Yüzey Gerilim Kuvvetleri
Katı ve sıvıların en muhteşem özelliklerinden biride yüzey gerilimidir. Yüzey geriliminin günlük hayatımızda farkında olmadan sıkça karşılaştığımız tesirleri olduğu gibi teknik uygulamalarda karşılaşılan tesirleri de vardır.
Bir leğen içerisindeki durgun suya dikkatlice baktığımız zaman, su yüzeyi sanki bir zar ile kaplıymış gibi görünür. Bunun sebebi yüzey gerilimidir. Sıvı yüzeyindeki atomların, iç kısımdaki atomlar tarafından büyük bir kuvvetle çekilmesi sonucu sıvı yüzeyi adeta bir zar gibi gerilir. Sıvının içerisine girmek veya dışına çıkmak isteyen yabancı bir maddenin bunu başarabilmesi için bu zarı delmesi yani yüzey gerilimini yenmesi gerekir. Bir kap içerisindeki suyun üzerine bir jileti çok yavaş bir şekilde bırakırsak jiletin ağırlığı suyun yüzey gerilimini yenemediği için çelikten yapıldığı hâlde jilet, su üzerinde durur.
Yüzey geriliminin teknolojik uygulamalara tesirleri olumlu veya olumsuz olabilir. Yüzey geriliminin olumsuz tesir ettiği uygulamalarda ortama yüzey gerilimini düşüren katkı maddelerinin ilave edilmesi zaruridir.
Su üstüne yavaşça konulan Ataç Yüzey gerilimi nedeniyle batmaz
Buraya kadar anlattığımız olayların önem kazandığı teknolojik bir uygulama, madencilikte, yüzdürme yoluyla cevher zenginleştirme metodu olan flotasyondur. Flotasyon işleminde mineral taneleri bir sıvı içerisinde, gang’ından ayrılarak yüzeyde teşkil edilen köpükte toplanır. Kollektör adı verilen katkı maddeleri ile yüzeyi hidrofob hâle getirilen mineral taneleri, adhezyon kuvveti sayesinde hava kabarcıklarına tutunarak sıvının üzerine çıkar. Ancak hava kabarcığının yüzeye çıkabilmesi için sıvı yüzeyindeki zarı delmesi gerekir. Bunun için sıvının yüzey geriliminin düşük olması lazımdır ki bu da sıvı içerisine köpürtücüler ilave edilerek sağlanır. Aksi takdirde yükselen mineral yüklü hava habbecikleri sıvı yüzeyinde sert bir zemine çarpmış gibi olur ve parçalanarak taşıdığı tanecikleri kaybeder.
Suda yaşayan birçok böcek türü yukarıda anlattığımız fizik kaidelerini kullanarak hayatını sürdürür. Bunlara en güzel örnek su örümceğidir. Su örümceği, su üzerinde yüzey geriliminden dolayı oluşan zarın üzerinde yürür. Su üzerine yapışıp kalmaması için ayaklarının ucunda hidrofob balmumuna bulanmış kıllardan oluşan kadifemsi sık bir örgü mevcuttur. Suda yaşayan Gerris gibi birçok böcek türü de hidrofili ve hidrofobi sayesinde değişik şekillerde hayatlarını sürdürür.
Yüzey Gerilimi Birimi ve Formülü
Moleküller birbirlerine yeteri kadar yakın bulundukları zaman birbirlerini çeker. Sıvı içinde bulunan bir molekül şekilde görüldüğü gibi ortalama olarak bütün yönlerden aynı kuvvetle çekilir. Hâlbuki sıvının yüzeyinde bulunan bir molekül aşağı ve yanlara doğru çekildiği hâlde yukarıya doğru çeken kuvvet çok zayıftır (Buharın etkisi çok azdır.). Bunun sonucu olarak yüzeydeki moleküller sıvı içine doğru yüzeye dik olarak çekilir. Sıvı yüzeyi bir gerilim altında bulunur ve bu, sıvı yüzeyinde her noktada ve her yönde aynıdır, buna yüzey gerilimi denir. Yüzey gerilimi santimetre başına dyn olarak verilir.
Sıvı molekülleri hareketleri
Kütlesel çekim kuvvetinin olmadığı bir yere örneğin uzay boşluğuna bırakılan bir miktar sıvı, küre şeklini alarak hemen en küçük yüzey alanına sahip olur. Sıvının içindeki moleküller üzerine etkiyen çekim kuvvetlerinin bileşkesi 0 (sıfır) olduğu hâlde sıvı yüzeyindeki molekülleri sıvı içine doğru çeken net bir kuvvetin etkisi altındadır. Yüzeyi küçültmeye çalışan bu kuvvetleri yenmek için dışarıdan sıvıya enerji vermek gerekmektedir. Sabit sıcaklık ve basınçta sıvı yüzeyini 1 m 2 veya 1 cm2 büyütmek için verilmesi gereken enerjiye yüzey enerjisi denir ve σ ile gösterilir.
Yüzey gerilimi etkisiyle sıvı mümkün olduğu kadar yüzeyini küçültmeye çalışır. En küçük yüzey gösteren şekil küre olduğundan damlayan sıvı küresel bir şekil gösterir. Büyük damlaların şekli yüzey geriliminden başka kuvvetlerin etkisi altında bozulmuştur. Büyük miktarda bulunan sıvılar, bulundukları kabın şeklini alır, bu gibi sıvıların şekilleri üzerine yüzey gerilimi, ancak kabın kenarları yakınında hafifçe etki eder.
(a) Adhezyon, (b) Kohezyon
Yüzey gerilimi sadece sıvılar için söz konusu değildir. Benzer gerilimler muhtelif fazlar arasındaki bütün yüzeylerde mevcuttur. Bu hâlde yüzeyler arası gerilim veya yüzeyler arası enerji söz konusudur. Örneğin katı-sıvı, katı-gaz, sıvı-gaz, sıvı-sıvı yüzeyler arası gerilimleri gibi. Özel olarak kaydedilmedikçe, sıvı-hava yüzey gerilimi söz konusudur. Bu hâlde hava o sıvının o sıcaklıktaki buharı ile doygundur. Yüzey gerilimi her maddeye has özelliktir. Hava yerine başka gazlar alınırsa genellikle yüzey geriliminin büyüklüğü değişir.
Sıvı ile cam arasındaki çekim kuvvetlerine adhezyon kuvvetleri denir. Kılcal boruda yükselmeye bu adhezyon kuvvetleri yol açmaktadır. Örneğin alttaki şekilde görüldüğü gibi kılcal boruya su konulmuştur.
Sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerine kohezyon kuvvetleri adı verilir. Kılcal boruda alçalmaya yol açan bu kohezyon kuvvetleridir. Örneğin alttaki şekilde görüldüğü gibi kılcal boruya cıva konulmuştur.