Sıvı yüzeyindeki bir çizgi boyunca etki eden kuvvet

Metre başına newton (N/m) veya santimetre başına din (dyn/cm) olarak ölçülür. Bir sıvı filmiyle temas halinde hareketli bir kenarı olan bir çerçeve hayal ederseniz, yüzey gerilimi o kenara etki eden kuvvetin uzunluğuna bölünmesidir. Bu mekanik tanımdır.

Formül: γ = F/L, burada F = kuvvet, L = kenar uzunluğu

Örnek: Su @ 20°C = 72.8 mN/m, metre başına kenar için 0.0728 N kuvvet demektir

Yeni yüzey alanı oluşturmak için gereken enerji

Metrekare başına joule (J/m²) veya santimetrekare başına erg (erg/cm²) olarak ölçülür. Yeni yüzey alanı oluşturmak, moleküller arası kuvvetlere karşı iş yapılmasını gerektirir. Sayısal olarak yüzey gerilimi ile aynıdır ancak kuvvet perspektifinden ziyade enerji perspektifini temsil eder.

Formül: γ = E/A, burada E = enerji, A = yüzey alanı artışı

Örnek: Su @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (aynı sayı, ikili yorum)

Moleküller arası kuvvetler yüzey davranışını belirler

Kohezyon: benzer moleküller arasındaki çekim (sıvı-sıvı). Adezyon: farklı moleküller arasındaki çekim (sıvı-katı). Yüksek kohezyon → yüksek yüzey gerilimi → damlacıklar boncuklaşır. Yüksek adezyon → sıvı yayılır (ıslatma). Denge, temas açısını ve kılcallık etkisini belirler.

Temas açısı θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Young denklemi)

Örnek: Cam üzerindeki su düşük θ'ya sahiptir (adezyon > kohezyon) → yayılır. Cam üzerindeki cıva yüksek θ'ya sahiptir (kohezyon >> adezyon) → boncuklaşır.

Yüzey gerilimi üzerine ilk nicel deneyler

Alman fizikçi Segner, yüzen iğneleri inceledi ve su yüzeylerinin gerilmiş zarlar gibi davrandığını gözlemledi. Kuvvetleri hesapladı ancak olguyu açıklayacak moleküler bir teoriden yoksundu.

Temas açısı için Young denklemi

İngiliz bilgin Young, yüzey gerilimi, temas açısı ve ıslatma arasındaki ilişkiyi türetti: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Bu temel denklem günümüzde malzeme bilimi ve mikroakışkanlar alanında hala kullanılmaktadır.

Basınç için Young-Laplace denklemi

Laplace, ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) denklemini türeterek eğimli arayüzlerin basınç farklılıkları olduğunu gösterdi. Küçük kabarcıkların neden büyük olanlardan daha yüksek iç basınca sahip olduğunu açıklar—akciğer fizyolojisini ve emülsiyon kararlılığını anlamak için kritiktir.

Yüzey geriliminin moleküler teorisi

Hollandalı fizikçi van der Waals, yüzey gerilimini moleküller arası kuvvetleri kullanarak açıkladı. Moleküler çekim üzerine yaptığı çalışmalar 1910 Nobel Ödülü'nü kazandı ve kılcallık, adezyon ve kritik noktayı anlamak için temel oluşturdu.

Monokatmanlar ve yüzey kimyası

Langmuir, su yüzeylerindeki moleküler filmleri inceleyerek yüzey kimyası alanını yarattı. Yüzey aktif maddeler, adsorpsiyon ve moleküler oryantasyon üzerine yaptığı çalışmalar 1932 Nobel Ödülü'nü kazandı. Langmuir-Blodgett filmleri onun adını taşır.

Yüzey gerilimi ıslatma, yayılma ve yapışmayı belirler:

• Boya formülasyonu: Yüzeylerde optimum yayılma için γ'yı 25-35 mN/m'ye ayarlayın
• Mürekkep püskürtmeli baskı: Mürekkebin ıslatma için γ < yüzey olması gerekir (tipik 25-40 mN/m)
• Korona işlemi: Yapışma için polimer yüzey enerjisini 30 → 50+ mN/m'ye çıkarır
• Toz kaplamalar: Düşük yüzey gerilimi düzleşmeye ve parlaklık gelişimine yardımcı olur
• Anti-grafiti kaplamalar: Düşük γ (15-20 mN/m) boya yapışmasını önler
• Kalite kontrolü: Parti-parti tutarlılığı için du Noüy halka tansiyometresi

Deterjanlar yüzey gerilimini düşürerek çalışır:

• Saf su: γ = 72.8 mN/m (kumaşlara iyi nüfuz etmez)
• Su + sabun: γ = 25-30 mN/m (nüfuz eder, ıslatır, yağı temizler)
• Kritik Misel Konsantrasyonu (CMC): γ, CMC'ye kadar keskin bir şekilde düşer, sonra sabitlenir
• Islatma ajanları: Endüstriyel temizleyiciler γ'yı <30 mN/m'ye düşürür
• Bulaşık deterjanı: Yağ temizliği için γ ≈ 27-30 mN/m olarak formüle edilmiştir
• Pestisit spreyleri: Daha iyi yaprak kaplaması için γ'yı azaltmak amacıyla yüzey aktif maddeler ekleyin

Petrol ve su arasındaki arayüzey gerilimi ekstraksiyonu etkiler:

• Petrol-su arayüzey gerilimi: Tipik olarak 20-50 mN/m
• Gelişmiş petrol kurtarma (EOR): γ'yı <0.01 mN/m'ye düşürmek için yüzey aktif maddeler enjekte edin
• Düşük γ → petrol damlacıkları emülsifiye olur → gözenekli kayadan akar → artan geri kazanım
• Ham petrol karakterizasyonu: Aromatik içerik yüzey gerilimini etkiler
• Boru hattı akışı: Düşük γ emülsiyon kararlılığını azaltır, ayrışmaya yardımcı olur
• Asılı damla yöntemi, rezervuar sıcaklığı/basıncında γ'yı ölçer

Yüzey gerilimi yaşam süreçleri için kritiktir:

• Akciğer sürfaktanı: Alveolar γ'yı 70'ten 25 mN/m'ye düşürerek çökmeyi önler
• Prematüre bebekler: Yetersiz sürfaktan nedeniyle solunum sıkıntısı sendromu
• Hücre zarları: Lipid çift katman γ ≈ 0.1-2 mN/m (esneklik için çok düşük)
• Kan plazması: γ ≈ 50-60 mN/m, hastalıklarda artar (diyabet, ateroskleroz)
• Gözyaşı filmi: Buharlaşmayı azaltan lipid katmanlı çok katmanlı yapı
• Böcek solunumu: Trakeal sistem, su girişini önlemek için yüzey gerilimine dayanır

Su örümcekleri (Gerridae), suyun yüksek yüzey gerilimini (72.8 mN/m) kullanarak kendi vücut ağırlıklarının 15 katını destekler. Bacakları süperhidrofobik (temas açısı >150°) mumsu tüylerle kaplıdır. Her bacak su yüzeyinde bir çukur oluşturur ve yüzey gerilimi yukarı doğru kuvvet sağlar. Sabun eklerseniz (γ'yı 30 mN/m'ye düşürerek), hemen batarlar!

Yüzey gerilimi, belirli bir hacim için yüzey alanını en aza indirmek için çalışır. Küre, herhangi bir hacim için en küçük yüzey alanına sahiptir (izoperimetrik eşitsizlik). Sabun köpükleri bunu güzel bir şekilde gösterir: içindeki hava dışarıya doğru iter, yüzey gerilimi içeriye doğru çeker ve denge mükemmel bir küre yaratır. Küresel olmayan köpükler (tel çerçevelerdeki kübik olanlar gibi) daha yüksek enerjiye sahiptir ve kararsızdır.

Yenidoğan akciğerleri, alveoler yüzey gerilimini 70'ten 25 mN/m'ye düşüren pulmoner sürfaktan (fosfolipidler + proteinler) içerir. Onsuz, alveoller ekshalasyon sırasında çöker (atelektazi). Prematüre bebekler yeterli sürfaktandan yoksundur, bu da Solunum Sıkıntısı Sendromu'na (RDS) neden olur. Sentetik sürfaktan tedavisinden önce (1990'lar), RDS yenidoğan ölümlerinin önde gelen bir nedeniydi. Şimdi, hayatta kalma oranları %95'i aşıyor.

Bir bardağa şarap dökün ve izleyin: kenarlarda damlacıklar oluşur, yukarı doğru tırmanır ve tekrar aşağı düşer—'şarap gözyaşları'. Bu Marangoni etkisidir: alkol sudan daha hızlı buharlaşarak yüzey gerilimi gradyanları oluşturur (γ uzamsal olarak değişir). Sıvı, düşük γ'lı bölgelerden yüksek γ'lı bölgelere akar ve şarabı yukarı çeker. Damlacıklar yeterince ağırlaştığında, yerçekimi kazanır ve düşerler. Marangoni akışları kaynak, kaplama ve kristal büyümesinde kritiktir.

Sabun molekülleri amfifiliktir: hidrofobik kuyruk (sudan nefret eder) + hidrofilik baş (suyu sever). Çözeltide, kuyruklar su yüzeyinden dışarı çıkar, hidrojen bağını bozar ve γ'yı 72'den 25-30 mN/m'ye düşürür. Kritik Misel Konsantrasyonunda (CMC), moleküller içlerinde kuyruklar (yağı hapseder) ve dışlarında başlar olan küresel miseller oluşturur. Bu yüzden sabun yağı temizler: yağ misellerin içinde çözünür ve yıkanır.

Su üzerine bir kafur kristali bırakın ve yüzeyde küçük bir tekne gibi hızla hareket eder. Kafur asimetrik olarak çözünerek bir yüzey gerilimi gradyanı oluşturur (arkada daha yüksek γ, önde daha düşük). Yüzey, kristali yüksek γ'lı bölgelere doğru çeker—bir yüzey gerilimi motoru! Bu, 1890'da fizikçi C.V. Boys tarafından gösterilmiştir. Modern kimyacılar, mikrorobotlar ve ilaç dağıtım araçları için benzer Marangoni itkisini kullanırlar.

Bu temel bir termodinamik ilişkidir, bir tesadüf değil. Boyutsal olarak: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² ve [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Aynı temel boyutlara sahipler! Fiziksel olarak: 1 m² yeni yüzey oluşturmak için iş = kuvvet × mesafe = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Yani kuvvet/uzunluk olarak ölçülen γ, enerji/alan olarak ölçülen γ'ya eşittir. Su @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (aynı sayı, ikili yorum).

Kohezyon: benzer moleküller arasındaki çekim (su-su). Adezyon: farklı moleküller arasındaki çekim (su-cam). Yüksek kohezyon → yüksek yüzey gerilimi → damlacıklar boncuklaşır (cam üzerinde cıva). Kohezyona göre yüksek adezyon → sıvı yayılır (temiz cam üzerinde su). Denge, Young denklemi aracılığıyla temas açısı θ'yı belirler: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Islatma θ < 90° olduğunda gerçekleşir; boncuklaşma θ > 90° olduğunda. Süperhidrofobik yüzeyler (lotus yaprağı) θ > 150°'ye sahiptir.

Sabun molekülleri amfifiliktir: hidrofobik kuyruk + hidrofilik baş. Su-hava arayüzünde, kuyruklar dışa doğru yönelir (sudan kaçınarak), başlar içe doğru yönelir (suya çekilir). Bu, su molekülleri arasındaki hidrojen bağını bozar ve yüzey gerilimini 72.8'den 25-30 mN/m'ye düşürür. Düşük γ, suyun kumaşları ıslatmasına ve yağa nüfuz etmesine olanak tanır. Kritik Misel Konsantrasyonunda (CMC, tipik olarak %0.1-1), moleküller yağı çözen miseller oluşturur.

Daha yüksek sıcaklık, moleküllere daha fazla kinetik enerji verir, bu da moleküller arası çekimleri (hidrojen bağları, van der Waals kuvvetleri) zayıflatır. Yüzey moleküllerinin daha az net içe doğru çekimi vardır → daha düşük yüzey gerilimi. Su için: γ, °C başına ~0.15 mN/m azalır. Kritik sıcaklıkta (su için 374°C, 647 K), sıvı-gaz ayrımı ortadan kalkar ve γ → 0. Eötvös kuralı bunu nicelendirir: γ·V^(2/3) = k(T_c - T), burada V = molar hacim, T_c = kritik sıcaklık.

Dört ana yöntem: (1) Du Noüy halkası: Platin halka yüzeyden çekilir, kuvvet ölçülür (en yaygın, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmy plakası: Yüzeye değen ince bir plaka asılır, kuvvet sürekli olarak ölçülür (en yüksek hassasiyet, ±0.01 mN/m). (3) Asılı damla: Damla şekli, Young-Laplace denklemi kullanılarak optik olarak analiz edilir (yüksek T/P'de çalışır). (4) Kılcal yükselme: Sıvı dar bir tüpte yükselir, yükseklik ölçülür: γ = ρghr/(2cosθ), burada ρ = yoğunluk, h = yükseklik, r = yarıçap, θ = temas açısı.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), eğimli bir arayüz boyunca basınç farkını tanımlar. R₁, R₂ ana eğrilik yarıçaplarıdır. Bir küre için (kabarcık, damlacık): ΔP = 2γ/R. Küçük kabarcıkların iç basıncı büyük olanlardan daha yüksektir. Örnek: 1 mm'lik bir su damlasının ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm) değeri vardır. Bu, köpükteki küçük kabarcıkların neden küçüldüğünü (gaz küçükten büyüğe yayılır) ve akciğer alveollerinin neden sürfaktana ihtiyaç duyduğunu (çökmelerini önlemek için γ'yı azaltır) açıklar.

Cıva: Güçlü kohezyon (metalik bağ, γ = 486 mN/m) >> cama zayıf adezyon → temas açısı θ ≈ 140° → boncuklaşır. Su: Orta düzeyde kohezyon (hidrojen bağı, γ = 72.8 mN/m) < cama güçlü adezyon (yüzeydeki -OH gruplarıyla hidrojen bağları) → θ ≈ 0-20° → yayılır. Young denklemi: cos θ = (γ_katı-buhar - γ_katı-sıvı)/γ_sıvı-buhar. Adezyon > kohezyon olduğunda, cos θ > 0, bu nedenle θ < 90° (ıslatma).

Hayır. Yüzey gerilimi her zaman pozitiftir—yeni yüzey alanı oluşturmanın enerji maliyetini temsil eder. Negatif γ, yüzeylerin kendiliğinden genişleyeceği anlamına gelir, bu da termodinamiği ihlal eder (entropi artar, ancak yığın faz daha kararlıdır). Bununla birlikte, iki sıvı arasındaki arayüzey gerilimi çok düşük (sıfıra yakın) olabilir: gelişmiş petrol kurtarmada, yüzey aktif maddeler petrol-su γ'sını <0.01 mN/m'ye düşürerek kendiliğinden emülsifikasyona neden olur. Kritik noktada, γ = 0'dır (sıvı-gaz ayrımı ortadan kalkar).