Isıl Işınım Deneyi

ISIL IŞINIM DENEYİ
1. Giriş
Işınımla (radyasyonla) ısı transferi ve ısıl ışınım terimleri, elektromanyetik dalgalar ya da
fotonlar (kütlesi olmayan fakat enerjiye sahip parçacıklar) vasıtasıyla gerçekleşen ısı transferini
tanımlamak için kullanılırlar. Bütün maddeler sürekli olarak sahip oldukları moleküler enerji
seviyelerini düşürerek ya da yükselterek elektromanyetik dalga yayar ya da absorbe ederler.
Işımanın şiddeti ve dalga boyu ışıma yapan malzemenin sıcaklığına bağlıdır. Işımanın fiziksel
mekanizmasını açıklamada elektromanyetik dalga teorisi ve kuantum mekaniğinden birlikte
yararlanılır.
İletim ve taşınımla ısı geçişi bir madde içindeki sıcaklık gradyanından kaynaklanırken, ısıl
ışınımla ısı geçişi için arada bir madde bulunmasına gerek yoktur; yüzeylerin birbirini görmesi
yeterlidir. Örneğin yüksek sıcaklığa bağlı bir katı cismin daha düşük sıcaklıkta yüzeye sahip bir
hacimde vakum içinde muhafaza edildiğini düşünelim. Vakumun varlığı hacim içinde katı
cisimden iletim ve taşınımla olacak ısı transferini engelleyecektir, çünkü bu ısı transferi
mekanizmalarının gerçekleşmesi için bir ortam mevcut değildir. Ancak katı cisim belli bir
zaman sonunda soğuyarak kendisini çevreleyen yüzeyler ile ısıl dengeye gelecektir. Diğer bir
deyişle katı cisim çevresiyle ısı transferinde bulunacak ve sonuçta ısıl dengeye ulaşacaktır.
2. Isıl Işınım
Isıl ışınım, sıcaklığı nedeniyle maddeden yayılan enerji ile ilişkilidir. Şu anda sizi çevreleyen
tüm maddelerden ısıl ışınım yayılmaktadır. Eğer içerdeyseniz, duvarlardan ve mobilyalardan,
dışarıdaysanız ağaçlar, evler, atmosfer ve güneşten size ısıl ışınım gelmektedir. Yayılma
mekanizması maddenin yapısında bulunan elektronların salınım ve yörünge değiştirmeleri
sonucunda açığa çıkan enerji ile ilişkilidir. Bu salınımlar da maddenin iç enerjisi ve bunun
göstergesi olan sıcaklığından kaynaklanmaktadır. Böylece ısıl ışınımın yayılmasını maddenin
içyapısındaki değişmesine bağlayabiliriz.
Işınımın maddeden yayılma olarak gerçekleştiğini ve enerjinin bu yolla aktarımının herhangi
bir aracı ortama gerek göstermediğini açıklamıştık. Bu enerji aktarımı bir teoriye göre foton
veya kuantum adı verilen parçacık demetlerinin yayılmasıyken, diğer bir teoriye göre
elektromanyetik dalgaların yayılması biçiminde algılanabilir. Her iki durumda da, ışınım
standart dalga özelikleri olan frekans γ ve dalga uzunluğu λ ile tanımlanır. Herhangi bir
oryamda yayılan ışınım için, bu iki özelik arasındaki ilişki aşağıdaki ile verilir:
λ=c / γ
c: ışığın o ortamdaki hızı,( Boşlukta yayılma için co=2,998 ×108 m/s’dir.)
Dalga boyunun birimi genellikle ( μm ) olup, 1 μm =10-6 m’dir.
Şekil 1. Elektromanyetik ışınımın dalga boylarına göre dağılımı
Tüm elektromanyetik dalga boylarına göre dağılım yukarıdaki şekilde gösterilmiştir. Kısa dalga
boylarında bulunan gama ışınları, X ışınları ve morötesi ışınım daha çok yüksek enerji
fizikçileri ve nükleer mühendislerin ilgi alanındadır. Uzun dalga boylarında bulunan
mikrodalgalar ve radyo dalgaları ise elektrik mühendislerin ilgi alanındadır. 0,1 ile 102 μm
arasında bulunan spektrumun orta bölgesi, morötesi ışınımın bir bölümü ile görünür ve
kızılötesi ışınımın tümünü içerir ve “ısıl ışınım” diye bilinir. Isı geçişi ile doğrudan ilgili olan
bölge de budur.
3. Deney Düzeneği ve Deneyin Yapılışı
Şekil 2. Deney Düzeneği
1. Ölçme Amplifikatörü
2. Sıcaklık ölçüm noktasına sahip absorbsiyon plakası
3. Renk filtreleri
4. Menfez
5. Dönen ışık kaynağı
6. Renk filtreleri
7. Absorbsiyon plakası tutucu
8. Luxmetre
9. Radyometre
10. Isı kaynağı
Deney-1: Isı İçin Ters Kare Kanunu
Amaç: Bir yüzeydeki ışınım şiddetinin, yüzeyin ışınım kaynağı ile olan uzaklığının karesi ile
ters orantılı olduğunun gösterilmesi.
Deneyin Yapılışı:
1. Radyometrenin ısı kaynağından başlangıç uzaklığı 100 mm (X=100 mm) olarak
ayarlanır.
2. Sisteme güç verilir, güç ayarı düğmesi orta konuma getirilir.
3. X=100 mm’den X=700 mm’ye kadar 50 mm aralıklarla ölçüm yapılır. X uzaklık
değeri ve radyometre göstergesinin değeri Tablo 1’e kayıt edilir.
4. Radyometre değeri okunmadan önce, sistemin sürekli rejime (kararlı hale) gelmesi
beklenmelidir.
X(mm)
R(W/m2)
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
Tablo 1. Uzaklık – Radyometre Değerleri
Tablo 1 doldurulduktan sonra X ve R değerlerinin grafiği çizilir ve değişim yorumlanır.
Deney-1: Stefan-Boltzmann Kanunu
Amaç: Işınım şiddetinin kaynak sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle değiştiğinin gösterilmesi.
Stefan-Boltzmann Kanunu: 𝑞′′𝚤ş𝚤𝑛𝚤𝑚 = 𝜀. 𝜎. (𝑇𝑠4 − 𝑇𝐴4 ) [W/m2]
𝜀: Isı kaynağının yayma oranı [1] (Birimsiz)
𝜎 = 5.67 × 10-8 [W/(m2K4)] (Stefan − Boltzmann sabiti )
𝑇𝑠 : Isı kaynağının sıcaklığı [K]
𝑇𝐴 : Radyometre ve çevrenin sıcaklığı [K]
Isı kaynağının yaydığı bütün enerji geometrik nedenlerden dolayı radyometreye ulaşamaz.
Kurulan deney düzeneğinde deneysel olarak yayılan enerjiyi bulmak için bir düzeltme faktörü
kullanılır.
𝑞′′𝑑𝑒𝑛𝑒𝑦𝑠𝑒𝑙 = 1.5 × 𝑅 [W/m2]
R: Radyometre değeri [W/m2]
Deneyin Yapılışı:
Radyometrenin ısı kaynağından uzaklığı 100 mm (X=100 mm) olarak ayarlanır.
Sisteme güç verilir, güç ayarı düğmesi orta konuma getirilir.
Çevre koşullarında, sıcaklık ve radyometre değerleri not edilir.
Sıcaklık göstergesi 𝑇𝑖𝑙𝑘 °C’yi gösterdikten sonra her 𝑇𝑏𝑎𝑠𝑎𝑚𝑎𝑘 °C’lik artış için sıcaklık
ve radyometre değerleri Tablo 2’ye kayıt edilir.
5. 𝑇𝑖𝑙𝑘 ve 𝑇𝑏𝑎𝑠𝑎𝑚𝑎𝑘 değerleri deney sırasında verilecektir.
1.
2.
3.
4.
Okunan Değerler
Hesaplamalar
𝑇𝑠
Radyometre
değeri
𝑇𝐴
𝑞′′𝑑𝑒𝑛𝑒𝑦𝑠𝑒𝑙 = 1.5 × 𝑅
𝑞′′𝚤ş𝚤𝑛𝚤𝑚 = 𝜀. 𝜎. (𝑇𝑠4 − 𝑇𝐴4 )
[°C]
[W/m2]
[°C]
[W/m2]
[W/m2]
Tablo 2. Stefan-Boltzmann Kanunu deneyi okunan değerler – hesaplamalar tablosu
Tablo 2 doldurulduktan sonra deneysel ve teorik sonuçlardan bağıl hata hesaplanmalı ve
yorumlanmalıdır. İşlemler sırasında birimlere dikkat etmeyi unutmayınız.