표면 장력의 정의와 실생활 속의 예

표면 장력의 정의와 실생활 속의 예

표면 장력의 정의

표면 장력은 액체의 표면이나 혹은 계면을 최소화하는 방향으로 작용하는 힘을 말합니다. 액체 분자 사이의 응집력은 표면 장력이라고 알려진 현상이 원인입니다. 분자 간의 인력은 모든 방향에서 작용하므로 안정된 내부와는 달리 표면의 분자는 내부 방향의 인력과 표면 방향의 인력이 다르게 작용하므로 표면 자유 에너지(surface free energy)를 추가적으로 가지며, 대개는 양의 값을 가지므로 이를 최소화하는 방향으로 변화하려 합니다. 결과적으로 물컵의 표면에 있는 분자들은 분자들과 직접적으로 연관된 분자들과 더 강하게 결합합니다. 이를 자세히 살펴본다면, 물의 표면 장력은 각각의 분자가 근처의 분자들과 결합을 형성하기 때문에 물 분자들이 서로 끌어당긴다는 사실에서 기인합니다. 하지만 표면에서 가장 바깥의 분자 층은 매달릴 분자가 적기 때문에, 이웃들과 더 강한 결합을 맺음으로써 보상하고, 이것이 표면 장력의 형성으로 이어집니다. 물 분자는 서로 달라붙으려고 하는 특성이 있습니다. 하지만 표면에는 위에 공기가 있기 때문에 매달릴 물 분자가 더 적습니다. 즉 이로 인해 실제로 서로 접촉하는 분자와 강하게 결합된 물 층 사이의 더 강한 결합이 야기됩니다. 이 표면 장력에 의해 유지되는 표면층은 대기와 물 사이에 상당한 장벽을 형성합니다. 그리고 사실상 수은을 제외한다면, 물은 어떤 액체보다 가장 큰 표면 장력을 가지고 있습니다. 액체 안쪽에서, 분자는 이웃 분자들에 의한 힘이 모두 상쇄되기 때문에 제대로 된 힘을 내지 않을 것입니다. 하지만, 액체 표면에 있는 분자의 경우 위에서 작용하는 인력이 없기 때문에 순수한 내부의 힘이 나올 수 있을 것입니다. 이 안쪽의 순력은 표면의 분자들이 수축하고 늘어나거나 부서지는 것에 저항할 수 있도록 도와줍니다. 따라서 표면은 장력을 받고 있으며, 이것이 아마도 표면 장력이라는 이름이 탄생한 유래일 것일 것으로 보입니다. 표면 장력이 있기 때문에, 물 위에 있는 물체가 물 분자의 위층을 뚫고 나갈 수 없는 작은 물체일 경우에 이런 물체들은 여전히 유체의 표면 위에 떠 있을 것이며, 물체가 유체의 표면에 있는 동안 장력을 받는 유체의 표면은 탄성 막처럼 행동할 것입니다. 즉 이렇게 액체의 분자 사이의 응집력은 이웃하는 모든 분자와 공유되는데, 표면에 있는 것들은 위아래에 이웃하는 분자가 없기 때문에, 표면 위아래에 있는 가장 가까운 이웃들에게 더 강한 인력을 보여줄 수 있다는 것입니다. 결론적으로 표면 장력은 물 분자의 응집력 덕분에 생기는, 액체 표면에 발생하는 외부 힘에 저항할 수 있는 힘이라고 정의할 수 있습니다.

표면 장력의 예시

그렇다면 이런 표면 장력의 예시는 무엇이 있을까요?

첫 번째로 물 위를 걷는 작은 곤충들이 있습니다. 표면 장력의 가장 대표적인 예시 중 하나인 소금쟁이는 여러 요인들이 복합적으로 작용하여 물 위를 걸을 수 있습니다. 소금쟁이는 물의 높은 표면 장력과 길고 소수성이 강한 다리를 사용하여 물 위에 머물 수 있기 쉬운 몸을 하고 있으며, 고도로 적응된 다리와 분산된 무게를 통해 이 표면 장력을 유리하게 사용할 수 있습니다. 소금쟁이의 다리는 길고 가늘어서 물갈퀴 몸체의 무게가 넓은 표면에 분산될 수 있습니다. 다리는 튼튼하지만, 물줄기가 무게를 고르게 분산시키고 물의 움직임에 따라 흐를 수 있는 유연성을 가지고 있으며, 물을 막아주는 털들이 소금쟁이의 몸 표면에 줄지어 있습니다. 이렇게 소금쟁이 같은 작은 곤충들은 그들의 무게가 물의 표면을 관통하기에 충분하지 않기 때문에 물 위를 걸을 수 있습니다. 두 번째로 물에 떠있는 작은 물건들입니다. 물 위에 조심스럽게 놓여진 작은 바늘은 비록 물보다 몇 배는 더 밀도가 높지만 물 표면에 뜰 수 있습니다. 다만 표면이 흔들려서 표면 장력이 떨어지면 바늘은 빠르게 가라앉게 됩니다. 세 번째는 텐트입니다. 일반적인 텐트 재료는 물의 표면 장력이 미세하게 짜여진 재료를 이용해서 어느 정도 방수 효과를 가지며 비에 강합니다. 하지만 텐트 재료를 손가락으로 만지면 표면 장력이 깨져서 빗방울이 떨어지게 됩니다. 네 번째로 황달 임상시험도 있습니다. 보통 소변의 표면장력은 약 66 dynes/cm이지만 담즙이 존재하면 약 55까지도 떨어집니다. 그 차이를 이용하여 소변검사로 황달을 확인하는 것 또한 가능합니다. 다음으로 표면 장력을 이용한 소독제가 있습니다. 소독제는 일반적으로 표면 장력이 낮은 용액입니다. 이것은 그들이 박테리아의 세포벽에 퍼지고 그들을 방해할 수 있게 도와줍니다. 그리고 비누와 세제 또한 물의 표면 장력을 낮춰줍니다. 그 덕에 더러운 부분에도 더 쉽게 스며들 수 있게 되며, 결론적으로 옷 세탁을 도와주는 효과를 가져옵니다. 뜨거운 물을 세탁에 사용하는 가장 큰 이유 중 하나는 표면장력이 낮고 더 좋은 습윤제이기 때문입니다. 하지만 세제가 표면 장력을 낮추면 온수를 사용하지 않아도 충분히 좋은 세정 효과를 가져올 수 있습니다.