Termal İletkenlik: Tanım, Birimler, Denklem ve Örnek

Soğuk bir kış gününde halınızın üzerinden geçtiğinizde ayağınıza soğuk gelmiyor. Ancak banyonuzdaki karo zemine bastığınızda ayaklarınız anında üşür. İki kat bir şekilde farklı sıcaklıklar mı?

Termal denge hakkında bildiklerinizi düşünürsek, kesinlikle böyle olmasını beklemezsiniz. Peki neden bu kadar farklı hissediyorlar? Bunun nedeni termal iletkenlik ile ilgilidir.

Isı, sıcaklık farkları nedeniyle iki malzeme arasında aktarılan enerjidir. Isı, ısıl denge sağlanana kadar yüksek sıcaklıktaki nesneden düşük sıcaklıktaki nesneye akar. Isı transferi yöntemleri arasında termal iletim, konveksiyon ve radyasyon bulunur.

termaliletimBu makalenin ilerleyen kısımlarında daha ayrıntılı olarak tartışılan moddur, ancak kısaca doğrudan temas yoluyla ısı transferidir. Esasen daha sıcak nesnedeki moleküller, enerjilerini, her iki nesne de aynı sıcaklığa gelene kadar çarpışmalar yoluyla daha soğuk nesnedeki moleküllere aktarır.

İçindekonveksiyon, ısı hareket yoluyla aktarılır. Soğuk bir kış gününde evinizdeki havayı hayal edin. Çoğu ısıtıcının genellikle zemine yakın olduğunu fark ettiniz mi? Isıtıcılar havayı ısıtırken, bu hava genişler. Genişlediğinde yoğunluğu azalır ve böylece daha soğuk havanın üzerine çıkar. Soğuyan hava daha sonra ısıtıcının yanındadır, böylece hava ısınabilir, genleşebilir vb. Bu döngü, konveksiyon akımları oluşturur ve ısındıkça havayı karıştırarak ısı enerjisinin odadaki hava içinde dağılmasına neden olur.

Atomlar ve moleküller elektromanyetik salıyorradyasyonuzay boşluğunda hareket edebilen bir enerji şeklidir. Sıcak bir ateşten gelen ısı enerjisi size bu şekilde ulaşır ve güneşten gelen ısı enerjisi Dünya'ya nasıl ulaşır.

Termal iletkenlik, ısı enerjisinin bir malzemeden ne kadar kolay hareket ettiğinin veya bu malzemenin ısıyı ne kadar iyi aktarabildiğinin bir ölçüsüdür. Isı iletiminin ne kadar iyi gerçekleştiği malzemenin termal özelliklerine bağlıdır.

Başlangıçtaki örnekteki karo zemini düşünün. Halıdan daha iyi bir iletkendir. Sadece hissederek söyleyebilirsin. Ayaklarınız karo zemindeyken, ısı sizi halıda olduğunuzdan çok daha hızlı bırakır. Bunun nedeni, karonun ayaklarınızdaki ısının çok daha hızlı hareket etmesine izin vermesidir.

Özgül ısı kapasitesi ve gizli ısılar gibi iletkenlik de eldeki malzemeye özgü bir özelliktir. Yunanca κ (kappa) harfi ile gösterilir ve genellikle bir tabloda aranır. İletkenliğin SI birimleri watt/metre × Kelvin'dir (W/mK).

Isıl iletkenliği yüksek olan cisimler iyi iletken iken, ısıl iletkenliği düşük olan cisimler iyi yalıtkandır. Burada bir termal iletkenlik değerleri tablosu verilmiştir.

Gördüğünüz gibi, metaller gibi genellikle dokunulduğunda "soğuk" hisseden nesneler iyi iletkenlerdir. Ayrıca bir termal yalıtkan havanın ne kadar iyi olduğuna da dikkat edin. Büyük tüylü ceketlerin kışın sizi sıcak tutmasının nedeni budur: etrafınızda büyük bir hava tabakası yakalarlar. Strafor aynı zamanda mükemmel bir yalıtkandır, bu nedenle yiyecek ve içecekleri sıcak veya soğuk tutmak için kullanılır.

Isı malzeme içinden yayılırken, ısı kaynağına en yakın uçtan en uzak uça kadar malzeme boyunca bir sıcaklık gradyanı vardır.

Isı malzeme içerisinde hareket ederken ve denge sağlanmadan önce, ısıya en yakın uç kaynak en sıcak olacak ve sıcaklık doğrusal olarak uzak mesafedeki en düşük seviyesine düşecek. son. Ancak malzeme dengeye yaklaştıkça bu gradyan düzleşir.

Isının bir nesnede ne kadar iyi hareket edebileceği yalnızca o nesnenin iletkenliğine değil, aynı zamanda nesnenin boyutuna ve şekline de bağlıdır. Isıyı bir uçtan diğer uca ileten uzun bir metal çubuk hayal edin. Birim zamanda geçebilecek ısı enerjisi miktarı, çubuğun uzunluğuna ve çubuğun çevresinin büyüklüğüne bağlı olacaktır. Burada termal iletkenlik kavramı devreye girer.

Demir çubuk gibi bir malzemenin ısıl iletkenliği aşağıdaki formülle verilir:

neredebirmalzemenin kesit alanıdır,Luzunluk ve κ termal iletkenliktir. SI iletkenlik birimleri W/K'dir (Kelvin başına watt). Bu, κ'nin birim kalınlık başına birim alanın termal iletkenliği olarak yorumlanmasına izin verir.

Tersine termal direnç şu şekilde verilir:

Bu sadece iletkenliğin tersidir. Direnç, içinden geçen ısı enerjisine karşı ne kadar muhalefet olduğunun bir ölçüsüdür. Termal özdirenç de aynı şekilde 1/κ olarak tanımlanır.

Isı enerjisinin oranıSuzunluk boyunca hareket ederLuçlar arasındaki sıcaklık farkı olduğunda malzemeninΔTformülle verilir:

Bu şu şekilde de yazılabilir:

Bunun, elektrik iletiminde akımla olanlara doğrudan benzer olduğunu unutmayın. Elektrik iletiminde akım, elektrik direncine bölünen gerilime eşittir. Elektriksel iletkenlik ve elektrik akımı, termal iletkenlik ve akıma benzer, voltaj sıcaklık farkına benzer ve elektriksel direnç termal ile benzerdir. direnç. Aynı matematik geçerlidir.

​Misal:Buzdan yapılmış yarım küre bir iglo, 3 m iç yarıçapa ve 0,4 m kalınlığa sahiptir. Isı, buzun termal iletkenliğine bağlı bir oranda iglodan kaçar, κ = 1,6 W/mK. Dışarısı -30 C iken, iglonun içinde 5 santigrat derecelik bir sıcaklığı korumak için iglo içinde sürekli olarak hangi oranda termal enerji üretilmelidir?

​Çözüm:Bu durumda kullanılacak doğru denklem, önceki denklemdir:

Size κ verilir,ΔTsadece iç ve dış arasındaki sıcaklık aralığındaki farktır veLbuzun kalınlığıdır.birbiraz daha hilelidir. Bulmakbirbir yarım kürenin yüzey alanını bulmanız gerekir. Bu, 4π olan bir kürenin yüzey alanının yarısı olacaktır.r​². İçinr, ortalama yarıçapı seçebilirsiniz (iglonun iç yarıçapı + buzun kalınlığının yarısı = 3,2 m), böylece alan şu şekilde olur:

Her şeyi denkleme eklemek, ardından şunu verir:

​Uygulama:Isı emici, yüksek sıcaklıktaki nesnelerden ısıyı havaya veya bir sıvıya aktaran ve daha sonra fazla ısı enerjisini uzaklaştıran bir cihazdır. Çoğu bilgisayarda CPU'ya bağlı bir ısı emici bulunur.

Isı emici, ısıyı CPU'dan uzaklaştıran metalden yapılmıştır ve daha sonra küçük bir fan, ısı emicinin etrafında havayı dolaştırarak ısı enerjisinin dağılmasına neden olur. Doğru yapılırsa, ısı emici CPU'nun sabit bir durumda çalışmasına izin verir. Soğutucunun ne kadar iyi çalıştığı metalin iletkenliğine, yüzey alanına, kalınlığa ve korunabilecek sıcaklık gradyanına bağlıdır.