Yüzey Gerilimini Anlamak
Yüzey gerilimi, bir sıvının yüzeyinin sertleşme eğiliminden kaynaklanır ve ince, zar benzeri bir görünüm oluşturur. Bu durum, su molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetlerinden etkilenir. Bu açıklamayı daha iyi anlamak için aşağıdaki örneği ele alalım. Bir kapta bulunan bir sıvıyı düşünelim.
Sıvı molekülleri genellikle birbirlerini çeker. Bir sıvının içinde, her sıvı molekülü her iki tarafında da diğer moleküllerle çevrilidir; ancak sıvının yüzeyinde, yalnızca yanlarda ve aşağıda sıvı molekülleri bulunur. Yukarıda başka sıvı molekülü yoktur. Sıvı molekülleri birbirlerini çektiği için, sıvının içindeki moleküller üzerinde net bir kuvvet sıfırdır. Tersine, yüzeydeki sıvı molekülleri, yanlardaki ve alttaki sıvı molekülleri tarafından çekilir. Sonuç olarak, sıvının yüzeyinde aşağı doğru yönlendirilmiş net bir kuvvet vardır. Bu aşağı doğru net kuvvet nedeniyle, yüzeydeki sıvı yüzey alanını azaltma eğilimindedir ve mümkün olduğunca küçülür.
Bu durum, yüzeydeki sıvı tabakasının ince, elastik bir zarla kaplanmış gibi görünmesine neden olur.
Klips dikkatlice su yüzeyine yerleştirildiğinde, yüzeyde bulunan su molekülleri bir miktar sıkıştırılır. yer çekimi Klipsin altında bulunan su moleküllerinin klipsi desteklemek için yukarı doğru bir geri yükleme kuvveti sağlaması için klipsi tekrar hatırlayın ( esneklik ve Hooke yasası).
Gerçekte, kullanabileceğiniz tek şey ataşlar değil; iğne gibi başka nesneler de olabilir. Bir iğneyi dikkatlice su yüzeyine koyarsanız, yüzer. Böceklerin suda yüzebilmesinin nedeni de budur.
Yüzey Gerilimi Denklemi
Yüzey gerilimi denklemini elde etmemize yardımcı olması için, U şeklinde bükülmüş bir teli ele alalım. U şeklindeki telin iki ucuna, hareket ettirilebilen düz bir tel daha bağlanmıştır.
Bu tel sabunlu suya batırılırsa, çıkarıldıktan sonra telin yüzeyinde sabunlu su tabakası oluşacaktır. Tıpkı sabun köpüğüyle oynarken olduğu gibi. Düz tel hareket ettirilebildiği ve kütlesi çok büyük olmadığı için, sabunlu su tabakası düz tel üzerinde yüzey gerilimi kuvveti oluşturacak ve tel yukarı doğru hareket edecektir (okun yönüne dikkat edin). Düz telin hareket etmesini engellemek için (tel dengededir), aşağı doğru yönlendirilmiş toplam bir kuvvete ihtiyaç vardır; bu toplam kuvvetin büyüklüğü F = w + T'dir. Dengede, F = sabunlu su tabakasının düz tele uyguladığı kuvvettir.
Düz bir telin uzunluğunun l olduğunu varsayalım. Düz tele temas eden sabunlu su tabakasının iki yüzeyi olduğundan, sabunlu su tabakasının oluşturduğu kuvvet 2l uzunluğunda bir yüzey boyunca etki eder. Sabun tabakasındaki yüzey gerilimi, Kuvvet (F) ile kuvvetin etki ettiği yüzeyin uzunluğu (d) arasındaki orandır. Bu durumda, yüzeyin uzunluğu 2l'dir. Matematiksel olarak şu şekilde yazılır:
Yüzey gerilimi, kuvvetin birim uzunluğa oranı olduğundan, birimleri Newton/metre (N/m) veya dyn/santimetre (dyn/cm)'dir.
Aşağıda deneyler sonucunda elde edilen bazı yüzey gerilimi değerleri verilmiştir.
Yukarıdaki verilere dayanarak, sıcaklığın bir sıvının yüzey gerilimini etkilediği görülmektedir. Genel olarak, sıcaklık arttıkça değer azalır. Bunun nedeni, sıcaklık arttıkça sıvı moleküllerinin daha hızlı hareket etmesi ve sıvı molekülleri arasındaki etkileşimin azalmasıdır. Sonuç olarak, yüzey gerilimi değeri de azalır.
Günlük hayattaki uygulamaları
Hiç merak ettiniz mi neden çamaşırları sabunla yıkıyoruz? Sorun şu ki, gerçekten temiz çamaşırlar elde etmek için suyun liflerdeki çok dar boşluklardan geçmesi gerekir. Bu da suyun yüzey alanını artırmayı gerektirir. Yüzey gerilimi nedeniyle bunu başarmak çok zordur. İster sevin ister sevmeyin, suyun yüzey gerilimi önce düşürülmelidir. Yüzey gerilimini sıcak su kullanarak düşürebiliriz. Su sıcaklığı ne kadar yüksek olursa o kadar iyidir, çünkü su sıcaklığı ne kadar yüksek olursa yüzey gerilimi o kadar düşük olur (tabloya bakınız). Bu ilk alternatiftir ve sıcak suyla oynamayı sevenler dışında nadiren kullanılır. Bir diğer alternatif ise sabun kullanmaktır.
20 derecede bir sıcaklıkta oC noktasında, sabunlu suyun yüzey gerilimi değeri 25,00 mN/m'dir. Sabunlu su ve sıcak suyu karşılaştırın, hangisinin değeri daha küçüktür? 100 derecede o20°C sıcaklıkta, sıcak suyun yüzey gerilimi değeri 58,90'dır. oC şıkkında, sabunlu suyun yüzey gerilimi 25,00 mN/m'dir. Sabun kullanmak daha avantajlıdır... su da sıcak değildir. Giysilerimizin veya vücudumuzun sabunla ne kadar iyi temizlenebileceğini etkileyen başka faktörler de vardır. Dolayısıyla, yukarıdaki sadece bir faktördür.
Sabun veya su köpükleri neden yuvarlak?
Sabun köpükleri veya su damlacıkları, yüzey gerilimi nedeniyle küresel şekildedir. Öncelikle sabun köpüklerini ele alalım. Sabun köpüklerinin yüzeyinde, aralarında ince bir su tabakası bulunan iki ince zar bulunur.
Yüzey gerilimi, zarın büzülmesine ve yüzey alanının azalmasına neden olur. Sabunlu su zarı büzülüp yüzey alanını azaltmaya çalıştığında, zarın dışı (atmosfer basıncı) ile içi arasında bir hava basıncı farkı oluşur. Zarın içindeki hava basıncı daha düşük olduğu için, zarın dışındaki hava basıncı (atmosfer basıncı) da büzülürken sabunlu su zarını iter.
Zar büzüldükten sonra, içindeki hava (iki zar arasında hapsolmuş hava) da sıkışır ve büzülme durana kadar zarın içindeki hava basıncı artar. Başka bir deyişle, büzülme durduğunda, zarlar arasındaki hava basıncı, atmosfer basıncı + zarları büzüştüren yüzey gerilimi kuvvetine eşittir.
Peki ya çiğ damlaları veya musluktan akan su damlaları? Temelde aynılar, çünkü asıl sebep yüzey gerilimidir. Sabun köpüğünün iki yüzeyinde iki ince zar bulunurken, su damlasının sadece dış yüzeyinde tek bir ince zarı vardır. İç kısmı suyla doludur. Damlanın dış yüzeyi içeri doğru çekilir. Sonuç olarak, su büzülür ve yüzey alanını azaltma eğilimindedir. Dış atmosfer basıncı da su damlasını sıkıştırmaya yardımcı olur. Büzülme, suyun içindeki basınç, atmosfer basıncı artı su zarını büzüştüren kuvvete eşit olduğunda durur.
