Isı yalıtımı nasıl çalışır?
Kışın ortasında soğumaya başlayınca siz ne yaparsınız? Çoğu insan bir ısıtıcıyı açar, fazladan bir kat giysi giyer ve rahat bir battaniyenin altına girerdi. Dışarı çıkacaksanız ceket giyersiniz ama ceketin sizi neden ve nasıl sıcak tuttuğunu hiç düşündünüz mü?
Bu etkinlikte, ısı yalıtımının nasıl çalıştığını göstereceğiz ve bu kışı sıcak tutmanın en iyi yolunu bulmanıza yardımcı olacağız!
İşte ısı yalıtımı hakkında anlaşılması gereken birkaç temel ilke
Isı sadece bir enerji şeklidir. Örneğin sıcak çikolata gibi bir şeyi ısıtmak için mikrodalga fırınınızdan veya elektrikli sürahinizden gelen enerjiyi kullanacaksınız. Bu enerji elektrik veya gaz şeklinde gelir. İçeceğiniz güzel ve sıcak olduğunda hemen ısı kaybetmeye başlar. Ne kadar uzun süre beklerseniz, o kadar soğuk olur.
Bu, ısı transferi adı verilen bir olgudan kaynaklanmaktadır. Burası enerji akışının, bu durumda ısının bir nesneden diğerine akmaya başladığı yerdir. Kural, ısı enerjisinin her zaman daha sıcak nesneden daha soğuk olana aktarılmasıdır. Bu örnekte, sıcak çikolatadan gelen ısı fincandan dışarıya ve genellikle içecekten daha soğuk olacak olan çevresindeki havaya aktarılıyor.
Her iki nesne de aynı sıcaklığa ulaştığında, ısı transferi duracaktır. Sıvılarda veya gazlarda bu tür ısı transferine konveksiyon denir.
Başka bir ısı transferi türü, iletim olarak bilinir. Bu enerjide bir madde boyunca bir parçacıktan diğerine hareket eder. İyi bir iletim örneği, bir tencereyi ocağa koyduğunuzda, tencere ve kulp ısınmaya başlar.
Son olarak, ısı radyasyon yoluyla da aktarılabilir. Daha önce şenlik ateşinin etrafında oturduysanız, ateşin çok fazla ısı yaydığını bilirsiniz. Ateşe dokunmasanız da, gerçekten soğuk bir akşam olsa bile ateşten yayılan ısıyı hissedersiniz.
Peki sıcak çikolatanızı nasıl sıcak tutarsınız?
O halde sıcak çikolatanıza geri dönelim. İçeceğinizi güzel ve sıcak tutmak istiyorsanız, içeceğin sıcak kalması için ısı transferini nasıl azaltacağınızı veya yavaşlatacağınızı bilmek ilginizi çekebilir ve cevap ısı yalıtımıdır.
Yalıtım, sıcak ve soğuk bir nesne arasında, termal radyasyonu yansıtarak veya termal iletimi ve konveksiyonu azaltarak ısı transferini azaltan veya yavaşlatan bir termal bariyer oluşturur. Bariyerde kullanılan yalıtım malzemesinin türü, ısı transferini yavaşlatma veya azaltmadaki etkinliğini belirleyecektir. Isıyı zayıf ileten bariyerler iyi ısı yalıtkanlarıdır, oysa ısıyı iyi ileten malzemelerin izolasyon yetenekleri düşüktür. Isı yalıtımı böyle çalışır.
Bu deneyde, hangi malzemelerin iyi ve kötü ısı yalıtkanları yaptığını test edeceksiniz. İşte deney için ihtiyaç duyacağınız malzemeler
Neye ihtiyacın olacak
- Birkaç cam kavanoz ve kapak
- Kaset
- Alüminyum folyo
- Kabarcık Sarma
- Tahta bir eşarp veya diğer yün giysiler
- Kağıt
- Bir musluktan sıcak su
- Termometre
- Buzdolabı
- bir zamanlayıcı
- Yazmak için kağıt
- Bir kalem veya kurşun kalem
Hazırlık
Isı yalıtımının nasıl çalıştığını öğrenmeye hazır mısınız? Başlayalım!
- Alüminyum folyodan, balonlu naylondan ve kağıttan bir parça kesin (gerekirse bir yetişkinden yardım alın). Her parça, cam kavanozun kenarlarına üç kez sığacak kadar büyük olmalıdır.
- Alüminyum folyo parçasını alın ve kavanozlardan birinin kenarlarına sarın. Cam kavanozun etrafında üç kat folyo olmalıdır. Folyoyu kavanoza takmak için bandı kullanın.
- Ardından, başka bir kavanozu balonlu naylonla sarın, böylece cam da üç kat halinde kaplanır. Balonlu ambalajı kavanoza bantladığınızdan emin olun.
- Üçüncü bir kavanozu üç kat kağıda sarmak için kesilmiş kağıdı kullanın. Kağıdı bir kez daha cam kavanoza yapıştırın.
- Başka bir cam kavanoz alın ve kavanozun etrafına bir fular veya başka bir yün kumaş sarın. Sadece üç kat sarma yapın ve eşarbın kavanoza bağlı kaldığından emin olun.
- Son kavanozu sarmadan bırakın. Bu senin kontrolün olacak.
prosedür
- Her kavanozu musluğunuzdan aynı miktarda sıcak suyla doldurun.
- Her kavanozdaki sıcaklığı ölçmek için termometreyi kullanın. Parmağınızı her kavanozdaki suyun içine sokun (musluk suyunuz çok sıcaksa dikkatli olun) – suyun sıcaklığı nasıl bir his veriyor?
- Her bir kavanoz için sıcaklığı not edin ve kapakları kapatın. Tüm sıcaklıklar aynı mı yoksa farklılıklar var mı? Farklılıklar ne kadar büyük?
- Buzdolabını aç ve beş kavanozun hepsini içine koy. Hâlâ güvenli bir şekilde sarıldığından emin olun. Buzdolabının sıcaklığını hissedin—sıcaklığı nasıl bir duygu?
- Termometreyi buzdolabına koyun. Buzdolabına koyduğunuzda termometre hangi sıcaklığı okur?
- Tüm kavanozlar buzdolabına girdikten sonra buzdolabının kapısını kapatın ve zamanlayıcıyı 10 dakikaya ayarlayın. Bu süre zarfında kavanozlara ve sıcak suya ne olacağını düşünüyorsun?
- 10 dakika sonra buzdolabını açın ve tüm kavanozları dışarı çıkarın. Kavanozlar farklı mı hissediyor?
- Her kavanozu birer birer açın ve termometrenizle su sıcaklığını ölçün. Ayrıca, sıcaklığı parmağınızla hissedin. Sıcaklık değişti mi? Termometreye göre nasıl değişti?
- Her kavanoz için sıcaklık ölçümünü tekrarlayın ve her ambalaj malzemesi için sıcaklığı yazın. Her kavanozdaki sıcaklık aynı şekilde mi değişti? Hangi ambalaj malzemesi en düşük sıcaklık değişikliğine neden oldu ve hangisi en büyük sıcaklık değişikliğine neden oldu?
- Daha iyi bir karşılaştırma için, her kavanoz için testin başından ve sonundan sıcaklık farkını hesaplayın (sıcaklık başlangıç sıcaklığına karşı buzdolabında 10 dakika sonra sıcaklık). Sonuçlarınıza göre, hangi malzemenin en iyi veya en zayıf ısı yalıtkanı olduğunu söyleyebilir misiniz?
birkaç ekstra
- Ekstra: Sıcaklıklar her malzeme için benzer şekilde değişmeye devam edecek mi? Her bir kavanozu tekrar kapatıp 10 dakika daha buzdolabına koyabilirsiniz. Sonuçlar bu sefer farklı mı yoksa aynı mı?
- Ekstra : Su sıcaklığı buzdolabındaki ile dondurucudaki ile aynı mı yoksa oda sıcaklığında mı değişiyor? Testi tekrarlayın, ancak bu sefer cam kavanozları buzdolabına koymak yerine dondurucuya koyun veya oda sıcaklığında tutun. Suyun sıcaklığı 10 dakika içinde ne kadar değişir? Farklı ambalaj malzemeleri farklı davranır mı?
- Ekstra : İyi veya kötü ısı yalıtkanları olduğunu düşündüğünüz diğer malzemeleri bulmaya çalışın ve bunları test edin. Hangi malzeme en iyi şekilde çalışır? Bunun için bir sebep düşünebiliyor musun?
- Ekstra : Kavanozları buzdolabından 10 dakika sonra çıkarırsanız, muhtemelen hala kavanozun içindeki su ile buzdolabının içindeki sıcaklık arasındaki farkı ölçersiniz. Cam kavanozları buzdolabında daha uzun süre saklayabilir ve 15 ila 30 dakikada bir sıcaklıklarını ölçebilirsiniz. Suyun sıcaklığının artık değişmemesi ne kadar sürer? Bardağın içindeki suyun son sıcaklığı nedir?
- Ekstra : Doğru yalıtım malzemesini seçmenin yanı sıra, ısı yalıtımını iyileştirmenin başka yolları nelerdir? Bu testi sadece bir ambalaj malzemesi ile tekrarlayın. Bu kez yalıtım katmanınızın kalınlığını değiştirin. Yalıtım tabakasının kalınlığı ile buzdolabındaki sıcaklık değişimi arasında bir ilişki buldunuz mu?
Gözlemler ve Sonuçlar
Buzdolabının içindeki 10 dakika boyunca sıcak suyunuz önemli ölçüde soğudu mu? Buzdolabı sıcaklığı çok düşük olmasına rağmen sıcak suyunuz yüksek sıcaklığa sahiptir. Isı enerjisi sıcak nesneden soğuk nesneye akarken, cam kavanozları içine koyduğunuzda sıcak suyunuzdan gelen ısı enerjisi buzdolabının içindeki çevredeki soğuk havaya aktarılacaktır.
Bu neden oldu?
Bu durumda ısı transferinin en önemli mekanizması konveksiyondur, yani sıcak kavanozun hemen yanındaki hava sıcak su ile ısıtılır. Daha sonra sıcak hava, yine ısınan soğuk hava ile değiştirilir. Aynı zamanda soğuk hava kavanozun içindeki suyu soğutur. Sıcak suyun ısısı, bardağın etrafındaki soğuk hava akışıyla taşınır. Kavanozları buzdolabında yeterince uzun süre bırakırsanız, sıcak su buzdolabının içindeki sıcaklığa ulaşana kadar sıcaklığın değiştiğini gözlemlemiş olabilirsiniz. Su ile buzdolabı arasında sıcaklık farkı olmazsa ısı transferi durur.
İletim yoluyla ısı kaybı
Sudan gelen ısı da iletim yoluyla kaybedilir: malzemenin kendisinin termal iletkenliğine bağlı olan, malzemeden ısı transferi. Cam kavanoz ısıyı nispeten iyi iletebilir. Cam kavanoza sıcak su ile dokunduğunuzda camın da sıcak olduğunu fark edeceksiniz.
Farklı ambalaj malzemelerinin nasıl bir etkisi oldu? Ambalaj malzemeleriyle, buzdolabında 10 dakika sonra suyun sıcaklığının ambalajsız kontrole kıyasla daha yüksek olduğunu fark etmişsinizdir. Neden? Niye? Cam kavanozu sarmak, buzdolabının içindeki sıcak sudan soğuk havaya ısı transferini azaltır. Isı iletkenliği çok düşük olan ambalaj malzemelerinin kullanılması, iletim yoluyla ısı kaybını azaltır. Aynı zamanda yalıtkan, cam kavanozun etrafındaki soğuk hava akışını da bozabilir veya azaltabilir, bu da konveksiyon yoluyla daha az ısı kaybına neden olur.
Bazı son düşünceler
Konveksiyonu azaltmanın bir yolu, örneğin balonlu naylon, kumaş veya yün gibi çok fazla hava cebi olan izolatörler kullanarak kavanozun etrafında hava cepleri oluşturmaktır. Genel olarak hava iyi bir ısı yalıtkanıdır, ancak konveksiyon yoluyla ısıyı iletebilir. Ancak yalıtım malzemesi içindeki hava cepleri birbirinden ayrılırsa bir hava cebinden diğerine ısı akışı kolayca gerçekleşemez.
Bu nedenle en yüksek sıcaklığı baloncuklu kavanozda ve kumaşa sarılı kavanozda ölçmüş olmanız gerekir. Bu aynı zamanda kıyafetlerimizin çoğunun neden kumaştan yapıldığını ve fazladan bir ceket giydiğinizde neden daha sıcak kaldığınızı da açıklıyor. Kağıt ve folyo, çok fazla hava cebine sahip olmadıkları için ısının dışarı çıkmasını kolaylaştırır.
Artık ısı yalıtımının nasıl çalıştığı hakkında biraz bilgi sahibi olduğunuza göre, bu size evin neden yalıtılması gerektiğini daha iyi anlamanızı sağlayacaktır. Kış aylarında sizi ve ailenizi sıcak tutmak için çatı, zemin ve duvar yalıtımı çok önemlidir!
