Fiziğin Doğasında hangi kavram ya da ne var? İçinde bulunduğumuz zamanda bu soruya cevap vermek oldukça zor.Çünkü bina o temeller üzerinde yükselmiş durumda.İnsanlığın düşünce tarihine bakıldığında pozitif bilimler oldukça yeni olarak karşımıza çıkar ama buna rağmen oldukça hızlı gelişmişlerdir.(yine düşünce tarihine göre).

YÜZEY GERİLİMİ

YÜZEY GERİLİMİ

Yüzey Gerilim Kuvvetleri

Bütün sıvılarda şiddeti sıvının türüne göre değişen moleküller arası çekim kuvvetleri (kohezyon kuvvetleri) bulunmaktadır. Sıvılarda iç kısımlarda (sıvının çeşitli derinliklerinde bulunan) moleküller çevresindeki komşu moleküller tarafından her yönden eşit olarak , diğer bir ifadeyle küresel simetrik şekilde, çekim kuvvetlerinin etkisi altında bulunurlar. Böylece sıvı içerisindeki bir moleküle etkiyen kuvvetler birbirlerini dengeler. Oysa sıvının yüzeyinde bulunan bir molekül (sıvı- buhar ara yüzeyi göz önüne alındığında) buhar fazındaki yoğunluk sıvı fazdan düşük olduğundan, sadece yüzeyin altındaki moleküller tarafından sıvının içerisine doğru çekilirler. Sıvı içerisindeki moleküller, yüzeydekilere göre daha fazla çekim kuvvetinin etkisi altında bulunduklarından potansiyel enerjileri, yüzeydeki moleküllerin potansiyel enerjilerinden daha düşüktür. Çünkü genel olarak bilinmektedir ki bir cisme etki eden çekim kuvvetleri ne kadar fazla ise cismin potansiyel enerjisi o kadar düşüktür. Şekil 1 de buhar ile temasta bulunan bir sıvı sistemi görülmektedir.

Şekil1. Sıvı-buhar ara yüzeyi Molekülleri sıvının iç kısmında yüzeye getirerek yüzeyi genişletmek için, sistemin üzerine iş yapılması gereklidir.

Sıvının iç kısmındaki molekülleri yüzeye çıkararak sıvının serbest yüzeyini artırmak için, sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetlerine karşı iş yapılmalıdır. Bunun sonucu olarak sıvının yüzey bölgesinin molar serbest enerjisi , sıvının diğer kısmının molar serbest enerjisinden yüksektir. 1805 Thomas Young sıvı yüzeyinin mekanik özelliklerinin, yüzey üzerine gerilmiş hayali bir zarın mekanik özellikleri ile ilişkilendirilebileceğini gösterdi. Böylece sıvı yüzeyi moleküller arasında mevcut olan kohezyon kuvvetlerinin sonucu olarak , bir bakımdan gerilmiş hayali bir zar gibi daima büzülmek isteyen ve mümkün olan en küçük yüzeyi almak isteyen 1molekül kalınlığında çok ince zar gibi düşünülebilir.

Bir sıvının yüzey gerilimi (g ); yüzey üzerinde sıvının yüzey genişlemesine zıt olan birim uzunluk başına kuvvetdir. Yüzey gerilimi, yüzeye paralel olarak etkir. Yüzey geriliminin SI sistemindeki birimi metre başına Newton (Nm^-1

) veya (1J=Nm olduğundan) Jm^-2 dir. CGS sistemindeki birimi ise dyn/cm yada erg/cm² dir. Örneğin suyun yüzey gerilimi 20 ⁰C de 72.8 dyn/cm veya 72.8 erg/cm² olduğundan suyun yüzeyini 20 ⁰C de 1cm² genişletebilmek için 72.8 erglik bir enerjiye veya 1cm boyunca sıvı yüzeyinde yer alan moleküller arası ilişkileri kesebilmek için 72.8 dyn lik bir kuvvete ihtiyaç var demektir.

Yüzey Gerilimi nasıl değişir?

Sıvı üzerindeki gaz yoğunluğu çok fazla arttırıldığında veya bu sıvı üzerine bu sıvıda çözünmeyen bir başka sıvı ilave edildiğinde sıvının yüzey gerilimi karşı fazdaki moleküllerle gireceği moleküler etkileşmeler sonucu bir miktar azalacaktır.

Çoğu sıvıların yüzey gerilimleri artan sıcaklıkla doğrusal bir şekilde azalır(bazı erimiş metaller hariç ) ve moleküller arası kohezyon kuvvetlerinin sıfıra yaklaştığı kritik sıcaklık civarında çok küçük bir değer olur.

Saf bir madde içerisinde bir madde çözünüyorsa çözünen maddenin ve çözücünün karakterine bağlı olarak yüzey geriliminin değiştiği gözlenmiştir. Ayrıca yapılan incelemelerle çözünen maddenin sıvının iç kısımlarındaki konsantrasyonun birbirinden farklı olduğu gözlenmiştir ki bu beklenen bir olaydır. Yüzeyin cm

² sinde bulunan çözünmüş maddenin çözeltinin iç kısımlarında fazlalığı yada eksikliği aşağıdaki eşitlik yardımıyla bulunabilir;

C=Hazırlanan çözeltinin konsantrasyonu

R=İdeal gaz sabiti

T=Sıcaklık

g=Yüzey gerilimi

Bu eşitliğe aynı zamanda Gibbs adsorbsiyon denklemi denir

Konsantrasyon ile yüzey gerilimi azalıyorsa

(Yunanca gama harfidir) pozitif olur ve çözünen maddenin fazlası yüzeyde toplanır. Konsantrasyon ile yüzey gerilimi artıyorsa negatif olur ve çözünen maddenin konsantrasyonu çözeltinin iç kısımlarında daha fazla olur.(Yüzeyde enerji fazla! İç kısımlardaki moleküller yüzeyde bulunmak istemezler ve iç kısımlarda toplanırlar.)

Gibbs adsorbsiyonu bulunduktan sonra ;

N=Avogadro sayısı

eşitliği yardımıyla yüzeyde adsorblanan bir molekülün kapladığı alana geçilebilir.

Sıvı - Sıvı Arayüzey Gerilimi

Birbiri içinde çözünmeyen iki sıvı ele alalım. Bunların birbirlerine temas noktasında bir yüzey gerilimi vardır ve bu nokta ne üstteki ne de alttaki sıvıya benzemektedir. Bu sıvıların her birinin ayrı ayrı yüzey gerilimleri toplamı bu iki sıvının oluşturduğu ara yüzey geriliminden her zaman büyüktür.

Her sıvının yüzey geriliminde bir azalma olacağına göre bir başka deyişle sıvılar yüzey serbest enerjilerini azalttıklarına göre bu sıvıları birbirinden ayırabilmek için bir iş yapmak gerekir. Sıvılar farklı ise bu işe adezyon işi denir. Ve aşağıdaki gibi hesaplanır;

Bu iş sıvılar aynı ise kohezyon işi olarak adlandırılır.

Aslında kohezyon işi, bir sıvıyı ikiye bölüp yeni bir yüzey oluşturulabilmek için verilmesi gereken enerji miktarıdır.

Sıvılarda Yayılma

A sıvısının B sıvısı üzerine n cm

² yayıldığını düşünelim. Bu durumda cm² başına artan veya azalan enerjinin ne olduğunu belirlemeye çalışalım. Başlangıçta B sıvısının yüzey gerilimi söz konusu iken, A sıvısı yayıldıktan sonra bunun yerini A sıvısının yüzey gerilimi ve A-B sıvıları arasındaki yüzey gerilimi olmuştur. O halde cm² başına değişen enerji büyüklüğü;

Eğer

iseA sıvısı B sıvısı üzerine yayılmaz.

ise A sıvısı B sıvısı üzerinde yayılır.

Yada

yayılmaz!

yayılır!

Çözeltilerin Yüzey Gerilimi

Çözünen tanecikler içteki çözücü moleküllerinin yüzeydeki çözücü moleküllerini içe doğru çekmesini belli ölçüde engellediğinden çözeltilerin yüzey gerilimi saf çözücüye göre genellikle düşüktür. Çözücünün yüzey gerilimini düşüren maddeler

yüzey aktif, değiştirmeyenler ise yüzey inaktif olarak isimlendirilmektedir. Sulu çözeltiler için yüzey aktif maddeleri; organik asitler,alkoller, esterler, eterler,aminler ve ketonlar şeklinde; yüzey inaktif maddeleri ise inorganik elektrolitler,organik asitlerin tuzları,molar kütleleri küçük olan bazlar yanında şeker ve gliserin gibi uçucu ve elektrolit olmayan maddeler şeklinde sıralayabiliriz.

Yağ asitleri gibi suyun yüzey gerilimini önemli ölçüde düşüren maddeler, hem polar hidrofilik(su seven)grup hem de apolar hidrofobik (su sevmeyen)grup ihtiva ederler. Yağ asitlerindeki –COOH grubu gibi hidrofilik gruplar, eğer molekülün kalan apolar kısmı çok büyük değilse, molekülün çözünürlüğünü arttırır. Yağ asitlerinin hidrokarbon kısımları bir sulu çözeltinin iç kısımlarında rahatsızlık duyarlar (yani yüksek bir serbest enerjiye sahiptirler) ve onlar sıvının iç kısmından yüzeye getirmek çok

az iş gerektirir. Bu sebeple yüzey gerilimini düşüren bir çözünen(yüzey aktif madde), çözeltinin yüzey tabakalarında birikir. Böyle çözünenlerin ara yüzeyde “pozitif adsorblandığı” söylenir.

Yukarıdaki şekil sembolik ola

rak bir yüzey aktif maddeyi göstermektedir.

Yüzey aktif bir madde sulu bir çözeltiye konduğunda aşağıdaki gibi polar kısmı suda apolar kısmı dışarıda olacak şekilde yüzeye yerleşir.

Bu maddelerin son derece az bir mikta

rı suyun yüzeyini bir tek katmanla bütünüyle örtmeye yeter. Yaklaşık 2mg mı suda bir metrekarelik bir alanı kaplamak için yeterlidir. Bu moleküller yüzeyde daha mutludurlar, bu da yüzey enerjisinin azaldığı (yaklaşık 10kat) anlamına gelir. Diğer bir ifadeyle bir yüzey aktif madde molekülünü bulk fazdan yüzeye çıkarmak, su molekülünü bulk fazdan yüzeye çıkarmaktan daha kolay olması(yani daha az enerji gerektirmesi)sebebiyle yüzey aktif maddeler bulundukları çözeltinin yüzey gerilimini düşürürler diyebiliriz.

Bu maddelerin geniş bir uygulama alanı vardır. Örneğin;evlerimizde temizlik maddesi olarak kullandığımız çeşitli bulaşık ve çamaşır deterjanları(sıvı veya toz halde) şampuanlar ve sabunlar aktif madde olarak yüzey aktif madde ihtiva ederler.

(Bkz:Surfaktanlar nasıl temizliyor?)

Tablo1. de bu guruplara ait bazı örnekler görülmektedir.

Tablo1 Yüzey Aktif Maddeler

Diğer taraftan iyonik tuzlar gibi çözünenler genellikle sulu çözeltilerin yüzey gerilimini saf suya göre arttırırlar, fakat bu artma yağ asitleri ve benzeri bileşikler (yüzey aktif maddeler) tarafından meydana getirilen düşme kadar değildir. Çözünmüş iyonların yüzey gerilimini yükseltmesinin sebebi, bu iyonlarla su molekülleri arasında meydana gelen iyon-dipol etkileşimlerinin sonucu olarak , su moleküllerinin çözeltinin iç kısımlarına

doğru çekilmesidir. Bu sebeple yeni yüzey oluşturmak için elektrostatik kuvvetlere karşı ilave iş yapılması gerekir. Böyle çözeltilerde yüzey tabakaları çözünen maddece daha fakirdir. Yani çözünen madde, yüzey yerine çözeltinin iç kısımlarında toplanır. Bu gibi hallerde çözünenin “negatif adsorblandığı” söylenir. Aşağıdaki şekilde sulu sodyum klorür çözeltisinin yüzey geriliminin konsantrasyonla değişimi görülmektedir.

Yüzey Gerilimi Ölçüm Metodları

Bir sıvının yüzey gerilimi çeşitli metodlarla ölçülebilir. Bu metodlardan en yaygın olarak kullanılanları; kapiler yükselme ve damla ağırlığı yöntemleridir.

1.Kapiler Yükselme Metodu;

Temas açısı ve kapilarite:

Bir katı yüzeyi ile temastaki bir sıvı yüzeyi bir açı oluşturur. Temas açısı adı verilen bu açının büyüklüğü , sıvının kendi molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri (kohezyon kuvvetleri) ile sıvı katı arası çekim kuvvetlerinin (adezyon kuvvetleri) göreceli büyüklüğüne bağlıdır. Kohezyon kuvvetlerinin büyüklüğü, adezyon kuvvetlerinin büyüklüğünden ne kadar fazla ise, sıvı katı arasındaki temas açısı da o denli büyük olur. Diğer bir ifade ile büyük bir temas açısı sıvı katı çekim kuvvetlerinin azlığının , küçük bir temas açısı

ise bu kuvvetlerin büyük olmasının bir göstergesidir. Ayrıca temas açısının büyüklüğü, katı yüzeyin düzlüğü ve temizliğinden başka sıvının saflık derecesine de bağlıdır. Saf ve ıslatma maddesi içeren (yüzey aktif madde) su damlalarının bir parafin yüzeyindeki durumları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

(a)Saf su damlasının (b) ıslatma maddesi eklenmiş su damlasının parafin yüzeyinin şekli

Temas açısı 90

⁰C den küçük ise sıvı kabı ıslatır, büyük ise ıslatmaz. Bir kapiler içerisindeki sıvının kapiler duvarları ile yaptığı açı 90 ⁰C den küçük ise sıvı kapiler yüzeyini ıslatır ve sıvının yüzeyinde iç bükey bir menisküs oluşur. Temas açısı 90 ⁰C den büyük olması halinde sıvı kapileri ıslatmaz ve dış bükey bir menisküs oluşur.

Metod:

Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi sıvı kabın içine camdan bir kapiler konulmuştur. Ve sıvı bu kapilerin içerisinde yükselir. Kapilerde yükselerek cidarı ıslatan tüm sıvıların yüzey gerilimlerinin belirlenmesinde bu yöntem kullanılabilir.

Kılcal içindeki sıvının yükselmesi toplam yüzey alanını azaltır ve serbest enerji minumum bir değere düştüğünde dengeye ulaşılır. Sıvının daha fazla yükselmesi durumundaysa yükselmeyle yüzey alanındaki azalma ile kazanılandan daha fazla serbest enerji sıvının ko

londan yükselmesiyle kaybedilir.

Sıvının dl kadar yükselmesiyle yüzey alanındaki azalma 2

p rdl olurken buna karşı gelen yüzey enerjisindeki azalma ;

dG_y=

g dA= g 2p rdl

olacaktır. I yüksekliğinde

r yoğunluğundaki sıvının bir miktar yükselmesiyle p r² dl lik bir hacim artışı meydana gelir ki böylece serbest enerjideki değişim

dG_a=

p r²r ldl

olur. İki serbest enerji değişimi biribirine eşit olduğunda yükselme durur. Bu denge anında hesaplanan yüzey gerilimi;

dG_y= dG_a

g

2p rdl=p r²r ldl

yazılabilir. Eşitliğin sağında yer alan değişkenler ölçülebileceğinden

g değerinin büyüklüğü belirlenebilir. Bu eşitlik sıvının tamamıyla camı ıslattığı kabul edilerek çıkartılmıştır. Camı tamamen ıslatmayan sıvılar için ise cam sıvı arasındaki q açısına bağlı olarak farklı bazı yaklaşımların kullanılmasıyla benzer bir ifade çıkarılabilir.

2.Damla Ağırlığı Metodu

Bu yöntemde yüzey gerilimini belirlemek için aşağıdaki şekilde gösterilen Traube Stalagmometr

esi kullanılır.

Bu metoda göre kılcal bir borudan düşen damlanın ağırlığı mg , tam düşme anında borunun çevresindeki sıvının yüzey gerilim kuvvetine eşit olacaktır.

2

p rg=mg

g

=mg/2p r

Fakat damlanın düşüş anı fotoğrafları alındığında damlanın boru ile sıvının tam birleştiği yerden kopmadığı düşen damla ile borunun ucu arasında bir miktar sıvı kaldığı gözlenmiştir. Bu bakımdan yapılan araştırmalar yukarıdaki bağıntı yerine

eşitliğinin daha geçerli olduğunu göstermiştir. Buradaki F değeri r/V

^1/3 terimiyle orantılıdır. Sabit hacimde bir sıvının yüzey gerilimini Traube Stalogmometresi ile ölçmek için ,tübün ucundaki bir kılcal borudan sıvı serbest düşmeye bırakılır ve düşen damlalar sayılır. Eğer ayni hacimde verilen bir karşılaştırma sıvısı ile deneme yapılırsa, bilinmeyen sıvının yüzey gerilimi F faktörleri birbirine eşit kabul edilerek

veya

eşitliğinden hesaplanabilir. Buradaki n

₁ ve n₂ , d₁ ve d₂ yoğunluklarına sahip sıvıların V hacmindeki Stalagmometreden damlatılarak sayılan damla sayısıdır.

http://w3.balikesir.edu.tr/~sedacan/yuzey.html

SUYUN YÜZEY GERİLİMİ YAŞAMIN VAR OLMASI İÇİN ÖZEL AYARLANMŞTIR

Suyun bu özelliklerinin getirdiği bir başka sonuç daha vardır. Örneğin hafif bir metali suya bıraktığınızda bunun dibe çökmediğini, suyun üzerinde sabit olarak kaldığını görürsünüz. Bunun yanında bazı böcekler de suyun yüzeyinde rahatlıkla yürüyebilmektedirler. Metal sudan daha ağırdır, böceklerin bir kısmı da öyle… (Bilim ve Teknik, Eylül 96, Sayı 346, sf. 47 ) Peki suyun üzerinde durabilmeyi nasıl başarırlar? Bunun sebebi yine bizleri suyun özel yaratılışına götürür. Su moleküllerini birbirine bağlayan hidrojen bağları, "suyun yüzey gerilimini" meydana getirirler. Bu gerilim, suyun yüzeyindeki moleküllerin birbirleri ile ve aynı zamanda alttaki moleküllerle hidrojen bağları kurması ile oluşmaktadır. Bir böceğin suyun dibine batabilmesi için bu hidrojen bağlarından bir kısmını koparması gerekmektedir.

Gemileri su yüzeyinde tutan şey de aynı yüzey gerilimi ve aynı zamanda suyun kendi iç direncidir. Eğer suyun bütün bu özellikleri olmasaydı, şu an gemilerin varlığından eser olmazdı, balıklar suyun içinde yaşayabilmek ve yüzebilmek için oldukça büyük bir enerjiye ihtiyaç duyarlardı, hatta belki de suyun içinde şimdiki çeşitlilikte yaşam olmazdı.
Her sıvının yüzey gerilimi farklıdır. Suyun yüzey gerilimi, bilinen diğer sıvıların hemen hepsinden daha yüksektir ve bunun çok önemli bazı biyolojik etkileri vardır. Bitkilerdeki etki, bunların başında gelir. Bitkilerin, hiçbir pompaları, kas sistemleri vs. olmadan, toprağın derinliklerindeki suyu metrelerce yukarı nasıl taşıdıklarını düşündünüz mü? Bu sorunun cevabı, yüzey gerilimidir. Bitkilerin köklerindeki ve damarlarındaki kanallar, suyun yüzey geriliminden yararlanacak şekilde tasarlanmışlardır. Yukarı doğru gidildikçe daralan bu kanallar, suyun yukarı doğru "tırmanmasına" neden olurlar.

Bu üstün tasarımı mümkün kılan şey, biraz önce belirttiğimiz gibi suyun yüksek yüzey gerilimidir. Eğer suyun yüzey gerilimi diğer sıvıların çoğu gibi düşük düzeyde olsa, geniş karasal bitkilerin yaşaması fizyolojik olarak imkansız hale gelecektir. Elbette bitkilerin olmadığı bir ortamda insanların varlığından bahsetmek de mümkün değildir.

Yüksek yüzey geriliminin bir başka önemli etkisi ise, kayaların parçalanmasıdır. Su, yüksek yüzey gerilimi nedeniyle, kayaların içinde bulunan küçük çatlakların en derinliklerine kadar sızar. Daha sonra havalar soğur ve sular donar. Donup buza dönüşen su, olağanüstü bir etki gösterip genleştiği için, kayaları zorlar ve zamanla parçalar. Bu, kayaların içindeki minerallerin doğaya kazandırılması ve aynı zamanda toprak oluşumu açısından hayati bir öneme sahiptir.

Suyun, şimdiye kadar çok iyi bilmemize rağmen belki de hiç düşünmediğimiz bu özellikleri Allah'ın insanlara büyük bir lütfudur. Su, Allah dilediği için böyle bir özellik kazanır, gemiler Allah dilediği için suyun üzerinde yüzebilir, canlılar Allah dilediği için suyun içinde rahatlıkla yaşayabilirler. Allah bu gerçeği ayetinde belirtmiştir:
Allah, gökleri ve yeri yaratan ve gökten su indirip onunla size rızık olarak türlü ürünler çıkarandır. Ve Onun emriyle gemileri, denizde yüzmeleri için size, emre amade kılandır. Irmakları da sizin için emre amade kılandır. (İbrahim Suresi, 32)
Topraktan yeni çıkmış açık yeşil renkteki bir çim tanesinde de, boyu metrelere varan dev ağaçlarda da hakim olan sistem suyun mucizevi özellikleri ile yakından ilgilidir. Su, moleküler özelliği ve bağlanma şekli nedeni ile bitkinin köklerine girer ve bitkinin içindeki borular boyunca yukarı doğru uzanır. Bazen bu yükseliş onlarca metreyi bulur, bazen de onlarca dala ayrılır ve birbirinden farklı yerlere ulaşır.Başka hiçbir sıvının bu kadar kolay başaramadığı bu işlem, "suyun kılcal hareket edebilme" özelliğidir. (Bilim ve Teknik, Eylül 96, Sayı 346, sf. 47 ) Su aynı zamanda emilebilirlik özelliğine de sahiptir. Odun veya jelatin gibi maddelerle temas ettiğinde hemen onların içine nüfuz edebilir.Çimlenmeye başlayan tohumların su alarak şişmesi de suyun bu özelliğinden kaynaklanmaktadır. Eğer yeryüzünde su ve toprak altında tohum olmasına rağmen suyun emilebilirlik özelliği olmasaydı, yeşil dünyadan eser kalmayacaktı. Bitki örtüsünün olmaması ise, yeryüzünde tüm canlılığın yok olması anlamına gelirdi.

http://www.sumucizesi.com/mucize.htm

Çeşme suyunun yüzey gerilimi daima 73 Dune'dur. İyi bir kaynak suyun gerilimi 58, 60, 62 Dune olabilir.. Bizim kanımızın değeri 42 ve 44 Dune civarındadır. Gıdaları özümlememiz için bu değerin kan değerimize en yakın olması daha uygun. Ve bizim için en uygun olan taze sıkılmış meyve suyudur. Taze meyve suyunun strüktürel yapısı o kadar uygun ki, yüzey gerilimi aynı kanımızın değeri gibidir.

http://ruhsalbeslenme.blogcu.com/su-ve-tuz/2858346

12. SINIFLAR
1. Işığın tanecik modeli
2. Kara delikler
3. Atom modelleri
4. Doğru akım ve alternatif akım arasındaki ilişki
5. Yarı iletkenler
6. Hall olayı
7. Fizyon ve Füzyon
8. Laserin çalışma prensibinin araştırılması.
9. Fotoelektrik olayının araştırılması.
10. Einstein’in özel izafiyet teorisi (Kütlenin hıza göre değişimi).
11. Mikroskop-teleskop tasarımı.
12. Fotosel kapı tasarımı.
13. Renk tanıma detektörü.
14. Fizik bilim adamlarının yaşamları ve çalışmalarının araştırılması
15. Küresel ısınma
14.Konularla ilgili problemler
15.Işığın dalga modeli
16.X ışınlarının keşfi
17.Nükleer parçalanma