Termos Nasıl Çalışır? Vakum Yalıtımın Bilimi

Termos, iç içe geçmiş iki duvar ve aralarındaki vakum sayesinde çalışır. Vakumda ısıyı taşıyacak hava neredeyse kalmadığı için iletim ve taşınım büyük ölçüde durur; duvarlardaki parlak, gümüş renkli kaplama ise ışınımı geri yansıtır. Bu yüzden sıcak içecek sıcak, soğuk içecek soğuk kalır. Isının en kolay kaçtığı yerler, iki duvarın birleştiği boyun ve kapaktır.

Kış sabahı doldurulan kahvenin öğlene kadar sıcak kalması, yazın buzlu suyun akşama kadar serin durması bize sıradan gelir. Arkasında ise ısının üç kaçış yolunu aynı anda kapatan, laboratuvardan çıkmış bir buluş var. Bu yazıda termosun nasıl icat edildiğini, termosun çalışma prensibini ve vakum yalıtımın neden bu kadar etkili olduğunu anlatıyor, aynı fiziğin binalardaki karşılığını gösteriyoruz. Bir termos, aslında küçük ölçekli bir yalıtım dersidir.

Termos nasıl icat edildi? Dewar kabının hikâyesi

Termosun atası, İskoç bilim insanı James Dewar’ın 1892’de sıvılaştırılmış gazları çok düşük sıcaklıklarda saklamak için tasarladığı vakumlu cam kaptır. Laboratuvarlarda bu tür kaplar bugün de Dewar kabı adıyla anılır.

Dewar, Royal Institution’da (Kraliyet Enstitüsü) maddenin düşük sıcaklıklardaki davranışını inceliyordu; 1898’de hidrojeni sıvılaştırmayı başaran da odur. Bu tür çalışmalarda en büyük sorun, elde edilen soğuk sıvının çevreden ısı alıp hızla buharlaşmasıydı. Dewar’ın çözümü sade bir fikre dayanıyordu: İki cam şişeyi iç içe yerleştirdi, boyun kısmında birleştirip kapattı ve aradaki havanın büyük kısmını boşalttı. Ardından camı gümüşle kaplayarak ısı kaybını daha da azalttı. Royal Institution kayıtlarına göre kap, ilk kez 1892 Noel günü enstitüde sergilendi.

Dewar buluşunun patentini hiç almadı. Kabı gündelik kullanıma taşıyan, 1904’te patentini alıp yeni bir adla piyasaya süren, iki Alman cam ustasının kurduğu Thermos şirketi oldu. Ürün o kadar yaygınlaştı ki şirketin adı zamanla bu tür kapların genel adına dönüştü; Türkçede de bu kaplara termos diyoruz.

Termosun çalışma prensibi nedir? Isı transferi yolları

Termosun çalışma prensibi, ısının bir yerden başka bir yere geçtiği üç yolu aynı anda zayıflatmaktır. ABD Enerji Bakanlığı’nın yapı bilimi kaynaklarında da anlatıldığı gibi ısı iletim, taşınım ve ışınım yoluyla akar:

• İletim: Sıcaklıkları farklı iki yüzey birbirine doğrudan temas ettiğinde ısı, sıcak olandan soğuk olana geçer. Çay bardağındaki kaşığın sapının ısınması bunun gündelik bir örneğidir.
• Taşınım: Isıyı hareket eden hava ya da sıvı taşır. Isınan hava yükselir, soğuyan hava aşağı iner ve bir dolaşım oluşur.
• Işınım: Isı dalgalar hâlinde boşlukta yol alır ve daha soğuk cisimler tarafından emilir. En büyük ışınım kaynağı güneştir.

Termos bu üç yolu tek tek ele alır. Aşağıdaki tablo her yolun termosta nasıl kesildiğini ve aynı yolun binada neye karşılık geldiğini özetliyor.

Vakum yalıtım neden bu kadar etkili?

Vakum yalıtımı etkili kılan, ısıyı iletecek ya da taşıyacak maddenin ortamdan büyük ölçüde çekilmiş olmasıdır. Hava molekülleri neredeyse kalmadığında gaz üzerinden iletim de hava akımıyla taşınım da büyük ölçüde durur; geriye ağırlıklı olarak ışınım kalır, onu da gümüş kaplama büyük ölçüde geri çevirir.

Vakumun kesemediği yerler de var. İki duvar boyunda birleştiği için ısı bu dar bantta cam ya da metal üzerinden iletimle yol alır. Kapak da bir zayıf noktadır; kapağı tam kapanmayan ya da contası yıpranmış bir termos içeriğini çok daha çabuk soğutur. Dewar’ın kabı da tam bir boşluk değil, kısmi bir vakum içeriyordu; yine de sıvılaştırılmış gazları korumaya yetecek kadar etkiliydi.

Binalarda da benzer bir durum vardır. Duvar ne kadar iyi yalıtılırsa yalıtılsın, kolon, kiriş ya da döşeme alnı gibi yalıtımın kesintiye uğradığı noktalar ısıya kestirme bir yol açar. Bu noktaların nasıl çözüldüğünü ısı köprüsü yazımızda anlattık.

Bu bilgi binanızda ne işe yarar?

İyi yalıtılmış bir bina büyük bir termos gibi çalışır: Kışın içerideki ısıyı içeride, yazın dışarıdaki sıcağı dışarıda tutar. Fark şudur: Duvarlara vakum yerine durgun hava hapseden levhalar konur ve havanın sızabileceği noktalar ayrıca kapatılır.

ABD Enerji Bakanlığı’na göre konutlarda enerjinin büyük bir kısmı ısıtma ve soğutmaya gider; hava sızıntıları ile yetersiz ya da hatalı uygulanmış yalıtım bu tüketimin önemli bir bölümünden sorumludur. Yalıtım, havayı küçük ceplerde hapsederek duvarlardan, tavanlardan ve döşemelerden ısı geçişini yavaşlatır. Termostaki üç önlemin binadaki karşılıkları aşağıda.

İletim: levhanın λ değeri

Bir malzemenin ısıyı ne kadar kolay ilettiğini ısı iletim katsayısı (λ, W/mK) gösterir; λ düştükçe aynı kalınlıkta daha iyi yalıtım elde edilir. Bir katmanın ısıl direnci, kalınlığın λ değerine bölünmesiyle bulunur (R = d/λ). Aşağıdaki tablo, vakum yalıtım panelinin değerlerini Mega levhalarının teknik föylerdeki beyan değerleriyle yan yana gösteriyor.

Mega değerleri 10 °C’deki beyan değerleridir (λD). Annex 39 raporuna göre panele zamanla sızan hava ve nem, VIP’in ısı iletkenliğini kullanım ömrü boyunca yükseltir. Bu yüzden rapor, tasarımda üretim sonrası değerin yerine 0,006–0,008 W/mK aralığının kullanılmasını önerir; incelenen panel tipinin kullanım ömrünü de 30 ila 50 yıl olarak verir.

Mega Yalıtım bu ilkeyi farklı malzemelerle uygular. Taşyünü mantolama levhası taş lifleri arasında hava tutan, sıvalı dış cephe yalıtım sistemlerinde kullanılan kaplamasız bir levhadır. Gri EPS mantolama levhası karbon (grafit) takviyeli genleştirilmiş polistirenden üretilir; Mega teknik föylerine göre λD değeri tipine bağlı olarak 0,031 ile 0,036 W/mK arasındadır. XPS düz levha ise kapalı hücreli yapısıyla suyu çok az emer; teknik föye göre tamamen suya daldırıldığında uzun süreli su emmesi en fazla yüzde 0,7’dir. Bu yüzden teras çatılarda, toprak altı perde duvarlarda ve toprakla temas eden temellerde öne çıkar. Taşyünü ürün grubunun tamamını taşyünü levhalar sayfasında bulabilirsiniz.

Taşınım: hava sızdırmazlık

Termosta hava hareketini vakum durdurur; binada bu işi iki önlem birlikte yapar. Birincisi, yalıtım malzemesinin havayı küçük hücrelerde ya da lifler arasında hareketsiz tutmasıdır. İkincisi, kabuktaki açıklıkların kapatılmasıdır: levha derzleri, pencere ve kapı çevreleri, tesisat geçişleri. Levhalar arasında kalan bir aralık ya da pencere kenarındaki bir sızıntı, termosun kapağını aralık bırakmaya benzer. Sıcak hava en kolay yolu bulur ve dışarı çıkar.

Işınım: güneşle gelen ısı

Binaya ışınımla ulaşan ısının en büyük kaynağı güneştir. Yazın güneşin ısıttığı çatı ve cephe yüzeylerinden içeri geçen ısı yalıtım katmanında yavaşlar. Böylece iyi yalıtılmış bir ev, termosun soğuk içeceği koruduğu gibi içerideki serinliği daha uzun süre korur. Isı yalıtımının temel kavramlarını ve malzeme seçimini ısı yalıtımı nedir rehberimizde bir araya getirdik.

MegaUsta’dan uygulama notu: Yalıtım levhalarını birbirine sıkıca, derzleri kaydırarak yerleştirin; pencere ve kapı çevrelerinde yalıtımı kesintisiz sürdürün. Açık kalan bir derzde hava dolaşır; levhanın λ değeri ne kadar düşük olursa olsun ısı o noktadan kaçar.

Mega Insulation Solutions (Mega Yalıtım; ticari unvanı Mega Yalıtım Üretim Pazarlama Dış Ticaret A.Ş.), genel müdürlüğü İstanbul Kavacık’ta, fabrikası Elazığ’da bulunan Türk yalıtım malzemeleri üreticisidir. Taşyünü, XPS ve EPS ısı yalıtım levhalarının yanı sıra MegaBlock, MegaLento, DesiWool, MegaTech yapı kimyasalları ve Fullback su yalıtımı ürünlerini Mega markasıyla sunar.

Yalıtımın doğadaki, uzaydaki ve tarihteki örneklerini merak ediyorsanız iglo nedir, NASA ısı kalkanı ve yalıtımın tarihi yazılarımıza da göz atabilirsiniz.

Sıkça Sorulan Sorular

Termos neden sıcak tutar?

Termos, iki duvarı arasındaki vakum ısının iletim ve taşınım yoluyla kaçmasını engellediği için sıcak tutar. Duvarlardaki gümüş renkli, yansıtıcı kaplama da ışınımla kaybolacak ısıyı geri çevirir. Isı yine de yavaş yavaş, başlıca iki duvarın birleştiği boyun ve kapak üzerinden kaçar. Bu nedenle kapağın sıkı kapanması ve contanın sağlam olması, içeceğin sıcaklığını korumada belirleyicidir.

Isı hangi yollarla transfer olur?

Isı üç yolla transfer olur: iletim, taşınım ve ışınım. İletimde ısı, birbirine temas eden yüzeyler arasında sıcaktan soğuğa geçer. Taşınımda ısıyı hareket eden hava ya da sıvı taşır; ısınan hava yükselir, soğuyan hava aşağı iner. Işınımda ise ısı dalgalar hâlinde boşlukta yol alır ve en büyük kaynağı güneştir. İyi bir bina yalıtımı bu üç yolun hepsini hesaba katar.

Binalarda vakum yalıtım kullanılır mı?

Evet, vakum yalıtım panelleri (VIP) binalarda kullanılır; özellikle yerin dar olduğu teras çatılarda, kapılarda, duvarların içeriden yalıtımında ve yerden ısıtmalı döşeme yenilemelerinde başvurulan bir çözümdür. IEA’nın Annex 39 raporuna göre aynı kalınlıktaki geleneksel yalıtımdan beş ila on kat daha iyi yalıtırlar. Şantiyede kesilemedikleri ve vida, çivi gibi delinmelere karşı korunmaları gerektiği için önceden hazırlanmış bir yerleşim planıyla uygulanırlar.

Kaynaklar

• Royal Institution: Dewar flask (1892), koleksiyon kaydı
• Royal Institution: James Dewar (1842-1923)
• U.S. Department of Energy, Building Science Education: Heat Flow
• IEA EBC Annex 39 (2007): Vacuum Insulation Panel Properties and Building Applications, proje özet raporu (PDF)
• IEA EBC Annex 39: High Performance Thermal Insulation (HiPTI), proje sayfası
• Mega Yalıtım: MEGA SW-35L taşyünü levha teknik föyü (PDF)
• Mega Yalıtım: MEGA SW F150 taşyünü mantolama levhası teknik föyü (PDF)
• Mega Yalıtım: EPS 50 / 60 / 70 (G) gri mantolama levhası teknik föyü (PDF)
• Mega Yalıtım: MEGA XPS T3000 teknik föyü (PDF)
• Mega Yalıtım: Ürün belgeleri (Dokümanlar)

Binanızın kabuğunu bir termos gibi kurgulamak için doğru levhayı seçmek kullanım yerine ve ısı yalıtım projesine bağlıdır. Cephe, çatı ya da temel için uygun ürünleri taşyünü, XPS ve EPS ürün gruplarımızda inceleyebilir, projenize göre değerlendirme için teknik ekibimizle iletişime geçebilirsiniz.