ISI TRANSFERI: YASALAR, ILETIM BIÇIMLERI, ÖRNEKLER - FIZIKSEL - 2025

Orada ısı transfer enerjisi ikisi arasındaki sıcaklık farkından bir gövdeden bir gider. Isı transferi işlemi, temas halindeki cisimlerin sıcaklıkları eşitlendiğinde veya aralarındaki temas ortadan kalktığında durur.

Belirli bir süre içinde bir vücuttan diğerine aktarılan enerji miktarına transfer edilen ısı denir. Bir vücut diğerine ısı verebilir veya onu emebilir, ancak ısı her zaman en yüksek sıcaklığa sahip vücuttan en düşük sıcaklığa sahip vücuda gider.

Şekil 1. Bir şenlik ateşinde ısı transferinin üç mekanizması vardır: iletim, konveksiyon ve radyasyon. Kaynak: Pixabay.

Isı birimleri enerjininkiyle aynıdır ve uluslararası ölçüm sisteminde (SI) joule (J) 'dir. Sık kullanılan diğer ısı birimleri kalori ve BTU'dur.

Isı transferini yöneten matematiksel yasalara gelince, bunlar değişime dahil olan mekanizmaya bağlıdır.

Isı, bir vücuttan diğerine iletildiğinde, ısı alışverişinin hızı, sıcaklık farkı ile orantılıdır. Bu, Newton'un soğuma yasasına götüren Fourier'in termal iletkenlik yasası olarak bilinir.

Isı iletim formları / mekanizmaları

İki vücut arasında ısının değiş tokuşunun yapılabileceği yollar bunlar. Üç mekanizma tanınır:

-Sürme

-Konveksiyon

-Radyasyon

Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi bir tencerede şu üç ısı transfer mekanizması vardır:

-Tencere içindeki metal esas olarak iletim yoluyla ısıtılır.

-Su ve hava ısıtılır ve konveksiyonla yükselir.

-Tencerenin yakınındaki insanlar yayılan radyasyonla ısıtılır.

Sürme

Isı iletimi çoğunlukla katılarda ve özellikle metallerde meydana gelir.

Örneğin mutfaktaki soba, tencere içindeki yiyeceğe tabandaki metal ve kabın metal duvarları vasıtasıyla iletim mekanizmasıyla ısı iletir. Isıl iletimde malzeme taşınması yoktur, sadece enerji vardır.

Konveksiyon

Konveksiyon mekanizması sıvılar ve gazlar için tipiktir. Bunlar, daha yüksek sıcaklıklarda hemen hemen her zaman daha az yoğundur, bu nedenle, daha sıcak akışkan bölümlerinden daha soğuk akışkan bölümlerine sahip daha yüksek bölümlere yukarı doğru bir ısı aktarımı söz konusudur. Konveksiyon mekanizmasında malzeme taşınması vardır.

Radyasyon

Radyasyon mekanizması, temas halinde olmadıklarında bile iki gövde arasında ısı alışverişine izin verir. Hemen örnek, aralarındaki boşluktan Dünya'yı ısıtan Güneş'tir.

Tüm vücutlar elektromanyetik radyasyon yayar ve emer. Vakumda bile olsa farklı sıcaklıklarda iki bedeniniz varsa, bir süre sonra elektromanyetik radyasyonla ısı alışverişi nedeniyle aynı sıcaklığa ulaşacaklardır.

Isı aktarım hızı

Denge termodinamik sistemlerinde, çevre ile değiş tokuş edilen toplam ısı miktarı önemlidir, böylece sistem bir denge durumundan diğerine geçer.

Öte yandan, ısı transferinde ilgi, sistemler henüz termal dengeye ulaşmadığında geçici fenomene odaklanır. Isı miktarının belirli bir süre içinde değiş tokuş edildiğine, yani bir ısı transfer hızı olduğuna dikkat etmek önemlidir.

Örnekler

- Isı iletimi örnekleri

Isıl iletkenlikte, ısı enerjisi, ister katı, ister sıvı veya gaz olsun, malzemenin atomları ve molekülleri arasındaki çarpışmalar yoluyla iletilir.

Katılar, gazlardan ve sıvılardan daha iyi ısı iletkenleridir. Metallerde, metalin içinde hareket edebilen serbest elektronlar vardır.

Serbest elektronlar büyük hareket kabiliyetine sahip olduklarından, çarpışmalar yoluyla kinetik enerjiyi daha verimli bir şekilde iletebilirler, bu nedenle metaller yüksek termal iletkenliğe sahiptir.

Makroskopik bir bakış açısıyla, termal iletkenlik, birim zamanda aktarılan ısı miktarı veya kalori akımı H olarak ölçülür:

Şekil 2. Bir çubuk boyunca ısı iletimi. Fanny Zapata tarafından hazırlanmıştır.

Kalorik akım H, A alanının enine kesiti ve boylamasına mesafe birimi başına sıcaklıktaki değişim ile orantılıdır.

Bu denklem Şekil 2'deki gibi bir çubuğun kalori akımını H hesaplamak için uygulanır; bu, sırasıyla T ₁ ve T ₂ sıcaklıklarının iki rezervuarı arasındadır , burada T ₁ > T ₂ .

Malzemelerin ısıl iletkenlikleri

Aşağıda, kelvin başına metre başına watt cinsinden bazı malzemelerin termal iletkenlik listesi bulunmaktadır: W / (m. K)

Alüminyum -------- 205

Bakır --------- 385

Gümüş ---------- 400

Çelik ---------– 50

Mantar veya Fiberglas - 0.04

Beton veya cam ----- 0.8

Ahşap ----- 0,05 ila 0,015

Hava --------– 0,024

- Konveksiyon ısısı örnekleri

Isı konveksiyonunda, farklı sıcaklıklarda farklı yoğunluklara sahip olan sıvının hareketi nedeniyle enerji aktarılır. Örneğin su bir tencerede kaynatıldığında dibe yakın su ısısını artırarak genişler.

Bu genleşme sıcak suyun yükselmesine neden olurken, soğuk su yükselen sıcak suyun bıraktığı boşluğu doldurur. Sonuç, tüm seviyelerin sıcaklıkları eşitlenene kadar devam eden bir sirkülasyon hareketidir.

Konveksiyon, Dünya atmosferindeki büyük hava kütlelerinin hareketini belirleyen ve ayrıca deniz akıntılarının dolaşımını belirleyen şeydir.

- Radyasyon ısısı örnekleri

İletim ve konveksiyon ile ısı iletim mekanizmalarında, iletilecek ısının olması için bir malzemenin varlığı gerekir. Buna karşılık, radyasyon mekanizmasında ısı, bir vücuttan diğerine vakum yoluyla geçebilir.

Bu, Güneş'in Dünya'dan daha yüksek bir sıcaklıkta, enerjiyi doğrudan uzay boşluğu yoluyla gezegenimize ilettiği mekanizmadır. Radyasyon bize elektromanyetik dalgalardan gelir.

Tüm malzemeler elektromanyetik radyasyon yayabilir ve emebilir. Yayılan veya soğurulan frekansın maksimum değeri malzemenin sıcaklığına bağlıdır ve bu frekans sıcaklıkla artar.

Siyah bir cismin emisyon veya absorpsiyon spektrumundaki baskın dalga boyu, baskın dalga boyunun vücut sıcaklığının tersi ile orantılı olduğunu belirten Wien'in yasasını izler.

Öte yandan, bir cismin elektromanyetik radyasyonla ısı enerjisi yaydığı veya emdiği güç (watt cinsinden) mutlak sıcaklığın dördüncü gücü ile orantılıdır. Bu Stefan'ın yasası olarak bilinir:

P = εAσT ⁴

Yukarıda ifade σ Stefan sabitidir ve değeri 5.67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A, cismin yüzey alanıdır ve material, değeri 0 ile 1 arasında olan ve malzemeye bağlı olan boyutsuz bir sabit olan malzemenin salım gücüdür.

Egzersiz çözüldü

Şekil 2'deki çubuğu düşünün. Çubuğun 5 cm uzunluğunda, 1 cm yarıçapında ve bakırdan yapıldığını varsayalım.

Çubuk, sıcaklığını sabit tutan iki duvar arasına yerleştirilmiştir. İlk duvarın sıcaklığı T1 = 100ºC, diğeri ise T2 = 20ºC'dir. Belirleyin:

a.- Termik akımın değeri H

b.- T1 sıcaklığının duvarından 2 cm, 3 cm ve 4 cm yükseklikteki bakır çubuğun sıcaklığı.

Çözüm

Bakır çubuk, duvarları her zaman aynı sıcaklığı koruyan iki duvar arasına yerleştirildiği için sabit durumda olduğu söylenebilir. Başka bir deyişle, termal akım H herhangi bir an için aynı değere sahiptir.

Bu akımı hesaplamak için, mevcut H'yi sıcaklık farkı ve çubuğun uzunluğu ile ilişkilendiren formülü uygularız.

Kesit alanı:

A = πR ² = 3.14 * (1 x 10 ^-2 m) ² = 3.14 x 10 ^-4 m ²

Çubuğun uçları arasındaki sıcaklık farkı

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10 ^-2 m

H = 385 W / (m K) * 3.14 x 10 ^-4 m ² * (80K / 5 x 10 ^-2 m) = 193.4 W

Bu akım, sabit duruma ulaşıldığından beri çubuğun herhangi bir noktasında ve herhangi bir anda aynıdır.

Çözüm b

Bu bölümde, T ₁ duvarından Xp uzaklıkta bulunan bir P noktasında Tp sıcaklığını hesaplamamız istenir .

P noktasında H kalorik akımını veren ifade:

Bu ifadeden, Tp şu şekilde hesaplanabilir:

Sırasıyla 2 cm, 3 cm ve 4 cm konumlarında Tp sıcaklığını sayısal değerleri değiştirerek hesaplayalım:

• Tp = 340.6K = 67.6 ° C; T1'den 2 cm
• Tp = 324.4K = 51.4 ° C; T1'den 3 cm
• Tp = 308,2 K = 35,2 ° C; T1'den 4 cm

Referanslar

1. Figueroa, D. 2005. Seri: Bilimler ve Mühendislik için Fizik. Cilt 5. Akışkanlar ve Termodinamik. Douglas Figueroa (USB) tarafından düzenlendi.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizik: Dünyaya Bir Bakış. 6. kısaltılmış baskı. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Mühendisler için Genel Fizik. USACH.
4. Mott, R. 2006. Akışkanlar Mekaniği. 4. Baskı. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Doğal Çevrenin Ölçülmesi. 2. Baskı. Cambridge University Press.
6. Vikipedi. Termal iletkenlik. Kurtarıldı: es.wikipedia.com