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과학 및 공학/과학일반

표면장력(表面張力, surface tension)

by 쫄지 말고 자신 있게 2022. 10. 21.
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액체는 늘어난 고무풍선같이 수축하려는 막에 둘러싸인 것처럼 행동한다. 이러한 현상을 표면장력이라 한다.
표면장력은 액체의 인력에 의해 기인한다. 모든 분자들은 서로를 잡아당긴다. 중심에서는 모든 방향으로 동일하게 잡아당기지만, 표면에서는 바깥쪽으로 당기는 액체 분자가 없기 때문에 중심 방향으로만 당기게 된다.

표면장력은 분자간 인력에 의해 발생한다.
사진 출처: (좌) http://www.expertsystemsolutions.com/assets/GLOSSARIO/_resampled/resizedimage400170-ST1.jpg ,  (우) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Fluids/imgflu/surten2.gif

분자가 중심으로 모이려 하기 때문에 중심 가까이에 분자 수가 가장 많아지는 모양, 즉 구를 형성하게 된다. 구 이외 다른 모양은 단위 부피당의 표면적이 크다. 그래서 유체는 형태에 관계없이 분자 인력 때문에 유체를 끌어모아서 구를 만들려고 한다. 유체는 표면적을 최소화하려는 것이다.

표면이 수축하는 힘을 측정하는 방법은 한쪽이 움직일 수 있는 철사틀을 유체에 담근 후 꺼내면 철사틀에 막이 생긴다. 액체가 철사에 붙어 있어 막을 형성하지만, 이 막은 구형을 만들기 위해 철사틀의 움직일 수 있는 부분을 잡아당기게 된다. 액이 잡아당기는 힘은 추를 달아서 측정할 수 있다. 이 방법으로 측정하면, 온도가 일정할 때 동일한 유체에서는 철사틀의 크기와 상관없이 막의 힘이동부분 철사틀 길이의 비율이 일정하다는 것을 알 수 있다. 이 철사틀의 막은 표면이 둘(앞과 뒤)이므로 한 표면의 단위길이당 힘은 측정된 결과의 절반이 된다. 따라서 액체의 표면장력은 다음과 같이 표현한다.

표면 장력은 주변 기체의 종류 및 습도에 따라 미소하지만 영향을 받는다. 공기에 노출된 몇 가지 유체의 표면장력 값은 아래 표와 같다. (공기 온도 20℃)

유체 표면장력, lbf/in
Acetic acid 0.00016
Acetone 0.00014
Benzene 0.00016
Carbon tetrachloride 0.00015
Ethyl alcohol 0.00013
n-Octane 0.00012
Toluene 0.00016
Water 0.00043
Mercury 0.003   


또한 유체가 고체에 달라붙는 힘도 재질에 따라 다르다. 유체가 어떤 고체에는 강하게 붙지만 그렇지 않은 경우도 있다. 예를 들면 물은 유리에 강하게 붙지만, 폴리에틸렌에는 부착력이 약하다. 때문에 표면장력 문제는 아주 복잡하다. 
표면장력에 의해 발생하는 현상은 좁은 관에서 관찰할 수 있는 모세관 상승 현상과 액체 분사(스프레이 분사)가 대표적이다. 표면장력은 큰 표면적이 관여하는 시스템에서는 매우 중요하게 다루어야 한다. 마요네즈, 화장품 같은 에멀젼 시스템과 제올라이트 같은 다공질 매체를 통과하는 다상흐름(원유) 같은 예가 대표적이다.

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