Yüzey gerilimi bir sıvının yüzey katmanının esnek bir zar gibi davranmasına yol açan etkinin adıdır. Tüm sıvıların yüzeyleri sanki gerilmiş bir zarla kaplıymış gibi davranır. Bu olayda sıvı yüzeyi olası en küçük alanı kaplayacak şekilde büzülür. Yüzey geriliminin matematiksel modeli birim uzunluğa düşen kuvvettir.
γ = F/L
Birimi N/m’dir, ama kuvvet küçük olduğu için dyne/cm cinsinden de belirtilir. Bu 1 cm uzunluğunda bir zarı kırmak için kaç dyne kuvvet uygulamak gerektiği demektir.
Yüzey geriliminin nedeni sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetidir. Sıvının iç kısımlarındaki moleküllerin etrafı diğer sıvı molekülleri tarafından sarılmıştır. Bir molekül her yanından eşit miktarda kohezyon kuvveti etkisi altında kalır. Ama sıvı ile hava sınırındaki moleküllerin üst taraflarında sıvı molekülü yoktur, sadece aşağı ve yanlara doğru çekilirler. Bu yüzden sınırdaki sıvı molekülleri ile yanlarındaki moleküllerin kohezyonu kuvveti daha güçlüdür.
Yukarıdaki resim su moleküllerinin iki boyutlu bir kesit modelini gösteriyor. Bir akvaryuma karşıdan bakıyor gibiyiz. Suyun iç kısmındaki A molekülü çevresini saran sekiz molekülden oluşan bir karenin merkezinde. Etrafındaki moleküllerin hepsi A molekülünü çekiyor. Suyun yüzeyindeki B molekülünün altında yalnızca üç, iki yanında da birer tane molekül var; üstünde hiç yok. B molekülünü yanlarındaki moleküller daha güçlü çekiyor.
Bir önceki resimde iki boyutlu kesite bakmıştık, bu resimde üç boyutlu bir modele üstten bakıyoruz. Üstten bakıldığında suyun yüzeyindeki B molekülünün yanlarındaki yine sıvı yüzeyinde bulunan moleküller tarafından çekildiğini görüyoruz. Yüzey gerilimi sıvının yüzeyinde olduğu için, bir molekül hem sağa ve sola hem de öne ve arkaya doğru çekilir.
Sıvı yüzeyindeki kohezyon kuvvetleri sıvının içindekilere göre daha güçlü olduğundan dolayı bir cismi sıvının yüzeyinde hareket ettirmek cisim sıvıya tamamen batmışken hareket ettirmekten daha zordur.
Toplu iğne çelikten yapılmıştır ve özkütlesi suyun özkütlesinin neredeyse sekiz katıdır. Aslında toplu iğnenin suda yüzmemesi batması gerekir, çünkü ağırlığı suyun kaldırma kuvvetinden büyüktür. Ama yukarıdaki resimde göreceğiniz gibi toplu iğneyi dikkatlice suyun yüzeyine yerleştirirseniz, yüzdüğünü göreceksiniz. Toplu iğnenin batmamasının nedeni suyun yüzey gerilimini kıramamasıdır. Eğer suya birazcık sıvı sabun eklerseniz iğne aniden batar. Eğer suya dokunup titreştirirseniz iğne yine batar. Aynı deneyi ataşlarla da yapabilirsiniz.
Yukarıdaki resimdeki sivri sinekler suyun üstünde yürüyorlar. Çünkü ağırlıkları suyun yüzey gerilimini aşmaya yetmiyor. Ayrıca ayaklarının yüzey alanın geniş olması ağırlıklarını yayarak suyun yüzeyine uyguladıkları basıncı düşürüyor.
Yukarıdaki resimde bir bardağın içine gıda boyasıyla renklendirilmiş su doldurulmuş. Bardak ağzına kadar dolu, hatta ağzını aşmış, ama su taşmamış. Bardağın cam kenarlarından yukarı doğru bombe yapan suyun yüzeyi, yüzey geriliminin güzel bir örneği. Bunun bir benzerini bozuk paranın üstüne damlalıkla su damlatarak da yapabilirsiniz. Su damlaları bozuk paranın üstünde dış bükey bir bombe yapacak.
Yüzey gerilimini en sık kullandığımız durum belki de temizliktir. Sıcaklıkla birlikte suyun yüzey gerilimi azalır, böylece su molekülleri bir arada tutunmak yerine sünger gibi delikli malzemelerin içine daha rahat girer. Ayrıca deterjanlar suyun yüzey gerilimini azaltır, böylece su molekülleri çamaşırların dokularının arasına daha kolay girer ve kirleri çözer.
Ebru sanatında suyun ve yağın farklı yüzey gerilimleri olmasından yararlanılır. Tübitak’ın Bilim Genç sayfasındaki şu deneyi yapmak isteyebilirsiniz, adım adım anlatılmış.
Yapışma (adezyon) ve birbirini tutma (kohezyon) olaylarını örneklerle açıklar.
Yüzey Gerilimi Nelere Bağlıdır?
Sıvının üst katmanında esnek bir zar oluşması ile birlikte yüzey gerilimi oluşacaktır. Bunun yanı sıra hafif kuvvet ve ağırlığa sahip olan nesneler suyun içerisine girmez. Bu nedenle maddeler suyun üzerinde kalırlar. Yüzey gerilimi genel olarak fizikokimya dalı tarafından çalışılmaktadır. Ayrıca yüzey gerilimi sıvıların türüne göre değişiklik göstermektedir.
Yüzey Gerilimini Etkileyen Faktörler Nelerdir?
Günümüzde yüzey gerilimini etkileyen pek çok farklı faktör bulunmaktadır. Sıvının sıcaklığının yükselmesi ile birlikte yüzey gerilimi azalabilir. Buna benzer bazı durumlar da ortaya çıkabilir. Benzer özelliklere sahip olarak deterjan ve ya sabun gibi etkenlerin sıvıya eklenmesi ile birlikte yüzey gerilimini azaltan bazı unsurlar bulunur. Sudan bahsedilecek olur ise sıcaklığın artması yüzey geriliminin düşmesine neden olabilir. Yüzey gerilimi düşen su çok iyi bir şekilde temizlik yapabilecektir.
Yüzey Gerilimi İle İlgili Merak Edilenler
Fizikokimyada işlenen yüzey gerilimi bir sıvının yüzey katmanı ile ilgilidir. Yüzey katmanı ayrıca esnek bir tabakaya benzemektedir. Bu etki göz önüne alındığında bazı böcekler su üzerinde yürüyebilir. Bir gaz ve sıvının ya da birbiri ile karışmayan iki sıvının temas yüzeyleri gerildiğinde esnek bir zara benzemektedir. Bu şekilde yüzey gerilimi oluşacaktır.
Bazı böcekler de yüzey gerilimi ile birlikte suyun üzerinde yürüyebilir. Bilimsel bir tanımlama yapılması gerekir ise sıvı yüzeyinde birim uzunluğu gergin tutan kuvvete yüzey gerilimi denilmektedir. Ayrıca dar tüplerde sıvı yükselmesi ile alçalması olan kapilarite olayının nedeni de yüzey gerilimi olarak bilinmektedir.
Yüzey Gerilimine Etki Eden Etkenler Nelerdir?
Yüzey gerilimini etkileyen bazı faktörler bulunmaktadır. Sıvıların sıcaklığının artması ile birlikte sıvıya sabun ya da deterjan gibi etkenlerin karıştırılması da yüzey gerilimini azaltacaktır. Yüzey geriliminin düşürülmesi için sıvı içerisine kiri de daha rahat alabilir. O nedenle yüzey gerilimi düşerse daha iyi bir şekilde temizlik yapılabilir.
Yüzey gerilimini etkileyen faktörler göz önünde bulundurularak sonuçlar daha iyi değerlendirilir. Ayrıca sıvının yoğunluğu arttıkça yüzey geriliminde de artış görülür. Suya tuz eklenmesi ile birlikte tuz molekülleri suyun içine yayılır. Bu şekilde su molekülleri arasında kuvvet de artar. Sabun ile deterjanlar yüzey geriliminin azalmasına neden olacaktır. Sıcaklık arttıkça yüzey gerilimi de azalacaktır.
Yüzey gerilimi ile ilgili olarak uygulanan basınç, sıvı yüzeyinde güçlü bir kuvvet oluşturmaktadır. Bu kuvvet ise gerginliği arttırır. Bazı kaynaklara göre ise dış basınç ve yüzey gerilimi ters orantılı olarak ele alınmaktadır.