Isıl Yayınım (Thermal Diffusivity) Nedir ?

İletim ile ısı transferinde karşımıza çıkan bir kavram olan ısıl yayınım,(Thermal Diffusivity), ısının bir malzeme üzerinde ne kadar hızlı yayıldığını gösteren bir kavram ve kat sayıdır. Gelin şimdi bu kavramı inceleyelim.

Isıl Yayınım Nedir ?

Isı transfer uygulamalarında sıklıkla karşımıza çıkan ρ.c_P çarpımı malzemenin ısıl kapasitesi olarak bilinir. Özgül ısı ve ısıl kapasite ρ.c_P malzemenin ısı depolama kapasitesini belirtir. Bu konuyla ilgili yazdığım yazıya buradan ulaşabilirsiniz. 

Birimlere göre kıyaslama yaparsak c_P (J/kg.°C) birim kütle başına ve ρ.c_P ise (J/m³.°C ) birim hacim başına kapasitedir.

Isıl yayınım basitçe özgül ısının, birim hacim başına ısı depolama kapasitesine oranı olarak tanımlanabilir. Bir başka deyişle ısının belirli bir sürede malzeme üzerinde yayıldığı alana ısıl yayınım (Thermal Diffusivity) denir ve “α” ile gösterilir. Birimi ise m²/s ‘dir.

Isıl Yayınım Katsayı Formülü

Zamana bağlı ısı iletim konusundaki bir diğer önemli parametre de ısıl yayınımdır. Isıl yayınım, ısının bir malzeme içerisinde ne kadar hızlı yayıldığını gösteren bir kat sayıdır. Formülü ise;

α = iletilen ısı / depolanan ısı = k/ρ.c_P     (m²/s) 

Bu formülde belirtilen k, bir malzemenin ısıyı ne kadar ilettiğini, ısı kapasite olan ρ.c_P ise malzemenin ısıyı birim hacimde ne kadar depolayabildiğini gösterir.  Bu sebepten dolayı ısıl yayınım, bir malzeme üzerinde iletilen ısının, yine bu malzemenin depolayabildiği ısıya oranıdır.

Maddelerin Isıl Yayınımı

Bir madde ısıyı ne kadar çok iletiyor ve ne kadar az ısı depoluyorsa o malzemenin ısı yayınım katsayısı o kadar yüksektir. Örneğin, bakır ile tahtayı kıyaslayalım. Bildiğiniz gibi bakır iyi bir ısıl iletkendir. Ayrıca ısı depolama kapasitesi de oldukça düşüktür. Bu yüzden ısı yayınımı oldukça yüksektir ve ısıtma ve soğutmanın gerektiği her yerde kullanılır. Ancak tahta için aynı şey söylenemez çünkü tahta kötü bir ısıl iletkendir ayrıca bakıra göre de ısı depolama kapasitesi de yüksektir. Dolayısıyla da ısıl yayınım oldukça düşüktür. Yemek yaparken kullanılan karıştırmak için kullandığımız araçların elimizi yakmaması için tamamının metal olmaması da ısıl yayınımın bir sonucudur.

Tabi ki de bir malzemenin yüksek ısıl iletkenliğe sahip olması o malzemenin ısıl yayınımının yüksek olacağı anlamına gelmez. Çünkü malzemenin birim hacim başına ısı depolama kapasitesi de yüksek olabilir.

Bazı malzemelerin 20 °C’deki ısıl yayınım katsayıları aşağıdaki tablodaki gibidir.

Yukarıdaki tabloya göre ısıl yayınım gümüşte en yüksek değerdedir. Gümüş ayrıca yüksek ısıl iletkenliğe de sahiptir (k=429 W/m.°C). Görüldüğü gibi ısıl yayınım ısıl iletkenlikle doğru, ısı depolama kapasitesiyle ters orantılı olarak değişmektedir.