hepnotIsı aktarım yolları ve kararlı iletim hızı
Konunun mantığı
Isı,sıcaklık farkıyla aktarılan enerjidir;aktarım mekanizması ile son sıcaklık aynı bilgi değildir. İletimde komşu bölgeler arasında mikroskobik etkileşimlerle enerji taşınır;katıda titreşimler ve metallerde hareketli elektronlar katkı verebilir. Malzemenin bütünü bir bölgeden diğerine akmak zorunda değildir. İletim yalnız katıda mümkündür demeyiz;sıvı ve gazlarda da olabilir. Aynı süreçte birkaç aktarım yolu birlikte bulunabileceğinden soruda hangi etkilerin dışlandığı aranır.
Taşınımda sıvı veya gazın toplu hareketi enerji taşır. Doğal taşınımda uygun yerçekimi/yoğunluk düzeniyle akış gelişebilir;zorlanmış taşınımda akış dışarıdan sürdürülür. Her sıcak akışkan koşulsuz yukarı gider veya her hareket otomatik yalnız taşınımdır gibi ifadelerden kaçınırız. Bir yüzeyden akışkana aktarımda sınır tabakasında iletim de rol oynayabilir;basit sınıflama baskın toplu taşıma mekanizmasını vurgular. Maddesiz vakum boşluğunda taşınımla enerji taşınamaz.
Işınım elektromanyetik enerji aktarımıdır;madde ortamı gerektirmediği için vakumdan geçebilir. Sadece görünen parlak cisimler değil,mutlak sıcaklığı sıfırın üzerindeki cisimler termal ışınım yayar. Yaymak ve net ısı kaybetmek aynı şey değildir;cisim çevreden de ışınım soğurabilir. Isıl dengedeki cisimler ışınım alışverişini sürdürürken net aktarım sıfır olabilir. Nicel termal ışınım sıcaklık bağıntılarında mutlak sıcaklık kelvin kullanılır;Celsius sayısını doğrudan bu bağıntılara koymayız. Burada ileri ışınım denklemi veya görünüşten kesin yayma katsayısı hesabı yapılmaz.
İdeal düz levhada yalnız iletim,kararlı tek boyutlu akış,homojen sabit k,kenar kayıplarının ihmalı ve yüzlerde sabit Tsıcak>Tsoğukvarsayalım. Lkalınlık,Aakışa dik alan ise hız büyüklüğü Pısı=Q/Δt=kA(Tsıcak−Tsoğuk)/L. kbirimi W/(m·K),Am²,LmveΔTKalınır;Celsius ve kelvin sıcaklık farklarının sayısı eşittir. Yön sıcaktan soğuğadır. Zamanla değişen yüz sıcaklıkları veya levha içinde enerji birikimi varsa aynı sabit kararlı bağıntıyı her ana aynen taşımayız.
Kararlı durumda levhanın her noktasının sıcaklığı zamanla değişmeyebilir ama noktalar arasında sıcaklık farkı ve sabit enerji akışı vardır. Giren ve çıkan enerji hızları eşit olduğundan levha net enerji biriktirmez;bu,iki rezervuarın birlikte ısıl dengede olduğu anlamına gelmez. Sabit hızda Q=PısıΔt;watt ile joule ayrılır. Aynı koşullarda kalınlık artışı hızı düşürür,alan veyaΔTartışı hızı yükseltir. Denge sıcaklığı ise yalıtılmış sistemin enerji bilançosuyla ilgili başka sorudur;yalnız hızdan bütün geçici denge süresi çıkmaz. Bu dar ders bütün bileşik duvarları veya gerçek bina/ısıtıcı tasarımını tamamlamaz;örnekler yalnız hesap modelidir.
İletim mikroskobik aktarım,taşınım toplu akış,ışınım EMaktarımıdır. Kararlı1Bdüz levhada Pısı=kAΔT/L;Q=PısıΔt. Sıcaklık profili sabitken enerji akışı sürebilir;bu genel ısıl denge değildir.
Adım adım bir örnek
Yalnız kurmaca kararlı1Biletim modelinde düz levha:k=0,40 W/(m·K),A=0,60 m²,L=0,030 m,yüz sıcaklıkları sabit45°Cve25°C. Başka aktarım,kenar kaybı,temas direnci ve iç üretim yok.30 sde aktarım hızı ve enerji nedir? Gerçek cihaz veya deney kurulumu istenmiyor.
Bağıntı ve birim zinciri
- ΔT=20 K. Pısı=0,40·0,60·20/0,030=160 W.
- Kararlı30 saralığındaQ=160·30=4800 J.
- Akış45°Cyüzünden25°Cyüzüne;160 Jenerji değil160 J/shızdır.
Sınır: Yüz sıcaklıkları korunuyor ve kararlı durum baştan verilmiş;ısınma başlangıcı/geçici rejim hesaplanmıyor.
Birim sıcaklık farkı başına iletim
- kA/L=0,40·0,60/0,030=8 W/K.
- 20 Klik fark için hız8·20=160 W.
- 30 sde aynı hız4800 Jaktarır.
Sınır: 8 W/Kbu levhanın verilen model iletim katsayısıdır;kmalzeme katsayısıyla aynı birimde değildir.
Levha sıcaklıkları değişmiyor diyeQ0demek,hangi giriş-çıkış bilançosunu yanlış yorumlar?
Hatayı bul
“Vakum varsa enerji aktarımı olmaz. Ayrıca kararlı levhada sıcaklık değişmiyorsa hiçbir enerji geçmiyordur.” İlk hata nedir?
İlk hatayı göster
İlk hata: Madde gerektiren iletim/taşınım sınırını,elektromanyetik ışınıma da uygulamak.
Işınım vakumdan geçebilir. Kararlı levhada da farklı yüz sıcaklıklarıyla sabit akış olabilir;giriş ve çıkış eşit olduğundan net depolama değişmez. Akış ile birikim farklıdır.
Örnekte yüz sıcaklıklarını sabit tutan rezervuarlar kaldırılıp iki sonlu cisim levhanın iki yanında yalıtılmış sistemde bırakılırsa160 Whızı dengeye kadar sabit sayabilir miyiz?
Genelde hayır. Sonlu cisimlerin sıcaklıkları değiştikçeΔTve levhadaki geçici profil değişebilir. İlk kararlı model tüm sürece taşınamaz;son denge için enerji bilançosu,dengeye yaklaşma süresi için ayrıca aktarım/geçici rejim bilgisi gerekir.
Dersin soruları
1Üç ayrı ideal model: I:katıda komşu bölgeler arasında mikroskobik etkileşimlerle enerji aktarımı var;ışınım ve toplu madde akışı bu modelde dışlanıyor. II:akışkanın toplu hareketi enerjiyi bir bölgeden diğerine taşıyor. III:enerji aradaki vakumdan elektromanyetik dalgayla geçiyor. Baskın mekanizmalar sırasıyla hangisidir?
Bu soruda hata mı var?2Kararlı1Biletimde ilk levhanın hızı90 W. İkinci modelde aynı sabit kkorunup alan iki kat,kalınlık üç kat,sabit yüz sıcaklık farkı yarı yapılıyor. Başka etki yok. Yeni hız kaç Wtır?
Bu soruda hata mı var?3İdeal homojen levhanın iki yüzü ayrı rezervuarlarla50°Cve20°Cde sabit tutuluyor. Kararlı1Biletim var;k>0,A>0,Lsonlu,yan kayıp/iç kaynak yok. Levhanın sıcaklık profili zamanla değişmiyor. Hangi yorum uygundur?
Bu soruda hata mı var?Kendini dene
Tüm soruları cevapla. Bitirince puanını ve zorlandığın noktaları göreceksin.
1İdeal kararlı 1B iletim modelinde düz levhanın kalınlığı 4,0 cm, alanı 0,50 m²; yüz sıcaklıkları sabit 40°C ve 20°C. Ölçülen aktarım hızı 50 W. Başka aktarım, kenar kaybı ve iç üretim yok. Malzemenin ısı iletim katsayısı k kaç W/(m·K)’dir?
2İdeal kararlı 1B iletim modelinde düz levha: k=0,50 W/(m·K), A=0,40 m², L=0,050 m; yüz sıcaklıkları sabit 80°C ve 50°C. Başka aktarım, kenar kaybı ve iç üretim yok. Levhadan 5 dakikada aktarılan enerji kaç J’dür?
3Aynı malzemeden (k sabit) üç ideal levha kararlı 1B iletim modelindedir. X: A=0,4 m², L=0,02 m, ΔT=20 K; Y: A=0,6 m², L=0,03 m, ΔT=10 K; Z: A=0,2 m², L=0,01 m, ΔT=30 K. Başka aktarım ve kenar kaybı yok. Aktarım hızları için sıralama hangisidir?
4Çift cidarlı bir kabın iç (sıcak) ve dış (soğuk) cidarı arasındaki boşluk vakumdur (hava ya da başka madde yok), ancak iki cidarı birbirine ince metal destek çubukları bağlar. Çubuklar eklendiğinde iç cidardan dış cidara hangi aktarım yolları bulunur?
5İletim ve taşınım hakkında hangi ifade doğrudur?
6İdeal 1B levhada yüz sıcaklıkları sabit tutulmuştur. Ölçümde levhaya giren enerji hızı 80 W, çıkış yüzünden çıkan enerji hızı 60 W bulunuyor; yan yüzeylerden kayıp ve iç üretim yok. Bu ölçümü hangi yorum doğru açıklar?
7Vakumda birbirine bakan iki özdeş cisim aynı sıcaklıktadır ve ısıl dengededir. Aralarındaki ışınım için hangi ifade uygundur?
8Bir ışınım incelemesinde cisim A 27°C’de, cisim B 127°C’dedir. İletim modelinde sıcaklık farkı ΔT=TB−TA’dır. Dönüşüm için 0°C=273 K alınırsa ışınım niceliklerinin bağıntısında kullanılacak sıcaklık değerleri (TA, TB) ve iletimdeki ΔT hangisidir?
9İdeal kararlı 1B iletim modelinde yüz sıcaklıkları sabittir. Levhanın giriş yüzünden 2 dakika boyunca toplam 9 600 J enerji giriyor; başka aktarım, kenar kaybı ve iç üretim yok. Levhanın aynı sürede iç enerjisindeki net değişim ile çıkış yüzünden geçen enerji hızı (ΔU; P) hangisidir?
10İdeal kararlı 1B iletimde k ve yüz sıcaklık farkı sabit tutulacaktır. Levhanın alanı yarıya indirilirken aktarım hızının aynı kalması isteniyor. Kalınlık nasıl değişmelidir?
Aklında kaldı mı?
İdeal levhada kAΔT/Lkullanırken hangi koşulları kaydedersin?
Kararlı1Biletim,homojen sabit k,akışa dik A,kalınlıkL,yüzlerde sabit sıcaklıklar;kenar/temas/iç kaynak gibi başka etkiler ihmal veya ayrıca modellenmiş olmalı.
Bir cisim ışınım yayıyorsa mutlaka net soğuyor mu?
Hayır. Çevreden soğurduğu ışınım da vardır;net bilanço önemlidir. Isıl dengede karşılıklı yayım/soğurma sürebilir. Nicel sıcaklık bağıntısında kelvin gerekir;yalnız görünür parlaklık ölçüt değildir.
Kaynak ve kontrol durumu
Bu ders Hepnot için hazırlandı; üçüncü taraf soru kitabından soru veya görsel aktarılmadı. Bu, başka içerikle benzerlik olmadığının garantisi değildir.
Branş editörü incelemesi ve müfredat eşleştirmesi sürüyor; bu nedenle ders taslak olarak işaretlidir.
Müfredat için başvurulacak kaynak: MEB öğretim programları.