Hiç sabun köpüğü oyunu oynadınız mı? Yuvarlak sabun köpüğü oyunu. Çok eğlenceli. Üflenebiliyor. Uçtuktan sonra sabun köpükleri patlıyor. Vay canına, çok eğlenceli, çocukluk oyunlarından biri. Sabun köpüğü neden yuvarlak?
Lütfen sabah uyandığınızda evin etrafındaki yapraklara dikkat edin. Yapraklara yapışmış çiğ damlacıklarını gözlemleyin. Çok garip; çiğ damlacıkları yuvarlak. Bu nasıl mümkün olabilir?
Yüzey gerilimi, sıvının yüzeyinin ince bir zar gibi görünecek şekilde daralması nedeniyle oluşur. Bu durum, su molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetinden etkilenir. Bu açıklamayı daha iyi anlamak için aşağıdaki örneği ele alalım. Bir kaptaki sıvıyı inceliyoruz.
Sıvının içinde, her sıvı molekülü her iki tarafta da diğer moleküllerle çevrilidir; ancak sıvının yüzeyinde, yalnızca altta sıvı molekülleri bulunur. Üstte başka sıvı molekülü yoktur. Sıvı molekülleri birbirini çektiği için, sıvının içindeki molekülde toplam kuvvet sıfırdır. Buna karşılık, yüzeyde bulunan sıvı molekülleri, altta bulunan sıvı parçacıkları tarafından çekilir. Sonuç olarak, sıvının yüzeyinde aşağı doğru yönlendirilmiş toplam bir kuvvet vardır. Aşağı doğru olan net kuvvet nedeniyle, yüzeyde bulunan sıvı, mümkün olduğunca büzülerek yüzey alanını azaltma eğilimindedir.
Bu durum, yüzeydeki sıvı tabakasının ince, elastik bir zarla kaplanmış gibi görünmesine neden olur. Bu olaya Yüzey Gerilimi denir.
Klips dikkatlice su yüzeyine yerleştirildiğinde, yüzeyde bulunan su molekülleri klipsin yerçekimi etkisiyle hafifçe bastırılır; böylece altta bulunan su molekülleri klipsi desteklemek için geri itme kuvveti oluşturur.
Gerçekte, bu sadece klipsler veya ataşlar değil, iğne gibi başka şeyler de olabilir. İğneyi dikkatlice su yüzeyinin üzerine yerleştirirsek, iğne yüzer. Sıvının yüzey gerilimi, böceklerin suda yüzebilmesinin de nedenidir.
Yüzey Gerilimi Denklemi
Önceki tartışmada, yüzey gerilimi kavramını niteliksel olarak (matematiksel bir denklem olmadan) inceledik. Şimdi yüzey gerilimini niceliksel olarak gözden geçirelim. Yüzey gerilimi denklemini türetmemize yardımcı olması için, U harfini oluşturacak şekilde bükülmüş bir tele bakalım. U şeklindeki telin iki bacağına, hareket ettirilebilen düz bir tel daha bağlıdır.
Bu tel sabuna batırılırsa, çıkarıldıktan sonra telin yüzeyinde sabunlu su tabakası oluşacaktır. Tıpkı sabun köpüğüyle oynadığınız zamanki gibi. Düz tel hareket ettirilebildiği ve kütlesi çok büyük olmadığı için, sabunlu su tabakası düz tele yüzey gerilimi kuvveti uygulayarak telin düz yukarı doğru hareket etmesini sağlar. Düz telin hareket etmesini engellemek (tel dengede kalır) için toplam aşağı doğru bir kuvvete ihtiyaç vardır; bu kuvvetin miktarı F = w + T'dir. Dengede, F = düz tel üzerindeki sabun tabakasının taşıdığı yüzey gerilimi kuvvetidir.
Düz bir telin uzunluğunun l olduğunu varsayalım. Düz tele temas eden sabunlu su tabakasının iki yüzeyi olduğundan, sabunlu su tabakasının oluşturduğu yüzey gerilimi kuvveti 2l boyunca etki eder. Sabun tabakasındaki yüzey gerilimi, Yüzey Gerilimi Kuvveti (F) ile kuvvetin etki ettiği yüzey uzunluğu (d) arasındaki bir karşılaştırmadır. Bu durumda, yüzey uzunluğu 2l'dir. Matematiksel olarak şu şekilde yazılır:
Yüzey gerilimi, yüzey gerilimi kuvveti ile uzunluk arasındaki oran olduğundan, yüzey geriliminin birimi Newton/metre (N/m) veya dyne/santimetre (dynes/cm)'dir.
Aşağıda deneyler sonucunda elde edilen bazı yüzey gerilimi değerleri verilmiştir.
Yüzey gerilimi verilerine göre, sıcaklık akışkan yüzey gerilimi değerini etkiler. Genel olarak, sıcaklık arttığında yüzey gerilimi değeri azalır (Her sıcaklıkta suyun yüzey gerilimini karşılaştırın. Tabloya bakınız). Bunun nedeni, sıcaklık arttığında sıvı moleküllerinin daha hızlı hareket etmesi ve dolayısıyla akışkan molekülleri arasındaki etkileşimin azalmasıdır. Sonuç olarak, yüzey gerilimi değeri de azalır.
Yüzey Gerilimi Kavramlarının Günlük Hayattaki Uygulamaları
Hiç "Neden çamaşırları sabunla yıkamalıyız?" diye sordunuz mu? Sorun şu ki, yıkadığımız çamaşırlar gerçekten temiz olmalı; suyun giysi liflerindeki çok dar bir boşluktan geçmesi gerekiyor. Bu nedenle, suyun yüzey alanını artırmak gerekiyor. Ancak yüzey gerilimi nedeniyle bunu yapmak çok zor. Kaçınılmaz olarak, önce yüzey gerilimi değerini düşürmek gerekiyor. Yüzey gerilimini sıcak su kullanarak azaltabiliriz. Su sıcaklığı ne kadar yüksek olursa o kadar iyi, çünkü su sıcaklığı ne kadar yüksek olursa yüzey gerilimi o kadar düşük olur (tabloya bakınız). Bu ilk alternatiftir ve nadiren kullanılan bir yöntemdir. Diğer bir seçenek ise sabun kullanmaktır.
20 derece sıcaklıkta oC noktasında, sabunlu suyun yüzey gerilimi değeri 25.00 mN/m'dir. Sabunlu su ve sıcak su arasında karşılaştırma yapmaya çalışın, hangisinin yüzey gerilimi değeri daha küçüktür? 100°C'de o20°C'de sıcak suyun yüzey gerilimi değeri 58.90'dır. oC şıkkında, sabunun yüzey gerilimi değeri 25.00 mN/m'dir. Sabun kullanmak daha karlıdır. Yukarıda açıklananlar, etkileyen faktörlerden sadece biridir.
Sabun veya su köpüğü neden yuvarlak?
Sabun köpükleri veya su damlaları, yüzey geriliminden etkilendikleri için yuvarlak şekildedir. Öncelikle sabun köpüklerini ele alalım. Sabun köpüklerinin yüzeyinde iki ince zar bulunur ve bunların arasında ince su tabakaları yer alır.
Yüzey geriliminin varlığı, zarın büzülmesine ve yüzey alanının azalmasına neden olur. Sabunlu su zarı büzülüp yüzey alanını en aza indirmeye çalıştığında, zarın dışındaki hava basıncı (atmosfer basıncı) ile zarın içindeki hava basıncı arasında bir fark oluşur. Zarın içindeki hava basıncı daha düşük olduğu için, zar büzülürken dışarıdaki hava basıncı (atmosfer basıncı) sabunlu su zarını da iter.
Zar büzüldükten sonra, içerideki hava (iki zar arasında sıkışan hava) bastırılır ve büzülme durana kadar katman içindeki hava basıncı artar. Başka bir deyişle, artık büzülme olmadığında, zarlar arasındaki hava basıncı, atmosfer basıncı + katmanı buruşturan yüzey gerilimi kuvvetine eşittir.
Peki ya çiğ damlaları veya musluktan akan su damlaları? Aynı durum geçerli, çünkü temel sebep yüzey gerilimidir. Sabun köpüklerinin iki yüzeyinde iki ince zar varsa, su damlalarının sadece dış yüzeyinde ince bir tabaka bulunur. İç kısım suyla doludur. Kohezyon kuvveti nedeniyle yüzey gerilimi oluşur. Su damlasının dış kısmı içeri doğru çekilir. Sonuç olarak, su büzülür ve yüzey alanını azaltma eğilimindedir. Dışarıdaki atmosfer basıncı da su damlalarını bastırır. Büzülme, suyun içindeki basınç atmosfer basıncı + su zarını büzüştüren yüzey gerilimi kuvvetine eşit olduğunda duracaktır.
