Yüzey Gerilimi Ve Kılcallık Slayt

Maddenin fiziksel hallerinden biri de sıvı halidir. Sıvıların özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir.

Sıvıların Özellikleri

• Sıvıları oluşturan moleküller birbiri üzerinde kayabilir. Bu nedenle sıvılar, içine konuldukları kabın şeklini alır.
• Sıvılara uygulanan basınç artırıldığında sıvıların hacimleri ölçülebilir büyüklükte değişmez. Bu nedenle sıvılar sıkıştırılamaz kabul edilir.
• Sıvılar, üzerilerine uygulanan basıncı her doğrultuda aynen iletir.
• sıvıların sıcaklıkları artırıldığında hacimleri az da olsa arttığından özkütleleri azalır.
• Sabit sıcaklıktaki özkütle sıvılar için ayırt edici özelliktir.
• Sıvılar, gazlara göre sesi daha iyi iletir.
• Sıvılar akmaya karşı direnç gösterir.
• Sıvıların yüzey gerilimleri vardır.
• Açık kaptaki sıvılar buharlaşır.

Bir sıvının serbest yüzeyi, gerilmiş esnek bir zarın özelliklerine benzeyen özellikler gösterir. Buna bazı böceklerin su üzerinde yürüyebilmeleri, bir musluktan damlayan damlanın bir süre muslukta asılı kalması, su yüzeyine bırakılan bir jiletin suya batmadan kalabilmesi örnek olarak verilebilir. Bütün bu olaylar kohezyon kuvvetleri ile açıklanır.

Bir sıvının içindeki ve yüzeyindeki bazı moleküllere etkiyen kohezyon kuvvetleri Şekil 1&#;deki gibidir. Sıvının içindeki moleküller her taraftan eşit kuvvetlerle çekilir ve bu kuvvetlerin bileşkesi sıfırdır.

Sıvı yüzeyindeki moleküller hem sıvı moleküllerinin hem de hava moleküllerinin etkisindedir ve bu moleküllere etkiyen kuvvetler dengelenmemiştir. Çünkü moleküllere etkiyen kohezyon kuvvetleri, hava molekülleri ile yüzeydeki moleküller arasındaki adezyon kuvvetlerinden daha büyüktür. Sıvı yüzeyindeki moleküllere etkiyen kohezyon kuvvetleri ile adezyon kuvvetleri, bu molekülleri sıvının içine çeken bir bileşke oluşturur. Sıvı yüzeyindeki molekülleri sıvının içine doğru çeken bu kuvvetler. tıpkı gerilmiş bir lastik zar gibi daima büzülmek ve olası en küçük yüzeyi almak isteyen, bir molekül kalınlığında bir zar oluşturur. Bu zarı gergin tutan kuvvetlere yüzey gerilim kuvvetleri denir. Dış kuvvetlerin etki etmediği bir damla küre biçimindedir ve küre, aynı hacme sahip olan geometrik şekiller içinde yüzeyi en küçük olandır. sıvıların en küçük yüzeyi almaya çalışmaları basit bir deneyle
de gözlemlenebilir.

İplikten ilmek takılmış Şekil 2&#;deki halka sabunlu suya daldırılıp çıkarılırsa, halka ince bir zarla kaplanır. İlmeğin içindeki zar yok edilirse ilmek Şekil 3&#;teki gibi tam bir daire olur. Çevresi aynı olan geometrik şekiller içinde alanı en büyük olan daire olduğundan zarın geriye kalan kısmı en küçük alana ulaşmış demektir.

YÜZEY GERİLİM KATSAYISI

Bir sıvının serbest yüzeyindeki birim uzunluğa etkiyen yüzey gerilim kuvvetine yüzey gerilim katsayısı ya da yüzey gerilim sabiti denir. Birimi, CGS birim sisteminde din/cm ya da erg/cm1, SI birim sisteminde de N/m ya da Joule/m2 dir.

Yüzey gerilim katsayısına etkiyen faktörler:

• Yüzey gerilim katsayısı, sıvının cinsine bağlıdır.
• Yüzey gerilim katsayısı sıcaklıkla azalır.
• Saf bir sıvının yüzey gerilimi yüzeyin temizliğine bağlıdır, Yüzeyin kirlenmesi, yüzey geriliminin azalmasına neden olur.

Örneğin, temiz iki civa damlası, temiz bir saat camı üzerinde birbirine değdirilirse birleşir ve bir tek damla oluşur. Böylece yüzeyleri küçülmüş olur. Ancak civa damlalarının yüzeyleri kirli ise birleşmedikleri gözlenir. Çünkü yüzey gerilimi küçülmüş ve zarın yırtılmasına yetmemiştir.

Bu olay damlalık deneyi ile de kanıtlanabilir. Şekildeki damlalığa saf bir sıvı konulup yavaşça akıtılırsa damlalığın ucunda damlalar oluşur. Bu damlalar sanki gerilmiş esnek bir zarın içindeymiş gibi belli bir ağırlığa gelinceye kadar yüzey gerilimi ile damlalığa tutunur. Damla, yüzey geriliminin tutamayacağı bir ağırlığa ulaşınca düşer. Damla ne kadar ağırsa, yüzey gerilimi o kadar büyük demektir. Damlalık saf suyla doldurulur ve damlalıktan temiz bir kaba düşen damlalar sayılırsa, kaba önceden eter konulması halindekinden daha az olduğu görülür. O halde kaba önceden eter konulduğunda damlaların sayısı artmış, damlalar küçülmüştür. Bu da yüzey geriliminin
küçüldüğünü gösterir Yüzey geriliminin küçülmesinin nedeni de eter buharının suda çözünerek suyu kirletmesidir.

• Saf suya tuz atıldığında yüzey gerilimi artar. Yüzey gerilimi, suda çözünen tuz miktarı ile doğru orantılıdır.

KILCALLIK

Sıvıların çok dar borularda yükseldikleri bilinen bir olaydır. Buna örnek olarak petrol lambasında petrolün fitilde yükselmesi ve bitkilerde kök suyunun yapraklara kadar çıkabilmesi verilebilir. Temiz bir kılcal boru, ıslatan sıvıya daldırıldığında sıvının borunun içinde bir miktar yükseldiği, ıslatmayan sıvıya daldırıldığında da bir miktar alçaldığı görülür. Sıvının kılcal bir boruda yükselmesine ya da alçalmasına kılcallık denir.

Kaptaki ve kılcal borudaki sıvı yüzeyine aynı dış basınç etkidiğine göre kılcallık olayının nedeni kohezyon ve adezyon kuvvetleridir.

Şekil 1&#;de sıvının kılcal bir boruda yükselmesi, Şekil 2&#;de de alçalması gösterilmiştir. sıvının serbest yüzeyi yataydır. Ancak kabın ve borunun kenarları yatay olmaz. Adezyon kuvvetlerinin etkisiyle eğrisel olur. Islatan sıvılarda adezyon kuvvetleri, kohezyon kuvvetlerinden daha büyük olduğundan sıvı kılcal boruda yükselir. Sıvı kenarlarda
ve kılcal boruda iç bükey (çukur) bir biçim alır. Islatmayan sıvılarda kohezyon kuvvetleri, adezyon kuvvetlerinden büyüktür. Bu nedenle sıvının kılcal borudaki yüzeyi, kaptaki sıvı düzeyinden daha düşüktür. Kenarlarda ve kılcal borunun içinde sıvı üze i dış büke tümsek bir biçim alır.

Yüzey gerilimi bir sıvının yüzey katmanının esnek bir zar gibi davranmasına yol açan etkinin adıdır. Tüm sıvıların yüzeyleri sanki gerilmiş bir zarla kaplıymış gibi davranır. Bu olayda sıvı yüzeyi olası en küçük alanı kaplayacak şekilde büzülür. Yüzey geriliminin matematiksel modeli birim uzunluğa düşen kuvvettir.

γ = F/L

Birimi N/m&#;dir, ama kuvvet küçük olduğu için dyne/cm cinsinden de belirtilir. Bu 1 cm uzunluğunda bir zarı kırmak için kaç dyne kuvvet uygulamak gerektiği demektir.

Yüzey geriliminin nedeni nedir?

Yüzey geriliminin nedeni sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetidir. Sıvının iç kısımlarındaki moleküllerin etrafı diğer sıvı molekülleri tarafından sarılmıştır. Bir molekül her yanından eşit miktarda kohezyon kuvveti etkisi altında kalır. Ama sıvı ile hava sınırındaki moleküllerin üst taraflarında sıvı molekülü yoktur, sadece aşağı ve yanlara doğru çekilirler. Bu yüzden sınırdaki sıvı molekülleri ile yanlarındaki moleküllerin kohezyonu kuvveti daha güçlüdür.

Yukarıdaki resim su moleküllerinin iki boyutlu bir kesit modelini gösteriyor. Bir akvaryuma karşıdan bakıyor gibiyiz. Suyun iç kısmındaki A molekülü çevresini saran sekiz molekülden oluşan bir karenin merkezinde. Etrafındaki moleküllerin hepsi A molekülünü çekiyor. Suyun yüzeyindeki B molekülünün altında yalnızca üç, iki yanında da birer tane molekül var; üstünde hiç yok. B molekülünü yanlarındaki moleküller daha güçlü çekiyor.

Bir önceki resimde iki boyutlu kesite bakmıştık, bu resimde üç boyutlu bir modele üstten bakıyoruz. Üstten bakıldığında suyun yüzeyindeki B molekülünün yanlarındaki yine sıvı yüzeyinde bulunan moleküller tarafından çekildiğini görüyoruz. Yüzey gerilimi sıvının yüzeyinde olduğu için, bir molekül hem sağa ve sola hem de öne ve arkaya doğru çekilir.

Sıvı yüzeyindeki kohezyon kuvvetleri sıvının içindekilere göre daha güçlü olduğundan dolayı bir cismi sıvının yüzeyinde hareket ettirmek cisim sıvıya tamamen batmışken hareket ettirmekten daha zordur.

Yüzey gerilimi nelere bağlıdır?

• Sıvının türü: Suyun, etil alkolün ve cıvanın yüzey gerilimleri farklıdır, çünkü moleküllerinin yapısı farklıdır. 20 °C sıcaklıkta suyun yüzey gerilimi 0, N/m, etil alkolünki 0, N/m ve cıvanınki 0, N/m&#;dir.
• Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça yüzey gerilimi azalır. Çünkü moleküllerin titreşim hareketleri artar bu nedenle aralarındaki kohezyon bağları zayıflar.
• Sabun ve deterjan eklemek: Bu maddelerin molekülleri sıvının moleküllerinin arasına girip kohezyon bağlarını bozar.
• Yüzey geriliminin özkütle ile ilişkisi karmaşıktır, doğrudan bir ilişki kurmamak gerekir.

Yüzey gerilimi örnekleri

Suyun üstünde yüzen toplu iğne

Toplu iğne çelikten yapılmıştır ve özkütlesi suyun özkütlesinin neredeyse sekiz katıdır. Aslında toplu iğnenin suda yüzmemesi batması gerekir, çünkü ağırlığı suyun kaldırma kuvvetinden büyüktür. Ama yukarıdaki resimde göreceğiniz gibi toplu iğneyi dikkatlice suyun yüzeyine yerleştirirseniz, yüzdüğünü göreceksiniz. Toplu iğnenin batmamasının nedeni suyun yüzey gerilimini kıramamasıdır. Eğer suya birazcık sıvı sabun eklerseniz iğne aniden batar. Eğer suya dokunup titreştirirseniz iğne yine batar. Aynı deneyi ataşlarla da yapabilirsiniz.

Suyun yüzeyinde yürüyen böcekler

Yukarıdaki resimdeki sivri sinekler suyun üstünde yürüyorlar. Çünkü ağırlıkları suyun yüzey gerilimini aşmaya yetmiyor. Ayrıca ayaklarının yüzey alanın geniş olması ağırlıklarını yayarak suyun yüzeyine uyguladıkları basıncı düşürüyor.

Bardaktan taşmayan su

Yukarıdaki resimde bir bardağın içine gıda boyasıyla renklendirilmiş su doldurulmuş. Bardak ağzına kadar dolu, hatta ağzını aşmış, ama su taşmamış. Bardağın cam kenarlarından yukarı doğru bombe yapan suyun yüzeyi, yüzey geriliminin güzel bir örneği. Bunun bir benzerini bozuk paranın üstüne damlalıkla su damlatarak da yapabilirsiniz. Su damlaları bozuk paranın üstünde dış bükey bir bombe yapacak.

Yüzey gerilimi ve günlük yaşamımız

Yüzey gerilimini en sık kullandığımız durum belki de temizliktir. Sıcaklıkla birlikte suyun yüzey gerilimi azalır, böylece su molekülleri bir arada tutunmak yerine sünger gibi delikli malzemelerin içine daha rahat girer. Ayrıca deterjanlar suyun yüzey gerilimini azaltır, böylece su molekülleri çamaşırların dokularının arasına daha kolay girer ve kirleri çözer.

Ebru sanatında suyun ve yağın farklı yüzey gerilimleri olmasından yararlanılır. Tübitak&#;ın Bilim Genç sayfasındaki şu deneyi yapmak isteyebilirsiniz, adım adım anlatılmış.

Yüzey Gerilimi ile ilgili Fizik dersi Kazanımları

 Yapışma (adezyon) ve birbirini tutma (kohezyon) olaylarını örneklerle açıklar.

• Yüzey gerilimi ve kılcallık olayının yapışma ve birbirini tutma olayları ile açıklanması ve günlük hayattan örnekler verilmesi sağlanır.
• Yüzey gerilimini etkileyen faktörlerin, günlük hayattaki örnekler ile açıklanması sağlanır.
• Adezyon, kohezyon, yüzey gerilimi ve kılcallık ile ilgili matematiksel hesaplamalara girilmez.

Yüzey Gerilimi ile ilgili MEB ve EBA Kazanım Testleri