Isı Geçişi

Isı geçişi, sıcaklık farkı nedeniyle maddeler arasında gerçekleşen ve termal enerjinin bir bölgeden diğerine hareketini öngörmeyi amaçlayan bir bilim dalıdır​. Isı geçişi türleri:

1. İletimle ısı geçişi
2. Taşınımla ısı geçişi
3. Radyasyon (ışınım) ile ısı geçişi

İletimle (Conduction) Isı Geçişi

İletimle ısı geçişi (conduction), sıcaklık farkı nedeniyle bir maddenin molekülleri arasındaki enerji etkileşimi yoluyla gerçekleşen bir enerji aktarımıdır; bu aktarım, moleküller arası çarpışmalar ve serbest elektronların hareketiyle sağlanır. Bu süreç, maddenin herhangi bir makroskopik hareketi olmadan, yalnızca iç yapısındaki etkileşimlerle gerçekleşir. İletim ile ısı geçişi, Fourier yasası ile nicel olarak ifade edilir:

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.625em;vertical-align:-0.1944em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03588em;">q</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.7778em;vertical-align:-0.0833em;"></span><span class="mord">−</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03148em;">k</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">∗</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal">A</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">∗</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal">d</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.13889em;">T</span><span class="mord">/</span><span class="mord mathnormal">d</span><span class="mord mathnormal">x</span></span></span></span>

• ​q ısı akısı
• A yüzey alanı
• k ısıl iletkenlik
• dT/dx​ ise sıcaklık dağılımı

Taşınımla (Convection) Isı Geçiş

Taşınımla ısı geçişi (convection), bir yüzey ile onunla temas eden hareketli bir akışkan arasında gerçekleşen ısı aktarımıdır; bu aktarım, hem akışkanın hareketiyle (kütlesel taşıma) hem de moleküller arası etkileşimle (iletim) oluşur. Taşınımda, ısı önce yüzeyden akışkana iletilir (iletim), sonra akışkanın hareketiyle yayılır (taşınır). Bu süreç doğal (yoğunluk farkıyla) ya da zorlanmış (pompa, fan vb.) olabilir. Taşınım genellikle iki alt türe ayrılır:

• Zorlanmış taşınım (forced convection): Akışkan hareketi dış bir kaynakla (örneğin fan, pompa) sağlanır.
• Doğal taşınım (natural/free convection): Akışkan hareketi tamamen yoğunluk farklarından (sıcaklık kaynaklı) doğan kaldırma kuvvetleriyle oluşur.

Isı transferi miktarı, Newton’un soğuma yasası ile ifade edilir:

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.625em;vertical-align:-0.1944em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03588em;">q</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal">h</span><span class="mord mathnormal">A</span><span class="mopen">(</span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.13889em;">T</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.1514em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:-0.1389em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathnormal mtight">s</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.13889em;">T</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.1514em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:-0.1389em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">∞</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mclose">)</span></span></span></span>

• h taşınım ısı transfer katsayısı
• A yüzey alanı
• T_s ​ yüzey sıcaklığı
• T_∞ ​ akışkanın ortam sıcaklığıdır.

Işınımla (Radiation) Isı Geçişi

Işınımla, ısıyı ışık gibi dalgalarla taşıyan tek mekanizmadır; boşlukta bile gerçekleşebilir ve vakumda bile gerçekleşebilen tek ısı transfer mekanizmasıdır​. Yayılma miktarı, cismin sıcaklığına ve yüzey özelliklerine bağlıdır, en yüksek düzeyde yayım yapan ideal yüzey ise kara cisim (blackbody) olarak adlandırılır.

Işınımla ısı geçişi, cismin mutlak sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle orantılıdır. Tüm cisimler radyasyon yayar; ancak bu yayım miktarı, cismin emissivity (yayma yeteneği) ile doğrudan ilişkilidir. En ideal yayım yapan cisim kara cisim (blackbody) olarak tanımlanır ve bu tür yüzeyler için en yüksek radyasyon gerçekleşir. iki adet formülü vardır;

• Kara cisim ışınımı(stefan-boltzman kanunu): Bu formül, özellikle bir cismin çevresine karşı radyasyonla enerji yayımını hesaplamak için kullanılır.
• İki yüzey arasında ışınımla ısı geçişi

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8889em;vertical-align:-0.1944em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03588em;">q</span><span class="mord mathnormal">ka</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.02778em;">r</span><span class="mord mathnormal">a</span><span class="mord mathnormal">c</span><span class="mord mathnormal">i</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mord mathnormal">im</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4653em;"></span><span class="mord mathnormal">ε</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">∗</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4653em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03588em;">σ</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">∗</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal">A</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">∗</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8141em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.13889em;">T</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8141em;"><span style="top:-3.063em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">4</span></span></span></span></span></span></span></span></span></span></span>

• q: Radyasyonla yayılan ısı (W)
• ε: Cismin emissivity (yayma katsayısı), 0≤ε≤1 
• σ: Stefan–Boltzmann sabiti, 5.67×10^(−8) W/m2K4
• A: Radyasyon yayılan yüzey alanı (m²)
• T: Mutlak sıcaklık (K)

 <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8889em;vertical-align:-0.1944em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03588em;">q</span><span class="mord mathnormal">iki</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03588em;">y</span><span class="mord accent"><span class="vlist-t"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.6679em;"><span style="top:-3em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="mord mathnormal">u</span></span><span style="top:-3em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="accent-body" style="left:-0.2222em;"><span class="mord">¨</span></span></span></span></span></span></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03588em;">zey</span><span class="mord mathnormal">a</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.02778em;">r</span><span class="mord mathnormal">a</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mord latin_fallback">ı</span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mord mathnormal">d</span><span class="mord mathnormal">a</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4653em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03588em;">σ</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">∗</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal">A</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">∗</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.8333em;vertical-align:-0.15em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.13889em;">F</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3011em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:-0.1389em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">1</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel"><span class="mrel">→</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3011em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:0em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">2</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.4653em;"></span><span class="mord">​</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">∗</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1.0641em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mopen">(</span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.13889em;">T</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3011em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:-0.1389em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">1</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mord"><span class="mord">​</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8141em;"><span style="top:-3.063em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">4</span></span></span></span></span></span></span></span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1.0641em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.13889em;">T</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8141em;"><span style="top:-2.4519em;margin-left:-0.1389em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">2</span></span></span><span style="top:-3.063em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">4</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.2481em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mord">​</span><span class="mclose">)</span></span></span></span>

• F_1→2​: Yüzey 1’den yüzey 2’ye olan görünürlük (view factor).
• T1​,T2 ​: İlgili yüzeylerin mutlak sıcaklıkları (K).