Su, tüm canlılar için şüphesiz en önemli yaşam kaynağını oluşturuyor. Ancak, suyun önemi sadece yaşamsal ihtiyaçlarımızla sınırlı kalmıyor. Buharla birlikte gelen sayısız icat yaşamımızın birçok alanında yerini almış, yaşam standartlarımızı ve imkânlarımızı çok ötelere taşımıştır. Atalarımızın ateşin üzerinde suyu kaynatıp ortamı ısıtmaya çalışmalarıyla başlayan bu serüven, günümüzde termik santrallere kadar geldi, artık ısı enerjisini mekanik enerjiye çevirebiliyoruz.
Hepimizin hemen hemen her gün şahit olduğu gibi su kaynamaya başladığında içinde kabarcıklar oluşmaya başlar ve bu kabarcıklar suyun içinde adeta bir aşağı bir yukarı dans ederler. Peki, su nasıl kaynar ve bu baloncuklar neden oluşur?
Süper hidrofobik yüzey kaynamış suda baloncuk oluşumunu engellerken (sol), bu nanokaplamanın yapılmadığı bilye yüzeyinde baloncuk oluşumu gözleniyor (sağ). © Ivan Vakarelski
Su ısıtılmaya başlandığında içindeki erimiş oksijen yoğunlaşır ve bulunduğu kabın dibinde küçük baloncuklar oluşturarak yüzeye doğru yükselmeye başlar. Su için kaynama normal şartlar altında, sıcaklık 100 ˚C civarında iken oluşan baloncuklarla belirlenir. Bu olay, 1756 yılında Johann Gottlob Leidenfrost tarafından keşfedilmiştir. Ancak laboratuvar koşullarında sıcaklık 100 ˚C’ in üzerine çıkarıldığında, su önce sütunlar şeklinde buharlaşmaya ve kabın yüzeyinde yükselmeye başlar. Sıcaklık daha da arttırılırsa kabın dibindeki su bir katman halinde buharlaşır ve bu olay film kaynama olarak adlandırılır. Başka bir deyişle, su tabakasının altında tamamen buhardan oluşmuş bir tabaka daha meydana gelir ve bu tabaka sıvı haldeki su ile ısı kaynağı arasında bir tampon görevi görerek ısı transferini keser. Bu sıcaklık noktası Leidenfrost noktası, bu film kaynama etkisi de Leidenfrost etkisi olarak adlandırılır. İşte çok kızgın bir metalin üstüne damlamış su damlasının hemen buharlaşmamasının ya da ütünün sıcaklığına bakmak için parmağımızı ıslatmamızın nedeni budur. Bu etkiyi öğrencilerine kanıtlamak isteyen Profesör Jearl Walker (Cleveland State University) ise tüm cesaretiyle elini 454 ˚C’ deki kurşuna sokuyor:
454 °C Kurşuna Elini Sokarsan Ne Olur…
Peki, baloncuklar olmadan kaynama mümkün müdür?
Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nde (Thuwai) çalışan Ivan Vakarelski ve Nortwestern Ünivesitesi’nden (Evanston) çalışma arkadaşları suya dayanıklı iyi yapılandırılmış bir yüzey sayesinde, kaynama sırasında oluşan bu baloncukların önemli ölçüde engellenebildiğini keşfettiler ve araştırmalarının sonuçlarını 2012 yılında yayınlanan “Nature” dergisinde (Nature 2012; 489, 274-277) sundular.
Baloncuk oluşumunu engellemek için iki santimetre büyüklüğündeki çelik bir bilyeyi suya dayanaklı, süper hidrofobik olarak bilinen bir madde ile kaplayan araştırmacılar, bu kaplamanın özel organik bileşiklerden ve küçük nanoparçacıklardan oluştuğunu belirtiyorlar ve bu bilyeyi 400 ˚C’ ye kadar ısıtılmış suyun içine daldırıyorlar. Aniden bilye etrafında su buharından oluşan ince bir film meydana gelirken, süper hidrofobik nano kaplama sayesinde bilye yüzeyinde hiç baloncuk oluşmuyor. Nano kaplamanın uygulanmadığı çelik bilye suya daldırıldığında ise hızlıca çok sayıda baloncuk oluştuğu gözlemleniyor. Yani süper hidrofobik yüzeyler, Leidenfrost etkisi olarak adlandırılan ısı yalıtımını sağlayan “film buhar fazını” stabilize ederek baloncuk oluşumunu engellerken, diğer yüzeylerde bu durum yerini günlük yaşamımızda sık sık şahit olduğumuz kabarcık oluşumuna bırakıyor.
Günümüzde termik santrallerde meydana gelen tehlikeli baloncuk oluşumu doğru bir işletme kontrolü ile en aza indirilmeye çalışılıyor. Ancak gelecekte buhar kazanlarının yüzeylerinin daha iyi yapılandırılmasıyla emniyet daha da artırılabilir. Elektrik üretiminde termik santrallerin yeri ve önemi düşünülecek olursa, Vakarelski ve meslektaşlarının bu keşifleri, buhar gücü ile enerji elde edilen işletmeleri daha güvenli ve emniyetli hale getirebilir.
Senem SAĞLAM – 23.02.2014
Hacettepe Üniversitesi Eğitim Fakültesi OFMA Anabilim Dalı Yüksek Lisans Öğrencisi
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Kaynaklar:
- Ivan U. Vakarelski et al., “Stabilization of Leidenfrost vapour layer by textured superhydrophobic surfaces“, Nature, DOI: 10.1038/nature11418
- Oliver Löfken Jan. Kochen ohne blubbern. (Eylül 2012). http://www.wissenschaft-aktuell.de/
- http://de.wikipedia.org/wiki/Dampfkraftwerk . Erişim Tarihi: 23.02.2014
- http://www.dailymotion.com/video/xgtrwb_454-c-kursuna-elini-sokarsan-ne-olur-leidenfrost-etkisi_tech
