5월의 작은 선인장

과학에세이

최초 작성일 : 2005/01/03 05:41

1. 표면장력은 무엇인가?

표면장력을 이해하려면 분자 수준의 힘을 이해해야 합니다. 분자간의 힘은 여러 가지가 있지만, 일반적으로 분자 수준에서의 극성에 의한 전자기력과 반데르발스 힘에 기초하고 있습니다.
분자간의 힘은 같은 종류의 물질 사이에나 다른 종류의 물질 사이에도 모두 작용하고 있고, 종류는 인력과 척력이 있습니다. 전자기력은 인력과 척력이 존재하며, 반데르발스 힘은 인력만 존재합니다.

분자 사이의 힘의 크기는 분자들의 종류와 상태에 따라서 달라지는데 이 힘의 차이가 표면장력을 유도합니다.

물체 A,B,C가 한 점에서(혹은 선에서) 만난다고 고려해 보죠. A와 B가 서로 잡아당기는 인력이 A와 C가 서로 잡아당기는 인력보다 강하다고 한다면 자연계는 자연스럽게 에너지가 낮은 상태가 되기 위해서 A와 B가 더 많은 접촉면적을 갖게끔 상태가 변화하려고 합니다. 이러한 경향을 우리는 표면장력이라고 합니다.
잡아당기는 힘이 강할 경우 이 두 물체가 접근할 때 위치에너지가 더 많이 낮아지므로 자연적으로 더 강하게 붙으려고 합니다. 접촉 면적이 넓을수록 면적에 비례해서 잡아당기는 힘이 더 강할 것이므로 잡아당기는 힘이 강한 A와 B가 A와 C보다 더 넓을수록 에너지 상태는 더 낮아지게 됩니다.

2. 표면장력이 하는 일들

가. 고체에서의 표면장력
고체에서의 표면장력은 쉽게 볼 수 없습니다.
하지만 고체와 고체 사이에서의 표면장력이 약할 경우 고체 사이의 결합력이 약해지게 되고, 결국 쉽게 떨어지게 됩니다. 건축에 있어서 표면장력이 약한 두 물질을 붙여서 건물을 만들면 아주 쉽게 두 물질이 떨어져서 쉽게 부서지게 되서 부실공사가 될 것입니다.
금속 코팅 중에 금속과의 표면장력이 크고, 다른 물질과의 표면장력이 아주 약한 것이 있는데 그런 코팅은 표면이 더럽혀지지 않는 제품을 만들 때 많이 사용하고 있습니다.

나. 액체에서의 표면장력
액체와 액체 사이에서의 표면장력 관계를 살펴보면 재미있는 것을 알게 됩니다.
우선 물과 기름처럼 섞이지 않는 두 액체의 경우에는 표면장력이 작용하여 둥근 구 형태를 띄게 됩니다. 접촉 면적이 적은 것이 에너지 상태가 낮은 상태여서 자연계가 그쪽으로 진행하려고 하기 때문입니다. 만약 두 액체의 밀도가 똑같다면 하나의 액체 속에 다른 액체가 떠있게 됩니다. 그럴 경우에 무중력 상태라면 완전한 구 형태를 띄게 되는데 실험실에서라면 중력의 영향으로 위아래 방향으로 변형된 형태가 됩니다. 액체들이 각각 압축율이 다르기 때문입니다.

고체상태인 유리(엄밀히 고체는 아니다.)와 액체 상태인 물, 수은의 예를 들어보면 어떻게 표면장력이 작용되는지 쉽게 알 수 있습니다.
유리와 각 분자 사이의 인력은 물>공기>수은의 관계가 있습니다. 유리 그릇에 물을 넣으면 물이 공기보다 유리에 더 강하게 끌리므로 물이 유리그릇의 가를 따라서 약간 딸려 올라가게 됩니다. 이는 유리와 물의 접촉 면적을 늘려서 에너지 상태를 낮추려 하기 때문입니다.
반면 수은을 유리그릇에 넣으면 수은은 유리와 분자간 힘이 약하기 때문에 공기와의 접촉면적을 늘리기 위해서 접촉 면적이 유리그릇의 가에 따라서 오목하게 들어가게 됩니다. 당연히 수은과 유리의 접촉면적을 적게 만들려는 자연계의 자연스런 반응입니다.
이 때 중력 때문에 물의 경우 끌어올려지는 양이나 수은의 경우 밀려 내려가는 양이 제한되게 됩니다. 표면장력에 의한 힘과 중력이 같아지는 점에서 균형을 이루는 것입니다.
이러한 것을 이용해서 표면장력을 측정하게 되는데, 표면장력 실험은 참 재미있습니다. ^^

액화 헬륨의 경우를 한번 살펴보면 더 재미있습니다.
액화 헬륨의 경우 저온이 되면 초유체로 변하게 되는데, 초유체란 것은 점성(분자간 마찰력)이 0이 되는 액체를 말합니다. 그래서 초유체는 비점성 유체라고 부르기도 합니다. 따라서 초유체는 한번 움직이기 시작하면 계속해서 움직임을 멈추지 않게 됩니다. 이러한 현상은 액체 내에서 나타나는 열적 현상에 의해 존재하게 되는 움직이는 분자들에게도 적용됩니다.
액화 헬륨을 용기에 넣아두면 보통은 일반적인 액체처럼 행동하는데, 초유체가 되는 순간부터 특이한 일이 발생하게 됩니다. 액체 헬륨이 용기의 벽을 타고 위로위로 흘러올라가서 타고 넘처 밖으로 다 빠져나가게 됩니다. 위에서 유리와 물 혹은 수은이 만나면 표면장력과 중력의 평형점에서 솟아오르는 혹은 밑으로 내려가는 양이 결정된다고 했는데, 초유체의 경우 솟아오르는 두께를 얇게 만듦으로써 솟아오르는 높이가 (수학적으로) 무한대가 되더라도 전체 부피가 표면장력에 비교해 중력이 항상 작아지게 만듭니다.
따라서 액화 헬륨을 저장할 때에는 반드시 완전히 밀폐된 용기를 사용해야 합니다.

3. 김서림 방지 안경렌즈

가. 원리
김서림은 저온의 안경에 고온의 공기가 접촉될때 발생합니다. 공기 속의 수분이 순간적으로 냉각되면서 이슬점보다 온도가 낮아져 수분이 안경 표면에 맺히는 것입니다.
따라서 온도를 통제하지 못한다면 수분이 맺히는 것을 막을 수는 없고, 근본적으로 김서림을 방지할 수는 없습니다..
그럼 시중에는 어떻게 김서림 방지용 안경이 나오는 것일까요??

엄밀히 김서림 방지용 안경은 김은 서리는데 보이지만 않게 만드는 것입니다.
김서림 방지용 안경은 어떤 특수한 코팅이 되어있는데, 이 코팅된 물체는 물과 접촉하는 힘이 매우 강합니다. 따라서 김이 서릴 때 표면에 맺히는 물이 뿌옇게 맺히지 않고 엷게 퍼집니다.
결국 김서림이 많아지면 물이 렌즈의 밑에 맺혀서 뚝뚝 떨어질 수도 있습니다.

나. 단점
렌즈에 김이 설여서 물이 많이 맺히면 수분과의 표면장력과 코팅과 유리 사이의 표면장력 차이가 줄어들게 됩니다. 차이가 줄어들면 작은 충격에 의해서도 쉽게 코팅이 벗겨지게 되므로 결국은 렌즈를 사용할 수 없게 됩니다. 김설임 방지용 렌즈의 이러한 단점을 해결하려면 현재 나와 있는 코팅보다 유리와의 표면장력이 더 강한 코팅을 만들어야 합니다.
쉽지 않겠지만 문명이 계속 발전한다면 만들 수 있을지도 모르지요. ^^

4. 모세관서림 현상

모세관서림은 모세관 응축이라고도 불립니다.
여러가지 물질이 기체(증기)로 있다가 어떤 모세관과 만나면 모세관 속으로 들어가서 액화하는 현상을 말합니다.
모세관이란 것은 매우 크기가 작은 구멍을 말하며, 모세관이 많은 물질을 다공질 고체라고 부르며, 대표적인 물질로는 숯, 초벌구이 도자기 등이 있습니다. 모세관은 사방이 고체로 둘러쌓여 있으므로 모든 방향으로 표면장력을 받게 됩니다. 이럴 경우에 한 면이 고체와 만난 증기보다 표면장력을 훨씬 강하게 받습니다. 그래서 모세관에서 탈출하려면 에너지가 더 많이 필요하게 되죠.

에너지가 더 많이 필요하므로 같은 에너지를 갖는 증기가 액체의 형태로 전환될 수 있는 것입니다. 여기서 증기가 모세관으로 들어갈 때 갖고 있던 에너지와 표면장력이 강해지는 곳으로 이동하면서 증기가 덤으로 받게 되는 에너지를 합쳐서 모세관 속의 증기가 에너지를 갖게 되는데, 에너지가 더 높다는 것은 온도가 더 높다는 것을 의미하므로 시간이 흐르면 에너지가 온도가 낮은 외부로 방출되게 되고, 결국은 액화할 수 있게 되는 것입니다.

물론 주변과 숯의 에너지가 너무 높으면 모세관서림 현상은 발생하지 않겠죠.

모세관서림 현상의 대표적인 예는 숯 속에서 수증기가 물로 액화하는 현상을 들 수 있습니다.

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