Elektriksel Özellikler
advertisement
MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol Hall Etkisi x Ix Elektrik akımı Elektrik akımına dik yönde bir manyetik alan uygulandığında bu alan yük taşıyıcıları üzerinde hem Manyetik alan z akım hem de manyetik alana dik yönde bir kuvvet uygular. Elektronlar ve boşluklar x yönünde hareket ederken I akımına yol açarlar. Pozitif z yönünde bir manyetik alan uygulandığında ortaya çıkan kuvvet yük taşıyıcılarının y yönüne sapmalarına neden olur. 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. problem 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 önce Hall katsayısını bulmalıyız! Bz= 0.6 Tesla No problem! Çözüm için önce Hall katsayısını bulmak gerekir. 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 tipi redresör P-n malzemeye Potansiyel uygulanmadan önce: ptarafında 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 tip redresör Bir ucu B diğer ucu P ile doplanmış tek parça yarı iletken malzeme Voltaj yok:net akım yok + p-type+ + + + p-tarafında boşluklar ve n-tarafında elektronlar esas yük taşıyıcılar. Düz alan: p-tipte boşluk, n-tipte elektron akışı: boşluk ve e-lar arayüzeyde birleşiyor ve akım geçiyor: elektron + boşluk enerji Ters alan: boşluk ve elektronlar arayüzeyden uzaklaşır. Bağlantıda yük taşıyıcı kalmaz ve çok az akım geçer. + — p-type -n-type - + + + + + - + p-type + + + + - - - n-type - — - n-type - - - - + p-n tipi düzeltici bağlantı 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. 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 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, ptipi yarı iletkene geçer. Böylece p-tipindeki elektrik yük taşıyıcısı sayısı artar. çok az bir gerilim uygulaması ile yüksek bir gerilim çıktısı sağlanır. potansiyel uygulandıktan sonra elektron ve boşluk hareketlenmeleri Bağlantı tranzistörleri n-p-n tipi bağlantı tranzistörleri de bu prensiple çalışır. Onlarda transfer edilen boşluklar değil, elektronların kendisidir. Piezoelektrik malzemeler Piezoelektriklik– Basınç uygulanması akım meydana getirir. basınçsız Basınç voltaj Uygulanan voltaj genleşme 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 iletim bandı iletim bandı Eg 6 eV valens bandı Yalıtkan iletim bandı 2.5>Eg>0.5 eV valens bandı valens bandı Yarı iletken İletken Bant-enerji diyagramları yalıtkanlarda enerji bant yapısı Yalıtkanlarda dolu valens bandı boş iletkenlik bandından geniş bir aralıkla (>2 eV) ayrılır. Elektronların iletkenlik bandına çıkmaları güçtür. Enerji Ef boş enerji bandı bant aralığı (>2 eV) 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. Yalıtkanlar İletim bandı e- sıçraması Bant aralığı Valens bandı enerji bir elektronun valens bandından iletken bandına hareketlendirilmesinden sonra valens bandında boşluk oluşur. Ef Ef Valens bandında boşluk Yalıtkanlar ● 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 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 Q C= V Burada V kapasitöre uygulanan gerilimdir. Kapasitansın birimi C/V veya Farad’dır (F). kapasitörler Vakumda paralel plaka kapasitörü Aralarında vakum olan paralel plakalı bir kapasitörün kapasitansı: D 0 =0 E A l vacuum E = V/l A plakaların alanı, l aralarındaki uzaklıktır. 0 : vakumun geçirgenliği; 8.85 x 10-12 F/m kapasitörler 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. 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 delinmesidenir. Yalıtkan Cisimlerin Elektriksel Özellikleri 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 Voltyazar. Bu, plastik yalıtkan 10.000 Volt'tan sonra iletken hale geçebilir anlamı taşır. Yalıtkan Cisimlerin Elektriksel Özellikleri 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. Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri 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. Yalıtkan Cisimlerin Elektriksel Özellikleri 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. Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri 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. yalıtkanlar Bir çok polimerin dielektrik sabiti seramiklerinkinden daha küçüktür. Bu malzemeler iletken tellerin, kabloların, motorların, jeneratörlerin yalıtımında ve bazı kapasitörlerde kullanılır. Yalıtım Malzemeleri Berilyum Oksit ● Seramik beyaz renkli katı bir malzemedir. ● Yüksek değerde ısı iletkenliği gereken yerlerde elektriksel Elektriksel izolasyon izolasyon malzemesi olarak için ısı emici pulcuklar kullanılır. ● 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. Yalıtım Malzemeleri Asetat Asetat uygulamaları Yalıtım Malzemeleri Akrilik Yalıtkanlığın yanı sıra katılık ve şeffaflık özelliğinin birlikte bulunması gerektiği yerlerde akrilik kullanılır. Işıklandırılmış işaretler, otomobillerin arka lambaları, ışıklandırma üniteleri v.b. Yalıtım Malzemeleri 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. Yalıtım Malzemeleri Seramik: Seramik izolatörler ve soket Yalıtım Malzemeleri 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. Yalıtım Malzemeleri 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 işleyeceğimiz konular 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? Malzemelerin ısıl özellikleri ● ● ● ● ● ● ● 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. 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. Isı kapasitesi Özgül ısı birim kütle için ısı kapasitesini gösterir. Kantitatif olarak: 1 mol malzemenin sıcaklığını 1 birim yükseltmek için gerekli enerji miktarı. Isı kapasitesi (J/mol-K) dQ C dT Enerji tedariği (J/mol) Sıcaklık değişimi (K) ısı kapasitesi 2 tür: Cp : sabit basınçta ölçülen ısı kapasitesi. Cv : sabit hacimde ölçülen ısı kapasitesi. Genellikle Cp > Cv Ancak oda sıcaklığından ve J ısı kapasitesinin birimi mol K daha düşük sıcaklıklarda bu fark bir çok katı madde için çok küçüktür. Atomik titreşimler Atomik titreşimler kafes dalgaları veya fononlar şeklindedir. Bir kristal yapıda atomik titreşimler vasıtası ile oluşan kafes dalgaları Atomların normal kafes konumları Titreşimler sonucunda yeni konumları 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 kapasitesinin sıcaklığa bağlılığı ısı kapasitesi, Cv 3R Cv = sabit R = gaz sabiti = 8.31 J/mol-K Isı kapasitesi sıcaklıkla artar. katılar için 3R seviyesinde bir sınıra ulaşır. D: Debye Sıcaklığı D genellikle T oda‘dan daha düşük Sıcaklık (K) katıda enerji atomik titreşimler olarak depolanır. sıcaklık arttıkça atomik titreşimlerin ortalama enerjisi artar. Özgül ısı: karşılaştırma seramik metal Artan cpc increasing p polimer malzeme cp (J/kg-K) Toda polipropilen polietilen polistren teflon 1925 Magnezya (MgO) cam Alümina (Al2O3) alüminyum çelik tungsten altın 940 840 1850 1170 1050 775 900 486 138 128 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 polimerler seramikler 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 - 230 0.14 poliizopren 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. Potansiyel enerji–atomlar arası mesafe asimetrik eğri: sıcaklık artarken, atomlar arası uzaklık da artar; bu da ısıl genleşmedir. 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 l lineer ısıl genleşme katsayısı, bir malzemenin ısıtıldığında ne kadar uzayacağını temsil eden bir malzeme özelliğidir. Sıcaklık değiştiğinde malzeme boyutları da değişir. ilk Tilk Tson son Tson > Tilk son ilk (Tson Tilk ) ilk Isıl genleşmenin lineer katsayısı (1/K veya 1/ºC) 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 polimer polipropilen polietilen polistren teflon metal Alüminyum altın çelik tungsten seramik Artan l malzeme Magnezya (MgO) Cam Alümina (Al2O3) Silika (kris. SiO2) l (10-6/C) Toda 145-180 106-198 90-150 126-216 23.6 14.2 12.0 4.5 13.5 9.0 7.6 0.4 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? 6 1 16.5 x 10 ( C) Cu için 0 T [16.5 x 106 (1 / C)](15 m)[40C (9C)] 0.012 m 12 mm 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 Isı iletkenliği Bir malzemenin ısıyı iletme kabiliyeti Kararlı ısı akışı için Isı akısı (W/m2) dT T2-T1 q k =k x2-x1 dx Isı iletkenliği (W/mK) T2 T1 x1 Isı akısı T2 > T1 x2 Atomik ölçekte: sıcak bölgelerdeki atomik titreşimler ve serbest elektronlar ısı enerjisini daha soğuk bölgelere taşırlar. 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 metal Altın Alüminyum Tungsten çelik seramik Magnezya (MgO) Alümina (Al2O3) Soda camı Silika (kris. SiO2) polimer Artan k malzeme polipropilen polietilen polistren teflon k (W/mK) 315 247 178 52 38 39 1.7 1.4 0.12 0.46 0.13 0.25 Enerji transferi Atomik titreşimler ve serbest elektronların hareketi Atomik titreşimler Zincir moleküllerin titreşimi veya rotasyonu metaller Isı iletkenliği (W/m.K) Yüksek saflıktaki metallerde ısı iletimine elektron katkısı fonon katkısından çok daha verimlidir. Çünkü, elektronlar fononlar kadar kolay saçılmazlar ve daha hızlıdırlar. 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. Cu-Zn alaşımları için bileşimle ısı iletkenliği değişimi bileşim (ağ% Zn) metaller Isı iletkenliği (W/m.K) 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. Cu-Zn alaşımları için bileşimle ısı iletkenliği değişimi bileşim (ağ% Zn) metaller Saf metallerde serbest elektronlar hem ısı hem de elektrik iletkenliğinden sorumlu oldukları için, iki iletkenlik birbirleri ile ilişkilidir: Wiedemann–Franz kanunu: elektrik iletkenliği, (m)-1 Isı iletkenliği W/mK L: 2.44 x 10-8 .W.K-2 L, ısı enerjisi tamamen serbest elektronlar tarafından taşınıyorsa, sıcaklıktan bağımsız ve tüm metaller için aynidir. Seramiklerde Isıl iletkenlik ke << kl Diğer yandan, fononlar, kafes hataları tarafından saçıldıkları için, ısı enerjisinin taşınmasında serbest elektronlar kadar etkili değildir. Isı iletkenliği (W/m.K) Metalik olmayan malzemeler yeterli sayıda serbest e-ları olmadığı için ısıl yalıtkandırlar. Bu nedenle ısı iletiminden fononlar sorumludur: Sıcaklık (C) Seramiklerde Isıl iletkenlik ● 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. Seramiklerde Isıl iletkenlik ● 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. Seramiklerde Isıl iletkenlik ● 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. problem pirinç bir çubuk oda sıcaklığında (20C) gerilmesizdir. Çubuk ısıtılır fakat uzamasına izin verilmez. Hangi sıcaklıkta gerilme 172 MPa seviyesine çıkar? T0 başlangıçta 0 adım 1: engellemesiz ısıl genleşme 0 Tf thermal (Tf T0 ) room adım 2: çubuğu ilk boyutuna gelecek şekilde basmaya uğratın. 0 compress room thermal No problem! Isıl gerilme aşağıdaki gibi hesaplanır. 0 E(compress) basma = -ısıl E(thermal ) E (Tf T0 ) E (T0 Tf ) 20ºC yanıt: 106ºC Tf T0 E Pirinç için: 100 GPa -172 MPa (basma) Pirinç için: 20 x 10-6/ºC 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. Sıcaklık gradyanlarından doğan gerilmeler ● 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. Isıl şok Hızlı soğutma soğuk yüzey, sıcak merkez büzülen yüzey/engelleyen merkez yüzeyde çekme/merkezde basma Yüksek sıcaklıkta düzgün sıcaklık profili basma çekme basma Su verme sonrası sıcaklık profili çekme Yüksek sıcaklıkta düzgün gerilme profili Su verme sonrası gerilme profili 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): Isıl şok direnci homojen olmayan ısıtma/soğutma üstteki ince bir tabaka hızla T1 den T2 ye soğutuluyor. Hızlı soğutma Soğuma sırasında büzülmek ister T2 Büzülmeye karşı çıkar T1 Yüzeyde çekme gerilmesi oluşur. E (T1 T2 ) Kırılma için kritik sıcaklık farkı ( = f) Soğutma ile ortaya çıkan sıcaklık farkı: su verme hızı (T1 T2 ) k (T1 T2 ) fracture f E eşitle fk Su verme hızı(kırılma için) = ısıl şok direnci El fk yüksek ise ısıl şok direnci de yüksek! El Gevrek malzemelerin ısıl şoku ● 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 ısıtmalarısoğutmaları 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. Isıl koruma sistemleri Re-entry T Distribution uygulama: Uzay mekiği reinf C-C silica tiles (1650ºC) (400-1260ºC) nylon felt, silicon rubber coating (400ºC) Silika plaka (400-1260ºC): Büyük ölçekli uygulama -- mikroyapı ~90% gözeneklilik! Si fiberler ısıl işlem sırasında birbirlerine bağlanıyor. 100 m Termoelektrik ısıtma ve soğutma ● 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. bakır Buna Seebeck etkisi denir! Seebeck Coefficien t S demir dV S ( V/K ) dT ısı Termoelektrik ısıtma ve soğutma Seebeck etkisinin tersi Peltier etkisi olarak bilinir. 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. 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 = k A (T2 -T1)/l Q = 0.038 W/m.K x 10 m2 x 20 K / 0.05 m = 152 W 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 Isı transfer hızı (kW) konveksiyonla ısı transferini arttırır. akışkan hızı (m/s) 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). Sıcaklık yükseldikçe ısıl Sıcaklık (C) Radyant ısı Beyaz Açık sarı Sarı Portakal Kiraz kırmızısı Koyu kırmızı radyasyon daha kısa dalga boyuna sahip daha yüksek enerjili ışınım yayar. 1000°C’de renk sarıportakal 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. Bağıl güç Kara cisim radyasyonu Dalgaboyu (nm) Kara cisim radyasyonu 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. Kara cisim radyasyonu 4 Stefan-Boltzmann denklemi P = σ AT 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! 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 4 -8 -8 P = 5.67 x 10 x 4 x 10 x 3,000 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.
