표면장력은 어떠한 원리로 생기는 건가요?

Question

안녕하세요.

물에 생기는 과학질문을 드리겠습니다.

물에 관련된 표면장력은 어떠한 원리로 생기는 장력인가요?

그리고 그런 표면장력은 어떻게 구할 수 있나요

Answer 1

안녕하세요. 홍기윤 과학전문가입니다.

표면장력이 생기는 가장 큰 원인은 분자간에 서로 당기는 힘이 있기 때문입니다

물가운데 있는 물분자는 사방에서 서로 당겨주니까 힘의 평형이 유지되지만 가장자리에 있는 물분자는안으로만 끌려들어가고 바깥에서는 당기는 힘이 없으니까 표면에는 더 강한힘이 생기게 됩니다

물방울의 표면장력은 rP/2(r:물방울반지름,P:물방울내부압력)가 됩니다

Answer 2

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

표면장력은 액체의 표면을 작게 하려고 작용하는 힘입니다. 이런 것을 크게 계면장력이라고 하는데요. 표면장력은 그 중에서 액체의 표면에 작용하는 힘입니다. 액체의 분자들은 인력 즉, 서로 잡아당기는 힘에 따라 서로 접촉하여 모여듭니다. 그렇지 않으면 기체처럼 뿔뿔이 흩어져버릴 것입니 다. 분자들의 인력에 의해 모인 결과가 둥근 모양입니다. 둥근 모양이 표면적이 제일 작기 때문입니다. 거울에 김이 서리는 것은 쉽게 말해 거울 표면에 물방울이 방울지게 붙어 있어 여기에 빛이 난반사되어 불투명하게 보이는 것입니다. 계면활성제는 표면장력을 감소시키는 물질을 말합니다. 김서림 방지제와 같은 계면활성제는 표면장력을 감소시켜 거울 표면에 있는 물방울들을 강제로 합칩니다. 물방울이 거울 표면에서 방울지게 하지 않고 퍼지게 만드는 것입니다. 물방울들이 합쳐져 평평하고 투 명한 막을 만들기 때문에 잘 보이게 되는 것입니다.

물방울 내부의 압력이 반지름 r인 물방울을 깨뜨리려는 힘은 물방울 내부압력 P가 물방울의 단면적 πr²에 작용하는 힘이므로 πr²P가 되고

표면장력이 물방울을 유지하려는 힘은 표면장력 σ가 단면의 둘레 2πr에 작용하는 힘이므로 2πrσ가 되어 이 두 힘이 균형을 이루면

πr²P = 2πrσ

따라서 물방울의 표면장력은

σ = rP/2

Answer 3

안녕하세요. 과학전문가입니다.

액체상의 물질은 자유로이 팽창할 수 없으므로, 다른 액체나 기체와의 사이에 표면을 생성하게 된다. 이 때 액체표면에 존재하는 장력을 표면장력이라 합니다.

단위면적당 표면자유에너지를 표면장력이라 할 수 있고, 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다.

Answer 4

액체의 표면(혹은 계면)을 최소화하는 방향으로 작용하는 힘을 말한다.

모든 방향에서 분자 간의 인력이 작용하여 안정된 내부(bulk)와는 달리 표면의 분자는 내부(bulk) 방향의 인력과 표면(surface) 방향의 인력이 다르게 작용하므로 표면 자유 에너지(surface free energy)를 추가적으로 가지며, 대개는 양의 값을 가지므로 이를 최소화하는 방향으로 변화하려 한다.

소금쟁이는 이 힘을 이용해서 물에 뜬다. 표면장력을 이용하는 실례로 중학교 과학교과서에 단골로 등장한다. 응용 실험으로 수면에 동전 띄우기 실험도 있다. 매우 가벼운 일원 주화나 십원 주화[6]를 사용한다. 동전 대신 클립도 많이 쓰는 편. 물수제비도 같은 원리이다.

상술한 바와 같이 계면활성제를 물에 넣으면 표면장력이 약해져 표면장력에 의해 떠 있던 물체가 가라앉는다.

Answer 5

안녕하세요. 과학전문가입니다.

서로 다른 물질이 만나는 경계면은 두 물질이 서로 상호작용으로 잘 섞인다면 존재할 수 없습니다. 두 물질이 섞이지 않고 경계면을 가지고 있다는 것은 경계면을 유지하는 에너지(힘)이 작용하고 있다는 의미입니다. 어떠한 액체의 분자가 녹지 않은 가스나 다른 액체 사이에 상호작용이 발생하면 계면이 형성됩니다. 이렇게 형성된 계면이나 표면의 형태를 바꾸기 위해서는 에너지가 필요합니다. 이렇게 표면이나 경계면을 바꾸는데 요구되는 힘을 계면장력 또는 표면장력 이라고 부르는 것입니다. 표면장력을 측정하느 방법에는 'Ring Method'와 Critical Micelle Concentration 방법이 있습니다.

Answer 6

안녕하세요.

표면 장력은 액체가 외부의 힘에 저항하고 모양을 유지하게 하는 액체의 특성입니다. 이는 액체 분자 사이의 분자 결합이 액체 내부보다 표면에서 더 강하기 때문입니다.

물의 표면 장력은 물 분자 사이의 수소 결합 때문입니다. 이러한 수소 결합은 액체의 표면이 피부처럼 작용하여 액체를 서로 붙잡고 액체가 분리되는 힘에 저항하는 장력을 생성합니다.

표면 장력은 액체 표면을 부수는 데 필요한 힘을 측정한 다음 그 힘을 부러진 길이로 나누어 계산할 수 있습니다. 이렇게 하면 단위 길이당 힘 단위로 표면 장력을 측정할 수 있습니다.

액체의 표면 장력을 측정하는 데 사용되는 다양한 기기와 기법에는 윌헬미 플레이트 방법, 펜던트 드롭 방법, 듀 누이 링 방법 등 여러 가지가 있습니다. 이러한 각 방법은 액체의 표면을 변형시키는 데 필요한 힘을 계산하여 표면 장력을 측정한 다음 표면 장력을 결정하는 데 사용됩니다.