Genleşme Katsayısı Nedir? Genleşme Formülü ve Malzeme Tablosu
Genleşme katsayısı, bir malzemenin sıcaklığı 1 derece (1 K ya da 1 °C) arttığında birim boyunun, yüzeyinin veya hacminin ne kadar büyüdüğünü gösteren sayıdır. Alüminyum için yaklaşık 23 × 10⁻⁶ /K'dir: 1 metrelik alüminyum profil, 1 derece ısındığında yaklaşık 0,023 mm uzar.
"Genleşme" kelimesi bu sayfada dört anlamda ele alınır: (1) fizikte ısı etkisiyle hacimce büyüme (ısıl genleşme), (2) bu büyümeyi ölçen genleşme katsayısı, (3) tesisatta suyun ve gazın genleşmesi (genleşme tankı, genleşme valfi) ve (4) ısıdan bağımsız şişme ve kabarma (nemle şişen ahşap, genleşen montaj köpüğü). Sitenin konusuna değen ikinci anlam derin, öteki anlamlar kısa anlatılır.
Genleşme kelimesinin anlamları
| Anlam | Alan | Kaynak |
|---|---|---|
| Genleşmek işi; bir cismin birleşimi ve yapısı değişmeden ısı etkisiyle hacimce büyümesi | Genel, fizik | TDK (genleşme, genleşmek) |
| Isının 1 derece yükselmesi sonucunda bir cismin uzunluk, yüzey, hacim biriminin artma miktarı | Fizik | TDK (genleşme katsayısı) |
| Genleşme katsayısını belirleyen araç; dilatometre | Fizik | TDK (genleşmeölçer) |
| Isınan suyun hacim artışını karşılayan tank; soğutucu akışkanın basıncını düşüren valf | Tesisat, iklimlendirme | Sektör kullanımı |
| Nemle şişme, köpüğün kabarması gibi ısıdan bağımsız boyut artışı | Yapı malzemesi | Sektör kullanımı |
TDK tanımları Türk Dil Kurumu Güncel Türkçe Sözlük'ten alınmıştır ("genleşme", "genleşmek", "genleşme katsayısı", "genleşmeölçer" maddeleri).
Genleşme katsayısı nedir?
Katı bir cisim ısındığında atomlarının titreşimi artar, atomlar arasındaki ortalama uzaklık büyür ve cisim her yönde biraz büyür. Buna ısıl genleşme denir; soğuyunca tersi olur ve cisim kısalır (büzülme). Isıl genleşme, ısı ile sıcaklık arasındaki farkın gündelik hayattaki en görünür sonuçlarından biridir: hesapta kullanılan şey verilen ısı değil, sıcaklık farkıdır.
Ölçülen boyuta göre üç katsayı kullanılır:
- Doğrusal (boyca) genleşme katsayısı (α): boydaki artış. Profil, boru, ray, panel gibi uzun elemanlarda kullanılan budur.
- Yüzey genleşme katsayısı: alandaki artış; eşyönlü (izotrop) malzemede yaklaşık 2α.
- Hacim genleşme katsayısı (β): hacimdeki artış; eşyönlü malzemede yaklaşık 3α. Sıvılar ve gazlar için yalnız bu kullanılır.
Birim, "1/K" ya da "10⁻⁶ /K" olarak yazılır. 10⁻⁶ /K, "metre başına her derece için mikrometre" demektir: µm/(m·K). 1 K'lik fark 1 °C'lik farka eşit olduğundan iki gösterim aynı sayıyı verir.
Genleşme formülü
Doğrusal genleşmenin formülü:
ΔL = α · L · ΔT
- ΔL: boydaki değişim (uzama ya da kısalma)
- α: doğrusal genleşme katsayısı (1/K)
- L: ilk boy
- ΔT: sıcaklık farkı (K ya da °C)
Son boy Lson = L · (1 + α · ΔT) olur. Yüzey için ΔA = 2α · A · ΔT, hacim için ΔV = β · V · ΔT (β ≈ 3α) yazılır. Katsayıyı ölçümden bulmak için formül tersine çevrilir: α = ΔL / (L · ΔT).
Hesap örneği: 6 m alüminyum profil, 60 K fark
Montaj sırasında 6 metre olan bir alüminyum profil, güneşte montaj sıcaklığına göre 60 K daha ısınsın. α = 23 × 10⁻⁶ /K alınırsa:
ΔL = 23 × 10⁻⁶ × 6000 mm × 60 = yaklaşık 8,3 mm
Aynı boy ve aynı sıcaklık farkında çelik (12 × 10⁻⁶ /K) yaklaşık 4,3 mm, cam (9 × 10⁻⁶ /K) yaklaşık 3,2 mm, sert PVC (70 × 10⁻⁶ /K) yaklaşık 25 mm uzar. Profil soğuduğunda aynı miktarda kısalır; bu yüzden hesap, montaj sıcaklığından hem yukarı hem aşağı yapılır. Hareket engellenirse uzama kaybolmaz, gerilmeye dönüşür: profil eğilir, vida deliği ovalleşir, derz yırtılır.
Genleşme katsayısı: yapı malzemeleri tablosu
Değerler yaklaşık oda sıcaklığı içindir; alaşım, karışım ve lif yönüne göre değişir. Kesin değer için ürünün teknik föyüne bakılır.
| Malzeme | Doğrusal genleşme katsayısı α (× 10⁻⁶ /K) | 1 m boyda 50 K farkta uzama |
|---|---|---|
| Alüminyum ve alaşımları | 23 – 24 | ≈ 1,2 mm |
| Çelik (yapı çeliği) | 11 – 13 | ≈ 0,6 mm |
| Beton | ≈ 12 | ≈ 0,6 mm |
| Cam (soda-kireç, düzcam) | ≈ 9 | ≈ 0,45 mm |
| Sert PVC (PVC-U) | ≈ 50 – 80 (pencere profilinde çoğunlukla ≈ 70) | ≈ 3,5 mm |
| Ahşap, lif yönünde | ≈ 3 – 5 | ≈ 0,2 mm |
| Ahşap, life dik | ≈ 27 – 45 | ≈ 1,4 – 2,3 mm |
| Bakır | ≈ 17 | ≈ 0,85 mm |
Kaynaklar: Isıl genleşme (Vikipedi) ve İngilizce karşılığındaki tablo; Georgia State Üniversitesi HyperPhysics genleşme tablosu; cam için AGC'nin Planibel düzcam teknik föyü (9 × 10⁻⁶ /K); PVC, alüminyum, çelik, beton ve ahşap karşılaştırması için 3A Composites'in ALUCOBOND işleme ve teknik veri kılavuzu.
Tablodan çıkan iki sonuç yapıda önemlidir: çelik ile beton hemen hemen aynı oranda genleşir (betonarme bu uyum sayesinde çalışır); alüminyum ise camın yaklaşık 2,5 katı, çeliğin yaklaşık 2 katı genleşir.
Alüminyum genleşme katsayısı
Saf alüminyumun doğrusal genleşme katsayısı 25 °C'de yaklaşık 23,1 × 10⁻⁶ /K'dir. Doğramada kullanılan 6060 alaşımı için üretici teknik föylerinde 20–100 °C aralığında 23,4 × 10⁻⁶ /K verilir (örnek: Elvial'in EN AW-6060 alaşım föyü). Hesapta çoğunlukla 23 ya da 24 × 10⁻⁶ /K yuvarlaması kullanılır; aradaki fark birkaç metrelik profilde milimetrenin onda biri düzeyindedir. Alaşım elementleri katsayıyı çok az değiştirir; 6060 ile 6063 arasında pratikte fark yoktur.
Isı yalıtımlı alüminyum profilde iç ve dış alüminyum, bir ısı bariyeriyle birleştirilir. Bariyerde cam elyaf takviyeli poliamid 66 kullanılmasının bir nedeni, bu malzemenin genleşme katsayısının alüminyuma çok yakın olmasıdır (insulbar üreticisinin açıklaması); sıcak-soğuk döngüsünde iki malzeme birlikte hareket eder. PVC bariyerle farkı için: poliamit ve PVC ısı bariyeri farkı.
Yapıda genleşmenin sonuçları
Doğramada profil uzaması
Bir pencere kasasının iki ucu duvara sabitlendiğinde, profilin uzaması için yer kalmaz. Bu yüzden montajda sabit ve kayar bağlantı noktaları ayrılır, vida delikleri gerektiğinde oval açılır, kasa ile duvar arasındaki boşluk esnek malzemeyle doldurulur. Kapıda ek bir durum vardır: güneşte dış yüz ısınıp içteki yüz serin kaldığında kanat, iki metal şerit gibi eğilir (bimetal etkisi). Ensinger bu sorunu kayabilen yalıtım profiliyle çözdüğünü anlatır. Profil sistemleri için: alüminyum doğrama profilleri.
PVC ile alüminyum farkı
Sert PVC, alüminyumun yaklaşık üç katı genleşir. 1,5 metrelik bir kasa kenarı 60 K farkta alüminyumda yaklaşık 2 mm, PVC'de yaklaşık 6 mm uzar. Koyu renkli profiller güneşte daha çok ısındığı için fark daha da belirginleşir; PVC pencere montajında kasa çevresinde bırakılan boşluk ve renk seçimi bu yüzden önemlidir. Karşılaştırmanın tamamı: PVC pencere mi, alüminyum mu? Malzemenin kendisi için: PVC nedir.
Dilatasyon (genleşme) derzi
Uzun duvar, döşeme, teras ve cephe kaplamalarında ısıl hareket biriktikçe malzeme çatlar ya da kabarır. Çözüm, hareketi önceden belirlenmiş bir hatta toplamaktır: dilatasyon (genleşme) derzi. Derzin içine konan dolgunun da bu hareketi karşılayabilecek esneklikte olması gerekir; bkz. mastik ve silikon seçimi.
Giydirme cephe ve kompozit panel
Giydirme cephede dikmeler kat boyunca uzanır; ısıl uzamanın katlar boyunca birikmemesi için dikme ve kayıtların birleşimlerinde hareket payı bırakılır. Alüminyum kompozit panelde üretici, panelin 100 K farkta metre başına 2,4 mm uzadığını belirtir. Aynı kılavuza göre siyah bir panel 40 °C havada yaklaşık 70 °C'ye ısınabilir; 20 °C'de monte edilen 3 metrelik panelde 50 K fark yaklaşık 3,6 mm uzama demektir. Perçin ve vida delikleri bu yüzden gövdeden geniş açılır, paneller alt konstrüksiyona sabit ve kayar noktalarla bağlanır.
Cam ile çerçeve arasındaki boşluk, sıcak kenar ve çıta
Cam alüminyumdan daha az genleşir. Cam, çerçeveye doğrudan değil; takozlar üzerine, çevresinde boşluk bırakılarak ve EPDM contalar arasında oturtulur. Böylece çerçeve uzayıp kısalırken camın kenarı sıkışmaz. Isıcam ünitesinde bir hareket daha vardır: iki cam arasındaki gaz ısınınca genleşir ve camları dışa doğru hafif bombeleştirir, soğuyunca içe çeker. Bu tekrar eden hareketi cam çıtası ve kenar sızdırmazlığı taşır. Sıcak kenar çıtasının asıl işi ise kenardaki ısı köprüsünü azaltıp cam kenarındaki yoğuşmayı geciktirmektir.
Genleşmenin öteki anlamları
Tesisatta genleşme. Kapalı ısıtma tesisatında su ısındıkça hacmi büyür; bu artışı genleşme tankı karşılar. Tank basıncını kaybettiğinde tesisat basıncı sık sık düşebilir (bkz. kombi bakımı). Klima ve ısı pompalarındaki genleşme valfi ise ısıl genleşmeyle değil, soğutucu akışkanın basıncının düşürülmesiyle ilgilidir.
Isıdan bağımsız genleşme. Ahşap nem aldıkça life dik yönde şişer, kurudukça büzülür; bu nem hareketi ısıl genleşmeden ayrı hesaplanır. Poliüretan montaj köpüğü kimyasal tepkimeyle kabarır; pencere montajında düşük genleşmeli köpük aranır (bkz. poliüretan köpükle montaj).
Negatif genleşme. Bazı maddeler belli bir aralıkta ısındıkça küçülür. En bilinen örnek sudur: 0 ile 4 °C arasında ısınan su büzülür. Zirkonyum tungstat (ZrW₂O₈) gibi özel seramikler de bu davranışı gösterir.
Sık sorulan sorular
Genleşme katsayısı ne demek?
Bir malzemenin 1 derece ısındığında birim boyunun (ya da yüzeyinin, hacminin) ne kadar arttığını gösteren sayıdır. Büyük katsayı, sıcaklıkla boyu çok değişen malzeme demektir.
Alüminyumun genleşme katsayısı kaçtır?
Yaklaşık 23 × 10⁻⁶ /K; doğrama alaşımı 6060 için teknik föylerde 23,4 × 10⁻⁶ /K verilir. Bu, 1 metrede 1 derecede yaklaşık 0,023 mm, 100 derecede yaklaşık 2,3 mm uzama demektir.
Genleşme formülü nedir?
ΔL = α · L · ΔT. Uzama, katsayı ile ilk boy ve sıcaklık farkının çarpımıdır. Yüzeyde 2α, hacimde yaklaşık 3α kullanılır.
Kelvin mi, santigrat mı kullanılır?
Sıcaklık farkı olarak 1 K ile 1 °C aynıdır; bu yüzden katsayı 10⁻⁶ /K ya da 10⁻⁶ /°C yazılsa da aynı sayıdır.
Cam neden alüminyum çerçeve içinde çatlamaz?
Cam takozlar üzerinde ve çevresinde boşlukla oturur, contalar kaymasına izin verir. Cam ve çerçeve farklı oranda genleşse de cam sıkışmaz. Çatlak çoğu zaman bu boşluk bırakılmadığında ya da cam kısmen gölgede kalıp tek bölgesi çok ısındığında görülür (bkz. temperli ve lamine cam farkı).