Seramiklerin, metallerin ve plastiklerin ısıl özellikleri nasıl değişkenlik gösterir? Isı Kapasitesi. Malzemenin ısıyı emebilme kabiliyetidir.

Transkript

1 Terma Özeiker Mazemeer ısı etkisi atında nası bir davranış sergierer? Isı özeikeri nası öçeriz ve tanımarız ısı kapasitesi? -- terma uzama? -- ısı ietkenik? -- ısı şok direnci? Seramikerin, metaerin ve pastikerin ısı özeikeri nası değişkenik gösterir? 1 Isı Kapasitesi Mazemenin ısıyı emebime kabiiyetidir. Kantitatif oarak: Bir bazemenin bir moünün sıcakığını bir birim yüksetebimek için gereki oan enerjidir Isı kapasitesi (J/mo-K) dq C = dt dt sıcakık değişimi için gereki oan enerji (J/mo) Sıcakık değişimi (K) Isı kapasitesinin öçümesi 2 yoa yapıır: C p : Sabit basınçta ısı kapasitesinin tayini. C v : Sabit hacimde ısı kapasitesinin tayini. geneike C p > C v Isı kapasitesi birimi : J mo K (Bu fark oda sıcakığı veya atındaki pek çok katı mazeme için önemsizsir.) 2 1

2 Isı Kapasitesinin Sıcakığa Bağıığı Isı kapasitesi artan sıcakıka artar, -- katıarda 3R gibi bir imit değere uaşır. R = gaz sabiti = 8.31 J/mo-K 3R C v = sabit 0 0 θ T (K) D Debye sıcakığı (geneike oda sıcakığından düşüktür) atomsa bakış açısından: -- Enerji atomsa titreşimer oarak depoanır. -- Sıcakık arttıkça, atomsa titreşim enerjisi de artar. 3 Atomsa Titreşimer Atomsa titreşimer fonon ar veya kafes dagaarı şekindedir. Katı maddeer içindeki atomar çok yüksek frekansarda ve düşük genikerde süreki titreşirer. Birbirerinden bağımsız oarak hareket etmek yerine, araarındaki bağarın bir sonucu oarak, bitişik atomar çift ouşturarak birbirerini etkierer. Atomarın norma kafes pozisyonarı Atomarın ısı titreşime bağı değişmiş pozisyonarı 4 2

3 Bu titreşimer, hareket eden kafes dagaarı üretecek şekinde koordinei hareket ederer. Atomsa Titreşimer Bu dagaar, krista boyunca ses hızında iereyen, kısa daga boyarına ve yüksek frekansara sahip eastik dagaar veya daha ses dagaarı şekinde düşünüebiirer. Mazemenin titreşimse ısı enerjisi, bu eastik dagaar serisinden ibarettir: Bu titreşim enerjisinin birim miktarı fonon ie ifade ediir.. 5 Spesifik Isı: Karşıaştırma Mazeme Poimerer Poipropien Poietien Poistiren Tefon c p (J/kg-K) (oda sıcakığında) c p (spesifik ısı): (J/kg-K) C p (ısı kapasitesi): (J/mo-K) artan c p Seramiker Magnesia (MgO) Aumina (A 2 O 3 ) Cam Metas Auminyum Çeik Tungsten Atın

4 Isı İetim Mekanizması: Isı katı maddeerde fononar (ısı titreşim dagaarı) ve serbest eektronar tarafından ietiirer. Isı ietkenik her iki mekanizmanın ortak sonucudur ve topam ietkenik herbirinin sağadığı ietkenikerin topamı kadardır. k, sıcakık gradyanının oduğu bögede, yüksek sıcakık bögesinden düşük sıcakık bögesine doğru fonon hareketinin sağadığı katkıdır. Serbest eektronar eektronik ısı ietkeniğe katkı sağarar. Eektronar kinetik enerji kazanırar ve düşük sıcakık bögeerine doğru hareket ederer. Sahip odukarı enerjiyi atomara (fononar ie çarpışarak) yada diğer krista kusurarı ie etkieşerek bu bögeere aktarırar. k e nin topam ısı ietkeniğe oan röatif katkısı, ortamdaki serbest eektron konsantrasyonu arttıkça artar. Artan eektron konsantrasyonu ie birikte ısı transfer sürecine topam katkı artacaktır. 7 Metaer: Yüksek safıktaki metaerde, eektron mekanizması nın topam ısı ietimine katkısı fonon arın katkısından daha faza oacaktır. Bunun nedeni, eektronarın fononar kadar koay saçımamaarı ve daha yüksek hıza sahip omaarıdır. Metaerde ısı ietime katkı sağayabiecek çok sayıda serbest eektron mevcuttur. Yabancı atom içeren aaşım metaerinde ısı ietim özeikeri düşmektedir. Bunun nedeni eektrikse ietkeniğin azama nedeni ie aynıdır. Yabancı atomar, özeike katı eriyikerde, eektron hareketerini kısıtayan ve hareket eden eektronarın saçımaarına neden oan noktaarı ouştururar. Bu da eektron hareketerinin etkiniğini azatır (ortaama serbest yo, OSY, azaır). 8 4

5 Seramiker: Metase omayan mazemeer ısı yönden yaıtandırar: Serbest eektron buundurmazar. Doayısıya, ısı ietkeniğe katkı sadece fonon hareketeri ie sağanır: Kafes kusurarının fonon daga hareketerini etkin bir şekide dağıtma/saçma özeiği oduğundan, fononar tarafından sağanan ısı ietim, eektronarın sağadığına kıyasa daha az etkiidir. Artan sıcakıka fononarın (kafes dagaarının) dağıması ve sönümenmesi daha etkii our; doayısıya, pek çok seramik mazemenin ısı ietkeniği artan sıcakık ie birikte azaır. Seramiker içindeki boşuku yapıar mazemenin ısı ietkenik özeiği üzerinde çarpıcı bir etki ouşturabiir; artan porozite ısı ietkeniğin azamasına neden our. (Isı yaıtkan oarak kuanıan pek çok seramik türü boşuku yapıya sahiptir. Isı bu boşukarı yavaş ve etkisiz bir şekide geçebiir. Bu boşukar norma oarak, ısı ietkeniği çok düşük durağan hava içerirer. Gazarda ısı yayınımı çok düşüktür.) 9 Siika-Fiber yaıtımı Düşük ısı ietimi sağar Fotoğrafta, birkaç saniye önce fırından çıkarımış ve kenararı boyunca çıpak ee tutuan bir siika-fiber ısı yaıtım mazemesi görümektedir. Başangıçta yüzeyden dışarıya ısı transferi hızıdır; ancak, mazemenin ısı ietim katsayısı okadar düşüktür ki, yüksek sıcakığa sahip iç bögeden (yakaşık 1250 o C) dışarıya ısı ietimi aşırı derece yavaştır. 100µm Nedeni, seramiğin mikro yapısında sakıdır. 10 5

6 Poimerer: Poimererdeki enerji transferi poimer zincir moeküerinin titreşimi ie mümkündür. Isı ietim değerinin büyüküğü, poimerin kristaenme derecesine bağıdır; yüksek kristaenme derecesine ve düzeni diziişe sahip bir poimerin ısı ietkeniği eşdeğer amorf mazemeden daha fazadır. Bunun nedeni, yüksek kristaenme derecesinde, moekü zincirerinin daha koordinei şekide titreşim hareketi yapabimeeridir. Poimerer, düşük ısı ietkeniğe sahip omaarından doayı geneike ısı yaıtkan mazemeer oarak kuanıırar. Seramikerde oduğu gibi, mazeme içerisinde küçük hava boşukarı ouşturuarak, poimererin de ısı yaıtkanık özeikeri artırıabiir (köpürtümüş poistiren). 11 Isı Geneşme Sıcakık değişimi ie birikte mazemeer boy değiştirirer. ik son son ik ik T ik T son = α ( Tson Tik T son > T ik ) Lineer ısı geneşme katsayısı(1/k or 1/ºC) 12 6

7 Atomsa düzeyde ısı geneşme Potansiye enerji Titreşim enerjieri Atomar arası mesafe Potansiye enerji Titreşim enerjieri Atomar arası mesafe Asimetrik eğri: -- artan sıcakık, -- artan atomar arası mesafe -- ısı geneşme Simetrik eğri: -- artan sıcakık, -- değişmeyen atomar arası mesafe -- ısı geneşme yok 13 Isı Geneşme Katsayıarı: Karşıaştırma artan α Mazeme Poimerer α (10-6 / C) oda sıcakığında Poipropien Poietien Poistiren Tefon Metaer Aüminyum 23.6 Çeik 12 Tungsten 4.5 Atın 14.2 Seramiker Magnesia (MgO) 13.5 Aumina (A 2 O 3 ) 7.6 Soda-kireç camı 9 Siika (cryst. SiO 2 ) 0.4 Zayıf ikinci bağardan doayı poimererin α geneşme katsayıarı yüksektir. 14 7

8 Isı geneşme: Örnek uyguama Soru: 15 metre uzunuğundaki bir bakır te 40 ºC den -9ºC dereceye soğutumuştur. Boy değişimi nekadar our? Cevap: Cu için α = 16.5 x 10 6 ( o C) 1 = α T 0 = [16.5 x 10 6 (1/ C)](15 m)[40 C ( 9 C)] = m = 12 mm 15 Mazemenin ısıyı ietebime yeteneğidir. Isı akışı (J/m 2 -s) Isı İetim Fourier s Kuraı: dt q = k dx Isı değişim Isı ietkenik katsayısı (J/m-K-s) T 1 x1 T 2 T2 > T 1 Isı akış yönü x2 Atomsa düzeyde: Atomsa titreşimer (fononar) ve serbest eektronar enerjiyi sıcak bögeden soğuk bögeye doğru taşırar. 16 8

9 Isı ietkenik: Karşıaştırma artan k Mazeme k (W/m-K) Metaer Aüminyum 247 Çeik 52 Tungsten 178 Atın 315 Seramiker Magnesia (MgO) 38 Aumina (A 2 O 3 ) 39 Soda-kireç camı 1.7 Siika (cryst. SiO 2 ) 1.4 Poimerer Poipropien 0.12 Poietien Poistiren 0.13 Tefon 0.25 Enerji Transfer Mekanizması Atomsa titreşimer ve serbest eektron hareketeri Atomsa titreşimer Moekü zincirerinin titreşimeri 17 Isı Gerimeer Isı gerimeer, mazeme içinde sıcakık değişimerine bağı oarak ouşan gerimeerdir. Sebeperi: -- kısıtanmış terma (ısı) uzama veya kısama, -- farkı miktararda boy değişimeri yaratacak sıcakık farkarı. Isı Gerime = σ = Eα (T 0 T f ) = Eα T 18 9

10 Örnek Probem -- Bir pirinç meta çubuk oda sıcakığında (20ºC) buunmaktadır. -- Bu numune ısıtımaya başanmış fakat, boy uzaması engeenmiştir. -- Kaç derece sıcakıkta mazemedeki gerime değeri -172 MPa our? Cevap: T 0 Norma durum 0 0 Adım1: Kısıtanmamış durumu düşüneim: T f oda = ε ısı = α ( T ) f T0 Step 2: Eski haine döndürmek için basınç uyguayın 0 σ σ εbas = = εısı oda 19 Örnek probem (devam) σ 0 σ Isı gerime aşağıdaki şekide hesapanabiir: σ = E ( ε bas ) ε basınç = -ε ısı oduğuna göre: σ T f çekiirse: = E( εısı ) = Eα ( Tf T0 ) = Eα ( T0 Tf ) Cevap: 106ºC 20ºC T f = T 0 σ Eα 100 GPa -172 MPa (basınç) 20 x 10-6 /ºC 20 10

11 Sebep: üniform omayan ısınma/soğuma Örnek: aşağıdaki mazeme yüzeyinin T 1 dent 2 ye aniden soğutuduğunu düşüneim. Soğuma ie ouşan sıcakık farkı: ( T T ) 2 σ f k Eα 1 = Hızı soğutma Büzümeye çaışan tabaka T 2 Büzümeyen tabaka (quench rate) quench Soğutma rate hızı k (soğutma hızı) hasar için for fracture Isı Şoku Direnci T 1 eşitenirse σ Yüzeyde gerimeer ouşur σ = Eα (T 1 T 2 ) Hasar için kritik sıcakık farkı (σ = σ f ) (T 1 T 2 ) fracture = σ f Eα σ k = Therma Shock Isı şoku Resistance direnci ( TSR) E f α Değerinin büyümesi yüksek ısı şoku direnci anamına geir