Sıvı ve Gaz Basıncı

Sıvı Basıncı Nedir?

Katı maddelerin kendi ağırlıkları nedeniyle temas ettikleri yüzeye bir basınç uyguladıklarını öğrenmiştik. Benzer şekilde, sıvılar da ağırlıkları olan ve yer kaplayan maddelerdir. Ancak katıların aksine sıvılar akışkandır ve belirli bir şekilleri yoktur. İçine konuldukları kabın şeklini alırlar.

Bu akışkan yapıları nedeniyle sıvılar, sadece kabın tabanına değil, temas ettikleri bütün yüzeylere (kabın yan duvarlarına vb.) doğru bir kuvvet uygularlar. Sıvıların ağırlıklarından dolayı birim yüzeye dik olarak uyguladıkları bu kuvvete sıvı basıncı diyoruz.

Sıvı Basıncını Etkileyen Değişkenler

Sıvı basıncı, temel olarak iki önemli fiziksel kavrama bağlıdır: 1. Sıvının Derinliği 2. Sıvının Yoğunluğu

1. Sıvı Basıncı - Derinlik İlişkisi

Sıvı basıncı, sıvının derinliği ile doğru orantılıdır. Sıvının yüzeyinden aşağıya (derine) inildikçe basınç artar.

Bunu günlük hayattan veya basit deneylerden rahatlıkla görebiliriz. Özdeş iki kaba aynı sıvıdan (örneğin su) koyduğumuzu düşünelim. Birinci kapta 10 cm derinliğinde, ikinci kapta ise 30 cm derinliğinde su olsun. İkinci kabın tabanındaki suyun derinliği daha fazla olduğu için, tabana yapılan sıvı basıncı da daha büyük olacaktır.

Kitabınızdaki deneyde de bahsedildiği gibi, içi su dolu bir pet şişeye farklı yüksekliklerde (yukarıdan aşağıya doğru) delikler açtığınızı düşünün. En alttaki delikten fışkıran suyun diğerlerine göre çok daha uzağa gittiğini gözlemlersiniz. Bunun nedeni, en alt noktanın sıvının açık yüzeyine olan uzaklığının (yani derinliğinin) en fazla olması ve burada sıvı basıncının en yüksek seviyeye ulaşmasıdır. Yüksek basınç, suyu daha şiddetli ve daha ileriye doğru iter.

Önemli Bir Mühendislik Örneği - Barajlar: Barajlarda biriktirilen devasa su kütlelerinin derinliği arttıkça barajın duvarlarına uygulanan su basıncı da muazzam boyutlara ulaşır. Suyun en dip kısımlarında oluşan bu devasa basınca dayanabilmesi için mühendisler, baraj duvarlarını tasarlarken yukarıdan aşağıya doğru indikçe kalınlaşan bir yapı tercih ederler. Duvarın alt kısmı, artan su basıncına direnecek kadar geniş ve sağlam olmalıdır.

2. Sıvı Basıncı - Yoğunluk İlişkisi

Sıvı basıncını belirleyen diğer bir değişken ise sıvının yoğunluğudur. Sıvı basıncı, sıvının yoğunluğu ile de doğru orantılıdır.

Özdeş iki kabımız olsun. Bu kaplardan birini suyla (yoğunluğu 1 g/cm³), diğerini zeytinyağıyla (yoğunluğu yaklaşık 0,9 g/cm³) tam eşit seviyeye kadar dolduralım. Her iki sıvı da aynı derinlikte olmasına rağmen, su dolu kabın tabanındaki sıvı basıncı, zeytinyağı dolu kabın tabanındaki sıvı basıncından daha büyük olur. Çünkü suyun birim hacminin kütlesi (yoğunluğu) zeytinyağından daha fazladır, dolayısıyla aynı derinlikte daha fazla ağırlık oluşturur.

Yine delikli şişe deneyine dönecek olursak; aynı hizadan delinmiş iki şişeden birine normal su, diğerine yoğunluğu artırılmış çok tuzlu su koyalım. Bantları aynı anda açtığımızda tuzlu suyun, normal suya göre çok daha uzağa fışkırdığını görürüz. Yoğunluğu büyük olan sıvının aynı derinlikte uyguladığı basınç çok daha büyüktür.

Sıvı Basıncının Bağlı Olmadığı Faktörler

Sıvı basıncını incelerken çok yaygın yapılan bazı hatalar vardır. Sıvı basıncı, sıvının derinliğine ve yoğunluğuna bağlıyken; - Kabın Şekline: Sıvının bulunduğu kap ister çok geniş, ister ince uzun, isterse zikzaklı bir şekle sahip olsun, derinlik ve yoğunluk aynı olduğu sürece kabın tabanındaki sıvı basıncı değişmez. - Sıvının Miktarına (Hacmine): Büyük bir havuzdaki su ile ince uzun bir borudaki su aynı derinliğe sahipse, havuzun dibindeki su basıncı ile borunun dibindeki su basıncı tam olarak aynıdır. Su miktarının fazlalığı basıncı artırmaz. - Kabın Duruş Şekline: Kap yan çevrilmediği veya sıvının derinliği değişecek bir şekle getirilmediği sürece basınç sabittir.

Bileşik Kaplar: Alt kısımlarından birbirine bağlı farklı şekillerdeki kaplardan oluşan sistemlere bileşik kaplar denir. İçine sıvı konulduğunda, bütün kaplardaki sıvı seviyesi tamamen aynı olur (açık hava basıncının her yerden eşit etki etmesi sayesinde). Kolların şekli, eğimi veya kalınlığı ne olursa olsun, kapların taban noktalarındaki sıvı basınçları derinlikleri eşit olduğu için birbirine eşit olur.

Gaz Basıncı ve Açık Hava Basıncı

Sıvılar gibi, dünyamızı saran gazlar da ağırlıklarından dolayı temas ettikleri yüzeylere bir basınç uygularlar. Dünyamızın etrafını saran gaz tabakasına atmosfer denir. Atmosferdeki gaz molekülleri sürekli hareket halindedir ve kendi ağırlıklarıyla yeryüzündeki tüm cisimlerin üzerine bir kuvvet uygular. Havanın kendi ağırlığı nedeniyle birim yüzeye uyguladığı bu basınca Açık Hava Basıncı veya Atmosfer Basıncı adı verilir.

Torricelli (Toriçelli) Deneyi

Açık hava basıncının büyüklüğü ilk defa İtalyan bilim insanı Evangelista Torricelli (İvancelista Toriçelli) tarafından ölçülmüştür. Torricelli deneyini nasıl yaptı? 1. Deniz kenarında (deniz seviyesinde) ve 0°C (sıfır santigrat derece) hava sıcaklığında bu deneyi gerçekleştirdi. 2. Yaklaşık 1 metre uzunluğunda, bir ucu açık diğer ucu kapalı bir cam boruyu tamamen cıva ile doldurdu. 3. Cam borunun açık ucunu parmağıyla kapatarak ters çevirdi ve cıva dolu başka bir kabın içine batırdı. 4. Parmağını çektiğinde, cam borudaki cıvanın bir miktar aşağı indiğini, fakat belli bir seviyede (yaklaşık 76 cm hizasında) durup dengede kaldığını gördü.

Neden 76 cm'de durdu? Çünkü cıva dolu kabın açık yüzeyine etki eden açık hava basıncı, sıvıların basıncı iletme özelliği sayesinde cam borunun içindeki cıvayı yukarı doğru itti. Cam borunun içindeki cıvanın sıvı basıncı (ağırlığından kaynaklanan basıncı) ile dışarıdaki açık hava basıncı tam 76 cm yüksekliğinde eşitlenerek dengeye ulaştı. Bu olay sayesinde Toriçelli, deniz seviyesinde ve 0°C'de açık hava basıncının 76 cm-Hg (santimetre cıva) basınca eşit olduğunu kanıtlamış oldu. Açık hava basıncını ölçmeye yarayan aletlere ise barometre denir.

Açık Hava Basıncı - Yükseklik İlişkisi

Atmosferi oluşturan gazların yoğunluğu yeryüzüne (deniz seviyesine) yakın yerlerde yerçekiminden dolayı çok daha fazladır. Yükseklere doğru çıkıldıkça havanın yoğunluğu, dolayısıyla üzerimizdeki hava tabakasının kalınlığı (ağırlığı) azalır.

Bu durum sıvıların derinliğiyle benzerlik gösterir. Denizin dibinden yüzeye çıkıldıkça suyun basıncı nasıl azalıyorsa, deniz seviyesinden dağların zirvesine doğru çıkıldıkça da açık hava basıncı azalır. Dağcıların zirvelerde nefes almakta zorlanması, hatta bazen burunlarının kanamasının sebeplerinden biri açık hava basıncının azalmasıdır.

Günlük Hayatta Açık Hava Basıncı Örnekleri

Açık hava basıncını gözümüzle göremesek de etkilerini günlük hayatta sıkça hissederiz: - Meyve Suyu Kutusu: Pipetle içtiğiniz kutu içecek bittiğinde hala pipetten çekmeye devam ederseniz, kutunun içe doğru büzüldüğünü (çöktüğünü) görürsünüz. İçerideki havayı aldığınız için iç basınç düşer ve güçlü olan dışarıdaki açık hava basıncı kutuyu ezer. - Vantuzlu Askılar: Cama vantuzlu bir askı yapıştırdığınızda, içindeki havayı dışarı itersiniz. İçeride hava kalmadığı için dışarıdaki devasa açık hava basıncı askıyı cama doğru iter ve düşmesini engeller. - Bardaktan Dökülmeyen Su: Ağzına kadar su dolu bir bardağın üzerini pürüzsüz bir kağıtla kapatıp hava almayacak şekilde ters çevirdiğinizde suyun dökülmediğini görürsünüz. Çünkü aşağıdan yukarıya doğru kağıda etki eden açık hava basıncı, suyun aşağı doğru olan ağırlığını dengeleyecek kadar güçlüdür. - Şırınga ve Damlalık: Şırınganın pistonunu çektiğimizde içerisinde oluşan düşük basınç alanı sayesinde dışarıdaki açık hava basıncı, sıvıyı şırınganın içine doğru iter. Elektrik süpürgesi de içerisindeki havayı fırlatarak düşük basınç yaratır, tozlar ise bu sayede süpürgenin içine çekilir.