Isı akısı

Isı akısı
Bir yüzeyden geçen ısı akısı ${\vec {\phi }}_{\mathrm {q} }$.
Yaygın sembol(ler):	${\vec {\phi }}_{\mathrm {q} }$
temel SI birimlerinden türetimi:	kg⋅s−3
SI nicelik boyutu:	M T−3
SI birimi:	W/m2

Fizikte ve mühendislikte, ısı akısı, bazen ısı akısı yoğunluğu, ısı akış yoğunluğu veya ısı akış hızı şiddeti olarak da adlandırılır, birim zaman ve birim alan başına düşen enerji akışıdır. SI birimleri metrekare başına watt'tır (W/m²). Hem bir yönü hem de bir büyüklüğü vardır, bu nedenle bir vektörel niceliktir. Uzaydaki belirli bir noktada ısı akısını tanımlamak için, yüzeyin boyutunun sonsuz küçük hale geldiği limit durumu ele alınır.

Isı akısı genellikle ${\vec {\phi }}_{\mathrm {q} }$ ile gösterilir; q alt indisi kütle veya momentum akısı yerine ısı akısını belirtir. Fourier yasası bu kavramların önemli bir uygulamasıdır.

Fourier yasası

Ana madde: Isı iletimi § Fourier yasası

Olağan koşullardaki çoğu katı için ısı, esas olarak iletim yoluyla taşınır ve ısı akısı Fourier yasası ile yeterli bir şekilde açıklanır.

Tek boyutta Fourier yasası

$$\phi _{\text{q}}=-k{\frac {\mathrm {d} T(x)}{\mathrm {d} x}}$$

Burada $k$, ısıl iletkenliktir. Negatif işaret, ısı akısının daha yüksek sıcaklık bölgelerinden daha düşük sıcaklık bölgelerine doğru hareket ettiğini gösterir.

Çok boyutlu model

k ısıl iletkenliğine ve x kalınlığına sahip bir ısı yalıtım malzemesi üzerinden geçen ısı akısını gösteren diyagram. Isı akısı, malzemenin k ve x değerleri biliniyorsa, sıcaklık sensörleri kullanılarak malzemenin her iki tarafındaki iki yüzey sıcaklığı ölçümü yardımıyla belirlenebilir.

k ısıl iletkenliğine ve x kalınlığına sahip bir ısı yalıtım malzemesi üzerinden geçen ısı akısını gösteren diyagram. Isı akısı, yüzeylerden birine yerleştirilmiş veya malzemenin içine gömülmüş tek bir ısı akısı sensörü kullanılarak doğrudan ölçülebilir. Bu yöntemi kullanırken, malzemenin k ve x değerlerini bilmek gerekmez.

Çok boyutlu durum da benzerdir, ısı akısı sıcaklığın "düştüğü" yöne doğru gider ve bu nedenle sıcaklık gradyanı negatif işarete sahiptir:

$${\vec {\phi }}_{\mathrm {q} }=-k\nabla T$$ burada ${\nabla }$, gradyan operatörüdür.

Ölçüm

Ana madde: Isı akısı sensörü

Isı akısının ölçümü birkaç farklı yolla gerçekleştirilebilir.

Belirli bir ısıl iletkenlik ile

Yaygın olarak bilinen ancak genellikle pratik olmayan bir yöntem, ısıl iletkenliği iyi bilinen bir malzeme parçası üzerindeki sıcaklık farkının ölçülmesiyle gerçekleştirilir. Bu yöntem, bilinen bir direnç üzerindeki gerilim düşüşünün ölçüldüğü standart bir elektrik akımı ölçme yöntemine benzer. Test edilen malzemenin ısıl direnci genellikle bilinmediğinden, bu yöntemin uygulanması çoğunlukla zordur. Isıl direnci belirleyebilmek için malzemenin kalınlığı ve ısıl iletkenliği hakkında kesin değerlere ihtiyaç vardır. Isıl direnç ve malzemenin her iki tarafındaki sıcaklık ölçümleri kullanılarak, ısı akısı dolaylı olarak hesaplanabilir.

Bilinmeyen ısıl iletkenlik ile

Isı akısını ölçmenin ikinci bir yöntemi, bir ısı akısı sensörü veya ısı akısı dönüştürücüsü kullanarak, sensörün monte edildiği yüzeye veya yüzeyden aktarılan ısı miktarını doğrudan ölçmektir. En yaygın ısı akısı sensörü türü, temel olarak bahsedilen ilk ölçüm yöntemiyle aynı prensipte çalışan fark-sıcaklık termopildir; ancak ısıl direncin/iletkenliğin bilinen bir parametre olmasına gerek kalmaması gibi bir avantaja sahiptir.

Isı akısı sensörü, Seebeck etkisini kullanarak mevcut ısı akısının in-situ ölçümünü sağladığından bu parametrelerin bilinmesine gerek yoktur. Bununla birlikte, fark-sıcaklık termopili ısı akısı sensörlerinin, çıktı sinyallerini [μV] ısı akısı değerleriyle [W/(m²⋅K)] ilişkilendirmek için kalibre edilmeleri gerekir. Isı akısı sensörü kalibre edildikten sonra, nadiren bilinen ısıl direnç veya ısıl iletkenlik değerlerine ihtiyaç duymadan ısı akısını doğrudan ölçmek için kullanılabilir.

Bilim ve mühendislik

Bir bilim insanının veya mühendisin araçlarından biri enerji dengesidir. Böyle bir denge, kimyasal reaktörlerden canlı organizmalara kadar herhangi bir fiziksel sistem için kurulabilir ve genellikle aşağıdaki formu alır:

${\big .}{\frac {\partial E_{\mathrm {giren} }}{\partial t}}-{\frac {\partial E_{\mathrm {cikan} }}{\partial t}}-{\frac {\partial E_{\mathrm {biriken} }}{\partial t}}=0$

Burada yer alan üç adet ${\big .}{\frac {\partial E}{\partial t}}$ terimi, sırasıyla toplam gelen enerjinin, toplam çıkan enerjinin ve toplam biriken enerjinin zamana göre değişim hızını temsil eder. Şimdi, eğer sistemin çevresiyle enerji alışverişinde bulunmasının tek yolu ısı transferi ise, ısı hızı enerji dengesini hesaplamak için kullanılabilir, çünkü:

${\frac {\partial E_{\mathrm {giren} }}{\partial t}}-{\frac {\partial E_{\mathrm {cikan} }}{\partial t}}=\oint _{S}{\vec {\phi }}_{\mathrm {q} }\cdot \,\mathrm {d} {\vec {S}}$

Burada, sistemin $S$ yüzeyi üzerinden ${\vec {\phi }}_{\mathrm {q} }$ ısı akısının integrali alınmıştır. Pratik uygulamalarda yüzeyin her noktasındaki kesin ısı akısı bilinemez, ancak integrali hesaplamak için yaklaşık şemalar kullanılabilir; örneğin Monte Carlo tümlevi.

Ayrıca bakınız

• Işınım akısı
• Gizli ısı
• Güneş ışınımı