Isı ve Sıcaklık-3: Enerji İletim Yolları ve Genleşme

Previous: Isı ve Sıcaklık-2: Özısı, Isı sığası, Hal değişimi
Next: -

Enerji İletim Yolları

Isı bir yerden başka bir yere iletim, konveksiyon ve ışıma olmak üzere üç yolla iletilir.

İletim

Madde taneciklerinin ısıyı birbirine aktarmasına ısının iletim yoluyla aktarılması denir.
İletim ile ısı aktarımı ancak taneciklerin birbirine çok yakın olduğu, katı haldeki maddelerde gerçekleşir.
- Sıvı ve gaz haldeki maddelerde bu durum ihmal edilecek kadar azdır.

Konveksiyon

Isının konveksiyon yoluyla aktarılması ısı enerjisi yüksek taneciklerin düşük taneciklerle yer değiştirmesi şeklinde gerçekleşir.

Konveksiyon yoluyla ısı aktarımı sıvı ve gazlarda gözlemlenir.
Sıcaklığı artan madde moleküllerinin hacminin genişlemesi sonucunda özkütleleri azalır. Sıcak ve özkütlesi düşük moleküller ile soğuk ve özkütlesi büyük moleküller yer değiştirerek ısı aktarımı gerçekleşir.

Işıma

Isının ışınlarla (elektromanyetik dalgalarla) yayılmasına ışıma yoluyla yayılma denir. Her cisim elektromanyetik ışıma yapar. Bu ışımalar elektromanyetik spektrumda kızılötesi bölgesine karşılık gelir ve bu bölgedeki ışımalar gözle algılanamaz.

Işık boşlukta yayıldığı için ısı da boşlukta ışıma yoluyla aktarılabilir.
Güneşin dünyayı ısıtması ışıma yoluyla gerçekleşir.

Sıcaklıkları farklı olan aynı ortamdaki maddeler arasında ışıma yolu ile ısı iletimi mutlaka olur. Genelde, ısının yayılma yolları ile ilgili sorgulanan olay ise ısının muhtemel yollardan hangisi ile en etkin yayıldığıdır.

Işıma yapan ocak alevi, ısıyı ışıma yolu ile yayarken ısının çaydanlık tabanı ısıyı suya iletme yolu ile aktarır. Isınan su ve oluşan buhar ise taneciklerinin hareket etmesinden dolayı ısıyı konveksiyon yolu ile aktarır. Yine bir katı olan çaydanlık sapı da ısıyı iletim yolu ile aktarır.

Enerji İletim Hızı

Isı, sıcaklığı yüksek olan sistemden düşük olan sisteme doğru akar. Günlük hayatta ısının, bzen hızlı aktarılması istenirken bazı durumlarda da enerji kaybı olduğu için ısının yayılması istenmez.

Her madde yapısal özelliklerine göre, farklı enerji aktarım hızlarına sahiptir.
Katı maddelerde ısı iletim hızı; maddenin yüzey alanına, kalınlığına, iki yüzey arasındaki sıcaklık farkına ve maddenin cinsine bağlıdır.

Isı iletim hızı; kullanılan malzemenin kesit alanı (A), iç-dış yüzeyler arasındaki sıcaklık farkı (\(\Delta T=|T_{diş}-T_{iç}|\)) ve malzemenin ısı iletim katsayısı ile doğru orantılı, kullanılan malzemenin kalınlığı ile ters orantılıdır.

Isı iletim katsayısı (k) maddenin cinsine bağlıdır. Birimi, \(W/m.K\) (watt/metre.kelvin) dır. İletim katsayısı maddeler için ayırt edici özelliktir.

ISO ve CEN standardına göre ısı iletim katsayısı 0,065 değerinden küçük olan malzemeler ısı yalıtım malzemesi olarak tanımlanır.

Isı Yalıtımı

Enerji kaynaklarının azalması, ısı tasarrufunu zorunlu hale getirmiştir.

Isı tasarrufu için ısı yalıtım malzemeleri kullanılır.
Isı iletim katsayısı düşük olan maddelerin ısı iletim hızı da düşüktür.

Palto, kaban gibi kışın kullanılan giyisiler bizi ısıtmaz. Çünkü bunlar ısı kaynağı değildir. Bu giyisiler soğuk hava ile vücudumuz arasında ısı yalıtımı sağlar. Vücudumuzla hava arasındaki ısı iletim hızını azaltırlar.

Siyah renk ışığı soğurup daha fazla ısınırken, beyaz renkten ışık daha fazla seker ve kumaş daha az ısınır.

Hissedilen Sıcaklık

Hissedilen sıcaklık, termometrenin ölçtüğü hava sıcaklığından farklı olarak insan vücudunun hissettiği sıcaklıktır. Bu sıcaklığın değeri;

Havanın gerçek sıcaklığı
Nem oranı
ve rüzgara bağlı bir niceliktir.

Bu nicelik ölçülmez, sıcaklık ve nem oranı kullanılarak hesaplanır.

Küresel Isınma

Sera etkisi sebebiyle dünya yüzeyinin ortalama sıcaklığının artmasıdır.

Atmosferde çeşitli gazların birikmesi sonucunda güneş ışınlarının atmosferde uzun süre hapsolmasından kaynaklanır.

Küresel ısınma, okyanusların ısınması, buzulların erimesi, yağış olaylarının artması gibi ekosistemi bozan birçok etkiye sebep olur. Son yıllarda meydana gelen iklim değişikliklerinin çoğunluğu insan kaynaklıdır.

Genleşme

Sıcaklığı artan maddelerin tanecikleri birbirinden uzaklaşır ve bu durum maddede hacim artışına sebep olur. Isı alan maddelerin hacimlerinde meydana gelen bu artışa genleşme denir.

Sıcaklığı artan pek .ok madde, bazı istisnalar dışına genleşir.
Isı veren maddelerin hacimlerinde meydana gelen azalmaya büzülme denir.
Köprülerde ve tren raylarında, bazı kısımlarda boşluk bırakılmasının nedeni genleşmedir. Raylar arasında boşluk bırakılmazsa çok sıcak havalarda genleşme sonrası rayların şekli bozulur.
Elektrik telleri, yazın, genleşmenin etkisi ile bir miktar daha aşağı doğru sarkar.

Genleşmenin Bağlı Olduğu Değişkenler

Cisimlerin genel anlamda genleşme miktarı; maddenin cinsine, sıcaklık değişimine ve madde miktarına bağlıdır.

Bütün maddeler üç boyutta (hacimce) genleşir. Bununla birlikte genleşme genel olarak; tel biçimindeki cisimler için boyca uzama, levha biçimindeki cisimler için yüzeyce genleşme olarak incelenir.

Termal genleşme olayında genleşen maddenin cinsine bağlı olarak genleşme miktarı "genleşme katsayısı" ile ifade edilir.

Genleşme katsayısının birimi "1/Kelvin" (1/K) dir.
Tellerin boyca uzama miktarı; telin ilk boyu, telin yapıldığı maddenin cinsi ve sıcaklık değişimi ile doğru orantılıdır.
Metal çiftleri, uzama katsayıları farklı olan metallerden oluştuğu için bu çiftin sıcaklığı artırıldığında bir tarafa bükülürken, sıcaklığı azaltıldığında ters tarafa bükülür.

Diş dolgularında kullanılan dolgu malzemeleri, genleşme katsayısı dişlerinkine eşit olacak şekilde üretilen bir maddeden yapılır. Böylece sıcak yiyecek ve içecekler ağıza alındığında dişlerin ve diş dolgularının genleşmeleri eşit düzeyde olduğundan dişlerin çatlaması ya da dolguların çıkması önlenmiş olur.

Ortamın sıcaklığını sabit tutmak ve aşırı ısınmaya karşı cihazları korumak amacıyla geliştirilmiş olan düzeneklere termostat denir. Termostatlar; fırın, saç kurutma makinesi, buzdolabı, klimalar ve ısıtıcılar gibi pek çok sistemde kullanılmaktadır.

Genleşme durumunda her uzunluk orantılı olarak büyür. Büzülme durumunda ise orantılı olarak küçülür. Bu durum fotokopik büyültme ve küçültme gibi düşünülebilir

Genleşme ve büzülmede açı değerleri değişmez.

Sıvıların Genleşmesi

Sıvıların genleşme miktarı da sıvının ilk hacmine, genleşme katsayısına yani sıvının cinsine ve sıcaklık değişimine bağlıdır.

Sıvıların genleşme katsayıları sıvılar için ayırt edici bir özelliktir.

Suyun Genleşmesi

Su en küçük hacme +4 derece celcius da sahiptir.
4 derecedeki suyun sıcaklığı azaltılsa da artırılsa da hacmi artar.
Özkütle ile hacim ters orantılı olduğu için su en büyük özkütleye 4 derecede sahiptir.

Gazların Genleşmesi

Bütün gazların genleşme katsayısı eşit olduğundan genleşme katsayısı gazlar için ayırt edici değildir.
Sabit hacimli bir kaptaki gazın sıcaklığı artırıldığında gaz genleşmez, basıncı artar.

Katıların genleşme katsayısı sıvılarınkinden, sıvılarınki de gazlarınkinden küçüktür.

Bir kaptaki sıvı ısıtılmaya başlandığında ısıyı önce kap alır, genleşir ve kaptaki sıvı seviyesi düşer. Kap ile sıcı arasında ısıl denge sağlandığında ise sıvı seviyesi ilk seviyeye göre yükselmiş olur.

Enerji İletimi ve Genleşmenin Günlük Hayattaki Ve Teknolojideki Yeri

Isı iletiminin önemli olduğu alanlarda ısı iletim katsayısı yüksek malzemeler, ısı yalıtımının önemli olduğu alanlarda ısı iletim katsayısı düşük malzemeler kullanılır.
Köprüler genleşme ve büzülme prensibi göz önünde bulundurularak tasarlanır. Sıcaklık değişikliklerine karşı mukavemet sağlamak için genleşme derzleri kullanılır. Bu derzler, sıcaklık arttığında köprünün genleşmesini ve soğduğunda büzülmesini sağlar.
Uzay araçları da genleşme prensibini göz önünde bulundurarak tasarlanır. Uzayda çok düşük sıcaklıklara ve atmosfer içerisindeyken çok yüksek sıcaklıklara maruz kalabilirler. Bu sıcaklık değişikliklerini tolere edebilmek için genleşme ve büzülme özelliklerine sahip malzemeler kullanılır.