Basınç Nedir? Katı, Sıvı ve Gazlarda Nasıl Gözlenir?

Doğada her an etrafımızda gerçekleşen pek çok olay, aslında basınç sayesinde ortaya çıkmaktadır. Basınç, sıvılar, gazlar ve katı cisimler arasındaki etkileşimlerin anlaşılmasında önemli bir yer tutar. İster deniz seviyesinde bir atmosferik basıncı ölçüyor olalım, ister bir sıvı içindeki basıncı inceliyor olalım, bu kavramın pratikteki yeri çok büyüktür. Peki, basınç tam olarak nedir ve günlük yaşamımızda nasıl bir rol oynar? Bu yazıda, basıncın tanımından, çeşitlerine ve hayatımıza olan etkilerine kadar detaylı bir inceleme yapacağız.

Katı Basıncı

Topuklu ayakkabıyla yere basan ortalama kiloda bir kadın, 6.000 kilogram (6 ton) gibi devasa bir kütleye sahip filden daha fazla basınç uygular. Peki nasıl olur da 60 kilogram olan bir kadın, 6 tonluk devasa bir hayvandan daha fazla basınç yaratabilir? Bir kutup ayısının üzerinde yürüdüğü buzun kırılmaması için yürümek yerine sürünerek ilerlemesi, kedilerin ve diğer pençeli yırtıcıların pençelerinin sivri bir yapıda olması, martı ve ördek gibi canlıların ayaklarının perdeli olması bu ilginç karşılaştırmanın doğada gördüğümüz örneklerdir. Hayli ilgi çekici olan bu örnekleri anlayabilmek için katılarda basıncı anlamamız gerekmektedir.

Katı basıncı, bir katı cisme uygulanan kuvvetin o cismin yüzeyine dağılan alanla ilişkili olan bir fiziksel büyüklüktür. Basitçe ifade etmek gerekirse birim yüzeye dik olarak etki eden kuvvet miktarına basınç denir. Basınca sebep olan kuvvete ise basınç kuvveti adı verilir. Basıncın birimi Pascal (Pa)'dır. Basınç vektörel (yönü ve büyüklüğü olan) bir kuvvet değil, skaler (sadece büyüklüğü olan) bir büyüklüktür.

Katı basıncı, yüzeye uygulanan kuvvet arttıkça artarken, uygulanan kuvvetin yayıldığı alan arttıkça azalır. Öyleyse katı basıncı şöyle formülize edilebilir:

$P=\frac{F}{A}$

Burada $P$ basıncı, $A$ yüzey alanını ve $F$ basınç kuvvetini ifade eder. Birim alana uygulanan dik kuvvet bize basıncı verir. Formülde de göründüğü üzere katı basıncı, uygulanan kuvvetle doğru orantılı iken uygulanan alan ile ters orantılıdır. Yani uygulanan kuvvet arttıkça basınç artarken, kuvvetin uygulandığı alan arttıkça basınç azalmaktadır.

Basınç kuvveti ise basınçla kuvvetin uygulandığı yüzey alanının çarpımına eşittir. Basınç kuvveti, kuvvet olduğu için vektörel bir büyüklüktür ve birimi Newton'dur. Kuvvetin vektörel bir büyüklük olması çok önemlidir. Bir çiviye uygulanacak kuvvetin yönü ve büyüklüğü, çivinin yüzeye ne kadar derin batacağını belirler. Bu nedenle kuvvetin sadece büyüklüğü değil, hangi yönde uygulandığı da önemlidir ve kuvvetin yönü belirtilmelidir.

Peki basınç kuvveti vektörel bir büyüklükse nasıl olur da basınç skaler bir büyüklük olabilir? Çünkü basınç, birim alana düşen kuvvet miktarının ölçülmesidir ve yönü yoktur. Basınç kuvvetini şu şekilde ifade ederiz:

$F=P\times A$

Burada $F$ basınç kuvvetini, $A$ yüzey alanını ve $P$ basıncı ifade eder.

Artık basıncın formülünü öğrendiğimize göre baştaki örneğimizi test edebiliriz. 60 kilogram bir kadının topuklu ayakkabıyla 6 tonluk dev bir filden daha fazla basınç uyguladığını söylemiştik. Bakalım gerçekten bu iddia doğru mu?

İlk olarak yerçekimi ivmesini ($g$) = 10 m/s² olarak alalım. (Yerçekimi ivmesi standart olarak 9.81 m/s² alınır fakat işlem kolaylığı açısından 10'a yuvarlanarak da kullanılabilir) Filin kütlesi ($m_{fil}$) 6.000 kg diyelim. Filin ağırlığını, $F=G=mg$ formülünde verileri yerine koyarak 60.000 N olarak buluruz.

Bir fil ayağının ortalama yüzey alanı 0.0025 m², dört ayağının toplam alanı ise 0.1 m² gibi düşünülebilir. Filin ağırlığını, filin 4 ayağının alanına bölersek filin yüzey üzerinde yarattığı basıncı buluruz. Verileri formülümüzde yerine koyarsak şöyle bir denklem elde ederiz:

$P=\frac{60000N}{0.1m^2}=600.000\text{Pa}$

Böylece filin yere uyguladığı basıncı kabaca 600.000 Pascal olarak buluruz. Şimdi gelelim ortalama kiloda bir kadının yarattığı basınca. Yerçekimi ivmesini yine ($g$) = 10m/s² olarak alalım. Kadının kütlesi için $m_{kadın}$= 60 kg diyelim. Kadının ağırlığını, $F=G=mg$ formülünde verileri yerine koyarak 600 N olarak buluruz. Bir sivri topuklu ayakkabının alanı ortalama 2 cm² (0.0002 m²), 2 topuğun alanı 0.0004 m² denebilir. Verileri formülde yerine koyarsak:

$P=\frac{600N}{0.0004m^2}=1,500,000Pa$

Göründüğü üzere eğer kuvveti uyguladığımız alan yeterince küçük bir alansa çok fazla kuvvet uygulamadan da devasa basınçlar yaratabiliriz. Bir fil bir insandan kabaca 80-100 kat daha büyük kütleye sahiptir ancak gerekli şartlar sağlandığında kütlesi bir fille kıyaslanamayacak olan insan, filden daha fazla basınç oluşturabilir.^[15]

The Nation

Aynı cismin farklı yüzeyleri üzerine konulduğunda farklı basınçlar uygulaması da mümkündür. Bu örnek de oldukça sık karşılaştığımız örneklerden bir tanesidir ve önemli bir örnektir.

PhysicsMax.com

Yukarıdaki örnekte bir dikdörtgenler prizması görmektesiniz. Aynı prizma, A konumunda yere dikey olarak basınç uygularken, B konumunda yatay olarak basınç uygulamaktadır. 1. konumda prizmamızın yerle temas ettiği alan 0.006 m² iken 2.konumda 0.02 m²'dir. Alanın arttıkça basıncın azaldığını bildiğimizden kolayca A konumdaki basıncın, B konumdaki basınçtan fazla olduğunu tahmin edebiliriz fakat gelin verileri formülde yerine koyarak tahminimizin doğruluğunu matematiksel olarak ispatlayalım.

A konumu için prizmanın yere uyguladığı basınç, prizmanın ağırlığının (F=30 Newton), Prizmanın yerle temas eden alanına (A₁=0.006 m²) bölümüyle bulunur:

$P=\frac{30N}{0.006m^2}=5000Pa$

B konumu için prizmanın yere uyguladığı basınç, prizmanın ağırlığının (F=30 Newton) prizmanın yerle temas eden alanına (A₂=0.02 m²) bölümüyle bulunur.

$P=\frac{30N}{0.02m^2}=1500Pa$

Özetle, farklı basınçlar yaratabilmek için her zaman farklı cisimlere ihtiyacımız olmayabilir. Aynı cismin, iki farklı alana sahip yüzeyleri basıncın alanla ilişkisi sayesinde farklı basınçlar yaratabilmektedir.

Katı Basıncına Günlük Hayattan Örnekler

Katılarda basıncına günlük hayattan birçok örnek vermemiz mümkündür. Hayatın her alanında basınçtan yararlanırız ancak çoğu zaman bu durumun farkında olmayız. Bazen içinde bulunduğumuz problemi çözmemiz için basıncı arttırmamız gerekirken bazı durumlarda ise basıncı azaltmamız gerekir.

Bir traktörün büyük tekerlere sahip olması, yere uygulanan basıncı azaltmak içinken bir bıçağın keskin tarafının bilenerek inceltilmesi basıncı arttırmak içindir. Böylece traktörler çamura batmaz ancak bıçağınız daha az kuvvetle daha iyi keser. Bir raptiyeyi parmaklarınızın arasına alıp kuvvet uygularsanız, raptiyenin sivri tarafının elinize battığını deneyimlerken, raptiyenin geniş kısmının batmadığını göreceksiniz. Sivri kısmının alanının küçük olması, kuvvetin daha dar bir alanda toplanmasına neden olduğu için sivri kısmının elinize veya panoya saplanması çok daha kolaydır.

sciensation

Katı basıncına gündelik hayattan birkaç örnek verelim:

• Çivi, vida, iğne, raptiye gibi malzemelerin ucunun sivri olarak üretilmesi,
• Karda ayağımızın yere batmaması için geniş tabanlı ayakkabılar giymemiz,
• Tankların tekerlek yerine paletle üretilmesi,
• Ağır yük taşıyan tırların tekerlek sayısının fazla olması,
• Kramponların dişlerinin çivili olması,
• Bıçakları daha keskin olmaları için bilemek.

Sıvı Basıncı

Sualtı derin dalış yapan sporcular, dalış sonrasında hemen su yüzeyine çıkmak yerine sualtında belirli kademelerde biraz vakit geçirerek yavaş yavaş yüzeye çıkarlar. Bunun sebebi sizce nedir?

Derin dalışlarda suyun derinlerine inildikçe basınç artar ve kişinin vücudunun iç dengesi bu basınca göre ayarlanır. Hızlı bir şekilde su üstüne çıkan bir sporcu, ani basınç değişimi nedeniyle vurgun yer ve bu durum sporcunun ölümüyle sonuçlanabilir. Barajların, suyun derin kısımlarında kalan bölümlerin daha kalın duvardan yapılmasının nedeni de sıvıların derinliği arttıkça basıncının artmasıdır.

euronews

Sıvılar, taneciklerinin öteleme hareketi sayesinde akışkan bir yapıya sahiptirler ve belirli şekilleri olmamasına rağmen bulundukları kabın hacmini alırlar. Bu sayede sıvılar kabın temas ettikleri her yüzeyine basınç uygulayabilirler ve aynı derinlikteki yüzeylere aynı basınç uygulanır. Sıvıların da basınçlarının ana nedeni ağırlıklarıdır. Sıvı basıncı manometre ile ölçülür. Gelin yukarıda verdiğimiz ana formül üzerinden sıvı basıncı formülünü elde etmeye çalışalım.

Yukarıda sıvı dolu bir dikdörtgenler prizması görmektesiniz. Sıvının prizmanın tabanına uyguladığı basıncı bulmaya çalışacağız ve temel basınç formülümüz üzerinden gideceğiz:

$\begin{array}{rl}P& =\frac{F}{A}\\ F& =G=m\cdot g\end{array}$

Sıvının ağırlığını bulabilmemiz için kütlesini bilmemiz gerekmektedir. Kütlesini de yoğunluğu üzerinden bulabiliriz. Sıvının prizmanın hacmini tamamen doldurduğunu kabul edersek sıvının hacmi, prizmanın taban alanı ile yüksekliğinin çarpımıdır.

$\begin{array}{rl}d& =\frac{m}{V}\\ m& =d\times V\\ V& =A\times h\\ m& =A\times h\times d\end{array}$

Şimdi bulduğumuz bu kütle formülünü ağırlık formülünde yerine yazalım ve sıvının ağırlığının formülünü elde edelim:

$\begin{array}{rl}F& =G=m\cdot g\\ F& =h\cdot d\cdot A\cdot g\end{array}$

Şimdi ağırlığı, yani bu prizmanın yere uyguladığı kuvveti bulduğumuza göre ana formülümüzde yerine koyup sıvı basıncı formülü elde edebiliriz:

$$\begin{gathered} P=\frac{h\cdot d\cdot g\cdot A}{A} \\ {P}_{\text{sıvı}}=h\cdot d\cdot g \end{gathered}$$

$d$ yoğunluğu, $h$ sıvının yüksekliğini (derinliğini), $g$ ise yerçekimi ivmesini ifade etmektedir.

Sıvılarda basıncın formülünü elde etmeyi başardık. Formülden de anlaşılacağı üzere sıvıların basıncı şu üç değişkene bağlıdır:

• Sıvının yüksekliği (derinliği)
• Sıvının yoğunluğu (özkütlesi)
• Yerçekimi ivmesi.

Yukarıdaki görselde soldaki prizmamızın tabanında oluşan sıvı basıncı manometre ile 100 Pa olarak ölçülmüştür. Yoğunluğu suya göre daha az olan yağ ile dolu olan soldaki prizmamızın tabanındaki sıvı basıncı 90 Pa olarak ölçülmüştür. Sıvı basıncının yoğunlukla ilişkisini net bir şekilde görmek adına bu hesaplamayı formül üzerinden yapalım. (d_su= 1000 kg/m³, d_yağ= 900 kg/m³)

$$\begin{gathered} P_{\text{sıvı}}=h\times d\times g \\ {P}_{\text{su}}=10\text{m}\times 1000{\text{kg/m}}^3\times 10{\text{m/s}}^2=100.000\text{Pa} \\ {P}_{\text{yag˘}}=10\text{m}\times 900{\text{kg/m}}^3\times 10{\text{m/s}}^2=90.000\text{Pa} \end{gathered}$$

Öte yandan belirtmek gerekir ki sıvı basıncı, sıvının derinliğine, yoğunluğuna ve yerçekimi ivmesine bağlıdır ancak sıvının yüzey alanına, kütlesine, hacmine ve kabın şekline bağlı değildir. (Elbette sıvının içinde bulunduğu kabın uyguladığı basınç için yüzey alanı önemli olacaktır.)

tec-science.com

Bir kapta birden fazla farklı yoğunluğa sahip sıvı olabilir. Bu durumda, sıvıların yaptığı basınçlar ayrı ayrı hesaplanır ve bulunan basınç değerleri toplanarak toplam basınç değeri elde edilir. Bir örnekle açıklayalım.

Yağın, suyun ve balın A noktasına yaptıkları basınçları tek tek hesaplayalım ve çıkan sonuçları toplayarak, A noktasındaki toplam basınç değerini bulalım. (d_yağ= 900 kg/m³, d_su= 1000 kg/m³, d_bal= 1360 kg/m³, g= 10 m/s², her bir sıvının yüksekliği 2 metre olarak alınmıştır.)

$\begin{array}{rl}{P}_{\text{yag˘}}& =h_{\text{yag˘}}\times d_{\text{yag˘}}\times g\\ P_{\text{yag˘}}& =2\text{m}\times 900{\text{kg/m}}^3\times 10{\text{m/s}}^2\\ P_{\text{yag˘}}& =18000\text{Pa}\\ & \\ P_{\text{su}}& =2\text{m}\times 1000{\text{kg/m}}^3\times 10{\text{m/s}}^2\\ P_{\text{su}}& =20000\text{Pa}\\ & \\ P_{\text{bal}}& =2\text{m}\times 1360{\text{kg/m}}^3\times 10{\text{m/s}}^2\\ P_{\text{bal}}& =27200\text{Pa}\\ & \\ P_{\text{toplam}}& =P_{\text{yag˘}}+P_{\text{su}}+P_{\text{bal}}=65200\text{Pa}\end{array}$

Pascal Prensibi

Sıvı basıncının bulaşma prensibi olarak da bilinen Pascal Prensibi, ilk olarak Fransız bilim insanı Blasie Pascal tarafından ortaya atılmıştır. Sıvı basıncının bulaşma prensibi olarak da bilinen Pascal Prensibi, kapalı bir sıvıya basınçta bir değişiklik uygulandığında, basıncın sıvı boyunca her yönden eşit olarak iletildiğini belirtir. Bu ilke, sıvıların sıkıştırılamaz özellikte olmalarından faydalanır.

Hidrolik sistemler, kuvvetleri akışkan içinde bir konumdan diğerine iletmek için yağ veya su gibi sıkıştırılamaz bir akışkan kullanır. Çoğu uçak fren sistemlerinde ve iniş takımlarında hidrolik sistemler kullanır.

Uçakların fren sistemlerinde ve iniş takımlarında, araba asansörlerinde, krikolarda, kaldıraçlarda ve pres makinelerinde Pascal Prensibinden fazlasıyla yararlanılır. Özellikle araç asansörleri, bu ilkeyi anlamak için iyi bir örnektir.

Britannica

Pascal Prensibindeki temel mantık, küçük bir kuvveti sıvıların basıncı aynen iletmesi özelliğini kullanarak büyütmektir. Bir insanın arabayı kendi kas gücüyle kaldırması neredeyse imkansızdır ancak sıvı basıncı sayesinde bu hareket daha küçük kuvvetlerle mümkün hale gelir.

Öncelikle sıvıların, basıncı her noktasına ilettiğini söylemiştik. Uygulanan basınçla (P₁) iletilen basınç (P₂) eşit olmak zorundadır. Basınçlar eşit olmak durumunda oldukları için kuvvetlerin iletildikleri alanları değiştirerek, kuvvetlerin değişmesini sağlayabiliriz. Alanı 10 kat arttırdığımızda kuvvetimiz de 10 kat artmalıdır, çünkü basıncımız hep sabit kalacaktır. Bu asansörün çalışma mantığı işte budur.

$\begin{array}{rl}{P}_1& =P_2\\ P& =\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}\\ \frac{F_1}{A_1}& =\frac{F_2}{10A_1}\\ F_2& =10F_1\end{array}$

Yani eğer A₁ alanına 10 N kuvvet uygulasaydık, A₂ alanına 100 N kuvvet iletilmiş olacaktı.

Pascal Prensibi, sıvıların basıncı her yöne ve eşit şekilde ilettiğini ifade ettiği için mühendislikten günlük yaşama kadar pek çok alanda büyük önem taşır. Bu prensip sayesinde hidrolik sistemler geliştirilmiş, küçük kuvvetlerle büyük işler yapılabilir hale gelmiştir. Özellikle otomobillerin fren sistemleri, hidrolik krikolar ve inşaat makineleri gibi teknolojilerin çalışması Pascal Prensibine dayanır. Aynı zamanda bu prensip, sıvı basıncının nasıl davrandığını anlamamıza yardımcı olarak baraj, su tankı gibi yapıların güvenli tasarlanmasına olanak sağlar. Bu yönleriyle Pascal Prensibi, hem teorik hem de pratik anlamda vazgeçilmez bir fizik kuralıdır.

Enerpac

Sıvı Basıncına Günlük Hayattan Örnekler

Günlük hayatta sıvı basıncı aslında düşündüğümüzden çok daha etkilidir. Sıvı basıncı musluklardan ve duş başlıklarından akan suda, serumlarda ve iğnelerde, hidrolik fren sistemlerinde ve barajların inşasında karşımıza çıkar. Sıvı basıncını iyi anlamak, onu kendi lehimize kullanmak ve su üzerine inşa edeceğimiz yapılarda önlem almak için oldukça önemlidir.

BYJU'S

Sıvı basıncına günlük hayattan bazı örnekler şunlardır:

• Derin deniz dalgıçları özel kıyafetler giyer çünkü derinlik arttıkça sıvı basıncı artar ve vücuda zarar verebilir.
• Hidrolik fren sistemlerinde fren sıvısı kullanılarak basınç iletimi yapılır. Sıvı basıncı kuvveti tüm tekerleklere eşit dağıtır.
• Denizde ya da havuzda derine inildikçe suyun yaptığı basınç artar. Bu yüzden kulaklarda baskı hissedilir.

Gaz Basıncı

Günlük hayatımızda atmosfer basıncıyla ilgili bilgileri sıkça görürüz; örneğin hava durumu sunucularının televizyonda 1011,4 hPa gibi barometrik basınç değerlerinden bahsettiğini duymuşuzdur. Ayrıca çoğumuz bir balonu, bisiklet lastiğini ya da basketbol topunu şişirirken gaz basıncını dolaylı da olsa deneyimlemişizdir.

Gazlar da sıvılar gibi akışkandırlar ve bulundukları kabın şeklini alırlar. Gazlar, tanecikleri arasındaki boşluk, katılara ve sıvılara göre çok fazla olduğu için sıkıştırılabilirler. İçinde bulunduğu kabın şeklini alan gaz molekülleri, kabın içerisinde rastgele hareket ederler ve bu hareket sonucunda hem kap yüzeyine hem de birbirlerine çarparlar. Kap yüzeyine çarpmaları neticesinde de gaz basıncı oluşur. Kap yüzeyindeki çarpışma sayısı ne kadar fazla olursa gaz basıncı da o kadar fazla olur. Çarpışma esnasında gaz molekülleri, momentumlarını çarpıkları yüzeye aktarırlar. Esasında basıncı meydana getiren de budur. Her bir gaz molekülünün oluşturduğu basınç oldukça küçüktür ve ihmal edilebilir ancak tüm gaz moleküllerinin etkisi bir arada alındığında oluşan basınç anlamlı hale gelir.

sciencefacts

İdeal gaz basıncı formülü şu şekilde verilir:

$P=\frac{nRT}{V}$

Bu formülde $P$ basıncı, $V$ hacmi, $n$ mol sayısını, $R$ evrensel gaz sabitini ve $T$ sıcaklığı ifade eder. Gaz basıncı için IS birimi Pascal (Pa)'dır fakat yaygın olarak atm birimi kullanılır (1atm=101,325 Pa). Gaz basıncı, sıcaklığa hacme ve tanecik sayısına bağlı olarak değişiklik gösterir. Hacim artarsa basınç azalır, sıcaklık ve tanecik sayısı artarsa basınç artar. Belirli durumlarda sabit tutulan farklı değişkenler olabilir ancak formülde değişiklik göstermeyen tek nicelik ideal gaz sabiti olan $R$'dir.

Gaz Basıncı ve Hacim İlişkisi

Gaz basıncı, kabın hacminden etkilenir. Bir kabın hacmi azaltılırsa, gaz moleküllerinin hareket edebileceği daha az alan olur. Sonuç olarak kabın duvarlarına daha sık çarparlar ve basınç artar.

Ck12 Science

Yukarıdaki şekil, hacmi hareketli bir pistonla kontrol edilen bir gaz silindirini göstermektedir. Solda, piston yukarı çekilmiştir ve gösterge 2 birim basınç göstermektedir. Sağda ise piston, gazın yayıldığı hacmi yarıya indirecek şekilde aşağı itilmiştir. Gazın basıncı iki katına çıkmıştır, yani hacim yarı yarıya azaltılmıştır. Kabın hacmini artırmak ters etki yaratacak ve gazın basıncı azalacaktır.

Gaz Basıncı ve Sıcaklık İlişkisi

Sprey kutuları içinde basınçlı gaz bulunur. Eğer bu kutular sıcak bir yaz gününde uzun süre güneş altında kalan bir arabanın içinde unutulursa, sıcaklık arttıkça içindeki gazın basıncı da artar. Sıcaklık, gazların kinetik enerjisinin artmasına neden olur ve kinetik enerjileri artan gazlar, bulundukları kabın yüzeylerine çok daha fazla çarparlar. Bir noktadan sonra kutunun dayanabileceği maksimum basınç aşılır ve bomba gibi patlayabilir. Bu durum hem tehlikelidir hem de araca zarar verebilir.

Ck12 Science

Yukarıdaki şekilde, soldaki oda sıcaklığında (300 K) bir gaz silindiri gösterilmektedir. Sağdaki silindir, Sıcaklığı 600 K'ye yani iki katına çıkana kadar ısıtılmıştır. Gaz moleküllerinin kinetik enerjisi artar, bu nedenle kabın duvarlarıyla çarpışmalar artık eskisinden daha güçlüdür. Sonuç olarak gazın basıncı iki katına çıkar. Sıcaklığı azaltmaksa ters etki yapar ve kapalı bir gazın basıncı azalır.

Gaz Basıncı ve Tanecik Sayısı İlişkisi

Gazların basıncı, içerdikleri taneciklerin sayısıyla doğrudan ilişkilidir. Bir kaba daha fazla gaz taneciği eklendikçe tanecikler kabın duvarlarına daha sık çarpar ve bu da basıncın artmasına neden olur. Aşağıdaki şekilde, silindirin içerisindeki tanecik miktarı iki katına çıkarıldığında basıncın da iki katına çıktığı görülmektedir.

Ck12 Science

Günlük hayatta bunu bir balon şişirirken kolayca gözlemleyebiliriz. Balona hava üfledikçe içindeki tanecik sayısı artar ve balon şişer. Eğer çok fazla hava üflenirse basınç çok yükselir ve balon patlayabilir. Benzer şekilde, bir bisiklet lastiğini pompayla şişirdiğimizde her pompa darbesiyle içeri daha fazla hava taneciği göndeririz. Bu da lastiğin içindeki basıncı artırır ve lastiği sertleştirir. Bu örnekler, gaz basıncının tanecik sayısıyla nasıl arttığını açıkça gösterir.

Dalton Yasası

Gündelik hayatta bir araba lastiğinin ya da bir futbol topunun basıncını ölçmek için basınç ölçer (barometre) kullanırız. Aslında barometrenin yaptığı, lastiğin içerisindeki gaz basıncını ölçmektir. Gaz molekülleri çıplak gözle göremeyeceğimiz kadar küçüktürler ancak onların yaptıkları basıncı fiziksel olarak barometre ile ölçebiliriz.

Dalton Yasası ya da diğer adıyla Kısmi Basınçlar Yasası 1801 yılında Kimyager John Dalton tarafından deneysel olarak açıklanmıştır. Adını, bu yasayı deneysel olarak açıklamayı başaran Dalton'dan alan bu yasa, bir gaz karışımının toplam basıncının bu karışımı oluşturan gazların kısmi basıncının toplamına eşit olduğunu ifade eder.

Ck12 Science

Kısmi gaz basıncı, bir gaz karışımında bulunan her bir gazın tek başına o hacmi kapladığında uygulayacağı basınçtır. Biraz daha açmak gerekirse, bir kapta birden fazla gaz varsa (örneğin hava içerisinde helyum, hidrojen oksijen, azot bulunması gibi) her gaz sanki tek başına o kaptaymış gibi davranır. İşte bu durumda her gazın kapta sanki tek başınaymış gibi uyguladıkları basınca kısmi basınç (İng: "partial pressure") denir. Kısmi basınç genelde şu formüllerle hesaplanır:

$P_{\text{toplam}}={\sum }_{i=1}^n{P}_i$ ya da $P_{toplam}=P_1+P_2+\cdots +P_n$

$\begin{array}{rl}{P}_i& =x_i\cdot P_{\text{toplam}}\\ x_i& =\frac{n_i}{n_{\text{toplam}}}\end{array}$

• $Pi=i$ gazının kısmi basıncı
• $x_i=$ $i$ Gazının Mol Kesri ($i$ gazının mol sayısı / gazların toplam mol sayısı)
• $P_{toplam}=$ Karışımın toplam basıncını gösterir.

Bir gazın kısmi basıncı, o gazın mol kesrinin karışımdaki toplam basınç ile çarpılması sonucunda bulunur.

Yukarıdaki şekilde oksijen ve azot gazlarının yaptıkları toplam basınç ve mol sayıları verilmiştir. Bu verileri formülümüzde yerlerine yazarak gazların kısmi basınçlarını bulalım. Oksijen gazının kısmi basıncını şöyle hesaplayabiliriz:

$\begin{array}{rl}{P}_{O_2}& =x_{O_2}\cdot P_{\text{toplam}}\\ x_{O_2}& =\frac{n_{O_2}}{n_{\text{toplam}}}\\ x_{O_2}& =\frac{2\text{mol}}{5\text{mol}}=\frac{2}{5}\\ P_{O_2}& =\frac{2}{5}\cdot 2\text{atm}=2\text{atm}\end{array}$

Azot gazının kısmi basıncı ise şöyle hesaplanır:

$\begin{array}{rl}{P}_{N_2}& =x_{N_2}\cdot P_{\text{toplam}}\\ x_{N_2}& =\frac{n_{N_2}}{n_{\text{toplam}}}\\ x_{N_2}& =\frac{3\text{mol}}{5\text{mol}}=\frac{3}{5}\\ P_{N_2}& =\frac{3}{5}\cdot 5\text{atm}=3\text{atm}\end{array}$

Dalton Kanunu'nun ifade ettiği üzere kısmi basınçların toplamı bize toplam basıncı verecektir:

$\begin{array}{rl}{P}_{\text{toplam}}& =P_1+P_2+\cdots +P_n\\ P_{\text{toplam}}& =P_{N_2}+P_{O_2}\\ P_{\text{toplam}}& =3\text{atm}+2\text{atm}=5\text{atm}\end{array}$

Dalton Kanunu üzerine anlattıklarımızı toparlayalım:

• Kısmi basınç, bir gaz karışımındaki her bir gazın sanki kaptaki tek gaz oymuş gibi yaptığı basınca denir.
• Bir kaptaki toplam basınç, içindeki tüm gazların kısmi basınçlarının toplamına eşittir.
• Bir gazın kısmi basıncı, o gazın mol kesri ile toplam basıncın çarpımıyla bulunur.

Açık Hava Basıncı

Gazların da katılar ve sıvılar gibi basınç uyguladıklarından söz etmiştik. Etrafımızda gördüğümüz her şey ve bizler, havada bulunan gazlar tarafından basınca maruz kalırız fakat bunun farkında bile olmayız. Farkında olmamamızın temel sebebi vücudumuzdaki iç basıncın atmosferdeki gazlar tarafından bize uygulanan basınçla denge halinde olmasıdır. Ancak belirli durumlarda bu denge bozulabilir ve bu dengenin bozulması neticesinde vücudumuz farklı fizyolojik tepkiler verebilir.

Ck12.org

Uzun bir yolculukta ya da yüksek bir dağın eteğine kamp yapmaya gittiğinizde baş ağrısı, eklem ağrıları, yorgunluk ve özellikle kulak tıkanması (barotravma) gibi fizyolojik rahatsızlıklar yaşayabilirsiniz. Vücudumuzdaki bu fizyolojik değişimler sayesinde atmosfer basıncının etkilerini hissedebiliriz.

Sabit koşullarda bir yerde ne kadar çok gaz taneciği varsa basınç da o kadar fazladır. Deniz seviyesine yakın yüksekliklerde atmosfer basıncı fazladır ve yükseklere çıkıldıkça basınç azalır. Deniz seviyesinden 100 km yükseklik Karman Hattı olarak bilinir ve resmi olarak uzay sınırı kabul edilir. Atmosfer basıncı her 30 metrede 3.5 milibar (0,00345 atm) azalma gösterir. Bununla birlikte soğuk havadaki atmosfer basıncı düşüşü çok daha fazla olabilir çünkü sıcaklık azaldıkça basınç da azalacaktır. 1.500 ila 3.000 metre yüksekliklerde (yaklaşık 5.000 ila 10.000 feet), eğer ortam iyi ayarlanmazsa (yeterli oksijen ve uygun sıcaklık sağlanmazsa) hava basıncı düşer. Bu da bazı insanlarda "dağ hastalığı" denilen rahatsızlığa ve başka sağlık sorunlarına yol açabilir. Bunun sebebi atmosfer kalınlığının yükseklere çıkıldıkça azalmasıdır. Daha kalın olan atmosfer tabakası, daha fazla gaz taneciğine ev sahipliği yapar, dolayısıyla daha fazla basınç yaratır.

Britannica

Deniz seviyesine yakın bir yerde yüksek olan atmosfer basıncı, irtifa arttıkça neredeyse doğrusal olarak azalır. Daha yüksek irtifalarda, basınç üssel olarak azalır. Büyük bir yolcu uçağının seyir irtifası genellikle Dünya yüzeyinden 10-13 km (6-8 mil) yukarıdadır. Atmosfer basıncı bu irtifada deniz seviyesine göre çok daha düşük olduğundan, yolcuların uçakta rahatça nefes alabilmesi için yolcu uçağının basınçlı bir kabine ihtiyacı vardır. Bir yolcu uçağı, deniz seviyesindeki hava basıncına yakın bir iç basınç (1.013,25 mbar = 1 atm) korurken, kesik sarı çizgiyle gösterildiği gibi uçağın dışındaki atmosfer basıncı 200 mbar'dan (0.2 atm) daha düşük olabilir; bu da insanlar için ölümcül bir ortamdır.

Torricelli Deneyi

İtalyan fizikçi ve matematikçi bilim insanı Evangelista Torricelli, 1643 yılında, yaklaşık 1 metre uzunluğunda bir ucu açık bir ucu kapalı ince bir boru üretti ve bu borunun içerisini sudan yaklaşık 14 kat yoğun olan cıva ile doldurdu. Torricelli eğer deneyi su ile yapmaya çalışsaydı, suyun yoğunluğu çok daha az olduğu için deneyde 10 metreden daha uzun bir boru kullanması gerekecekti. Bunu bilen Torricelli, deneyini en yoğun elementlerden biri olan cıva ile yaptı ve sonuca ulaşabilmek için 1 metrelik bir boru yeterli oldu.

Toricelli cıva dolu bu borunun açık ucunu, cıva dolu bir leğene dik olarak yerleştirdi. Borunun içerisindeki cıva bir miktar aşağı indi ve borunun içerisinde bir miktar boşluk yani vakum oluştu. Bu vakum tarihte insan eliyle oluşturulan ilk vakum olarak kabul edilir.

Borunun içerisindeki cıva seviyesini ölçen Torricelli, cıvanın 76cmHg seviyesinde dengede kaldığını gördü ve bu ilke barometrelerin çalışma ilkesi oldu. 76cmHg, deniz seviyesinde 1 atm basınca eşittir ve Torricelli standart atmosfer basıncını tanımlayan ölçümdür.

meisterdrucke

Vakum konusu antik çağlardan beri tartışmalı bir konudur. Platon ve Aristoteles gibi filozoflar vakumun dünya üzerinde yaratılamayacağını, boşluğun doğaya aykırı olduğunu düşünüyorlardı. Ortaçağ Avrupasında ise boşluktan bahsetmek tehlikeliydi ve sapkınlık olarak görülüyordu.

"Vakum" sözcüğü İngiliz dilinde ilk kez 1550 yılında, İngiltere Kilisesi'nin temel belgesi olan Book of Common Prayer'ı (Ortak Dua Kitabı) kaleme alan Canterbury Başpiskoposu Thomas Cranmer tarafından kullanıldı. Teolojik bir argümanı temellendirmek için kullanılan bu ifade Oxford English Dictionary'de şöyle yer almaktadır:

Doğal akıl boşluktan, yani içinde hiçbir maddenin bulunmaması gereken herhangi bir boş yerin olmasından nefret eder.

O zamanlar onaylanan görüş buydu, ancak 1553'te Katolik Kraliçe Mary'nin tahta çıkmasıyla ortodoksluk rüzgârları yön değiştirdi. Cranmer 1555 yılında sapkınlıktan suçlu bulundu ve ertesi yıl kazığa bağlanarak yakıldı.

Torricelli'nin başarısı vakum kavramını antik çağın diyalektiğinden deneysel fiziğe taşıdı. Vakum fikrinin sapkınlık olarak görülmesi ve etrafındaki teolojik tartışmaların farkında olduğundan deneyini başta halka açıklamadı, sadece bir arkadaşı olan Michelangelo Ricci'ye yazdığı mektuplarda deneyinden bahsetti. Ekim 1644'te Fransız bilim insanı Marin Mersenne, Torricelli'yi ziyaret ederek deneyi onun için tekrarladı ve Ricci'ye yazdığı mektupların kopyalarını ona verdi. Mersenne bunları Blaise Pascal'a ve Fransa'daki diğer kişilere götürerek Torricelli'nin çalışmasını ilk kez kamuoyuna açıkladı.

Antik çağlardan beri tartışılan, yaşamış olduğu dönemde sapkınlık olarak görülen ve teolojik tartışmalarda sıkça kullanılan bu felsefi kavramı, çok zarif bir deneyle fiziğe taşıyan Torricelli, sadece bilimsel olarak değil, cesaretiyle de bizlere oldukça ilham veren bilim insanlarından biri olmuştur.

opik fyysika

Şimdi gelin bu deneyi matematiksel olarak da inceleyelim. Sıvı basıncı formülümüzü kullanarak 76cmHg (0.76 mHg) cıva basıncının, 1 atm basınca eşit olduğunu gösterebiliriz:

$$\begin{gathered} P_{\text{atmosfer}}=P_{\text{cıva}} \\ {P}_{\text{cıva}}=h\cdot d_{\text{cıva}}\cdot g \\ {P}_{\text{cıva}}=0,76\text{m}\times 13534{\text{kg/m}}^3\times 9,81{\text{m/s}}^2 \\ {P}_{\text{cıva}}=101,325\text{Pa} \\ {P}_{\text{atmosfer}}=101,325\text{Pa}=1\text{atm} \end{gathered}$$

Açık hava basıncının birimi kPa, atm, cmHg, psi, mbar cinslerinden verilebilmektedir. Atmosfer basıncı farklı alanlarda farklı birimlerle ifade edilir. "atm", "Pa" ve "kPa" gibi birimler genellikle fizik, mühendislik ve bilimsel araştırmalarda kullanılır; çünkü SI (Uluslararası Birim Sistemi) ile uyumludur. "mmHg" ve "Torr" birimleri ise daha çok tıp alanında, özellikle kan basıncı ölçümlerinde ve bazı hassas laboratuvar deneylerinde tercih edilir. "mbar" (ya da "hPa") birimi ise yaygın olarak meteorolojide, yani hava durumu tahminlerinde kullanılır; çünkü atmosferik değişimleri hassas bir şekilde gösterir. Son olarak, "psi" birimi genellikle otomotiv ve endüstri alanlarında, özellikle lastik basıncı, hidrolik sistemler ve basınçlı kaplar gibi teknik uygulamalarda tercih edilir. Bu birimlerin dönüşümleri ise şu şekildedir:

• 1 atm = 101325 Pa
• 1 atm = 760 mmHg
• 1 atm = 1013,25 mbar
• 1 atm = 14,7 psi
• 1 atm = 76 cmHg
• 1 atm = 760 Torr

Sonuç

Basınç, hayatın her alanında karşımıza çıkan; doğayı, teknolojiyi ve insan bedenini etkileyen temel bir fiziksel kavramdır. Katı, sıvı ve gaz basınçları ile atmosfer basıncı, çevremizdeki olayların büyük bir bölümünü anlamamıza yardımcı olur.

Katı basıncı, cismin ağırlığının yüzeye uyguladığı kuvvetle ilgilidir ve bu prensip sayesinde binaların temellerinden masa ayaklarına kadar birçok yapının güvenliği sağlanır. Sıvı basıncı, derinlikle birlikte artar ve bu bilgi baraj yapımında, su altı sporlarında ve dalgıçların kullandığı ekipmanların tasarımında hayati rol oynar. Gaz basıncı ise gazların kapalı kaplar içindeki davranışlarını açıklar; örneğin bir sprey kutusunun çalışması ya da otomobil lastiğinin şişirilmesi bu basınç sayesinde mümkündür. Atmosfer basıncı ise hem hava olaylarının hem de yüksek irtifalarda vücutta oluşan değişimlerin temel nedenidir. Uçakların kabin basıncı bu bilgiye dayanarak ayarlanır, aksi hâlde yolcular ciddi rahatsızlıklar yaşayabilir.

Bu basınç türlerini anlamamız, yalnızca teorik bilgi edinmek anlamına gelmez. Pascal Prensibi sayesinde hidrolik fren sistemlerinden asansörlere kadar günlük hayatı kolaylaştıran pek çok araç geliştirilmiştir. Dalton’un kısmi basınç ilkesi, gaz karışımlarıyla çalışan solunum sistemlerinden tüplü dalış ekipmanlarına kadar birçok teknolojide kullanılır. Basıncı anlamak; güvenli mühendislik hesaplamaları yapabilmek, hava olaylarını tahmin edebilmek, insan sağlığını etkileyen çevresel koşulları değerlendirebilmek açısından oldukça önemlidir.

Sonuç olarak basınç yalnızca fizik kitaplarında geçen soyut bir kavram değildir. Yaşadığımız dünyayı daha iyi anlamamızı, doğayla daha uyumlu yaşamamızı ve teknolojiyi daha bilinçli kullanmamızı sağlayan güçlü bir bilgidir.