'Convection Heat Transfer' kitabının (Arpacı ve Larsen, 1984) girişinde, ısı geçişi 'mod'larının 'difüzyon'dan ve 'ışınım'dan oluştuğu yazılır. Difüzyon; olgusal (fenomenolojik) olarak, "bir ortam içerisinde, ısının bir konumdan o konuma 'bitişik' ve o konumun sıcaklığından daha düşük sıcaklıktaki bir konuma doğru geçişi"dir. Mikroskopik açıdan difüzyon ise birbirlerine bitişik parçacıklar arasındaki enerji geçişidir. Dolayısıyla, difüzyon, bir ortamın içinde gelişebilecek yerel ve yöne bağlı bir olay olduğu için, tersinemezdir. Işınım ise enerjinin elektromanyetik dalgalarla, mikroskopik olarak parçacıklarla, taşınmasıdır. (Kondepudi ve Prigogine (2015) ise ısı ışınımını, ışınımın madde ile termodinamik dengede olması şeklinde tanımlarlar. Parçacık-alan etkileşimini Termodinamik Okulu'nun bir başka bölümünde ele alacağız.) Arpacı ve Larsen'e (1984) göre, ışınım, yerel değil global bir ısı geçişidir ve boşluk (vakum) içerisinde tersinebilir olarak kabul edilebilir.
'Taşınım' (konveksiyon) kavramına, ısı geçişinin bir 'mod'u olarak değil; akışkan ortamdaki iletim veya ışınım olarak yaklaşılmaktadır (Şekil 1). Sabit ya da hareket eden rijit ortamdaki difüzyon, iletimle ısı geçişidir. Akışkan ortamdaki difüzyon veya ışınım ise 'taşınım' olarak adlandırılır. (Burada, yalnızca, akışkan içerisindeki difüzyon olarak tanımlanan taşınım irdelenmiştir.)
Şekil 1 Isı geçişi ve taşınım (Arpacı ve Larsen, 1984).
(1)
Tersinemezlikten Kaynaklanan Doğal Taşınım Düzeni
Peki akışkan hareket etmiyorsa..? Örneğin; Şekil 2'deki gibi iki metal plaka arasına yerleştirilmiş bir akışkan olsa; alttaki plaka, üstteki plakanın sıcaklığından (T_c) daha yüksek olan T_h sıcaklığında tutulsa, sıcaklık farkı, sıvı boyunca bir ısı akışına neden olacaktır. (Biliyoruz ki; bir sistem, enerji ve madde akışları nedeniyle dengeden çıkarsa, sistem içinde tersinemeyen süreçler oluşmaya başlar.)
Şekil 2 Farklı sıcaklıklardaki 2 plaka arasında öz düzenleme oluşumu (Kondepudi ve Prigogine, 2015)
Önce sıvı içerisinde difüzyon başlayacak ama akışkan hareket etmeyecektir. O hâlde Arpacı ve Larsen, 1984'teki yaklaşıma göre Şekil 2a'daki difüzyon, yalnızca, iletimle ısı geçişidir. Taşınım değildir. Nereye kadar? Kritik bir eşiğe kadar.
Sıcaklık farkı ΔT = (T_h − T_c) artırılırsa, Şekil 2b'deki hareket düzeni ortaya çıkar. ΔT'nin eşik değeri, ısıl genleşme katsayısı ve viskozite gibi akışkan özelliklerine bağlıdır. Bu hareket düzeninin dikkat çekici yanı, tamamen ısı ile ilişkili kaotik hareketlerden (akışkan içerisinde termodinamik dengeden uzaklaşma) sonra ortaya çıkmasıdır. Öte yandan, akışkanın düzenli hareketinin bir “işlev”i vardır: Isı akısını artırmak.
Bénard taşınımı [Chandrasekhar,1961 ve Turner, 1973) olarak isimlendirilen bu oluşumda, alttan ısıtılan ve üstten soğutulan ince bir yatay akışkan tabakasında düzenli hücreler gelişmektedir.
Özetle; oluşum, ısının sadece iletim yoluyla aktarıldığı durumda başlamakta, ancak, sıcaklık gradyanı (ve dolayısıyla Rayleigh sayısı) kritik bir değeri aştığında, sistem, kaldırma kuvveti kaynaklı harekete karşı dengesiz hale gelmektedir. Daha sıcak, daha az yoğun sıvı yükselirken; daha soğuk, daha yoğun sıvı aşağıya yönelir ve ısıyı taşıyan hücreler oluşturur. Bu hücrelerin oluşumu için
(2)
şeklinde tanımlanan Rayleigh sayısının yaklaşık 1708 (Ra_kr)olması gerekir.
Hareketin yönetici denklemleri, momentum
enerji ve süreklilik
şeklindedir.
Bu düzenli hareket, ısıl dengesizlikten dolayı, kendiliğinden ortaya çıkar. Dengede olmayan, düzensiz bir durumdan; düzenli, dinamik bir yapı (Bénard hücre modeli) kendi kendine organize olmuş olur. Buna öz düzenleme (self-organization) denir.
Neden ısıl dengesizlikten dolayı ve neden kendiliğinden?
İletimden taşınıma geçiş süreci dengeli değildir. Sistem, ısı akısı nedeniyle, dengeden uzaktadır. (Denge termodinamiğinde, entropi üretimi yoktur, süreçler tersinebilir kabul edilirler. ) Bénard hücrelerinde, sürekli ısı akısı ve viskoz dissipasyon entropi üretimine neden olsa da, sistem, uzamsal bir düzen oluşturarak entropinin yerel olarak azalmasını sağlar.
Düzen içerisindeki taşınım hareketi, enerji sistemden akarken devam eder. Alt levhanın ısıtılmasına son verilirse, Bénard hücreleri kaybolur ve düzensizlik geri döner. Bénard hücreleri, Ilya Prigogine'in 'yayınarak kaybolan (dissipative) yapılar' (Kondepudi ve Prigogine, 2015) olarak adlandırdığı oluşumlardır.
Buradaki ana fikir; denge, maksimum entropiye karşılık gelirken, dengeden uzak sistemlerin enerjiyi yayarak, kendilerini sürdüren düzenli yapılar oluşturabilecekleri şeklindedir. (Bu örnekte, iki levha arasında akışkan boyunca süren ısı akısının oluşturduğu dengesizlik, Bénard hücrelerinin enerjiyi sistem içerisinde yayması ile düzene dönüşmektedir.) En önemli nokta ise bu kendiliğinden oluşum için belirli bir kritik eşiğin aşılmasıdır. (Burada kritik Rayleigh sayısının, örneğin.)
Entropinin, çoğu kez 'düzensizliğin ölçüsü' olarak anlatıldığı denge termodinamiğine karşın; öz düzenleme mekanizması ile anlaşılabilecek en önemli önerme; entropi artışının, mutlaka düzenin bozulması anlamına gelmediğidir. Burada görülmektedir ki; farklı sıcaklıklardaki iki levhanın arasındaki akışkanda denge dışı olma durumu, belirli bir krtik değeri aşarsa düzen sağlanabilir. Tersinemezlik; yeni yapılar oluşturabilir. Doğanın karmaşıklığı (biyolojik yaşam ve evrimi de kapsayacak şekilde) da aslında bu öz düzenleme mekanizmalarını içermekte. Kaostan düzen çıkabilir. Yayınan (dissipative) yapılar kendilerini iyileştirebilirler.
Bir sonraki yazıda (TERMODİNAMİK OKULU-3) görüşmek üzere.
KAYNAKLAR
Arpacı, V.S. and Larsen, P.S., Convection Heat Transfer, Prentice Hall, 1984, pp. 2-3.
Kondepudi, P and Prigogine, I., Modern Thermodynamics From Heat Engines to Dissipative Structures, Wiley, 2015, pp.71-72.
Chandrasekhar, S, Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability,mClarendon Press, Oxford, 1961. Alıntılama: Bejan, A., Convection Heat Transfer, John Wiley and Sons, 1984, pp. 160, 185-188.
Turner, J.S., Buoyancy Effects in Fluids, Cambridge University Press, 1973. Alıntılama: Bejan, A., Convection Heat Transfer, John Wiley and Sons, 1984, pp. 160, 185-188.
Yorumlar
Yorum Gönder