Kimya
mühendislerince yürütülen çalışmaların çoğu, enerjinin ısı şeklinde üretimi veya absorblanmasıyla ilgilidir. Bu
nedenle ısı transferi kanunları ve ısı akışını
kontrol eden cihazlar çok önemlidir. Bu bölümde ısı transferi ve proses mühendisliğindeki
uygulamaları üzerinde durulacaktır.
Isı
Akışının Doğası
Farklı
sıcaklıklardaki iki madde birbiriyle temas ettiklerinde, daha sıcak olandan
daha soğuk olana ısı akar. Net ısı akışı daima sıcaklık düşmesi yönündedir. Isı
akışı üç mekanizma üzerinden olabilir:
(a) Kondüksiyonla
(temasla)
(b) Konveksiyonla (hareket yoluyla)
(c) Radyasyonla (ışın yoluyla)
(a)
Kondüksiyonla Isı Transferi
Sürekli bir maddede sıcaklık farklılıkları varsa, herhangi
bir hareket gözlenmeden ısı akışı meydana
gelir. Bu tür ısı akışına moleküler iletim veya sadece iletim denir.
İletim moleküler boyuttadır ve mekanizması, herbir molekülün momentumunun sıcaklık
farklılığı boyunca taşınmasına dayanır. Örneğin, bir tüpün metal duvarının veya bir fırının tuğla duvarının
ısınması bu tür bir mekanizmayla gerçekleşir.
(b). Konveksiyonla Isı Transferi
Bir
akışkan özel bir yüzeyden geçtiğinde, beraberinde bir miktar entalpi taşır.
Taşınan bu entalpi akımına, ısının konveksiyonla akışı denir. Konveksiyon makroskopik bir olaydır
ve sadece akışkana bazı kuvvetlerin etki etmesi ve akışkanın bu sürtünme kuvvetlerine
karşı hareketini hala devam ettirmesi durumunda gerçekleşebilir. Konveksiyon, akışkan
mekanikleri ile yakın ilişki içindedir. Termodinamik anlamda konveksiyon, ısı akışı
olarak değil entalpi akışı şeklinde yorumlanır. Oysa konveksiyonun ısı akışı terimiyle
tanımlanması uygundur, çünkü pratikte konveksiyon ve kondüksiyon yoluyla ısı
transferini birbirinden
ayırmak çoğu kez zordur. Konveksiyon ile ısı iletimine örnek olarak, türbülent
akışta oluşan karışmayla entalpi transferi ve bir radyatörden sağlanan sıcak hava akışı gösterilebilir.
Akışkanlarda
konveksiyon yaratan kuvvetler iki tiptir. Akma olayı, yoğunluk farklılığından doğan
yüzdürme kuvvetleri sonunda oluşabilir; yoğunluğun farklılaşması, akışkan
içinde sıcaklık dalgalanmalarına yol açar ve "doğal konveksiyon"
denilen etki meydana gelir. Doğal konveksiyona örnek, ısıtılan bir radyatörün
önünden sıcak havanın akmasıdır. Akımın hareketi, bir pompa veya bir
karıştırıcı gibi mekanik yöntemlerle kontrol edildiğinde akışkan yoğunluk dalgalanmalarından etkilenmez; bu durumda
"zorlamalı konveksiyon" olayı vardır. Isıtılan bir borudan akan
akışkana ısı aktarılması bu tür bir konveksiyondur.
Aynı akışkan içinde iki tip kuvvet peşpeşe etkili olabileceğinden, doğal
ve zorlamalı konveksiyon birarada bulunabilir.
(c). Radyasyonla Isı Transferi
Radyasyon,
elektromagnetik dalgalarla uzaydan transfer edilen enerjiye verilen isimdir. Radyasyon, uzayda boşluktan
geçerse ısıya veya başka bir enerji şekline
dönüşmez ve yolunu değiştirmez; oysa yolu üzerinde bazı maddeler bulunduğunda bir kısmı bu maddelerden geçer, bir
kısmı ise absorblanır veya yansır.
Isı şeklinde açığa çıkan sadece absorblanan enerjidir ve dönüşüm kantitatiftir.
Örneğin, ergimiş kuvartza çarpan radyasyonun tamamı geçer; parlatılmış opak bir yüzey veya bir ayna, gelen
radyasyonun hemen hepsini yansıtır; siyah veya mat bir yüzey ise
radyasyonun çoğ'jnu absorblayarak kantitatif olarak ısıya çevirir.
Monoatomik
ve diatomik gazlardan ısı akışı hem radyasyonla ve hem de kondüksiyon-konveksiyonla
olur; fırınlarda ve gas ile ısıtılan diğer cihazlardaki ısı transferlerinde olduğu gibi. Çok genel
anlamda, radyasyonun yüksek sıcaklıklarda
önemli olduğu ve akışkanın akışından etkilenmediği söylenebilir; oysa,
kondüksiyon-konveksiyon ile transfer akış koşullarına bağlıdır, fakat sıcaklık
seviyesinden etkilenmez.
GERİ (proje çalışmaları)
