Isı iletim hızı nedir? Tanım ve örnekler

Enerjinin aktarılma yollarından biri ısıdır. Isının yayılma yollarından biri de iletimdir. Isı iletim hızı ya da enerji iletim hızı bir maddede birim zamanda aktarılan ısı miktarıdır. Birimi J/s yani W olarak belirtilir, güç ile aynı birimdedir.

Isı iletim hızı nelere bağlıdır?

Isı iletim hızı maddenin türüne, kesit alanına, ısının iletildiği uçlar arasındaki sıcaklık farkına ve maddenin kalınlığına bağlıdır.

Maddenin türü ya da maddenin ısı iletkenliği

Çıplak ayakla betona basma üşütür hasta olursun! Ama halıya basabilirsin. Özellikle soğuk havalarda aynı odada çıplak ayakla betona ve halıya bastığımızda, betonun daha soğuk olduğunu hissederiz. Aslında uzun süredir aynı odada oldukları için beton ve halı ısıl dengededir yani aynı sıcaklıktadır. Beton da halı da ayağımızdan daha soğuktur. Sıcaklığı daha yüksek olan ayağımızın altından sıcaklığı daha düşük olan betona ve halıya ısı iletilir. Peki bize neden beton daha soğuk gelir? Çünkü beton ısıyı halıya göre çok daha hızlı iletir, yani ısı iletkenliği halınınkinden daha yüksektir. Betona değen ayağımızın sıcaklığı halıya değene göre daha hızlı düşer.

Bir başka örnek de yemek yaparken metal ya da tahta kaşık kullanmaktır. Eğer metal kaşık kullanırsanız eliniz yanar. Çünkü metal kaşık ısıyı hızlı iletir, elinizin sıcaklığını çabuk yükseltir. Ama tahta kaşık kullanırsanız yanmaz. Çünkü tahtanın ısı iletim katsayısı metalinkinden düşüktür, ısıyı daha yavaş iletir.

Isı iletkenliği ya da ısıl iletkenlik bir maddenin ısıyı ne kadar iyi iletebildiğini gösteren bir özelliktir. Maddenin ayırt edici bir özelliğidir. Isı iletim katsayısı da denir, k simgesiyle gösterilir. Birimi W/mK’dir.

Çeşitli maddelerin ısı iletim katsayıları

Kıyaslamak için aşağıdaki tabloda çeşitli maddelerin ısı iletkenliğini gösteren ısı iletim katsayıları veriliyor. Tablodaki değerler 25 °C’de ölçülmüştür.

Madde türü	Isı iletkenliği (W / mK)
Alüminyum	205
Argon	0,016
Bakır	401
Beton	0,7
Cam	1,05
Demir	80
Elmas	1000
Gümüş	429
Hava	0,024
Koyun yünü	0,039
Tuğla	0,6

Metallerin ısı iletim hızlarının yüksekliğine dikkat edin. Kalorifer petekleri, sobalar ve tencereler ısıyı hızlı ilettikleri için metallerden yapılır.

Isıyı yavaş iletmesi istenen durumlarda ısı yalıtkanı olan yani ısı iletim katsayısı düşük olan malzemeler kullanılır. Örneğin, pencere camları çift cam olarak tasarlanır ve iki cam katmanının arasına hava ya da ısı iletkenliği daha da düşük olan bir gaz konulur. Benzer şekilde termoslarda da termosun sıvı konulan iç haznesiyle dışı arasında hava bulunur, havanın ısı iletkenliği düşük olduğu için sıvının sıcaklığı uzun süre korunur.

Çatılarda izocam, binaların dışlarında mantolama ve köpük kullanılmasının da nedeni ısı yalıtımını sağlamak için ısı iletkenliği düşük olan bu malzemelerle ısının kaçtığı bölgeleri kaplamaktır.

Kesit alanı

Soğuk bölgelerde pencereler neden küçük yapılır? Çünkü pencerenin kesit alanı büyüdükçe ısı iletim hızı artar. Benzer şekilde soğuk bir duvara avcunuzun tamamıyla dokunursanız, bir parmağınızın ucuyla dokunmanıza göre eliniz daha çabuk soğur. Isı iletim hızı kesit alanla doğru orantılıdır, kesit alan arttıkça artar.

Isının iletildiği uçlar arasındaki sıcaklık farkı

Hava çok soğuk olduğu zaman mı yoksa ılık olduğu zaman mı bir pencerenin iç tarafından dış tarafına ısı daha çabuk akar? Elbette çok soğuk olduğu zaman. Ilık bir metal çay kaşığı mı yoksa çok sıcak olan mı elinizi daha çabuk yakar? Elbette çok sıcak olan. Bu örneklerde görüldüğü gibi ısı iletim hızı bir maddenin iki ucu arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır. Sıcaklık farkı arttıkça ısı iletim hızı artar.

Maddenin kalınlığı

Kışın neden kalın giysiler giyeriz? Kutup hayvanlarının derileri neden kalındır ve derilerinin altında kalın bir yağ tabakası vardır? Bir ucu ateşin üstündeki demir bir maşayı, ortasından mı yoksa uzak ucundan mı tutarsak elimiz daha hızlı yanar? Bu örneklerin hepsi ısı iletim hızının maddenin kalınlığıyla ters orantılı olduğunu gösteriyor. Kalın olan bir maddenin ısı iletim hızı yavaştır.

Isı iletim hızı formülü

Yukarıdaki resimdeki dikdörtgenler prizması şeklindeki bir bloğun üzerinde gösterilen değişkenlere göre ısı iletim hızının matematiksel modeli şöyledir:

\frac{Q}{\Delta t} = k\frac{A\Delta T}{d} \Delta T = T_2 - T_1

• Q ısı miktarını,
• Δt ısı iletimi sırasında geçen süreyi,
• k maddenin ısı iletim katsayısını,
• ΔT iki uç arasındaki sıcaklık farkını,
• A maddenin kesit alanının büyüklüğünü,
• d maddenin uçları arasındaki uzunluğu gösterir.

Isı iletim hızı ile ilgili Fizik dersi Kazanımları

9.5.4.2. Katı maddedeki enerji iletim hızını etkileyen değişkenleri analiz eder.

• Deney veya simülasyonlardan yararlanılarak değişkenler arasındaki ilişkiyi belirlemeleri sağlanır.
• Günlük hayattan örnekler (ısı yalıtımında izolasyon malzemelerinin kullanılması, soğuk bölgelerde pencerelerin küçük, duvarların daha kalın olması gibi) verilir.
• Enerji iletim hızı ile ilgili matematiksel hesaplamalara girilmez.

Kaynaklar

Katsayıların kaynağı