Isı transferi türleri: ısı transfer katsayısı

2024 Yazar: Howard Calhoun | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-17 10:43

Herhangi bir malzeme gövdesi, ısı gibi artabilen ve azalan bir özelliğe sahiptir. Isı maddi bir madde değildir: Bir maddenin iç enerjisinin bir parçası olarak, moleküllerin hareketi ve etkileşimi sonucunda ortaya çıkar. Farklı maddelerin ısıları farklı olabileceğinden, daha sıcak bir maddeden daha az ısıya sahip bir maddeye ısı aktarma işlemi vardır. Bu işleme ısı transferi denir. Bu makalede ana ısı transferi türlerini ve bunların etki mekanizmalarını ele alacağız.

Isı transferinin belirlenmesi

Isı transferi veya sıcaklık transferi süreci hem maddenin içinde hem de bir maddeden diğerine gerçekleşebilir. Aynı zamanda, ısı transferinin yoğunluğu büyük ölçüde maddenin fiziksel özelliklerine, maddelerin sıcaklığına (ısı transferine birkaç madde katılıyorsa) ve fizik yasalarına bağlıdır. Isı transferi her zaman tek taraflı ilerleyen bir süreçtir. Isı transferinin ana prensibi, en sıcak cismin her zaman daha düşük sıcaklıktaki bir cisme ısı vermesidir. Örneğin, çamaşırları ütülerken sıcak bir ütüpantolona sıcaklık verir, tersi olmaz. Isı transferi, uzayda ısının tersinmez dağılımını karakterize eden zamana bağlı bir olgudur.

Isı transfer mekanizmaları

Maddelerin termal etkileşim mekanizmaları farklı biçimler alabilir. Doğada üç tür ısı transferi vardır:

1. Termal iletkenlik, vücudun bir bölümünden diğerine veya başka bir nesneye moleküller arası ısı transferi mekanizmasıdır. Özellik, incelenen maddelerdeki sıcaklığın homojen olmamasına dayanmaktadır.
2. Konveksiyon - akışkan ortam (sıvı, hava) arasındaki ısı değişimi.
3. Radyasyon eylemi, sabit bir spektruma sahip elektromanyetik dalgalar biçimindeki enerjileri nedeniyle ısıtılan ve ısıtılan cisimlerden (kaynaklardan) ısının aktarılmasıdır.

Listelenen ısı transferi türlerini daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Termal iletkenlik

Çoğu zaman, katılarda termal iletkenlik gözlenir. Herhangi bir faktörün etkisi altında, aynı maddede farklı sıcaklıklara sahip alanlar ortaya çıkarsa, daha sıcak bir alandan gelen termal enerji soğuğa geçecektir. Bazı durumlarda, bu fenomen görsel olarak bile gözlemlenebilir. Örneğin, metal bir çubuk, diyelim ki bir iğne alır ve ateşte ısıtırsak, bir süre sonra termal enerjinin iğneden nasıl aktarıldığını ve belirli bir alanda bir parıltı oluşturduğunu göreceğiz. Aynı zamanda, sıcaklığın daha yüksek olduğu bir yerde ışıma daha parlaktır ve tersine, t'nin daha düşük olduğu yerde daha karanlıktır. İki vücut arasında da ısı iletimi gözlemlenebilir (bir fincan sıcak çay ve bir el)

Isı akışı transferinin yoğunluğu, oranı Fransız matematikçi Fourier tarafından ortaya konan birçok faktöre bağlıdır. Bu faktörler öncelikle sıcaklık gradyanını (çubuğun uçlarındaki sıcaklık farkının bir uçtan diğerine olan mesafeye oranı), gövdenin kesit alanını ve termal iletkenlik katsayısını içerir (tüm maddeler için farklıdır, ancak en yüksek metallerde gözlenir). En önemli termal iletkenlik katsayısı bakır ve alüminyumda gözlenir. Bu iki metalin elektrik tellerinin üretiminde daha sık kullanılması şaşırtıcı değildir. Fourier yasasına göre, bu parametrelerden biri değiştirilerek ısı akısı arttırılabilir veya az altılabilir.

Isı transferinin konveksiyon türleri

Temel olarak gazların ve sıvıların karakteristiği olan konveksiyonun iki bileşeni vardır: moleküller arası termal iletkenlik ve ortamın hareketi (dağılımı). Konveksiyonun etki mekanizması şu şekilde gerçekleşir: akışkan maddenin sıcaklığındaki bir artışla, molekülleri daha aktif hareket etmeye başlar ve uzaysal kısıtlamaların yokluğunda maddenin hacmi artar. Bu işlemin sonucu, maddenin yoğunluğunda ve yukarı doğru hareketinde bir azalma olacaktır. Çarpıcı bir konveksiyon örneği, radyatör tarafından ısıtılan havanın bataryadan tavana hareketidir.

Serbest ve zorlanmış konvektif ısı transferi türlerini ayırt edin. Serbest tipte ısı transferi ve kütle hareketi, maddenin heterojenliği nedeniyle oluşur, yani sıcak sıvı, soğuk doğal sıvının üzerine çıkar.dış güçlerden etkilenmeden (örn. merkezi ısıtmalı bir odanın ısıtılması). Zorlanmış konveksiyonla, kütlenin hareketi, örneğin bir kaşıkla çayı karıştırmak gibi dış kuvvetlerin etkisi altında gerçekleşir.

Radyant ısı transferi

Radyant veya ışımalı ısı transferi başka bir nesne veya madde ile temas etmeden gerçekleşebilir, bu nedenle havasız bir alanda (vakum) bile mümkündür. Radyasyonlu ısı transferi, tüm cisimlerde az ya da çok doğaldır ve sürekli spektrumlu elektromanyetik dalgalar şeklinde kendini gösterir. Bunun en iyi örneği güneştir. Etki mekanizması şu şekildedir: vücut, kendisini çevreleyen alana sürekli olarak belirli bir miktarda ısı yayar. Bu enerji başka bir cisme veya maddeye çarptığında bir kısmı emilir, ikinci kısmı geçer ve üçüncü kısmı çevreye yansır. Herhangi bir nesne hem ısı yayabilir hem de soğurabilirken, karanlık maddeler hafif olanlardan daha fazla ısı emebilir.

Birleşik ısı transfer mekanizmaları

Doğada, ısı transferi işlemlerinin türleri nadiren ayrı ayrı bulunur. Çok daha sık birlikte görülebilirler. Termodinamikte, bu kombinasyonların isimleri bile vardır, örneğin, termal iletkenlik + konveksiyon, konvektif ısı transferidir ve termal iletkenlik + termal radyasyon, radyasyon-iletken ısı transferi olarak adlandırılır. Ek olarak, aşağıdaki gibi birleştirilmiş ısı transferi türleri vardır:

• Isı dağılımı -bir gaz veya sıvı ile bir katı arasındaki termal enerjinin hareketi.
• Isı transferi, t'nin bir maddeden diğerine mekanik bir engel yoluyla aktarılmasıdır.
• Konvektif-radyant ısı transferi, konveksiyon ve termal radyasyonun birleştirilmesiyle oluşturulur.

Doğadaki ısı transferi türleri (örnekler)

Doğadaki ısı transferi çok büyük bir rol oynar ve güneş ışınlarının dünyanın ısınmasıyla sınırlı değildir. Hava kütlelerinin hareketi gibi kapsamlı konveksiyon akımları, gezegenimizin her yerindeki hava durumunu büyük ölçüde belirler.

Dünya'nın çekirdeğinin termal iletkenliği, gayzerlerin ortaya çıkmasına ve volkanik kayaların püskürmesine yol açar. Bunlar, küresel ölçekte ısı transferinin sadece birkaç örneğidir. Birlikte, gezegenimizde yaşamı sürdürmek için gerekli konvektif ısı transferi türlerini ve ışıma ileten ısı transferi türlerini oluştururlar.

Antropolojik aktivitelerde ısı transferinin kullanımı

Isı, neredeyse tüm üretim süreçlerinin önemli bir bileşenidir. Ulusal ekonomide insan tarafından en çok hangi tür ısı alışverişinin kullanıldığını söylemek zordur. Muhtemelen üçü de aynı anda. Metalleri eritmek için ısı transferi süreçleri kullanılır ve günlük eşyalardan uzay araçlarına kadar çok çeşitli ürünler üretilir.

Uygarlık için son derece önemli olan, termal enerjiyi faydalı güce dönüştürebilen termal birimlerdir. Arasındabenzinli, dizel, kompresör, türbin üniteleri olarak adlandırılabilirler. Çalışmaları için farklı ısı transferi türleri kullanırlar.