genleşme katsayısı

• Bir katı malzeme ısıtıldığında, sıcaklığının artması,
malzemenin bir miktar ısı enerjisini absorbe
ettiğini gösterir. Isı kapasitesi, bir malzemenin dış
ortamdan ısı absorblama kabiliyetinin bir
göstergesi olup sıcaklığı bir birim artırmak için
gerekli olan enerji miktarına karşılık gelir.
Matematiksel olarak, ısı kapasitesi C aşağıdaki gibi
ifade edilir:
• Burada dQ, dT kadar sıcaklık değişimi
meydana getirmek için gerekli enerji
miktarıdır. Isı kapasitesi bir mol malzeme için
ifade edilir (J/mol . K). Bazen ısı kapasitesi
yerine, birim kütle başına ısı kapasitesini
belirten ve c ile gösterilen, özgül ısı kavramı da
kullanılmaktadır ve değişik birimlere (J/kg . K,
cal/g . K) sahiptir.
• Sadece belirli enerji değeri alabilen (nicel) ve
kafes dalgası titreşim enerjisinin bir birim
miktarına fonon denir.
• Fonon, elektromagnetik ışınımın birim miktarı
olan fotona benzerdir. Bazen, titreşim
dalgalarının kendileri de fonon olarak
adlandırılır.
Devam ediyor…
• Sıcaklık artışı ile elektronlar enerji
absorblayarak kinetik enerjilerini arttırmakta,
böylece ısı kapasitesi üzerine bir miktar katkı
sağlamaktadır. Ancak, bu katkının
sağlanabilmesi için, serbest elektronların
Fermi enerji seviyesi üzerindeki boş enerji
seviyelerine uyarılması gerekir
veya
• Burada l0 ve ls sırasıyla sıcaklığın T0’dan, Ts’ye
değişmesiyle başlangıç ve son uzunlukları
göstermektedir. αl parametresi ısıl (doğrusal)
genleşme katsayısı olarak adlandırılır.
• Tablo 19.1’de görüldüğü gibi, yaygın olan bazı
metallerin ısıl genleşme katsayısı 5 × 10-6 ile
25 × 10-6 (oC)-1 arasında değişmektedir; bu
değerler, seramik ile polimer malzemelerin ısıl
genleşme katsayısı değerleri arasında yer
almaktadır.
• Sıcaklık değişmelerine maruz kalacak seramik
malzemeler nispeten düşük ve ayrıca izotropik
ısıl genleşme katsayısına sahip olmalıdırlar.
Aksi takdirde, bu gevrek özellikteki seramik
malzemeler ısıl şok (termal şok) olarak
adlandırılan üniform olmayan boyutsal
değişimin bir sonucu olarak kırılabilir.
• Bazı polimer malzemeler, 50 × 10-6 ile 400 ×
10-6 (oC)-1 aralığında değişen yüksek genleşme
katsayılarından anlaşılacağı gibi, sıcaklık
değişimi karşısında büyük miktarda ısıl
genleşme gösterir.
• Isıl iletkenlik, bir maddenin farklı sıcaklıktaki iki
bölgesi arasında, yüksek sıcaklıktan, düşük
sıcaklığa ısının iletilmesi olayıdır. Bir malzemenin
ısı iletim kabiliyetini karakterize eden bu özelliğe
ısıl iletkenlik denir ve aşağıdaki denklem ile ifade
edilir:
• Katı malzemelerde ısı, fonon (kafes titreşim
dalgaları) ve serbest elektronlar ile iletilir. Isıl
iletkenlik, bu mekanizmaların her ikisiyle
ilişkilidir ve toplam iletkenlik bu iki etkinin
toplamına eşittir;
• Saf metallerde hem elektrik hem de ısıl
iletkenlik serbest elektronlarca sağlandığı için,
teorik yaklaşımlar bu iki iletkenliğin,
Wiedemann-Franz kanununa göre aşağıdaki
denklemde gösterildiği gibi ilişkili olması
gerektiğini ileri sürmüştür:
• Tablo 19.1’de görüldüğü gibi, çoğu polimerler için
ısıl iletkenlik değerleri 0,3 W/m . K
mertebesindedir. Bu malzemelerde enerjinin
iletimi zincir moleküllerinin titreşim ve dönmesi
ile sağlanır.
• Polimerler, düşük ısıl iletkenliklerinden dolayı
genellikle yalıtkan olarak kullanılır. Seramiklerde
olduğu gibi, polimerlerin yalıtkan özellikleri,
polimerizasyon esnasında köpük oluşumuna bağlı
olarak küçük gözeneklerin yapıya ilave edilmesiyle
artırılabilir.
• Isıl gerilmeler bir kütledeki sıcaklık
değişimlerinden kaynaklanan gerilmelerdir.
Kırılmalara veya arzu edilmeyen plastik
deformasyona yol açan ısıl gerilmelerin
oluşum nedenleri ve yapısının bilinmesi
oldukça önemlidir.
• Cismin dış bölgesindeki sıcaklık değişimleri, iç
kısmına göre çok daha hızlıdır ve bu sıcaklık
değişimleri parçanın içerisindeki hacimlerin
serbestçe genleşmelerini veya büzülmelerini
kısıtlaması nedeniyle, kesitte genellikle hızlı
ısıtma veya soğutmadan kaynaklanan sıcaklık
değişimlerinin bir sonucu olarak ısıl gerilmeler
oluşturur.