액체의 표면 장력과 모세관 현상

액체의 표면 장력과 모세관 현상

Surface Tension and Capillary Action of Liquid

 흔히 '물'이란 말을 들으면 예쁘고 둥글게 맺힌 모양을 떠올립니다. 실제로도 물이 완전하지는 않아도 구의 모양을 띠기 때문인데, 이는 왜일까요?

■ 표면 장력 (Surface Tension)

 표면 장력은 액체만 가지는 특별한 특징으로, 액체 표면이 최대한 작은 면적을 가지려는 성질입니다. 액체 표면의 입자는 내부에 있는 입자보다 접하고 있는 같은 상의 입자가 적습니다. 이 말은 입자신을 안정화시켜줄 다른 입자의 수가 적다는 뜻입니다. 따라서 액체의 표면에 있는 입자는 그렇지 않은 입자보다 불안정하고, 다른 상과의 접촉면을 최소화하기 위해 표면이 수축하게 됩니다. 

 위에서 말했듯 둥근 모양을 띠는 것도 표면적을 최대한 줄이기 위해서입니다. 다른 어떤 모양일 때보다 구일때가 제일 표면적이 작습니다. 이는 우주에서 물방울이 완전한 구형이 되는 것을 통해서도 더 확실하게 알 수 있습니다.

 표면 장력의 예시로는 흔히 나뭇잎 위에 맺힌 이슬과 소금쟁이를 떠올립니다.

<그림1>

<그림2>

 실제로도 두 예시에서 공통적으로 등장하는 물은 표면 장력이 강한 편에 속하는 액체이기도 합니다. 그러면 표면 장력에 영향을 끼치는 요인은 무엇일까요?

■ 표면 장력에 영향을 끼치는 요인

 표면 장력은 분자 사이의 힘으로부터 영향을 받습니다. 모든 액체가 표면과의 접촉을 최대한 줄이려 하는 것은 똑같습니다. 하지만 액체마다 분자 사이의 힘의 크기가 다르기 때문에 액체의 표면 장력의 크기는 달라지고, 이에 따라서 보이는 모습이 달라집니다.

 물이 표면 장력이 강한 액체인 것도 물은 수소결합 때문에 분자 사이의 힘이 강한 편에 속하기 때문입니다. 아래에서 볼 수 있듯이 분자 사이의 힘이 약한 에탄올은 그렇지 않은 물에 비해 더 넓게 퍼져있습니다.

<그림3>

 표면 장력에 영향을 주는 것이 분자 사이의 힘이므로, 분자 사이의 힘에 변화를 주면 표면 장력에도 변화가 일어나게 됩니다. 분자 사이의 힘을 바꿀 수 있는 대표적인 요인은 열이 있습니다. 열을 가하면 분자들의 운동이 활발해져 분자 사이의 힘이 약해지게 되므로 표면 장력은 변화하게 됩니다. 

 열 외에도 다른 요인이 있는데, 물에 비누를 넣을 경우, 비누는 물 사이에 발생하는 상호작용을 방해하기 때문에 표면 장력을 변화시킵니다. 이와 비슷하게 액체를 접촉시키는 면에 따라서도 표면 장력이 바뀝니다. 일반적인 접촉면일때보다는 유리판일때가, 유리판일때보다는 양초나 왁스를 칠한 접촉면일 때 물방울이 둥근 것을 볼 수 있습니다. 왜냐하면 양초나 왁스는 소수성인데, 이 점은 물이 접촉면을 더욱 줄이려 하게 하기 때문입니다.

■ 모세관 현상 (Capillary Action)

 지금까지는 표면 장력에 대해 알아봤습니다. 그러면 표면 장력에 의해서 일어나는 모세관 현상에 대해서도 알아보겠습니다. 모세관 현상은 매우 얇은 관을 액체가 그 틈을 따라서 올라가거나 내려가는 현상을 말합니다. 

 

 모세관 현상에는 두 가지 힘이 관여합니다. 그 두 힘은 액체 분자들 사이에서 서로 끌어당기려는 응집력과 액체 분자와 그 액체가 붙어있는 벽 사이에 작용하는 부착력입니다. 액체가 형성하는 경계면을 메니스커스라고 하는데, 응집력과 부착력 중 어느 쪽이 크느냐에 따라 메니스커스가 올라가느냐, 내려가느냐가 결정됩니다.

<그림4>

 물은 부착력이 응집력보다 강한 대표적인 액체입니다. 부착력이 응집력보다 크면 알짜힘이 계면을 상승시키게 되고, 이것이 균형을 이룰 때까지 반복됩니다. 그 결과 모세관 내부의 물의 수위는 외부의 물보다 높아지며, 벽면의 물이 윗쪽으로 솟아서 오목한 모양이 됩니다. 

 반면에 수은은 응집력이 부착력보다 강한 대표적인 액체입니다. 응집력이 부착력보다 크면 알짜힘은 물과는 반대롣 계면을 하강시킵니다. 이 역시 힘이 균형을 이룰 때까지 반복되며, 그 결과 모세관 내부의 수은 외부의 수은보다 낮아집니다. 그리고 벽면의 수은은 아래쪽으로 꺼져서 볼록한 모양이 됩니다. 

 모세관 내부의 액체가 얼마나 상승 또는 하강할지에 대한 식은 아래와 같습니다.

 

 h는 액체의 높이, γ은 표면 장력, θ는 접촉각, ρ는 액체의 밀도, r은 모세관의 반지름, g는 중력 가속도입니다.

■ 사진 출처

 (그림1) Photo taken by Michael Apel

 (그림2) Photo taken by Markus Gayda

 (그림3) 천재학습백과: http://koc.chunjae.co.kr/Dic/dicDetail.do?idx=11658

 (그림4) http://hendrix2.uoregon.edu/~imamura/102/section2/chapter13.html