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 değişiklikler cismin yüzey alanı, kesit alanı, hacim, kütle ve dayanıklılık gibi özelliklerinin de değişmesine neden olur. Dolayısıyla önce düzgün geometrik cisimlerin kesit alanı, yüzey alanı ve hacimlerinin nasıl hesaplanacağını görelim.
Küp
Küp şeklindeki bir cismin şekli ve yüzey alanının açılımı 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
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
Yarıçapı r olan silindirin kesit alanı daire olduğundan;
Kesit alanı: SA = πxr2
Silindirin toplam yüzey alanı, daire biçimli taban ve tavan iki alan ile yan yüzey alanın toplamından bulunur.
Yüzey alanı: YA = 2xr2 + 2πxrxh dir.
Silindirin hacmi, taban alanı ile yüksekliğinin çarpımına eşittir.
Hacim: V = πxr2xh
Küre
r yarıçaplı kürenin merkezinden geçecek şekilde kestiğimizde, daire şeklinde en büyük kesit alanını elde ederiz.
Bu kesit alanı: SA = πxr2 dir.
Yüzey alanı: YA = 4xπxr2 dir.
Hacim: V = 4/3xπxr2
Dayanıklılık
Üzerine bir kuvvet uygulanan bir cisim bu kuvvete karşı bir direnç gösterir. Ancak kuvvetin belli bir değerinden 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 maddenin cinsine bağlıdır.
Cisimlerin boyutları orantılı olarak artırıldığında dayanıklılıkları 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 aynı özelliğe bir insan sahip olsaydı 70 kiloluk bir insanın 3500 kg taşıyabilmesi gerekirdi. İnsanın bu kadar ağırlığı taşımasının mümkün olmadığını biliyoruz. Peki acaba bir karınca orantılı olarak büyütülerek insan boyutlarına getirilmiş olsa yine ağırlığının 50 katı bir yükü taşabilir miydi? Öğrendiklerimizin ışığında bu sorunun cevabını birlikte araştıralım:
Bir cismin kesit uzunluğu artırıldığında cismin dayanıklılığı artışın karesi ile doğru orantılı olarak artarken cismin hacmi ve kütlesi artışın küpü ile doğru orantılı olarak 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 dayanıklılıkları farklılık arz eder. Küçük yapılı canlılar kendi ağırlıklarının kat kat fazlasını rahatlıkla taşıyabilirken fil, gergedan gibi iri yapılı hayvanlar bu oranda ağırlık taşıyamazlar. Bunun da ötesinde kendi ağırlıklarını taşıyabilmeleri için vücutları özel tasarlanmıştır.
Sonuç olarak, bir cismin dayanıklılığı, boyut değiştirme 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 dayanıklılıkları küçük olur. Sonuç olarak, cisimlerin ebatları (üç boyutu) orantılı bir şekilde hangi oranda artırılırsa, dayanıklılıkları o oranda azalır. Cisimlerin ebatları orantılı bir şekilde azaltıldığında ise dayanıklılıkları o oranda artar.
Doğadaki Özel Yüzey: Küre Yüzeyi
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 anlamına gelir. Küre ile ilgili bu özelliği şu şekilde özetleyebiliriz: eşit hacimli, kapalı cisimlerden yüzey alanı en küçük olanı küredir.
Kürenin bu özeliğini, “Eşit büyüklükteki yüzey alanlarından en büyük hacmi küre çevreler.” şeklinde de ifade edebiliriz.
Dünyamız gibi diğer gök cisimlerinin şeklinin küresel olması da küreye ait bu özellikle ilgilidir.
Yalnızca gök cisimlerinde değil, çevremizde de küresel yüzeylerle sıkça karşılaşırız. Örneğin musluktan damlayan su taneciği, yere düşen yağmur damlaları ve yaprakların üzerinde kalan su damlaları küresel şekil alırlar.
Yüzey Alanı - Hacim İlişkileri
Maddenin bir özelliği olarak incelediğimiz, yüzey alanı - 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 soyulduğunda, küçük boy patateslerden elde edilen kabukların daha fazla olduğu görülür. Bu durum bize, küçük boyutlu cisimlerin yüzey alanlarının büyüklere göre daha fazla olduğunu gösterir. Yani küçük varlıkların yüzey 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 geçirir.
- Küçük hayvanlar hasarsız düşer.
- Küçük hayvanlar daha çok yiyecek tüketir.
Doğadaki canlılar dikkatlice incelendiğinde birçok canlının ihtiyaçları, vücut özellikleri ve yaşam biçimlerinde 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 dışarıya atabilmeleri için yüzey alanlarının ve metabolizmalarının buna cevap verebilecek nitelikte olması gerekir ki doğadaki tüm canlılar bu özeliklere göre yaratılmıştır.
Örneğin, fare gibi yüzey alanının hacmine oranı büyük olan canlıların enerji kaybı fazla olacağından metabolizmaları hızlı çalışır. Buna karşın fil gibi yüzey alanının hacmine oranı küçük olan canlılar, fazla enerjilerini dışarıya verebilmek için vücutlarında yüzey alanlarını artıracak fiziksel özelliklere ihtiyaç duyarlar. Fillerin kulaklarının büyük olması bu nedenledir.
Bazı hayvanların, bulundukları ortamla olan ısı dengesi, büyük kulakları ile gerçekleşirken, bazılarınınki uzun kuyrukları sayesinde olur. Sincap da bu hayvanlardandır. Kuyruğu, daldan dala atlarken yaptığı hızlı hareketlerde, sincabın dengesini sağlamasına yardımcı olur. Aynı zamanda vücut sıcaklığının dengelenmesinde de etkilidir.
Küçük Hayvanlar Hasarsız Düşer
Büyük yapılı canlılar ile küçük yapılı canlılar belirli yükseklikten düşerlerse, küçük yapıda olanlar daha az zarar 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 olacaktır.
Örneğin; bir böceğin yüzey alanı ile hacim oranı onun ağaçtan güvenli bir şekilde düşmesine elverişli iken bir leoparın yüzey alanı ile hacim oranı buna 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 dayanıklılıklarını, 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 olduğundan, kendi ağırlığını bile taşıyamamaktan dolayı hareket edemeyecektir. Ayrıca Dünya’daki benzerlerine oranla 10 katı büyüklüğe sahip canlılar, vücut sıcaklıklarını dengeleyemez dolayısı ile hayatlarını da sürdüremezler.
Benzer olarak normal insan boyutlarından 10 kat küçük 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 getiren tanecikler katılarda olduğu gibi birbirlerine göre sabit konumlarda değildir.
Tanecikler arasındaki çekim kuvvetleri katılarda olduğu kadar güçlü olmaması nedeniyle sıvı tanecikleri birbirlerinin üzerinden kayarak konumlarını değiştirebilir. 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 kuvvetine 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 ağırlık 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 kuvvetidir.
Bu kuvvetler katılarda olduğu gibi bir sıvıya belli bir şekil ve biçim verebilecek kadar büyük değildir. Fakat belli bir hacim verirler. Bahsedilen bu küçük moleküller 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 düşmeyeceğini gözlemleyelim. Eğer su damlaları uygun büyüklükte ise su damlalarının tabağa yapışarak düşmediğini görürüz. Bu durum su tanecikleri ve tabak arasında bir çekim kuvveti olduğunu gösterir.
Farklı maddelerin tanecikleri arasındaki bu çekim kuvvetine de adezyon (yapışma) kuvveti denir. Kısaca adezyon, bir cismin başka bir cisim üzerine yapışmasıdır.
Ters çevirdiğimiz tabaktan su damlalarının düşmemesinin nedeni su tanecikleri ile tabağın yapıldığı maddenin 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 yüzeylerde ise daha küçüktür. Araba kaputuna ve bitki yapraklarına yapışan su damlaları resimde görülmektedir.
Kohezyon Kuvveti
Bir damlalığa birkaç damla su çektikten sonra temiz bir tabağa bir damla su damlatınız. Su damlasının küreye yakın bir şekilde küçük bir su topu gibi durduğunu görürsünüz. Su taneciklerini bu şekilde bir arada tutan kuvvet, su molekülleri arasındaki elektriksel çekim kuvvetidir.
Tüm maddelerin molekülleri arasında var olan bu çekim kuvvetine kohezyon kuvveti denir. Şimdi bir kaç damlayı birbirine yakın olacak şekilde tabağa damlatınız. Bir çatalın ucuyla dokunarak damlaları birbirlerine yaklaştırdığınızda damlaların kolayca birleşerek daha büyük bir damla oluşturduğunu görürsünüz.
Damlaların bu şekilde birleşmesi su molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetlerinin etkisidir. Ancak damla büyüdükçe şekli bir küre gibi olamaz ve daha yassı bir şekil alır. Bu da yerçekimi kuvvetinin kohezyon kuvvetinden büyük olması sebebiyledir.
Bir kap içindeki sıvıların kaba temas eden kenar kısımları eğikleşir. Bu eğiklik sıvının türüne göre değişiklik gösterir. Örneğin bir miktar su, bir cam kaba konulduğunda suyun kaba değen kısımlarının yukarıya doğru kıvrıldığı görülür. Bunun nedeni adezyon kuvvetinin kohezyon kuvvetinden büyük olmasıdır.
Yüzey Gerilimi
Durgun hâldeki sıvıların yüzeyleri çok ilginç bir davranışta bulunur. Sıvı yüzeyleri 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 bırakıldığında 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 davranır. Bir sıvı yüzeyinde, bu yüzeyin gerilmesine neden olan etkiye yüzey gerilimi denir. Bir sıvı yüzeyinin neden gergin ve esnek bir zar gibi davrandığı, sıvı yüzeyindeki moleküllere etki eden kohezyon kuvveti ile açıklanabilir.
Sıvı içindeki bir moleküle şekilde görüldüğü gibi her yönde bir çekim (kohezyon) kuvveti etki eder. Bu durumda sıvı içlerindeki bir molekül üzerindeki kuvvetlerin birbirini dengeleyerek molekülün dengede olduğu söylenebilir.
Ancak yüzeydeki moleküllere etkiyen kuvvetler dengelenmemiş olmaları nedeniyle sıvı üzerine bir baskı uygularlar. 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 damlalarının 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 moleküle etkiyen kuvvetlerin bileşkesi sıvının içine doğrudur. Yüzeydeki moleküllerin bu şekilde içeriye doğru uygulanan bir kuvvete maruz kalmasıyla sıvının yüzeyi mümkün olduğunca küçülür. Diğer bir deyişle sıvılar yüzey alanını küçültme eğilimi gösterirler. Yüzey - hacim oranının en küçük olduğu şekil küre olduğu için sıvı tanecikleri küre şeklinde olmaya eğilimlidir.
Su içine batırılan bir fırçanın tüyleri su içinde dağınık ve serbest hâlde olurken su dışına çıkarıldığında tüyler birbirine yapışır. Aynı durum deniz ya da havuza dalan bir kişinin saçlarında da görülür. Su altında saçları serbestçe dalgalanırken su dışına çıktığın da saçlar birbirine yapışık bir görünümde olur. Bu iki durumda da sıvıların yüzey gerilimi sonucudur.
Bir tabağa su doldurun, üzerine de biraz karabiber ekin. Daha sonra bulaşık deterjanına sürdüğünüz parmağınızın ucunu su yüzeyine değdirin. Karabiber taneciklerinin parmağınızı değdirdiğiniz noktadan hızlı bir şekilde uzaklaştıklarını göreceksiniz. Kara biberlerin 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 yüzeyindeki bu gerilimi düşürür.
Yani su yüzeyine birazcık bulaşık deterjanı değdirdiğinizde, o bölgedeki yüzey gerilimini düşürmüş olursunuz. 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 belirler.
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 kirli ve tozlu yüzeylerde su damlalarının daha rahat tutunduklarını 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 olmasındandır.
4. Sabun ve Deterjan
Sıvıların yüzey geriliminin azalması, sıvıların diğer maddelerle etkileşmesini kolaylaştırır. Günlük yaşamımızda kullandığımız temizlik maddelerinin, sıvıların yüzey gerilimini azaltarak, suyun maddeyi ıslatmasının artırmasının yanında kirlere daha iyi nüfuz etmesini sağlar. Sabun, suyun bu yüzey gerilimini 4, 5 kat azaltır. Hem deterjan hem de sıcak su bir araya gelirse kirlerin temizlenmesi daha kolay olmaktadır.
5. Suya Tuz Karıştırmak
Suya tuz karıştırmak suyun yüzey gerilimini artırır. Bunun nedeni, tuz ile su molekülleri arasındaki çekme kuvvetinin artmasından kaynaklanmaktadır.
6. Karışımlar ve Çözeltiler
Çözeltiler ya da farklı sıvı karışımları her zaman su-deterjan çözeltilerinde olduğu gibi yüzey gerilimini azaltmaz. Bazen de durum bunun tam tersi olabilir. Karışımlardaki su oranı arttıkça sirke asidi ve etil alkolün yüzey gerilimleri artar.
Kılcallık
Bir sıvı içine batırılan ince borularda sıvıların yükseldiği veya tam tersi olarak sıvı seviyesinin azaldığı görülür. Bu olay da kohezyon ve adezyon kuvvetlerinin etkisi ile gerçekleşir. Örneğin cam ile su arasındaki adezyon kuvveti, suyun kohezyon kuvvetinden büyüktür. Bu nedenle yeteri kadar ince bir cam boru, su içine batırıldığında cam boru içindeki su seviyesi yükselir, Metrelerce yükseklikteki ağaçların en üst dallarının ucundaki yapraklara suyun ulaşması bu şekilde gerçekleşir.
Cam ile cıva arasındaki adezyon kuvveti, cıvanın kohezyon 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 yükseleceği ya da alçalacağı, sıvının yüzey gerilim kat sayısı ile doğru orantılı; sıvının yoğunluğu, yer- çekim ivmesi ve borunun yarıçapı ile ters orantılıdır.
Bir kağıt parçasının, bir kesme şekerin ya da pamuklu bir kumaş parçasının bir ucu su içine batırıldığında suyun bu ortamlarda yükseldiği görülür. Kâğıt peçetelerde de aynı durum gözlenebilir. Bu durum kılcallık etkisi sonucu gerçekleşir.
Bir cam kaba konulan suyun kohezyonu kabın uyguladığı adezyondan küçük kalır. Böylece su cama yapışır ve camı ıslatır. İnce bir boru içerisindeki su ise boru çeperleri tarafından çekilerek adezyonun sıvı ağırlığı 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 yüksekteki yaprağa kadar yükselir.
Gazlar
Sıvılar ve gazlar akışkanlar olarak da isimlendirilir. Sıvı ve gazlar arasındaki en belirgin fark, gaz molekülleri arasındaki uzaklıkların, sıvı molekülleri arasındaki uzaklıklardan çok daha fazla olmasıdır. Gaz molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri, sıvı ve katılara göre çok daha az olması sebebiyle gaz molekülleri rahatça hareket eder.
Bir miktar gaz bir kapalı kaba bırakıldığında gaz molekülleri kabın her tarafına 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 tabakasıdır. 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 hâlindeki bu iki etki altındadır. Bu etkinin dengede olmaması durumunda yaşam için kaçınılmaz olan atmosfer olmazdı. Örneğin yerçekimi bir an için olmasa kinetik enerjileri nedeniyle atmosferdeki tüm gazlar uzaya yayılır ve atmosfer diye bir şey kalmazdı.
Eğer yerçekimi kuvveti şu andakinden daha fazla olsaydı 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 atmosferi bizim yaşamımıza uygun dengede tutar.
Sonuç olarak birçok hava olayının gerçekleştiği atmosfer, Güneş enerjisi ile beslenirken bir yandan da yer çekimi kuvvetiyle dengelenir.
Atmosferdeki gazlar zamanla kinetik enerjilerini yitirerek yerçekimine yenilip yeryüzüne yığılabilir. Ancak Güneşten gelen enerji gaz moleküllerine yeniden kinetik enerji kazandırır.
Güneşten gelen enerjiyi alan bir gaz molekülü 1600 km/h lik bir süratle yukarılara doğru hareket ederek atmosfer tabakasının uygun kalınlıkta kalmasını sağlar. Güneşten sürekli gelen enerji ve gaz molekülleri üzerindeki 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 damlacıkları da atmosferde bulunan sıvıya örnek olarak verilebilir.
Atmosferde çok küçük katı parçacıklarda bulunur. Boyutlarının küçük olmaları nedeniyle bu katı parçacıklar uçucu hâlde bulunurlar. Atmosferdeki katı taneciklerin çeşitli kaynakları vardır. Çeşitli nedenlerle ufalanmış taş parçacıkları, mineral kırıntıları, maden parçacıkları, bitki sporları ve parçacıkları, tuz kristalleri, karbon parçacıkları ve uzaydan gelen tozlardır. Tuz kristalleri özellikle fırtınaların etkisi ile denizlerden atmosfere karışır.
Yukarılara çıkıldıkça atmosferin yoğunluğu azalır. Atmosferdeki gazların % 50 si 5 - 6 km yüksekliğin altında toplanmıştır. % 75 i 11 km yüksekliğin altında, % 90 ı da 18 km yüksekliğin altında, % 99 u ise 30 km yüksekliğin altındadır. Atmosferin kalınlığı 560 km ye kadar ulaşır. Ancak bu kalınlığın dışında da çok az miktarda da olsa gaz molekülü olabilir.
Atmosferi Oluşturan Gazlar
Atmosferdeki gazların kütle olarak yüzdesi grafikteki gibidir. Grafikten de anlaşıldığı gibi atmosferdeki gazların toplam kütlesinin % 78'i azot (nitrojen), % 21 'i de oksijenden oluşur. Geriye kalan % 1’lik kısmını ise argon 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. Atmosferde, 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 hangi sıcaklık ve basınç değerinde ölçüldüğü ile birlikte verilir. Tabloda da görüldüğü gibi gazların yoğunlukları 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 dördüncü olarak plazma hâli de vardır. Katılar ısıtılınca moleküllerinin hızları artmaya ve birbirlerinden uzaklaşmaya başlar. Yeterli enerjiyi kazanan moleküller arasındaki çekim azalınca katı sıvıya dönüşür.
Enerji kazanmaya devam eden moleküller arasındaki çekim iyice azalınca artık moleküller serbestçe hareket etmeye başlar. Bu ise maddenin gaz hâlidir. Isıtılarak enerji almaya devam eden madde moleküllerinin elektronları da molekülü terk etmeye başlar. Bu durumda madde iyonlaşmış moleküllerden ve elektronlardan 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 rastlamamıza 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 elektronlar vardır. Elektronların 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 atomlarından elektron kopmasını sağlayacak enerjiye ihtiyaç vardır. Bunun da birden fazla yolu bulunur. Örneğin ısı, ışık ve elektrik enerjisi yardımıyla bir gaz iyonize olarak plazma hâle geçebilir.
Sıcak ve Soğuk Plazmalar
Plazmalar genellikle sıcaklıklarına göre sıcak plazmalar 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 delme 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 iletiminde
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 olayını bir bütün olarak görebilmek için, oluşma zamanlarında uzaydan bakmak gerekir.
Auroralar, kutup bölgelerinden kısmen gözlemlenebilir. Güney kutbundan görülebilenlere güney ışıkları ya da aurora australis, kuzey kutbundan görülenlere kuzey ışıkları ya da aurora borealis denir.
Güneş’in Dünya atmosferi üzerindeki etkilerinin en belirgin şekilde görülebilmesine yol açan bu doğa olayının temel kaynağı, Güneş lekelerine neden olan Güneş patlamalarıdır.
Güneş dev bir plazma küresidir. Bu dev plazma küresinden kopup Güneş rüzgârlarıyla Dünya’mıza gelen elektrik yüklü parçacıkların Dünya atmosferine yapabileceği muhtemel etkiler Dünya’nın manyetik alanı tarafından engellenir. Bu manyetik alana manyetosfer denir.
Güneş’ten gelerek atmosfere ulaşan yüklü parçacıkların büyük bir kısmı Dünya'nın manyetik alanının etkisine girer. Bunun sonucu olarak da Dünya’nın manyetik kutuplarına doğru çekilir. Yüklü parçacıklar kutup bölgelerinde, atmosferde bulunan oksijen ve azot atomlarıyla çarpışarak onların iyonize olmasını sağlar. Böylelikle ışımalar gerçekleşir.
Bu ışımalar gökkuşağından çok daha ilginç renk tayfları şeklinde gözlemlenir. Bu renk tayfları özellikle yay, bulut ve çizgi şeklinde atmosferden yaklaşık 100 ile 1000 km aralığındaki uzaklıklarda oluştuğundan, büyük bir kısmını göremeyiz.