ısı

bir cisimden başka bir cisme, sıcaklık farkı sonucunda aktarılan enerji. Farklı sıcaklıklardaki iki cisim yan yana getirildiğinde, ısı daha sıcak cisimden daha soğuk olanına doğru aktarılır (akar). Bu enerji aktarımı sonucunda, her zaman olmasa da genellikle, daha soğuk olan cismin sıcaklığı artar, daha sıcak olanınki ise düşer. Cisimler, bir fiziksel durumdan (faz) ötekine geçerken, yani katı halden sıvı hale (erime), katı halden buhar haline (süblimleşme), sıvı halden buhar haline (kaynama) ya da katı halden bir başka katı hale (genellikle kristal geçiş olarak adlandırılır) dönüşürken, sıcaklıklarında herhangi bir artış olmadan ısı soğurabilirler. Isı ve sıcaklık arasındaki önemli ayrım (ısı bir enerji biçimi, sıcaklık ise bir cisimde bulunan ısı enerjisi miktarının ölçüsüdür), 18. ve 19. yüzyıllar içinde açıklığa kavuşturuldu.

Bir enerji biçimi olarak ısı. Isı da içinde olmak üzere tüm enerji biçimleri işe çevrilebildiğinden, enerji miktarları, joule, kilowatt-saat ya da kalori gibi iş birimleriyle ifade edilir. Bir cisme eklenen ya da cisimden alman ısı miktarı ile bunun cismin hali üzerindeki etkisinin büyüklüğü arasında kesin bir ilişki vardır. En yaygın kullanılan iki ısı birimi, kalori ve British Thermal Unifüv (BTU). Kalori (ya da gram-kalori), bir gram suyun sıcaklığını 14,5°C’den 15,5°C’ye çıkartmak için gerekli olan enerji miktarıdır; BTU ise, bir libre (45,36 grama karşılık gelen İngiliz ağırlık ölçüsü) suyun sıcaklığını 63°F’den (İngilizce konuşulan ülkelerde kullanılan Fahrenheit sıcaklık ölçeği; 1°F=[9/ 5 x °C] + 32) 64°F’ye çıkartmak için gerekli olan enerji miktarıdır. Bir BTU, yaklaşık 252 kaloriye eşittir. Her iki tanım da, sıcaklık değişimlerinin bir atmosferlik sabit basınç koşulu altında ölçülmesi gerektiğini belirtir; çünkü, ilgili enerji miktarları basınca da bağlıdır. Besinlerin enerji içeriğini ölçmekte kullanılan kalori, kilogram-kalori- dir ve 1.000 gram-kaloriye eşittir.

Bir cismin bir birim kütlesinin sıcaklığını belirli bir sıcaklık dilimi içinde yükseltmek için gerekli olan enerjiye, cismin ısı sığası ya da özgül ısısı (ısınma ısısı) denir. Bir cismin sıcaklığını bir derece yükseltmek için gerekli olan enerji miktarı, koşullara bağlı olarak değişir. Eğer ısı sabit hacimde tutulan bir gaza ekleniyorsa, bir derecelik sıcaklık artışı için gerekli olan ısı miktarı, aynı gazın serbestçe genleşebilecek ve böylece iş yapabilecek bir ortamda bulunması (örn. içinde hareketli bir piston bulunan bir silindire yerleştirilmesi) durumunda gerekecek olan ısı miktarından daha azdır. Birinci durumda enerjinin tümü gazın sıcaklığının artırılmasında kullanılır, ama ikinci durumda enerji yalnızca gazın sıcaklığını artırmakla kalmaz ama aynı zamanda gazın piston üzerinde iş yapması için gerekli olan enerjiyi de sağlar. Böylece, cismin özgül ısısı bu koşullara bağımlı duruma gelir. En yaygın olarak belirlenen özgül ısılar, sabit hacimdeki özgül ısı ve sabit basınçtaki özgül ısıdır. 1819’da Fransız bilim adamları Pierre-Louis Dulong ve Alexis-Therese Petit, çoğu katı elementin ısı sığasının, atom ağırlıklarıyla yakından ilişkili olduğunu gösterdiler. Du- long-Petit yasası metal haldeki bazı elementlerin atom ağırlıklarının belirlenmesinde kullanışlıdır, ama çok sayıda da kuraldışı durum vardır; bu yasadan sapmalar daha sonraları kuvantum mekaniği temelinde açıklanmıştır.

Bir cismin içerdiği ısı miktarından söz etmek anlamsızdır, çünkü ısı, aktarılan enerjiye özgüdür. Bir cisimde depolanan enerji ısı değildir (iş de değildir, çünkü iş aktarım halindeki enerjidir). Ama, duyulur ve gizli ısı tanımları yaygın olarak kullanıla- gelmiştir. Buharlaşma ısısı da denilen gizli ısı, bir sıvıyı sabit sıcaklık ve basınç altında buhara dönüştürmek için gerekli olan enerji miktarıdır. Katı bir cismi eriterek sıvı hale getirmek için gerekli olan enerjiye erime ısısı ve doğrudan buhar hale getirmek için gerekli olan enerjiye de süblimleşme ısısı denir; bu dönüştürmelerin hepsi de, sabit sıcaklık ve basınç koşulları altında gerçekleştirilir.
Hava çeşitli gazların ve su buharının bir karışımıdır ve içerdiği suyun fazının değişmesi, yani sıvı (yağmur) ya da katı (kar) hale dönüşmesi olanaklıdır. Faz değişimlerine ilişkin enerji (gizli ısı) ile sıcaklık değişimleri için gerekli olan enerjiyi birbirinden ayırt etmek için duyulur ısı kavramı geliştirilmiştir. Bir su buharı ve hava karışımında, faz değişikliğine yol açmadan karışımın sıcaklığını belirli bir ölçüde değiştirmek için gerekli olan enerjiye duyulur ısı denir.

Isı aktarımı.

Isı, geçiş halindeki enerji olduğundan, sürecin mekanizmasının açıklanması gerekir.
Üç tür ısı aktarımı vardır:
1) Isının, hareketsiz durumdaki katilarda ya da sıvılarda iletim yoluyla aktarılması),
2) ısının, hareket halindeki sıvılarda ya da gazlarda taşınım (konveksiyon) yoluyla aktarılması (ısıl iletim ile akışkan akışının birleşmesi),
3) ısının, herhangi bir maddesel taşıyıcı olmaksızın ışıma yoluyla aktarılması.

Fransız matematikçi Jean-Baptiste-Joseph Fourier, metal çubuklardaki ısı akışı olayını analitik olarak inceledi ve 1816’da Fransız fizikçi Jean-Baptiste Biot konuya ilişkin ölçümler yaptı. Suyun ısıl iletkenliği ilk olarak 1839’da belirlendi; gazların ısıl iletkenliği ise ancak 1860’lardan sonra ölçülebildi. 1804’te Biot ısıl iletim yasalarını formülleştirdi ve 1822’de Fourier bu olgunun matematiksel tanımını gerçekleştirerek yayımladı. 1803’te kızılötesi ışınların görünür ışık gibi yansıdığı' ve kırıldığı bulundu ve böylece ısıl ışınım, genel olarak ışınım olgusu üzerine sürdürülen araştırmaların bir parçası durumuna geldi. 1859’da Alman fizikçi Gustav Robert Kirchhoff, ışınım yasasını geliştirdi ve salım gücünü, soğurabilirliğe bağladı. AvusturyalI fizikçi Josef Stefan, bir kara cismin yayımladığı enerji ile bu cismin sıcaklığının dördüncü kuvveti arasındaki ilişkiyi (Stefan-Boltzmann yasası) kurdu. 1884’te Boltzmann bu ışınım yasasının matematiksel temelini attı. Planck ise, bu olgu üzerindeki araştırmaları sonucunda kuvantum kavramını geliştirdi. 1701’de Sir Isaac Newton taşınım yoluyla ısı aktarımı sürecini tanımlayan bir denklem geliştirmiş olmakla birlikte, bu olgu temel olarak 1880-1920 arasında gerçekleştirilen araştırmalar sonucunda anlaşıldı.

ısı aktarımı, enerjinin ve entropinin bir yerden başka bir yere aktarıldığı çeşitli süreçlerin ortak adı. Bu süreçler taşınım (bak. ısıl taşınım), ışınım (bak. ısıl ışınım) ve iletimdir (bak. ısıl iletim). İletim sürecinde enerji ve entropi aktarımı komşu moleküller arasında gerçekleşir. Bu süreç çoğunlukla yavaştır. Taşımınla ısı aktarımında ise, ısınan bir akışkanın, örneğin havanın hareketi söz konusudur. Bu süreç genellikle daha hızlıdır. Işınım sürecinde ise enerji, ısınan bir yüzeyden salman elektromagnetik ışınımın başka bir yüzey tarafından soğurul- ması sonucunda aktarılır. Bu sürecin gerçekleşmesi için enerji taşıyacak bir ortamın bulunmasına gerek yoktur.

Isı aktarımı, ister bir binanın ya da bir kap suyun ısıtılması sırasında, ister şimşek, fırtına gibi doğal olaylarda olsun, genellikle bu süreçlerin tümü aracılığıyla gerçekleşir.

ısı alıcı,

hayvanların içinde bulundukları ortamın sıcaklığını ve bu sıcaklıktaki değişmeleri saptamalarına yarayan özelleşmiş yapılar. Isı alıcılar, hayvanın tehlike karşısında gerekli tepkiyi vermesine yardımcı olmaktan başka, vücut sıcaklığının düzenlenmesini de sağlar. Hayvanlarda yaşamın sürdürülebilmesi için çevre sıcaklığının belirli sınırlar içinde olması gerekir. Dokular 0°C’nin altında donar; öte yandan 45°C’nin üstündeki sıcaklıklar, doku proteinlerinin yıkıma uğramasına neden olur.

Kuşlar ve memeliler gibi daha üstün yapılı hayvanlarda vücut sıcaklığı ve metabolizma işlevleri çevre sıcaklığından görece bağımsızdır. Sıcakkanlı olarak bilinen bu hayvanlarda ısı alıcılar, çevre sıcaklığı değiştiğinde otonom sinir sistemi aracılığıyla vücut sıcaklığının sabit tutulmasına yardımcı olur. Böcekler ve sürüngenler gibi soğukkanlı hayvanlarda ise, tersine vücut sıcaklığı çevre sıcaklığıyla birlikte değişir. Bu nedenle soğukkanlılarda ısı alıcıların, hayvanın yaşaması için elverişli sıcaklıktaki yaşama ortamının bulunmasına yardımcı olduğu söylenebilir.
Deride sıcağa ve soğuğa duyarlı küçük alanlar olduğu ve bu alanlardan kaynaklanan uyanların sıcaklık duyumuna yol açtığı bulunduktan sonra ısı alıcılar üzerine araştırmalar yapılmaya başladı. Vücutta belirli bölgelere yerleştirilen elektrotlarla ısı alıcı sinir hücrelerinden çıkan elektriksel uyarılar saptandı ve hayvanın farkına varmadığı sıcaklık değişikliklerine istenç dışı yanıtlar verdiği belirlendi.

Isı alıcılar incelenirken dört tür veri elde edilebilir:
1) İnsanın duyumsadığı sıcaklıklar ve çeşitli sıcaklık düzeylerinde duyduğu rahatlık ya da rahatsızlık,
2) her hayvanın sıcaklık değişmelerine yanıt olarak düzenlediği davranışlar,
3) ortamdaki sıcaklık değişmelerinde hayvanın vücut sıcaklığını korumak için otonom sinir sistemi tarafından başlatılan düzenlemeler (örn. terleme),
4) laboratuvar koşullarında hayvan ve insanlarda ısı alıcı hücrelerin sinir liflerinden kaynaklanan elektriksel uyanlar.

Isı algısından sorumlu sinir hücreleri bütün hayvanlarda benzer yollarla işlev görür. Çevre sıcaklığı yükseldiğinde sıcak alıcılardan kaynaklanan uyanların frekansı artar, soğuk alıcılardan gelenlerin frekansı azalır; çevre sıcaklığı düşerse bu durumun tersi oluşur. Sıcaklık belirli bir düzeyde sabit kalırsa uyarıların frekansı değişiklikten öncekine yakın bir düzeye gelir ve yeni bir değişikliğe kadar sabit kalır. Balıklar, amfibyumlar, kedi ya da insan gibi birçok canlıda ısı alıcı hücrelerin mekanik, kimyasal ya da elektriksel uyarılara da yanıt verdiği saptanmıştır.

Isı alıcı mekanizmalar bütün hayvanlarda benzer olmakla birlikte, ısı alıcı hücrelerin vücuttaki dağılımı ve yerleri bulunduğu türe göre değişir. Örneğin kenelerde ön bacakların vücudun ısıya en duyarlı bölgesi olduğu, sivrisinekler ve böceklerin çoğunda ise duyargalarda ısı ahcı hücrelerin yoğun olarak yer aldığı anlaşılmıştır. Bit gibi kan emici eklembacaklıların ısı alıcıları çok gelişmiştir; bu böcekler için kanını emebilecekleri canlının vücut ısısı temel bir uyaran ve yol göstericidir.

Kemiklibalıkların çoğu sudaki en küçük sıcaklık değişmelerine bile duyarlıdır. Vatoz ya da köpekbalığı gibi kıkırdaklı balıklarda başta yer alan, soğuğa duyarlı özel duyu organları (Lorenzini kanalları) vardır. Bu organların içinde jölemsi bir sıvı ve ısı alıcı hücreler bulunur. Bununla birlikte, mekanik uyaranlara ve hafif elektrik akımına da yanıt verdiği göz önüne alınarak, Lorenzini kanallarının özgün ısı alıcılar olmadıkları düşünülür.
Yenidünya yılanlarından bazılarında (örn. çıngıraklı yılan, mokasen yılanı, mızrak yılanı), gözlerin önünde ve altında oldukça gelişmiş bir ısı alıcı organ bulunur. Bu organ yaklaşık 5 mm derinliğinde bir oyuk ve oyuğun tabanına yakın 10 mikron kalınlığın da bir zardan oluşur; zarla taban arasında bir hava boşluğu vardır. Isı kaynağından gelen kızılötesi ışınlar oyuğun ağzına ve zara ulaşınca, zardaki duyarlı dokudan çıkan uyarılar yılanın ısı kaynağına yönelmesini sağlar. Böylece yılan gözleri ve burnu kapalı, dili kopartılmış olsa bile avının yönünü, kendisine uzaklığını saptayabilir ve ava ulaşmayı başarır. Henüz kesinleşmemiş olmakla birlikte, sürüngenlerin beyninde de deride- kine benzer ışıya duyarlı dokular olduğu düşünülmektedir.

Sıcakkanlı hayvanlardan kuşlar üzerine yapılan araştırmalar, deride ve beynin alt bölümlerinde (hipotalamus) ısı alıcılar olduğunu göstermektedir. Memelilerde vücut yüzeyine, derin dokulara, hipotalamus ve omuriliğe dağılmış olan alıcıların çoğu mekanik ya da kimyasal uyaranlara yanıt vermeyen özgün ısı alıcılardır. İnsanda sıcak alıcıları miyelinsiz, soğuk alıcıları ise miye- linsiz ya da ince bir miyelin kılıfıyla kaplı sinirlerle ilişkidedir. Isı alıcılardan merkez sinir sistemine giden uyarıların hangi süreçlerden geçtiği tam olarak bilinmemektedir. Vücuttaki dokuların sıcaklığı çeşitli mekanizmalarla sabit tutulduğu için, hipotala- musta bulunan ve damarlardaki kanın sıcaklığından etkilenen ısı alıcılar sıcaklık değişikliğinin hızına duyarlı değildir; öte yandan derideki alıcılar ani değişmelerden çok etkilenir. Hipotalamus, derin dokular ve derideki ısı alıcılardan gelen uyarılar hipotala- musta birleşir; burada elde edilen bilgi vücudun kendi sıcaklığından ve çevre sıcaklığından haberdar olmasını sağlar. Sıcaklık alıcılarından gelen uyarılar artınca otonom sinir sistemi damarları genişletip terlemeyi artırarak vücut ısısını düşürmeye çalışır. Buna benzer biçimde soğuğu algılayan alıcılardan gelen uyarılar fazlaysa damarlar büzülür, vücut sıcaklığının korunması için önlemler alınır.

ısı alışverişsiz süreç

ADYABATÎK SÜREÇ olarak da bilinir, termodinamikte, enerjinin bir sisteme ya da bir sistemden dışarıya yalnızca iş biçiminde aktarılmasının sonucu olarak sistemde oluşan değişiklik. Bir gazın hızla genleşmesi ya da büzülmesi hemen hemen ısı alışverişsiz bir süreçtir. İyi bir ısıl yalıtkan kap içinde oluşan herhangi bir süreç de ısı ahşverişsizdir. Isı alışverişsiz süreçler eğer tersinmez ise entropide artış gerçekleşir, ama eğer tersinir ise entropide herhangi bir değişiklik olmaz. Isı alışverişsiz süreçler entropide düşüşe yol açamaz.

ısı değiştiricisi,

EŞANJÖR olarak da bilinir, sıcak bir akışkandan soğuk bir akışkana ısı aktaran, böylece sıcak akışkanın enerjisini azaltarak soğuk akışkanın enerjisini artıran aygıtların ortak adı. Çok çeşitli tasarımlarla üretilen ısı değiştiricileri, termik ve nükleer santrallar, gaz türbinleri, ısıtma ve hava donanımları, soğutma ve kimya sanayisi ile değişik teknoloji alanlarında yaygın olarak kullanılır. Yapay uydular ve öteki uzay araçları için özel ısı değiştiricisi türleri geliştirilmiştir. Isı değiştiricileri özel kullanım amaçlarına bağlı olarak değişik adlarla anılır. Örneğin kazanlar, buharlaştırdılar, aşı- rıısıtıcılar, yoğunlaştırıcılar ve soğutucular değişik ısı değiştiricisi türleridir.

Çalışma ilkeleri.
Çizim l’de, eşeksenel biçimde iç içe yerleştirilmiş iki borudan oluşan basit bir ısı değiştiricisi görülmektedir. Her iki boruya da akışkanlar için giriş ve çıkış ağızlan açılmıştır. Çizimde, soğuk akışkan ortadaki borudan; sıcak akışkan ise soğuk akışkanla aynı yönde olmak üzere iki boru arasındaki boşluktan akmaktadır. Bu akış düzenine paralel akış denir. Sıcak akışkandan soğuk akışkana ısı, içerideki borunun ısıtma yüzeyi denilen çeperinden aktarılır. Akışkanların sıcaklığı Çizim l’de (altta) gösterilen eğrilerin üzerinde değişir. Sıcak akışkanın sıcaklığı twı’den tW2 ye düşer; soğuk akışkanın sıcaklığı ise fcı’den tc2’ye yükselir. Bir akışkandan başka bir akışkana birim zaman içinde aktarılan ısı miktarı, Q=mc (t2~h) bağıntısına göre hesaplanır. Burada Q aktarılan ısı miktarı (kilowatt [kW] cinsinden), m birim zaman içinde akan akışkanın kütlesi (saniyede kilogram [kg/sn] cinsinden), c akışkanın özgül ısısı (ısınma ısısı) ve akışkanın ısı değiştiricisine girişinden çıkışma kadar sıcaklığında ortaya çıkan artış miktarıdır (santigrat [°C] cinsinden). Özgül ısı, kullanılan akışkanın türüne bağlı olan bir özelliktir. Sıcak akışkanın kaybettiği ısının soğuk akışkanın kazandığı ısıya eşit olması gerekir.

Çizim 1’de gösterildiği gibi girişte A r,’e eşit olan akışkanlar arasındaki sıcaklık farkı, çıkışta A^’ye iner. Isı değiştiricisi, akışkanlardan birinin yönünün değiştirilmesiyle karşıakışlı olarak da çalıştırılabilir. Bu yöntemin yararı, soğuk akışkanın çıkış sıcaklığının (tcı), sıcak akışkanın çıkış sıcaklığının (t„2) üstüne çıkartabilmesidir. Ayrıca, eşit miktarda ısı aktarabilmek için, karşıakışlı ısı değiştiricisinde paralel akışlı ısı değiştiricisine oranla daha küçük bir yüzeye gereksinim vardır. Çünkü, belirli bir ısı akışı ve belirli giriş sıcaklıkları için ortalama sıcaklık farkı ( A t0) karşıakışlı ısı değiştiricilerinde paralel olanlara göre daha büyüktür.
Büyük ısı değiştiricilerinde, akışkanlardan biri için bbru demetlerinden yararlanılır. Borular kapalı bir bölmenin içine yerleştirilir ve öteki akışkan bu boruların arasından dolanarak akar. Boruların arasından akan akışkanın etkin akış yönü, demetin içinden akan akışkanın akış yönüne koşut ya da karşıt olacak biçimde düzenlenebilir (bak. Çizim 2).
Karşıakışlı ve paralel akışlı boru demetli ısı değiştiricileri, Çizim 2’de gösterildiği gibi soğuk akışkanın giriş ve çıkış yönlerinin değiştirilmesi yoluyla uyarlanabilir. Bir başka düzenekte ise, soğuk akışkan ısıtma yüzeyini oluşturan borulardan paralel olarak akar ve daha sonra bir manifoldda toplanır. Böylece, Çizim 2’de (sağda) şematik biçimde gösterildiği gibi çapraz bir akış oluşturulur. Nükleer reaktörlerde, boruların yerine yakıt çubukları kullanılır ve çubukların çevresinde dolanan soğutucu akışkan, çubuklarda çekirdek bölünmesi (fisyon) tepkimesi sırasında açığa çıkan ısıyı uzaklaştırır. Elektrikli ısıtıcılarda da, içerlerinde direnç bulunan çubuklar benzer biçimde aralarından geçen akışkana ısı aktarırlar.

Isı aktarımının mekanizması. Isı değiştiricilerinde sıcak akışkandan soğuk akışkana ısı çeşitli fiziksel süreçlerin sonucunda aktarılır. Isının, boru çeperinin bir yüzeyinden öteki yüzeyine geçişini sağlayan sürece ısıl iletim denir. Boru çeperindeki atomların her biri enerjisinin bir bölümünü daha düşük sıcaklıktaki komşu atomlara aktarır ve sonuçta ısı enerjisi duvarın sıcak tarafından soğuk tarafına geçer. Bu ısı akışının oluşması için gerekli olan sıcaklık farkı (düşüşü), çeperin kalınlığına, yüzey alanına ve ısıl iletkenliğine bağlıdır.

Bir akışkandan katı bir yüzeye aktarılan ısının bir bölümü ısıl iletim yoluyla geçer. Bir bölümü de, akışkanın ısı değiştiricisi boyunca akışı yoluyla taşınır; ısıl taşınım (konveksiyon) denen bu süreç akışkanın yapısına bağlıdır. Doğada, iki tür akış gerçekleşir. Katmanlı (laminer) ya da çalkantısız olarak tanımlanan akış türünde, akışkan parçacıkları yan yana düzgün bir biçimde akar. Burgaçlı (türbülanslı) ya da çalkantılı akışta ise, sürekli olarak dalgalar ve burgaçlar oluşur. Akış boyunca üst üste binen bu girdaplar, akışkan parçacıklarının sürekli olarak karışmasına neden olur. Bir boru içindeki akışın katmanlı ya da burgaçlı olması, borunun çapına, akışkanın akış hızına ve ağdalılığına (viskozluk) bağlıdır. Hız azaldıkça, çap küçüldükçe ve ağdalılık arttıkça akışın katmanlı olma eğilimi artar. Örneğin, yağlı soğutucularda akış katmanlıdır, çünkü yağın ağdalılığı yüksektir. Su ve benzeri sıvılarla ya da gazla çalışan ısı değiştiricilerinde ise akış çoğunlukla burgaçlıdır. Katmanlı akış halindeki bir akışkandan boru çeperine ısı aktarımı temel olarak ısıl iletim yoluyla gerçekleşir. Bu nedenle de akışkanın ısıl iletkenliğine ve borunun çapına bağlıdır. Sıvıların ısıl iletkenlikleri gazla- rınkine oranla daha yüksektir ve ısıyı daha hızlı aktarırlar. Özellikle sıvı metallerin ısıl iletkenliği çok daha yüksektir ve bu nedenle büyük miktarlardaki ısının küçük sıcaklık farklarıyla aktarılmasını gerektiren teknolojik uygulamalarda sıvı metallerden yararlanılır. Örneğin, bazı nükleer reaktörlerde ısı aktarma ortamı olarak sıvı metaller kullanılır.
Burgaçlı akışta, yukarıda anlatılan karışma süreci, ısının akışkandan borunun çeperlerine aktarılmasına üçüncü bir mekanizma olarak katkıda bulunur. Büyük ölçüde akışkanın hızına bağlı olan bu süreçte ısı aktarımı katmanlı akıştakine oranla daha fazladır.

Isı değiştiricisi türleri.

Uzay araçları için özel ısı değiştiricileri geliştirilmiştir. Bu araçlar boşlukta (vakum) çalışır; bu nedenle ısı iletim ya da ısıl taşınım yoluyla aktarılamaz. Bu araçlarda ısı, ısıl ışınım yoluyla aktarılmak durumundadır. Bu türden ısı değiştiricilerinde kullanılan ısı aktarımının mekanizması, Güneş’ten Yer’e enerji aktarımınınkinin aynısıdır. Işınım yoluyla enerji aktarımı özellikle yüksek sıcaklıklarda çok etkilidir. Bu tür yüksek sıcaklıklarda çalışan aygıtlarda (örn. buhar kazanları ya da gaz türbinleri) ısı aktarımı, ısıl iletimin ve konveksiyonun yanı sıra ışıma yoluyla gerçekleştirilir.

Belirli bir alanda kullanılacak olan bir ısı değiştiricisinin tasarımında, donanımın ağırlığının, kullanılan malzemenin ve imalat için gerekli olan işgücünün belirlediği ilk yatırım maliyetleri ile değiştiriciyi çalıştırmak için gerekli olan gücün maliyeti arasında bir denge kurulur. Akışkanların basıncının ısı değiştiricisi içinde düşmesini engellemek için pompalardan yararlanılır ve bu da çoğunlukla belirli bir elektrik enerjisi harcaması gerektirir. Isı değiştiricilerinin yapımında en uygun biçimin bulunması için oldukça geniş çalışmalar yapılmıştır. Genel olarak küçük çaplı boruların kullanılması ve borular arasında az boşluk bırakılması, yatırım ve çalıştırma maliyetlerini düşülür.

Re jeneratörler.

Yaygın olarak kullanılan bir ısı değiştiricisi türü olan rejeneratörlerde, içinden dönüşümlü olarak sıcak ve soğuk akışkanların geçirildiği gözenekli malzemelerden yararlanılır. Gözenekli malzeme (matris), içinden sıcak akışkan geçerken ısıyı tutar ve daha sonra soğuk akışkan geçerken bırakır. Matrisler levha, ızgara, elyaf gibi malzemelerden çok değişik biçimlerde yapılabilir. Cam ve seramik gibi metal olmayan malzemelerden de yararlanılabilir. Küçük boyutlu çok sayıda gözenek oluşturma yoluyla birim hacme düşen yüzey alanı oldukça büyütülebilir. Bu biçimde hazırlanan rejeneratörlere, tıkız ya da pekişik ısı değiştiricisi denir. Akışkanların dönüşümlü akışı, sıcak ve soğuk akışkanların giriş ve çıkış valflarının düzenli biçimde açılıp kapanmasıyla ya da iki akışkanın geçişi sırasında matrisin dönmesini sağlayan özel bir tasarımla gerçekleştirilir. 1930’lardan başlayarak bu tür ısı değiştiricileri buharlı enerji santrallarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Boyutları küçük olduğundan bu rejene- ratörler, gaz türbiniyle çalışan otomobil, uçak gibi taşıtların türbin donanımlarında da kullanıma elverişlidir.

Isı boruları.

Son yıllarda, değişik bir ısı değiştiricisi türü ilgi çekmektedir. Isı borusu olarak adlandırılan bu ısı değiştiricisi, ısının görece büyük uzaklıklara az bir sıcaklık farkıyla aktarılmasında kullanılır. Isı borusu, iki ucu kapalı ve içi istenilen sıcaklıkta kaynayan bir sıvıyla kısmen doldurulmuş bir borudan oluşur. Borunun bir ucu sıcak bölgeye, öteki ucu ise soğuk bölgeye yerleştirilir. Amaç, borunun yardımıyla ısının sıcak bölgeden soğuk bölgeye aktarılmasıdır. İşlem, alt ucu sıcak bölgeye yerleştirilmiş dikey bir boru göz önüne getirilerek açıklanabilir. Borunun alt bölümünü dolduran sıvı, sıcak bölgenin sıcaklığı sıvının kaynama noktasını aştığında kaynamaya başlar. Sıvı buhara dönüştükçe borunun alt bölümündeki basınç artar. Böylece yukarı doğru itilen buhar borunun üst bölümüne ulaşır ve buradaki soğuk bölgenin sıcaklığı sıvının buharlaşma sıcaklığından daha düşük olduğundan buhar yoğunlaşmaya başlar. Yoğunlaşan sıvı yerçekiminin etkisiyle borunun iç yüzeyinden aşağı akar. Böylece borunun içinde sıvı sürekli olarak dolaşır. Sıvıyı buharlaştırmak için gerekli olan ısı sıcak bölgeden elde edilir. Aynı miktarda ısı, sıvı yoğunlaştıkça soğuk bölgeye aktarılır. Sonuçta, sıvının sürekli dolaşımıyla sıcak bölgeden soğuk bölgeye ısı aktarılır.

1939’da Alman mühendis E. Schmidt gerçekleştirdiği deneyler sonucunda ısı borusuyla ısı aktarımının, sıvının kritik noktasına yakın bir sıcaklıkta olması durumunda son derece etkili olduğunu gösterdi. 1960’ta da, kritik noktasına yakın sıcaklıkta amonyak ya da karbon dioksitle doldurulmuş bir borunun birim zaman içinde aktardığı ısı miktarının, aynı boyutlarda yapılmış ve soğuk ve sıcak bölgeleri arasındaki sıcaklık farkı aynı olan bakır bir çubuğa oranla 4 bin kat daha fazla olduğunu ortaya koydu.
Isı boruları ancak dikey konumda ve sıcak bölge aşağıya gelecek biçimde çalışabilir. Bu kısıtlama 1942’de, General Motors Corporation’dan R. Gaugler’in geliştirdiği bir yöntemle aşıldı. Gaugler, borunun iç yüzeyine fitilden oluşan gözenekli bir malzeme yerleştirdi (bak. Çizim 3). Fitilde çok sayıda kılcal delik bulunduğundan, sıvı, borunun yerleştirilme doğrultusundan bağımsız olarak, soğuk uçtan sıcak uca kılcal etkiyle taşınır. Fitilin sıcak ucunda sıvı sürekli olarak buharlaşır, buharlaşan sıvının yeri kılcal etkiyle hemen dolar. Borunun sıcak ucundaki basıncın soğuk uçtakine oranla daha fazla olması, borunun içinde sürekli sıvı dolaşımına yol açar. Soğuk uçta yoğunlaşan sıvı kılcal kuvvetlerin etkisiyle fitilin içinden gene sıcak uca taşınır.

Gaugler’in buluşu önceleri fazlaca ilgi görmedi, bu nedenle Los Alamos Bilim Laboratuvarı’ndan G.M. Grover 1963’te yöntemi bir kez daha tanıttı ve aygıtı “ısı borusu” olarak adlandırdı. Grover ısı borusunun uzay araçlarının güç santrallarında kullanılabileceğini düşünmüştü. Isı boruları, borunun çeperinden dışarı ısı aktarabilmek için küçük sıcaklık farkları yeterli olduğundan son derece etkili ve verimlidir. Öte yandan, ısının buharla taşınabilmesi için herhangi bir sıcaklık farkına gereksinim yoktur. Bu yolla büyük miktarlarda ısı, oldukça küçük bir sıcaklık farkıyla büyük uzaklıklara aktarılabilir. Örneğin, çapı 2,5 cm ve uzunluğu 69 cm olan bir ısı borusuyla, 11 kW değerindeki bir ısı akışının ölçülemeyecek derecede küçük bir sıcaklık farkıyla aktarılması olanaklıdır.

Büyük miktarda ısıyı çok küçük bir sıcaklık farkıyla aktarabilmesi ısı borusunun temel özelliğidir. Bu aygıtların başka üstünlükleri de vardır. Örneğin, soğuk ya da sıcak uçlarındaki ısıyı, küçük ya da büyük bütün yüzeylere aktarabilirler. Isı bir bölgede toplandığında, ısı borusuyla buradan taşınarak geniş bir bölgeye dağıtılabilir. Bu özellik, elektronik aygıtların boyutlarının küçültüle- bilmesinde etkili olmuştur. Bu tür aygıtlar çalıştıkları sırada ısınır. Isı borusu, aygıtta biriken fazla ısıyı soğurarak soğutucu hava akımıyla soğutulabileceği başka bir bölgeye taşır. Böylece aygıtın boyutları küçültülebilir. Isı boruları, ısıyı çok küçük sıcaklık farklarıyla taşıyabildiğinden, uzay araçları gibi düzenli ısı dağılımına gereksinim duyulan aygıtlarda da yaygın olarak kullanılır. Isı borusu, birim zaman içinde aktardığı ısı miktarı ne olursa olsun, neredeyse sabit bir sıcaklıkta çalışır. Bu nedenle aktarılması gereken ısı miktarı değişse bile sıcaklığı sabit kalması istenen çeşitli aygıtlarda ısı borularından yararlanılır.

Uygun malzeme ve uygun sıvı seçilerek, 0°C’nin altından 2.000°C’ye kadar değişen sıcaklıklarda çalışabilecek ısı boruları yapılabilir. Isı borularında, metil alkol (metanol), aseton, su, flüorlu hidrokarbonlar, cıva, lityum, bizmut ve bazı inorganik tuzlar gibi çeşitli akışkanlar kullanılabilir. Borular ise seramik, cam, bakır, paslanmaz çelik, nikel, tungsten, molibden, tantal gibi maddelerden ve bir dizi alaşımdan yapılabilir. Öte yandan fitiller, sinterlenmiş gözenekli maddelerden, elek biçiminde örülmüş kılcal malzemeden, cam elyafından ya da bunların bir araya getirilmesiyle elde edilen malzemelerden yapılabilir.

ısı pompası,

belirli bir sıcaklıktaki bir cisimden ya da ortamdan daha yüksek sıcaklıktaki başka bir cisme ya da ortama ısı aktarılmasında kullanılan aygıt. Başlıca bileşenleri bir kompresör, bir yoğunlaştırıcı, bir genleşme valfı, bir buharlaştırıcı (evaporatör) ve soğutucu bir akışkandır. Kompresör yüksek basınç ve sıcaklıktaki soğutucu akışkan buharını ısıtılacak ortamda bulunan yoğunlaştırıcıya basar. Soğutucu akışkan buradaki görece soğuk havanın etkisiyle yoğunlaşır, bu arada hava ısınır. Isısını kaybedince sıvı hale gelen soğutucu akışkan, valftan geçerken genleşir, basıncı ve sıcaklığı düşerek sıvı-buhar karışımı haline gelir. Daha sonra buharlaştırıcıya giren bu karışım kendisinden daha sıcak olan bir ortamın etkisiyle tamamen buharlaşır. Buharın kompresöre geçmesiyle aynı çevrim tekrarlanır. Soğutucu akışkan olarak karbon dioksit, amonyak ya da bir halokarbon türünden yararlanılır.

ısı sığası,

İSİL SİĞA ya da TERMİK KAPASÎTE olarak da bilinir, bir cismin soğurduğu ısının, sıcaklık değişimine oranı. Çoğunlukla derece santigrat başına kalori olarak ifade edilir. Eğer cismin kütlesi tanımlanmışsa, elde edilen ısı sığası değerleri, atom ısısı, mol (gram cinsinden molekül ağırlığı) ısısı ya da özgül ısı olarak adlandırılır. Kalorinin tanımında, suyun özgül ısısı temel alınır.
Yeterince yüksek sıcaklıklarda, atom başına ısı sığası tüm elementler için hemen hemen aynı olur. Atom ağırlığı büyük olan metaller için bu özellik oda sıcaklığında da geçerlidir; Dulong-Petit yasası da bu özellikten yararlanılarak geliştirilmiştir. Öteki malzemelerin ısı sığaları ve ısı sığalarının sıcaklığa bağlı olarak değişmesi, atomların enerji düzeyleri (olanaklı kuvantum durumları) arasındaki farklılıklara bağlıdır. Isı sığaları çeşitli ısıölçüm aygıtlarıyla ve termodinamiğin üçüncü yasasına ilişkin formülden yararlanılarak ölçülür. Çeşitli cisimlerin entropilerinin saptanmasında ısı sığası ölçümlerinden yararlanılmıştır.