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1. 표면장력의 정의와 특성
1.1. 액체의 표면장력
액체의 표면장력은 액체 표면에 작용하는 분자 간 응집력으로 인해 나타나는 현상이다. 액체의 내부에 있는 분자들은 서로 평형을 이루고 있지만, 자유 표면상에 있는 액체 분자들은 한쪽에서만 분자 인력을 받기 때문에 힘의 불평형이 생긴다. 이러한 불평형력을 이겨내고 액체 분자들을 자유 표면까지 가져오는 데 필요한 일을 자유 표면 에너지라고 한다. 표면장력은 이 자유 표면 에너지를 단위 면적으로 나눈 값이다.
액체 분자들 사이에 작용하는 응집력이 액체 분자와 기체 분자 사이에 작용하는 부착력보다 크기 때문에, 표면에 위치한 액체 분자들이 액체방울 내부로 향하는 힘을 받게 된다. 이에 따라 액체방울은 구형을 이루게 된다. 따라서 액체표면의 분자는 접선방향으로 끌어당기는 힘을 받게 되며, 이것이 표면장력이다. 표면장력은 이러한 액체 분자들 사이의 응집력에 기인한다.
표면장력은 불순물에 의해 영향을 받으며, 온도에도 영향을 받는다. 온도가 오르면 분자들 간의 응집력이 감소하고 분자 운동이 활발해져 표면장력은 감소하게 된다. 따라서 대부분의 액체에서 표면장력은 온도가 상승함에 따라 직선적으로 감소한다.
1.2. 표면장력의 발생 원리
액체의 표면에는 내부 분자들 사이에 작용하는 응집력보다 표면 분자들과 기체 분자들 사이의 부착력이 약하기 때문에 표면 분자들은 내부로 향하는 힘을 받게 된다. 이러한 힘의 불균형으로 인해 액체 표면이 수축하여 작은 면적을 취하려는 성질이 발생하는데, 이것이 바로 표면장력의 발생 원리이다. 즉, 액체 표면의 분자들은 내부로 향하는 접선 방향의 힘을 받게 되며, 이 힘이 곧 표면장력이라고 할 수 있다. 이러한 표면장력은 액체의 자유 표면 에너지에 비례하므로, 단위 면적당 자유 표면 에너지를 표면장력이라고 정의할 수 있다.""
1.3. 온도에 따른 표면장력 변화
온도에 따른 표면장력 변화는 분자들의 응집력과 밀접한 관계가 있다. 액체 내부에 있는 분자들은 서로 평형을 이루고 있지만, 자유 표면 상에 있는 분자들은 한쪽에서만 분자 인력을 받게 되어 힘의 불평형이 생기게 된다. 이러한 불평형력을 이겨내고 액체 분자들을 자유 표면까지 가져오는 데 필요한 일을 자유 표면 에너지라고 하며, 이를 단위 면적으로 나눈 값이 표면장력이다.
온도가 상승하면 분자 운동이 더욱 활발해지고 분자들 간의 응집력이 감소하게 된다. 따라서 자유 표면 에너지가 감소하게 되어 표면장력도 감소하게 된다. 일반적으로 대부분의 액체의 경우 온도가 증가함에 따라 표면장력이 직선적으로 감소하는 경향을 보인다. 이는 분자들의 운동 에너지가 증가하여 분자 간 인력이 줄어들기 때문이다.
구체적으로 물의 온도에 따른 표면장력 변화를 살펴보면, 온도가 상승할수록 표면장력이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어 상온(25°C)에서 물의 표면장력은 약 72 dyne/cm 수준이지만, 온도가 50°C로 상승하면 약 68 dyne/cm로 낮아지며, 88°C에서는 약 61 dyne/cm까지 감소한다. 이러한 관계는 일반적으로 다음과 같은 실험식으로 표현된다:
σ = 75.69 - 0.1413t - 0.0002985t^2
여기서 σ는 표면장력(dyne/cm), t는 온도(°C)를 나타낸다. 이 식을 통해 온도가 상승할수록 표면장력이 지속적으로 감소한다는 것을 확인할 수 있다.
이처럼 온도...
