ders 8 vize cevap anahtarı- elektriksel Özellikler

MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

Hall Etkisi

Pozitif z yönünde bir

manyetik alan uygulandığında ortaya çıkan kuvvet yük

taşıyıcılarının y yönüne sapmalarına neden olur.

Elektrik akımına dik yönde

bir manyetik alan

uygulandığında bu alan yük

taşıyıcıları üzerinde hem

akım hem de manyetik

alana dik yönde bir kuvvet

uygular.

Elektronlar ve boşluklar x

yönünde hareket ederken I

akımına yol açarlar.

x

z

Ix Elektrik akımı

Manyetik alan

Hall Etkisi Pozitif yüklü boşluklar sağa, negatif yüklü elektronlar

sola saparlar.

Böylece y yönünde Hall voltajı (VH) denen bir voltaj

elde edilir.

VH’nin büyüklüğü Ix, Bz ve numune kalınlığına (d)

bağlıdır:

RH Hall katsayısıdır ve sabit bir değerdir.

Hall Etkisi İletkenliğin elektronlarla gerçekleştiği metaller için

RH negatiftir: RH yukarıdaki formülden

hesaplandığında yük taşıyıcı sayısı da belirlenebilir.

Elektron hareketliliği

RH iletkenlik ölçülmüş ise RH yine hesaplanabilir.

Alüminyum için elektrik iletkenliği ve elektron

hareketliliği sırası ile 3.8x107 (.m)-1 ve 0.0012

m2/V.s.

25 A lik akım ve akım yönüne dik 0.6 Tesla lık

manyetik alanda 15 mm kalınlığında alüminyum

numune için Hall voltajını hesaplayın.

= 3.8x107 (.m)-1

e= 0.0012 m2/V.s.

Ix = 25 A

Bz= 0.6 Tesla

problem

önce Hall katsayısını bulmalıyız!

Çözüm için önce Hall katsayısını bulmak gerekir.

No problem!

Yarı iletken cihazlar Yarı iletkenlerin benzersiz özelliklerinden belirli

elektronik fonksiyonların elde edilmesinde

yararlanılır. Eski tip vakum tüplerinin yerini alan

diyod ve tranzistörler bu uygulamalara örnektir.

Yarı iletken cihazların (bazen katı-hal/solid-state

cihazları da denir!) avantajlarını,

küçük boyut,

düşük güç tüketimi,

ısınma süresine gerek olmayışı

şeklinde sıralayabiliriz.

Yarı iletken cihazlar Küçük bir silisyum çipi üzerine sayısız elektronik

fonksiyon gerçekleştirebilen çok sayıda çok küçük

devre sığdırılabilir.

Minyatür devreleri mümkün kılan yarı iletken

cihazların keşfi, son yıllarda elektronik

sektöründe görülen baş döndürücü gelişmenin

mimarıdır.

p-n tipi redresör Redresör (veya diyod) akımın sadece tek yönde geçmesine

izin veren bir cihazdır; alternatif akımı doğru akıma çevirir.

P-n tipi yarı iletken redresörün icadından önce bu operasyon

vakum tüp diyod tarafından gerçekleştirilirdi.

P-n tipi redresör, bir yüzünde n-tipi, diğer yüzünde p-tipi

olacak şekilde doplanmış tek parça yarı iletkenden imal

edilmiştir.

n- ve p-tipi malzemeler birleştirilirse iki kısım arasında bir

yüzey bulunacağından ve bu da cihazı verimsiz kılacağından

zayıf bir redresör elde edilir;

Ayrıca tüm cihazlarda tek kristal yarı iletken malzemeler

kullanılmalıdır. Çünkü verimliliği olumsuz etkileyen tüm

olaylar tane sınırlarında gerçekleşmektedir.

P-n malzemeye Potansiyel uygulanmadan önce: p-

tarafında boşluklar ve n-tarafında elektronlar esas

yük taşıyıcılar.

P tarafına bir pilin pozitif kutbu n tarafında pilin

negatif kutbu bağlandığında P tarafındaki boşluklar

ve n tarafındaki elektronlar bağlantı ara yüzeyine

akın ederler. Burada birleşerek birbirlerini yok eder

elektron + boşluk enerji

Bu durumda çok sayıda yük taşıyıcı hareket eder ve

akım geçer, direnç düşüktür.

P-n tipi redresör

Bir ucu B diğer ucu P ile doplanmış tek parça yarı

iletken malzeme Voltaj yok:net akım yok

Düz alan: p-tipte boşluk, n-tipte

elektron akışı: boşluk ve e-lar

arayüzeyde birleşiyor ve akım

geçiyor:

Ters alan: boşluk ve elektronlar

arayüzeyden uzaklaşır.

Bağlantıda yük taşıyıcı kalmaz ve

çok az akım geçer.

p-n tip redresör

+

+

+ +

+

- -

-

-

- p-type n-type

+

+

+ +

+

+

-

-

-

-

-

p-type n-type

+

+ +

+

+

- -

- -

-

p-type n-type +

—

—

p-tarafında boşluklar ve n-tarafında

elektronlar esas yük taşıyıcılar.

elektron + boşluk enerji

P tarafına pilin negatif kutbu n tarafında pilin pozitif

kutbu bağlandığında

P tarafındaki boşluklar

ve n tarafındaki

elektronlar bağlantı

ara yüzeyinden

uzaklaşırlar.

Negatif ve

pozitif yük taşıyıcıların

uzaklaşması ile bağlantı

arayüzeyi yalıtkan hale

gelir.

p-n tipi düzeltici bağlantı

transistor Günümüzde mikro elektronik devrelerde çok

önemli bir yarı iletken cihaz olan tranzistör 2

önemli fonksiyon yerine getirir.

elektrik sinyallerini yükseltirler (Triot, Vakum

tüplerinin işlevini yerine getirirler!)

Ayrıca, bilgisayarlarda bilginin proses edilmesi ve

depolanması için anahtar görevi yaparlar.

2 temel cihaz bağlantı tranzistörü ve

Metal oksit yarı iletken alan etki tranzistör

(MOSFET)

Bağlantı tranzistörleri

Bağlantı

tranzistörleri

sırt sırta

yerleşmiş 2

adet p-n

bağlantısından

oluşur.

Ortaya çıkan

konfigürasyon:

n–p–n veya p–

n–p

potansiyel uygulandıktan sonra

elektron ve boşluk hareketlenmeleri

Bağlantı tranzistörleri Voltaj amplifikasyonu: arayüzeyden boşluk transferi

Verici p-tipi ve 1. arayüzey düz

alanda olduğu için çok sayıda

boşluk araya geçer. Bu boşluklar

n-tipinde azınlık taşıyıcılarıdır ve

bazıları çoğunlukta olan

elektronlarla birleşir.

Fakat bağlantı çok dar olduğu

için bu boşlukların büyük kısmı

birleşme olmadan karşı tarafa, p-

tipi yarı iletkene geçer. Böylece

p-tipindeki elektrik yük taşıyıcısı

sayısı artar.

çok az bir gerilim uygulaması ile

yüksek bir gerilim çıktısı sağlanır.

n-p-n tipi bağlantı tranzistörleri de bu prensiple

çalışır.

Onlarda transfer edilen boşluklar değil, elektronların

kendisidir.

Bağlantı tranzistörleri

Piezoelektrik malzemeler

basınçsız Basınç voltaj Uygulanan voltaj

genleşme

Piezoelektriklik–

Basınç uygulanması akım meydana getirir.

Ferroelektrik seramikler Ferroelektrik seramikler Curie sıcaklığı altında TC =

120ºC dipolardır. Tc altına kuvvetli elektrik alanında

soğutulduklarında kuvvetli dipol momenti oluşur.

yalıtkanlar

Malzemelerin Dielektrik Özelliği

(Yalıtkanlar)

Yalıtkanlık

Yalıtkan Cisimlerin Elektriksel Özellikleri

Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri

Gaz Yalıtkanlar

Sıvı Yalıtkanlar

Enerji-Bant Diyagramları

Yalıtkan Yarı iletken İletken

Bant-enerji diyagramları

valens bandı valens bandı valens bandı

iletim bandı

iletim bandı iletim bandı

Eg 6 eV 2.5>Eg>0.5 eV

Yalıtkanlarda dolu

valens bandı boş

iletkenlik bandından

geniş bir aralıkla

(>2 eV) ayrılır.

Elektronların

iletkenlik bandına

çıkmaları güçtür.

yalıtkanlarda enerji bant yapısı

bant aralığı (>2 eV) Ef

Enerji

boş enerji

bandı

dolu

valens

bandı

dolu

bant

Yalıtkanlar Yalıtkanlarda, tıpkı yarı iletkenlerde olduğu gibi,

dolu valens bantlarına bitişik boş enerji seviyeleri

bulunmaz.

Elektronların serbest hale geçmeleri için enerji

bant aralığını aşarak iletken bandının en altındaki

boş seviyelere hareketlendirilmeleri gerekir.

Bu ancak bu 2 seviye arasındaki enerji farkı kadar

bir enerjinin (enerji bant aralığı kadar)

elektronlara verilmesi ile mümkün olur.

Yalıtkanlarda bant aralığı yarı iletkenlerde

olduğundan çok daha geniştir.

bir elektronun valens bandından iletken bandına

hareketlendirilmesinden sonra valens bandında boşluk oluşur.

Yalıtkanlar İleti

m

bandı

Vale

ns

bandı enerj

i

e- sıçraması

Ef Ef

Bant aralığı

Valens

bandında

boşluk

Isı enerjisi ile iletken bandına hareketlendirilen

elektronların sayısı enerji bant aralığının

büyüklüğüne ve sıcaklığa bağlıdır.

Belli bir sıcaklıkta enerji bant aralığı ne kadar

büyük ise, bir valens elektronunun iletken bandı

içinde bir enerji seviyesine atlaması olasılığı o

kadar azdır.

Bu durumda serbest elektronların sayısı az

olacaktır.

Belirli bir sıcaklıkta enerji bant aralığı büyük olan

bir malzemede iletkenlik de düşük olacaktır.

Yalıtkanlar

Yalıtkanlar ve yarı iletkenler arasındaki fark

enerji bant aralığının büyüklüğündedir.

Bu aralık yarı iletkenler için küçük, yalıtkanlar

için büyüktür.

Bir yarı iletken ve yalıtkan malzemenin

sıcaklığının yükseltilmesi, ısıl enerjinin yani

elektronları hareketlendirme için gerekli

enerjinin artması demektir.

Böylece iletken bandına geçen elektronların

sayısı ve iletkenlik artar.

Yalıtkanlar

Yalıtkanların iletkenliği bağ yapısı üzerinden de

açıklanabilir.

yalıtkan malzemelerde atomlar arası bağ ya iyonik

ya da kuvvetli kovalent bağdır.

Dolayısı ile valens elektronları atomlara sıkı sıkı

bağlıdır. Serbest kalmaları ve yapıda

hareketlenmeleri imkansızdır.

Yalıtkanlar

Yalıtkanlar Elektrik akımı iletmeyen malzemeler yalıtkanlar

grubuna girerler.

En dış yörüngedeki serbest elektron sayısı altı’dan

fazla olan maddelerin elektronları atom

çekirdeğine sıkı sıkıya bağlıdır. Dolayısıyla elektriği

iletmezler.

Ancak her yalıtkan belirli şartlar altında belirli bir

iletkenlik gösterirler.

Yalıtkan malzemelerin yalıtkanlık dereceleri, ısı,

yüksek değerli elektriksel basınç, rutubet etkisi

veya yabancı cisimlerle etkileşim sebebiyle

değişebilir.

kapasitörler

Yalıtkanlar elektrik dipol yapısı sergiler: moleküler

veya atomik ölçekte pozitif ve negatif yüklü unsurlar

birbirinden ayrılmıştır.

Dipollerin elektrik alanları ile etkileşimleri sayesinde

yalıtkanlar kapasitörlerde kullanılır.

kapasitans Bir kapasitöre gerilim uygulandığında, plakalardan

biri pozitif, diğeri negatif yüklenir ve elektrik

alanı pozitif plakadan negatif yüklü olana yönlenir.

Bu plakalardaki elektrik yükü (Q) ile kapasitans

(C) arasındaki ilişki

Burada V kapasitöre uygulanan gerilimdir.

Kapasitansın birimi C/V veya Farad’dır (F).

C = V

Q

Vakumda paralel

plaka kapasitörü

l vacuum E = V/l

D0=0E

A plakaların alanı, l aralarındaki uzaklıktır.

0 : vakumun geçirgenliği; 8.85 x 10-12 F/m

Aralarında vakum

olan paralel plakalı

bir kapasitörün

kapasitansı:

kapasitörler

A

Arasında yalıtkan

bulunan paralel

plaka kapasitörün

kapasitansı

Burada yalıtkan maddenin geçirgenliği; > 0

Dielektrik sabiti olarak bilinen bağıl geçirgenlik

r = / 0 > 1

Plakaların arasında yalıtkan madde konması ile yük taşıma

kapasitesindeki artışı ifade eder.

kapasitörler

Kapasitör özelliklerinin hesabı 6.45x10-4 m2 yüzey alanına sahip paralel plaka kapasitörüne

10V gerilim uygulanıyor. Plakaların arasına dielektrik sabiti

6.0 olan bir madde yerleştirilirse,

a) Kapasitans ne olur?

b) Her bir plakada depolanan elektrik yükünün büyüklüğü

nedir?

Önce yalıtkan maddenin geçirgenliği hesaplanmalıdır:

Daha sonra kapasitans hesaplanır:

Yalıtkan Cisimlerin Elektriksel Özellikleri Yalıtkan Delinmesi:

Aslında elektrik akımını hiç geçirmeyen madde

yoktur. Yalıtkan olarak bilinen maddeler "çok az"

bir akım geçirirler.

Yalıtkana uygulanan gerilim arttıkça geçirdiği akım

da artmaya başlar. Belli bir gerilim seviyesinden

sonra yalıtkan tamamen iletken olur.

Buna yalıtkanın delinmesi denir.


Yalıtkan Delinmesi:

Elektrik ve elektronik çalışmalarında kullanılan el

takımlarının sap izoleleri incelenecek olursa,

burada yalıtkanın dayanabileceği son (maksimum)

gerilim değeri yazılıdır.

Örneğin penselerin sap izolesinde 10.000 Volt yazar.

Bu, plastik yalıtkan 10.000 Volt'tan sonra iletken

hale geçebilir anlamı taşır.

Sızıntı akımlarına karşı dayanım:

Bir yalıtkanın dış yüzeyinde mevcut olan yabancı

maddeler bu yüzden sızıntı akımı olarak

adlandırılan bir akım akışına neden olurlar.

Yalıtkanın sızıntı akımının oluşmasına karşı

gösterdiği dirençliliğe sızıntı akımı dayanımı

denir.


Dielektrik dayanımı Yalıtkanlara çok kuvvetli elektrik alanları

uygulandığında çok sayıda elektron birden iletim

bandındaki enerji seviyelerine hareketlenebilirler.

Böylece yalıtkandaki elektrik akımı dramatik şekilde

artar.

Bu gibi durumlarda bölgesel ergime, yanma,

buharlaşma yaşanabilir ve yalıtkan malzemede hasar

oluşur. Buna yalıtkanın iflası denir.

Dielektrik dayanımı bu gibi bir hasar yaşanmadan

yalıtkana uygulanabilecek elektrik alanının şiddetini

ifade eder.

Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri

Dielektrik dayanımı:

Bir yalıtkan malzemeyi iletken hale sokmaksızın

birim kalınlığı başına uygulanacak en büyük

gerilim değeri dielektrik dayanımı olarak

adlandırılır.

kV/mm birimi kullanılır.


Isıl kaçak: Yalıtkan malzeme içinde belirli miktarlarda

yabancı madde var ise, bir sızıntı akımı başlar ve bu

akım malzemeyi ısıtmaya başlar. Sonrada sızıntı

akımının yolunu izleyen esas kaçak akım başlar. Kaçak

akım ısınma neticesinde ortaya çıktığı için buna ısıl

kaçak denir.

Erozyon kaçağı: Bazen de yalıtkan malzemede

üretimden kaynaklanan mikroskobik kaçaklar mevcut

olabilir. Bu durumda da erozyon kaçağı adı verilen

kaçak akımlar oluşur.


Elektriksel direnç değerleri:

Gerilim altında bulunan bir malzemenin göstermiş

olduğu direnç değeridir.

Ölçülen izolasyon direncinden yararlanılarak, birim

boyut başına hesaplanan değere, o yalıtkanın

özgül direnci denir.

Birimi Ω.cm’dir.


Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri Dielektriksel kayıp faktörü:

Dielektriksel kayıpların bir ölçeğidir. Bunlar

yalıtkan malzemelerde ısı olarak açığa çıkarlar.

Bu kayıplar, gerilimin büyüklüğüne, sıcaklığa ve

frekansa bağlı olarak değişirler.

Genellikle yüksek frekanslarda artan bir değer

gösterirler. Bu nedenle yüksek frekanslarda çok

özel yalıtkanlı (polietilen vb.) kablolar kullanılır.

Yalıtkanların Elektriksel

Özellikleri

Yalıtkanların ark dayanımları:

Elektrik arkı etkisine maruz kalan bir yalıtkanın

ne ölçüde akım geçireceği ve nasıl bir değişime

uğrayacağı ancak test yapmakla anlaşılabilir.

yalıtkanlar

Yalıtım işlerinde ve kapasitörlerde çeşitli seramik ve

polimerler kullanılır. Cam, porselen, steatit ve mika gibi

bir çok seramiğin dielektrik sabit değeri 6 ile 10 arasında

değişir.

Bu malzemeler ayni zamanda yüksek boyutsal kararlılık

ve mekanik dayanım gösterirler.

Tipik uygulamalar enerji nakil hatları, elektriksel her

türlü yalıtım, anahtar donanımları ve ampül duyları.

Titanyum oksit (titanit) ve özellikle Baryum titanit

(BaTiO3)’in dielektrik sabiti çok arttırılabilir ve bu

sayede kapasitör uygulamaları için idealdirler.

Bir çok polimerin dielektrik sabiti

seramiklerinkinden daha küçüktür. Bu malzemeler

iletken tellerin, kabloların, motorların,

jeneratörlerin yalıtımında ve bazı kapasitörlerde

kullanılır.

yalıtkanlar

Yalıtım Malzemeleri Berilyum Oksit

Seramik beyaz renkli katı bir

malzemedir.

Yüksek değerde ısı iletkenliği

gereken yerlerde elektriksel

izolasyon malzemesi olarak

kullanılır.

Elektriksel izolasyon

için ısı emici pulcuklar

elektriksel izolasyon için ısı emici pulcuk

şeklinde imal edilmekte ve kullanılmaktadır.

Zehirlidir toz halindeyken solunması ciddi

akciğer rahatsızlıklarına neden olur.

Yalıtım Malzemeleri

A.B.S. (Acrylonitrile

Butadiene Styrene) Akrilonitril, bütadien, ve

sıvı hidrokarbon

bileşiminden oluşan plastik

bir malzemedir.

Dielektrik dayanımı

20MV/m’dir.

Bir çok cihazın dış

kaplamasında kullanılır.

Yalıtım Malzemeleri A.B.S.

A.B.S. kaplamalı mikser ve telefon

Yalıtım Malzemeleri Asetat

Elektriksel yönden iyi bir izolasyon özelliğine sahip olduğundan elektriksel güvenlik ekipmanlarında, elekriksel yalıtkanlık istenilen yerlerde kullanılır.

En çok sinema ve mikrofilmlerin imalatında kullanılır.


Asetat

Asetat uygulamaları


Akrilik Yalıtkanlığın yanı sıra

katılık ve şeffaflık

özelliğinin birlikte

bulunması gerektiği

yerlerde akrilik

kullanılır.

Işıklandırılmış işaretler,

otomobillerin arka

lambaları, ışıklandırma

üniteleri v.b.


Akrilik

Otomobil panel göstergesi ve stop lambası

Yalıtım Malzemeleri Seramik

Seramik çoğunluğu metal ve

ametal malzemelerin

karışımından meydana gelen

oksitlerdir.

Yüksek sıcaklık iletkenliği

yardımıyla iyi derecede

elektriksel izolasyon özelliği

sağladığı gibi elektronikte

direnç, kapasitör v.b.

yapımında kullanılmaktadır.


Seramik:

Seramik izolatörler ve soket


Cam

Silisyum, sodyum, potasyum karbonatları, kireç ve

kurşun oksitleri gibi türlü maddelerin

ergitilmelerinden elde edilir.

Esas rengi saydam ve şekilsizdir.

Sıcak olarak çeşitli şekillere girdirilebilir.

Su, yağ ve asitlerden etkilenmez.

Kırılgan olup ani ısı değişimlerinde çatlama eğilimi

gösterir.

Yalıtım Malzemeleri Porselen Pişmiş beyaz renkte

yalıtkan bir topraktır.

Su geçirmez

Dayanıklı, sert,

ani ısı değişimlerinden

(0-100C) ve

asitlerden

etkilenmezler.

Isıyı çok az geçirir,

kırılgandır.


Polivinilklorür – PVC Polyvinylcloride veya kısaca PVC belki en çok

yaygın olan bir izolasyon malzemesidir.

Saf halde iken cam gibi kırılgandır.

İçine yağ kapsayan maddeler katılınca özellikleri

değişir ve ısı ile plastikleşir.

Elektrik akımı taşıyan kabloların büyük bir

çoğunluğu PVC ile kaplanarak yalıtılır.

Elektrikli ve elektronik cihaz gövdeleri genellikle

PVC’den imal edilirler.

Diğer Yalıtım Malzemeleri

Delrin Teflon Kapton Kynar

Lexan ve

Merlon Melamin Mika Neopren

Nomex Naylon Phenolics Polyester

Poliüretan Silikon

kauçuk

Epoksi

Fiberglas

Silikon

Fiberglas

Plastik Ebonit

Gaz Yalıtkanlar İyonize olmadıkça iletken duruma geçmezler.

Çeşitli gazlara ait dielektrik sabitleri normal

sıcaklıkta birbirine eşittir. Bunlara ait fark %3 'ü

geçmez.

Bu değerler, sıcaklık ve basınç değişmesiyle farklı

olabilir.

Gazların dielektrik dayanımları sıcaklığa, basınca,

elektrot şekline, elektrotlar arası uzaklığa göre

değişir.

Basınç arttıkça dielektrik dayanım azalır.

Gaz Yalıtkanlar Hava

Havanın içindeki toz, kömür, nem gibi maddeler

iletkenliğini artırır yani yalıtkanlığını azaltır.

Yüksek gerilimde enerji taşıyan hatlarda doğal bir

yalıtkan olarak işlev görür.

Kondansatör ve transformatör gibi araçlarda ise

yalıtkan bir çekirdek görevi görür.

Sıvı Yalıtkanlar Şalter Yağı:

Çalışması esnasında ark oluşturan şalter gibi

cihazlarda oluşan ısıyı hızlı bir şekilde almak ve

arkın kısa bir zamanda sönmesini sağlamak

amacıyla kullanılır.

Sıvı Yalıtkanlar Transformatör Yağı:

Tranformatör yağı, hem yalıtkanlık hem de

soğutma amaçlı kullanılır. Genellikle madeni

yağlar kullanılır. Tranformatör yağının bazı

aşağıda verilmiştir :

Katılaşma noktası

Parlama ve yanma noktası

Isı iletimi

Akıcılık (viskozite) v.b.

Isıl özellikler

malzemeler ısıya maruz kaldıklarında nasıl

davranırlar?

malzemelerin ısıl özelliklerini nasıl tanımlar ve

ölçeriz?

Isı kapasitesi

Isıl genleşme

Isıl iletkenlik

Isıl şok direnci

Seramikler, metaller ve polimerlerin ısıl özellikleri

arasındaki farklar nelerdir?

işleyeceğimiz konular

Özgül ısı

Isı iletkenliği

Isıl difüzivite

Isıl genleşme katsayısı

Yüzey ısı transfer katsayısı

Hissedilir ve gizli ısı

Entalpi

Malzemelerin ısıl özellikleri

Silika fiber: yalıtkan

malzeme.

1250C’deki fırından

alındıktan sadece

saniyeler sonra

köşelerinden çıplak

elle tutulabiliyor.

İlk anda yüzeyden ısı

transferi son derece

hızlı. Fakat

malzemenin ısıl

iletkenliği çok düşük

ve içi akkor sıcak

kalıyor.

Malzemelerin ısıl özellikleri

termostat Termostat: malzemelerin ısıl

genleşme özelliklerinden

yararlanarak sıcaklığı

düzenlemeye yarayan bir

cihaz.

Çift metal şerit Genleşme katsayıları farklı 2 metal birleştirilmiş

Bakır

demir

ayrı

birleştirilmiş

termostat Bu cihazdaki en önemli parça ısıl genleşme

özellikleri farklı 2 metalik şerit birbirlerine

yapıştırılarak elde edilen parçadır.

Sıcaklık değiştiğinde 2 şeritten biri daha fazla

uzadığından şerit parça eğilir.

Termostatlarda çift metal şeriti spiral veya sargı

şeklinde uygulanarak uzun yapılmak ve böylece bir

sıcaklık değişiminin etkisi arttırılmak, işlev daha

hassas kılınmak istenir.

termostat Bu sargının sonunda bir civa anahtarı (içinde birkaç

damla civa bulunan küçük bir cam tüp) bulunur.

şerit ucundaki hareketlenme anahtarı ileri veya geri

iter.

Sonuçta civa ampül içinde bir uçtan diğerine

hareketlenir.

Sıcaklık termostatın ayarlanmış sıcaklık değerine

erişip, civa uca ulaştığında elektriksel temas

sağlanmış ısıtma veya soğutma ünitesi devreye

girmiş olacaktır.

sınır değere erişildiğinde ve tüp diğer yönde

hareketlendiğinde civa diğer uca döner ve

elektriksel temas kesilir.

Isı kapasitesi Katı malzemelerin sıcaklıkları, ısıtıldıklarında artar.

Bu ısı enerjisinin malzeme tarafından emildiğini

gösterir.

Isı kapasitesi bir malzemenin çevresinden ısı alma

kapasitesini ifade eden bir özelliktir.

Kantitatif olarak: 1 mol malzemenin sıcaklığını 1

birim yükseltmek için gerekli enerji miktarı.

Isı kapasitesi

(J/mol-K)

Enerji tedariği (J/mol)

Sıcaklık değişimi (K)

Isı kapasitesi

ısı kapasitesi 2 tür: Cp : sabit basınçta ölçülen ısı kapasitesi.

Cv : sabit hacimde ölçülen ısı kapasitesi.

Genellikle Cp > Cv

ısı kapasitesinin birimi Kmol

J

dT

dQC

Özgül ısı birim kütle için ısı kapasitesini gösterir.

Ancak oda sıcaklığından ve

daha düşük sıcaklıklarda bu

fark bir çok katı madde için

çok küçüktür.

Atomik titreşimler Atomik titreşimler kafes dalgaları veya fononlar şeklindedir.

Atomların normal kafes konumları

Titreşimler sonucunda yeni konumları

Bir kristal

yapıda atomik

titreşimler

vasıtası ile

oluşan kafes

dalgaları

Titreşimsel ısı kapasitesi Bir çok katı maddede ısı enerjisinin esas sindirilme şekli

atomların titreşim enerjilerindeki artış şeklindedir.

Katılardaki atomlar çok yüksek frekanslarda ve oldukça

küçük genliklerde titreşim halindedir.

Bu titreşimler birbirlerinden bağımsız olmaktan ziyade,

aralarındaki atomik bağlar sayesinde bağlantılıdır.

Bu titreşim koordinasyonu kristal yapıda hareket eden

dalgalar oluşur.

Bu dalgaları kristal yapıda ses hızında hareket eden

elastik dalgalar veya basit olarak kısa dalga boylarında

ve çok yüksek frekanslardaki ses dalgaları gibi

düşünebiliriz.

Titreşimsel ısı kapasitesi Bir malzemenin titreşimsel ısıl enerjisi dağılımları

ve frekansları belirli bir aralıkta değişen bir dizi

elastik dalgadan oluşur.

Sadece belirli enerji değerleri mümkündür. Tek bir

titreşim enerjisi birimine fonon adı verilir: fonon

elektromanyetik radyasyon enerjisi birimi

fotonun eş değeridir.

Elektronik iletim sırasında serbest elektronların ısıl

saçılması bu titreşim dalgaları ile olur.

Bu elastik dalgalar Isı iletimi ile enerji taşınmasına

da katılırlar.

Isı kapasitesinin sıcaklığa bağlılığı Isı kapasitesi 0 K’de «0» dır fakat sıcaklık artışı ile

süratle artar.

Bu durum sıcaklık artışı ile kafes dalgalarının

ortalama enerjilerini attırma kabiliyetinin artması

ile ortaya çıkar.

Düşük sıcaklıklarda Cv ile mutlak sıcaklık, T,

arasındaki ilişki:

A sıcaklıktan bağımsız bir sabittir.

Isı kapasitesinin sıcaklığa bağlılığı

Debye sıcaklığı (D) denen sıcaklığın üzerinde Cv

artış hızını kaybeder ve 3R değerinde (R gaz

sabiti) sıcaklıktan bağımsız hale gelir.

Dolayısı ile malzemenin toplam enerjisi artan

sıcaklıkla artmakla beraber, malzeme sıcaklığını 1

derece arttırmak için gerekli enerji miktarı

sabittir.

Bir çok katı madde için D değeri oda sıcaklığının

altındadır ve oda sıcaklığında Cv için 25 J/mol K

değeri makul bir tahmini değerdir.

Isı kapasitesi

sıcaklıkla artar.

katılar için 3R

seviyesinde bir

sınıra ulaşır.

D: Debye Sıcaklığı

Isı kapasitesinin sıcaklığa bağlılığı

Sıcaklık (K) D

ısı

kapasi

tesi

, C

v

3R Cv = sabit

R = gaz sabiti = 8.31 J/mol-K

genellikle T oda‘dan daha düşük

katıda enerji atomik titreşimler olarak depolanır.

sıcaklık arttıkça atomik titreşimlerin ortalama enerjisi artar.

incre

asin

g c

p

Özgül ısı: karşılaştırma malzeme cp (J/kg-K) Toda

polim

er polipropilen

polietilen

polistren

teflon

1925

1850

1170

1050

sera

mik

Magnezya (MgO)

cam

Alümina (Al2O3)

940

840

775

meta

l alüminyum

çelik

tungsten

altın

900

486

138

128

Art

an c

p

Cp (ısı kapasitesi): (J/mol-K)

Metalik malzemelerin ısıl özellikleri Cp (J/kg.K) l (C

-1 x 10-6) k (W/m.K)

alüminyum 900 23.6 247

bakır 386 17.0 398

altın 128 14.2 315

demir 448 11.8 80

nikel 443 13.3 90

gümüş 235 19.7 428

tungsten 138 4.5 178

1025 çeliği 486 12.0 51.9

316 paslanmaz çelik 502 16.0 15.9

Pirinç (70Cu-30Zn) 375 20.0 120

Kovar 460 5.1 17

İnvar 500 1.6 10

Süper invar 500 0.72 10

Malzemelerin ısıl özellikleri Cp (J/kg.K) l (C

-1 x 10-6) k (W/m.K)

Alümina(Al2O3) 775 7.6 39

Magnezya (MgO) 940 13.5 37.7

Spinel (MgAl2O4) 790 7.6 15.0

Fused silika (SiO2) 740 0.4 1.4

Soda camı 840 9.0 1.7

Pyrex camı 850 3.3 1.4

polietilen 1850 106-198 0.46-0.50

polipropilen 1925 145-180 0.12

polistren 1170 90-150 0.13

teflon 1050 126-216 0.25

nylon 1670 144 0.24

poliizopren - 230 0.14

sera

mik

ler

polim

erl

er

Diğer ısı kapasitesi katkıları Bir malzemenin toplam ısı kapasitesine katkı yapan diğer

enerji emme mekanizmaları da vardır.

Ancak bu mekanizmalar ısıl titreşimler yanında

önemsizdir.

Isı kapasitesine Elektronik katkı:

Elektronlar kinetik enerjilerini yükselterek enerji emerler.

Bu sadece serbest, dolu valens bandı konumlarından

Fermi enerjisi üstündeki boş konumlara hareketlendirilen

elektronlar için geçerlidir.

Metallerde sadece Fermi seviyesine yakın konumlardaki

elektronlar bu gibi geçiş hareketlerine yatkındırlar ve bu

kabiliyette olanlar toplam elektron sayısının çok az bir

oranıdır.

Diğer ısı kapasitesi katkıları Yalıtkan ve yarı iletkenlerde ise bunu becerebilen

elektronların oranı daha da azdır.

0 K civarındaki sıcaklıklar dışında bu elektronik

katkı ihmal edilebilir seviyelerdedir.

Bazı malzemelerde spesifik sıcaklıklarda başka

enerji emme prosesleri vardır.

Mesela, Ferromanyetik malzemeler Curie

sıcaklıklarına ısıtıldıklarında elektron spinleri

düzensizleşir.

Bu dönüşüm sıcaklığında ısı kapasitesi sıcaklık

değişim eğrisinde ani bir yükselme görülür.

Isıl genleşme malzemeler ısıtıldığında uzar ve soğuduğunda

büzülür.

ısıl genleşme atomlar arasındaki ortalama

mesafenin artmasıdır.

0 K derecedeki atomlar arası uzaklık, denge

mesafesi, potansiyel enerji çukurunun dibidir.

yüksek sıcaklıklara ısıtıldıkça titreşim enerjisi

yükselir.

Ortalama atom titreşim genliği her bir sıcaklıkta bu

eğrinin iki ucu arasındaki mesafe ile, ve ortalama

atomlararası uzaklık da ortalaması ile temsil edilir.

Ortalama atomlar arası uzaklık sıcaklıkla artar.

asimetrik eğri: sıcaklık

artarken, atomlar arası

uzaklık da artar; bu da ısıl

genleşmedir.

Potansiyel enerji–atomlar arası mesafe

simetrik eğri: sıcaklık artarken,

atomlar arası uzaklıkta artış yok.

dolayısı ile ısıl genleşme de yok!

Isıl genleşme Isıl genleşme, artan sıcaklıkla atomik titreşimlerin genliğinin

artmasından ziyade bu potansiyel enerji eğrisinin asimetrik

karakterinden kaynaklanır.

Potansiyel enerji eğrisi simetrik olsaydı, ortalama atomlar

arası uzaklıkta bir değişiklik ve dolayısı ile ısıl genleşme

olmazdı.

Her bir malzeme grubu için (metaller, seramikler, polimerler),

atom bağ kuvveti arttıkça, bu potansiyel enerji eğrisi daha

derin ve daha dar hale gelir.

Sonuçta, sıcaklıktaki bir artış ile atomlar arası mesafedeki

artış da daha küçük olur ve daha küçük bir genleşme katsayısı

değeri ortaya çıkar.

Sıcaklık artışı ile ısıl genleşme katsayısının değeri artar.

Isıl genleşme

Sıcaklık değiştiğinde malzeme boyutları da değişir.

)(ilk

ilkson TilkTson

Isıl genleşmenin lineer katsayısı (1/K veya 1/ºC)

Tilk

Tson

ilk

son

Tson > Tilk

l lineer ısıl genleşme katsayısı, bir malzemenin

ısıtıldığında ne kadar uzayacağını temsil eden bir

malzeme özelliğidir.

Isıl genleşme ısıtma ve soğutma bir katı malzemenin boyutlarını

etkiler ve sonuçta hacim değişikliği de olur.

sıcaklıkla hacim değişikliği

V ve V0: hacimdeki değişim ve ilk hacim

v: ısıl genleşmenin hacimsel katsayısı

Bir çok malzemede v değeri anizotropiktir; yani

ölçümün yapıldığı kristal yönüne bağlıdır.

Isıl genleşmenin izotropik olduğu malzemeler için,

v 3 l.

Isıl genleşme katsayısı-karşılatırma malzeme l (10-6/C) Toda

polim

er polipropilen

polietilen

polistren

teflon

145-180

106-198

90-150

126-216

meta

l

Alüminyum

altın

çelik

tungsten

23.6

14.2

12.0

4.5

sera

mik

Magnezya (MgO)

Cam

Alümina (Al2O3)

Silika (kris. SiO2)

13.5

9.0

7.6

0.4

Art

an

l

zayıf ikincil

bağlar

sayesinde

değerleri

büyüktür.

Isıl genleşme: örnek

15 m uzunluğunda bir Bakır tel 40 C’den -9 ºC’ye

soğutulmuştur. Boyu ne kadar değişecektir?

16.5 x106 ( C)1Cu için

mm 12m 012.0

)]C9(C40[)m 15)](C/1(10 x5.16[ 6

0

T

Metallerde ısıl genleşme

Popüler metaller için lineer ısıl genleşme katsayıları

5 .10-6 ile 25 .10-6(C-1) arasında değişir.

Bu değerler polimerlerin ve seramiklerinkilerin

arasında bir yerdedir.

Sıcaklık değişimlerine direnç göstermesi ve boyutsal

kararlılığını koruması gereken uygulamalar için

düşük ısıl genleşmeli ve kontrollü ısıl genleşmeli

malzemeler geliştirilmiştir.

Invar ve diğer düşük genleşmeli alaşımlar Bir demir-nikel alaşımıdır ve oda sıcaklığı ve 230C

arasında çok düşük, yaklaşık «0» seviyesinde bir

ısıl genleşme katsayısına sahiptir.

Bu alaşım düşük-kontrollü ısıl genleşmeye sahip

metalik malzemelerin en önemlisidir.

Bileşimi: 64 ağ% Fe–36 ağ% Ni’dir.

İsmini de bu özelliğinden almaktadır.

Oda sıcaklığındaki ısıl genleşme katsayısı: 1.6.10-6

(C-1)

Seramiklerde ısıl genleşme

Seramik malzemelerde atomlar arası bağlar

kuvvetlidir.

Bu nedenle, seramiklerin ısıl genleşme katsayıları

düşüktür 0.5 x 10-6 15 x 10-6 C-1

amorf ve kübik kristal yapılı seramiklerde l

izotropik, kübik olmayan kafes yapılı diğerlerinde

ise anizotropiktir.

İnorganik camlarda genleşme katsayısı bileşime

bağlıdır.

Seramiklerde ısıl genleşme Fused silika (yüksek saflıkta SiO2 camı) küçük

genleşme katsayısına sahiptir: 0.4 x 10-6(C-1).

Bu durum düşük atomik istiflenme yoğunluğundan

kaynaklanır. Atomlar arasındaki açılma makro

ölçekte ancak küçük değişimler verir.

Çalışırken ısıl değişimlere uğrayan seramik

malzemeler küçük ve izotropik ısıl genleşme

katsayılarına sahip olmalıdır.

Aksi takdirde bu kırılgan malzemeler, termal

şoka bağlı homojen olmayan boyutsal değişimlere

ve buna bağlı gerilmelere uğrar ve kırılırlar.

Polimerlerde ısıl genleşme Bazı polimerler ısıtıldıklarında çok şiddetli ısıl

genleşme tecrübe ederler.

Isıl genleşme katsayıları 50 x 10-6 ile 400 x 10-6 C-1

aralığında değişir.

En yüksek l değerleri, ikincil moleküller arası

bağları zayıf ve çapraz bağlanmalar en az seviyede

olduğu için lineer bağlı polimerlerde görülür.

Çapraz bağlanmanın artması ile genleşme katsayısı

düşer.

En düşük genleşme katsayıları bağlanmanın

tamamının kovalent esaslı olduğu fenol formaldeit

gibi termo-set polimerlerde görülür.

Polimerlerde ısıl genleşme lineer bağlı

polimerler:

ikincil moleküller

arası bağları zayıf ve

çapraz bağlanmalar

en az seviyede olduğu

için yüksek l

değerleri

Çapraz bağlı

polimerler:

Düşük genleşme

katsayısı

Bir malzemenin ısıyı iletme kabiliyeti

Isı iletkenliği (W/mK)

Isı akısı

(W/m2)

Atomik ölçekte:

sıcak bölgelerdeki atomik titreşimler ve serbest

elektronlar ısı enerjisini daha soğuk bölgelere taşırlar.

T2 T2 > T1 T1

x1 x2 Isı akısı

Isı iletkenliği

dx

dTkq

Kararlı ısı akışı için

= k T2-T1

x2-x1

Isı iletim mekanizmaları

Katı malzemelerde ısı hem kafes titreşim dalgaları

(fononlar) (kl) hem de serbest elektronlar (ke)

tarafından taşınır.

Toplam iletkenlik bu 2 mekanizmanın katkılarını

içerir.

k = kl + ke

kl: kafes titreşimleri ile iletkenlik

ke: elektron ısıl iletkenliği; serbest elektronların

sayısındaki artış ile artar.

Pratikte bu iki mekanizmadan biri ön plana çıkar.

Isı iletim mekanizmaları kl katkısı

sıcaklık gradyanının bulunduğu bir maddede

fononların yüksek sıcaklık bölgelerinden düşük

sıcaklık bölgelerine hareketi ile meydana gelir.

ke katkısı

Bir maddenin sıcak bölgesinde serbest elektronlara

kinetik bir enerji yüklenir.

Bu elektronlar soğuk bölgelere hareketlenirler ve

kinetik enerjileri fononlarla veya kafesteki diğer

yapısal hatalarla çarpışma sonucunda bu soğuk

bölgelerdeki atomlara titreşim enerjisi olarak geçer.

Isı iletkenliği: karşılaştırma malzeme k (W/mK) Enerji transferi

meta

l

Altın

Alüminyum

Tungsten

çelik

315 Atomik titreşimler

ve serbest

elektronların

hareketi

247

178

52

sera

mik

Magnezya (MgO)

Alümina (Al2O3)

Soda camı

Silika (kris. SiO2)

38 Atomik titreşimler

39

1.7

1.4

polim

er polipropilen

polietilen

polistren

teflon

0.12 Zincir moleküllerin

titreşimi veya

rotasyonu 0.46

0.13

0.25

Art

an k

metaller Yüksek saflıktaki metallerde ısı iletimine elektron

katkısı fonon katkısından çok daha verimlidir. Çünkü,

elektronlar fononlar kadar kolay saçılmazlar ve daha

hızlıdırlar.

Cu-Zn alaşımları için bileşimle ısı

iletkenliği değişimi

Metaller, ısı taşımaya katkıda

bulunacak çok sayıda serbest

elektron sahibi oldukları için

mükemmel ısı ileticisidirler.

Metallerin ısı iletkenlikleri

20 ile 400 W/m K arasında

değişir. Isı iletk

enliği (W

/m

.K)

bileşim (ağ% Zn)

metaller

Cu-Zn alaşımları için bileşimle ısı

iletkenliği değişimi

Isı iletk

enliği (W

/m

.K)

bileşim (ağ% Zn)

Metalleri diğer elementlerle alaşımlamak tıpkı

elektrik iletkenliğinde olduğu gibi ısı iletkenliğini de

düşürür:

özellikle katı eriyikte

çözünmüş yabancı

atomlar saçılma

merkezleridir ve

elektron hareketliliğine

zarar verirler.

metaller Saf metallerde serbest elektronlar hem ısı hem de

elektrik iletkenliğinden sorumlu oldukları için, iki

iletkenlik birbirleri ile ilişkilidir:

Wiedemann–Franz kanunu:

L: 2.44 x 10-8 .W.K-2

L, ısı enerjisi tamamen serbest elektronlar

tarafından taşınıyorsa, sıcaklıktan bağımsız ve tüm

metaller için aynidir.

Isı iletkenliği

W/mK elektrik iletkenliği, (m)-1

Seramiklerde Isıl iletkenlik

Sıcaklık (C)

Isı iletk

enliği (W

/m

.K)

Metalik olmayan malzemeler

yeterli sayıda serbest e-ları

olmadığı için ısıl yalıtkandırlar.

Bu nedenle ısı iletiminden

fononlar sorumludur:

ke << kl

Diğer yandan, fononlar,

kafes hataları tarafından

saçıldıkları için, ısı

enerjisinin taşınmasında

serbest elektronlar kadar

etkili değildir.


Oda sıcaklığında seramiklerin ısı iletkenlikleri

yaklaşık 2 ile 50 W/m K arasında değişir.

Cam ve diğer amorf seramikler, atomik yapı

düzensiz, dağınık olduğunda fonon saçılması daha

da fazla olduğu için kristal yapılı seramiklerden

daha da düşük iletkenlik değerlerine sahiptir.

Artan sıcaklıkla kafes titreşimlerinin saçılması

daha belirgin hale gelir.

Bu nedenle seramiklerin bir çoğunda ve özellikle

düşük sıcaklık bölgesinde ısıl iletkenlik sıcaklıkla

düşer.

İletkenlik yüksek sıcaklıklarda radyant ısı transferi

sayesinde artar. Saydam seramik bir malzemede

ciddi miktarlarda infrared radyant ısı taşınabilir.

Bu prosesin verimliliği sıcaklıkla artar.

Seramik malzemelerde gözeneklilik ısı iletkenliği

üzerinde dramatik bir etkiye sahiptir.


Gözenek hacmini arttırmak bir çok durumda, ısı

iletkenliğini düşürür.

Hatta, ısı yalıtımı için kullanılan seramiklerin bir

çoğu gözenekli yapıdadır.

İç gözenekler çoğunlukla çok düşük ısı iletkenliği

(0.02 W/mK) olan durgun hava içerirler.

Ayrıca, gözenekler içindeki gaz ortam konveksiyonu

verimsiz ve etkisizdir.

Gözeneklerden ötürü ısı transferi yavaş ve

verimsizdir.


Polimerlerde ısıl iletkenlik Bir çok polimer için ısıl iletkenlik 0.3 W/mK

seviyelerindedir.

enerji transferi zincir moleküllerinin titreşimi

ve rotasyonu ile gerçekleşir.

Isıl iletkenliğin büyüklüğü kristallik derecesine

bağlıdır.

Yüksek ölçüde kristal ve düzenli yapıda olan bir

polimerin ısıl iletkenliği amorf yapılı

benzerinden daha yüksektir.

Bu, molekül zincirlerinin kristal yapı düzeninde

daha koordinasyonlu titreşimlerinden ötürüdür.

Polimerlerde ısıl iletkenlik Polimerler düşük ısı iletkenlikleri nedeniyle

çoğunlukla ısıl yalıtkan olarak kullanılırlar.

Seramiklerde olduğu gibi yalıtkanlık özellikleri

küçük gözeneklerin köpürtme yoluyla yapıda

bulundurulması ile daha da arttırılabilir.

İçme bardakları olarak kullanılan polistrende bu

uygulamadan faydalanılır.

Isıl gerilmeler Isıl gerilmeler bir malzemede sıcaklık değişimleri

ile ortaya çıkan gerilmelerdir.

Bu gerilmeler arzu edilmeyen plastik deformasyona

ve kırılmalara yol açabileceği için neden

kaynaklandıklarını ve karakterlerini anlamak

önemlidir.

Engellenen ısıl genleşme ve büzülme ısıl

gerilmelere yol açar.

Homojen olarak ısıtılan veya soğutulan homojen ve

izotropik bir çubuk düşünelim:

Serbest genleşme veya büzülme

gerçekleşebildiğinde ısıl gerilmeler oluşmaz.

Isıl genleşme-ısıl gerilme Melbourn Avustralya’da aşırı sıcak havalarda ısıl

genleşme ve buna bağlı ısıl gerilmelerle eğilen

demir yolu

rayları

Isıl gerilmeler Ancak bu çubuk uçlarından hareketi önlenecek

şekilde sabitlenirse, ısıl gerilmeler oluşur. Sıcaklığın

T0’dan Tf’ye kadar değişmesi ile ortaya çıkan bu

gerilmelerin büyüklüğü

E elastik modül, l lineer ısıl genleşme katsayısıdır.

Isıtmada (Tf>T0), oluşan gerilme çubuğun genleşmesi

engellendiğinden basma gerilmesi ( <0), soğutmada

tersi olacağından çekme gerilmesi ( >0) olacaktır.

pirinç bir çubuk oda sıcaklığında (20C) gerilmesizdir.

Çubuk ısıtılır fakat uzamasına izin verilmez.

Hangi sıcaklıkta gerilme 172 MPa seviyesine çıkar?

problem

T0

0

başlangıçta

room

thermal (Tf T0)Tf

adım 1: engellemesiz ısıl genleşme 0

adım 2: çubuğu ilk boyutuna gelecek şekilde

basmaya uğratın.

0

compress

room

thermal

0

Isıl gerilme aşağıdaki gibi hesaplanır.

E(compress)

E(thermal ) E (Tf T0) E (T0 Tf )

basma = -ısıl

Pirinç için: 20 x 10-6/ºC

yanıt: 106ºC

Pirinç için: 100 GPa

Tf T0

E

20ºC -172 MPa (basma)

No problem!

Sıcaklık gradyanlarından doğan gerilmeler Katı bir madde ısıtıldığında veya soğutulduğunda

içindeki sıcaklık dağılımı bu maddenin boyut ve

şekline, ısıl iletkenliğine ve sıcaklık değişiminin

hızına bağlı olur.

Bir parçada sıcaklık gradyanları oluştuğunda ısıl

gerilmeler meydana gelir.

Hızlı sıcaklık değişimlerinde dış kısımlar iç

kısımlardan daha farklı sıcaklıklarda olabilir ve

bunun neticesinde parça içindeki sıcaklık dağılım

bozukluğu gerilmeler oluşturur.

Örneğin, ısıtılan bir parçada dış kısımlar daha

sıcaktır ve iç kısımlardan daha fazla uzamak ister.

Neticede iç kısımlar tarafından bir engelleme

olacağından dış kısımlar basma gerilmeleri

tecrübe ederler.

Yüzeydeki basma gerilmeler iç kısımlarda da

çekme gerilmeleri tarafından dengelenir.

Sıcaklık gradyanlarından doğan gerilmeler

Hızlı soğutma soğuk yüzey, sıcak merkez büzülen

yüzey/engelleyen merkez yüzeyde çekme/merkezde basma

Isıl şok

Yüksek

sıcaklıkta

düzgün

sıcaklık

profili

Yüksek

sıcaklıkta

düzgün

gerilme

profili

Su verme

sonrası

sıcaklık

profili

Su verme

sonrası

gerilme

profili

basma

çekme

basma

çekme

Gevrek malzemelerin ısıl şoku Sünek metaller ve polimerler için, plastik

deformasyon sayesinde ısıl gerilmelerin şiddeti

azalabilir.

Ancak seramik malzemelerin sünek olmayan

karakterleri, bu gerilmelere bağlı gevrek kırılma

riskini arttırır.

Gevrek bir malzemenin hızlı soğutulması termal

şok kaynaklı bu gibi gerilmelere yol açmakta,

yüzeyde oluşan gerilmeler çekme gerilmeleri

olduğu için risklidir ve kırılmaya hızlı ısıtma

durumlarında olduğundan daha yatkındır.

Gevrek malzemelerin ısıl şoku Bu şekilde hasarlanmalara dayanıklılık ısıl şok direnci

diye bilinir.

Hızlı soğutulan bir seramik parça için, ısıl şok sadece

sıcaklık değişiminin miktarına değil, malzemenin

mekanik ve ısıl özelliklerine de bağlıdır.

Yüksek kırılma mukavemetine ve yüksek ısıl

iletkenliğe, düşük elastiklik modülüne ve düşük ısıl

genleşme katsayısına sahip seramiklerin ısıl şok

direnci yüksektir.

Isıl şok direnci (TSR):

homojen olmayan ısıtma/soğutma üstteki ince bir tabaka hızla T1 den T2 ye soğutuluyor.

Yüzeyde çekme gerilmesi oluşur.

E (T1T2)

Kırılma için kritik

sıcaklık farkı ( = f)

(T1 T2)fracture f

E

eşitle

Isıl şok direnci

Soğutma ile ortaya

çıkan sıcaklık farkı:

kTT

hızı su verme)( 21

Hızlı soğutma

Büzülmeye karşı çıkar

Soğuma sırasında büzülmek ister T2

T1

Su verme hızı(kırılma için) = ısıl şok direnci fk

El fk

El

yüksek ise ısıl şok direnci de yüksek!

Isıtma ve soğutma hızları düşürülerek ve parçadaki

sıcaklık gradyanları hafifleştirilerek ısıl şoklar büyük

ölçüde önlenebilir.

Isıl genleşme katsayısının uygun seçimi ile de ısıl

şoklara karşı önlem alınabilir.

Isıl genleşme katsayısı yaklaşık 9 x10-6(C-1) olan

soda camı ısıl şoka çok hassastır.

Bu camdaki CaO ve NaO miktarlarını azaltırken

yeterli miktarda B2O3 ilave ederek ısıl genleşme

katsayısı 3x10-6 (C-1) seviyelerine düşürülebilir.

Bu bileşimdeki cam mutfak ve fırın ısıtmaları-

soğutmaları için son derece uygundur.

Gevrek malzemelerin ısıl şoku

İri gözenekler ve sünek bir ikinci fazın malzemeye

kazandırılması da, ısıl gerilmelerden oluşan

çatlakların ilerlemesini yavaşlatarak ısıl şok

karakterini iyileştirir.

Seramik malzemelerde mekanik mukavemet

değerlerini ve optik özellikleri iyileştirmek için ısıl

gerilmeleri parça bünyesinden almak gerekir.

Bu işlem bir tav uygulaması ile yapılır.

Gevrek malzemelerin ısıl şoku

uygulama:

Uzay mekiği

Silika plaka (400-1260ºC): Büyük ölçekli uygulama -- mikroyapı

reinf C-C (1650ºC)

Re-entry T Distribution

silica tiles (400-1260ºC)

nylon felt, silicon rubber coating (400ºC)

~90% gözeneklilik!

Si fiberler ısıl işlem

sırasında birbirlerine

bağlanıyor.

100 m

Isıl koruma sistemleri

İki farklı elektrik iletken malzeme bir araya

getirildiğinde e- lar daha yüksek Ef’ye sahip

malzemeden diğerine taşınır.

Bu iki malzemenin Ef değerleri birbirlerine

eşitleninceye kadar devam eder.

Daha düşük Ef li malzeme negatif yüklüdür. Bu

durum sıcaklığa bağlı bir devre gerilimine neden

olur.

Yüksek Ef’li malzemeden enerji e- ler aracılığı ile

düşük Ef’li malzemeye taşındıkça e- kaybeden

soğurken e- alan malzeme ısınır.

Termoelektrik ısıtma ve soğutma

termoelektrik etki (Peltier–Seebeck etkisi) ısı

farklılıklarının elektrik voltajına veya elektrik

voltaj farkının ısıya dönüştürülmesi olayıdır.

Metal ve alaşımlar için bu etki küçüktür: V/K.

Bi2Te3 ve PbTe gibi yarı iletkenler içinse

önemlidir: mV/K

Uygulamalar:

ısıl çiftler aracılığı ile sıcaklık ölçümü (bakır/

constantan, Cu-45%Ni, chromel, 90%Ni-10%Cr,…)

Termoelektrik enerji santralleri (Sibirya ve Alaska)

termoelektrik buzdolabı


Termoelektrik ısıtma ve soğutma İki malzeme uçlarından bir halka oluşturacak şekilde

birbirine bağlanır. bu uçlardan biri ısıtılır. İki uç

arasındaki sıcaklık farkı ile orantılı bir voltaj farkı

meydana gelir.

Buna Seebeck etkisi

denir!

)V/K(S dT

dV

StCoefficienSeebeck

bakır

demir

ısı

Bu uçlardan geçen bir direkt akım uçlardan birinin

ısınmasına diğerinin soğumasına neden olur.

Kurşun tellurit ve/veya bizmut tellurit termoelektrik

cihazlarda ısıtma ve soğutmada kullanılan

malzemelerdir.


Seebeck etkisinin tersi Peltier etkisi olarak bilinir.

Isıl denge İki madde sıcaklıkları eşitlendiğinde ısıl denge

içindedirler.

Doğada ısı her zaman sıcak bölgeden soğuk

bölgeye taşınır.

Isı iletimi (heat conduction) Isı iletimi ısının doğrudan temas ile bir maddeden

diğerine geçmesidir.

Bakır ve alüminyum ısıyı çok iyi iletirler.

yalıtkan

Isıl yalıtkan ısı iletimi sınırlı olan malzemedir.

Isı plastikte çok yavaş taşınır ve bu sayede

elinizin sıcaklığı hemen artmaz.

yalıtım

Stayroform gözeneklerinde hava saklayarak

yalıtkanlık kazanır.

Katılar genellikle sıvılardan, sıvılar ise gaz

maddelerden daha iyi ısı iletkenidirler.

Isıl yalıtkanlık Isı iletme kabiliyeti malzemenin yapısal

özelliklerine de bağlıdır.

cam bir kap veya beher şeklinde imal

edildiğinde ısı iletimi kabiliyeti yüksektir.

Ancak cam fiber şeklinde imal edildiğinde

fiberlerin arasında hapsolan hava onu ısıl

yalıtkan yapar.

Cam yünü

Isı iletimi denklemi

Q= kA (T2 -T1)/x2-x1 Q/A=

Q = ısı miktarı (W)

k = ısı iletkenliği (W/mK)

A = ısının geçtiği kesit alanı (m2)

x2-x1 = ısının kat ettiği mesafe (m)

T1, T2 = iki uçtaki sıcaklıklar

problem 5 cm kalınlığında 2.5 x 4 m boyutlarında bir duvarı

kaplayan 5 cm kalınlığında bir fiberglas battaniye

düşünün. Dışardaki sıcaklık 5°C, içerdeki sıcaklık

25°C iken bu duvardan ne kadar ısı kaybolur?

(kFiberglas = 0.038 W/m.K)

k = 0.038 W/mK

A = 2.5 x 4 = 10 m2

l = 5 cm = 0.05 m

T2 - T1 = 25-5 = 20 K

Q = 0.038 W/m.K x 10 m2 x 20 K / 0.05 m = 152 W

Q = k A (T2 -T1)/l

konveksiyon Konveksiyon ısının sıvı ve gazların hareketi

ile taşınması olayıdır.

Gazlarda konveksiyon gazlar ısıtıldıklarında

genleştiği için gerçekleşir.

Isınmış gaz yükseldiği soğuk gaz çöktüğü için

gerçekleşen akımlar ısının transferine yol

açar.

Sıvılarda konveksiyon yoğunluk farkları

sayesinde gerçekleşir.

konveksiyon

Konveksiyon yönseldir!

konveksiyon

Gaz ve sıvı hareketliliği yoğunluk ve

sıcaklık farklılıklarından kaynaklandığında

buna serbest konveksiyon denir.

Gaz ve sıvı hareketliliği bir pompa veya

fan etkisi gibi dış kaynaklı ise buna

zorlanmış konveksiyon denir.

konveksiyon Konveksiyonla ısı transferi hıza bağlıdır.

Tüm akışkanlarda hareketliliğin artması

konveksiyonla ısı transferini arttırır.

akışkan hızı (m/s)

Isı tr

ansf

er

hız

ı (k

W)

konveksiyon Konveksiyon yüzey alanına bağlıdır.

Akışkanla temas eden yüzey alanı arttıkça ısı

transfer hızı da artar.

Bu nedenle konveksiyon prensibi ile çalışan tüm ısı

cihazlarında malzeme yüzey alanının azami ölçüde

arttırılması için ısı değiştirici plakaları kanatlı imal

edilir.

konveksiyon

Doğal konveksiyon Sahillerdeki deniz esintilerinden konveksiyon

sorumludur.

Gündüz saatlerinde kara denizden çok daha sıcaktır.

Kara üzerindeki sıcak hava yükselip boşalttığı alan

denizden gelen soğuk hava ile dolduğunda deniz

esintisi oluşur.

Geceleri bunun tam tersi olur ve kara esintisi yaşanır.

Doğal konveksiyon

Yeryüzü iklimi

büyük ölçüde

Okyanuslardaki

konveksiyon

akımlarınca

kontrol edilir.

konveksiyon

Q = h A (T2 -T1)

Q = ısı akısı (W)

h = ısı transfer katsayısı (W/m2 K)

A = akışkanın temas ettiği yüzey alanı (m2)

T2 - T1 = sıcaklık değişimi

problem Pencere yüzey sıcaklığı 18°C.

Pencereyi ısı transfer katsayısı 100 W/m2 K

olacak şekilde 5°C sıcaklığında bir rüzgar yalıyor.

Pencere yüzey alanı 0.5 m2 ise, pencere ile hava

arasında ne kadar ısı transfer olur?

Q = h A (T2 -T1)

Q = 100 W/m2 K x 0.5 m2 (18-5)K

Q = 650 W

Radyasyon

Radyasyon ısının elektromanyetik

dalgalarla taşınmasıdır.

Isıl radyasyon sıcaklıkları nedeniyle

cisimler tarafından üretilen ışık da dahil

olmak üzere elektromanyetik dalgalardır.

Bir cismin sıcaklığı ne kadar yüksek ise o

kadar fazla ısıl radyasyon yayar.

Yerkürenin radyasyon faaliyeti

Gezegenimizin radyasyon bileşenleri

Yeryüzünden

salınan enerji

Yeryüzüne düşen

güneş enerjisi

Yeryüzünden yansıyan

güneş enerjisi

Radyant ısı

Isıl radyasyonu

görmeyiz çünkü

insan gözünün ayırt

edemeyeceği

infrared dalga

boylarında oluşur.

Cisimler farklı

sıcaklıklarda farklı

renkli alır.

Radyant ısı

Oda sıcaklığındaki bir kaya parlamaz.

20°C’deki spektrum görünür dalga boylarında

değildir.

Cisimler ısıtıldıkça görünür ışık saçmaya ve

parlamaya başlarlar.

600°C’de cisimler soluk kırmızı renk alırlar;

elektrikli ısıtıcıdaki reziztanslar gibi).

Radyant ısı Beyaz

Açık sarı

Sarı

Portakal

Kiraz kırmızısı

Koyu kırmızı Sıc

aklık (C

)

Sıcaklık yükseldikçe ısıl

radyasyon daha kısa dalga

boyuna sahip daha yüksek

enerjili ışınım yayar.

1000°C’de renk sarı-

portakal iken 1500°C’ de

beyaza döner.

Bir ampülü ara ayarda

izlemeye başlarsanız

filaman ısındıkça renginin değiştiğini fark edersiniz.

Ampül filamanından yayılan parlak beyaz ışık 2600°C’ye

kadar ısınmış filamanın verdiği ısıl radyasyondur.

Kara cisim-ışıksız cisim

Üzerine düşen tüm radyasyonu emen ideal bir

malzemedir.

Kara cisimler emdikleri radyasyonu karakteristik ve

aralıksız bir spektrumla, göz kamaştırıcı şekilde

tekrar verirler.

Kara cisimler Hiçbir ışık, görünür elektromanyetik

radyasyon yansıtmadığı için soğuk iken siyah

görünür.

Ancak, kara cisim sıcaklığa bağlı bir spektrum verir

ve bu ısıl radyasyona kara cisim radyasyonu denir.

Kara cisim radyasyonu

Bir ampülün sıcak-beyaz filamanı iyi bir

kara cisimdir. Çünkü filamanın tüm

ışıması ısıl radyasyondur.

3000 K eğrisi radyasyonun görünür ışığın

tüm aralığında yayıldığını gösterir.


Mükemmel

bir kara cisim

için güç vs

dalga boyu

ilişkisi kara

cisim

spektrumu

olarak

tariflenir.

Dalgaboyu (nm)

Bağıl g

üç

Kara cisim tarafından ısıl radyasyon olarak

verilen toplam güç sıcaklığa ve yüzey

alanına bağlıdır.

Gerçek yüzeyler kara cisim güç değerinden

daha düşük enerji verirler: genellikle bu

oran %10-90 arasındadır.



P = σ AT4

P = güç (W)

σ = Stefan-Boltzmann sabiti

5.67 x 10-8 W/m2K4

A = kara cismin yüzey alanı (m2)

T = sıcaklık (K)

ısıl radyasyon mutlak sıfırın üstündeki sıcaklığa bağlı

olduğundan sıcaklık için K birimi kullanılır!

Stefan-Boltzmann denklemi

Ampül için örnek hesaplama

Ampüldeki filaman 0.5 mm çapında ve 50 mm

uzunluğundadır.

Bu filamanın yüzey alanı 4 × 10-8 m2 dir.

sıcaklık 3000 K ise, filaman ne kadar güç üretir?

P = σ AT4

P = 5.67 x 10-8 x 4 x 10-8 x 3,0004

P = 0.1836 W

özet Isı kapasitesi

Isı kapasitesi bir mol maddenin sıcaklığını 1C arttırmak

için gerekli ısı miktarıdır.

Birim ağırlık için bu değer özgül ısı olarak tarif edilir.

Katı madde tarafından emilen ısı atomların titreşimsel

enerjisini arttırmaya harcanır.

Sadece belirli titreşimsel enerji değerlerine izin vardır.

Bir birim titreşimsel enerjiye FONON denir.

Bir çok kristal yapılı katı için 0 K yakınlarındaki

sıcaklıklarda sabit hacimde ölçülen ısı kapasitesi mutlak

sıcaklığın kübü ile artar; Debye Sıcaklığı aşıldığında

sıcaklıktan bağımsız hale gelir ve 3R değerini alır.

özet

Isıl genleşme

Katı maddeler ısınınca genleşir ve soğuyunca büzülür.

Sıcaklık değişimi ile uzunluk değişimi orantılıdır.

Orantı katsayısı ısıl genleşme katsayısıdır.

Isıl genleşme ortalama atomlar arası mesafe ile temsil

edilir. Bu potansiyel enerji vs atomlararası mesafe

eğrisindeki çukurun asimetrik karakterinin sonucudur.

Atomlararası bağ enerjisi arttıkça, ısıl genleşme

katsayısı azalır.

Polimerlerin ısıl genleşme katsayısı metallerinkinden,

metallerinki seramiklerinkinden büyüktür.

özet Isıl iletkenlik

Isıl enerjinin yüksek enerji bölgelerinden düşük

enerji bölgelerine taşınmasına ısıl iletim denir.

Katı maddeler için ısı serbest elektronlar ve

titreşimler kafes dalgaları veya fononlar

tarafından taşınır.

Saf metallerin göreceli yüksek ısıl iletkenlikleri

çok sayıda serbest elektron ve bu elektronların

ısıyı taşıma verimliliği sayesindedir.

Seramikler ve polimerler ise zayıf ısı iletkenidirler.

Çünkü serbest elektron miktarı düşüktür ve ısı

iletimi ancak fonon iletimi ile mümkündür.

özet Isıl gerilmeler

Sıcaklık değişimleri sonucunda oluşan ısıl gerilmeler

kırılmaya veya plastik deformasyona yol açabilir.

Isıl gerilmelerin kaynağı, bir maddenin uzama veya

kısalmasının kısıtlanmasıdır.

Bir parçanın süratle ısıtılması veya soğutulması sırasında

ortaya çıkan ısıl gerilmeler parçanın iç ve dış bölgeleri

arasında meydana gelen ısıl gradyanlar ve buna eşlik

eden boyutsal değişim farklılıklardan kaynaklanır.

Isıl şok, bir parçanın çok ani sıcaklık değişimlerine

maruz kalması sonucunda ortaya çıkan ısıl gerimler

yüzünden kırılmasıdır.

Seramik malzemeler kırılgan olduklarından bu tür

kırılmalara özellikle hassastır.

ders 8 vize cevap anahtarı- elektriksel Özellikler

Documents