Isı Aktarımı

Isı Aktarımı

Isı geçişi, sıcaklık farkından kaynaklanan bir enerji aktarımıdır. Bir ortam içinde ya da ortamlar arasında sıcaklık farkı varsa ısı geçişi mutlaka olur.

Isı Geçiş Türleri

1. Kondüksiyon (İletim)

Katı ya da durgun akışkan ortamda sıcaklık farkı olması durumunda ortam içinden geçen ısı geçişidir. Atomik veya moleküler düzeyde hareketle gerçekleşir. Yüksek enerjili parçacıklardan düşük enerjili parçacıklara bir aktarım söz konusudur.

İletimin fiziksel mekanizması, bir gaz göz önüne alınarak ve termodinamik bilgileri kullanılarak şu şekilde açıklanabilir:

İçinde sıcaklık farkı olan bir gaz göz önüne alalım ve hiçbir kitlesel hareketin olmadığını kabul edelim. Bu gaz, farklı sıcaklıklarda tutulan iki yüzey arasındaki hacmi kaplıyor olabilir.

Daha yüksek enerjili moleküller, daha yüksek sıcaklığa sahiptir ve komşu moleküller sürekli çarpışırken daha çok enerjili moleküllerden daha az enerjili moleküllere bir enerji aktarımı gerçekleşir. Yani T₁ sıcaklığının T₂’den büyük olduğunu varsayarsak x yönünde net bir enerji aktarımı olur. Her bir noktadaki sıcaklık yakın çevrede bulunan gaz moleküllerinin enerjileriyle ilişkilidir. Bu enerjiyi moleküllerin dönme, titreşim ve rastgele ötelenme hareketleri oluşturur.

Fourier Yasası:

Yüzeyi A olan düz duvardan geçen ısı q_x:

İletim ile ısı aktarımına örnek olarak bir tüpün metal duvarının veya bir fırının tuğla duvarının ısınması verilebilir.

2. Konveksiyon (Taşınım)

Bir yüzeyle hareket halindeki bir akışkan farklı sıcaklıktaysa gerçekleşen ısı geçişidir. Taşınım ile ısı geçişi iki mekanizma ile meydana gelir:

1. Rastgele moleküler hareket sonucu enerji aktarımı

2. Akışkanın kitle hareketi ile enerji aktarımı

Toplam aktarım söz konusuysa, yani bu iki madde bir arada gerçekleşiyorsa buna taşınım, sadece kitle hareketi gerçekleşiyorsa adveksiyon denir.

Taşınım ile ısı aktarımına örnek olarak bir odada yanan sobanın havayı ısıtması verilebilir.

Taşınım ile Isı Geçiş Türleri

a. Zorlanmış Taşınım

Akış, bir fan, pompa ya da rüzgarla sağlanır.

Elektronik devre elemanlarının fan yardımıyla soğutulması buna örnek olarak verilebilir.

b. Doğal Taşınım (Serbest Taşınım)

Akış, akışkan içindeki sıcaklık değişimlerinin neden olduğu yoğunluk farkından kaynaklanan kaldırma kuvvetiyle oluşur.

Hava ısınır, yoğunluğu düşer ve kaldırma kuvvetinin etkisiyle yükselir.

Newton’un Soğutma Yasası:

h, yüzey geometrisine ve sınır tabakadaki akış türü, akışkanın termodinamik ve aktarım özellikleri gibi koşullara bağlıdır.

T_s > T_∞ - ısı yüzeyden akışkana doğru geçer - q” (+) işaretlidir.

T_∞ > T_s - ısı akışkandan yüzeye doğru geçer - q” (-) işaretlidir.

3. Radyasyon (Işınım)

Sonlu sıcaklığa sahip tüm yüzeyler elektromanyetik dalgalar halinde enerji yayar. Farklı sıcaklıktaki iki yüzey arasında, birbirlerini görmeleri için bir engel yoksa ışınımla ısı geçişi olur.

İletim ve taşınım için maddi ortam gereklidir, ancak ışınımla geçişte maddi ortam gerekli değildir; boşlukta da gerçekleşebilir.

Radyasyonla ısı aktarımına örnek olarak Güneş ışınlarının uzay boşluğunu geçip Dünya’yı ısıtması verilebilir.

Stefan-Boltzman Yasası