Son güncelleme: 23.08.2023
Isı transferi mekanizmaları en basit açıklamayla termal enerjinin farklı nesneler arasında nasıl aktarıldığı ile ilgilidir. Bir sıcaklık farkı olduğunda, ısı transferi gerçekleşir. Yüksek ısılı yerden düşük ısılı yere doğru daima bir geçiş söz konusudur.
İletim (Conduction)
Malzemelerdeki kinetik enerjinin katı bir madde vasıtasıyla daha yüksek sıcaklık alanlarından daha düşük sıcaklık alanlarına hareketidir. Atomlar, bir dengeye ulaşılana kadar enerjilerini komşu atomlara verecektir. Örneğin aynı soğuk metal bir çubuk ile aynı sıcaklıktaki tahta bir kaşığı tuttuğunuzda büyük olasılıkla metal çubuğu daha soğuk hissedeceksinizdir. Buradaki farklı hissin temel sebebi metal malzemenin tahta malzemeye göre daha hızlı bir şekilde termal enerjiyi iletmesidir. Malzemeye göre iletkenlik değişmektedir. Aynı malzemede oluşturulmuş farklı sıcaklıktaki parça birbirine temas ettirildiğinde temas alanı ne kadar çok ise temas yüzeyinde o kadar çok atom enerjisini aktarmak için diğer yüzeydeki atomlar ile çarpışacaktır. İletim kesit alanı ile orantılıdır.
Bir dizi atomlar çarpışma ile soldan sağa iletim yolu ile ısı transferlerini gerçekleştirmektedir. Sıcak ve soğuk arasındaki mesafe ne kadar büyükse, malzemenin aynı miktarda ısıyı aktarması o kadar fazla zaman alacaktır.
Yukarıda yazılmış olan genel denkleme göre K malzemenin ısıl iletkenlik katsayısıdır. Bir malzemenin ısıl iletkenliği, kesit yüzey alanı ve aradaki sıcaklık farkı ne kadar fazla ise ısı transferinin hızı o kadar fazladır. İletim yolu ne kadar uzunsa ısı transferinin hızı o kadar düşüktür. Formülde gösterildiği gibi P (Güç8 ısı transferinin hızıdır. Birimi watt yada saniye başına kilo kaloridir.
| Madde | Termal İletkenlik k ( W / m ⋅ ° C ) |
|---|---|
| Elmas | 2000 |
| Gümüş | 420 |
| Bakır | 390 |
| Altın | 318 |
| Alüminyum | 220 |
| Çelik Demir | 80 |
| Paslanmaz çelik | 14 |
| Buz | 2.2 |
| Cam (ortalama) | 0.84 |
| Beton tuğla | 0.84 |
| Su | 0.6 |
| Yağlı doku (kansız) | 0.2 |
| Asbest | 0.16 |
| Alçıpan | 0.16 |
| Odun | 0.08–0.16 |
| Kar (kuru) | 0.10 |
| mantar | 0.042 |
| Cam yünü | 0.042 |
| Yün | 0.04 |
| Hava | 0.023 |
| Polyester köpük | 0.010 |
Taşınım – (Convection)
Bir akışkan ısıtıldığında , ısı kaynağı ile en yakın temasta bulunan bölge , parçacıklardaki artan kinetik enerji nedeniyle daha az yoğun hale gelir. Akışkanın daha az yoğun olan kısmı yükselirken, sıvının daha yoğun kısmı batar. İşlem kendini tekrar eder çünkü daha az yoğun sıvılar ısı kaynağından uzaklaştıkça soğur ve onları batırır, daha yoğun sıvılar ise ısı kaynağına yaklaştıkça ısınır ve yükselmelerine neden olur. Bu, konveksiyon akımları yaratır. Aynı şey metal bir malzemenin yüzeyi ve ortamdaki havanın teması ile yüzeyden ısıyı uzaklaştırması buna örnektir.
Konveksiyon yukarıda anlatıldığı gibi doğal bir şekilde gerçekleşebildiği gibi bir fan veya pompa yardımı ile parça yüzeyinden daha fazla ısının koparılması sağlanabilir buna da zorlanmış konveksiyon denir.
Yukarıdaki formül ile birim zaman başına transfer edilen ısı miktarı açıklanır. Konveksiyon sıcaklık farkı, yüzey alanı ve taşınım kat sayısı ile doğru orantılıdır. Taşınım kat sayısı bir çok parametreye bağlıdır. Başlıca malzemenin özelliği ve zorlanmış olup olmamasına bağlıdır.
Aşağıdaki tabloda farklı malzemeler için bu katsayı gösterilmiştir.
| Ortalama | Isı Taşınım Katsayısı,h (W/M²k) |
| Hava (Doğal) | 5-25 |
| Hava(Zorlanmış) | 20-300 |
| Yağ (Zorlanmış) | 60-1800 |
| Su (Zorlanmış) | 300-6000 |
| Su (Kaynama) | 3000-60000 |
| Buhar (Yoğunlaşma) | 6000-120000 |
Radyasyon(Radiation)
İletim ve konveksiyon da ısı transferinin gerçekleşmesi iki cismin temas etmesi yada ortamda herhangibi bir akışkanın olması gerekir. Dünya ile güneş arasındaki uzay boşluğunda herhangi bir madde bulunmaz bu nedenle güneş ve dünya arasında iletim ve konveksiyon yoluyla bir ısı transferi gerçekleşmeden güneş dünyayı ısıtmaktadır. Örneğin çalışan bir yüksek sıcaklıktaki bir fırının yada güneşe doğru baktığımızda gözlerimiz kamaşır, fırının ve güneşin sıcak olduğunu hissederiz. Bu gibi örneklerde ısı iletimi radyasyonla gerçekleşir. Elektromanyetik dalgaların yayılması için ortama ihtiyaç yoktur. Farklı dalga boylarındaki elektromanyetik dalgalar için farklı isimler kullanılır. Bunlar; radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi radyasyon, görünür ışık, ultraviyole radyasyon, X-ışınları ve gama ışınları olarak isimlendirilir. Elektromanyetik radyasyon enerjisi, dalga boyuna bağlı olarak geniş bir aralıkta değişir: Daha kısa bir dalga boyu (veya daha yüksek frekans), daha yüksek bir enerjiye karşılık gelir.
Görünür ışıkta dalga boyu rengi belirler – kırmızı en uzun dalga boyuna sahiptir ve mor en kısa dalga boyuna sahiptir. Bu nedenle sıcaklık değişikliğine bir renk değişimi eşlik eder.
Radyasyonla ısı transfer hızı aynı zamanda nesnenin rengine de bağlıdır. Açık bir yaz gününde, bir otoparktaki siyah asfalt bitişikteki gri kaldırımdan daha sıcaktır çünkü siyah griden daha iyi radyasyonu emer. Kusursuz siyah bir nesne, üzerine düşen tüm radyasyonu yakalayacağı için ideal bir emici olacaktır. Buna karşılık, tamamen beyaz bir nesne veya mükemmel bir ayna, tüm radyasyonu yansıtır. Matematiksel olarak renk, (emissivity) e ile temsil edilir. Siyah bir cisim için e = 1’dir. Beyaz yansıtıcı bir yüzeyde ise e = 0’dır.Nesneye giren ve çıkan radyasyon dengesi, radyasyonu ne kadar iyi yaydığına ve emdiğine bağlıdır.
Not: Çevrenin beyaz, gri veya siyah olması önemli değildir.
Kaynak
- OpenStax Universitesi Fizik Ders Kitabı
Bu blog yazısında SOLIDWORKS Simulation Professional ile gerçekleştireceğiniz termal analizler için gerekli olan temel bilgiler paylaşılmak istenmiştir. Diğer blog yazılarımızı okumak için tıklayınız. Daha detaylı bilgi için bizim ile iletişime geçebilirsiniz.
