Isı İletim Hızı
Park ve bahçelerde insanların oturup dinlenmeleri amacıyla yerleştirilen banklar genellikle ahşap veya metalden yapılır. Metal bankın sıcaklığı, ahşap banka göre sıcak günlerde çok daha sıcak, soğuk günlerde ise çok daha soğuk hissedildiğinden sıcak veya soğuk günlerde oturmak için metal banklar pek tercih edilmez. Benzer şekilde çıplak ayakla fayans döşenmiş bir zemine basıldığında zemin soğuk hissedilirken aynı odadaki halı döşenmiş zemin daha sıcak hissedilir — oysa aynı odadaki bu yüzeyler aslında ısıl dengededir ve sıcaklıkları eşittir; farklı hissedilmesinin nedeni ısı iletim hızlarının farklı olmasıdır.
Isı İletim Hızının Tanımı
Sıcaklıkları farklı iki ortam arasında birim zamanda aktarılan ısı miktarına ısı iletim hızı (veya enerji iletim hızı) denir. Isı iletim hızının birimi joule/saniye (J/s), başka bir deyişle watt (W) olup güç birimi ile aynıdır.
Isı iletim hızı; ortamları ayıran maddenin yüzey alanı ve ortamlar arasındaki sıcaklık farkı ile doğru orantılı, ortamları ayıran maddenin kalınlığı ile ters orantılıdır. Bunun yanında maddenin cinsi de ısı iletim hızını etkiler.
Isıl İletkenlik
Isı iletim hızı, ısıl iletkenlik kavramıyla ilişkilidir. Maddelerin ısıl iletkenliği, o maddenin ısıyı iletme kabiliyetinin bir ölçüsüdür ve maddeler için ayırt edici bir özelliktir. Maddelerin ısıl iletkenliklerini karşılaştırmak için ısı iletim katsayıları kullanılır: bir maddenin ısı iletim katsayısı ne kadar büyükse o madde ısıyı o kadar hızlı iletir ve bu tür maddeler ısı iletkeni kabul edilir. Isı iletim katsayısı düşük olan maddeler ise ısıyı yavaş iletir ve ısı yalıtkanı kabul edilir. Genel olarak saf metallerin ısı iletim katsayıları diğer maddelere göre daha büyüktür; ısı iletim katsayısı en yüksek olan madde elmastır.
25 °C sıcaklığındaki bazı maddelerin ısı iletim katsayıları [W/(m·K)]:
| Madde | Isı İletim Katsayısı |
|---|---|
| Elmas | 2.300 |
| Saf alüminyum | 205 |
| Alüminyum alaşımı | 170 |
| Saf pirinç | 123 |
| Pirinç alaşımı | 109 |
| Demir | 80 |
| Kuru mineralli toprak | 2,9 |
| Çelik | 16 |
| Çimento harcı (normal beton) | 1,6 |
| Cam | 0,8 |
| Kuru organik toprak | 0,25 |
| Hidrojen (gaz) | 0,172 |
| Tuğla | 0,6-1,2 |
| Strafor | 0,039 |
| Cam yünü | 0,04 |
| Keçe | 0,037 |
| Ağaç | 0,007-0,2 |
| Hava (gaz) | 0,023 |
Tablodan görüldüğü gibi metaller (özellikle elmas, alüminyum, pirinç, demir) yüksek ısı iletim katsayısına sahip iletkenlerdir; hava, strafor, cam yünü, keçe ve ağaç gibi maddeler ise düşük ısı iletim katsayısına sahip yalıtkanlardır.
Isı Yalıtımının Günlük Hayattaki Uygulamaları
Isı yalıtımı, tasarruf ve konfor sağladığı için tercih edilir:
- Otomobil motorlarının ürettiği ısının yolcuları doğrudan etkilememesi için motorun üstü ısı yalıtkanı malzemeden yapılmış bir kapakla örtülür.
- Evlerin kışın sıcak, yazın serin kalması için duvarlar ısı yalıtımı sağlayan malzemelerle kaplanır.
- Kışın vücuttan dış ortama, yazın ise dış ortamdan vücuda ısı iletimini en aza indirmek için termal kumaşlardan üretilmiş giysiler kullanılır.
- Kalorifer peteklerinin içindeki sıcak suyun peteklere ve peteklerin de odaya ısıyı mümkün olduğunca hızlı iletmesi için petek yapımında ısı iletim katsayısı büyük olan malzemeler (metaller) tercih edilir.
- Çaydanlık, tencere gibi mutfak gereçlerinin tabanı ve gövdesi ısıyı hızlı iletmeleri için metalden; sapları ise ısıyı yavaş iletmeleri için ısı yalıtkanı malzemelerden üretilir.
Binalarda Isı Yalıtımı
İnşaat mühendisleri ve mimarlar, binalarda ısı yalıtımı yaparken ısı iletim hızını etkileyen etmenleri göz önünde bulundurur:
- Binaların duvarları çoğunlukla dıştan olmak üzere ısı iletim katsayısı düşük olan strafor ile kaplanır.
- Çatı ile binanın tavanı arasına strafor veya cam yünü kaplaması yapılır.
- Isının etkileşim alanını azaltmak için pencereler iki veya üç katlı cam kullanılarak ve mümkün olduğunca küçük boyutlarda üretilir; pencerenin iki camı arasındaki hava kısmen boşaltılır.
- İç ve dış ortamları ayıran duvarların kalın olması istenir; böylece iç ve dış ortam arasındaki ısı transferi azaltılmış olur (ısı iletim hızı kalınlıkla ters orantılıdır).
Çift Camlı Pencerelerin Yalıtım Sağlaması
Çift camlı pencere sistemlerinde iki cam arasında kuru ve seyreltilmiş hava bulunur; bu sistemlerdeki ısı kayıpları tek camlı sistemlere göre yaklaşık yarı yarıya daha azdır. Bunun nedeni, iki cam arasındaki kuru havanın hem cama hem de nemli havaya göre ısı iletim katsayısının küçük olmasıdır. Ayrıca camlar arasındaki kuru hava belli oranda vakumlanarak ısının konveksiyon yoluyla geçişi de engellenmiş olur. Bu uygulamaların sonucunda çift cam sistemlerinde ısının aktarım hızı düşer ve ısı yalıtımı sağlanır.
Sonuç: Isı İletim Hızını Belirleyen Etmenler
Isı iletim hızı dört temel etmene bağlıdır:
- Yüzey alanı — doğru orantılı (yüzey alanı arttıkça ısı iletim hızı artar)
- Sıcaklık farkı — doğru orantılı (ortamlar arasındaki sıcaklık farkı arttıkça ısı iletim hızı artar)
- Kalınlık — ters orantılı (madde kalınlaştıkça ısı iletim hızı azalır)
- Maddenin cinsi (ısı iletim katsayısı) — ısı iletim katsayısı büyük olan maddeler ısıyı daha hızlı iletir
Duvar kalınlığı fazla olan binalar kışın sıcak, yazın serin kalır; ısı yalıtımı amacıyla binalar ısı iletim katsayısı düşük olan malzemelerle kaplanır; kışın soğuk günlerde iç ve dış ortam arasındaki sıcaklık farkının büyük olması nedeniyle evler daha zor ısınır (daha hızlı ısı kaybeder). Bu dört etmenin doğru anlaşılması; ev yalıtımından termos tasarımına, giysi seçiminden mutfak gereçlerinin üretimine kadar günlük hayatın pek çok alanında enerji tasarrufu sağlayan uygulamaların temelini oluşturur.