Accessoires DE  728x90
Sıvılarda Kılcallık ve Yüzey Gerilimi
22 12 2008

Sıvılarda Kılcallık ve Yüzey Gerilimi

ıvıların temel özellikleri hatırlatılacaktır.

 
Maddenin bulunduğu bir halde sıvı durumudur. Sıvıları meydana getiren moleküller birbirlerinin üzerinden kayabilirler. Bu nedenle içine konuldukları kabın şeklini alırlar. Sıvılar üzerlerine uygulanan basıncı her yöne doğru iletirler. Sıvılar gazlara göre sesi daha iyi iletirler. Sıvıların aynı sıcaklık ve basınçta yoğunlukları her zaman aynı değerdedir.
Sıvılar sıkıştırılamaz. ( Sıkıştırılabilir olmalarına rağmen bu değer çok küçük olduğu için, sıkıştırılamaz kabul edilebilir. )
 
1.2.       Yaygın olarak kullanılan sıvılar, yüzey gerilim katsayılarına göre sıralanır. Yüzey gerilimine sıcaklığın ve tuzun etkisi örneklerle tartışılır.
 
                    
1.3.       Yüzey gerilimi, yapışma ve kılcallığın böceklerin yaşamını nasıl etkilediği verilir.
 
Viskozite. Eskiden “ lüzucet “, bugün ise “ viskozite “ denilen özellik, akışkanların diğer önemli bir fiziksel özelliği olup kelime olarak Fransızcadan aynen alınmıştır. Nitel bir tanım ile:
 
“ Viskozite, akışkanın etkilendiği kuvvetler altında şekil değiştirmeye gösterdiği direnç’tir “
 
Ne kadar zor şekil değiştirebiliyorsa, akışkan o kadar viskoz ve ne kadar kolay şekil değiştirebiliyorsa akışkan o kadar az viskozdur. Su, alkol gibi sıvılar ile gazlar az viskoz, fakat yağ, parafin, bitüm gibi akışkanlar ise giderek artan derecede viskozdurlar. Gerçekten benzer veya eşit şartlarda yağ ( makine yağı veya zeytinyağı ) dolu bir kap, su dolu bir kaptan daha uzun sürede boşalır.
 
Viskozitenin nicel tanımı “ Newton’un viskozite kanunu “ yardımı ile yapılmaktadır. Bu kanunu anlamak için aşağıdaki oldukça idealize edilmiş deneyi incelemek gereklidir.
 
 
Şekilde görüldüğü gibi, D derinliği oldukça küçük olan sıvının yüzeyinde, sıvı ile temas eden yüzeyinin alanı A olan bir katı, örneğin bir tahta parçası düşünelim. Şekilde bu katı cisim yandan görülmektedir. Sıvı bir kabın içinde olup, kabın tabanı koyu bir çizgi ile belirtilmiştir. Bu katı cisim şekildeki gibi sıvının yüzeyine temas etmekte ancak batmamaktadır. Tahta parçası Us hızı ile sıvı yüzeyine paralel olarak hareket etsin. Sıvının tahtaya değen danecikleri tahtaya yapışırlar ve onunla beraber hareket ederler. Genel olarak doğru kabul edilen bu özelliğe, yani:
 
“ Katı yüzeye değen akışkan daneciklerin katı yüzeye yapışmalarına ve o yüzeyin sahip olduğu harekete aynen sahip olmalarına, akışkanların yapışma özelliği denir. “
 
Bu özellik nedeni ile sıvının tahta parçasına değen danecikleri Us hızı ile hareket edeceklerdir. Üst sıradaki akışkan danecikleri hareketlerini bir alt sıradaki daneciklere aktarırlar, ancak alt sıradakiler üsttekilerden daha az hareket ederler. Benzer şekilde ikinci sıradaki danecikler de hareketlerini altlardaki üçüncü sıradakilere aktarırlar, ama bu sonuncular da ikinci sıradakilerden daha az hareket ederler. Bu olay aşağı doğru aynı düzende devam eder. Kabın tabanına değen akışkan danecikleri yapışma özelliğinden dolayı hareketsizdirler. Dolayısıyla yukarıdan aşağı doğru inerken, hızın azalması, tabandaki daneciklerin hareketsizliği veya hızın sıfırlanması ile sonuçlanır. Daneciklerin sahip oldukları hareketi diğer daneciklere aktarmaları, fakat aktarılan hareketin aktarılandan az olması, viskozite özelliğinden başka bir şey değildir.
Bu açıklamadan anlaşılacağı gibi:
a.       viskozite nedeni ile birbirine değmekte olan akışkan tabakaları hareketlerini birbirlerine aktarırlar, ancak hareketin aktarıldığı tabakanın hareketi, aktarılandan azdır.
b.       Yapışma özelliği nedeni ile katı cidarlara değen akışkan danecikleri katı cidarın hareketini aynen tekrarlarlar.
 
Tahta parçasını Us sabit hızı ile hareket ettirmek için tahta parçasına gereken kuvvet F ise, deneylerin de gösterdiği gibi bu kuvvet temas alanı A ve tahta parçasının hızı Us ile “doğru orantılıdır. Gerçekten, temas alanı A ne kadar büyükse ve ne kadar büyük bir hızla hareket ettirilirse, gerekli olan kuvvet de o kadar büyük olacaktır. Ancak önceden tahmin edilmesi pek kolay olmayan derinlik etkisi deneylerle ortaya konulabilmektedir. F kuvveti D derinliği ile ters orantılıdır. D ne kadar büyükse F o kadar küçük veya D ne kadar küçük ise F o kadar büyüktür. Bu sonuçlar, bir orantılılık şeklinde yazılırsa:
 
                                     Fα A ( Us / D )       bulunur.
 
Yüzeysel Çekilme ve Kılcallık: Yüzeysel çekilme ve bunun sonucu olan kılcallık, sıvıların serbest yüzlerinde fark edilen fiziksel bir özelliktir. Serbest yüz, sıvının atmosfere veya bir gaz ortamına açık olan ve onunla temas halinde olan ara yüzüdür. Serbest yüzün altındaki katmanlarda bulunan sıvı molekülleri arasındaki kuvvetler ( kohezyon kuvvetleri ) her yönden etki yarattıkları için denge halindedirler. Ancak, bir serbest yüzeyin oluşması halinde, yüzeydeki molekülleri etkileyen ve alt katmanlardaki moleküllerden gelen kuvvetleri dengeleyecek üst katman molekülleri yoktur. Serbest yüzün, yerinde ve dengede durabilmesi, yukarıdaki gazın basıncı ve yüzeydeki moleküller arasındaki ek bir etkileşim ile olanaklıdır. Bu ek etkileşim yüzeysel çekilmedir. ( Burada “ yüzeysel çekilme “ olarak adlandırılan özellik, bir çok yerde “ yüzeysel gerilme “ olarak anılmaktadır. Gerilme kavramı başlı başına bir anlamı, içeriği olan bir kavramdır ve yüzeysel çekilme ile bir ilgisi yoktur. Boyut olarak farklıdır, fiziksel olarak farklıdır. )
 
Yüzeysel çekilme ancak serbest yüzeyin eğrisel yüzey olmaması halinde etkisini gösterir. Eğer serbest yüzey bir düzlem ise, bu halde serbest yüzeyi yerinde ve dengede tutan yalnızca üsteki gaz basıncıdır.
 
Serbest yüzey sıvı, gaz ve katı gibi üç maddenin bir noktada buluşmaları ile ortaya çıkmış ise, bu halde sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetleri ile, sıvı-katı arasındaki adhezyon ( yapışma ) kuvvetlerinin sonucu olarak yüzey çekilmesi ortaya çıkar. Yüzeysel çekilmenin değeri sıvı, gaz ve katı cismin cinslerine göre farklılıklar gösterir. Her üç maddeyi belirterek yüzeysel çekilmenin değerini bulmak gerekir. Örneğin su-hava-cam için yüzey çekilmesi, su-hava-demir üçlüsünün yüzey çekilmesinden farklıdır.
 
Serbest yüzeyin eğrisel bir yüzey olması halinde, yüzey çekilmesi, serbest yüzeyin altında moleküller ile üstündeki moleküller arasında bir basınç farkı meydana getirir. Bu basınca “ kılcal basınç “ denir. Kılcal basınç nedeni ile ince ( kılcal ) borularda sıvılar yukarı veya aşağı doğru hareket eder ve sonuçta belirli bir seviyede durur. Bu olaya da “ kılcallık “ denir. Kılcal boruda sıvı yükselirse bu sıvıya “ ıslatan sıvı “ aksi halde “ ıslatmayan sıvı “ denir. Su, şarap, gliserin gibi sıvılar ıslatan sıvılar olmasına karşın, cıva ıslatmayan sıvılara örnektir.
 
 
Yukarıdaki şekilde çapı D olan kılcal cam boruda ıslatan bir sıvı için gözlemlenebilecek durum şematik olarak gösterilmiştir ( a ). Şeklin ( b ) parçasında ise kılcal cam borunun üst kısmındaki sıvının ( su ), gaz ( hava ) ve katı cisim ( cam ) ile temasında meydana gelen eğrisel serbest yüzey temsil edilmektedir. Burada oluşan şekle “ menisküs “ denir. Yüzey çekilmesi menisküsün cam ile temas ettiği noktadaki teğet yönünde etki etmektedir ve genelde boru ekseni ( veya kenarı ) ile bir açı yapar ( α ).
 
Menisküsün yarım küre olduğunu varsaymak, boru çapının çok küçük olduğu kılcal borularda önemli bir hata meydana getirmez. Bu varsayım yapılırsa, menisküsün her iki yöndeki eğrilik yarıçapları eşitlenir ve boru yarıçapı olur. Yani bu varsayımla R1 = R2 = D/2 dir. Dolayısıyla:
                                    
                                    Δ p = 4 σ / D     dir.
 
Diğer taraftan Δ p = p2 – p1 olup, 1 rakamı kılcal borunun üst ucunda serbest yüzün tam üstündeki ( gaz içindeki ) yatayı, 2 rakamı ise tam altındaki yatayı göstermektedir. Bunlar arasında fark yaklaşık olarak sıvı molekülünün merkezi ile buna değen hava molekülünün merkezi arasındaki yükseklik farkı kadardır. 4 rakamı geniş kaptaki su yüzeyini ve 3 rakamı da bu yüzeyin kılcal boru içindeki uzantısını gösterir.
 
Yüzey çekilmesinin önem taşıdığı olaylar arasında kılcal dalgaların mekaniğini ( çay bardağının titreşmesi halinde çayın yüzeyinde oluşan kırışıklıklar ) ve yer altı sularının modellemesinde kullanılan Hele-Shaw ( okunuşu: Hele-Şov ) aletindeki gibi bazı olayları saymak olanaklıdır.
 

3024
0
0
Yorum Yaz
Siberailem_banner kirmizi120x600 Image Banner
?