표면 장력 (surface tension)

표면 장력 (surface tension)

액체의 표면은 응집 (cohesion)으로 인해 서로 당기는 힘이 발생하는데 이를 표면 장력 (surface tension) 이라 한다.

액체의 표면이 서로 당기게 되므로 결과적으로 표면이 가장 작아지는 형상이 되는데 예로 무중력 상태 (혹은 자유 낙하중인) 의 물방울의 형상이 원형이 된다.

다른 대표적인 예로 소금쟁이가 물에 떠다니는 현상이 있다. 

  

여기서는 역학적으로 분석을 해본다.

비누방울과 물방울의 예

비누방울에서 내부의 압력이 외부의 압력보다 높으므로 비누방울은 팽창하려하고 표면 장력은 이를 지지한다.

아래의 반구에서 실선에 작용하는 힘은

압력차에 의해 밀어내는 힘 = π r^2 (Pi - Po)

표면 장력에 의해 당기는 힘 = 2T x 2πr

T : ( 단위 길이당 ) 표면 장력 (예로 mN/m, 미리뉴턴 퍼 미터)

* 비누방울은 내부가 비어있으므로 표면 장력이 내측과 외측 모두 작용하여 2를 곱한다.

위 두 힘이 같다고 하면

비누방울 (bubble) 의 경우 

π r^2 (Pi - Po) =  2T x 2πr

Pi - Po = 4T / r

물방울 (droplet) 의 경우는 표면장력이 외측만 작용하므로  

π r^2 (Pi - Po) =  T x 2πr

Pi - Po = 2T / r

표면 장력 표

표면 장력의 물질의 종류에 따라 다르며 아래와 같다.

다양한 액체의 표면 장력 (공기 중에서)
dyne/cm = mN/m

액체	온도 °C	표면 장력, γ
글리세롤	20	63
다이에틸 에테르	20	17.0
물	0	75.64
물	25	71.97
물	50	67.91
물	100	58.85
메탄올	20	22.6
수은	15	487
아세톤	20	23.7
아세트산	20	27.6
아세트산 (40.1%) + 물	30	40.68
아세트산 (10.0%) + 물	30	54.56
아이소프로판올	20	21.7
n-옥테인	20	21.8
염산 17.7M 수용액	20	65.95
염화나트륨 6.0M 수용액	20	82.55
에탄올	20	22.27
에탄올 (40%) + 물	25	29.63
에탄올 (11.1%) + 물	25	46.03
자당 (55%) + 물	20	76.45

참고문헌

https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_tension

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/surten2.html#c2

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%91%9C%EB%A9%B4%EC%9E%A5%EB%A0%A5