표면장력

요약 액체의 자유표면에서 표면을 작게 하려고 작용하는 장력을 말한다. 액면 부근의 분자가 액체 속의 분자보다 위치에너지가 크기 때문에 액체는 표면적에 비례하는 표면 에너지를 가지고, 이로 인해 표면장력이 생긴다.

액체를 구성하는 분자들 사이에는 서로 끌어당기는 인력이 있다. 만약 인력이 없다면 액체는 유한한 크기를 가질 수 없었을 것이다. 반대로 분자와 분자 간의 거리가 특정 거리보다 가까워지면 분자들끼리 서로 밀어내는 척력이 작용한다.



위의 그림에서 A지점의 유체 분자는 인력과 척력이 평형상태에 있기 때문에 작용하는 알짜 분자력이 0이다. 그러나 B지점, 즉 표면에 있는 유체 분자에는 유체 내부로 향하는 방향으로 인력이 작용하지만 표면에서 바깥 방향으로 균형을 이룰 인력이 없다. 따라서 유체 내부로 향하는 알짜 분자력이 존재한다. 이렇게 내부로 향하는 분자력은 액체 표면을 팽팽히 잡아당긴다. 예를 들어, 물 위에 떠다니는 소금쟁이, 거미줄에 매달려 있는 물방울, 풀잎 위의 빗방울이 굴러가는 모습 등을 보면 액체의 표면이 팽팽히 잡아당겨진 막의 특성을 알 수 있다.

정리하면, 액체 분자간 인력의 균형이 액체의 표면 부근에서 깨지기 때문에 이곳에 있는 분자의 위치에너지는 액체 속의 분자보다 더 커지는데, 이로 인해 액체는 표면적에 비례하는 표면에너지를 가지게 되고, 이 에너지를 최소로 만들려는 작용이 바로 '표면장력'으로 나타나는 것이다. 표면장력은 단순히 액체의 자유표면뿐만 아니라 섞이지 않는 액체의 경계면, 고체와 기체, 고체와 고체의 접촉면 등 표면의 변화에 대한 에너지가 존재할 때 보편적으로 생기는 현상으로, 계면장력(界面張力)이라고도 한다.

비눗방울이나 액체 속의 기포 물방울 등이 둥근 모양이 되는 것은 이 힘이 액면에 작용하기 때문이며, 용기의 가장자리에 액체가 넘쳐 올라간 모양이 되어 쏟아지지 않는 것도 액체 표면에 장력이 작용하기 때문이다. 수면에 떨어뜨린 기름방울이 금방 퍼지는 것은 물의 표면장력이 기름의 표면장력보다 커서 기름층이 물의 표면장력에 의해 잡아 늘여지기 때문이다. 일반적으로 표면장력은 액면의 작은 이물질에도 영향을 받기 때문에, 이물질이 있는 액체 표면에는 액체 내부와는 관계 없이 표면장력의 크기에 기인하는 독자적인 운동이 나타난다.

표면장력의 세기는 액면에 가정한 단위길이의 선의 양쪽에 작용하는 장력에 의해 표시한다. 그 값은 액체의 종류에 따라 결정되는 상수이지만 온도에 따라서도 변한다. 예를 들어, 20℃에서 알코올, 물, 비눗물, 글리세린, 수은의 표면장력은 각각 약 0.0223, 0.07275, 0.025, 0.063, 0.465 N/m(뉴턴 퍼 미터)이다. 한편, 이 값은 온도가 올라갈수록 감소한다. 예를 들어, 물의 표면장력은 10℃에서 0.07422, 20℃에서 0.07275, 30℃에서 0.07118, 40℃에서 0.06955 N/m로 달라진다.

또한 어떤 종류의 물질이 액체에 녹으면 그 액체의 표면장력이 작아질 수 있는데, 비누를 물에 녹였을 때가 대표적 예이며, 이런 종류의 물질을 표면활성물질(表面活性物質)이라고 한다.