Yüzey Gerilimi Nedir? Bazı Böcekler ve Metal Cisimler Nasıl Oluyor da Suya Batmıyor?

Yüzey gerilimi, durgun hâldeki sıvıların olabilecek en yüksek enerji dengesine ulaşabilmek için, olabilecek en küçük yüzey alanını kaplamaya yönelik eğilimlerine verilen isimdir. Bu kuvveti mümkün kılan şey, moleküllerin birbirlerini çekmeye yönelik kohezif doğasıdır. Yüzey gerilimi sayesinde sıvı yüzeyi elastik bir tabaka gibi davranır ve bu sıvı yüzeyi, dış bir kuvvete direnebilir. Bu kuvvet öylesine etkilidir ki, aslen sudan daha yoğun olan, dolayısıyla normalde batmasını bekleyeceğimiz su koşucusu (Gerridae ailesinden böcekler) gibi hayvanlar ve hatta metalden yapılmış jilet bıçaklar veya ataçlar bile, hiç batmaksızın su yüzeyinde kalabilirler.

Pinterest

Aslında bu olguyu gündelik yaşantımızda da sıklıkla deneyimleriz: Örneğin bir bardağı çok fazla doldurduğunuzda bardağın taşmadığını ve su seviyesinin bardağın yüksekliğinden daha fazla olduğunu fark etmişsinizdir (bunu aşağıdaki fotoğrafta görebilirsiniz). Benzer şekilde musluktan damlayan suyun, olduğu gibi düşmek yerine sünmüş bir damlacık oluşturduğuna şahit olmuşsunuzdur. Bu olayların her ikisi de yüzey geriliminden kaynaklanmaktadır.

Reddit

Son olarak, yere dökülen suyun görünmeyecek kadar ince bir su tabakası oluşturmak yerine, yer seviyesinden birkaç milimetre yüksek bir katman oluşturmasının sebebi de yüzey gerilimidir. 

Skylar Kang

Islatmayı Belirleyen Yüzey Gerilimidir!

Suyun bir yüzeyle temas ettiğinde ne olduğunu düşünün: Su molekülleri ile yüzey molekülleri arasındaki yapışkan kuvvetler, su molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetlerine kıyasla zayıfsa, su yüzeyi "ıslatmaz". Örneğin su, mumlu yüzeyleri veya polietilen gibi plastiklerin birçoğunu ıslatmaz. Su, bu yüzeylerde damlalar oluşturur, çünkü damlalar içindeki kohezyon kuvvetleri, su ile plastik arasındaki yapışma kuvvetlerinden daha büyüktür. Su ile cam arasındaki yapışma kuvveti, su içindeki yapışma kuvvetlerinden daha büyük olduğu için su cam üzerine yayılır.

Su, bir cam tüp içinde hapsedildiğinde, menisküs (yani suyun yüzeyi) içbükey bir şekle sahiptir; çünkü su camı ıslatır ve tüpün kenarından yukarı doğru süzülür. Öte yandan, cıva atomları arasındaki kohezyon kuvvetleri, cıva ve cam arasındaki yapışma kuvvetlerinden çok daha büyüktür. Bu nedenle cıva camı ıslatmaz ve cıva içindeki kohezif kuvvetler camı bir damlaya çekme eğiliminde olduğundan, bir tüp içine hapsedildiğinde dışbükey bir menisküs oluşturur.

Science Source

Farklı Sıvıların Yüzey Gerilimi Değerleri

Sıvıların yüzey gerilimi değerleri, temas ettikleri diğer yüzeyle birlikte ölçülür ve az sonra göreceğimiz gibi, sıcaklık gibi faktörlerden etkilenir.

Su-hava kesişiminde suyun yüzey gerilimi, sıvılar için en yüksek yüzey gerilimlerinden biridir ve oda sıcaklığında 72.86 mN/m (metre başına 72.86 miliNewton) olarak ölçülmektedir. Daha yüksek yüzey gerilimine sahip olan tek bir sıvı vardır: cıva. Cıva-hava kesişimindeki yüzey gerilimi yaklaşık 486.5 mN/m değerindedir. Diğer bazı kesitlerin yüzey gerilimleri şöyledir (hepsi 20°C'de ölçülmüştür):

• Metilen-iyodür ile hava: 67 mN/m
• Dimetil sülfoksit ile hava: 43.54 mN/m
• Benzen ile hava: 28.88 mN/m
• Metanol ile hava: 22.50 mN/m
• Etanol ile hava: 22.39 mN/m
• Oktan ile hava: 21.61 mN/m
• Heptan ile hava: 20.14 mN/m
• Tuz ile hava (1073°C'de): 115 mN/m
• Su ile 1-bütanol: 1.8 mN/m
• Su ile etil asetat: 6.8 mN/m
• Su ile heptanoik asit: 7 mN/m
• Su ile benzaldehit: 15.5 mN/m
• Su ile transformatör yağı: 37.2 mN/m
• Su ile cıva: 415 mN/m
• Etanol ile cıva: 389 mN/m

Yüzey Gerilimi Nasıl Oluşur?

Daha teknik bir tanımla yüzey gerilimi, moleküller arası kuvvetler nedeniyle bir sıvının yüzey alanını artırmak için gereken enerji veya iştir. Bu moleküller arası kuvvetler, sıvının (örneğin, su ve benzin) veya sıvı içindeki çözünenlerin (örneğin, deterjan gibi yüzey-aktif maddeler) doğasına bağlı olarak değiştiğinden, her çözelti farklı yüzey gerilimi özellikleri sergiler. Bilseniz de bilmeseniz de, iş başında yüzey gerilimini zaten gördünüz. Bir bardağı çok fazla doldurduğunuzda, daha sonra bardaktaki su seviyesinin aslında bardağın yüksekliğinden daha yüksek olduğunu fark edebilirsiniz. Döktüğünüz suyun tezgahtan yükselen havuzlar oluşturduğunu da fark etmişsinizdir. Bu olayların her ikisi de yüzey geriliminden kaynaklanmaktadır.

Yüzey gerilimi temel olarak sıvı molekülleri arasındaki kohezif etkileşimlerden dolayı ortaya çıkar. Örneğin su molekülleri birbirine yapışmak ister. Moleküller birbirini her yönde eşit miktarda çeker ve her bir molekül üzerindeki net kuvvetin sıfır olmasına neden olur:

USGS

Ama suyun yüzey katmanındaki moleküller, daha üstlerinde su molekülleri değil de hava molekülleri olduğundan, suyun iç kısmındaki moleküllere nazaran daha az sayıda komşu moleküle sahiptir. Bu nedenle yüzeydeki su molekülleri, az sayıdaki komşularıyla çok daha sıkı bağlar kurarlar. Su molekülleri arasında oluşan bu güçlü kohezyon, bir nesneyi suya batırmayı, suyun altında hareket ettirmekten çok daha zor hale getirir.

CTG Clean

Suyun yüzeyindeki moleküllere yukarıdan gelen herhangi bir çekici kuvvet olmadığından, suyun yüzeyindeki "deri tabakasındaki" moleküller üzerinde içe doğru bir kuvvet oluşur. İçe doğru gerçekleşen bu kuvvet, su yüzeyindeki moleküllerin büzülmesine veya kırılmaya direnmesine sebep olur. Bu da yüzey gerilimi olarak adlandırılır.

NSTA

Yaygın Açıklama Hatalı mı?

Bu noktaya kadar yaptığımız yüzey gerilimi tanımı, giriş seviyesindeki üniversite fizik, kimya ve mühendislik kitaplarında yaygın olarak karşılaşılan/kullanılan açıklamadır. Ancak uçakların nasıl uçtuğuyla ilgili yaygın izâhta olduğu gibi, bu izâhta da ciddi problemler mevcuttur.

Her şeyden önce yukarıdaki açıklama, Newton'un ikinci yasasını ihlâl etmektedir: Eğer ki içteki moleküllerin yüzey gerilimi deneyimlememe sebebi net kuvvetlerinin sıfır olmasıysa ama üst tabakadaki moleküllerin yüzey gerilimi deneyimleme sebebi, kuvvet dengesizliği sonucu oluşan içe doğru olan bir net kuvvet ise, bu net kuvvet dolayısıyla (ve Newton'un ikinci yasası olan $F=ma$ dolayısıyla) bu yüzey tabakası, söz konusu içe doğru olan kuvvet dolayısıyla, durmaksızın aşağı doğru hareket ederdi ve asla statik bir konuma ulaşamazdı.

Bu nedenle yüzey geriliminin intramoleküler kuvvetlerden değil de iki yüzey arasındaki yüksek yoğunluk farkından kaynaklandığına yönelik bazı açıklamalar da geliştirilmiştir. Fakat yukarıdaki izah hâlen yaygın olarak kullanılmaktadır.

Su Damlalarının Şekli Nereden Geliyor?

Konuyu daha iyi anlayabilmek adına, moleküller arasında gördüğümüz iki temel kuvveti ("intramoleküler kuvveti") daha net tanımlamakta fayda var:

• Kohezyon kuvvetleri, benzer moleküllerin birbirine yapışmasını sağlayan kuvvetlerdir. Bu kuvvetler, yüzeye damlamış bir sıvının gövdesini minimum yüzey alanı ile bir arada tutar.
• Adhezyon kuvvetleri, birbirine benzer olmayan moleküllerin birbirine yapşma eğilimidir. Bu kuvvetler, yüzey üzerine damlamış bir sıvının gövdesini yaymaya çalışır.

Bu yüzden, eğer kohezyon kuvvetleri, adhezyon kuvvetlerden daha güçlü ise, su kütlesi şeklini koruyacaktır. Aksi takdirde su kütlesi (bu denge sağlanana kadar) yayılacaktır.

Görece az sayıda su molekülü bir araya geldiğinde oluşan "damla"ların yüzeylerde dairesel/küresel bir şekil alma sebebi de yüzey gerilimidir. Kolayca deforme olmasına rağmen, su damlacıkları, yüzey tabakasının kohezyon kuvvetlerindeki dengesizlik nedeniyle küresel bir şekle çekilme eğilimindedir: Hava-su kesişimindeki yüzeyde bulunan su molekülleri birbirlerini daha sıkı bir şekilde çekerek, yüzeyin kavislenmesine neden olur.

Wikipedia

Kütleçekiminin ve sürtünmenin olmadığı ortamda (örneğin ağırlıksızlık deneyimlenen Uluslararası Uzay İstasyonu'nda veya uzay boşluğunda) bu kuvvetler bir küre oluşturacaktır. Kütleçekimi ve sürtünmenin olduğu durumlardaysa yarı-küresel bir şekil oluşmaktadır.

Bu, sadece su ile ilgili bir durum değildir: Diğer kuvvetlerin yokluğunda, hemen hemen tüm sıvıların damlaları yaklaşık olarak küresel olacaktır. Küresel şekil, Laplace Yasasına göre yüzey tabakasının gerekli "duvar gerilimini" en aza indirir.

Yüzey Gerilimini Enerji Açısından Anlayın!

Yüzey gerilimini görmenin başka bir yolu da enerji açısından bakmaktır: Bir komşuyla temas halinde olan bir molekül, tek başına olduğundan daha düşük bir enerji durumundadır. İç moleküllerin komşu sayısı, sahip olabilecekleri maksimum değerdedir; ancak sınır molekülleri, iç moleküllere kıyasla daha az sayıda komşuya sahiptir ve bu nedenle daha yüksek bir enerjiye sahiptirler.

Sıvının enerji durumunu en aza indirgemesi için, daha yüksek enerji sınır moleküllerinin sayısı en aza indirilmelidir. Minimum sınır molekül sayısına ulaşabilmek için, minimum yüzey alanına erişmek gerekir.^[1] Yüzey alanı minimizasyonunun bir sonucu olarak, bir yüzey, alabileceği en pürüzsüz şekli alacaktır ("pürüzsüz" şekillerin yüzey alanını en aza indirdiğinin matematiksel kanıtı ise Euler-Lagrange denklemine dayanmaktadır). Yüzey şeklindeki herhangi bir eğrilik daha büyük alanla sonuçlanacağından, daha yüksek bir enerjiye sebep olacaktır ve bu nedenle kendiliğinden erişilemeyecektir.

Wikimedia

Yüzey Gerilimi Varsa, Cisimler Nasıl Batıyor?

Bu noktada, eğer ki suyun bir yüzey gerilimi varsa nesnelerin nasıl olup da suyun içine batabildiğini merak ediyor olabilirsiniz. Bunun açıklaması, yüzey geriliminin belli bir limiti olmasıdır ve bu limit aşıldığında, suyun yüzey katmanındaki bağların kırılarak, cismin suyun içine dalmasını sağlamasıdır. Aksi takdirdeyse (yani cisim, suyun yüzey gerilimini kırabilecek kadar kuvvet uygulayamıyorsa), nesne suyun yüzeyinde yüzecektir. Zaten bu nedenle metal cisimlerin su yüzeyinde yüzebilmesi için, gerçekten çok hafif olmaları gerekmektedir; aksi takdirde yüzey gerilimini aşacak ve yüksek yoğunlukları nedeniyle rahatlıkla batacaklardır.

Yüzey Geriliminin Fiziği

Yüzey gerilimi; gama ($\gamma$ veya kimi zaman $\sigma$ veya $T$) ile gösterilir ve $F$ yüzey kuvvetinin, kuvvetin etki ettiği uzunluğa oranı olarak tanımlanır.

Yüzey gerilimi birimleri N/m (Newton/metre) veya dyn/cm (dyne/santimetre)’dir.

Yüzey Gerilimini Etkileyen Faktörler

Sıvı bir maddenin yüzey gerilimi temelde sabittir, fakat moleküllerin bağlanma özelliklerini değiştirebilecek bazı koşullar olabilir. Bu koşulların yüzey gerilimi üzerindeki etkisini inceleyelim.

Sıcaklık

Sıcaklık ile yüzey gerilimi ters orantılıdır, yani sıcaklık arttıkça yüzey gerilimi azalacaktır. Bunun sebebi, sıcaklığın artması ile birlikte sıvı moleküllerin daha enerjik bir hale gelmesi ve rastgele yönlere doğru hareket etmesidir. Bu hareket, sıvı molekülleri arasındaki kohezyon bağın gücünü azaltır. Bu yüzden bir sıvının yüzey gerilimi için bir değer atanırken sıvının sıcaklık değerinin açıkça belirtilmesi de gerekir.

Sıvının Türü

Bir önceki bölümde bahsettiğimiz gibi, oda sıcaklığında bulunan su ve cıvanın yüzey gerilimleri farklıdır. Bunun sebebi moleküllerin yapısındaki farklılıklardır.

Yüzey Aktif Maddeler

Yüzey aktif maddeler, suda çözündüğünde yüzey geriliminin özelliklerini değiştirebilen kimyasal bileşiklerdir. Sıvıya eklenen ilgisiz kimyasal ilaveler yüzey gerilimini etkiler. Genel olarak su az miktardaki yüzey aktif madde ile karıştırıldığında yüzey gerilimi azalacaktır. Buna su ve sabun örneği verilebilir. Sabunlar, su molekülleri arasındaki kohezyon bağın bozulmasına sebep olur.

Yüzey Gerilimi Örnekleri

Su Koşucuları

Su koşucuları; su böcekleri, su avcıları olarak da bilinen Gerridae ailesine ait böceklerdir. Su kuşu böcekleri gibi birçok böcek yüzey gerilimini kendi avantajlarına kullanarak su üzerinde batmadan durabilir veya yürüyebilirler. Su koşucuları gövdesinin ağırlığını geniş bir yüzey alanına dağılmasını sağlayan uzun ve ince bacaklara sahiplerdir. Bu sayede sıvının yüzeyinin çökmesine sebep olur ve potansiyel enerjiyi en aza indirerek bir kuvvet dengesi oluşturur. Böylece su koşucuları su yüzeyi boyunca yüzeyi kırmadan hareket edebilirler. Ayrıca yüzey gerilimi su koşucularının batmasına neden olacak yerçekimi kuvvetinden gerekli korumayı sağlar.

Bunu konsept olarak şiddetli kar yağışından sonra yerde biriken kar yığınlarında kar ayakkabısı ile batmadan yürümeye benzetebiliriz.

Sabun ve Deterjanlar

Önceki bölümde sabun gibi yüzey aktif maddelerin yüzey geriliminde değişiklik yaratabileceğini söylemiştik. Muhtemelen günlük yaşamımızda yüzey gerilimini en çok kullandığımız alan temizliktir. Sabun ve deterjanlar suyun yüzey gerilimlerinin azalmasına sebep olur. Su moleküllerinin güçlü bir şekilde birbirine tutunmasını zayıflatır. Böylece kirli alanlara veya gözeneklere daha kolay nüfuz edilmesini sağlayarak temizliğe yardımcı olur.

Sıcak Suyla Yıkama

Suyu ısıtmak da sabun ve deterjanın temizlikte etkili olmasının arkasındaki temel sebep ile aynıdır. Suyun ısınması yüzey gerilimini azaltarak daha geniş bir yüzey alanına dağılabilmesini sağlar. Enerjide bir artış meydana geldiğinde moleküller hareket etmeye başlarlar.

Sarılık İçin Klinik Test

Normal idrarın yüzey gerilimi yaklaşık olarak 66 dyn/cm'dir, fakat safra varsa yaklaşık olarak 55'e düşecektir. Bu testte, oda sıcaklığında idrar örneği alınarak üzerine kükürt tozu serpilir. Eğer idrarda safra tuzları varsa idrarın yüzey geriliminin azalmasına sebep olacağı için kükürt tozları dibe çökecektir. Eğer kükürt tozları idrar yüzeyinde kalırsa, safra tuzlarının olmadığı anlaşılacak ve sarılık için negatif sonuca ulaşılacaktır.

Sarılık testi dışında yüzey gerilimi tıp alanında solunum sıkıntısı sendromu, bronşial astım gibi patolojik durumlarda bağlantılı olarak kullanılmaktadır.

Endüstriyel Alan

Bu örnekler dışında yüzey geriliminin endüstriyel alanlarda da sıklıkla kullanıldığını söyleyebiliriz. Özellikle ürün geliştirme konusunda Ar-ge departmanları ürünlerin kalitesini iyileştirmek için yüzey gerilimi ölçümlerini kullanıyor. Deterjan formülasyonları; daha düşük sıcaklık veya daha düşük miktarda temizleme konusunda iyileştirmek için optimize edilmektedir.