Yüzey Gerilimi ve Hayat
Dere kenarında dolaşırken, su üzerinde yürüyen böcekleri gördünüz mü? Denizde ellerinizi suya geniş bir yüzey hâlinde vurduğunuzda, canınızın yandığını hissettiniz mi? Peki, bunların sebebini hiç düşündünüz mü?

Yukarıda iki misâlini verdiğimiz hâdiseler "yüzey gerilim" ile alâkalıdır. Bu durum, farklı iki yüzey arasında genişleme yönüne zıt istikamette oluşan, birim uzunluk başına düşen kuvvet olarak tarif edilir. Farklı iki sıvı tabakası arasında oluşabildiği gibi sıvı-gaz ve katı-sıvı tabakaları arasında da meydana gelebilir. Meselâ bir sıvının yüzey gerilim kuvveti, sıvı ile gaz moleküllerinin birbirine temas ettiği ara bölgede oluşur. Sıvı yüzeyinde oluşan bu kuvvetin kaynağı, sıvı moleküllerini bir arada tutan moleküller arasındaki çekim kuvvetleridir. Sıvının içerisindeki her bir molekül, komşu moleküllerce eşit, fakat zıt yönlerde çekildikleri için, bu moleküllerin üzerlerine tesir eden toplam kuvvet sıfır olur. Ancak yüzeydeki sıvı moleküllerinin sadece bir tarafı diğer sıvı molekülleriyle çevrili olduğu için, bunlar içeriye doğru net bir kuvvetle çekilirler (Şekil-1). Böylece sıvının yüzeyinde şişirilmiş bir balondakine benzer bir yüzey gerilimi oluşur.

Şekil-1: Yüzeydeki ve sıvının içerisindeki moleküller arasındaki çekim kuvveti Bir kap içerisindeki durgun suya dikkatlice baktığımızda, suyun yüzeyi sanki ince bir film tabakası ile kaplıymış gibi görünür ve âdeta yüzey bir zar gibi gerilmiştir. Suyun içerisine girmek veya dışına çıkmak isteyen yabancı bir maddenin bunu başarabilmesi için bu zarı delmesi yani yüzey gerilimini yenmesi gerekir. Bu suyun üzerine bir jilet yatay vaziyette yavaşça bırakılırsa jiletin ağırlığı yüzey gerilimini yenemediği için, çelikten yapıldığı hâlde jilet su üzerinde yüzer. Yüzey gerilimi, sıvıların yüzeyinin sıçrama brandası gibi davranmasını sağlayan bir prensiptir. Suda yaşamak üzere yaratılmış birçok böcek türü, bacak yapılarının da uygun inşa edilmesi sebebiyle, yüzey gerilim kaidesini kullanarak hayatını idame ettirir. Bunlara en güzel misâl su örümceğidir. Bu canlı, yüzey geriliminden dolayı oluşan zarın üzerinde yürüyerek hayatını sürdürür. Su üzerinde durmak için yüzey gerilim prensibi şarttır; ancak aynı zamanda suyun üzerine yapışıp kalmaması da gerekir. Bunun için de böceğin ayaklarının ucuna, balmumuna bulanmış kıllardan yapılmış birer palet takılmıştır (Şekil-2). Sani-i Mutlak bütün masnuatta olduğu gibi su örümceğini de ihtiyaçlarına göre donatmış ve pek çok hikmetinin yanında onun yaşaması için gerekli olan yüzey gerilim kuvvetini hâlketmiştir.

Kohezyon ve adhezyon kuvvetleri
Bir sıvının kendi molekülleri arasındaki -yani aynı tür moleküller arasındaki- çekim kuvvetine "kohezyon kuvveti"; farklı tür moleküller arasındaki çekim kuvvetine ise "adhezyon kuvveti" denir. Kohezyon ve adhezyon kuvvetleri, bir sıvının, bulunduğu ortamda nasıl davranacağını belirleyen sebeplerdir. Bir cam tüp içerisine cıva konulduğunda atomlar arasındaki kohezyon kuvveti, cıva ile cam kap arasındaki adhezyon kuvvetinden büyük olduğundan bu bölgede cıva aşağı doğru bir yay şeklini alır. Burada cıva, camla bağlantısını azaltma temayülündedir ve cam tüpü ıslatmaz. Bunun aksine tüp içerisine su konulursa, su ile hava arasındaki ara yüzey yukarı doğru yay şeklinde olur. Bunun sebebi, su ile cam arasındaki adhezyon kuvvetinin suyun kohezyon kuvvetinden büyük olmasıdır. Su, camda mümkün olan en büyük alana yayılma eğiliminde olduğundan camı ıslatır (Şekil-3).

Çay bardağı ile çay tabağı arasında ince bir su veya çay tabakası olduğunda, oluşan adhezyon kuvveti bardak ile tabağı birbirine yapıştırır. Adhezyon kuvveti, tabağın ağırlığından daha büyük olduğundan tabağın bardak ile birlikte hareket etmesine sebep olur. Kontakt lenslerin göz küresi üzerinde düşmeden durabilmesi yine adhezyon kuvveti sayesinde mümkün olmaktadır. Gözyaşı hem korneayı, hem de kontakt lensi kuvvetlice çekerek lensin göze yapışmasını sağlamaktadır.

Kılcallık tesiri
Düşey durumdaki ince bir boru içerisindeki sıvı, boru çeperleri tarafından çekilerek adhezyon kuvvetinin sıvı ağırlığı ile dengelendiği noktaya kadar yükseltilir. Bu hâdiseye kılcallık tesiri veya kapilarite denir. Dar borularda, adhezyon kuvveti yeterince büyükse, sıvı tabiî seyri içinde yükselir. İnce bir tüpün içinde, yukarıya çekilen sıvının ağırlığı az olacağı için, sıvı daha fazla yükselebildiği hâlde, tüpün iç çapı arttıkça, çekilen sıvı ağırlığının artması sebebiyle daha az yükselir. Bu sebeple kılcallık tesiri ile delik genişliği, yani sıvının yükselme miktarı ile tüpün genişliği ters orantılıdır.

Bir süngerin suyu çok iyi emmesinin sebebi, süngerde bulunan kılcal borular içinde suyun kolayca yükselmesidir. Benzer şekilde kâğıt peçete ve havluların içinde kılcal boşluklar bulunur. Peçete ıslak bir yüzey ile temas ettiğinde, kılcallık tesiri ile su, borucukların içine çekilerek yüzey kurulanmış olur. Çünkü peçetenin yapıldığı madde ile su arasındaki adhezyon kuvveti, su moleküllerinin kendi arasındaki kohezyon kuvvetinden daha fazladır. Kan tahlili için parmağımızın ucundan alınan kanın ince cam tüpe dolması da yine bu kaide çerçevesinde olmaktadır. Aynı zamanda gözde sürekli olarak salgılanan gözyaşının, burun boşluğuna açılan kılcal yapıdaki gözyaşı kanalları yardımıyla uzaklaştırılması da bu hikmetli kanunla sağlanmıştır.

Yine kılcallık tesiri ile suyun, toprak içerisinde nemli bölgelerden kuru bölgelere taşınması ve su moleküllerinin toprağa yayılması temin edilir. Aynı durum ağaçların beslenmesinde de çok hayatî bir hâdisedir. Ağaçların yapısındaki kılcal kanallar, ağacın kökünden en uçtaki dallarına kadar bütün gövdeyi sarar. Su molekülleri, bu kılcal kanalların köklerdeki uçlarından girerek, yer çekimine rağmen yapraklara ulaştırılır. Su tanecikleri ile dokular arasındaki adhezyon kuvvetleri bu kanallardan yukarıya çekilen suyun ağırlığını yense de, belirli bir yükseklikte çekim kuvvetleri ile ağırlık kuvveti birbirine eşit hâle gelir ve su molekülleri bu yükseklikten daha yukarılara çıkamaz. Bu ise ağacın boyunun uzayabileceği maksimum yüksekliği sınırlandırılmış olur. Kılcallık, ağaçtaki iç su basıncına, yaprak büyüklüğüne, fotosentez ve diğer faktörlere de tesir etmektedir. Bu sebeptendir ki ağacın yaprakları umumiyetle alt kısımlarda büyük, üst kısımlarda daha küçük olmaktadır (Şekil 4).

Suyun yüzey gerilimi, bilinen diğer sıvıların hemen hepsinden daha yüksektir ve bunun çok mühim biyolojik tesirleri vardır. Eğer suyun yüzey gerilimi diğer sıvıların çoğu gibi düşük seviyede olsaydı, kılcallık tesiri ile bitkilerin uç dallarına kadar su yükselemeyecek ve iri cüsseli bitkilerin yaşaması, fizyolojik olarak mümkün olmayacaktı. Hırs göstermeden bekleyen nebatat âleminin rızkını ayağına kadar getiren Rabb'imiz, hayata vesile olan suyu, koymuş olduğu bu hikmetli kaide vasıtasıyla emirber bir nefer kılmıştır.

Kılcallık tesiri ve yüzey gerilimindeki hikmet sebebiyle, insana birer hizmetkâr olarak yaratılmış bitkilerin, suyla hayat bulması mümkün kılınmıştır. Sadece bitkiler üzerindeki tesiriyle bile hayatın idamesi açısından elzem olan bu muhteşem kaidenin kör tabiatça veya şuursuz atomlarca gerçekleştirildiğini düşünmek divanelik olsa gerektir. Onlarca metre yükseklikteki ağaçların en uç yapraklarını bile kılcallık tesiriyle sulayarak nebatat âlemini insanlığın emrine sunan Zât, hem ağacı hem de onu besleyen kuvveti yaratan Alîm-i Mutlak'tır.

Sıvı damlaları neden küre şeklini alır?
Yüzeyi geniş olan cisimlerin yüzey gerilim kuvveti de fazla olacaktır. Birim uzunluk başına düşen yüzey gerilim kuvveti, birim alan başına düşen yüzey enerjisine eşit olduğundan yüzeyin geniş olması, yüzey üzerindeki enerjinin büyük olmasını gerektirir. Kâinattaki bütün maddeler en düşük enerji seviyesinde bulunma eğilimindedir. Bu sebeple ideal olan, cisimlerin yüzeylerinin en aza indirgenmesidir. Bilinen geometrik biçimli cisimlerin yüzey alanının hacimlerine oranları incelendiğinde en küçük oranın küreye ait olduğu görülür. Bu oranın küçük olması birim hacme düşen yüzey alanının en küçük olması mânâsına gelir. Eşit hacimli, kapalı cisimlerden yüzey alanı en küçük olanı da küredir. Hacimleri eşit olan küre ve küp şeklindeki iki karpuzun kabukları soyulduğunda, küre şeklindeki karpuzun kabuğu daha az çıkar. Yukarıda bahsedilen sebeplerden dolayı sıvılar, serbest kaldıkları ilk ortamda hemen küre şeklini alır ve yüzey alanları minimuma iner. Bundan dolayıdır ki; musluktan damlayan su taneciği, yere düşen yağmur damlası ve yaprakların üzerinde kalan su katresi küre şeklindedir (Şekil-5). Dünya'mız ve diğer gök cisimlerinin şeklinin küreye benzemesi de bu kaidedendir. Bu da; zerreden kürreye her nesnenin harekât, sekenât ve taazzuvatını plânlayıp sevk ve idare eden, her şeyi zât-ı kayyûmiyetiyle ayakta tutan Zât'a işaret etse gerek.

Yüzey gerilimine tesir eden faktörler
Sıcaklığın artması çoğu sıvının yüzey gerilimlerini doğru orantılı olarak azaltır. Bir sıvının sıcaklığı artarsa, taneciklerinin kinetik enerjileri de artar. Bu durumda tanecikler daha hızlı hareket etmeye başlar. Bu ise tanecikleri birbirlerine bağlayan çekim kuvvetlerinin zayıflamasına sebep olur. Çekim kuvvetlerinin azalmasından sıvının yüzeyindeki tanecikler de etkilendiği için yüzey gerilimi azalır. Suyun yüzey gerilimi sıcaklıkla azaldığı için temizlik sırasında sıcak su kullanılmasıyla ellerin ve çamaşırların daha iyi ıslanması sağlanır. Bu ise temizliğin daha iyi ve kısa sürede yapılmasını netice verir.

Benzer şekilde, sabun ve deterjan da suyun yüzey gerilimini azaltır. Küre şeklini almış su damlası üzerine küçük bir sabun köpüğü bırakıldığında su damlasının hemen yayıldığı görülür. Bu da bize sabun köpüğünün suyun yüzey gerilimini azalttığını gösterir.

Saf bir madde içerisinde bir başka madde çözünüyorsa, çözünen maddenin ve çözücünün yapısına bağlı olarak yüzey geriliminin değiştiği gözlenir. Mesela tuz, suyun yüzey gerilimini azaltır. Tuz, su tanecikleri arasındaki bağları zayıflattığından aralarındaki kohezyon kuvveti, dolayısıyla da yüzey gerilimi azalmış olur. Bu sebepten deniz dalgaları kıyıya vururken köpürür.

Bitkilerin ve hayvanların hayatında bu kadar önemli vazifeler gören yüzey gerilimi, akılsız ve şuursuz atomların ilmine verilebilir mi? Bu derece mükemmel işler, kendi kendine olabilir mi? Böyle bir prensip, canlıların bütün ihtiyaçlarını kolayca karşılayan, rızklarını zamanında ve ihtiyaçlarına göre veren bir Zat'ın lütfu değil midir?

Kaynaklar
-Cendel TUNA, "Temizlikten Solunuma Yüzey Gerilimi", Sızıntı, Temmuz 2000.
-Doç. Dr. Ayşe Eren PÜTÜN, Maddenin yoğun hali, Anadolu Üniversitesi, 1999.

comments powered by Disqus