물방울

떨어지는 물방울

물방울은 작고 동글동글한 물의 덩이를 말한다.

개요

그 어떤 순간에도 물방울이 동글동글한 모양을 유지할 수 있는 이유는 표면장력이다. 즉, 하트모양이나 별모양 물방울이 아닌 이유는 바로 표면장력 때문이다. 방울은 대기압을 뺀 압력을 받지 않은 조그만 액체 부피의 모임이다. 표면장력으로 형태가 결정된다. 물방울이 액체 표면에 부딪힐 때 소리의 주된 근원은 물거품의 공명이다. 이 진동하는 거품은 흐르는 물, 물 튀기기 등 대부분의 액체 소리에 관여하며 이들은 수많은 물방울 충돌로 이루어진다. 물을 비롯한 액체 내의 분자들은 매우 촘촘히 모여 있어 서로 밀고 당기는 힘이 크게 작용한다고 한다. 고체, 액체, 기체 사이에서도 액체는 용기 모양에 따라 그 모습이 달라지는 특유의 성질을 지낸다. 이는 액체의 내부 분자와 표면 분자들의 성질이 다르기 때문이다. 표면장력이란 바로 이 표면 분자가 갖는 에너지를 말하는 것이다.

공기에 노출되는 공기에 노출되는 표면 분자들은 성질이 다른 내부 분자들에 의해 끌어 당기는 힘을 받게 되면 그 힘에 저항 하기 위해 더 이상 압축이 안 되려 하는 힘을 내서 분자의 균형을 맞추려고 한다. 그러므로 표면 분자들은 내부 분자들에 비해 상대적으로 늘 불안정하다. 내부 분자들이 계속해서 움직이기 때문에 액체는 표면적을 최소화하려는 성질을 갖는 것이다. 따라서 공기에 노출되는 면적을 최소화할 수 있는 구 모양을 유지하게 되는 것이다. 한 마디로 물방울은 스스로 가장 안정적인 모양을 찾게 된거라고 이해할 수 있다. 한편, 물보다 구 모양을 유지하려는 힘이 더 큰 것이 바로 금속물질인 수은인데, 수은이 이렇게 큰 표면장력을 갖고 있는 이유는 여러 액체 중에서도 물은 분자 간의 상호작용인 인력이 크게 작용한다. 그 이유가 바로 물에 포함되어 있는 수소성분 때문이다. 수은은 이 수소결합이 물보다 훨씬 강해 수은의 표면장력이 물의 표면장력보다 클 수 밖에 없다. 늘 당연하게 여겼던 물방울의 둥근 모양에는 나름대로 과학이 숨어져 있다.

표면장력

500밀리미터 생수병 안의 물을 마시고 나면 병 바닥에 조금 남아 있는 마지막 한 방울이다. 빈 병을 거꾸로 세워 입안에 가져다 대면, 바닥에 남아 있던 것들은 중력에 의해 벽을 타고 서서히 미끄러져 내려온다. 처음에는 벽에 얇은 막을 형성하며 흘러내리다가 몇 개의 작은 방울들로 모여 병의 윗부분에 맺히게 된다. 그리고 나란히 흘러내리는 다른 방울들과 합쳐져 맺혀 있던 방울의 크기가 점점 커지면서 마침내 입속으로 '톡'하고 떨어진다.

먼저 표면장력(表面張力)을 말 그대로 풀이해보면 사물의 가장 바깥쪽이나 윗부분에서 당기거나 당겨지는 힘이다. 이는 계면(기체, 액체, 고체 사이에 형성되는 면) 장력의 일종으로 정확히 말하면, '액체의 표면이 스스로 수축해서 최대한 작은 면적을 취하려는 힘'을 뜻한다. 따라서 표면장력으로 인해 액체의 분자들은 서로 강하게 붙어있으려는 응집력이 생겨나서 액체 표면이 마치 탄력 있는 막처럼 보이게 된다. 이러한 표면장력의 대표적인 사례가 바로 물방울이다.

표면장력으로 탄력 있는 막이 형성되면 작은 물체를 지지할 수 있는 힘이 생기는데, 예를 들어 소금쟁이와 같은 작은 곤충들이 물 위를 걸어 다닐 수 있게 되는 것이다. 이외에도 나뭇잎이나 클립과 같이 가벼운 물체가 물 위에 떠는 것, 그리고 묵직한 돌을 물 위로 통통 튀기는 '물수제비 놀이' 등이 모두 이러한 힘으로 인해 가능한 현상이다.

표면장력의 원리

표면에 노출된 원자들은 그 내부에 있는 원자들보다 이웃하는 원자의 수가 적기 때문에 항상 높은 에너지를 가진다. 따라서 표면적을 줄이고 표면에 노출된 원자의 수를 적게 하여 그 에너지를 줄이려는 경향이 있다. 즉, 표면장력은 표면으로 인한 추가 에너지를 감소시키기 위해 표면적을 줄이는 현상이다.

상온에서 '액체' 상태로 존재하는 '물'로 빗대어 설명해보면 이를 쉽게 이해할 수 있다. 우선 액체 내부의 분자들은 주위의 다른 분자들과 인력(서로 끌어당기는 힘)이 작용한다. 반면 표면에 있는 분자들은 표면 아래의 분자들과는 인력이 생기지만 표면 위로는 작용하는 힘이 없기 때문에 아래로 끌어당겨지게 된다. 즉, 비교적 움직임이 자유로운 표면에 있는 분자들의 수를 적게 하여 표면적을 줄이는 것이다.

물방울과 표면장력의 관계

물방울이 구형으로 떨어지는 것도 물방울의 표면장력을 최소화하기 위해, 표면적이 제일 작은 입체 도형인 '구'를 만들기 때문입니다. 따라 서 생수병 안에 물방울은 입안으로 떨어지면서 마치 표면에 얇은 막이라도 있는 것처럼 안에 들어 있는 물 분자를 감싸면서 방울 형태를 만들게 된다. 이렇게 만들어진 물방울은 크기가 작을수록 표면장력의 영향력을 더 크게 받는다. 즉, 큰 물방울은 작은 충격에도 작은 물방울로 부서지지만 작은 것은 서로 잡아당기는 결속력이 강하기 때문에 쉽게 부서지지 않는다. 또한, 물속에 있는 물체의 크기가 작아질수록 표면장력의 영향력이 커지는데, 예를 들어 사람이 수영할 때 느끼는 표면장력과 작은 벌레가 느끼는 물방울의 상대적인 표면장력이 서로 다르다. 만약 개미 한 마리를 잡아서 작은 물방울에 집어넣으면, 개미는 표면장력에 갇혀서 꼼짝도 하지 못할 것이다. 물방울의 표면장력은 온도에 따라서도 달라진다. 물방울(물)의 온도가 올라가면 분자의 열운동이 활발해져 분자 간의 거리가 멀어지고, 이에 따라 분자 간의 끌어당기는 힘이 작아지기 때문에 표면장력도 약해지게 된다. 즉, 물방울(물)의 온도가 높을수록 표면장력은 감소하는 것이다.

물방울의 크기

먼저 표면장력의 단위는 단위 길이 당 에너지로 'N/m²'로 나타낼 수 있다. 상온에서 물의 표면장력은 ‘7.34×10²N/m²’로, 떨어지고 있는 반구 형태의 물방울 지름이 'D'라고 가정하였을 때, 지름 D는 약 9.5밀리미터가 된다. 자세한 설명은 다음과 같다.

반구 형태의 물방울 D의 지름

이는 떨어지는 순간에 지름이 'D'인 반구 형태의 물방울 무게와 그 단면의 표면장력(단위 길이 당 에너지 : N/m²)이 서로 힘의 평형을 이룬다는 공식을 통해 알아볼 수 있다. 즉, (지름이 D인 반구 단면의 표면장력=물방울 무게)이고 이를 수학식으로 나타내면, 'π×D×물의 표면장력(7.34×10²N/m²)' = '물의 밀도(1,000kg/m3)×중력가속도(9.8m/s²)×(6분의 π × D²)×0.5'이므로 지름 D는 약 9.5밀리미터가 된다.

처음에는 반구 형태이던 물방울은 떨어지면서 온전한 구로 뭉쳐져 지름이 7.5밀리미터로 약간 더 작아진다. 하지만 이 경우는 아무런 흔들림 없이 이상적인 상태에서 만들어지는 가장 큰 물방울이기 때문에 실제 물방울은 이보다 작은 상태로 떨어지거나 떨어지는 과정에서 여러 개의 더 작은 물방울들로 부서지게 된다. 즉, 일반적으로 물방울 하나의 지름은 대략 4~6㎜ 정도라고 할 수 있고, 이러한 물방울이 10개에서 20개는 있어야 1㎜가 만들어진다. 따라서 사람들이 500㎜의 생수를 마시려면, 표면장력으로 만들어진 물방울 하나가 약 만 개가 모여야 한다. 하루 동안의 1인당 평균 물 사용량이 174리터라고 하면, 우리는 하루 동안 약 348만 개의 물방울을 사용하고 있다.

과냉각물방울

과냉각물방울(supercooling water drop)은 0℃ 이하의 온도에서도 얼지 않고 액체 상태로 존재하는 물방울을 말한다. 상전이(相轉移:고체·액체·기체 등으로 외형이 변하는 현상)를 일으키는 전이온도(轉移溫度)보다 낮은 온도에서도 전이가 일어나지 않고 본래의 모양[고온상(高溫相)]을 유지하고 있는 상태를 과냉각이라 하는데, 이것은 과열(過熱)의 반대 현상이다. 응고점 이하 온도의 액체(과냉액체)는 그 한 예이다. 이것은 액체를 천천히 냉각시킴으로써 실현된다. 과냉각은 과열의 경우와 마찬가지로 전이온도 이하에서도 고온상이 준(準)안정 상태로 존재할 수 있기 때문에 일어나는 것으로서, 밖으로부터의 자극에 의하여 쉽사리 깨진다.

예컨대 1atm 아래에서 물은 약 -12℃까지 액체로 있을 수가 있는데(0℃ 이하에서는 고체, 곧 얼음으로 존재하는 편이 열역학적으로 안정), 0℃ 이하의 이러한 과냉각수(水)에 외부로부터 약간의 충격을 가하면 준안정 상태가 깨지면서 갑자기 고화(固化)되기 시작한다. 구름이나 안개 같은 대기중의 작은 물방울이 0℃ 이하에서도 얼지 않고 액체 상태로 존재하는 것은 위와 같은 현상 때문이다. 구름 알갱이는 -10℃~0℃에서는 주로 과냉각물방울로, -20℃~-10℃에서는 과냉각물방울과 빙정이 섞인 상태로, -20℃ 이하에서는 거의 빙정으로 있다. 때로는 심할 경우 -40℃의 낮은 온도에서도 과냉각물방울이 관측되기도 한다.

참고자료

• 〈물방울〉, 《네이버 국어사전》
• 〈방울〉, 《위키백과》
• 〈과냉각물방울〉, 《두산백과》
• 수파클링, 〈물방울이 둥근 이유는?? 표면장력이란??〉, 《네이버 블로그》, 2024-03-28
• 과학기술정보통신부, 〈물방울이 톡! 표면장력의 힘〉, 《네이버 블로그》, 2020-03-30

같이 보기

• 비
• 방울
• 압력
• 액체
• 표면
• 공기
• 성질
• 대기압
• 표면장력
• 과냉각물방울

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