Isı Transferi Nedir ? Çeşitleri Nelerdir ?
Gelişmelerden haberdar olmak için bizi Google Haberler'den takip edin!
Isı Transferi Nedir ?
Isı transferi , iki sistem arasında ısının yayılarak değiş tokuş edilmesi ile oluşan fiziksel termal enerjidir. Sıcaklık ve ısı akışı kavramları, ısı transferinin iki temel prensibidir. Mevcut termal enerji miktarı sıcaklık tarafından belirlenir ve ısı akışı termal enerjinin hareketini temsil eder.
Mikroskobik boyutta incelendiğinde, moleküllerin kinetik enerjisi direkt olarak termal enerji ile ilişkilidir. Sıcaklık yükseldikçe, moleküllerin doğrusal hareketi ve titreşimi ile ortaya çıkan termal çalkalanma artar. Böylelikle, daha yüksek kinetik enerjinin oluştuğu bölgeler, enerjiyi daha düşük kinetik enerjiye sahip noktalara aktarır. Isı transferi, basit bir şekilde 3 kategoride sınıflandırılabilir: kondüksiyon (iletim), konveksiyon (taşınım) ve radyasyon (ışınım).
Isı Transferi Çeşitleri
Kondüksiyon
İletim yolu ile ısı transferi moleküllerin doğrudan birbiri ile çarpışması sonucu oluşur. Daha yüksek enerjiye sahip bir kinetik enerji alanı, enerjiyi daha düşük bir kinetik enerji alanına transfer eder. Daha yüksek hızdaki parçacıklar, daha düşük hızdaki parçacıklar ile çarpışır. Bunun ile birlikte, düşük hızdaki parçacıkların kinetik enerjisi artar. İletim, en yaygın ısı transferi yöntemidir ve fiziksel temas yolu ile gerçekleşir. Örnek olarak, bir metal eşyayı yanan bir ateşin üzerine yerleştirmek olabilir.
Isı iletimi şu faktörlere bağlıdır: sıcaklık eğimi, enine malzeme kesiti, hareket yolunun uzunluğu ve malzemenin özellikleri. Sıcaklık eğimi, ısının hareket yönünü ve oranını tanımlayan fiziksel miktardır. Sıcaklık akışı, daima en sıcaktan en soğuğa veya daha öncede belirttiğimiz gibi daha yüksek kinetik enerjiden daha düşük kinetik enerjiye doğru gerçekleşir. İki sıcaklık farkı (en sıcak, en soğuk) arasında termal denge meydana geldiğinde, ısı transferi durur.
Enine malzeme kesiti ve hareket yolunun uzunluğu, ısı transferi’nde önemli bir rol oynar. Bir malzemenin boyutu ve uzunluğu ne kadar büyük ise, o malzemeyi ısıtmak için gerekli olan enerji miktarı da buna bağlı olarak artmaktadır. Ayrıca, ısıya maruz kalan yüzey alanı ne kadar geniş ise, ısı kaybı da o kadar fazla olur. Bu yüzden, küçük kesitli ufak nesneler, minimum ısı kaybına sahiptirler.
Fiziksel özellikler, malzemelerin hangisinin ısıyı daha iyi transfer ettiğini belirler. Spesifik olarak, ısı iletim katsayısı, bir metal malzemenin ısıyı bir kumaştan daha iyi ileteceğini ortaya koymaktadır. Aşağıdaki denklemde görüleceği üzere ısı iletim katsayısı hesaplanabilir:
Q = [k x A x (Thot – Tcold)]/d
Q=Birim zaman başına transfer edilen ısı miktarı
k= Isı transferi iletim katsayısı
A= Isı transferi yüzey alanı
Thot= Sıcak bölgenin sıcaklığı
Tcold=Soğuk bölgenin sıcaklığı
d=Malzemenin kalınlığı ifade etmektedir.
Konveksiyon
Hava veya sıvı bir akışkan ısıtıldıktan ve daha sonra ısı kaynağından uzaklaştıktan sonra, bununla birlikte termal enerjide taşınır. Bu ısı transferi çeşidine konveksiyon (taşınım) adı verilir. Sıcak bir yüzey üzerinde bulunan sıvı genişler, daha az yoğunlaşır ve yükselir.
Moleküler düzeyde bakıldığında, moleküller termal enerjiye maruz kaldıklarında genişlerler. Sıvı kütlenin sıcaklığı arttıkça, buna doğru orantılı olarak sıvının hacmi de artmaktadır. Akışkan üzerindeki bu etki yer değiştirmeye neden olmaktadır. Ani bir şekilde yükselen sıcak hava, daha yoğun ve soğuk olan havayı bastırır. Bu olayların sonucunda konveksiyon akımların nasıl oluştuğu gözlemlenebilir. Konveksiyon ısı iletimi ile birim zamanda elde edilen ısı transferi miktarı aşağıdaki denklem ile hesaplanabilir:
Q = hc x A x (Ts – Tf)
Q=Birim zaman başına transfer edilen ısı miktarı
hc= Taşınım ile ısı transferi katsayısı
A= Isı transferi yüzey alanı
Ts= Yüzey sıcaklığı
Tf=Akışkanın sıcaklığını ifade etmektedir.
Radyasyon
Radyasyon ile ısı transferi, elektromanyetik dalgaların yayınımı ile oluşur. Bu dalgalar, enerjiyi yayıldığı nesneden uzaklara taşırlar. Radyasyon, bir vakum veya herhangi bir şeffaf ortam (katı veya sıvı) yoluyla meydana gelir. Termal radyasyon, madde içerisinde bulunan atom ve moleküllerin yaptığı rastgele hareketlerin doğrudan sonucudur. Yüklü protonların ve elektronların hareketleri, elektromanyetik dalgaların yayılmasına neden olur.
Tüm malzemeler sıcaklıklarına göre termal enerji yaymaktadırlar. Malzeme ne kadar sıcaksa, o kadar çok termal enerji yayar. Güneş, güneş sistemi boyunca ısıyı yayan bir ısı radyasyonu örneğidir. Normal oda sıcaklığında, cisimler kızılötesi dalgalar olarak yayılırlar. Cisimlerin sıcaklıkları, yayılan dalga boyunu ve frenkansı üzerinde de bir etkiye sahiptir. Sıcaklık arttıkça, yayılan radyasyonun dalga boyları azalmaktadır ve böylelikle daha yüksek frekanslı daha kısa dalga boyları yayılır. Termal radyasyon Stefan-Boltzman yasası ile hesaplanabilir:
P = e x σ x A x (Tr4 – Tc4)
P=Toplam güç
e= Yayılabilme katsayısı
σ= Boltzmann sabiti
A= Radyasyon yüzey alanı
Tr= Radyasyon yayan nesne sıcaklığı
Tc=Çevrenin sıcaklığı
İdeal bir cismin yayılabilme katsayı değeri 1’dir. Genel malzemeler düşük yayınım katsayısına sahiptirler. Eloksallı alüminyum 0,9’luk bir emisyon değerine sahipken, bakır ise 0,04’üne sahiptir.
Güneş pili veya fotovoltaik güneş hücreleri, ışığın enerjisini fotovoltaik etki yoluyla elektrik enerjisine dönüştürmektedir. Emilen ışık ile birlikte elektronlar daha yüksek bir enerjiye uyarılır ve elektrik enerjisi, yüklerin ayrılması ile birlikte elde edilir. Son yıllarda güneş panellerinin verimliliği artmaktadır. Elon Musk tarafından kurulan bir şirket olan SolarCity firmasının üretmiş olduğu güneş panellerinin verimi %22’dir.
Isı transferi hayatımızın her noktasında bulunmakla birlikte farklı formlarla birlikte iletilebilmekte, taşınabilmekte ve yayına bilmektedir. Bu yazımızda sizlere ısı transferi ve çeşitlerini anlatmaya çalıştık.
Kaynak: MachineDesign
