Işınım ile Isı Transferi Deneyi Föyü

Transkript

1 Işınım ile Isı Transferi Deneyi Föyü

2 1. Giriş Işınımla (radyasyonla) ısı transferi ve ısıl ışınım terimleri, elektromanyetik dalgalar ya da fotonlar (kütlesi olmayan fakat enerjiye sahip parçacıklar) vasıtasıyla gerçekleşen ısı transferini tanımlamak için kullanılırlar. Bütün maddeler sürekli olarak sahip oldukları moleküler enerji seviyelerini düşürerek ya da yükselterek elektromanyetik dalga yayar ya da absorbe ederler. Işımanın şiddeti ve dalga boyu ışıma yapan malzemenin sıcaklığına bağlıdır. Işımanın fiziksel mekanizmasını açıklamada elektromanyetik dalga teorisi ve kuantum mekaniğinden birlikte yararlanılır. İletim ve taşınımla ısı geçişi bir madde içindeki sıcaklık gradyanından kaynaklanırken, ısıl ışınımla ısı geçişi için arada bir madde bulunmasına gerek yoktur; yüzeylerin birbirini görmesi yeterlidir. Örneğin yüksek sıcaklığa bağlı bir katı cismin daha düşük sıcaklıkta yüzeye sahip bir hacimde vakum içinde muhafaza edildiğini düşünelim. Vakumun varlığı hacim içinde katı cisimden iletim ve taşınımla olacak ısı transferini engelleyecektir, çünkü bu ısı transferi mekanizmalarının gerçekleşmesi için bir ortam mevcut değildir. Ancak katı cisim belli bir zaman sonunda soğuyarak kendisini çevreleyen yüzeyler ile ısıl dengeye gelecektir. Diğer bir deyişle katı cisim çevresiyle ısı transferinde bulunacak ve sonuçta ısıl dengeye ulaşacaktır. 2. Isıl Işınım Şekil 1. Sıcak bir katı cismin ışınımla soğuması Isıl ışınım, sıcaklığı nedeniyle maddeden yayılan enerji ile ilişkilidir. Şu anda sizi çevreleyen tüm maddelerden ısıl ışınım yayılmaktadır. Eğer içerdeyseniz, duvarlardan ve mobilyalardan, dışarıdaysanız ağaçlar, evler, atmosfer ve güneşten size ısıl ışınım gelmektedir. Yayılma mekanizması maddenin yapısında bulunan elektronların salınım ve yörünge değiştirmeleri sonucunda açığa çıkan enerji ile ilişkilidir. Bu salınımlar da maddenin iç enerjisi ve bunun göstergesi olan sıcaklığından kaynaklanmaktadır. Böylece ısıl ışınımın yayılmasını maddenin içyapısındaki değişmesine bağlayabiliriz. Işınımın maddeden yayılma olarak gerçekleştiğini ve enerjinin bu yolla aktarımının herhangi bir aracı ortama gerek göstermediğini açıklamıştık. Bu enerji aktarımı bir teoriye göre foton veya kuantum adı verilen parçacık demetlerinin yayılmasıyken, diğer bir teoriye göre elektromanyetik dalgaların yayılması biçiminde algılanabilir. Her iki durumda da, ışınım standart dalga özelikleri olan frekans γ ve dalga uzunluğu λ ile tanımlanır. Herhangi bir oryamda yayılan ışınım için, bu iki özelik arasındaki ilişki aşağıdaki ile verilir: λ=c / γ c: ışığın o ortamdaki hızı,( Boşlukta yayılma için c 0 = m/s dir.) Dalga boyunun birimi genellikle ( μm ) olup, 1 μm =10 6 m dir.

3 Şekil 2. Elektromanyetik ışınımın dalga boylarına göre dağılımı Tüm elektromanyetik dalga boylarına göre dağılım yukarıdaki şekilde gösterilmiştir. Kısa dalga boylarında bulunan gama ışınları, X ışınları ve morötesi ışınım daha çok yüksek enerji fizikçileri ve nükleer mühendislerin ilgi alanındadır. Uzun dalga boylarında bulunan mikrodalgalar ve radyo dalgaları ise elektrik mühendislerin ilgi alanındadır. 0,1 ile 102 μm arasında bulunan spektrumun orta bölgesi, morötesi ışınımın bir bölümü ile görünür ve kızılötesi ışınımın tümünü içerir ve ısıl ışınım diye bilinir. Isı geçişi ile doğrudan ilgili olan bölge de budur. 3.Işınım ile İlgili Teorik Bilgiler Bir cismin uzaya yaydığı toplam ışınım enerjisi (G), başka bir cisme rastladığında üç olay meydana gelir. Enerjinin bir kısmı (R) cismin yüzeyinden yansıyarak uzaya dağılır, bir kısmı (τ) cismin içinden geçerek diğer yerlere akar, bir kısmı da (A) cismin içinde absorplanır (yutulur). Bu durumda, G = R + τ + A yazılabilir. Bu denklemde bütün terimler G ile bölünürse, ρ = R G ışınım yansıtma oranı, yansıtılan ışınımın gelen ışınıma oranı α = A G τ = τ G ışınım yutma oranı, yutulan ışınımın gelen ışınıma oranı ışınım geçirme oranı, geçirilen ışınımın gelen ışınıma oranı olmak üzere, α + ρ + τ = 1

4 bağıntısı elde edilir. Burada ρ, malzemenin cinsine ve yüzeyin pürüzlülüğüne bağlıdır. α ve τ ise cismin fiziksel özelliklerine bağlıdır. Eğer bir yüzey, üzerine gelen bütün ışınımı yansıtıyorsa (ρ =l) bu yüzey beyaz cisim olarak adlandırılır. Eğer bir yüzey, üzerine gelen bütün ışınımı yutuyorsa (α =l) bu yüzey siyah cisim olarak adlandırılır. Gazlar ise (özellikle seyrek gazlar) ışınımı hemen hemen yutmadıklarından ve yansıtmadıklarından (τ =l) saydam cisim olarak adlandırılır. 3.1 Siyah Cismin Neşretme (Yayma) Gücü İdeal ışıyıcı olarak tanımlanan siyah cisim, verilen bir sıcaklıkta mümkün olan maksimum ışınımı neşreden ve üzerine gelen bütün ışınımı yutan bir yüzeydir. İdeal ışıyıcının (siyah cismin) ışınım neşretme gücü, E s = σ. T 4 [W/m 2 ] şeklinde yazılabilir. Burada σ, Stefan -Boltzman katsayısı olup değeri aşağıda verilmiştir. σ = [W/m 2. K 4 ] Gerçek bir cismin neşrettiği ışınım, aynı sıcaklıkta siyah cismin neşrettiği ışınımdan daha azdır. Gerçek cismin ışınım neşretme gücü, E = ε. E s = ε. σ. T 4 [W/m 2 ] bağıntısı ile verilir. Burada ε, gerçek yüzeyin neşretme gücünün aynı sıcaklıktaki siyah yüzeyin neşretme gücüne oranı şeklinde tarif edilir ve yayma katsayısı (emisivite veya yayma oranı) olarak adlandırılır. Gerçek cisimler için ε, büyük oranda yüzeyin yapısına bağlı olup, radyasyon dalga boyu, ışının gelişi, yüzey sıcaklığına da bağlıdır. Fakat bu genellikle pratik hesaplama yapılacağı zaman ortalama değerler kabul edilir. Çeşitli malzemelerin yayma katsayıları çeşitli kitap ve kaynaklarda bulunabilir. Gerçek cisimler için yayma katsayısı 0 ile 1 arasında değişir (O< ε < 1 ). 3.2 Yüzeyler Arasında Işınım İle Isı Transferi Yüzeyler arasındaki ışınımla ısı transferini, yüzeylerin birbirlerine olan geometrik konumları etkilemektedir. Görüş Faktörü Herhangi bir yüzeyin (A i ) yapmış olduğu ışınımın diğer bir yüzeye (A i ) düşen kısmına görüş faktörü (F ij ) denir. Burada, ilk alt indis ışınımın geldiği ikinci alt indis ışınımın düştüğü yüzeyi gösterir. Görüş faktörü, sıcak yüzey (ışıma yapan yüzey) ile soğuk yüzey arasındaki pozisyonun geometrisi ile ilgili bir terimdir. Işınım dalgaları doğrusal bir hat boyunca yayıldıklarından, bir cismin diğerini görüp görmemesine veya görme açısına bağlı olarak ışınım değişiklik gösterir. Görüş faktörünün hesaplanabilmesi için birçok yöntem, tablolar ve diyagramlar vardır. Bunların bir kısmı kitaplarınızda verilmiştir. Görüş faktörü verilen tanımdan da anlaşılacağı gibi ışınım yapan cisimlerin birbirlerine olan konumlarına (görüp görmemesine veya ne oranda gördüğüne) göre 0 ile 1 arasında değişir.

5 Bir yüzeyin neşretme gücü, E = ε. E s = ε. σ. T 4 [W/m 2 ] idi. Buna göre bir yüzeyden ışınımla olan net ısı transferi, yüzeyin yapmış olduğu ışınım ile yüzeye çevreden olan ışınımın farkıdır. q = Q A = ε. σ. (T 1 4 T 2 4 ) [W/m 2 ] Deney-1: Isı için Ters Kare Kanunu Amaç: Bir yüzeydeki radyasyon yoğunluğunun, radyasyon kaynağıyla yüzey arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olduğunu göstermek (ışık için ters kare kanunu kanıtlamak). Deney Düzeneği: Şekil 3. Isı için Ters Kare Kanunu Deney Düzeneği Deneyin Yapılışı: 1) Ana şalteri açın 2) Setin düz zeminde olduğuna emin olalım. 3) Radyometre mesafesini ayarlayın. 4) Radyometre ısı kaynağını açın. 5) Radyometre ısı kaynağını % 100 e ayarlayın. 6) Sistemin kararlı hale gelmesi için belli bir süre bekleyin. 7) Sıcaklık ve radyometre ölçümlerini tabloya kaydedin. 8) Tablo değerlerini diyagram üzerinde işaretleyin. Deney Sonuçları ve Hesaplamalar: X (mm) R (W/m 2 ) log 10 (x) log 10 (R) Tablo 1. Uzaklık Radyometre Değerleri Tablo 1. de ki Radyometre değerleri X(mm) mesafesine bağlı olarak deney sırasında elde edilir. Daha sonra X(mm) ve R(W/m 2 ) değerlerinin logaritmaları alınarak Tablo 1. de ki ilgili yerlere değerleri yazılır. Işınım şiddetinin, uzaklığın karesiyle ters orantılı olduğundan

6 yola çıkılarak log 10 (x) - log 10 (R) grafiğinde noktalardan geçecek bir doğru çizilir ve bulunan doğrunun eğiminin -2 ye yakın bir değer çıkması beklenir. Örnek: Eğim = tanα = = 2.02 (64 )

7 Deney-2: Stefan-Boltzmann Kanunu Amaç: Radyasyon yoğunluğunun kaynak sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle orantılı değiştiğini göstermek(stefan Boltzmann Kuralı) ve ortalama ε (emisivite) değerini hesaplamak Deney Düzeneği: Deneyin Yapılışı: Şekil 4. Stefan-Boltzmann Kanunu Deney Düzeneği 1) Ana şalteri açın. 2) Setin düz zeminde olduğuna emin olalım. 3) Radyometreyi ısı kaynağıyla arasında 110 mm olacak şekilde standına yerleştirin. 4) Bakır plakayı ısı kaynağıyla arasında 60 mm olacak şekilde standına yerleştirin. 5) Radyometre ısı kaynağını maks. ayarlayın 6) Sıcaklık göstergesi T ilk C yi gösterdikten sonra her T basamak C lik artış için sıcaklık ve radyometre değerleri Tablo 2 ye kayıt edilir. Değerler not edilirken, iki değerin aynı anda not edilmesine dikkat edilmelidir. T ilk ve T basamak değerleri deney sırasında verilecektir. Deney Sonuçları ve Hesaplamalar: Deneyden elde edilen değerler Sonuçlar Radyometre değeri T 2 T 1 q deneysel = 5.59 x R q ışınım = ε. Q. (T 2 4 T 1 4 ) [ W/m 2 ] [ K ] [ K ] [ W/m 2 ] [ W/m 2 ] Tablo 2. Stefan-Boltzmann Kuralı deneyden elde edilen değerler ve sonuçlar tablosu