모세관현상과 표면장력 환경공학과 20061464 변민석

모세관현상과 표면장력 모세관현상 모관현상이라고도 한다. 액체의 응집력과 관과 액체 사이의 부착력의 차이에 의해 일어난다. 수은과 물에 유리관을 넣었을 때, 수은은 관과의 부착력보다 응집력이 더 강하기 때문에 액면이 볼록해진다. 반면, 물은 응집력보다 부착력이 더 강하기 때문에 액면이 오목해진다. 표면이 볼록하면 관 안의 액면이 바깥의 액면보다 낮아지고, 오목하면 관 안의 액면이 더 높아진다. 즉, 수조에 담긴 물에 가는 관을 넣으면 관을 따라 물이 올라오게 된다. 반대로 수은은 더 내려가게 된다. 어느 경우에나 안팎의 액면의 높이는 가 된다. 여기서 T는 표면장력, θ는 접촉각, r은 관의 반지름, ρ는 액체의 밀도, g는 중력가속도이다. 액면의 상승 또는 하강의 접촉각을 측정하고 이 관계식을 이용하면 표면장력을 구할 수 있다.

모세관현상과 표면장력 여기서 T는 표면장력, θ는 접촉각, r은 관의 반지름, ρ는 액체의 밀도, g는 중력가속도이다. 액면의 상승 또는 하강의 접촉각을 측정하고 이 관계식을 이용하면 표면장력을 구할 수 있다. 이 현상은 자주 볼 수 있는 자연현상으로서, 흡수지나 천에 물이 저절로 스며드는 것도 흡수지나 천의 섬유가 모세관 구실을 하여 물을 빨아올리기 때문이다. 식물의 뿌리에서 흡수된 수분이나 양분이 식물체 전체에 퍼지는 것도 역시 이 현상 때문이다. 모세관 현상이란, 가는 관(모세관)을 따라 액체가 흡수되는 현상이다. 식물이 물관을 통해 물을 흡수하는 것, 종이나 헝겊 또는 스펀지 등에 물이 흡수되는 것 등이 모세관 현상의 예가 된다.

모세관현상과 표면장력 모세관 현상은 액체와 관 사이의 부착력이 좋고, 액체의 표면 장력이 클수록 잘 일어난다. 부착력이 없다면 액체가 관에 붙어있지 않을 것이므로 모세관 현상은 일어나지 않을 것이다. 그리고 부착력이 있다 해도 표면 장력이 작다면(즉, 분자 간 인력이 작다면), 관과 접촉하는 액체 외에는 액체가 더 이상 흡수되지 않을 것이다. 그러나 표면 장력이 크면 관과 접촉하여 부착된 액체 주변의 액체 분자가 분자 간 인력에 의해 끌려 오게 되므로 흡수가 잘 일어나게 된다. 물은 극성을 띠고 있어 다른 물질과 부착력이 좋은 편이고, 표면 장력 또한 크다. 그래서 물에 가는 관을 넣으면 물이 흡수되어 가는 관을 따라 상승하게 된다. 물은 물분자와 유리관 사이의 부착력이 물분자 사이의 응집력보다 크므로, 유리관과 접하는 수면은 약간 올라 있다. 물의 양쪽 끝이 부착력에 의해서 올라가고 난 후, 표면장력에 의해 가운데 부분이 올라온다. 그리고, 또다시 물의 양쪽 끝이 부착력에 의해서 올라가고, 표면장력에 의해 가운데 부분이 올라오면서 물은 상승하게 된다. 이것이 바로 모세관 현상이다. 그러나, 수은은 부착력보다 응집력이 더 크므로 유리관과 접하는 부분이 약간 내려가 있다. 물과는 정반대 현상이다. 그러므로 수은은 물과는 달리 상승하지 못하고 내려가게 된다.

모세관현상과 표면장력 표면장력 액체를 구성하는 분자는 서로 끌어당기는 인력이 있다. 만약 인력이 없다면 액체는 유한한 크기를 가질 수 없다. 반대로 분자 사이의 거리가 특정 거리보다 작아지면 분자사이에 반발력이 작용한다. 따라서 액체는 기체처럼 크게 압축할 수 없다. 그림에서 A지점의 유체 분자는 인력과 척력이 평형상태에 있기 때문에 작용하는 알짜 분자력이 0이다. 그러나 B지점, 즉 표면에 있는 유체 분자에는 유체 내부로 향하는 방향으로 인력이 작용하지만 표면에서 바깥 방향으로 균형을 이룰 인력이 없다. 따라서 유체 내부로 향하는 알짜 분자력이 존재한다. 이렇게 내부로 향하는 분자력은 액체 표면을 팽팽히 잡아당긴다. 예를 들어, 거미줄에 매달려 있는 물방울의 모습, 작은 동전이나 소금쟁이가 물 위에 떠다니는 모습, 풀잎 위의 빗방울이 퍼지지 않고 굴러가는 모습을 보면 액체의 표면은 팽팽히 잡아당겨진 막의 특성을 나타낸다.

모세관현상과 표면장력 비눗방울이나 액체 속의 기포 물방울 등이 둥근 모양이 되는 것은 이 힘이 액면에 작용하기 때문이며, 용기의 가장자리에 액체가 넘쳐 올라간 모양이 되어 쏟아지지 않는 것도 액체 표면에 장력이 작용하기 때문이다. 수면에 떨어뜨린 기름방울이 금방 퍼지는 것은 물의 표면장력이 기름의 표면장력보다 커서 기름층이 물의 표면장력에 의해 잡아 늘여지기 때문이다. 일반적으로 표면장력은 액면의 작은 더러움에도 영향을 받으며, 이물질이 있는 액체 표면에는 액체 내부와는 관계 없이 표면장력의 크기에 기인하는 독자적인 운동이 나타난다. 표면장력의 세기는 액면에 가정한 단위길이의 선의 양쪽에 작용하는 장력에 의해 표시한다. 그 값은 액체의 종류에 따라 결정되는 상수이지만 온도에 따라서도 변한다. 예를 들어, 20℃에서 알코올, 물, 비눗물, 글리세린, 수은의 표면장력은 각각 약 0.0223, 0.07275, 0.025, 0.063, 0.465 N/m(뉴턴 퍼 미터)이다. 한편, 이 값은 온도가 올라감에 따라 감소한다. 예를 들어, 물의 표면장력은 10℃에서 0.07422, 20℃에서 0.07275, 30℃에서 0.07118, 40℃에서 0.06955 N/m로 달라진다. 또 어떤 종류의 물질이 액체에 녹으면, 그 액체의 표면장력이 작아질 수 있다. 비누를 물에 녹였을 때가 대표적 예이며, 이런 종류의 물질을 표면활성물질(表面活性物質)이라고 한다.

모세관현상과 표면장력 표면장력의 생성원인 액체의 분자간 인력의 균형이 액면 부근에서 깨지기 때문에 액면 부근의 분자의 위치에너지는 액체 속의 분자보다 더 크다. 이로 인해 액체는 표면적에 비례하는 표면 에너지를 가지게 되는데, 이 에너지를 최소로 만들려는 작용이 표면장력으로 나타난다. 따라서 표면장력은 단순히 액체의 자유표면뿐만 아니라 섞이지 않는 액체의 경계면, 고체와 기체, 고체와 고체의 접촉면 등 표면의 변화에 대한 에너지가 존재할 때 보편적으로 생기는 현상이다. 이 때문에 계면장력(界面張力)이라고도 한다. 표면장력의 단위인 N/m을 차원으로 분석해 보면 이것은 단순히 힘이 아니라 힘을 길이로 나눈 값이다. 또한 N/m = N·m/m2 = J/m2 이므로 단위면적당 에너지로 표현할 수도 있다. 물질의 평형상태는 가장 낮은 에너지 상태에 해당하며, 따라서 표면장력은 단위면적당 표면에너지를 가장 낮게 하려는 작용에서 비롯된다고 할 수 있다.