Adezyon, kohezyon, yüzey gerilimi, kılcallık

Bir bardak suya ince bir cam boru daldırıldığında boru içindeki su, bardaktaki su seviyesinin üstüne çıkar. Kimse onu itmemiştir, pompa yoktur; yine de su yerçekimine karşı yükselir. Aynı boru cıvaya daldırılırsa tersini görürüz: cıva boru içinde dışarıdaki seviyenin altında kalır. Bir başka gözlem: dikkatle suyun üstüne bırakılan bir toplu iğne, özkütlesi sudan çok büyük olduğu hâlde batmadan durabilir. Bu üç olayın açıklaması aynı yerden gelir: moleküller birbirini çeker ve bu çekimin hangi moleküller arasında daha güçlü olduğu, sıvının nasıl davranacağını belirler. Önceki derslerde maddenin kütle, hacim ve boyuta bağlı özelliklerine baktık. Bu derste moleküller arası çekim kuvvetlerine geçiyoruz: adezyon ile kohezyonu ayırmayı, yüzey gerilimini ve onu değiştiren etkenleri, kılcallığı ve günlük hayattaki karşılıklarını öğreniyoruz.

• Kohezyonu ve adezyonu tanımlar, bir sıvının kap yüzeyindeki davranışını bu iki kuvvetin karşılaştırmasıyla açıklarsın.
• Yüzey gerilimini moleküler düzeyde açıklar, onu artıran ve azaltan etkenleri sayarsın.
• Kılcal yükselme ve alçalmayı, boru yarıçapıyla ilişkisini yorumlarsın.
• Günlük olayları uygun kavramla eşleştirirsin.

Kohezyon ve adezyon

Maddeyi oluşturan tanecikler arasında çekim kuvvetleri vardır. Aynı cins tanecikler arasındaki çekime kohezyon denir: su moleküllerinin birbirini çekmesi kohezyondur. Farklı cins tanecikler arasındaki çekime adezyon denir: su molekülleri ile cam yüzeyi arasındaki çekim adezyondur.

Bir sıvı bir katı yüzeyle temas ettiğinde, sıvının davranışını bu iki kuvvetin hangisinin baskın olduğu belirler. Adezyon kohezyondan büyükse sıvı yüzeye yayılır, yüzeyi ıslatır ve kabın kenarına doğru tırmanır. Kohezyon adezyondan büyükse sıvı kendi içinde toplanır, yüzeyi ıslatmaz ve damlacıklar hâlinde kalır.

Cam ile su arasında adezyon, suyun kendi kohezyonundan büyüktür. Bu yüzden su camı ıslatır. Cam ile cıva arasında ise cıvanın kohezyonu baskındır; cıva camı ıslatmaz, cam yüzeyde yuvarlak damlalar oluşturur. Aynı su, mumlu ya da yağlı bir yüzeyde de damlacıklar hâlinde kalır, çünkü bu yüzeylerle adezyonu zayıftır. Yani ıslatma, sıvının tek başına bir özelliği değildir; sıvı ile yüzeyin birlikte belirlediği bir sonuçtur.

Menisküs

Dar bir kaptaki sıvının üst yüzeyi düz değildir; kenarlarda eğilir. Bu eğri yüzeye menisküs denir. Camda su, kenarlarda yukarı tırmandığı için ortası çukur bir yüzey oluşturur: içbükey menisküs. Camda cıva ise kenarlarda aşağı kıvrılır ve ortası tümsek bir yüzey oluşturur: dışbükey menisküs.

Bu fark ölçüm yaparken önemlidir. Dereceli bir silindirde su hacmi okunurken çukur yüzeyin en alt noktası, cıva için ise tümsek yüzeyin en üst noktası göz hizasından okunur.

Yüzey gerilimi

Bir sıvının içindeki bir molekül her yönden komşu moleküllerle çevrilidir; çekimler her yönde birbirini dengeler. Yüzeydeki bir molekülün ise üstünde sıvı molekülü yoktur. Bu molekül yanlara ve içeri doğru çekilir, dışarı doğru çekilmez. Sonuçta yüzey, gerilmiş ince bir zar gibi davranır. Bu davranışa yüzey gerilimi denir. Yüzey gerilimi kohezyonun bir sonucudur.

Yüzey gerilimi, sıvının yüzey alanını olabildiğince küçültmeye çalışmasına yol açar. Belirli bir hacim için en küçük yüzey alanı küreye aittir; bu yüzden serbest düşen küçük damlalar ve sabun köpükleri küreye yakın biçim alır. Su örümceği gibi hafif böcekler suyun üstünde yürüyebilir; dikkatle bırakılan bir iğne ya da jilet batmadan durabilir. Bu cisimler yüzeyi hafifçe çökertir ama yırtamaz; gerilen yüzey, ağırlığı dengeleyen bir kuvvet uygular. İğne yüzeye dik olarak itilirse yüzey yırtılır ve iğne batar; çünkü özkütlesi sudan büyüktür.

Yüzey gerilimini değiştiren etkenler

Yüzey gerilimi her sıvı için aynı değildir ve koşullara göre değişir:

• Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça moleküllerin hareketi artar, aralarındaki çekimin etkisi zayıflar; yüzey gerilimi azalır. Sıcak su, kirli bir kumaşın liflerine soğuk sudan daha kolay girer.
• Deterjan ve sabun: Bu maddeler suyun yüzeyine yerleşerek yüzey gerilimini belirgin biçimde azaltır. Su yüzeye daha kolay yayılır ve dar boşluklara sızar; temizlemenin bir kısmı buna dayanır. Suyun üstünde duran bir iğnenin yanına bir damla deterjan damlatılırsa iğne batar.
• Tuz: Suya sofra tuzu gibi bir tuz eklenmesi yüzey gerilimini bir miktar artırır.
• Sıvının cinsi: Kohezyonu güçlü sıvıların yüzey gerilimi büyüktür. Cıvanın yüzey gerilimi sudan büyüktür; alkolün yüzey gerilimi ise sudan küçüktür.

Kılcallık

Çok ince borulara kılcal boru denir. Bir sıvının kılcal boruda dışarıdaki seviyeden yukarı çıkmasına ya da aşağıda kalmasına kılcallık denir.

Adezyon kohezyondan büyükse sıvı boru duvarına tırmanır ve yüzey gerilimi sıvı sütununu yukarı çeker: kılcal yükselme olur. Camda su böyle davranır. Kohezyon baskınsa sıvı duvardan uzaklaşır ve seviye düşer: kılcal alçalma olur. Camda cıva böyle davranır.

Kılcal etkinin büyüklüğü borunun yarıçapına bağlıdır. Aynı sıvı ve aynı boru malzemesi için yükselme ya da alçalma miktarı yarıçapla ters orantılıdır. Örneğin yarıçapları 1'e 4 oranında olan iki cam borunun ince olanında su, kalın olanınkinin 4 katı yükseğe çıkar. Boru genişledikçe etki azalır; bu yüzden geniş bir bardakta kenardaki küçük kıvrılma dışında yükselme gözlenmez. Ters orantının nedeni basit bir yarıştır. Sıvıyı yukarı çeken kuvvet, sıvının boru duvarına değdiği çizgi boyunca etki eder; bu çizginin uzunluğu borunun çevresidir ve yarıçapla doğru orantılıdır. Kaldırılan sıvı sütununun ağırlığı ise sütunun hacmiyle, yani yarıçapın karesi çarpı yükseklikle orantılıdır. Yarıçap iki katına çıkınca çeken kuvvet iki katına, aynı yükseklikteki sütunun ağırlığı dört katına çıkar; denge ancak yükseklik yarıya inince kurulur. Sıvının özkütlesi ve yüzey gerilimi de sonucu etkiler; ama sınav soruları çoğunlukla aynı sıvı için yarıçap karşılaştırması ister.

Günlük hayatta

Kâğıt havlu, pamuk ve sünger, lifleri arasındaki dar boşluklar sayesinde suyu kılcallıkla çeker. Gaz lambasının fitili yakıtı yukarı taşır. Bitkilerde suyun gövdede yükselmesine kılcallık katkıda bulunur; ancak uzun ağaçlarda suyu asıl taşıyan, yapraklardaki buharlaşmanın oluşturduğu çekimdir. Toprakta kılcal boşluklardan yüzeye çıkan su buharlaşır; çiftçilerin toprağın üst katmanını çapalaması bu kılcal yolları kırar ve nem kaybını azaltır. Islak kumun kalıp tutması, kum taneleri arasındaki suyun adezyonu ve yüzey gerilimiyle açıklanır. Yağmurluk ve şemsiye kumaşlarına uygulanan su itici kaplamalar adezyonu azaltır; su kumaşa yayılmak yerine damlacık olup kayar.

Örnek 1 — Kavram

Soru: Su ile cam arasındaki çekim kuvveti hangi adla anılır?

• A) Kohezyon
• B) Yüzey gerilimi
• C) Kılcallık
• D) Adezyon
• E) Kaldırma kuvveti

Çözüm: Farklı cins tanecikler arasındaki çekim adezyondur. Cevap: D.

Örnek 2 — Menisküs

Soru: Cam bir tüpteki cıvanın üst yüzeyi nasıl görünür?

• A) Ortası çukur
• B) Tamamen düz
• C) Ortası tümsek
• D) Kenarlarda yukarı tırmanan
• E) Eğik

Çözüm: Cıvada kohezyon baskın olduğundan kenarlar aşağı kıvrılır, yüzey dışbükeydir. Cevap: C.

Örnek 3 — Kılcal yükseklik

Soru: Aynı sıvının yarıçapı r olan cam boruda h kadar yükseldiği biliniyor. Yarıçapı 3r olan boruda yükseklik ne olur?

• A) h/3
• B) 3h
• C) 9h
• D) h/9
• E) h

Çözüm: Kılcal yükseklik yarıçapla ters orantılıdır; yarıçap 3 katına çıkınca yükseklik üçte birine iner. Cevap: A.

Örnek 4 — Etken

Soru: Suyun yüzey gerilimini azaltan etken hangisidir?

• A) Sıcaklığı düşürmek
• B) Tuz eklemek
• C) Basıncı artırmak
• D) Kabı küçültmek
• E) Deterjan eklemek

Çözüm: Deterjan yüzeye yerleşip moleküller arası çekimin yüzeydeki etkisini zayıflatır. Cevap: E.

• Adezyon ile kohezyonu karıştırmak. Aynı cins tanecik kohezyon, farklı cins tanecik adezyondur.
• Islatmayı sıvının tek başına özelliği sanmak. Su camı ıslatır, mumlu yüzeyi ıslatmaz.
• Yarıçap ile yüksekliği doğru orantılı kurmak. İnce boruda yükselme daha büyüktür.
• Tuzun etkisini ters yazmak. Tuz yüzey gerilimini artırır; deterjan ve sıcaklık azaltır.
• İğnenin özkütlesi küçük olduğu için yüzdüğünü sanmak. İğneyi taşıyan yüzey gerilimidir.