Amazonia
23.Temmuz.2018, 01:09
Maddenin Özellikleri
Fizikte göreceğimiz birçok konu madde ile ilişkilidir. Bu nedenle maddenin fiziksel özelliklerini iyi öğrenmeliyiz.
Düzgün Geometrik Cisimlerin Kesit Alanı, Yüzey Alanı ve Hacimlerinin Hesaplanması
Cisimlerin boyutlarında orantılı olarak yapılan değişik*likler cismin yüzey alanı, kesit alanı, hacim, kütle ve dayanıklılık gibi özelliklerinin de değişmesine neden olur. Dolayısıyla önce düzgün geometrik cisimlerin ke*sit alanı, yüzey alanı ve hacimlerinin nasıl hesaplana*cağını görelim.
Küp
http://webders.net/img/fizik/kup.jpg
Küp şeklindeki bir cismin şekli ve yüzey alanının açılı*mı şekildeki gibidir. Küpün her kenarının uzunluğu a kadar olduğuna göre,
Kesit alanı:SA = a2 dir.
Küpün aynı yüzeyinden 6 tane olduğundan ve her bir yüzeyin alanı a2 olduğundan toplam yüzey alanı bir yüzey alanın 6 katı olur.
Yüzey alanı: YA = 6a2 dir.
Küpün hacmi üç boyutun çarpımı ile bulunur.
Hacim: V = a3 tür.
Prizma
http://webders.net/img/fizik/prizma.jpg
Boyutları şekildeki gibi verilen ve a, b kenarı üzerinde duran prizmanın kesit alanı,
Kesit alanı: SA = a x b dir.
Prizmada farklı üç yüzey alanı vardır. Açılımı şekildeki gibi olan prizmanın farklı yüzey alanından ikişer tane vardır.
Yüzey alanı: YA = 2(a x b + a x c + b x c) dir. Farklı üç boyutun çarpımı hacmi verir.
Hacim: V = a x b x c dir.
Silindir
http://webders.net/img/fizik/silindir.jpg
Yarıçapı r olan silindirin kesit alanı daire olduğundan;
Kesit alanı: SA = Ï€xr2
Silindirin toplam yüzey alanı, daire biçimli taban ve ta*van iki alan ile yan yüzey alanın toplamından bulunur.
Yüzey alanı: YA = 2xr2 + 2Ï€xrxh dir.
Silindirin hacmi, taban alanı ile yüksekliğinin çarpımı*na eşittir.
Hacim: V = πxr2xh
Küre
http://webders.net/img/fizik/kure.jpg
r yarıçaplı kürenin merkezinden geçecek şekilde kes*tiğimizde, daire şeklinde en büyük kesit alanını elde ederiz.
Bu kesit alanı: SA = Ï€xr2 dir.
Yüzey alanı: YA = 4xÏ€xr2 dir.
Hacim: V = 4/3xπxr2
Dayanıklılık
Üzerine bir kuvvet uygulanan bir cisim bu kuvvete kar*şı bir direnç gösterir. Ancak kuvvetin belli bir değerin*den sonra cismin direnci kırılır ve cisim deforme olarak bozulur ya da parçalanır.
Cisme uygulanan kuvvet çekme şeklinde olabileceği gibi sıkıştırma şeklinde de olabilir. Bir cismin üzerine uygulanan çekme ya da sıkıştırma kuvvetlerine karşı gösterdiği dirence dayanıklılık denir. Dayanıklılık mad*denin cinsine bağlıdır.
Cisimlerin boyutları orantılı olarak artırıldığında daya*nıklılıkları da değişir. Boyutları orantılı olarak artırılan iki cismin dayanıklılığı her bir cismin kesit alanı/hacim oranına bakılarak karşılaştırılabilir. Bu oran ne kadar büyükse dayanıklılık da o kadar fazladır.
Boyutları orantılı olarak değiştirilen bir cismin kendi ağırlık etkisine karşı göstereceği dayanıklılığı kesit alanının hacme olan oranı ile belirleyebiliriz.
Bir karınca ağırlığının 50 katı kadar yükü taşıyabilir. Eğer ay*nı özelliğe bir insan sahip ol*saydı 70 kiloluk bir insanın 3500 kg taşıyabilmesi gerekir*di. İnsanın bu kadar ağırlığı ta*şımasının mümkün olmadığını biliyoruz. Peki acaba bir karın*ca orantılı olarak büyütülerek insan boyutlarına getirilmiş ol*sa yine ağırlığının 50 katı bir yükü taşabilir miydi? Öğrendiklerimizin ışığında bu sorunun cevabını birlikte araştıralım:
Bir cismin kesit uzunluğu artırıldığında cismin dayanık*lılığı artışın karesi ile doğru orantılı olarak artarken cis*min hacmi ve kütlesi artışın küpü ile doğru orantılı ola*rak artar. Bu ilkeden hareket edersek;
Boyu yaklaşık 10 mm olan karıncamızın boyutlarını 100 kat artırarak yaklaşık 1 m olduğunu düşünelim.
Boyutları 100 kat artırılan karıncanın dayanıklılığı 1002 = 10.000 artar.
Ancak karıncanın kütlesi 1003 = 1.000.000 kat artar. Kütledeki artış dayanıklılıktaki artışa göre çok daha fazladır. Bu durumda bırakın yük taşımayı karınca kendi ağırlığını bile taşıyamaz.
Canlıların boyutları orantılı olarak artırıldığında daya*nıklılıkları farklılık arz eder. Küçük yapılı canlılar kendi ağırlıklarının kat kat fazlasını rahatlıkla taşıyabilirken fil, gergedan gibi iri yapılı hayvanlar bu oranda ağırlık ta*şıyamazlar. Bunun da ötesinde kendi ağırlıklarını taşı*yabilmeleri için vücutları özel tasarlanmıştır.
Sonuç olarak, bir cismin dayanıklılığı, boyut değiş*tirme oranı ile ters orantılıdır. Dolayısıyla varlıkların ebatları orantılı bir şekilde artırıldığında dayanıklılıkları varlık üzerinde olumsuz etki eder.
Varlıkların ebatları küçükken dayanıklılıkları büyük olurken, ebatları büyütüldüğünde da*yanıklılıkları küçük olur. Sonuç olarak, cisimlerin ebatları (üç boyutu) orantılı bir şekilde hangi oranda artırılırsa, daya*nıklılıkları o oranda azalır. Ci*simlerin ebatları orantılı bir şe*kilde azaltıldığında ise daya*nıklılıkları o oranda artar.
Doğadaki Özel Yüzey: Küre Yüzeyi
Bilinen geometrik biçimli cisimlerin yüzey alanının ha*cimlerine oranları incelendiğinde en küçük oranın kü*reye ait olduğu görülür. Bu oranın küçük olması birim hacme düşen yüzey alanının en küçük olması anlamı*na gelir. Küre ile ilgili bu özelliği şu şekilde özetleyebi*liriz: eşit hacimli, kapalı cisimlerden yüzey alanı en küçük olanı küredir.
Kürenin bu özeliğini, “Eşit büyüklükteki yüzey alanla*rından en büyük hacmi küre çevreler.” şeklinde de ifa*de edebiliriz.
Dünyamız gibi diğer gök cisimlerinin şeklinin küresel olması da küreye ait bu özellikle ilgilidir.
Yalnızca gök cisimlerinde değil, çevremizde de küre*sel yüzeylerle sıkça karşılaşırız. Örneğin musluktan damlayan su taneciği, yere düşen yağmur damlaları ve yaprakların üzerinde kalan su damlaları küresel şe*kil alırlar.
Yüzey Alanı - Hacim İlişkileri
Maddenin bir özelliği olarak incelediğimiz, yüzey ala*nı - hacim ilişkisinin günlük yaşamda, çevremizde ve doğada doğurduğu birçok sonuç vardır.
Büyük boy patatesler ile küçük boy patateslerden eşit kiloda alınarak özdeş patates soyacağı İle soyuldu*ğunda, küçük boy patateslerden elde edilen kabukla*rın daha fazla olduğu görülür. Bu durum bize, küçük boyutlu cisimlerin yüzey alanlarının büyüklere göre daha fazla olduğunu gösterir. Yani küçük varlıkların yü*zey alanlarının hacmine oranı, büyük varlıkların yüzey alanının hacmine oranından daha büyüktür.
Bunun sonucunda;
Maddelerin küçük olanları daha çabuk pişer.
Maddelerin küçük olanları daha çabuk değişim ge*çirir.
Küçük hayvanlar hasarsız düşer.
Küçük hayvanlar daha çok yiyecek tüketir.
Doğadaki canlılar dikkatlice incelendiğinde birçok canlının ihtiyaçları, vücut özellikleri ve yaşam biçimle*rinde yüzey alanı ile hacim ilişkisinin olduğu görülür.
Canlılar hacimleri oranında enerji tüketirken yüzey alanları oranında da enerji yayarlar.
Bu denge onların hayatlarını sürdürmesi için gerekli bir durumdur. Canlıların vücutlarındaki fazla enerjiyi dı*şarıya atabilmeleri için yüzey alanlarının ve metaboliz*malarının buna cevap verebilecek nitelikte olması ge*rekir ki doğadaki tüm canlılar bu özeliklere göre yara*tılmıştır.
Örneğin, fare gibi yüzey alanının hacmine oranı büyük olan canlıların enerji kaybı fazla olacağından metabo*lizmaları hızlı çalışır. Buna karşın fil gibi yüzey alanının hacmine oranı küçük olan canlılar, fazla enerjilerini dı*şarıya verebilmek için vücutlarında yüzey alanlarını ar*tıracak fiziksel özelliklere ihtiyaç duyarlar. Fillerin ku*laklarının büyük olması bu nedenledir.
Bazı hayvanların, bulundukları ortamla olan ısı denge*si, büyük kulakları ile gerçekleşirken, bazılarınınki uzun kuyrukları sayesinde olur. Sincap da bu hayvan*lardandır. Kuyruğu, daldan dala atlarken yaptığı hızlı hareketlerde, sincabın dengesini sağlamasına yardım*cı olur. Aynı zamanda vücut sıcaklığının dengelenme*sinde de etkilidir.
Küçük Hayvanlar Hasarsız Düşer
Büyük yapılı canlılar ile küçük yapılı canlılar belirli yük*seklikten düşerlerse, küçük yapıda olanlar daha az za*rar görürler. Çünkü büyük canlıları küçük canlılardan ayıran en önemli özellik, yüzey alanların hacimlerine oranlarının farklı olmasıdır. Büyük canlıların yüksekten düşmesi durumunda göreceği zarar daha büyük ola*caktır.
Örneğin; bir böce*ğin yüzey alanı ile hacim oranı onun ağaçtan güvenli bir şekilde düşmesine elverişli iken bir le*oparın yüzey alanı ile hacim oranı bu*na elverişli değildir.
Sonuç olarak, canlılar sıcaklığı korumaya uyumlu ve gerektiğinde ısı üretebilecek şekilde yaratılmışlardır. Sıcak iklimlerde metabolizmada oluşan fazla enerjinin dışarı atılması önemli iken, soğuk iklimlerde ise enerji kaybedilmemesi ve mümkün olduğunca uzun süreli tutulması önemlidir.
Bunu belirleyen faktör de yüzey alanın hacme olan oranıdır.
Varlıkların yüzey alanı, kesit alanı ve hacimleri daya*nıklılıklarını, fiziksel özeliklerini ve ihtiyaçlarını etkiler. Buraya kadar anlatılanlar göz önüne alınarak devlerin ve cücelerin var olamayacağı sonucunu çıkarabiliriz. Çünkü normal boyutlardaki bir insandan 10 kat büyük olan devlerin dayanıklılığı 10 kat daha küçük olduğun*dan, kendi ağırlığını bile taşıyamamaktan dolayı hare*ket edemeyecektir. Ayrıca Dünya’daki benzerlerine oranla 10 katı büyüklüğe sahip canlılar, vücut sıcaklık*larını dengeleyemez dolayısı ile hayatlarını da sürdüre*mezler.
Benzer olarak normal insan boyutlarından 10 kat kü*çük cücelerin dayanıklılığının artmasına karşın fazla enerji kaybedeceklerinden metabolizmalarının çok hızlı çalışması lazım gelir ki, bu durum normal insanın biyolojik ritminin dışında bir durumdur.
Yüzey Gerilimi ve Kılcallık
Sıvılar
Sıvıyı meydana geti*ren tanecikler katılarda olduğu gibi birbir*lerine göre sabit ko*numlarda değildir.
Tanecikler arasında*ki çekim kuvvetleri katılarda olduğu ka*dar güçlü olmaması nedeniyle sıvı tane*cikleri birbirlerinin üzerinden kayarak konumlarını de*ğiştirebilir. Bu nedenle sıvıların belirli bir şekli yoktur ve içine konuldukları kabın şeklini alırlar.
Sıvı tanecikleri üzerine bir kuvvet uygulandığında sıvı taneciklerini bir arada tutan çekme kuvveti itme kuvve*tine dönüşür ve sıvı tanecikleri birbirlerine daha fazla yaklaştırılamaz. Bu özellikleri nedeniyle sıvılar sıkıştırılmaya elverişli değildir.
Sıvıların özellikleri;
Belirli bir hacimleri vardır, fakat belirli şekli yoktur.
İçinde bulundukları kabın şeklinin alırlar,
Pek sıkıştırılmazlar.
Daha önceleri sıvılar ve gazlar incelenirken yalnız ağır*lık kuvvetlerinin etkisi altındaki özellikleri incelendi. Bu incelemeler yapılırken akışkanlar İdeal olarak kabul edildi. Aslında hiç bir akışkan ideal değildir. Özellikle sıvıların ağırlığından başka kuvvetler de vardır. Bu kuvvetler;
Sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvveti
Sıvı molekülleri ile kap arasındaki adezyon kuvve*tidir.
Bu kuvvetler katılarda olduğu gibi bir sıvıya belli bir şe*kil ve biçim verebilecek kadar büyük değildir. Fakat belli bir hacim verirler. Bahsedilen bu küçük molekül*ler arası kuvvetlerin neden oldukları başlıca üç olay vardır.
Vizkozluk ya da iç sürtünme
Yüzey gerilimi
Kılcallık
Müfredatımızda olmadığı için viskoz sıvılar incelenmeyecektir. Şimdi adezyon ve kohezyon kuvvetlerini inceleyelim.
Adezyon Kuvveti
Temiz bir tabağa bir kaç damla su damlattıktan sonra tabağı ters çevirerek su damlalarının yere düşüp düş*meyeceğini gözlemleyelim. Eğer su damlaları uygun büyüklükte ise su damlalarının tabağa yapışarak düş*mediğini görürüz. Bu durum su tanecikleri ve tabak arasında bir çekim kuvveti olduğunu gösterir.
Farklı maddelerin tanecikleri arasındaki bu çekim kuv*vetine de adezyon (yapışma) kuvveti denir. Kısaca adezyon, bir cismin başka bir cisim üzerine yapışma*sıdır.
Ters çevirdiğimiz tabaktan su damlalarının düşmeme*sinin nedeni su tanecikleri ile tabağın yapıldığı madde*nin tanecikleri arasındaki adezyon kuvvetidir.
Pudra ve toz hemen hemen her şey üzerine yapışır. Su cama yapışır. Yağ suya, boya duvara yapışır. Bunlar moleküller arası kuvvetlerin etkisini gösteren çok açık örneklerdir.
Su damlaları biraz tozlu ve kirli yüzeylere daha fazla yapışır. Yani adezyon kuvveti daha büyüktür. Temiz yü*zeylerde ise daha küçüktür. Araba kaputuna ve bitki yapraklarına yapışan su damlaları resimde görülmek*tedir.
Kohezyon Kuvveti
Bir damlalığa birkaç damla su çektikten sonra temiz bir taba*ğa bir damla su dam*latınız. Su damlasının küreye yakın bir şe*kilde küçük bir su to*pu gibi durduğunu görürsünüz. Su tane*ciklerini bu şekilde bir arada tutan kuvvet, su molekül*leri arasındaki elektriksel çekim kuvvetidir.
Tüm maddelerin molekülleri arasında var olan bu çe*kim kuvvetine kohezyon kuvveti denir. Şimdi bir kaç damlayı birbirine yakın olacak şekilde tabağa damlatı*nız. Bir çatalın ucuyla dokunarak damlaları birbirlerine yaklaştırdığınızda damlaların kolayca birleşerek daha büyük bir damla oluşturduğunu görürsünüz.
Damlaların bu şekilde birleşmesi su molekülleri ara*sındaki kohezyon kuvvetlerinin etkisidir. Ancak damla büyüdükçe şekli bir küre gibi olamaz ve daha yassı bir şekil alır. Bu da yerçekimi kuvvetinin kohezyon kuvve*tinden büyük olması sebebiyledir.
Bir kap içindeki sıvıların kaba temas eden kenar kısım*ları eğikleşir. Bu eğiklik sıvının türüne göre değişiklik gösterir. Örneğin bir miktar su, bir cam kaba konuldu*ğunda suyun kaba değen kısımlarının yukarıya doğru kıvrıldığı görülür. Bunun nedeni adezyon kuvvetinin kohezyon kuvvetinden büyük olmasıdır.
Yüzey Gerilimi
Durgun hâldeki sı*vıların yüzeyleri çok ilginç bir davranışta bulunur. Sıvı yüzey*leri sanki gergin hâldeki bir zar ile kaplıymış gibidir.
Bir madeni para üzerine su damlatıldığında taşmadan önce suyun bombeleştiği görülür.
Bir musluğu çok az miktarda açıp suyun musluğun ucunda birikmesi sağlanırsa musluğun ucundaki su, sanki bir zar içinde duruyor ve akamıyormuş gibi bir anlayış uyandırır. Bir ataç uygun şekilde su üzerine bı*rakıldığında batmadan su yüzeyinde durabilir. Küçük böcekler su yüzeyinde sanki gergin bir zar üzerinde yüzüyormuş gibi sıvı üzerinde yürüyebilirler.
Bu olaylarda su, yüzeyi esnek bir zar varmış gibi dav*ranır. Bir sıvı yüzeyinde, bu yüzeyin gerilmesine neden olan etkiye yüzey gerilimi denir. Bir sıvı yüzeyinin ne*den gergin ve esnek bir zar gibi davrandığı, sıvı yüze*yindeki moleküllere etki eden kohezyon kuvveti ile açıklanabilir.
Sıvı içindeki bir moleküle şekilde görüldüğü gibi her yönde bir çekim (kohezyon) kuvveti etki eder. Bu du*rumda sıvı içlerindeki bir molekül üzerindeki kuvvetle*rin birbirini dengeleyerek molekülün dengede olduğu söylenebilir.
Ancak yüzeydeki moleküllere etkiyen kuvvetler denge*lenmemiş olmaları nedeniyle sıvı üzerine bir baskı uy*gularlar. Bu baskıdan dolayı sıvı yüzeyi, bu sıvıyı örten bir zar gibi davranır.
Ayrıca yüzey gerilimi bir su damlasını en uygun şekil olan küre şekline getirmeye çalışır. Küçük su damlala*rının küre şeklinde olması bu nedenledir. Ancak sıvı miktarı fazla ise yüzeydeki moleküllerin oluşturduğu baskı sıvı yüzeyindeki moleküllerin gergin bir zar gibi davranmasına neden olur.
Sıvı yüzeyinde herhangi bir mo*leküle etkiyen kuvvetlerin bileş*kesi sıvının içine doğrudur. Yü*zeydeki moleküllerin bu şekilde içeriye doğru uygulanan bir kuvvete maruz kalmasıyla sıvı*nın yüzeyi mümkün olduğunca küçülür. Diğer bir deyişle sıvılar yüzey alanını küçültme eğilimi gösterirler. Yüzey - ha*cim oranının en küçük olduğu şekil küre olduğu için sı*vı tanecikleri küre şeklinde olmaya eğilimlidir.
Su içine batırılan bir fırçanın tüyleri su içinde dağınık ve ser*best hâlde olurken su dışına çı*karıldığında tüyler birbirine ya*pışır. Aynı durum deniz ya da havuza dalan bir kişinin saçla*rında da görülür. Su altında saçları ser*bestçe dal*galanırken su dışına çıktığın da saçlar birbirine yapışık bir görü*nümde olur. Bu iki durumda da sı*vıların yüzey gerilimi sonucudur.
Bir tabağa su doldurun, üzerine de biraz karabiber ekin. Daha sonra bulaşık deterjanına sürdüğünüz par*mağınızın ucunu su yüzeyine değdirin. Karabiber ta*neciklerinin parmağınızı değdirdiğiniz noktadan hızlı bir şekilde uzaklaştıklarını göreceksiniz. Kara biberle*rin kaçışmalarının sebebi sizce ne olabilir?
Bu sorunun cevabı suyun yüzey geriliminde yatıyor. Su yüzeyinin gergin ve esnek bir zar gibi davrandığını hatırlarsınız; böylece bazı böcekler batmadan yüzey üzerinde hareket edebilirler. İşte sabun, suyun yüze*yindeki bu gerilimi düşürür.
Yani su yüzeyine birazcık bulaşık deterjanı değdirdiği*nizde, o bölgedeki yüzey gerilimini düşürmüş olursu*nuz. Bu gergin duran zar üzerinde bir delik açmaya benzer. Zedelenmiş zar büzüşür ve karabiberleri de beraberinde götürür.
Yüzey Gerilimine Etki Eden Faktörler
1. Sıvının Cinsi
Sıvıların yüzey gerilimleri, cinslerine göre farklı farklı olur. Bir sıvının, sabit bir sıcaklıktaki yüzey gerilimini, sıvının yapısına bağlı olan yüzey gerilim kat sayısı be*lirler.
2. Kirlenme
Su yüzeyinin en küçük bir kirlenmesi bile onun yüzey gerilimini tamamen değiştirir. Tertemiz cam ve tertemiz su arasındaki adezyon kuvveti oldukça azdır. Biraz kir*li ve tozlu yüzeylerde su damlalarının daha rahat tutun*duklarını görürsünüz.
3. Sıcaklık Değişimi
Sıcaklığın artması yüzey gerilimini azaltır. Elimizdeki ya da elbisemizdeki kirlerin sıcak suda daha çabuk ve daha iyi temizlenmesi, sıcak suyun yüzey geriliminin soğuk suyun yüzey geriliminden daha küçük olmasın*dandır.
4. Sabun ve Deterjan
Sıvıların yüzey geriliminin azalması, sıvıların diğer maddelerle etkileşmesini kolaylaştırır. Günlük yaşamı*mızda kullandığımız temizlik maddelerinin, sıvıların yü*zey gerilimini azaltarak, suyun maddeyi ıslatmasının artırmasının yanında kirlere daha iyi nüfuz etmesini sağlar. Sabun, suyun bu yüzey gerilimini 4, 5 kat azal*tır. Hem deterjan hem de sıcak su bir araya gelirse kir*lerin temizlenmesi daha kolay olmaktadır.
5. Suya Tuz Karıştırmak
Suya tuz karıştırmak suyun yüzey gerilimini artırır. Bu*nun nedeni, tuz ile su molekülleri arasındaki çekme kuvvetinin artmasından kaynaklanmaktadır.
6. Karışımlar ve Çözeltiler
Çözeltiler ya da farklı sıvı karışımları her zaman su-de*terjan çözeltilerinde olduğu gibi yüzey gerilimini azalt*maz. Bazen de durum bunun tam tersi olabilir. Karı*şımlardaki su oranı arttıkça sirke asidi ve etil alkolün yüzey gerilimleri artar.
Kılcallık
Bir sıvı içine batırılan ince borularda sıvıların yükseldi*ği veya tam tersi olarak sıvı seviyesinin azaldığı görü*lür. Bu olay da kohezyon ve adezyon kuvvetlerinin et*kisi ile gerçekleşir. Örneğin cam ile su arasındaki adezyon kuvveti, suyun kohezyon kuvvetinden büyük*tür. Bu nedenle ye*teri kadar ince bir cam boru, su içine batırıldığında cam boru içindeki su se*viyesi yükselir, Met*relerce yükseklikte*ki ağaçların en üst dallarının ucundaki yapraklara suyun ulaşması bu şekilde gerçekleşir.
Cam ile cıva arasındaki adezyon kuvveti, cıvanın ko*hezyon kuvvetinden küçüktür. Bir cam boru, cıva içine batırıldığında ise boru içindeki cıva seviyesi azalır.
Sıvıların bu şekilde ince borular içinde yükselmesi ya da alçalması olayına kılcallık denir.
Kılcallık etkisi;
Sıvı ve katı molekülleri arasındaki adezyon kuvvetinden,
Sıvının yüzey geriliminden, yani kohezyon kuvvetinden kaynaklanır.
Silindirik bir boruda bir sıvının ne kadar yükse*leceği ya da alçalacağı, sıvının yüzey gerilim kat sayısı ile doğru orantılı; sıvının yoğunluğu, yer- çekim ivmesi ve boru*nun yarıçapı ile ters orantılıdır.
Bir kağıt parçasının, bir kesme şekerin ya da pa*muklu bir kumaş parça*sının bir ucu su içine ba*tırıldığında suyun bu or*tamlarda yükseldiği görülür. Kâğıt peçetelerde de ay*nı durum gözlenebilir. Bu durum kılcallık etkisi sonucu gerçekleşir.
Bir cam kaba konulan suyun kohezyonu kabın uygu*ladığı adezyondan küçük kalır. Böylece su cama yapı*şır ve camı ıslatır. İnce bir boru içerisindeki su ise bo*ru çeperleri tarafından çekilerek adezyonun sıvı ağırlı*ğı ile dengelendiği noktaya kadar yükseltilir. Bu olaylar kılcallık (kapilarite) etkisi ile gerçekleşir.
Bu kılcallık kanunu sayesinde topraktan emilen su ağaçların çok ince taşıma borularında kökten en yük*sekteki yaprağa kadar yükselir.
Gazlar
Sıvılar ve gazlar akışkanlar olarak da isimlendirilir. Sıvı ve gazlar arasında*ki en belirgin fark, gaz molekülleri arasındaki uzaklıkların, sıvı molekül*leri arasındaki uzaklıklardan çok da*ha fazla olmasıdır. Gaz molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri, sıvı ve katılara göre çok daha az olması se*bebiyle gaz molekülleri rahatça hare*ket eder.
Bir miktar gaz bir kapalı kaba bırakıl*dığında gaz molekülleri kabın her ta*rafına dağılır ve gazın hacmi kabın hacmi kadar olur. Kaba konulan gaz aynı zamanda kabın şeklini de alır. Bu nedenle gazlar içinde bulundukları kabın şeklini ve hacmini alırlar.
Atmosfer
Atmosfer bir örtü gibi Dünya’mızı saran gaz tabakası*dır. Ancak bu tabakanın kalınlığı iki etkene bağlıdır.
Gaz moleküllerinin kinetik enerjisi
Gaz moleküllerine kütlelerinden dolayı Dünya’nın uyguladığı yerçekimi kuvveti.
Atmosferi oluşturan tüm gaz molekülleri denge hâlin*deki bu iki etki altındadır. Bu etkinin dengede olmama*sı durumunda yaşam için kaçınılmaz olan atmosfer ol*mazdı. Örneğin yerçekimi bir an için olmasa kinetik enerjileri nedeniyle atmosferdeki tüm gazlar uzaya ya*yılır ve atmosfer diye bir şey kalmazdı.
Eğer yerçekimi kuvveti şu andakinden daha fazla ol*saydı bu durumda da gaz molekülleri yeryüzüne daha yakın olur, yoğunluğu artar ve hatta sıvılaşarak veya katılaşarak Dünya’yı yaşanmaz hâle getirebilirdi. Bu iki etki birbirleriyle anlaşmışçasına dengede durarak at*mosferi bizim yaşamımıza uygun dengede tutar.
Sonuç olarak birçok hava olayının gerçekleştiği at*mosfer, Güneş enerjisi ile beslenirken bir yandan da yer çekimi kuvvetiyle dengelenir.
Atmosferdeki gazlar zamanla kinetik enerjilerini yitire*rek yerçekimine yenilip yeryüzüne yığılabilir. Ancak Güneşten gelen enerji gaz moleküllerine yeniden ki*netik enerji kazandırır.
Güneşten gelen enerjiyi alan bir gaz molekülü 1600 km/h lik bir süratle yukarılara doğru hareket ederek at*mosfer tabakasının uygun kalınlıkta kalmasını sağlar. Güneşten sürekli gelen enerji ve gaz molekülleri üze*rindeki Dünya’nın yerçekimi etkisi, atmosferi şu anki hâliyle tutarak canlı hayatının sürmesine hizmet eder.
Atmosferin Yapısı
Atmosfer gaz, sıvı ve katı maddelerden oluşur. Ancak çoğunluğu gazlardan oluşur. Ayrıca küçük su damla*cıkları da atmosferde bulunan sıvıya örnek olarak veri*lebilir.
Atmosferde çok küçük katı parçacıklarda bulunur. Bo*yutlarının küçük olmaları nedeniyle bu katı parçacıklar uçucu hâlde bulunurlar. Atmosferdeki katı taneciklerin çeşitli kaynakları vardır. Çeşitli nedenlerle ufalanmış taş parçacıkları, mineral kırıntıları, maden parçacıkları, bit*ki sporları ve parçacıkları, tuz kristalleri, karbon parça*cıkları ve uzaydan gelen tozlardır. Tuz kristalleri özellik*le fırtınaların etkisi ile denizlerden atmosfere karışır.
Yukarılara çıkıldıkça atmosferin yoğunluğu azalır. At*mosferdeki gazların % 50 si 5 - 6 km yüksekliğin altın*da toplanmıştır. % 75 i 11 km yüksekliğin altında, % 90 ı da 18 km yüksekliğin altında, % 99 u ise 30 km yük*sekliğin altındadır. Atmosferin kalınlığı 560 km ye ka*dar ulaşır. Ancak bu kalınlığın dışında da çok az mik*tarda da olsa gaz molekülü olabilir.
Atmosferi Oluşturan Gazlar
Atmosferdeki gazların kütle olarak yüzdesi grafikteki gibidir. Grafikten de anlaşıldığı gibi atmosferdeki gaz*ların toplam kütlesinin % 78'i azot (nitrojen), % 21 'i de oksijenden oluşur. Geriye kalan % 1’lik kısmını ise ar*gon ve karbondioksit ile çok az miktarlarda da diğer bazı gazlar oluşturur.
Atmosferin yaklaşık % 4 ü su buharı şeklindedir.
Atmosferin büyük bölümünü gazlar oluşturur. Ancak gazlara göre oranı az olsa da atmosferde katı ve sıvı maddeler de bulunur.
Atmosferdeki katılar genellikle çok küçük tanecikler hâlinde bulunan tozlar ve tuzlar İle polenlerdir. Atmos*ferde, bulutlardaki su damlacıklarından başka da sıvı damlacıkları bulunur.
Günlük Yaşamda Gazlar
Gazlar ortamın sıcaklık ve basınç şartlarından kolayca etkilenir. Ortamın basıncı ve sıcaklığı değiştirildiğinde gaz moleküllerinin hacmi de bu değişiklerden etkilenir. Bu nedenle gazların yoğunlukları basınç ve sıcaklık şartlarında belirlenir ve bir gazın yoğunluk değeri han*gi sıcaklık ve basınç değerinde ölçüldüğü ile birlikte verilir. Tabloda da görüldüğü gibi gazların yoğunlukla*rı birbirlerine yakın olduğu gibi sıcaklık ve basınçtan da kolayca etkilenerek yoğunlukları değişiklik gösterir. Bu nedenle gazların ayırt edilmesinde yoğunluğun kullanılması sağlıklı olmayabilir.
Plazmalar
Maddenin çok bilinen katı sıvı gaz hâli dışında dördün*cü olarak plazma hâli de vardır. Katılar ısıtılınca mole*küllerinin hızları artmaya ve birbirlerinden uzaklaşma*ya başlar. Yeterli enerjiyi kazanan moleküller arasında*ki çekim azalınca katı sıvıya dönüşür.
Enerji kazanmaya devam eden moleküller arasındaki çekim iyice azalınca artık moleküller serbestçe hare*ket etmeye başlar. Bu ise maddenin gaz hâlidir. Isıtıla*rak enerji almaya devam eden madde moleküllerinin elektronları da molekülü terk etmeye başlar. Bu du*rumda madde iyonlaşmış moleküllerden ve elektron*lardan meydana gelir, işte maddenin bu iyonize olmuş hâline plazma denir.
Plazma hâlindeki bir maddenin gazlardan en önemli farkı, gazlar kötü elektrik iletkenleri iken plazmalar elektriği çok iyi iletirler. Bu hâliyle plazma iyonlaşmış gaz olarak da tanımlanabilir.
Maddenin plazma hâline çevremizde çok az rastlama*mıza rağmen kainatın % 96 sı plazmadır. Tüm yıldızlar ve Güneş plazma hâlindeki maddelerden oluşur.
Elektron kaybeden bir molekül pozitif yüklü iyon olur.
Plazma hâlindeki maddede iyonlaşmış moleküller ve bu iyonlaşmaya neden olan elek*tronlar vardır. Elek*tronların kendileri elektrik yüklüdür ve moleküller iyonizedir. Ancak iyonlaşmaya neden olan elektronların ve iyonlaşmış moleküllerin bir arada olması nedeniyle plazma hâlindeki bir madde nötr hâldedir.
Bir gazın plazma hâle geçebilmesi için bu gazın atom*larından elektron kopmasını sağlayacak enerjiye ihti*yaç vardır. Bunun da birden fazla yolu bulunur. Örne*ğin ısı, ışık ve elektrik enerjisi yardımıyla bir gaz iyoni*ze olarak plazma hâle geçebilir.
Sıcak ve Soğuk Plazmalar
Plazmalar genellikle sıcaklıklarına göre sıcak plazma*lar ve soğuk plazmalar olarak adlandırılır. Çok yüksek sıcaklıklardaki plazmalara sıcak plazma denir. Güneş, Güneş rüzgârları, yıldızlar sıcak plazma örnekleridir.
Sıcaklıkları çok yüksek olmayan plazmalarda soğul' plazma olarak adlandırılır. Soğuk plazma örnekleri plazma topu, flüoresan lâmba, neon lâmbası, kutup ışıklarıdır.
Plazmalardan Nerelerde Yararlanılır?
Plazmanın sanayide kullanıldığı birçok alan vardır. Bunlardan bazıları,
Mekanik delme araçlarından daha etkili bir ısıl del*me aracı olarak
Çok yüksek sıcaklıkta gerçekleşen bazı kimyasal tepkimelerin oluşumunda
Ferromanyetik fırınlarda yardımcı enerji kaynağı olarak plazma fenerleri şeklinde kullanılmasıdır.
Düşük ve yüksek frekanslı radyo dalgalarının ileti*minde
Aurora Nedir?
Doğa olayı olan aurora, genellikle kutup bölgelerinde görülen bir gece ışımasıdır. Kutup ışıkları olarak bilinir. Gökyüzündeki doğal ışık görüntüleri olan auroralar, genelde gece çıplak gözle de izlenebilir. Bu doğa ola*yını bir bütün olarak görebilmek için, oluşma zamanla*rında uzaydan bakmak gerekir.
Auroralar, kutup bölgelerinden kısmen gözlemlenebi*lir. Güney kutbundan görülebilenlere güney ışıkları ya da aurora australis, kuzey kutbundan görülenlere ku*zey ışıkları ya da aurora borealis denir.
Güneş’in Dünya atmosferi üzerindeki etkilerinin en be*lirgin şekilde görülebilmesine yol açan bu doğa olayı*nın temel kaynağı, Güneş lekelerine neden olan Gü*neş patlamalarıdır.
Güneş dev bir plazma küresidir. Bu dev plazma küre*sinden kopup Güneş rüzgârlarıyla Dünya’mıza gelen elektrik yüklü parçacıkların Dünya atmosferine yapa*bileceği muhtemel etkiler Dünya’nın manyetik alanı tarafından engellenir. Bu manyetik alana manyetosfer denir.
Güneş’ten gelerek atmosfere ulaşan yüklü parçacıkla*rın büyük bir kısmı Dünya'nın manyetik alanının etkisi*ne girer. Bunun sonucu olarak da Dünya’nın manyetik kutuplarına doğru çekilir. Yüklü parçacıklar kutup böl*gelerinde, atmosferde bulunan oksijen ve azot atom*larıyla çarpışarak onların iyonize olmasını sağlar. Böy*lelikle ışımalar gerçekleşir.
Bu ışımalar gökkuşağından çok daha ilginç renk tayf*ları şeklinde gözlemlenir. Bu renk tayfları özellikle yay, bulut ve çizgi şeklinde atmosferden yaklaşık 100 ile 1000 km aralığındaki uzaklıklarda oluştuğundan, büyük bir kısmını göremeyiz.
Fizikte göreceğimiz birçok konu madde ile ilişkilidir. Bu nedenle maddenin fiziksel özelliklerini iyi öğrenmeliyiz.
Düzgün Geometrik Cisimlerin Kesit Alanı, Yüzey Alanı ve Hacimlerinin Hesaplanması
Cisimlerin boyutlarında orantılı olarak yapılan değişik*likler cismin yüzey alanı, kesit alanı, hacim, kütle ve dayanıklılık gibi özelliklerinin de değişmesine neden olur. Dolayısıyla önce düzgün geometrik cisimlerin ke*sit alanı, yüzey alanı ve hacimlerinin nasıl hesaplana*cağını görelim.
Küp
http://webders.net/img/fizik/kup.jpg
Küp şeklindeki bir cismin şekli ve yüzey alanının açılı*mı şekildeki gibidir. Küpün her kenarının uzunluğu a kadar olduğuna göre,
Kesit alanı:SA = a2 dir.
Küpün aynı yüzeyinden 6 tane olduğundan ve her bir yüzeyin alanı a2 olduğundan toplam yüzey alanı bir yüzey alanın 6 katı olur.
Yüzey alanı: YA = 6a2 dir.
Küpün hacmi üç boyutun çarpımı ile bulunur.
Hacim: V = a3 tür.
Prizma
http://webders.net/img/fizik/prizma.jpg
Boyutları şekildeki gibi verilen ve a, b kenarı üzerinde duran prizmanın kesit alanı,
Kesit alanı: SA = a x b dir.
Prizmada farklı üç yüzey alanı vardır. Açılımı şekildeki gibi olan prizmanın farklı yüzey alanından ikişer tane vardır.
Yüzey alanı: YA = 2(a x b + a x c + b x c) dir. Farklı üç boyutun çarpımı hacmi verir.
Hacim: V = a x b x c dir.
Silindir
http://webders.net/img/fizik/silindir.jpg
Yarıçapı r olan silindirin kesit alanı daire olduğundan;
Kesit alanı: SA = Ï€xr2
Silindirin toplam yüzey alanı, daire biçimli taban ve ta*van iki alan ile yan yüzey alanın toplamından bulunur.
Yüzey alanı: YA = 2xr2 + 2Ï€xrxh dir.
Silindirin hacmi, taban alanı ile yüksekliğinin çarpımı*na eşittir.
Hacim: V = πxr2xh
Küre
http://webders.net/img/fizik/kure.jpg
r yarıçaplı kürenin merkezinden geçecek şekilde kes*tiğimizde, daire şeklinde en büyük kesit alanını elde ederiz.
Bu kesit alanı: SA = Ï€xr2 dir.
Yüzey alanı: YA = 4xÏ€xr2 dir.
Hacim: V = 4/3xπxr2
Dayanıklılık
Üzerine bir kuvvet uygulanan bir cisim bu kuvvete kar*şı bir direnç gösterir. Ancak kuvvetin belli bir değerin*den sonra cismin direnci kırılır ve cisim deforme olarak bozulur ya da parçalanır.
Cisme uygulanan kuvvet çekme şeklinde olabileceği gibi sıkıştırma şeklinde de olabilir. Bir cismin üzerine uygulanan çekme ya da sıkıştırma kuvvetlerine karşı gösterdiği dirence dayanıklılık denir. Dayanıklılık mad*denin cinsine bağlıdır.
Cisimlerin boyutları orantılı olarak artırıldığında daya*nıklılıkları da değişir. Boyutları orantılı olarak artırılan iki cismin dayanıklılığı her bir cismin kesit alanı/hacim oranına bakılarak karşılaştırılabilir. Bu oran ne kadar büyükse dayanıklılık da o kadar fazladır.
Boyutları orantılı olarak değiştirilen bir cismin kendi ağırlık etkisine karşı göstereceği dayanıklılığı kesit alanının hacme olan oranı ile belirleyebiliriz.
Bir karınca ağırlığının 50 katı kadar yükü taşıyabilir. Eğer ay*nı özelliğe bir insan sahip ol*saydı 70 kiloluk bir insanın 3500 kg taşıyabilmesi gerekir*di. İnsanın bu kadar ağırlığı ta*şımasının mümkün olmadığını biliyoruz. Peki acaba bir karın*ca orantılı olarak büyütülerek insan boyutlarına getirilmiş ol*sa yine ağırlığının 50 katı bir yükü taşabilir miydi? Öğrendiklerimizin ışığında bu sorunun cevabını birlikte araştıralım:
Bir cismin kesit uzunluğu artırıldığında cismin dayanık*lılığı artışın karesi ile doğru orantılı olarak artarken cis*min hacmi ve kütlesi artışın küpü ile doğru orantılı ola*rak artar. Bu ilkeden hareket edersek;
Boyu yaklaşık 10 mm olan karıncamızın boyutlarını 100 kat artırarak yaklaşık 1 m olduğunu düşünelim.
Boyutları 100 kat artırılan karıncanın dayanıklılığı 1002 = 10.000 artar.
Ancak karıncanın kütlesi 1003 = 1.000.000 kat artar. Kütledeki artış dayanıklılıktaki artışa göre çok daha fazladır. Bu durumda bırakın yük taşımayı karınca kendi ağırlığını bile taşıyamaz.
Canlıların boyutları orantılı olarak artırıldığında daya*nıklılıkları farklılık arz eder. Küçük yapılı canlılar kendi ağırlıklarının kat kat fazlasını rahatlıkla taşıyabilirken fil, gergedan gibi iri yapılı hayvanlar bu oranda ağırlık ta*şıyamazlar. Bunun da ötesinde kendi ağırlıklarını taşı*yabilmeleri için vücutları özel tasarlanmıştır.
Sonuç olarak, bir cismin dayanıklılığı, boyut değiş*tirme oranı ile ters orantılıdır. Dolayısıyla varlıkların ebatları orantılı bir şekilde artırıldığında dayanıklılıkları varlık üzerinde olumsuz etki eder.
Varlıkların ebatları küçükken dayanıklılıkları büyük olurken, ebatları büyütüldüğünde da*yanıklılıkları küçük olur. Sonuç olarak, cisimlerin ebatları (üç boyutu) orantılı bir şekilde hangi oranda artırılırsa, daya*nıklılıkları o oranda azalır. Ci*simlerin ebatları orantılı bir şe*kilde azaltıldığında ise daya*nıklılıkları o oranda artar.
Doğadaki Özel Yüzey: Küre Yüzeyi
Bilinen geometrik biçimli cisimlerin yüzey alanının ha*cimlerine oranları incelendiğinde en küçük oranın kü*reye ait olduğu görülür. Bu oranın küçük olması birim hacme düşen yüzey alanının en küçük olması anlamı*na gelir. Küre ile ilgili bu özelliği şu şekilde özetleyebi*liriz: eşit hacimli, kapalı cisimlerden yüzey alanı en küçük olanı küredir.
Kürenin bu özeliğini, “Eşit büyüklükteki yüzey alanla*rından en büyük hacmi küre çevreler.” şeklinde de ifa*de edebiliriz.
Dünyamız gibi diğer gök cisimlerinin şeklinin küresel olması da küreye ait bu özellikle ilgilidir.
Yalnızca gök cisimlerinde değil, çevremizde de küre*sel yüzeylerle sıkça karşılaşırız. Örneğin musluktan damlayan su taneciği, yere düşen yağmur damlaları ve yaprakların üzerinde kalan su damlaları küresel şe*kil alırlar.
Yüzey Alanı - Hacim İlişkileri
Maddenin bir özelliği olarak incelediğimiz, yüzey ala*nı - hacim ilişkisinin günlük yaşamda, çevremizde ve doğada doğurduğu birçok sonuç vardır.
Büyük boy patatesler ile küçük boy patateslerden eşit kiloda alınarak özdeş patates soyacağı İle soyuldu*ğunda, küçük boy patateslerden elde edilen kabukla*rın daha fazla olduğu görülür. Bu durum bize, küçük boyutlu cisimlerin yüzey alanlarının büyüklere göre daha fazla olduğunu gösterir. Yani küçük varlıkların yü*zey alanlarının hacmine oranı, büyük varlıkların yüzey alanının hacmine oranından daha büyüktür.
Bunun sonucunda;
Maddelerin küçük olanları daha çabuk pişer.
Maddelerin küçük olanları daha çabuk değişim ge*çirir.
Küçük hayvanlar hasarsız düşer.
Küçük hayvanlar daha çok yiyecek tüketir.
Doğadaki canlılar dikkatlice incelendiğinde birçok canlının ihtiyaçları, vücut özellikleri ve yaşam biçimle*rinde yüzey alanı ile hacim ilişkisinin olduğu görülür.
Canlılar hacimleri oranında enerji tüketirken yüzey alanları oranında da enerji yayarlar.
Bu denge onların hayatlarını sürdürmesi için gerekli bir durumdur. Canlıların vücutlarındaki fazla enerjiyi dı*şarıya atabilmeleri için yüzey alanlarının ve metaboliz*malarının buna cevap verebilecek nitelikte olması ge*rekir ki doğadaki tüm canlılar bu özeliklere göre yara*tılmıştır.
Örneğin, fare gibi yüzey alanının hacmine oranı büyük olan canlıların enerji kaybı fazla olacağından metabo*lizmaları hızlı çalışır. Buna karşın fil gibi yüzey alanının hacmine oranı küçük olan canlılar, fazla enerjilerini dı*şarıya verebilmek için vücutlarında yüzey alanlarını ar*tıracak fiziksel özelliklere ihtiyaç duyarlar. Fillerin ku*laklarının büyük olması bu nedenledir.
Bazı hayvanların, bulundukları ortamla olan ısı denge*si, büyük kulakları ile gerçekleşirken, bazılarınınki uzun kuyrukları sayesinde olur. Sincap da bu hayvan*lardandır. Kuyruğu, daldan dala atlarken yaptığı hızlı hareketlerde, sincabın dengesini sağlamasına yardım*cı olur. Aynı zamanda vücut sıcaklığının dengelenme*sinde de etkilidir.
Küçük Hayvanlar Hasarsız Düşer
Büyük yapılı canlılar ile küçük yapılı canlılar belirli yük*seklikten düşerlerse, küçük yapıda olanlar daha az za*rar görürler. Çünkü büyük canlıları küçük canlılardan ayıran en önemli özellik, yüzey alanların hacimlerine oranlarının farklı olmasıdır. Büyük canlıların yüksekten düşmesi durumunda göreceği zarar daha büyük ola*caktır.
Örneğin; bir böce*ğin yüzey alanı ile hacim oranı onun ağaçtan güvenli bir şekilde düşmesine elverişli iken bir le*oparın yüzey alanı ile hacim oranı bu*na elverişli değildir.
Sonuç olarak, canlılar sıcaklığı korumaya uyumlu ve gerektiğinde ısı üretebilecek şekilde yaratılmışlardır. Sıcak iklimlerde metabolizmada oluşan fazla enerjinin dışarı atılması önemli iken, soğuk iklimlerde ise enerji kaybedilmemesi ve mümkün olduğunca uzun süreli tutulması önemlidir.
Bunu belirleyen faktör de yüzey alanın hacme olan oranıdır.
Varlıkların yüzey alanı, kesit alanı ve hacimleri daya*nıklılıklarını, fiziksel özeliklerini ve ihtiyaçlarını etkiler. Buraya kadar anlatılanlar göz önüne alınarak devlerin ve cücelerin var olamayacağı sonucunu çıkarabiliriz. Çünkü normal boyutlardaki bir insandan 10 kat büyük olan devlerin dayanıklılığı 10 kat daha küçük olduğun*dan, kendi ağırlığını bile taşıyamamaktan dolayı hare*ket edemeyecektir. Ayrıca Dünya’daki benzerlerine oranla 10 katı büyüklüğe sahip canlılar, vücut sıcaklık*larını dengeleyemez dolayısı ile hayatlarını da sürdüre*mezler.
Benzer olarak normal insan boyutlarından 10 kat kü*çük cücelerin dayanıklılığının artmasına karşın fazla enerji kaybedeceklerinden metabolizmalarının çok hızlı çalışması lazım gelir ki, bu durum normal insanın biyolojik ritminin dışında bir durumdur.
Yüzey Gerilimi ve Kılcallık
Sıvılar
Sıvıyı meydana geti*ren tanecikler katılarda olduğu gibi birbir*lerine göre sabit ko*numlarda değildir.
Tanecikler arasında*ki çekim kuvvetleri katılarda olduğu ka*dar güçlü olmaması nedeniyle sıvı tane*cikleri birbirlerinin üzerinden kayarak konumlarını de*ğiştirebilir. Bu nedenle sıvıların belirli bir şekli yoktur ve içine konuldukları kabın şeklini alırlar.
Sıvı tanecikleri üzerine bir kuvvet uygulandığında sıvı taneciklerini bir arada tutan çekme kuvveti itme kuvve*tine dönüşür ve sıvı tanecikleri birbirlerine daha fazla yaklaştırılamaz. Bu özellikleri nedeniyle sıvılar sıkıştırılmaya elverişli değildir.
Sıvıların özellikleri;
Belirli bir hacimleri vardır, fakat belirli şekli yoktur.
İçinde bulundukları kabın şeklinin alırlar,
Pek sıkıştırılmazlar.
Daha önceleri sıvılar ve gazlar incelenirken yalnız ağır*lık kuvvetlerinin etkisi altındaki özellikleri incelendi. Bu incelemeler yapılırken akışkanlar İdeal olarak kabul edildi. Aslında hiç bir akışkan ideal değildir. Özellikle sıvıların ağırlığından başka kuvvetler de vardır. Bu kuvvetler;
Sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvveti
Sıvı molekülleri ile kap arasındaki adezyon kuvve*tidir.
Bu kuvvetler katılarda olduğu gibi bir sıvıya belli bir şe*kil ve biçim verebilecek kadar büyük değildir. Fakat belli bir hacim verirler. Bahsedilen bu küçük molekül*ler arası kuvvetlerin neden oldukları başlıca üç olay vardır.
Vizkozluk ya da iç sürtünme
Yüzey gerilimi
Kılcallık
Müfredatımızda olmadığı için viskoz sıvılar incelenmeyecektir. Şimdi adezyon ve kohezyon kuvvetlerini inceleyelim.
Adezyon Kuvveti
Temiz bir tabağa bir kaç damla su damlattıktan sonra tabağı ters çevirerek su damlalarının yere düşüp düş*meyeceğini gözlemleyelim. Eğer su damlaları uygun büyüklükte ise su damlalarının tabağa yapışarak düş*mediğini görürüz. Bu durum su tanecikleri ve tabak arasında bir çekim kuvveti olduğunu gösterir.
Farklı maddelerin tanecikleri arasındaki bu çekim kuv*vetine de adezyon (yapışma) kuvveti denir. Kısaca adezyon, bir cismin başka bir cisim üzerine yapışma*sıdır.
Ters çevirdiğimiz tabaktan su damlalarının düşmeme*sinin nedeni su tanecikleri ile tabağın yapıldığı madde*nin tanecikleri arasındaki adezyon kuvvetidir.
Pudra ve toz hemen hemen her şey üzerine yapışır. Su cama yapışır. Yağ suya, boya duvara yapışır. Bunlar moleküller arası kuvvetlerin etkisini gösteren çok açık örneklerdir.
Su damlaları biraz tozlu ve kirli yüzeylere daha fazla yapışır. Yani adezyon kuvveti daha büyüktür. Temiz yü*zeylerde ise daha küçüktür. Araba kaputuna ve bitki yapraklarına yapışan su damlaları resimde görülmek*tedir.
Kohezyon Kuvveti
Bir damlalığa birkaç damla su çektikten sonra temiz bir taba*ğa bir damla su dam*latınız. Su damlasının küreye yakın bir şe*kilde küçük bir su to*pu gibi durduğunu görürsünüz. Su tane*ciklerini bu şekilde bir arada tutan kuvvet, su molekül*leri arasındaki elektriksel çekim kuvvetidir.
Tüm maddelerin molekülleri arasında var olan bu çe*kim kuvvetine kohezyon kuvveti denir. Şimdi bir kaç damlayı birbirine yakın olacak şekilde tabağa damlatı*nız. Bir çatalın ucuyla dokunarak damlaları birbirlerine yaklaştırdığınızda damlaların kolayca birleşerek daha büyük bir damla oluşturduğunu görürsünüz.
Damlaların bu şekilde birleşmesi su molekülleri ara*sındaki kohezyon kuvvetlerinin etkisidir. Ancak damla büyüdükçe şekli bir küre gibi olamaz ve daha yassı bir şekil alır. Bu da yerçekimi kuvvetinin kohezyon kuvve*tinden büyük olması sebebiyledir.
Bir kap içindeki sıvıların kaba temas eden kenar kısım*ları eğikleşir. Bu eğiklik sıvının türüne göre değişiklik gösterir. Örneğin bir miktar su, bir cam kaba konuldu*ğunda suyun kaba değen kısımlarının yukarıya doğru kıvrıldığı görülür. Bunun nedeni adezyon kuvvetinin kohezyon kuvvetinden büyük olmasıdır.
Yüzey Gerilimi
Durgun hâldeki sı*vıların yüzeyleri çok ilginç bir davranışta bulunur. Sıvı yüzey*leri sanki gergin hâldeki bir zar ile kaplıymış gibidir.
Bir madeni para üzerine su damlatıldığında taşmadan önce suyun bombeleştiği görülür.
Bir musluğu çok az miktarda açıp suyun musluğun ucunda birikmesi sağlanırsa musluğun ucundaki su, sanki bir zar içinde duruyor ve akamıyormuş gibi bir anlayış uyandırır. Bir ataç uygun şekilde su üzerine bı*rakıldığında batmadan su yüzeyinde durabilir. Küçük böcekler su yüzeyinde sanki gergin bir zar üzerinde yüzüyormuş gibi sıvı üzerinde yürüyebilirler.
Bu olaylarda su, yüzeyi esnek bir zar varmış gibi dav*ranır. Bir sıvı yüzeyinde, bu yüzeyin gerilmesine neden olan etkiye yüzey gerilimi denir. Bir sıvı yüzeyinin ne*den gergin ve esnek bir zar gibi davrandığı, sıvı yüze*yindeki moleküllere etki eden kohezyon kuvveti ile açıklanabilir.
Sıvı içindeki bir moleküle şekilde görüldüğü gibi her yönde bir çekim (kohezyon) kuvveti etki eder. Bu du*rumda sıvı içlerindeki bir molekül üzerindeki kuvvetle*rin birbirini dengeleyerek molekülün dengede olduğu söylenebilir.
Ancak yüzeydeki moleküllere etkiyen kuvvetler denge*lenmemiş olmaları nedeniyle sıvı üzerine bir baskı uy*gularlar. Bu baskıdan dolayı sıvı yüzeyi, bu sıvıyı örten bir zar gibi davranır.
Ayrıca yüzey gerilimi bir su damlasını en uygun şekil olan küre şekline getirmeye çalışır. Küçük su damlala*rının küre şeklinde olması bu nedenledir. Ancak sıvı miktarı fazla ise yüzeydeki moleküllerin oluşturduğu baskı sıvı yüzeyindeki moleküllerin gergin bir zar gibi davranmasına neden olur.
Sıvı yüzeyinde herhangi bir mo*leküle etkiyen kuvvetlerin bileş*kesi sıvının içine doğrudur. Yü*zeydeki moleküllerin bu şekilde içeriye doğru uygulanan bir kuvvete maruz kalmasıyla sıvı*nın yüzeyi mümkün olduğunca küçülür. Diğer bir deyişle sıvılar yüzey alanını küçültme eğilimi gösterirler. Yüzey - ha*cim oranının en küçük olduğu şekil küre olduğu için sı*vı tanecikleri küre şeklinde olmaya eğilimlidir.
Su içine batırılan bir fırçanın tüyleri su içinde dağınık ve ser*best hâlde olurken su dışına çı*karıldığında tüyler birbirine ya*pışır. Aynı durum deniz ya da havuza dalan bir kişinin saçla*rında da görülür. Su altında saçları ser*bestçe dal*galanırken su dışına çıktığın da saçlar birbirine yapışık bir görü*nümde olur. Bu iki durumda da sı*vıların yüzey gerilimi sonucudur.
Bir tabağa su doldurun, üzerine de biraz karabiber ekin. Daha sonra bulaşık deterjanına sürdüğünüz par*mağınızın ucunu su yüzeyine değdirin. Karabiber ta*neciklerinin parmağınızı değdirdiğiniz noktadan hızlı bir şekilde uzaklaştıklarını göreceksiniz. Kara biberle*rin kaçışmalarının sebebi sizce ne olabilir?
Bu sorunun cevabı suyun yüzey geriliminde yatıyor. Su yüzeyinin gergin ve esnek bir zar gibi davrandığını hatırlarsınız; böylece bazı böcekler batmadan yüzey üzerinde hareket edebilirler. İşte sabun, suyun yüze*yindeki bu gerilimi düşürür.
Yani su yüzeyine birazcık bulaşık deterjanı değdirdiği*nizde, o bölgedeki yüzey gerilimini düşürmüş olursu*nuz. Bu gergin duran zar üzerinde bir delik açmaya benzer. Zedelenmiş zar büzüşür ve karabiberleri de beraberinde götürür.
Yüzey Gerilimine Etki Eden Faktörler
1. Sıvının Cinsi
Sıvıların yüzey gerilimleri, cinslerine göre farklı farklı olur. Bir sıvının, sabit bir sıcaklıktaki yüzey gerilimini, sıvının yapısına bağlı olan yüzey gerilim kat sayısı be*lirler.
2. Kirlenme
Su yüzeyinin en küçük bir kirlenmesi bile onun yüzey gerilimini tamamen değiştirir. Tertemiz cam ve tertemiz su arasındaki adezyon kuvveti oldukça azdır. Biraz kir*li ve tozlu yüzeylerde su damlalarının daha rahat tutun*duklarını görürsünüz.
3. Sıcaklık Değişimi
Sıcaklığın artması yüzey gerilimini azaltır. Elimizdeki ya da elbisemizdeki kirlerin sıcak suda daha çabuk ve daha iyi temizlenmesi, sıcak suyun yüzey geriliminin soğuk suyun yüzey geriliminden daha küçük olmasın*dandır.
4. Sabun ve Deterjan
Sıvıların yüzey geriliminin azalması, sıvıların diğer maddelerle etkileşmesini kolaylaştırır. Günlük yaşamı*mızda kullandığımız temizlik maddelerinin, sıvıların yü*zey gerilimini azaltarak, suyun maddeyi ıslatmasının artırmasının yanında kirlere daha iyi nüfuz etmesini sağlar. Sabun, suyun bu yüzey gerilimini 4, 5 kat azal*tır. Hem deterjan hem de sıcak su bir araya gelirse kir*lerin temizlenmesi daha kolay olmaktadır.
5. Suya Tuz Karıştırmak
Suya tuz karıştırmak suyun yüzey gerilimini artırır. Bu*nun nedeni, tuz ile su molekülleri arasındaki çekme kuvvetinin artmasından kaynaklanmaktadır.
6. Karışımlar ve Çözeltiler
Çözeltiler ya da farklı sıvı karışımları her zaman su-de*terjan çözeltilerinde olduğu gibi yüzey gerilimini azalt*maz. Bazen de durum bunun tam tersi olabilir. Karı*şımlardaki su oranı arttıkça sirke asidi ve etil alkolün yüzey gerilimleri artar.
Kılcallık
Bir sıvı içine batırılan ince borularda sıvıların yükseldi*ği veya tam tersi olarak sıvı seviyesinin azaldığı görü*lür. Bu olay da kohezyon ve adezyon kuvvetlerinin et*kisi ile gerçekleşir. Örneğin cam ile su arasındaki adezyon kuvveti, suyun kohezyon kuvvetinden büyük*tür. Bu nedenle ye*teri kadar ince bir cam boru, su içine batırıldığında cam boru içindeki su se*viyesi yükselir, Met*relerce yükseklikte*ki ağaçların en üst dallarının ucundaki yapraklara suyun ulaşması bu şekilde gerçekleşir.
Cam ile cıva arasındaki adezyon kuvveti, cıvanın ko*hezyon kuvvetinden küçüktür. Bir cam boru, cıva içine batırıldığında ise boru içindeki cıva seviyesi azalır.
Sıvıların bu şekilde ince borular içinde yükselmesi ya da alçalması olayına kılcallık denir.
Kılcallık etkisi;
Sıvı ve katı molekülleri arasındaki adezyon kuvvetinden,
Sıvının yüzey geriliminden, yani kohezyon kuvvetinden kaynaklanır.
Silindirik bir boruda bir sıvının ne kadar yükse*leceği ya da alçalacağı, sıvının yüzey gerilim kat sayısı ile doğru orantılı; sıvının yoğunluğu, yer- çekim ivmesi ve boru*nun yarıçapı ile ters orantılıdır.
Bir kağıt parçasının, bir kesme şekerin ya da pa*muklu bir kumaş parça*sının bir ucu su içine ba*tırıldığında suyun bu or*tamlarda yükseldiği görülür. Kâğıt peçetelerde de ay*nı durum gözlenebilir. Bu durum kılcallık etkisi sonucu gerçekleşir.
Bir cam kaba konulan suyun kohezyonu kabın uygu*ladığı adezyondan küçük kalır. Böylece su cama yapı*şır ve camı ıslatır. İnce bir boru içerisindeki su ise bo*ru çeperleri tarafından çekilerek adezyonun sıvı ağırlı*ğı ile dengelendiği noktaya kadar yükseltilir. Bu olaylar kılcallık (kapilarite) etkisi ile gerçekleşir.
Bu kılcallık kanunu sayesinde topraktan emilen su ağaçların çok ince taşıma borularında kökten en yük*sekteki yaprağa kadar yükselir.
Gazlar
Sıvılar ve gazlar akışkanlar olarak da isimlendirilir. Sıvı ve gazlar arasında*ki en belirgin fark, gaz molekülleri arasındaki uzaklıkların, sıvı molekül*leri arasındaki uzaklıklardan çok da*ha fazla olmasıdır. Gaz molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri, sıvı ve katılara göre çok daha az olması se*bebiyle gaz molekülleri rahatça hare*ket eder.
Bir miktar gaz bir kapalı kaba bırakıl*dığında gaz molekülleri kabın her ta*rafına dağılır ve gazın hacmi kabın hacmi kadar olur. Kaba konulan gaz aynı zamanda kabın şeklini de alır. Bu nedenle gazlar içinde bulundukları kabın şeklini ve hacmini alırlar.
Atmosfer
Atmosfer bir örtü gibi Dünya’mızı saran gaz tabakası*dır. Ancak bu tabakanın kalınlığı iki etkene bağlıdır.
Gaz moleküllerinin kinetik enerjisi
Gaz moleküllerine kütlelerinden dolayı Dünya’nın uyguladığı yerçekimi kuvveti.
Atmosferi oluşturan tüm gaz molekülleri denge hâlin*deki bu iki etki altındadır. Bu etkinin dengede olmama*sı durumunda yaşam için kaçınılmaz olan atmosfer ol*mazdı. Örneğin yerçekimi bir an için olmasa kinetik enerjileri nedeniyle atmosferdeki tüm gazlar uzaya ya*yılır ve atmosfer diye bir şey kalmazdı.
Eğer yerçekimi kuvveti şu andakinden daha fazla ol*saydı bu durumda da gaz molekülleri yeryüzüne daha yakın olur, yoğunluğu artar ve hatta sıvılaşarak veya katılaşarak Dünya’yı yaşanmaz hâle getirebilirdi. Bu iki etki birbirleriyle anlaşmışçasına dengede durarak at*mosferi bizim yaşamımıza uygun dengede tutar.
Sonuç olarak birçok hava olayının gerçekleştiği at*mosfer, Güneş enerjisi ile beslenirken bir yandan da yer çekimi kuvvetiyle dengelenir.
Atmosferdeki gazlar zamanla kinetik enerjilerini yitire*rek yerçekimine yenilip yeryüzüne yığılabilir. Ancak Güneşten gelen enerji gaz moleküllerine yeniden ki*netik enerji kazandırır.
Güneşten gelen enerjiyi alan bir gaz molekülü 1600 km/h lik bir süratle yukarılara doğru hareket ederek at*mosfer tabakasının uygun kalınlıkta kalmasını sağlar. Güneşten sürekli gelen enerji ve gaz molekülleri üze*rindeki Dünya’nın yerçekimi etkisi, atmosferi şu anki hâliyle tutarak canlı hayatının sürmesine hizmet eder.
Atmosferin Yapısı
Atmosfer gaz, sıvı ve katı maddelerden oluşur. Ancak çoğunluğu gazlardan oluşur. Ayrıca küçük su damla*cıkları da atmosferde bulunan sıvıya örnek olarak veri*lebilir.
Atmosferde çok küçük katı parçacıklarda bulunur. Bo*yutlarının küçük olmaları nedeniyle bu katı parçacıklar uçucu hâlde bulunurlar. Atmosferdeki katı taneciklerin çeşitli kaynakları vardır. Çeşitli nedenlerle ufalanmış taş parçacıkları, mineral kırıntıları, maden parçacıkları, bit*ki sporları ve parçacıkları, tuz kristalleri, karbon parça*cıkları ve uzaydan gelen tozlardır. Tuz kristalleri özellik*le fırtınaların etkisi ile denizlerden atmosfere karışır.
Yukarılara çıkıldıkça atmosferin yoğunluğu azalır. At*mosferdeki gazların % 50 si 5 - 6 km yüksekliğin altın*da toplanmıştır. % 75 i 11 km yüksekliğin altında, % 90 ı da 18 km yüksekliğin altında, % 99 u ise 30 km yük*sekliğin altındadır. Atmosferin kalınlığı 560 km ye ka*dar ulaşır. Ancak bu kalınlığın dışında da çok az mik*tarda da olsa gaz molekülü olabilir.
Atmosferi Oluşturan Gazlar
Atmosferdeki gazların kütle olarak yüzdesi grafikteki gibidir. Grafikten de anlaşıldığı gibi atmosferdeki gaz*ların toplam kütlesinin % 78'i azot (nitrojen), % 21 'i de oksijenden oluşur. Geriye kalan % 1’lik kısmını ise ar*gon ve karbondioksit ile çok az miktarlarda da diğer bazı gazlar oluşturur.
Atmosferin yaklaşık % 4 ü su buharı şeklindedir.
Atmosferin büyük bölümünü gazlar oluşturur. Ancak gazlara göre oranı az olsa da atmosferde katı ve sıvı maddeler de bulunur.
Atmosferdeki katılar genellikle çok küçük tanecikler hâlinde bulunan tozlar ve tuzlar İle polenlerdir. Atmos*ferde, bulutlardaki su damlacıklarından başka da sıvı damlacıkları bulunur.
Günlük Yaşamda Gazlar
Gazlar ortamın sıcaklık ve basınç şartlarından kolayca etkilenir. Ortamın basıncı ve sıcaklığı değiştirildiğinde gaz moleküllerinin hacmi de bu değişiklerden etkilenir. Bu nedenle gazların yoğunlukları basınç ve sıcaklık şartlarında belirlenir ve bir gazın yoğunluk değeri han*gi sıcaklık ve basınç değerinde ölçüldüğü ile birlikte verilir. Tabloda da görüldüğü gibi gazların yoğunlukla*rı birbirlerine yakın olduğu gibi sıcaklık ve basınçtan da kolayca etkilenerek yoğunlukları değişiklik gösterir. Bu nedenle gazların ayırt edilmesinde yoğunluğun kullanılması sağlıklı olmayabilir.
Plazmalar
Maddenin çok bilinen katı sıvı gaz hâli dışında dördün*cü olarak plazma hâli de vardır. Katılar ısıtılınca mole*küllerinin hızları artmaya ve birbirlerinden uzaklaşma*ya başlar. Yeterli enerjiyi kazanan moleküller arasında*ki çekim azalınca katı sıvıya dönüşür.
Enerji kazanmaya devam eden moleküller arasındaki çekim iyice azalınca artık moleküller serbestçe hare*ket etmeye başlar. Bu ise maddenin gaz hâlidir. Isıtıla*rak enerji almaya devam eden madde moleküllerinin elektronları da molekülü terk etmeye başlar. Bu du*rumda madde iyonlaşmış moleküllerden ve elektron*lardan meydana gelir, işte maddenin bu iyonize olmuş hâline plazma denir.
Plazma hâlindeki bir maddenin gazlardan en önemli farkı, gazlar kötü elektrik iletkenleri iken plazmalar elektriği çok iyi iletirler. Bu hâliyle plazma iyonlaşmış gaz olarak da tanımlanabilir.
Maddenin plazma hâline çevremizde çok az rastlama*mıza rağmen kainatın % 96 sı plazmadır. Tüm yıldızlar ve Güneş plazma hâlindeki maddelerden oluşur.
Elektron kaybeden bir molekül pozitif yüklü iyon olur.
Plazma hâlindeki maddede iyonlaşmış moleküller ve bu iyonlaşmaya neden olan elek*tronlar vardır. Elek*tronların kendileri elektrik yüklüdür ve moleküller iyonizedir. Ancak iyonlaşmaya neden olan elektronların ve iyonlaşmış moleküllerin bir arada olması nedeniyle plazma hâlindeki bir madde nötr hâldedir.
Bir gazın plazma hâle geçebilmesi için bu gazın atom*larından elektron kopmasını sağlayacak enerjiye ihti*yaç vardır. Bunun da birden fazla yolu bulunur. Örne*ğin ısı, ışık ve elektrik enerjisi yardımıyla bir gaz iyoni*ze olarak plazma hâle geçebilir.
Sıcak ve Soğuk Plazmalar
Plazmalar genellikle sıcaklıklarına göre sıcak plazma*lar ve soğuk plazmalar olarak adlandırılır. Çok yüksek sıcaklıklardaki plazmalara sıcak plazma denir. Güneş, Güneş rüzgârları, yıldızlar sıcak plazma örnekleridir.
Sıcaklıkları çok yüksek olmayan plazmalarda soğul' plazma olarak adlandırılır. Soğuk plazma örnekleri plazma topu, flüoresan lâmba, neon lâmbası, kutup ışıklarıdır.
Plazmalardan Nerelerde Yararlanılır?
Plazmanın sanayide kullanıldığı birçok alan vardır. Bunlardan bazıları,
Mekanik delme araçlarından daha etkili bir ısıl del*me aracı olarak
Çok yüksek sıcaklıkta gerçekleşen bazı kimyasal tepkimelerin oluşumunda
Ferromanyetik fırınlarda yardımcı enerji kaynağı olarak plazma fenerleri şeklinde kullanılmasıdır.
Düşük ve yüksek frekanslı radyo dalgalarının ileti*minde
Aurora Nedir?
Doğa olayı olan aurora, genellikle kutup bölgelerinde görülen bir gece ışımasıdır. Kutup ışıkları olarak bilinir. Gökyüzündeki doğal ışık görüntüleri olan auroralar, genelde gece çıplak gözle de izlenebilir. Bu doğa ola*yını bir bütün olarak görebilmek için, oluşma zamanla*rında uzaydan bakmak gerekir.
Auroralar, kutup bölgelerinden kısmen gözlemlenebi*lir. Güney kutbundan görülebilenlere güney ışıkları ya da aurora australis, kuzey kutbundan görülenlere ku*zey ışıkları ya da aurora borealis denir.
Güneş’in Dünya atmosferi üzerindeki etkilerinin en be*lirgin şekilde görülebilmesine yol açan bu doğa olayı*nın temel kaynağı, Güneş lekelerine neden olan Gü*neş patlamalarıdır.
Güneş dev bir plazma küresidir. Bu dev plazma küre*sinden kopup Güneş rüzgârlarıyla Dünya’mıza gelen elektrik yüklü parçacıkların Dünya atmosferine yapa*bileceği muhtemel etkiler Dünya’nın manyetik alanı tarafından engellenir. Bu manyetik alana manyetosfer denir.
Güneş’ten gelerek atmosfere ulaşan yüklü parçacıkla*rın büyük bir kısmı Dünya'nın manyetik alanının etkisi*ne girer. Bunun sonucu olarak da Dünya’nın manyetik kutuplarına doğru çekilir. Yüklü parçacıklar kutup böl*gelerinde, atmosferde bulunan oksijen ve azot atom*larıyla çarpışarak onların iyonize olmasını sağlar. Böy*lelikle ışımalar gerçekleşir.
Bu ışımalar gökkuşağından çok daha ilginç renk tayf*ları şeklinde gözlemlenir. Bu renk tayfları özellikle yay, bulut ve çizgi şeklinde atmosferden yaklaşık 100 ile 1000 km aralığındaki uzaklıklarda oluştuğundan, büyük bir kısmını göremeyiz.