Akışkanlar: Sıvı ve Gazların Temel Özellikleri

Akışkan kavramının tanımı

Akışkan, kayma gerilmesi altında sürekli şekil değiştiren maddedir. Kayma gerilmesi, bir yüzeye paralel doğrultuda uygulanan kuvvetin yüzeyde oluşturduğu etkidir. Katılar küçük bir şekil değişikliğinden sonra bu etkiye karşı koyabilir ve belirli bir biçimde kalabilir. Akışkanlarda ise kayma etkisi devam ettiği sürece madde katmanları birbirine göre yer değiştirir; bu yüzden akışkanın sabit bir şekli yoktur.

Bu davranışın nedeni, akışkan içindeki taneciklerin birbirlerine göre konum değiştirebilmesidir. Bir kabın içine su konulduğunda su, kabın tabanına ve duvarlarına uyacak biçimde yayılır. Kabın şekli değiştirildiğinde su da yeni şekle geçer. Aynı durum gazlar için de geçerlidir; fakat gaz tanecikleri birbirinden daha bağımsız hareket edebildiği için gaz, bulunduğu kabın kullanılabilir hacmine yayılır. Bir bardağa dökülen meyve suyu akışkan gibi davranır; bardağın biçimini alır ve eğildiğinde akmaya devam eder. Buna karşılık bir tahta parçası, yüzeyine paralel bir kuvvet uygulandığında sürekli akmak yerine sınırlı miktarda şekil değiştirir. Akışkanların hareketi ve akış türleri, bu temel özellikten sonra ayrıca incelenen bir konudur.

Sıvı ve gazların akışkan olarak karşılaştırılması

Sıvı ve gazların ikisi de akışkandır; ancak hacimlerini ve bulundukları ortamı kullanma biçimleri farklıdır. Sıvılar genellikle belirli bir hacmi korur, fakat bulundukları kabın biçimini alır. Bu nedenle ağzı açık bir kaba konan su kabın tabanına yayılır ve bir serbest yüzey oluşturur. Gazların belirli bir hacmi ve serbest yüzeyi yoktur; bulundukları kabın tamamına yayılarak kabın hacmini doldururlar.

Bu fark, taneciklerin birbirine göre hareket edebilme biçimiyle açıklanır. Sıvıda tanecikler birbirine yakın olduğundan sıvı kolayca şekil değiştirir, fakat dışarıdan sınırsız biçimde yayılmaz. Gazda tanecikler arasındaki boşluk daha fazla olduğundan gaz, bulunduğu ortamın her tarafına dağılabilir. Örneğin bir şişeye su konulduğunda su, şişenin yalnızca bir bölümünü doldurabilir ve üstünde hava için boşluk kalabilir. Şişeye gaz doldurulduğunda ise gaz, şişenin tamamına yayılır. Sıvıların ve gazların her ikisi de akabildiği için akışkandır; onları ayıran temel nokta, sıvının belirli hacim ve serbest yüzeyi korumasına karşılık gazın kabın tamamını doldurmasıdır. Bernoulli ilkesi ve akışkanlarda enerji, bu temel karşılaştırmanın ötesinde ele alınan bir konudur.

Akışkan basıncının tanımı

Basınç, bir yüzeye dik doğrultuda etki eden kuvvetin yüzey alanına oranıdır. Akışkan basıncı da akışkanın temas ettiği yüzeylere uyguladığı dik kuvvetin birim yüzeye düşen miktarını ifade eder. Aynı kuvvet daha küçük bir alana uygulanırsa basınç artar; aynı alana etki eden dik kuvvet büyürse basınç yine artar. Basınç bir kuvvet değil, kuvvetin yüzeye nasıl dağıldığını gösteren bir büyüklüktür.

Akışkanın tanecikleri temas ettikleri yüzeylere çarpar ve bu etkileşim yüzeye dik kuvvetler oluşturur. Durgun bir akışkanda belirli bir noktadaki basınç her yönde aynıdır; bu basıncın oluşturduğu kuvvet ise temas edilen yüzeye dik yöndedir. Örneğin suyla doldurulmuş bir kabın tabanı, suyun ağırlığından kaynaklanan bir basınç etkisiyle karşılaşır. Kabın yan duvarları da su tarafından itilir; çünkü su tanecikleri duvarla etkileşir. Aynı kuvvetin daha geniş bir yüzeye yayılması basıncı azaltırken daha dar bir yüzeye yoğunlaşması basıncı artırır.

Basıncın temel bağıntısı p = F_dik / A şeklindedir. Burada p basıncı, F_dik yüzeye dik kuvveti, A ise kuvvetin etkilediği yüzey alanını gösterir. Akışkan basıncında yüzeyin yönü, basınç kuvvetinin yüzeye dik olması bakımından önemlidir. Pascal ilkesi ve hidrolik sistemler ile kaldırma kuvveti ve Arşimet ilkesi, akışkan basıncının başka uygulamalarını ele alan ayrı konulardır.

Durgun sıvılarda basıncın derinlikle değişimi

Durgun bir sıvıda basınç, sıvının içinde aşağı doğru inildikçe artar. Bunun nedeni, daha derindeki bir noktanın üzerinde bulunan sıvı sütununun ağırlığını taşımasıdır. Derinlik arttıkça bu sıvı sütununun yüksekliği ve dolayısıyla ağırlığı artar; sıvı, daha aşağıdaki noktalara daha büyük bir basınç uygular. Bu sonuç, sıvının durgun olduğu ve yoğunluğunun konuma göre değişmediği temel durum için geçerlidir. Sıvının açık yüzeyindeki basınç p0 ise derinliği h olan noktadaki basınç p = p0 + ρgh bağıntısıyla ifade edilir. Burada ρ sıvının yoğunluğu, g yer çekimi ivmesi, h ise yüzeyden ölçülen derinliktir. Aynı sıvıda aynı derinlikte bulunan noktaların basınçları eşittir. Örneğin su dolu bir kabın alt tarafına açılan delikten çıkan su, üst tarafındaki bir delikten çıkan suya göre daha güçlü olabilir; çünkü alt delik daha derindedir.

Viskozite ve akmaya karşı direnç

Viskozite, bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği iç dirençtir. Akışkanın farklı katmanları birbirine göre hareket ederken aralarında sürtünme oluşur; ayrıca akışkan ile temas ettiği sabit yüzey arasında da direnç meydana gelir. Viskozitesi büyük olan akışkanın katmanlarını birbirine göre hareket ettirmek daha zordur. Bu yüzden viskozite, akışkanın ne kadar kolay ya da zor aktığını açıklayan temel özelliklerden biridir.

Meyve suyu düşük viskoziteli olduğu için kolay ve hızlı dökülür; şurup ise yüksek viskoziteli olduğu için daha yavaş akar ve kabın yüzeyine yapışabilir. Aynı koşullarda viskozite arttıkça akışa karşı direnç büyür. Bir akışkanın iki ucu arasındaki basınç farkı akışı sağlayan etkilerden biridir; viskozite büyüdüğünde aynı basınç farkıyla akışı sürdürmek zorlaşır. Bu nedenle daha viskoz bir sıvıyı bir borudan geçirmek için daha büyük basınç farkı gerekebilir. Viskozite, akışkanın türüne ve sıcaklığa bağlı olarak değişebilir. Örneğin motor yağı soğukken daha viskozdur; ısındığında viskozitesi azalır ve pompalanması kolaylaşır. Gazların viskozitesi genellikle sıvılarınkinden daha düşük değerlerdedir. Viskozite, akışın katmanları arasındaki sürtünmeyi ve yüzeyle etkileşimi açıklarken, akışkan basıncı yüzeye dik kuvvetin birim alana dağılımını ifade eder.

Günlük hayatta akışkan örnekleri

Su, meyve suyu, süt, yağ, bal ve şurup sıvı akışkanlara; hava, su buharı ve doğal gaz gaz akışkanlara örnektir. Bir içeceğin kolay dökülmesi ile şurubun yavaş ve yapışkan biçimde akması arasındaki fark, viskozitenin günlük hayattaki etkisini gösterir.