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표면 장력 (surface tension) – [공학나라] 기계 공학 기술정보
Δp : 압력 손실 ρ : 밀도 g : 중력가속도 Δh : 수두 손실 이러한 압력 손실을 계산하기 위한 시험식(시험적으로 얻어진 식) 이 다시-바이스바흐 식이다.
Source: mechengineering.tistory.com
Date Published: 4/22/2021
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표면장력(surface tension) | 과학문화포털 사이언스올
액체의 표면에서 그 표면적을 작게 하도록 작용하는 힘. 물방울이나 수은의 입자(粒子)가 둥글게 되는 것은 이 힘 때문이다.
Source: www.scienceall.com
Date Published: 7/28/2021
View: 1764
표면장력 – 나무위키
表面張力 / Surface Tension 액체의 표면(혹은 계면)을 최소화하는 방향으로 작용하는 힘을 말한다. 모든 방향에서 분자 간의 인력이 작용하여 안정된 …
Source: namu.wiki
Date Published: 9/6/2021
View: 9251
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- Author: 재우스쿨
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- Date Published: 2018. 10. 9.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=OlKtcG1cNEk
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
위키백과, 우리 모두의 백과사전
잎에 맺힌 물방울
소금쟁이가 물에 떠 있다.
수도꼭지에서 물이 떨어지는 모습
모세관 현상
표면장력(表面張力, 영어: surface tension)은 액체의 표면이 스스로 수축하여 되도록 작은 면적을 취하려는 힘의 성질을 말하며 계면장력의 일종이다. 소금쟁이과와 같은 곤충이 물 위에 걸을 수 있게 도와 주는 것도 이 속성에서 비롯한다. 또 다른 예로 바늘 등의 금속 물질, 면도 칼날, 포일 조각과 같은 조그마한 물체들이 물 표면 위에 뜨는 것을 들 수 있다. 이는 모세관 현상과 밀접한 관계가 있다.
분자 사이에 작용하는 힘에 따라 분자가 서로 접촉하여 응축하려고 하며, 이 결과 표면적이 적은 원모양이 되려고 한다. 물방울이나 비눗방울이 둥글게 되는 것도 이 원리에 따른 것이라고 할 수 있다.
표면장력은 온도가 오르면 낮아진다. 온도가 오르면 분자 운동이 활발하게 되는 것도 이와 관련이 있다. 또, 불순물에 의해서도 영향을 받는다.
표면장력은 측정기를 통해 측정할 수 있다. 또, 액체의 물리적, 화학적 작용은 표면 장력을 고려하지 않으면 이해가 불가능하다.
수은 > 물 > 비눗물 > 에탄올 순으로 표면 장력이 크다. 비누나 합성 세제와 같은 계면활성제는 물에 녹아서 물의 표면 장력을 감소시킨다. 표면장력이 클수록 분자 간의 인력이 강하기 때문에 증발하는 데 많은 시간이 걸린다.
정의 [ 편집 ]
액체의 한 분자의 힘을 그린 그림
열역학 정의 [ 편집 ]
열역학에 대한 표면장력의 뜻은 넓다:
표면장력 σ은 온도 T와 장력 p에서 바뀌지 않는 상태에 있는 기브스 자유 에너지 G에 대한 면적 A의 편미분이다:
σ = ( ∂ G ∂ A ) T , p {\displaystyle \sigma =\left({\frac {\partial G}{\partial A}}\right)_{T,p}}
기브스 자유 에너지의 단위는 에너지 단위이다. 반면 표면장력의 단위는 에너지/면적이다.
물의 표면장력 [ 편집 ]
물은 수소 결합에 의해 분자 간의 인력이 크기 때문에 다른 액체에 비해 표면 장력이 크다. 물의 표면 장력을 감소시키는 간단한 실험이 있다. 바늘이 떠 있는 물에 계면 활성제인 비눗물이 묻은 손가락을 넣으면 비누가 물의 표면 장력을 약화시키므로, 물 위에 떠 있던 바늘이 가라앉게 된다. 또한 비눗물과 접촉한 부분의 물의 표면 장력이 감소하면서 물 분자들이 인력이 강한 쪽으로 이동하므로, 바늘은 비눗물이 묻은 손가락으로부터 밀려난다.
물방울 [ 편집 ]
왼쪽 그림에서 표면장력을 T라고 하고 물방울 내부와 외부의 압력차를 p, 물방울 직경을 d라고 한다면 표면장력에 의해 물방울의 잘라진 면의 원주에 작용하는 합력과 압력차에 의해 발생하는 힘이 평형을 이루기 때문에, 이들의 관계를 다음과 같이 나타낼 수 있다.[1]
π d T = π 4 d 2 p {\displaystyle \pi dT={\frac {\pi }{4}}d^{2}p} T = d p 4 {\displaystyle T={\frac {dp}{4}}}
자료표 [ 편집 ]
사진첩 [ 편집 ]
흐르는 물에 손을 대고 있는 사진.
비누 거품은 내부 기체 압력에 표면장력의 균형을 맞춘다.
표면장력은 동전이 가라앉는 것을 막는다. 동전은 물보다 밀도가 더 크기 때문에 부력만으로 뜨지는 않는다.
데이지.
금속 종이클립이 물 위에 떠 있다.
같이 보기 [ 편집 ]
각주 [ 편집 ]
05.유체역학 개요5
무료 동영상 강의입니다.
유체역학 개요4에 이어 설명합니다.
11. 표면장력(σ, Surface Tension)
: 액체 분자들 사이에 서로 잡아당기는
응집력(인력)으로 인해 액체 표면의
임의의 선에 발생하는 단위 길이당 인장력
아래 그림.1은 표면장력의 예이다.
그림.1 물방울(참조: wikipedia)
위 그림.1의 물방울은 표면장력으로
타원형 구의 형태를 유지한다.
그림.2 물방울에 작용하는 하중들
위 그림.2에서 표면에 발생되는 인장력을 F
임의의 선 길이를 L이라 하면
표면장력(σ)은 아래 식.1과 같다.
식.1 표면장력
액체의 무게와 부착력으로 인해
완전한 구 형태를 이루지는 못한다.
실제로 엔지니어들이 쓸 일은 없겠지만
시험에 자주 나오는 모세관 현상에 대해
쉽게 알아보자.
어떤 액체에 관을 넣으면
원래 액체 높이의 기준 대비
관 내 액체가 상승하거나 하강한다.
모세관 현상은
액체와 관의 내벽 사이의 부착력,
액체 분자 사이의 응집력에 의해
발생하고
액체의 무게(자중)에 의해
높이가 결정된다.
아래 그림.3을 통해 그 과정을 이해해보자!
그림.3 액주 상승의 과정
위 그림.3의 과정을 반복하다가
그림.4에서 멈춘다.
그림.4 모세관 현상
액주 상승이 멈추면
부착력과 응집력이 균형을 이뤄
액체 표면에 표면장력이 형성된다.
액주의 상승이 멈춘다는 것은
부착력(=응집력)과
액체의 하중이 같아져
평형을 이룬다는 것이다.
이 하중들을 아래 그림.5의
자유물체도를 통해 나타내보았다.
그림.5 액주의 자유물체도(FBD)
식.2
이고
식.3
이므로
식.4 액주 높이
가 된다.
그다지 중요한 건 아니고 개념만 알면 된다.
액주의 높이에 영향을 미치는 요소는 아래와 같다.
1. 액체의 종류
액체의 종류에 따라 응집력도
차이가 난다.
2. 액체의 온도
액체의 온도가 높아지면
응집력과 표면장력이 약해진다.
3. 액체의 밀도
밀도가 큰 액체일수록
무게가 무겁기 때문에
상대적으로 액주가 낮다.
4. 관 내 반경
반경이 커지면
부착력이 커지는데 (R에 비례)
상대적으로
무게 상승폭이 더 커서 (R2에 비례)
상대적으로 액주가 낮다.
5. 관 내 벽의 거칠기
관 내 벽이 거칠수록 액체 분자가
관 벽이 접촉하는 면적이 넓어
부착력이 커진다.
6. 관 내 벽의 상태
관 내 벽이 젖어있으면
묻어있던 액체와의 응집력이
더해져 부착력이 커진다.
반응형
표면장력(surface tension)
액체의 표면에서 그 표면적을 작게 하도록 작용하는 힘. 물방울이나 수은의 입자(粒子)가 둥글게 되는 것은 이 힘 때문이다.
일반적으로 생각할 수 있는 기체-액체, 기체-고체, 액체-액체, 액체-고체, 고체-고체의 5종류의 계면(界面) 중에서 특히 기체-액체 및 기체-고체의 계면을 표면이라 하며, 따라서 표면장력은 2상(相) 사이의 계면의 면적을 축소하도록 작용하는 힘, 즉 계면장력(界面張力)의 일종이다.
표면장력이 생기는 것은 표면에서의 액체분자의 분포와 배향(配向)이 상(相)의 내부와 다르기 때문이다.
액체 내에 있는 분자는 그 주위에 존재하는 분자로부터 인력(引力)을 받고 있는데, 표면에 있는 분자는, 그 주위에 있는 분자수가 내부의 분자에 비해 반이 되고, 받는 인력도 반이 된다([그림]).
이것은 표면의 분자는 내부의 분자에 비해 여분의 에너지를 갖고 있음을 의미하며, 따라서 표면의 분자상태가 표면장력을 결정한다.
표면장력은 대체로 단위길이당의 힘(dyn/cm=10 N/m)으로 표시된다.
액체의 표면을 넓히려면, 이 장력에 저항하여 일을 해야만 하며, 액체의 단위면적의 표면을 만드는 데 필요한 일도 표면장력과 같다.
이 일은 자유에너지로서 표면에 저장되는 것이므로, 표면장력은 단위면적당의 표면자유에너지(erg/cm =10 J/m )와도 같다.
대부분의 경우, 액체의 온도가 상승하면 분자의 열운동이 활발해져 분자간 거리가 증대함에 따라 분자간 인력이 작아지므로 표면장력은 약해진다.
임계온도(臨界溫度)가 되면 표면장력은 0이 된다.
표면장력의 측정법에는 정적(靜的) 측정과 동적(動的) 측정이 있다.
정적 측정의 대표적 방법에는 모세관법(毛細管法)·적중법(滴重法)·포압법(泡壓法)·윤환법(輪環法) 등이 있다.
가장 간단한 모세관법은 액체에 젖을 만한 모세관을 액체 속에 담가 모세관 속을 상승한 액체의 높이가 표면장력과 비례하는 것을 이용하는 방법이다.
윤환법은 뒤누이의 표면장력계라고도 하는데, 백금고리를 액면(液面)에 수평으로 닿게 한 다음 가만히 당겨 올려 액면에서 떨어지려는 순간에, 고리에 작용하는 표면장력과 균형을 이루는 힘을 저울로 측정하는 방법이다.
동적 방법에는 액면에 작은 물결을 일으켜 그 진행속도와 파장(波長)을 측정하는 표면장력파법과 제트법 등이 있다.
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