Isı transferinin gerçekleştiği iletişim, taşınım (konveksiyon) ve radyasyon yöntemleri nedir? Katı, sıvı ve gazlarda ısı transferi nasıl gerçekleşir?
Isı Transferi
Sıcaklık ve ısı
Sıcaklık ve ısı aynı şey değildir çünkü:
- sıcaklık bir şeyin ne kadar sıcak olduğunun bir ölçüsüdür;
- Isı, bir nesnede bulunan termal enerjinin bir ölçüsüdür;
- Sıcaklık ºC cinsinden ölçülür;
- Isı enerjisi J cinsinden ölçülür.
Isı enerjisi iletim, konveksiyon veya radyasyon yoluyla akabilir. Her zaman yüksek sıcaklıktaki bir bölgeden düşük sıcaklıklı bir bölgeye, yani sıcaktan soğuğa doğru akar.
İletim
Metaller ısı enerjisinin iyi iletkenleridir. Metal olmayan ve gazlar genellikle zayıf iletkenlerdir. Kötü iletkenlere yalıtkan denir. Isı enerjisi, bir nesnenin sıcak ucundan soğuk uca iletilir.
Katılarda iletim
- Bir katının atomları kimyasal bağlarla bir arada tutulur.
- Atomlar yerine sabitlenmiştir, ancak titreşimsizdir.
- Bir katının bir kısmı ısı enerjisini emdiğinde, atomlar daha hızlı ve daha büyük genlikte titreşir.
- Bu titreşimler atomdan atoma geçer ve ısı enerjisini bu şekilde aktarırlar.
- Bu işlem ısıtıldığında tüm katılarda olur, ancak yavaş bir işlemdir.
Metallerde iletim
- Bir metal parçasındaki elektronların bazıları atomlarını bırakabilir ve metal içinde serbest elektronlar olarak hareket edebilir.
- Metal atomların geride kalan kısımları artık pozitif yüklü metal iyonlarıdır.
- Serbest elektronlar ısı enerjisini emdiğinde çok daha hızlı hareket ederler.
- Metal boyunca hareket ettikçe, serbest elektronlar metal iyonlarına çarpar.
- Serbest elektronun kinetik enerjisinin bir kısmı iyonlar tarafından emilir ve daha hızlı ve daha büyük bir genlikle titreşir.
- Bu işlem, titreşimleri atomdan atoma geçirmenin neden olduğu iletimden çok daha hızlıdır.
- Bu nedenle, metallerde iletim metal olmayanlara göre daha hızlıdır.
Isı İletimi Nasıl Gerçekleşir?
- İzolatörlerde (metal olmayan) iletim sadece titreşimlerin atomdan atoma geçmesinden kaynaklanır.
- İyi iletkenlerde (metaller) iletim, hızlı hareket eden serbest elektronlar ve metal iyonları arasındaki çarpışmalardan ve titreşimlerin atomdan atoma geçirilmesinden kaynaklanır.
- Hızlı hareket eden serbest elektronlar arasındaki çarpışmalarla iletim, titreşimleri atomdan atoma geçirerek iletimden çok daha hızlıdır.
- Metaller iyi iletkenlerdir çünkü serbest elektron içerirler.
Konveksiyon
Isı konveksiyon ile sıvı veya gazlara aktarılabilir.
Sıvılar
Sıvılar ve gazlar akışkandır, çünkü akabilirler. Bu sıvılardaki parçacıklar bir yerden bir yere hareket edebilir. Konveksiyon, bir sıvı veya gazda çok fazla ısı enerjisine sahip parçacıklar hareket ettiğinde ve daha az ısı enerjisine sahip parçacıkların yerini aldığında meydana gelir.
Bir sıvı içinde konveksiyon
Bir sıvıdaki konveksiyon, bir beher suya bir potasyum permanganat kristali koyarak ve bir Bunsen alevi ile hafifçe ısıtılarak görülebilir.
- Isı başlangıçta beher cam duvarından iletim yoluyla aktarılır.
- Bunsen alevi bölgesindeki su ısıtılır.
- Genişler, daha az yoğunlaşır ve yükselir.
- Yerini çevreleyen daha soğuk, daha yoğun su ile değiştirilir.
- Bu su da ısıtılır, genleşir daha az yoğunlaşır ve yükselir.
- İşlem devam eder, bir konveksiyon akımı ayarlanır ve ısı sıvıdan aktarılır.
Konveksiyon akımları lav lambalarında görülebilir. Lambanın içindeki mum ısınır, sıvıdan daha az yoğun hale gelir ve böylece yükselir.
Bir gazda konveksiyon
- Radyatöre yakın hava ısıtılır.
- Genişler, daha az yoğunlaşır ve yükselir.
- Yerini, etrafını saran soğutucu, daha yoğun hava alır.
- Bu hava da ısıtılır, genişler daha az yoğunlaşır ve yükselir.
- İşlem devam eder, bir konveksiyon akımı ayarlanır ve ısı havadan ve dolayısıyla odadan aktarılır.
Konveksiyon akımları sıcak hava balonlarının yükselmesini sağlar ve ayrıca alt katta değil üst kattaki evlerde neden daha sıcak olduğunu açıklar. Rüzgarlarımızın çoğu havada büyük ölçekte meydana gelen konveksiyon akımlarından kaynaklanır.
Birçok okyanus akıntısı da konveksiyon akımlarından kaynaklanmaktadır.
Radyasyonla ısı transferi
Isı kızılötesi ışıma ile aktarılabilir. Kızılötesi radyasyon, parçacıkların titreşimine veya hareketine ihtiyaç duyan iletim ve konveksiyonun aksine, bir tür elektromanyetik radyasyondur. Kızılötesi radyasyon bir nesne tarafından emildiğinde ısıtılır ve sıcaklığı artar.
Parçacıklar dahil olmadığından, radyasyon uzayın boşluğundan geçebilir. Bu yüzden Dünya’dan 150 milyon km uzakta olmasına rağmen Güneş’in ısısını hala hissedebiliyoruz.
Isı radyasyonu araştırması
Kızılötesi radyasyonun sıcak bir nesneden daha soğuk bir ortama aktarılması Leslie’nin küpü adı verilen bir cihaz kullanılarak araştırılabilir. Bu, dört tarafı farklı şekillerde hazırlanmış metal bir küp: siyah, beyaz, parlak veya donuk. Dört tarafı da aynı sıcaklıkta olacak şekilde sıcak su ile doldurulabilir veya elektrikli bir sıcak plaka üzerinde ısıtılabilir.
Yöntem
- Dört özdeş termometre kullanarak bir Leslie küpünün her iki tarafındaki sıcaklığı sabit bir mesafede ölçün.
- Leslie’nin küpünü kaynar suyla doldurarak ısıtın.
- Beş dakika boyunca sıcaklıkları her 30 saniyede bir ölçmeye ve kaydetmeye devam edin, ardından her bir taraf için x eksenindeki zamana karşı y ekseninde bir sıcaklık grafiği çizin.
- Elde edilen dört grafiği karşılaştırın.
Kontrol değişkenleri
Her termometrenin küpün kenarlarından uzaklığı, kullanılan termometre tipi ve her okuma için geçen süre.
Sonuçlar
- Donuk, siyah tarafın karşısındaki termometrenin sıcaklığı aynı zaman aralığında en yüksek sıcaklığa ulaşır.
- Bundan, koyu mat yüzeylerin ısı enerjisini yaymada açık parlak yüzeylerden daha iyi olduğunu söyleyebiliriz.
Anahtar noktalar
- Koyu mat yüzeyler ısı enerjisini emme konusunda açık parlak yüzeylere göre daha iyidir.
- Koyu mat yüzeyler, ısı enerjisini yaymak için açık parlak yüzeylerden daha iyidir.
- Radyatörler genellikle parlak boya ile boyanır, ancak bunun yerine mat siyah boya ile boyanırlarsa ısı yaymada daha iyi olurlar.
- Daha güzel görünmelerini sağlamak için beyaza boyanırlar.
- Bununla birlikte, isimlerine rağmen, radyatörler aslında ısılarının çoğunu radyasyonla değil, konveksiyonla bir odaya aktarırlar.
- Normalde radyan ısıtıcıların etkili olabilmesi için en az kırmızı sıcak olması gerekir.
Isı transferini azaltmak – insan vücudu
Vücut ısısı oda sıcaklığından daha yüksek olduğu için ısı enerjisi insan vücudundan kaybolur. Bununla birlikte, bu kayıpların azaltılmasının yolları vardır.
Bu bir erkek, kadın ve çocuğun bir termogramıdır. Beyaz ve kırmızı parçalar en sıcak olanıdır ve bu nedenle çoğu ısıyı kaybeder. Turuncu ve yeşil orta sıcaklıkları temsil eder ve mavi ve mor en soğuk kısımlardır.
Her üç insanın kafalarının en sıcak kısımlar olduğunu, ardından da gövdelerinin olduğunu görmek kolaydır. Kolları ve bacakları orta sıcaklık gösterirken, elleri ve ayakları en soğuk bölgeler arasındadır. Bu yerlerde bazen çok soğuk koşullarda donma olur.
Kafamızdaki saçlar ısı kaybını azaltır, çünkü saçlar arasında hava sıkışır. Vücudumuzdan ısı transferini azaltmak için soğuk havalarda eldiven, eşarp, şapka ve termal çorap gibi yalıtım kıyafetleri giyebiliriz.
Ne kadar çok katman giyersek o kadar fazla hava sıkışabilir ve daha sıcak kalacaktır. Yün gibi bazı giysiler mükemmel yalıtkanlardır, çünkü tek tek lifler arasında çok fazla hava tutmaktadırlar.