물에 젖는 이유는 무엇일까?(Feat. 방수)

안녕하세요~ 흥미롭고 재미있는 과학의 흥. 재. 과입니다!

 

비가 올 때 옷에 물이 젖는 현상은 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는

당연한 현상 중 하나로 받아들여지고 있는데요!

 

이러한 현상은 과학적으로 표면장력과 표면에너지에 의해

일어난다는 사실 알고 계셨나요?

 

오늘은 표면장력과 계면에너지에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

표면장력 & 표면에너지

 

아래방향으로 힘이 가해지는 표면장력

 

1. 표면장력이란(Surface Tension)?

 

물이 젖는 현상을 이해하기 위해서는 먼저 표면장력에 대한 개념을 알아야 하는데요.

 

표면장력은 말 그대로 표면에 존재하는 장력을 말하는데요.

정확히 말하자면 공기와 액체사이에서 액체의 표면이

최소한의 면적을 유지하려고 수축하는 힘을 말합니다!

 

여기서 수축하는 힘은 물 분자의 인력으로서

액체 내부에 있는 물 분자는 상하좌우 대칭적으로 힘이 작용하지만

표면에 있는 물 분자는 아래방향으로만 인력이 작용하기에

표면장력이 생기는 것입니다!

 

대표적인 예로 하늘에서 떨어지는 물방울은 전부 둥근 모양을 하고 있습니다.

그림과 같이 물 표면에 있는 물 분자는 전부 아래로 향하기 때문에 둥글게 되는 것이죠.

 

그렇기에 표면장력이 클수록 물방울은 더욱 잘 뭉치고 퍼짐 성이 낮게 됩니다.

 

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2. 계면장력이란?

 

아마 표면장력은 많이 들어보셨을 테지만 계면장력은 조금 생소하실 텐데요!

표면장력은 액체와 기체사이의 공간에서 액체의 표면에 작용하는 장력을 말하는 것이고

계면장력은 고체를 기준으로 서로 상이 다른 두 개의 층에서 작용하는 장력을 말하는 것입니다.

 

즉, 고체와 액체 혹은 고체와 기체사이에서 작용하는 힘이 계면 장력인 것이죠.

 

왼쪽 : 높은 표면에너지(잘 퍼짐) / 오른쪽 : 낮은 표면에너지(잘 안퍼짐)

 

3. 표면에너지(Surface Energy)

 

그렇다면 "물에 젖는다"라는 것은 무슨 의미일까요?

 

이것을 이해하기 위해서는 힘(장력)과 함께 에너지(Energy) 측면에서 일어나는

'표면에너지'라는 개념을 이해해야 합니다.

 

아까 표면장력을 설명할 때 표면에 있는 분자는 아래방향으로만 힘이 작용하고

내부에 있는 분자는 전방향으로 균등하게 힘이 작용한다고 했었습니다.

 

표면에 있는 물 분자도 내부의 분자들처럼 여러 방향으로 힘을 작용시키고 싶지만

표면에 위치해 있기 때문에 힘을 발산하지 못하고 남게 된 에너지가 발생하게 됩니다.

에너지가 발생한다는 것은 곧 불안정함을 나타내는데요!

 

이러한 표면에너지가 높아지면 높아질수록 불안정하기 때문에

이 표면의 물 분자들은 항상 다른 원자들과 결합하고 싶어 하죠.

 

따라서 액체분자가 고체분자(ex 옷, 종이 등)에 닿게 되면 결합을 하기에

결과적으로 젖게 되는 현상이 발생하는 것입니다.

 

잘 젖게 하기 위한 계면활성제 사용

 

4. 젖음성

 

잘 젖는다(=젖음성이 좋다)라는 것은 액체가 고체 표면에 잘 퍼짐을 의미하는데요.

이 역시 표면장력과 표면에너지의 관계로 설명할 수 있습니다.

 

불안정한 상태(결합을 하고 싶어 하는 액체 분자)에서 고체 분자와 만나게 되면

안정적인 상태(결합을 마친 상태)로 돌아가고 싶어 하기에

표면에너지, 계면에너지가 크면 클수록 잘 결합하게 됩니다.

 

또한, 액체의 표면장력이 작을수록 응집력이 약하기 때문에 잘 젖게 되는데요.

이 표면장력을 낮추기 위해서 사용되는 대표적인 사례가 바로 계면활성제입니다.

 

방수코팅이 된 옷들도 세제를 넣고 세탁을 하면 물이 옷에 잘 흡수되는 이유가

바로 이 표면장력을 낮추기 때문입니다!

 

오늘은 일상생활에서 물에 젖게 되는 현상의 메커니즘을

표면장력, 계면장력 그리고 표면에너지를 통해 알아보았는데요.

 

흔히 표면장력은 "액체의 표면을 최소화하려는 현상"에서

다른 물질과 만났을 때 어떠한 원리로 결합이 일어나는지 아는 것도 재밌지 않나요?

 

이상 흥. 재. 과였습니다!