxford’ta toplanıp düşüncelerini tartışan ve “Görünmez Kolej” denilen grubun üyesiydi. Bu grup 1663’te Kraliyet Derneği oldu ve Boyle ilk konsey üyelerinden biriydi. Bilime ilgisinin yanı sıra Boyle simya deneyleri de yaptı ve farklı insan ırklarının kökeni ve teolojiyle ilgili yazılar da yazdı.

Önemli Eserleri:

1660 – New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects

1661 – The Sceptical Chymist (Kuşkucu Kimyager)

Hava Basıncı Hakkında Tarihsel Gelişmeler

1643 – Evangelista Torricelli bir cıva tüpü kullanarak barometreyi icat eder.

1648 – Blaise Pascal ile kayınbiraderi, hava basıncının yükseklikle birlikte azaldığını gösterir.

1650 – Otto von Guericke hava ve vakum üzerine, ilk kez 1657’de yayımlanan deneyler gerçekleştirir.

1738 – İsviçreli fizikçi Daniel Bernoulli, gazların kinetik teorisini açıklayan Hydrodynamica’yı yayımlar.

1827 – İskoç botanikçi Robert Brown polenlerin sudaki hareketini, rastgele yönlerde hareket eden su molekülleriyle çarpışmanın sonucu olarak açıklar.