termal özellikler.pdf
Post on 30-Dec-2015
29 Views
Preview:
TRANSCRIPT
29.04.2012
1
1
• Malzemeler ısı etkisi altında nasıl bir davranış sergilerler?
• Isıl özellikleri nasıl ölçeriz ve tanımlarız ...-- ısı kapasitesi?-- termal uzama?-- ısıl iletkenlik?-- ısıl şok direnci?
• Seramiklerin, metallerin ve plastiklerin ısıl özellikleri nasıl değişkenlik gösterir?
TermalÖzellikler
2
• Kantitatif olarak: “Bir balzemenin bir molünün sıcaklığını bir birim yükseltebilmek için gerekli olan enerjidir”
Isı kapasitesi(J/mol-K)
dT sıcaklık değişimi için gerekli olan enerji (J/mol)
Sıcaklık değişimi (K)
Isı Kapasitesi
• Isı kapasitesinin ölçülmesi 2 yolla yapılır:Cp : Sabit basınçta ısı kapasitesinin tayini.Cv : Sabit hacimde ısı kapasitesinin tayini.
genellikle Cp > Cv
• Isı kapasitesi birimi : Kmol
J
⋅
dT
dQC =
Malzemenin ısıyı emebilme kabiliyetidir.
(Bu fark oda sıcaklığı veya altındaki pek çok katı
malzeme için önemsizsir.)
29.04.2012
2
3
• Isı kapasitesi...-- artan sıcaklıkla artar,-- katılarda 3R gibi bir limit değere ulaşır.
• atomsal bakış açısından:-- Enerji atomsal titreşimler olarak depolanır.-- Sıcaklık arttıkça, atomsal titreşim enerjisi de artar.
Isı Kapasitesinin Sıcaklığa Bağlılığı
R = gaz sabiti 3R
= 8.31 J/mol-KCv = sabit
Debye sıcaklığı(genellikle oda sıcaklığından düşüktür)
T (K)θD00
4
Atomsal Titreşimler• Atomsal titreşimler fonon’lar veya “kafes dalgaları” şeklindedir.
•Katı maddeler içindeki atomlar çok yüksek frekanslarda ve düşük genliklerde sürekli titreşirler.
•Birbirlerinden bağımsız olarak hareket etmek yerine, aralarındaki bağların bir sonucu olarak, bitişik atomlar çift oluşturarak birbirlerini etkilerler. Atomların normal kafes pozisyonları
Atomların ısıl titreşime bağlı değişmiş pozisyonları
29.04.2012
3
5
Atomsal Titreşimler
•Bu titreşimler, hareket eden kafes dalgaları üretecek şeklinde koordineli hareket ederler.
• Bu dalgalar, kristal boyunca ses hızında ilerleyen, kısa dalga boylarına ve yüksek frekanslara sahip elastik dalgalar veya daha ses dalgaları şeklinde düşünülebilirler.
•Malzemenin titreşimsel ısıl enerjisi, bu elastik dalgalar serisinden ibarettir: Bu titreşim enerjisinin birim miktarı “fonon” ile ifade edilir..
6
art
an
cp
• PolimerlerPolipropilenPolietilenPolistirenTeflon
cp (J/kg-K)(oda sıcaklığında)
• Seramikler
Magnesia (MgO)Alumina (Al2O3)Cam
• MetalsAluminyumÇelikTungsten Altın
19251850 1170 1050
900 486 138 128
cp (spesifik ısı): (J/kg-K)
Malzeme
940 775 840
Spesifik Isı: Karşılaştırma
Cp (ısı kapasitesi): (J/mol-K)
29.04.2012
4
7
Isı İletim Mekanizması:•Isı katı maddelerde “fononlar” (ısıl titreşim dalgaları) ve “serbestelektronlar” tarafından iletilirler.•Isıl iletkenlik her iki mekanizmanın ortak sonucudur ve toplam iletkenlik herbirinin sağladığı iletkenliklerin toplamı kadardır.
•kl, sıcaklık gradyanının olduğu bölgede, yüksek sıcaklık bölgesinden düşük sıcaklık bölgesine doğru fonon
hareketinin sağladığı katkıdır.
•Serbest elektronlar “elektronik ısıl
iletkenliğe” katkı sağlarlar. Elektronlar kinetik enerji kazanırlar ve düşük sıcaklık bölgelerine doğru hareket ederler. Sahip oldukları enerjiyi atomlara (fononlar ile çarpışarak) yada diğer kristal kusurları ile etkileşerek bu bölgelere aktarırlar.
•ke nin toplam ısıl iletkenliğe olan rölatif katkısı, ortamdaki serbest elektron konsantrasyonu
arttıkça artar. Artan elektron konsantrasyonu ile birlikte ısı transfer sürecine toplam katkı
artacaktır.
Metaller:
8
•Yüksek saflıktaki metallerde, “elektron mekanizması” nın toplam ısı iletimine katkısı “fonon” ların katkısından daha fazla olacaktır. Bunun nedeni, elektronların fononlar kadar kolay saçılmamaları ve daha yüksek hıza sahip olmalarıdır.
•Metallerde ısıl iletime katkı sağlayabilecek çok sayıda serbest elektron mevcuttur.
•Yabancı atom içeren alaşım metallerinde ısıl iletim özellikleri düşmektedir. Bunun nedeni elektriksel iletkenliğin azalma nedeni ile aynıdır.
•Yabancı atomlar, özellikle katı eriyiklerde, elektron hareketlerini kısıtlayan ve hareket eden elektronların saçılmalarına neden olan noktaları oluştururlar. Bu da elektron hareketlerinin etkinliğini azaltır (ortallama serbest yol, OSY, azalır).
29.04.2012
5
9
Seramikler:•Metalsel olmayan malzemeler ısıl yönden yalıtlandırlar: Serbest elektron bulundurmazlar. Dolayısıyla, ısıl iletkenliğe katkı sadece “fonon” hareketleri ile sağlanır:
•Kafes kusurlarının fonon dalga hareketlerini etkin bir şekilde dağıtma/saçma özelliği olduğundan, fononlar tarafından sağlanan ısıl iletim, elektronların sağladığına kıyasla daha az etkilidir.
•Artan sıcaklıkla fononların (kafes dalgalarının) dağılması ve sönümlenmesi daha etkili olur; dolayısıyla, pek çok seramik malzemenin ısıl iletkenliği artan sıcaklık ile birlikte azalır.
•Seramikler içindeki boşluklu yapılar malzemenin ısıl iletkenlik özelliği üzerinde çarpıcı bir etki oluşturabilir; artan porozite ısıl iletkenliğin azalmasına neden olur.
(Isıl yalıtkan olarak kullanılan pek çok seramik türü boşluklu yapıya sahiptir. Isı bu
boşlukları yavaş ve etkisiz bir şekilde geçebilir. Bu boşluklar normal olarak, ısıl iletkenliği çok düşük
durağan hava içerirler. Gazlarda ısı yayınımı çok düşüktür.)
10
Silika-Fiber yalıtımıDüşük ısı iletimi sağlar
100µm
•Fotoğrafta, birkaç saniye önce fırından çıkarılmış ve kenarları boyunca çıplak elle tutulan bir silika-fiber ısı yalıtım malzemesi görülmektedir.
•Başlangıçta yüzeyden dışarıya ısı transferi hızlıdır; ancak, malzemenin ısıl iletim katsayısı okadar düşüktür ki, yüksek sıcaklığa sahip iç bölgeden (yaklaşık 1250 oC) dışarıya ısı iletimi aşırı derece yavaştır.
Nedeni, seramiğin mikro yapısında saklıdırJ.
29.04.2012
6
11
Polimerler:•Polimerlerdeki enerji transferi polimer zincir moleküllerinin titreşimi ile mümkündür.
•Isıl iletim değerinin büyüklüğü, polimerin kristallenme derecesine bağlıdır; yüksek kristallenme derecesine ve düzenli dizilişe sahip bir polimerin ısıl iletkenliği eşdeğer amorf malzemeden daha fazladır.
•Bunun nedeni, yüksek kristallenme derecesinde, molekül zincirlerinin daha koordineli şekilde titreşim hareketi yapabilmeleridir.
•Polimerler, düşük ısıl iletkenliğe sahip olmalarından dolayı genellikle “ısıl yalıtkan” malzemeler olarak kullanılırlar.
•Seramiklerde olduğu gibi, malzeme içerisinde küçük hava boşlukları oluşturularak, polimerlerin de ısıl yalıtkanlık özellikleri artırılabilir (köpürtülmüş polistiren).
12
Isıl Genleşme
Sıcaklık değişimi ile birlikte malzemeler boy değiştirirler.
)( ilksonl
ilk
ilkson TTl
ll−=
−α
Lineer ısıl genleşmekatsayısı(1/K or 1/ºC)
Tilk
Tson
l ilk
l son
Tson > Tilk
29.04.2012
7
13
Atomsal düzeyde ısıl genleşme
Asimetrik eğri:-- artan sıcaklık, -- artan atomlar arası mesafe-- ısıl genleşme
Simetrik eğri:-- artan sıcaklık, -- değişmeyen atomlar arası mesafe -- ısıl genleşme yok
Atomlar arası mesafe Atomlar arası mesafe
Pota
nsi
yel enerj
iT
itre
şim
en
erjile
ri
Pota
nsi
yel enerj
iT
itre
şim
en
erjile
ri
14
Isıl Genleşme Katsayıları: Karşılaştırma
Polipropilen 145-180 Polietilen 106-198 Polistiren 90-150 Teflon 126-216
• Polimerler
• SeramiklerMagnesia (MgO) 13.5Alumina (Al2O3) 7.6Soda-kireç camı 9Silika (cryst. SiO2) 0.4
• MetallerAlüminyum 23.6Çelik 12 Tungsten 4.5 Altın 14.2
αllll(10-6/°C)
oda sıcaklığındaMalzeme
Zayıf ikincil bağlardan
dolayı polimerlerin ααααllll
genleşme katsayıları yüksektir.
art
an
αll ll
29.04.2012
8
15
Isıl genleşme: Örnek uygulama
Soru: 15 metre uzunluğundaki bir bakır tel 40 ºC den -9ºC dereceye soğutulmuştur. Boy değişimi nekadar olur?
α l= 16.5 x 10−6 (oC)−1• Cevap: Cu için
mm 12m 012.0
)]C9(C40[)m 15)](C/1(10 x5.16[ 60
==∆
°−−°°=∆=∆ −
l
lll
Tα
16
Malzemenin ısıyı iletebilme yeteneğidir.
Isıl değişim
Isı iletkenlik katsayısı (J/m-K-s)
Isı akışı(J/m2-s)
• Atomsal düzeyde: Atomsal titreşimler (fononlar) ve serbest elektronlar enerjiyi sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru taşırlar.
T2 T2 > T1T1
x1 x2Isı akış yönü
Isıl İletim
dx
dTkq −=
Fourier’s Kuralı:
29.04.2012
9
17
Isıl iletkenlik: Karşılaştırmaa
rta
nk
• PolimerlerPolipropilen 0.12Polietilen 0.46-0.50 Polistiren 0.13 Teflon 0.25
Molekül zincirlerinin titreşimleri
• SeramiklerMagnesia (MgO) 38Alumina (Al2O3) 39 Soda-kireç camı 1.7 Silika (cryst. SiO2) 1.4
Atomsal titreşimler
• MetallerAlüminyum 247Çelik 52 Tungsten 178 Altın 315
Atomsal titreşimler ve serbest elektron hareketleri
k (W/m-K)Enerji TransferMekanizmasıMalzeme
18
• Sebepleri:-- kısıtlanmış termal (ısıl) uzama veya kısalma,-- farklı miktarlarda boy değişimleri yaratacak
sıcaklık farkları.
Isıl Gerilmeler
= Eαl(T0 −Tf ) = Eα
l∆TIsıl Gerilme = σ
•Isıl gerilmeler, malzeme içinde sıcaklık değişimlerine bağlı olarak oluşan gerilmelerdir.
29.04.2012
10
-- Bir pirinç metal çubuk oda sıcaklığında (20ºC) bulunmaktadır.-- Bu numune ısıtılmaya başlanmış fakat, boy uzaması engellenmiştir.-- Kaç derece sıcaklıkta malzemedeki gerilme değeri -172 MPa olur?
Örnek Problem
T0
l 0
Cevap:
Normal durum
)( 0ısıl
oda
TT f −==∆
l
l
lαε
Tf
Adım1: Kısıtlanmamış durumu düşünelim:
l 0 ∆l
Step 2: Eski haline döndürmek için basınç uygulayınJ
l 0
σ σ ısıl
oda
bas εε −=∆−
=l
l∆l
19
20
Örnek problem (devam)
l 0
σ σ
Isıl gerilme aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:
)( basεσ E=
)()()( f00 TTETTEE fısıl −=−−=−=ll
ααεσ
εbasınç = -εısıl olduğuna göre:
20 x 10-6/ºCCevap: 106ºC
100 GPa
Tf = T0 −
σ
Eαl
20ºC
Tf çekilirse:
-172 MPa (basınç)
29.04.2012
11
21
• Sebep: üniform olmayan ısınma/soğuma• Örnek: aşağıdaki malzeme yüzeyinin T1 denT2 ye anidensoğutulduğunu düşünelim.
Yüzeyde gerilmeler oluşur
σ = −Eαl(T1 −T2)
Hasar için kritik sıcaklıkfarkı (σ = σf)
(T1 −T2)fracture =
σf
Eαl
eşitlenirse
Değerinin büyümesi yüksek ısı şoku direnci anlamına gelir.
σfk
Eαl
Isı Şoku Direnci
Soğuma ile oluşan sıcaklık farkı:
kTT
rate quench)( 21 =−
σ
Hızlı soğutma
Büzülmeyen tabaka
Büzülmeye çalışan tabaka T2
T1
lα
σ
E
kTSR
f∝= )( ResistanceShock Thermalrate)(quench fracturefor •
Soğutma hızı
(soğutma hızı) hasar için Isı şoku direnci
top related