Metal bank neden daha soğuk hissettirir?
Parktaki metal bank da ahşap bank da aynı havada duruyor; sıcaklıkları eşit. Yine de metale oturunca çok daha soğuk hissedersin. Sebebi sıcaklık farkı değil, ısı iletim hızı: metal, vücudundan ısıyı çok daha hızlı çeker. Bu sayfada iletim hızını dört etmenin nasıl belirlediğini ve yalıtımın bu dört etmenle nasıl oynadığını göreceksin.
Sıcaklıkları farklı iki ortam arasında birim zamanda aktarılan ısı miktarına ısı iletim hızı ya da enerji iletim hızı denir. Isı iletim hızının birimi joule/saniye (J/s), başka bir deyişle watt (W) olup güç birimi ile aynıdır.
H = Q / t → 1 J/s = 1 W
Q — ISI
Aktarılan enerji miktarı. Birimi joule (J) ya da kalori. “Ne kadar enerji geçti?” sorusunun cevabı.
H — ISI İLETİM HIZI
Birim zamanda aktarılan enerji. Birimi J/s = watt (W). “Ne kadar hızlı geçiyor?” sorusunun cevabı.
Birimin güç birimiyle aynı olması tesadüf değildir: ikisi de birim zamandaki enerjidir. 100 W’lık bir ısıtıcı saniyede 100 J enerji verir; duvarından saniyede 100 J ısı kaçan bir ev de aynı hızda enerji kaybeder.
Aynı ortamda bulunan maddeler ısıl dengede oldukları hâlde sıcaklıkları neden farklı hissedilir?
Parktaki metal bank ile ahşap bank aynı havadadır, yani sıcaklıkları eşittir. Derinin sıcaklığı ise yaklaşık 33 °C’tur ve ikisinden de yüksektir. Elini koyduğunda ısı her ikisine de senden akar — ama metale çok daha hızlı. Sinir uçların sıcaklığı değil, derinin ne kadar hızlı soğuduğunu algılar; bu yüzden metal “soğuk”, ahşap “ılık” hissettirir.
Aynı sebeple çıplak ayakla fayansa basınca zemin soğuk, aynı odadaki halıya basınca sıcak hissedilir. İki zemin de aynı sıcaklıktadır. Yazın metal bankın çok sıcak hissedilmesi de aynı olayın ters yönüdür: bu kez ısı hızla sana akar.
Isı iletim hızı; ortamları ayıran maddenin yüzey alanı ve ortamlar arasındaki sıcaklık farkıyla doğru, ortamları ayıran maddenin kalınlığıyla ters orantılıdır. Bunun yanında maddenin cinsi de ısı iletim hızını etkiler.
Bu dört etmen orantı olarak verilir. Dördü tek bir bağıntıda birleştirildiğinde şu ifade elde edilir — sayısal sorularda kullanacağın hâl budur:
H = k · A · ΔT / L
H — ısı iletim hızı (W)
k — maddenin ısı iletim katsayısı (W/(m·K))
A — ısının iletildiği yüzeyin alanı (m²)
ΔT — iki ortam arasındaki sıcaklık farkı (K ya da °C)
L — maddenin kalınlığı (m) — görselde x ile gösterilir
ΔT için K ile °C aynı sayıyı verir: fark alındığından 273’ler birbirini götürür.
Her kaydırağı tek tek oynat ve H’nin nasıl değiştiğine bak: üçü hızı artırır, biri azaltır.
| Etmen | İlişki | İki katına çıkarırsan H | Günlük karşılığı |
|---|---|---|---|
| Maddenin cinsi (k) | k büyükse hız büyük | iki katına çıkar | petek metalden, sap plastikten |
| Yüzey alanı (A) | doğru orantı | iki katına çıkar | pencereler küçük yapılır |
| Sıcaklık farkı (ΔT) | doğru orantı | iki katına çıkar | çok soğuk günde ev zor ısınır |
| Kalınlık (L) | ters orantı | yarıya iner | duvarlar kalın yapılır |
Dikkat: süre bu listede yok. H zaten “birim zamanda” aktarılan ısıdır; süre uzayınca aktarılan toplam ısı Q artar, hız değişmez.
Bir binanın 12 m² yüzeyli, 25 cm kalınlığındaki beton duvarının iki tarafı arasındaki sıcaklık farkı 18 °C’tur. Betonun ısı iletim katsayısı 1,6 W/(m·K) olduğuna göre bu duvardan geçen ısı iletim hızı kaç W’tır?
H = k · A · ΔT / L
H = 1,6 · 12 · 18 / 0,25
H = 345,6 / 0,25 = 1382,4 W
Kalınlık metre cinsinden yazılır: 25 cm = 0,25 m. Santimetreyle hesaplayan biri sonucu 100 kat küçük bulur — en sık yapılan hata budur.
Aynı ölçülerdeki levha betondan değil straftordan (k = 0,039 W/(m·K)) olsaydı iletim hızı ne olurdu?
H = 0,039 · 12 · 18 / 0,25 = 8,424 / 0,25 ≈ 33,7 W
Öteki üç etmen aynı kaldı, yalnız madde değişti ve iletim hızı yaklaşık 41 kat düştü (1,6 / 0,039 ≈ 41). Yalıtımın neden malzeme seçimiyle başladığı buradan görülür.
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. 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. Isı iletim katsayısı en yüksek olan madde elmastır.
Ayırt edici özellik demek: bir maddeyi tanımaya yarar ve maddenin miktarına bağlı değildir. 1 g bakırın da 1 kg bakırın da ısı iletim katsayısı aynıdır — tıpkı öz ısı ve yoğunluk gibi.
Ara kutusuna “metal”, “yalıtkan”, “cam” gibi bir kelime yaz. Değerler W/(m·K) birimindedir.
Isı yalıtımı, günlük hayattaki bazı uygulamalarda tasarruf ve konfor sağladığı için tercih edilir. Örneğin otomobil motorlarının ürettiği ısının yolcuları doğrudan etkilememesi için motorun üstü ısı yalıtkanı malzemeden yapılmış kapakla örtülür. Evlerin kışın sıcak, yazın serin kalması için duvarlar ısı yalıtımı sağlayan malzemelerle kaplanır. Giysilerde de kışın vücuttan dış ortama, yazın ise dış ortamdan vücuda ısı iletimini en aza indirmek için uygun malzemelerle üretilmiş termal kumaşlar kullanılır.
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. Benzer şekilde 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. Bu sayede ısı iletim hızı yavaşlatılır. İç ve dış ortamları ayıran duvarların kalın olması istenir. Böylece iç ve dış ortam arasındaki ısı transferi azaltılmış olur.
• Strafor kaplama → k’yı küçültür
• Küçük pencere → A’yı küçültür
• Kalın duvar → L’yi büyütür
• Çift cam arasındaki hava → hem k’yı küçültür hem konveksiyonu keser
Dört etmenden ΔT dışındaki üçüne de müdahale edilir. ΔT’ye karışamayız: dışarısı kaç dereceyse odur.
Soru: Binalarda ısı yalıtımı amacıyla çift camlı pencere sistemleri kullanılır. Bu sistemlerde iki cam arasında kuru ve seyreltilmiş hava bulunur. Çift camlı pencere sistemlerindeki ısı kayıpları tek camlı sistemlere göre yaklaşık yarı yarıya daha azdır. Tek camlı pencerelere göre çift camlı pencerelerin neden daha iyi ısı yalıtımı sağladığını açıklayınız.
Çözüm: Çift cam uygulamasında iki cam arasında bulunan kuru havanın hem cama hem de nemli havaya göre ısı iletim katsayısı küçüktür. Ayrıca camlar arasındaki kuru hava belli oranda vakumlanarak ısının konveksiyon yoluyla geçişi engellenmiş olur. Tüm bu uygulamalar sonucunda çift cam sistemlerinde ısının aktarım hızı düşer ve ısı yalıtımı sağlanır.
Sayıyla bakalım: yalnız iletim hesabıyla 4 mm camın “k/L” değeri 0,8 / 0,004 = 200; 12 mm durgun havanınki 0,023 / 0,012 ≈ 1,9. Aradaki ince hava tabakası, camın kendisinden yaklaşık 100 kat daha çok direnç gösterir. Çift camdaki asıl yalıtkan havadır.
Günlük hayattaki bazı uygulamalarda ısının iletimi önemlidir. Örneğin kalorifer peteklerinin içindeki sıcak suyun peteklere ve peteklerin de odaya ısıyı mümkün olduğunca hızlı iletmesi için petek yapımında ısı iletim katsayısı büyük olan malzemeler tercih edilir. Benzer şekilde çaydanlık, tencere gibi mutfak gereçlerinin tabanı ve gövdeleri ısıyı hızlı iletmeleri için metalden; sapları ise ısıyı yavaş iletmeleri için ısı yalıtkanı malzemelerden üretilir.
Tek bir tencerede iki zıt istek aynı anda karşılanır: taban iletken, sap yalıtkan. Bu, ısı iletim katsayısının bir tasarım tercihi olduğunu gösteren en sade örnektir.
Termos, üç aktarım yolunun üçünü birden yavaşlatmak için tasarlanır:
Yine de termostaki çay sonunda soğur: yalıtım ısı akışını yavaşlatır, durdurmaz. Isıl denge ertelenir, iptal edilmez.
Sorular karışık sırada geliyor; her cevaptan sonra kısa açıklama çıkıyor.
Kapının metal kolu buz gibi, hemen yanındaki ahşap kanat ılık gelir. Oysa ikisi de koridorun sıcaklığındadır. Metalin k’sı çok büyük olduğu için ısıyı elinden hızla çeker; hissettiğin şey kolun sıcaklığı değil, elinin soğuma hızı.
Sabah çıplak ayakla banyonun fayansına basınca üşürsün, aynı evin halısına basınca üşümezsin. İki zemin de aynı sıcaklıkta. Halının lifleri arasında durgun hava hapis; hava tablodaki en yalıtkan maddelerden biri (0,023).
Montu sıcak tutan kumaşın kendisi değil, kabarık dolgusunun içine hapsettiği hava. Montu sıkıştırıp çantaya bastırdığında hava çıkar ve yalıtım düşer — bu yüzden ıslanan ya da ezilen mont ısıtmaz. Kat kat giyinmek de aynı işi yapar: katlar arasında hava kalır.
Evinizin penceresine elini yaklaştırdığında kışın soğuk bir akım hissedersin. Çift camda bu his belirgin şekilde azalır: ısı kayıpları tek cama göre yaklaşık yarı yarıya düşer. Yalıtan şey camın kalınlığı değil, iki cam arasındaki hava.
Makarna suyunu kaynatırken tencerenin tabanı saniyeler içinde ısınır ama sapını rahatça tutarsın. Aynı üründe iki zıt tercih: taban yüksek k (metal), sap düşük k (plastik/ahşap). Sap metal olsaydı tutulamazdı.
Sabah doldurduğun çay öğlen hâlâ sıcaktır çünkü termosun vakumlu çeperi iletim ve konveksiyonu, parlak yüzeyi ışımayı kısar. Akşama doğru ılıması ise normaldir: yalıtım süreyi uzatır, ısı akışını durdurmaz.
Dışarısı −5 °C iken sınıf zor ısınır, 10 °C iken kolayca ısınır. Petek aynı peteğe, duvar aynı duvar; değişen tek şey ΔT. Sıcaklık farkı büyüdükçe dışarı kaçan ısının hızı büyür.
Kar yağdığında altındaki toprak donmaz. Kar, içinde çok miktarda hava barındıran gözenekli bir örtüdür ve iyi bir yalıtkandır; toprağın ısısının kaçma hızını düşürür. Orta Asya’daki keçe çadır (keçe 0,037) aynı fikrin çok eski hâli.
Kantinde sıcak içeceği köpük bardakta tutabilirsin, ince cam bardakta elin yanar. Köpük strafora yakın bir malzemedir (0,039) ve içi hava doludur; cam ise 0,8 ile ondan yaklaşık 20 kat daha iyi iletir.
Isı iletim hızı, ısıl iletkenlik ve yalıtım üzerine test
Sıcaklıkları farklı iki ortam arasında birim zamanda aktarılan ısı miktarına ısı iletim hızı ya da enerji iletim hızı denir. Birimi J/s = watt (W); güç birimiyle aynıdır.
H = k · A · ΔT / L
Yüzey alanı ve sıcaklık farkıyla doğru, kalınlıkla ters orantılıdır; maddenin cinsi de etkiler. Kalınlık metre cinsinden yazılır.
Maddenin ısıyı iletme kabiliyetinin ölçüsüdür ve ayırt edici bir özelliktir. Karşılaştırmak için ısı iletim katsayısı (k) kullanılır: büyükse ısı iletkeni, küçükse ısı yalıtkanı.
Elmas 2300 (en yüksek) · saf alüminyum 205 · demir 80 · çelik 16 · çimento harcı 1,6 · cam 0,8 · tuğla 0,6–1,2 · cam yünü 0,04 · strafor 0,039 · keçe 0,037 · hava 0,023. Genel olarak saf metallerin katsayıları daha büyüktür.
k’yı küçült (strafor, cam yünü) · A’yı küçült (küçük pencere) · L’yi büyüt (kalın duvar) · araya durgun hava koy (çift cam). ΔT’ye karışılamaz.
Petek ve tencere tabanı yüksek k’lı malzemeden; tencere sapı, motor kapağı ve termal kumaş düşük k’lı malzemeden yapılır.
Metal bank ile ahşap bank aynı sıcaklıktadır; metal soğuk hissettirir çünkü ısıyı daha hızlı çeker. Deri sıcaklığı yaklaşık 33 °C’tur; sinir uçların soğuma hızını algılar.
Çift camlı pencere sistemlerindeki ısı kayıpları tek camlı sistemlere göre yaklaşık yarı yarıya daha azdır. Aradaki kuru havanın k’sı küçüktür ve kısmen vakumlandığı için konveksiyon da engellenir.