표면장력, 표면에너지, 계면장력, 계면에너지에 대한 자세한 설명

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여기에서는 표면장력에 대해서 가능한 쉽고 자세히 설명을 하고자 한다.

 

이 부분은 헷갈릴 수 있는 여지가 많이 있으나 

상당히 기본적이고 중요한 부분이니, 끝까지 잘 읽어주었으면 한다.

 

우선 표면장력이 자연에서 나타나는 대표적인 예는 아래와 같이 물방울이 동그랗게 형성되는 현상이다.

[Image from animal pictures of the week_ 2 March 2012 - Telegraph]

 

이는 마치 물방울과 공기 사이의  계면(interface)이 마치 고무줄과 같은 장력을 갖고 있기 때문이다.

  

여기서 계면은 표면(surface)과 비슷한 개념으로 물체 사이에 형성되는 면을 의미한다. 

(여기서는 물과 공기사이의 면을 의미한다.)

 

고무줄은 모두 알다시피 늘리면 다시 줄어든다. 

액체도 이와 마찬가지로 이미 늘려져 있는 것과 같은 장력을 가지고 있다.

 

이를 이해하기 위해, 아래의 그림을 이해하는 것이 효과적일 거라 생각한다.

위의 그림 (a)와 같이 9개의 물분자가 사각형으로 배열되어 있다고 생각하자.

이들 물분자들은 서로서로를 끌어당기는 인력을 가지고 있고, 

이 인력을 모두 (a)에 검은 화살표로 표시하였다.

이 인력들의 합력을 각각 물분자에 대해 표현하면 그림 (b)와 같이 될 것이다.

이 부분을 이해하는 것이 제일 중요한데...

 

결과적으로 물분자들이 서로 끌어당겨서,  전체의 표면적을 줄이는 방향으로 힘이 작용하고 있는 것이다.

 

그리고 이렇게 힘이 작용하면 그림 (c)와 같이 원의 형상을 최종적으로 가지게 될 것이다.

원이 주어진 부피에서 가장 작은 표면적을 가지는 도형이기 때문이다.

이것이, 힘적인 관점에서 바라본 표면 장력이다.

 

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이번에는 에너지적인 관점에서 바라보자.

 

사실 이 부분은 개날연님이 블로그에 잘 정리를 해두셨기에 이 블로그를 참고하면 될 듯 하다.

 

 

다만, 요약하자면, 표면에 있는 물분자들은 최대로 결합할 수 있는 결합의 수보다 적게 결합을 하게 되므로, 

더 결합을 할 수 있는 용량을 남겨두고 있게 된다. 이를 '에너지가 더 높은 상태'이다, 

또는 '반응성이 크다' 라고 이야기 한다.

 

(에너지적으로 더 불안정하다는 것은 에너지가 더 높다는 것이고, 

자연에서는 에너지가 높은 곳에서 낮은 방향으로 반응이 일어나니...)

 

어느 관점이든 결론은 표면 쪽에 있는 물분자들이 더 에너지적으로 높은 상태, 또는 반응성이 큰 상태에 있고, 

이 에너지를 낮추고 싶어한다는 것이다.

  

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위에서 말한 에너지를 표면에너지(surface energy)라 한다. 

이 표면에너지는 모든 물질 사이의 계면이 가지고 있는 계면의 고유 특성이다 

이 표면에너지가 높다는 것은 표면이 불안정해서 표면 면적을 줄이거나, 다른 표면과 접촉하고 싶다는 것을 의미한다.

 

이 표면에너지를 액체/기체에 대해서는 표면장력이라고 주로 이야기한다.

관습적으로 고체/액체와 고체/기체에 대해서는 표면장력이라는 용어대신 
계면장력이란 용어를 사용한다.

왜 액체만 다른 이름으로 특별하게 취급을 하냐면,
고체와 같은 경우는 계면장력에 의해 움직이기에 너무 딱딱하지만, 

액체는 계면장력에 의한 움직임이 명백하며 중요하기에 특별히 다루는 것이다.

 

사실 이 부분은 좀 헷갈릴 여지가 다분한 것이 표면에너지를 의미할 때, 두 가지 의미가 있다.

 

하나는 정말로 어떤 표면의 에너지를 말하는 것이고,
예를 들어 2 m²면적의 액체의 표면에너지를 말할 때는 약 0.072 N/m × 2 m² = 0.144 J 이다
(상온에서).

 

그런데, 이 때 단위 면적당 표면에너지를 나타내는 말에도 

표면에너지(또는 액체의 경우 표면장력)이라는 용어를 사용한다 (물의 경우 0.072 N/m).

 

여담으로, 물은 이 표면에너지 또는 표면장력이 액체중에서 가장 높은 편에 속한다.

즉, 물은 표면에너지를 낮추기 위해서 구의 형상을 취하는 것이다.

   

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이제, 이 원리를 파악하면 복잡한 문제도 이해할 수가 있다. 

대표적인 예가 접촉각이 어떻게 형성되는지에 대한 것인데, 이는 다음 포스팅을 참고하자

아무튼 표면에너지에 대한 개념을 더 잘 이해하기 위해서 

친수표면에 대해서 좀 더 자세히 살펴보도록 하자.

 

친수 표면이라는 말은 물을 좋아하는 의미로 물이 표면 위에서 잘 퍼지는 표면을 의미한다.

 

대표적인 예가 유리이며,

여기서는 친수한 표면 위에서 왜 액체가 잘 퍼질 수 있는 지를 생각해보자.

 

[Image from wikipedia]

 

지금까지 설명한 바에 따르면, 

표면에너지 또는 표면장력이라는 존재 때문에 액체는 표면의 면적을 줄이고 싶어한다.

 

그런데 이러한 표면위에서는 액체가 넓게 퍼지면서, 

액체와 공기와의 계면의 면적을 늘리는 방향으로 반응이 일어나는 것이다.

 

그 비밀은 고체 표면에도 표면에너지가 있기 때문이다.

고체 표면위에 액체를 놓으면 고체와의 공기와의 계면이 없어지고, 고체와 액체의 계면이 생기게 된다.

 

즉, 고체와 공기와의 계면을 줄이는 방향이 

액체와 공기와의 계면과 액체와 고체의 계면을 다소 늘리더라도

전체 에너지적으로 더 낮아지는 방향이기 때문이다.

이를 설명하는 수식이 Young'equation과 uncompensated Young's force인데 

이에 대해서는 앞서 언급한 글에 더 자세히 적어놓았다.

 

아무튼, 액체가 친수한 표면에서 잘 퍼지는 것도 표면에너지에 의한 현상이다.

이렇듯, 단순히 표면장력을 액체 표면만 줄어드는 현상이라고 생각하지 말고, 

주위 물체와의 관계도 생각하는 것이 바람직하다.

 

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[정리]   1. 전체 표면의 에너지를 낮추는 방향으로 반응이 일어남.    2. 계면에너지, 표면에너지, 계면장력, 표면장력은 유사한 개념.     관습적으로  계면에너지는 고체/액체와 고체/기체간의 계면의 에너지를 의미하는 데에 비해, 표면에너지와 표면장력은 액체/기체사이의 표면의 에너지를 의미함.   3. 계면에너지, 표면에너지는 전체 면적의 에너지를 의미하기도 하고,  단위 면적당 에너지를 말하기도 함.