표면 에너지, 표면장력

1. 표면 에너지와 표면 장력

표면 에너지, 일명 Surface Energy, 는 모든 물질이 가지고 있는 계면의 고유 특성을 나타내며, 일반적으로 액체와 기체 사이의 계면에서의 에너지를 가리킵니다. 표면 에너지는 물질의 분자 간 상호 작용과 관련이 있으며, 물질의 표면 특성을 이해하는 데 중요한 개념 중 하나입니다. 표면 장력(Surface Tension)은 표면 에너지의 하위 개념으로, 주로 액체와 기체 사이의 계면에서 작용하는 에너지를 나타냅니다. 다른 말로하면, 표면 장력은 액체의 표면이 스스로 수축하여 최소한의 면적을 취하려고 하는 힘을 의미합니다. 이는 표면 장력이 힘으로 표현되지만, 단위 길이 당 작용하는 힘의 개념으로도 해석됩니다. 액체 내부의 힘을 이해하기 위해서는 Bulk(내부) 영역을 살펴봐야 합니다. Bulk 영역에서는 모든 방향에서 분자 간 인력이 작용하여 안정된 상태를 유지합니다. 그러나 표면 영역에서는 Bulk 방향의 인력과 표면 방향의 인력이 다르게 작용하므로 추가적인 Surface Energy를 가집니다. 이로 인해 표면은 자연 법칙에 따라 이 에너지를 최소화하기 위해 최소한의 면적을 취하려고 합니다. 이러한 이유로, 물과 같은 물질은 표면에서 구 형태로 존재하게 됩니다.

 

2. 표면 장력의 특징

표면 장력의 주요 특징 중 하나는 온도에 따라 변화하는 것입니다. 일반적으로 표면 장력은 온도가 상승하면 낮아지는 경향을 보이며, 이는 높은 온도에서 분자 운동이 활발해지는 영향을 받습니다. 또한, 표면 장력이 클수록 분자 간 인력이 강하며, 이로 인해 증발이 더 많은 시간이 걸리는 특성을 가지게 됩니다. 물은 높은 표면 장력을 가진 액체로 알려져 있습니다. 이는 물 분자가 소수 결합을 형성하고 있어 분자 간 인력이 강하기 때문입니다. 이러한 내용을 통해 표면 에너지와 표면 장력의 관련성과 특징을 이해하실 수 있을 것입니다. 

 

다음 표는 액체 별 표면 장력을 나타낸 표입니다. 

액체	온도 ℃	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
아이소프로필 알코올	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
n-헥세인	20	18.4