Fourier Isı İletim Yasası

296
Fourier Isı İletim Yasası

Isı geçişi üç farklı biçimde gerçekleşebilir: iletim (kondüksiyon), taşınım (konveksiyon) ve ışınım (radyasyon). Sözü edilen ısı geçiş yollarının ayrıntılı incelenmesi, ısı transferi dersinin kapsamındadır. Aşağıda okuyucuya ısı geçişinin temel kavramlarını ve mekanizmalarını tanıtmak amacıyla kısa bir bilgi verilmiştir. Hangi yolla gerçekleşirse gerçekleşsin ısı geçişi bir sıcaklık farkının olmasını gerektirir ve her zaman ısı geçişinin yönü yüksek sıcaklıktaki ortamdan, düşük sıcaklıktaki ortama doğrudur.

İletim, bir maddenin, enerjisi daha fazla olan moleküllerinden yakındaki diğer moleküllere, moleküller arasındaki etkileşim sonucunda enerji geçişidir. İletim katı, sıvı veya gaz ortamlarda gerçekleşebilir. Sıvılarda ve gazlarda iletim, moleküllerin rastgele hareketleri sırasında birbirleriyle çarpışmaları sonucunda oluşur. Katilarda ise moleküllerin sabit düzen içindeki titreşimleri ve serbest elektronların hareketleri sonucunda gerçekleşir. Sıcak bir odadaki soğuk gazoz kutusu oda sıcaklığına gelirken, havadan gazoza alüminyum’dan iletimle ısı geçişi olur.

ısı geçişi

Δx kalınlığında bir tabakadan birim zamanda iletimle geçen ısı Qiletim, sıcaklık farkı ΔT ve ısı geçişine dik alan A ile doğru orantılı, tabakanın kalınlığıyla da ters orantılıdır. Bu, deneylerle gözlenebilen bir olgudur. Böylece alttaki ifade yazılabilir (Şekil 1).

Şekil 1
Şekil 1

Burada orantı sabiti kt, maddenin iletim katsayısıdır. İletim katsayısı maddenin ısı iletme yeteneğinin bir ölçüsüdür. Bakır ve gümüş gibi elektriği iyi ileten maddeler aynı zamanda ısıyı da iyi iletirler ve bu nedenle yüksek kt değerleri vardır. Lastik, tahta, cam-yünü gibi maddeler ısıyı iyi iletmezler ve bu nedenle k, değerleri düşüktür.

Δx → 0 durumunda, yukarıda verilen denklem bir diferansiyel denkleme dönüşür (Şekil 2).

Şekil 2
Şekil 2

Bu denklem Fourier Isı İletim Yasası diye bilinir ve verilen bir yöndeki ısı iletiminin o yöndeki sıcaklık gradyanıyla orantılı olduğunu belirtir. Isı, sıcaklığın azaldığı yönde iletilir. Artan x değerleri için sıcaklık azalıyorsa, sıcaklık gradyanı eksi değere sahip olacaktır.

Sıcaklık bir maddenin moleküllerinin kinetik enerjisinin ölçüsüdür. Sıvı veya gazlarda, moleküller gelişigüzel hareketlerinin yanı sıra eksenleri çevresinde dönerler ve titreşimde bulunurlar. Kinetik enerjileri farklı olan iki molekül çarpıştığı zaman, daha çok enerjisi olan (daha yüksek sıcaklıktaki) molekülün kinetik enerjisinin bir bölümü daha az enerjisi olan (daha düşük sıcaklıktaki) moleküle geçer. Buna benzer bir örnek iki elastik topun çarpışması sırasında görülür, hızlı topun kinetik enerjisinin bir bölümü yavaş hareket eden topa geçer ve onu hızlandırır.

Katı cisimlerde ise ısı iletimi iki etkiye dayanır: Bunlardan birincisinde enerji geçişi, latis adı verilen sabit molekül düzeni içinde moleküllerin titreşimlerinden kaynaklanan titreşim dalgaları sonucunda gerçekleşir. ikinci olarak, enerji geçişi elektronların katı cisim içindeki serbest hareketleri sonucunda gerçekleşir. Isıl iletkenliğin birinci etkene dayalı bölümü moleküllerin latis içindeki yerleşimine bağlıdır. Örneğin, moleküllerin düzenli kristaller oluşturduğu elmasın ısıl iletkenliği, Çizelge 3-1’den görülebileceği gibi saf metallerin ısıl iletkenliklerinden çok daha yüksektir.

Taşınım, katı bir yüzeyle onun temas ettiği akışkan bir ortam arasında gerçekleşen ısı geçişidir. İletimin ve akışkan hareketinin ortak sonucu olarak gerçekleşir. Akışkan hareketi daha hızlı olduğu zaman taşınımla ısı geçişi de daha çoktur. Akışkan eğer hareketsizse, bu durumda katı yüzeyle temas ettiği akışkan arasında sadece iletimle ısı geçişi olur. Akışkan hareketinin varlığı ısı geçişini artıran bir etkendir, fakat aynı zamanda ısı geçişinin hesaplanmasını zorlaştırır.

Birim zamanda taşınımla ısı geçişi Qtaşınım, Newton’un Soğutma Yasası adı verilen bağıntıyla ifade edilir.

Newton’un Soğutma Yasası

Burada h, taşınım katsayısı; A, ısı geçişinin olduğu yüzey alanı; Ts , yüzey sıcaklığı; Tf ise akışkanın yüzeyden uzaktaki sıcaklığıdır. Yüzeye temas eden akışkanın sıcaklığı, katı yüzeyin sıcaklığına eşittir.

Taşınım katsayısı h, akışkanın bir özeliği değildir. Taşınım katsayısı deneysel olarak belirlenen bir parametredir ve değeri yüzey geometrisi, akışın niteliği, akışkanın özelikleri ve akış hızı gibi taşınımı etkileyen birçok değişkene bağlıdır. Uygulamada karşılaşılan bazı h değerleri aşağıda W/(m2 • K) birimlerinde verilmiştir.

Taşınım katsayısı

Işınım, maddenin atom veya moleküllerinin elektron düzeninde olan değişmeler sonucunda yayılan elektromanyetik dalgalar veya fotonlar aracılığıyla gerçekleşen enerji aktarımıdır. İletim ve taşımından farklı olarak, ışınımla ısı geçişi cisimler arasında boşluk olması durumunda da vardır. Işınımla ısı geçişi ışık hızında gerçekleşir ve vakumda ışınım akışında hiçbir azalma olmaz. Güneş enerjisinin yeryüzüne erişimi ışınıma güzel bir örnektir.

Düşünceleriniz Nedir?

Lütfen yorumunuzu buraya yazınız.
Lütfen isminizi buraya yazını.