표면장력

오늘은 유체역학에서 기본인 표면장력에 대해서 알아보는 시간을 갖겠다.
표면장력(surface tension)은 액체의 표면이 스스로 수축하여 되도록 작은 면적을 취하려는 힘의 성질을 뜻한다. 가장 쉬운 예를 들면, 소금쟁이와 같은 곤충이 물 위에 걸을 수 있는 것도 이 속성에서 비롯된다. 또 다른 예를 말하자면, 바늘 등의 금속 물질, 포일 조각, 면도 칼날과 같은 조그마한 물체들이 물 표면 위에 뜨는 것을 들 수 있다. 이는 모세관 현상과 밀접한 관계가 있다.

분자 사이에 작용하는 힘에 따라 분자가 서로 응축하려고 하면서 모이고, 이러한 결과 표면적이 적은 원 모양이 되려고 한다. 물방울이나 비눗방울이 둥근 것도 표면장력의 원리에 따른 것이라고 볼 수 있다.
표
표면장력은 온도가 오르면 낮아지는 특성을 가지고 있다. 온도가 오르면 분자 운동이 활발하게 되는 것도 이와 관련이 있으며, 불순물에 의해서도 영향을 받는다.

 

표면장력은 측정기를 통해 측정할 수 있다. 또한, 액체의 화학적, 물리적 작용은 표면 장력을 고려하지 않으면 이해가 불가능하다.

실생활에서의 표면장력은 수은> 물> 비눗물> 에탄올 순으로 표면 장력이 크게 나타난다. 비누나 합성 세제와 같은 계면활성제는 물에 녹아서 물의 표면 장력을 감소시키는 성질을 가지고 있다. 표면장력이 클수록 분자 간의 인력이 강하기 때문에 증발하는 데 많은 시간이 걸린다.

 

표면장력의 열역학 정의
열역학에 대한 표면장력의 뜻은 넓다.
표면장력은 온도와 장력에서 바뀌지 않는 상태에 있는 기브스 자유 에너지에 대한 면적의 편미분이라고 볼 수 있다.
기브스 자유 에너지의 단위는 에너지 단위이며, 표면장력의 단위는 에너지/면적이다.

 

물의 표면장력
물은 수소 결합에 의해 분자 간의 인력이 크게 나타나기 때문에 다른 액체에 비해 표면 장력이 크다. 물의 표면 장력을 감소시키는 간단한 실험이 있다. 바늘이 떠 있는 물에 계면 활성제인 비눗물이 묻은 손가락을 넣으면 비누가 물의 표면 장력을 약화하므로, 물 위에 떠 있던 바늘이 가라앉게 되는 현상이 나타난다. 그리고 비눗물과 접촉한 부분에서 물의 표면 장력이 감소하면서 물 분자들이 인력이 강한 쪽으로 이동하므로, 바늘은 비눗물이 묻은 손가락으로부터 밀려난다.

 

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