Isıl genleşme katsayısı; bir malzemede veya elemanda, her bir sıcaklık derecesinde meydana gelen birim şekil değişimi gözlemlenerek elde edilen bir katsayıdır. Yani 1 birim sıcaklık değişiminde, maddede meydana gelen hacim veya uzunluk değişimleri gözlemlenerek elde edilir.

Isıl genleşme katsayısı; birim şekil değişiminin, sıcaklık farkına oranıyla elde edilen bir katsayıdır. Termal genleşme katsayısı da denir.

Birim Şekil Değiştirme (ε) =∆L/L0

Eğer malzemenin 1 birim sıcaklık değişiminde, hacminde meydana gelen değişim miktarını gözlemlemeye çalışıyor isek kullanılan katsayıya “Hacimsel Genleşme Katsayısı” denir. Yani malzemenin sıcaklığı 1 derece arttırıldığında, hacminde meydana gelen değişim miktarını tarif ettiğimiz katsayıdır.

Eğer malzemenin 1 birim sıcaklık değişiminde, boyunda olan değişim miktarını gözlemlemeye çalışıyor isek kullanılan katsayıya “Doğrusal Genleşme Katsayısı” denir. Yani malzemenin sıcaklığı 1 derece arttırıldığında boyunda meydana gelen değişim miktarını tarif ettiğimiz katsayıdır. Genelde, doğrusal ısıl genleşme katsayısı dikkate alındığından dolayı karşımıza çıkan yani ölçülmüş, kabul edilmiş ısıl genleşme katsayıları aslında 1 derece sıcaklık farkında malzemede meydana gelen boyuna uzamalar veya kısalmalar için kullanılan doğrusal ısıl genleşme katsayılarıdır. Yazımızın geri kalanında “ısıl genleşme katsayısı” olarak bahsettiğimiz her tanım aslında “doğrusal ısıl genleşme katsayısı” dır.  Bazı kaynaklarda çizgisel ısıl genleşme katsayısı veya lineer ısıl genleşme katsayısı olarak da isimlendirilir.

Isıl Genleşme Katsayısı: Sıcaklık birimi olarak genelde “Kelvin (°K)” kullanılır.(Malzemelerin sıcaklık ölçümlerinde vs.) Çeşitli sistemlerdeki  “dilatometre“lerle veya laboratuvarlarda çeşitli yöntemler ile ölçülür. “α” ile gösterilir.  Isıl genleşme katsayısının birimi ise 1/°C ve 1/°K‘dir.  “°C” ile “°K”  ölçeklerinde sıcaklık artışı veya azalışı eşit olduğundan dolayı iki ölçeği de bu katsayının birimi olarak ifade edebiliriz. (Yani bir madde ısıtıldığında eğer sıcaklığı örneğin 2 °C artıyorsa, aynı zamanda 2°K artmıştır.)

Isıl Genleşme Katsayısı ile İlgili Formüller – Bir malzemenin, belirli bir sıcaklıkta, belirli bir ısı verilerek, boyunda meydana gelen değişim ile sıcaklığında meydana gelen değişim arasında bir bağıntı vardır. Malzemede meydana gelen uzama miktarının, malzemenin ilk uzunluğuna oranı bize birim şekil değişimini veriyordu. Bu birim şekil değişimi ise, malzemenin ilk ve son sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkı ile ısıl genleşme katsayısının çarpımına eşittir. Yani birim şekil değişimi ile sıcaklık farkı arasındaki bağıntıyı kurmamızı sağlayan katsayı ısıl genleşme katsayısıdır.

Not: Isı bir enerjidir, kalorimetre ile ölçülür. Birimi kalori(cal) veya joule (j)’dür. Sıcaklık ise bir niceliktir, termometre ile ölçülür. Celsius(°C), Kelvin(°K), Fahrenheit( °F) gibi derece birimleri kullanılır. Bu ölçekler arasında bağıntılar mevcuttur.

Sıcaklık farklarının çok olduğu veya ısıtılması gereken sistemlerde, sistemle temas halinde olan tüm malzemelerin ısıl genleşme katsayıları, sistemlerin tasarlanmasında önemli bir yere sahiptir.

Genelde ısıya maruz kalan malzemenin boyutlarında artış, soğutulan malzemenin ise boyutlarında azalış meydana gelir. Boyutlarda artış olduğunda genleşme, azalış olduğunda ise büzüşme adı verilir.

Çoğu malzeme ısıya maruz kaldığında yani sıcaklığı arttırıldığında genleşir veya boyu uzar. Ancak bazı malzemeler tam tersi tepki gösterir ve sıcaklığı arttıkça büzüşür yani hacmi azalır. Bu tarz malzemeler ise “negatif ısıl genleşme katsayısı“na sahiptir. (Makaron kablo, kauçuk, bazı karbonfiberler gibi..) (Suyun 0 ile 4 °C aralığında gösterdiği tepki de bu şekildedir. Bizmut, Antimon vb. maddeler de suya benzer özellik gösterir.)

Peki bir malzeme ısıya maruz kaldığında nasıl boyutları artıyor? Malzemelerin içerisinde yer alan atomlar, ısıya maruz kaldıkça kinetik enerjileri artar ve dolayısıyla daha fazla titreşmeye başlarlar. En basitinden su kaynatırken, atomların giderek titreşiminin artmasından dolayı, kaynama noktasında veya belirli bir sıcaklıktan sonra suyun kaynarken nasıl titreştiğini hatırlayın. İşte bu yüzden malzemeye ısı verildiğinde, malzemenin sıcaklığı artmaya başlar ve sıcaklık arttıkça atomlar arası titreşme de (titreşme genliği) gittikçe artar. Atomlar arası mesafe de bu titreşimden dolayı artar ve genleşme gerçekleşir.


Özellikle köprü mesnetleri, öngerilmeli betonarme elemanları, çelik yapılarda, birleşim noktalarında, derzlerde, demiryollarında, trafolar arası kablo imalatlarında vb. uygulamalarda sıcaklık farkı dolayısıyla oluşacak şekil değişimleri iyi hesaplanmalıdır.

Sıcaklık, bütün malzemelerde, şartlara göre bir takım etkiler yaratır. Örneğin; betonda sıcaklığın belirli bir dereceyi aşması sebebiyle genelde rötre çatlakları dediğimiz çatlaklar oluşur. Bu çatlakların oluşmasını engellemek için, betonarme elemanda kullanılan donatı ve yapılan hesaba da bağlı olmakla birlikte, betonun sulanması vb. gibi bakımlarının da yapılması gereklidir.

Prizini almış, suya doygun, belirli bir mukavemete sahip betonda ısıl genleşme katsayısı daha düşük olur.

Yapıların yapılma amacına göre malzeme seçilmelidir ve seçilen bu malzemelerin maruz kalacağı ısılardan dolayı sıcaklıklarındaki değişimler ile göstereceği tepkiler analiz edilmelidir. Mesela, yangına dayanıklı betonarme bir yapı veya yapı elemanı kuvars agrega içermemelidir. Çünkü; kuvars agrega 300 °K’den sonra hızlı bir genleşmeye uğrar ve betonun yapısı bozar.

Silika kumu (ısıl genleşme katsayısı yüksek) kullanılan, oranı fazla olan bir betonun genleşmesi de fazla olacaktır. Pomza agregalı, curuf agregalı betonlarda (Isıl genleşme katsayıları daha düşük) aynı oranlardaki sıcaklık artışlarında genleşme daha az olacaktır.

Örneğin, çeliğin ısıl genleşme katsayısı çok yüksek olduğundan, çelik yapılarda gerekli hesaplamaların yapılması büyük önem taşır.

İçerisinden sıcak akışkan geçen sistemlerde genleşme hesabı yapılır ve bu hesaplara göre gerekli önlemler alınır. Bu hesaplamalar yapılmadığı takdirde arıza oluşma ihtimali vardır. Boru döşenirken doğrusal şekilde değil de z, u şeklinde boru döşenir ise bu genleşmeler absorbe edilir.

Çeşitli yapı içerisindeki kaplamalar, yol kaplamaları, çelik halatlar, elektrik kabloları vb. birçok elemanlar veya yapılar ısıl genleşme (termal genleşme) nedeniyle şekil değişimlerine uğrayabilir ve bu şekil değişimleri hasara sebebiyet verebilir.

Yukarıdaki tablodan kısaca şunu anlayabiliriz. Alüminyumu ele alacak olursak; 1 metre uzunluğundaki alüminyumun, 1 derece sıcaklık artışında meydana gelen şekil değişimi 23,6 mikron kadardır.(Mikron = Metrenin milyonda birine eşittir.) Aşağıdaki örneğimizde; ilk uzunluk 1 metre, sıcaklık farkı 1 derece olarak incelendiğinde, ne demek istendiğini daha iyi anlayabilirsiniz.

ÖRNEK

Sıvıların boyundan bahsedemediğimiz için, sıvılarda doğrusal genleşme katsayısı olamaz ancak hacimsel genleşme katsayısından bahsedebiliriz. Katı ve sıvılarda genleşme katsayıları farklılık gösterir ancak tüm gazların genleşme katsayısı (~=1/273) aynıdır.

Konu ile ilgili bazı kaynaklar:

Prof. Walter LEWIN tarafından hazırlanmış, Doç. Dr. Seydi DOĞAN tarafından çevirisi yapılmış “Klasik Mekanik” isimli, “Isı – Termal Genleşme” konulu, kesinlikle okumanız ve incelemeniz gereken oldukça faydalı ve açıklayıcı güzel bir kaynak.

“Isıl (Termal) Özellikler” isimli; tanım ve formüllerin, ayrıca bazı malzemelerin ısıl özelliklerinin yer aldığı tabloların bulunduğu, faydalı bir kaynak. (Malzeme Bilimi ve Mühendisliği – Sekizinci Basımdan Çeviri)

“Termodinamik Katı ve Sıvıların Isıl Genleşmesi” isimli, örneklerin de bulunduğu oldukça faydalı bir kaynak.

“Termal Özellikler” isimli konumuzla ilgili bilgilerin ve 1 adet basit ve anlaşılır çözümlü örneğin de yer aldığı bir kaynak.

Doç. Dr. Atilla EVCİN tarafından hazırlanmış, özellikle “dilatometre” ile ilgili bilgilerin yer aldığı “Malzemelerin Karakterizasyon Metodları” isimli bir kaynak.

Termal Gerilme başlıklı, özellikle boru hatlarının hesaplamaları ile ilgilenenler için çözümlü örneklerin de bulunduğu bir kaynak.

Bekir Cihad BAL, İbrahim BEKTAŞ ve Ferhat ÖZDEMİR’in hazırlamış olduğu ilgilenenler için “Masif ve Lamine Ağaç Malzemelerin Isıl Genleşme Katsayıları Üzerine Karşılaştırmalı Bir Çalışma” isimli bir kaynak.

Humbarahane'li Ol

Bize katıl, yeni içeriklerden haberin olsun.