Ünite 2: Metallerin Isıl İletim Özellikleri

Giriş

Malzemelerin koşulları değiştikçe fiziksel özellikleri de değişir. Malzemeler üzerinde önemli bir etki sıcaklıktır. Bir katı cisim içinde sıcaklık farkları varsa, yüksek sıcaklık bölgesinden düşük sıcaklık bölgesine ısı geçişine ısı iletimi denir. Isıtılan bir malzemenin moleküllerinin kazandığı kinetik enerjiyi, titreşim yoluyla birinden diğerine aktarması şeklinde gerçekleşen yayılma türüdür.

İletim yoluyla yayılma en iyi katılarda, katılar içinde ise metallerde iyidir. Yemek yaparken ısınan metal kaşığın elimizi yakması, iletim yoluyla yayılmanın gerçekleşmesinden kaynaklanmaktadır. Buna göre metaller iyi elektrik ilettikleri gibi aynı zamanda ısıyı da iyi iletirler.

Yapılan uygulamada, metallerde ısı iletimini ele alınmıştır. Metallerde ısı iletiminin malzemeye ve geometrik yapıya nasıl bağlı olduğu incelenmiştir. Isı iletiminin nelere bağlı olduğu hakkında teorik bilgi edindikten sonra, farklı boyutlara sahip metaller ile öğrenilen bilgileri kullanarak uygulama yapma olanağı verilmiştir. Uygulama ile ilgili verilerin ve öğrenilen bilgilerin değerlendirilmesi ile deneyinizi tamamlanmıştır.

Yapacağınız deneyde çalışırken güvenlik önlemlerine dikkat etmeniz gerekir. Kendi güvenliğinizin öncelikli olduğunu unutmayınız. Ünitenin ilgili kısmında detaylıca verilen güvenlik önlemlerini dikkatli bir şekilde okuyarak uygulamaya özen gösteriniz.

Teorik Bilgi

Malzemelerin özeliklerini bilmemiz sınıflandırma yapabilmemiz için önemlidir. Böylece, özelliklerine göre ihtiyaç duyulduğu alanda kullanılabilirler. Malzemelerin ısı etkisi altında nasıl davranış gösterdikleri önemlidir.

Isı bir enerji türüdür. Isıyı bir yerde depolamak oldukça zordur. Bir fincandaki sıcak kahvenin içerisine soğuk bir kaşık koyduğumuzda kaşık ısınırken kahve soğur. Aralarında bir denge kurulur. Her ikisinin sıcaklık değişimine neden olan etkileşim, bir cisimden diğerine olan enerji aktarımıdır. Sadece sıcaklık farklılıklarından kaynaklanan enerji aktarımına ısı akışı veya ısı aktarımı adı verilir ve aktarılan enerjiye ısı denir. Isı aktarımına izin veren ve engel olan malzemeler vardır. Metaller ısıyı iyi ileten malzemelerdir. Yemek pişirmek için kullandığınız tencereye ocaktan daha iyi ısı aktarımı olsun diye metalden yapılmasını tercih edersiniz. Buna karşın, ısının girmesini istemediğiniz durumlarda; örneğin buzdolabında, ısı geçişine direnç gösteren bir malzeme kullanmak istersiniz.

Isı aktarımı için üç yol vardır. Bunlar; iletim (kondüksiyon), taşınım (konveksiyon) ve ışınım (radyasyon) şeklindedir. İletim, bir malzemenin kendi içerisinde ya da temas halinde olan iki malzeme arasında olur. Taşınım, katı bir yüzey ile bir akışkan (sıvı veya gaz) arasındaki ısı transferidir ve kütlenin bir bölgeden başka bir bölgeye hareketine bağlıdır. Işınım, güneş ışığında olduğu gibi elektromanyetik ışıma yoluyla ısı aktarımıdır.

Yapılan uygulamada, metallerde ısı iletimini ele alınmıştır. Metallerde ısı iletimine basit bir örnek; bir bakır çubuğun bir ucunu ısıtıldığı durum verilebilir. Bir bakır çubuğun bir ucu elimizdeyken diğer ucunu aleve tutarsanız, elinizdeki uç alevden uzak olduğu halde gitgide ısınır. Isı soğuk uca bakır çubuk boyunca iletim yoluyla ulaşır. Isı aktarımı yalnızca değişik sıcaklıklara sahip bölgeler arasında olur. Isının akış yönü daima yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru olur.

Metallerde ısı iletiminin sıcaklık farkına, yapıldığı malzemeye ve geometrik yapısına bağlı olarak değiştiği gözlenmiştir. Aynı geometrik yapıya sahip fakat farklı malzemeden yapılmış metallerin ısı iletimleri de farklı olur. Bir diğer deyişle, aynı uzunlukta ve aynı kesit alanına sahip iki metal çubuk farklı malzemelerden yapılmış ise ısı iletimleri farklı olur.

Kesit alanı , uzunluğu olan bir metal çubuğun sol ucu T _H sıcaklığında ve sağ ucu daha düşük T _C sıcaklığında ise (T _H > T _C ), metal çubuk boyunca ısı akışı soldan sağa doğru olur. Metal çubuğun yüksek sıcaklıktaki bir ucundan daha düşük sıcaklıktaki diğer ucuna belirli bir zaman aralığında transfer edilen ısı miktarı denklemi ile ifade edilir. ifadesi ısı transfer hızını temsil eder ve ısı akışı olarak adlandırılır. Sıcak birimi olan değerleri kelvin ölçeğinde girilmelidir. Denklemdeki (lambda) ile gösterilen nicelik, malzemenin ısıl iletkenliği olarak isimlendirilir. Isıl iletkenlik çubuğun yapıldığı malzemeye özgüdür. İletim ile ısı akışı, ısıl iletkenliğin artışı ile artmaktadır. Malzemenin ısıl iletkenliği ne kadar büyükse malzeme ısıyı o kadar iyi iletir. Denklemdeki ifadesi metrekare cinsinden çubuğun kesit alanını ve ifadesi m cinsinden boyunu temsil eder. Yani ısı iletimi malzemenin geometrik yapısına bağlıdır. Denklemdeki çubuğun uzunluğu ve kesit alanı değişirse ısı akışı da değişecektir. uzunluğun artışıyla ters orantılı olarak ısı akışı azalacak, kesitin artışıyla doğru orantılı olarak ısı akışı artacaktır. Isı bir enerji türü olduğuna göre ısı akışının birimi watt (W) ya da joule/saniye olacaktır.

Deneyin Yapılışı

Ünitede anlatılan deneyde metallerde ısı iletiminin malzemeye ve geometrik yapıya nasıl bağlı olduğu uygulamalı olarak gösterilmiştir. Birinci kısımda ısı iletiminin geometrik yapıya bağlılığını değerlendirebilmek için, aynı malzemeden yapılmış farklı boyutlara sahip metaller kullanmıştır. İkinci kısımda ise malzemeye göre kıyaslama durumunda ise aynı geometrik şekle sahip farklı malzemelerden yapılmış metallerle uygulama yapılmıştır.

Deney adımları ünite içerisinde detaylı olarak şekiller eşliğinde anlatılmış ve adımlar sonucunda ölçüm cihazları aracılığıyla belirli zaman aralıklarında ölçülen sıcaklık değerlerinin verilen boş tablolara girilmesi istenmiştir.

Tablolara girilen ölçümlerin yine verilmiş olan boş sıcaklık-zaman değişimi grafiklerine işlenmesi istenmektedir. Böylece yukarıda belirtilen denklemin işletilmesi sağlanarak değerlerin yorumlanması istenmektedir.