ARAYÜZEY GERILIMI: TANIM, DENKLEM, BIRIMLER VE ÖLÇÜM - FIZIKSEL - 2025

Yüzey gerilimi (γ), bir faz (katı veya sıvı) ve başka bir (katı, sıvı veya gaz) arasındaki temas yüzeyi üzerine uygulanan birim uzunluk başına net bir güçtür. Net kuvvet, temas yüzeyine dikeydir ve fazların iç kısmına doğru yönlendirilir.

Fazlardan biri gaz olduğunda buna genellikle yüzey gerilimi denir. Temas halindeki fazlar birbirine karışmaz, yani bir çözüm oluşturmak için birlikte çözülemezler. Fazlar arasındaki temas bölgesi, arayüz adı verilen geometrik bir ayırma yüzeyidir. Arayüzey gerilimi, arayüzde bulunan moleküller arası kuvvetlerden kaynaklanır.

Hava ile temas halindeki bir sıvının molekülleri arasındaki kuvvetler

Arayüzey gerilimi, birçok arayüz fenomeninde ve emülsiyon üretimi ve yağ üretimi gibi işlemlerde önemli bir rol oynar.

Tanım

Arayüzün özellikleri, temas halindeki fazların içindeki özelliklerle aynı değildir, çünkü farklı moleküler etkileşimler ortaya çıkar çünkü bu bölgede hem bir faza hem de diğerine ait moleküller vardır.

Bir faz içindeki moleküller, benzer özelliklere sahip olan komşu moleküllerle etkileşime girer. Sonuç olarak, net iç kuvvet sıfırdır çünkü çekici ve itici etkileşimler tüm olası yönlerde aynıdır.

İki faz arasında yüzeyde bulunan moleküller, aynı fazdan moleküller tarafından çevrilidir, ancak aynı zamanda diğer fazdan komşu moleküller tarafından çevrelenir.

Bu durumda, net kuvvet sıfır değildir ve daha fazla etkileşimin olduğu fazın içine doğru yönlendirilir. Sonuç, yüzeydeki moleküllerin enerji durumunun, faz içindeki enerji durumundan daha büyük olmasıdır.

Arayüz boyunca birim uzunluk başına içe doğru hareket eden net kuvvet, arayüzey gerilimidir. Bu kuvvet nedeniyle, moleküller kendiliğinden enerjiyi en aza indirme eğilimindedir ve her hacim birimi için yüzey alanını en aza indirir.

İş ve enerjiye dayalı tanım

Bir molekülü içten yüzeye çekmek için moleküle etki eden kuvvetlerin net kuvveti aşması gerekir. Diğer bir deyişle, arayüz yüzeyini artırmak için çalışma yapılması gerekir.

Arayüz bölgesini artırmak için gerekli kuvvet. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Net moleküller arası kuvvet ne kadar büyükse, yapılacak iş o kadar büyük ve enerji girişi o kadar büyük olur. Bu nedenle, arayüzey gerilimi, aşağıda belirtildiği gibi, işin bir işlevi veya enerjinin bir işlevi olarak da tanımlanmaktadır:

Arayüzey gerilimi, arayüzde bir birim alan oluşturmak için gereken iştir. Benzer şekilde, arayüzey gerilimi, oluşturulan birim alan başına gereken serbest enerji olarak tanımlanır.

Denklem ve arayüzey gerilim birimleri

Moleküller arası net kuvvetin bir fonksiyonu olarak arayüzey geriliminin denklemi şöyledir:

γ = F / 2l

Arayüzey geriliminin azalmasının nedeni, sıcaklık arttıkça moleküllerin termal hareketindeki artışa bağlı olarak kinetik enerjinin artmasıdır.

Arayüzey geriliminin ölçülmesi

Temas halindeki fazların karakteristik özelliklerine ve deneysel koşullara göre en uygun olanı seçilebilecek arayüzey geriliminin farklı deneysel ölçüm yöntemleri vardır.

Bu yöntemler arasında Wilhelmy plaka yöntemi, Du Nouy halka yöntemi, asılı bırakma yöntemi ve döner damla yöntemi bulunur.

Wilhelmy plaka yöntemi

Bir alüminyum veya cam plaka üzerine sıvı fazın yüzeyinin uyguladığı aşağı doğru kuvvetin ölçülmesinden oluşur. Levha üzerine uygulanan net kuvvet, ağırlık artı çekme kuvvetine eşittir. Plakanın ağırlığı, bir cihazla plakaya tutturulmuş burulmaya duyarlı mikro terazi ile elde edilir.

Du Nouy halka yöntemi

Bu yöntemde, bir metal halkanın yüzeyini sıvı yüzeyden ayırma kuvveti, ölçümden önce halkanın tamamen sıvıya daldırılması sağlanarak ölçülür. Ayırma kuvveti, arayüzey gerilimine eşittir ve yüksek hassasiyetli bir terazi kullanılarak ölçülür.

Damla kolye yöntemi

Bu yöntem, bir kılcal damladan sarkan bir damlanın deformasyonunun ölçülmesine dayanır. Düşme asılı iken dengede tutulur çünkü çekme kuvveti, damlanın ağırlığına eşittir.

Damlanın uzaması, damlanın ağırlığı ile orantılıdır. Yöntem, ağırlığı nedeniyle damlanın uzama uzunluğunun belirlenmesine dayanmaktadır.

Damla kolye yöntemi

Dönen damla yöntemi

Dönen damla yöntemi, emülsiyon ve mikroemülsiyon üretim işlemine uygulanan çok düşük arayüzey gerilimlerini ölçmek için çok kullanışlıdır.

Başka bir sıvıyla dolu kılcal bir tüpün içine daha az yoğun bir sıvı damlasının yerleştirilmesinden oluşur. Düşme, eksen üzerindeki düşüşü uzatan ve gerilme kuvvetine karşı çıkan büyük bir hızla dönen bir hareket nedeniyle bir merkezkaç kuvvetine maruz kalır.

Arayüzey gerilimi, damlanın geometrik şekli, deforme olan boyutlarından ve dönme hızından elde edilir.

Referanslar

1. Tadros, T F. Uygulanan Yüzey Aktif Maddeler. Berkshire, İngiltere: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. van Oss, C J. Sulu Ortamda Arayüzey Kuvvetleri. Florida, ABD: Taylor & Francis Group, 2006.
3. Şekil, L ve Teixeira, A A. Gıda Fiziği: Fiziksel Özellikler - Ölçme ve Uygulamalar. Almanya: Springer, 2007.
4. Anton de Salager, R E. Arayüzey Gerilimi. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
5. Speight, J G. Handbook of Petroleum Product Analysis. New Jersey, ABD: Jhon Wiley & oğulları, 2015.
6. Adamson, AW ve Gast, A P. Yüzeylerin Fiziksel Kimyası. ABD: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
7. Künt, M J. Geçirgen Ortamda Çok Fazlı Akış: Gözenek Ölçekli Bir Perspektif. Cambridge, İngiltere: Cambridge University Press, 2017.