Isı transferi nedir? Isı transfer yöntemleri

Isı transferi günlük hayatımızın önemli bir parçasıdır ve çoğu zaman hayatımızı sürdürürken farkına bile varılmaz. Herkesin aşina olduğu, ancak tam olarak anlaşılmayan temel bir ısı transferi terlemedir. Vucut ısımızın uygun bir seviyede tutmak için terleriz ve vucudumuzdaki fazla ısı buharlaşma ile çevreye aktarılır. Günlük yaşamımızda başka bir örnek otomobilerdeki içten yanmalı motorlardır. İçten yanmalı motorlardaki yakıtın kimyasal enerjisi önce ısı enerjisine daha sonra mekanik enerjiye dönüştürülür. Isı transferine daha bir çok örnek verilebilir. Bu yazımızda etrafımızdaki gerçekleşen olayları daha iyi kavramamızı sağlayacak Isı transferi olayını, ısı trasfer yöntemlerini, nasıl gerçekleştiğini, ısı ve sıcaklık arasındaki farkı, etrafımızda geçekleşen enerji etkileşimlerini inceleyeceğiz. Keyifli okumalar.

Isı Transferi nedir? Isı transfer yöntemleri

Isı Transferi Nedir? Isı Transferi Hangi Yollarla, Nasıl Gerçekleşir?

Isı ve ısı enerjisi, bir nesnedeki moleküllerin aktivite seviyesini tanımlamak için kullandığımız terimlerdir. Molekülleri hızla hareket eden bir nesne sıcak olarak bilinirken, atomları daha yavaş hareket eden moleküllere sahip bir nesne soğuk olarak bilinir. Isı enerjisi veya termal enerji, nesneler arasında aktarılabilir. Yani ısı, nesneler arasındaki bu enerji transferini ifade ederken, sıcaklık, nesnelerin içinde bulunan enerjiyi ifade eder.

Tüm maddeler titreşen, ötelenen ve hatta dönen parçacıklardan oluşur. Hareket eden bir nesne veya parçacık kinetik enerjiye sahiptir. Bir cismin sıcaklığı arttırıldığında cismi oluşturan parçacıklar daha hızlı hareket etmeye başlar. Sıcaklığı artırılan cismin parçacıkları ya daha hızlı titreşirler, ya daha sık dönerler ya da uzayda daha hızlı hareket ederler.

Sıcaklığın artması parçacık hızında bir artışa neden olur. Böylece, bir kaptaki su numunesi ısıtıldığında, molekülleri daha hızlı hareket etmeye başlar ve termometre daha yüksek değer gösterir. Bu yüksek değer, parçacıkların hızının yüksek olduğunun göstergesidir. Benzer şekilde, dondurucuya bir su numunesi konursa, molekülleri daha yavaş (daha düşük bir hızla) hareket etmeye başlar ve daha düşük bir termometre okumasıyla yansıtılır. Bir cismin sıcaklığı ne kadar yüksekse, o cismin ısı transfer etme eğilimi de o kadar fazladır. Bir cismin sıcaklığı ne kadar düşükse, o cismin ısı transferinin alıcı tarafında olma eğilimi o kadar fazladır.

Isı, daha yüksek sıcaklıktaki bir nesneden daha düşük sıcaklıktaki bir nesneye olan enerji akışıdır. Bu ısı transferine neden olan iki komşu nesne arasındaki sıcaklık farkıdır. Isı transferi, iki nesne termal dengeye ulaşana ve aynı sıcaklıkta olana kadar devam eder.

Isı Transfer Yöntemleri

Isı bir noktadan diğerine üç temel yolla hareket edebilir: iletim, taşınım(konveksiyon) ve Işınım(radyasyon). Bu 3 farklı ısı aktarımı nı detaylı olarak yazımızda yer verdik.

Isı Transfer yöntemleri, Isı transfer yöntemleri
Isı Transfer Yöntemleri; Conduction: İletim; Convection: Taşınım; Radiation:Işınım(Radyasyon)

İlginizi Çekebilir! Rüzgar Enerjisi İle Çalışan Araba Ve Racing Aelous Yarışması

1) İletim(Kondüksiyon) ile Isı Transferi

Isının bir cisim içerisindeki komşu moleküller aracılığıyla yüksek enerjili parçacıklardan düşük enerjili parçacıklara aktarılmasıdır. Bu ısı aktarımı türü, içerisinde sıcaklık dağılımı olan tüm katılarda, sıvılarda ve gazlarda gerçekleşir. Gazlarda ve sıvılarda iletim, moleküllerin gelişigüzel hareketleri sırasında çarpışmaları ve yayılmaları sebebiyle olur. Katılarda ise iletim, kafeslerdeki moleküllerin titreşimleri ve bunun yanında serbest elektronlarla enerji aktarımı sonucu olur.

Bir levhada ısı transfer hızı, tabaka boyunca sıcaklık farkı ve transfer alanı ile doğru, tabakanın kalınlığı ile ters orantılıdır. Isı iletim oranı aynı zamanda malzemenin ısıl iletim katsayısına da bağlıdır.

Isıl iletkenlik veya ısı iletim katsayısı, bir malzemenin ısıyı iletme kabiliyetinin ölçüsüdür. Yüksek ısıl iletkenlik değeri malzemenin iyi bir ısıl iletken olduğunu, düşük ısıl iletkenlik değeri ise malzemenin kötü bir ısıl iletken veya ısıl yalıtkan olduğunu gösterir. Maddenin bileşimine, sıcaklığa, fazına bağlı olarak değişir. Eşitlik 1.1 de ısıl iletkenlik ile k ile gösterilmektedir. Ayrıca Tablo 1.1 de yaygın olarak kullanılan malzemelerin ısıl iletkenlik katsayıları verilmiştir.

Mazlemelerin ısıl iletkenlikleri değerleri
Tablo 1.1: Bazı malzemelerin ısıl iletkenlik katsayıları(k)

İletim yoluyla ısı geçişi birim zamanda aktarılan enerji miktarı hesaplanarak belirlenebilir. Isı iletiminin üç boyutta ve homojen olduğu kabulü yapıldığında, yatışkın durumdaki ısı iletimi eşitlik 1.1’de gösterildiği gibi ‘Fourier Yasası’ ile hesaplanabilir.

Fourier Formülü, Isı iletim Formül, ısı transferi
Eşitlik 1.1: Fourier Isıl İletim Yasası

İlginizi Çekebilir! Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri

2) Taşınım(Konveksiyon) ile Isı Transferi

Taşınım, bir katı yüzey ile ona bitişik, hareket halindeki sıvı veya gaz arasında enerji aktarımı türüdür. İletim ve akışkan hareketinin birleşik etkilerini kapsar. Akışkan hareketi ne kadar hızlı olursa, taşınım ısı aktarımı da o kadar büyük olur. Yığın akışkan hareketinin ortadan kalkması halinde, katı yüzeyle bitişiğindeki akışkan arasındaki ısı transferi saf iletimle olur.

Konveksiyonla ısı transferi akışkan akımının karakterine göre sınıflandırılabilir. Akışkan bir pompa, fan veya körük ile yapay olarak bir yüzey üzerinden akmaya zorlanıyorsa ‘zorlanmış taşınım’; farklı sıcaklıktaki akışkan bölgelerinden kaynaklanan yoğunluk farkının yarattığı itici güç ile akışkan hareketi gerçekleşiyorsa ‘serbest taşınım’ veya ‘doğal taşınım’ olarak isimlendirilir.

Bir ocakta ısıtılan bir tencere sudaki ısı transferi mekanizmasını düşünün. Ocaktaki ısı kaynağı, içinde bulunan metal tencereyi ısıtır. Metal ısındıkça suya ısı iletmeye başlar. Metal tencere ile sınırdaki su ısınır. Sıvılar ısıtıldığında genleşir ve yoğunluğu azalır. Yani tencerenin dibindeki su ısındıkça yoğunluğu azalır. Tencerenin dibi ve üstü arasındaki su yoğunluğundaki farklılıklar, kademeli olarak konveksiyon akımlarının oluşmasına neden olur. Sıcak su, başlangıçta orada bulunan daha soğuk suyun yerini alarak tencerenin tepesine doğru yükselmeye başlar. Tencerenin tepesinde bulunan daha soğuk su, tencerenin dibine doğru hareket eder. Isınır ve yükselmeye başlar. Bu sirkülasyon akımları zamanla yavaş yavaş gelişir ve ısıtılmış suyun tencerenin tabanından yüzeye enerji aktarması için bir yol sağlar.

Konveksiyon ile ısı transferi

Taşınım yoluyla ısı transferinde kullanılan temel yasa ‘Newton’un Soğuma Kanunu’dur. 2.1 denkleminde Q’ (W/m2) bölgesel ısı akısını; h (W/m2.K) ısı taşınım katsayısını göstermektedir. Ts ve T (K) ise sırasıyla yüzeyin sınır tabaka sıcaklığını ve yüzeyden çok uzak noktadaki akışkanın sıcaklığını ifade etmektedir. Toplamda gerçekleşen ısı transfer miktarı ise Eşitlik 2.1’deki gibi hesaplanabilmektedir.

Newton’un Soğuma Kanunu, Taşınım formülü
Eşitlik 2.1:Newton’un Soğuma Taşımım Kanunu

Taşınımla ısı taşınım katsayısı olan h; malzemeler için sabit bir değer değildir ve yüzey geometrisi, dinamik viskozite (µ), yoğunluk (ρ), akışkan hızı (ν) ve akışkan ısı iletim katsayısı (k) gibi parametrelere bağlıdır.

İlginizi Çekebilir! Jet Motoru Nedir? Nasıl Çalışır? Ana Parçaları Nelerdir?

3) Işınım(Radyasyon) ile Isı Transferi

Işınım, atom ve moleküllerin elektronik düzenlerindeki değişmelerin sonucunda maddeden elektromanyetik dalgalar (veya fotonlar) şeklinde yayılan enerjidir. İletim ve taşınımdan farklı olarak ışınımla ısı transferi bir aracı ortam gerektirmez. Işıma ile ısı transferi ışık hızında geçekleşir ve boşlukta yavaşlamaz. Dünya’nın güneşten aldığı ısı, Dünya ile Güneş arasındaki boşlukta dolaşan elektromanyetik dalgaların bir sonucudur. Cisimlerin sıcaklıları sebebiyle yaydıkları ışınım türü olan ısıl ışınım ile ilgilidir. Mutlak sıfırın üstündeki sıcaklıklarda bütün cisimler ısıl ışınım yayarlar.

Tüm nesneler elektromanyetik dalgalar şeklinde ışınım ile enerji yayar. Nesne ne kadar sıcaksa, o kadar çok enerji yayar. Sıcaklık ayrıca yayılan dalgaların dalga boyunu ve frekansını da etkiler. Oda sıcaklığındaki nesneler, enerjiyi kızılötesi dalgalar olarak yayar. Kızılötesi enerji insan gözüyle görülmez, ancak bir kızılötesi kamera onu algılayabilir. Termal kamera insanının, hayvanın veya Dünya’yı çevreleyen radyasyonunu görüntüleyebilmemize olanak verir. Kamera, nesnelerin yaydığı radyasyonu algılar ve bunu renkli bir fotoğraf aracılığıyla temsil eder. Daha sıcak renkler, daha yoğun bir oranda termal radyasyon yayan nesnelerin alanlarını temsil eder.

Yüzeyin yaydığı ışınım, yüzeyin sardığı cismin ısıl enerjisinden kaynaklanır ve birim zamanda birim yüzeyden serbest bırakılan enerji (W/m2) yüzeyin yayma gücü ‘E’ olarak adlandırılır. Yayma gücünün ‘Stefan-Boltzman’ yasası ile tanımlanmış hali Eşitlik 3.1’de görülmektedir.

Stefan-Boltzman radyasyon formülü
Eşitlik 3.1: Stefan-Boltzman Yasası, kara cisimden yayınlan maksimum ışınım

Burada Ts, yüzeyin mutlak sıcaklığı (K) olup Stefan-Boltzman sabitidir. Böyle bir yüzey, ideal ışınım yayıcı veya ‘kara cisim’ olarak adlandırılır. Kara cisim, maksimum hızla ışınım yayan ideal yüzeye denir. Gerçek bir cismin yaydığı ısı akısı, aynı sıcaklıkta bulunan bir siyah cisme göre daha azdır ve Eşitlik 3.2 de gösterilmiştir.

Gerçek bir cismin ışınım ile yaydığı ısı formülü, Stefan-Boltzman Formülü
Eşitlik 3.2: Stefan-Boltzman Yasası, gerçek cisimden yayınlan ışınım

Burada ε, ‘yayma oranı’ olarak adlandırılır ve yüzeye dair bir özelliktir. 0 ile 1 aralığında değerler alan bu özellik, bir yüzeyin yayıcılığı ε = 1 olan karacisme ne kadar yakın olduğunun bir ölçüsüdür. Yayıcılık 1 değerine yaklaştıkta, ışınım ile yayılan enerji miktarı o kadar artar. Aşağıdaki Tablo 3.1 bazı malzemelerin yayıcılık değerlerini göstermektedir.

Bazı malzemelerin yayıcılık katsayıları, emisivity
Tablo 3.1: Bazı malzemelerin yayma katsayıları

Bu Yazımızı Kaçırmış Olabilirsiniz! Alüminyum Özellikleri, Üretimi Ve Kullanım Alanları

Sıkça Sorulan Sorular(SSS )

1. Isı Transferi hangi yöntemler ile gerçekleşir?

Isı transferi yöntemleri:

  1. İletim (Kondüksiyon)
  2. Taşınım (konveksiyon)
  3. Işınım(Radyasyon)

2. Sıcaklık ve ısı arasındaki fark nedir?

Isı ve sıcaklık iki farklı niceliktir. Isı ve sıcaklık arasındaki temel fark, Isı’nın sıcak bir cisimden soğuk bir cisme aktarılan enerji şekli olmasıdır. Birimi joule’dür. Sıcaklık ise vücudun sıcaklık ve soğukluk derecesidir. SI birimi Kelvin’dir.

3. SI ısı birimi nedir?

SI ısı birimi Joule‘dür.

4. Elektromanyetik radyasyon nasıl yayılır?

Elektromanyetik radyasyonlar, yüklü elektronların ve protonların hareketi yoluyla yayılır.

5. Akışkanlardaki moleküllerin yüksek sıcaklık bölgelerinden düşük sıcaklık bölgelerine hareketi olarak bilinen hareket nedir?

Konveksiyon olarak bilinir.

6. İletim ile ısı transferinin günlük hayattaki örnekleri nelerdir?

  • Giysilerin ütülenmesi, ısının ütüden giysilere iletildiği bir iletim örneğidir.
  • Buz el ile tutulduğunda, elden buza ısı aktarılır. Böylece süreç buzun erimesi ile sonuçlanır.

7.Taşınım ile ısı transferinin günlük hayattaki örnekleri nelerdir?

  • Suyun kaynaması, yani daha yoğun olan moleküller altta hareket ederken, daha az yoğun olan moleküller yukarı doğru hareket eder, bu da moleküllerin dairesel hareketine neden olur, böylece su ısınır.
  • Sıcakkanlı hayvanlarda kan dolaşımı, konveksiyon yardımı ile gerçekleşir, böylece vücut ısısı düzenlenir.

8. Radyasyonun yaygın olarak örnekleri nelerdir?

  • Güneşten gelen UV ışınları,
  • Fırında yayılan mikrodalga radyasyonu.

Bu yazımızda etrafamızda gerçekleşen ısı aktarım olaylarını inceledik. Bu yazı aracılığıyla elde ettiğiniz bilgiler ile günlük yaşamınızda karşılaştığınız ısı aktarım olaylarına daha farklı bir bakış açısı kazandırmayı amaçladık. Umarım yazı size faydalı olmuştur. Bir sonraki yazılarda görüşemek üzere. Sağlıkla Kalın….

Kaynakça:

https://www.weather.gov/jetstream/heat

https://byjus.com/physics/heat-transfer-conduction-convection-and-radiation/

Isı ve Kütle Transferleri Kitabı Yunus A. Çengel

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.