모세관 현상

모세관 현상(毛細管現象, Capillary action)은 모세관을 액체 속에 넣었을 때, 관 속의 액면(液面)이 관 밖의 액면보다 높아지거나 낮아지는 현상 혹은 분자 사이의 인력과 분자와 가느다란 관의 벽 사이에 작용하는, 서로 간의 인력에 의해 가느다란 관을 채운 액체가 올라가거나 내려가는 현상을 말한다.

물과 수은의 모세관 현상

이 효과는 페인트 붓의 털 사이, 빨대와 같은 얇은 튜브, 종이나 석고와 같은 다공성 물질, 모래 및 액화 탄소와 같은 일부 비다공성 물질에서 액체가 끌어올려지는 현상에서 볼 수 있다. 섬유질, 또는 생물학적 세포에서도 관찰된다. 이는 액체와 주변 고체 표면 사이의 분자간 힘으로 인해 발생한다. 튜브의 직경이 충분히 작은 경우 표면 장력(액체 내 응집력으로 인해 발생)과 액체와 용기 벽 사이의 접착력이 결합되어 액체를 추진하는 역할을 한다.

역사

최초로 모세관 현상을 관찰, 기록한 사람은 레오나르도 다빈치이다.^[1][2] 갈릴레오의 전(前) 학생 Niccolò Aggiunti(1600~1635년)이 모세관 현상을 탐구했다고 전해졌다.^[3]

메니스커스의 높이

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  오른쪽 그래프는 위치에 따른 압력을 나타낸다.

가로축은 모세관의 직경(d)이고 세로축은 물의 높이(h)

수직 유리 튜브(모세관)의 하단 끝에 임의의 액체가 놓여졌을 때, 메니스커스(meniscus)가 형성된다. 액체 기둥의 높이는 Jurin's Law(영어판)에 의해 주어진다. 표면장력을 T라고 할 때, T는 관벽으로부터 θ만큼 기울어져서 작용하며, 액체 기둥 최상단의 둘레 부분에 작용한다고 할 수 있다. 액체 기둥이 정지해 있으므로, 액체 기둥 자체의 무게(좌변)와 표면장력에 의한 힘(우변)이 같다.

${\displaystyle \pi R^{2}h\gamma =2\pi RT\cos \theta }$

메니스커스의 높이 h에 대해 정리하면 ${\displaystyle h={\frac {2T\cos \theta }{R\gamma }}}$이다. 즉 메니스커스의 높이 h는 모세관의 반지름 R과 반비례하며(좁은 관에서 모세관 현상이 더 잘 나타남) 액체 기둥의 무게는 모세관 반지름의 제곱(R²)에 비례한다.^[4]

표준 실험실 조건에서 공기 주입구 튜브의 경우 T=0.0728 N, ρ=1000kg/m³, g=9.81 m/s²의 물로 채워진다. 이 경우, 물 기둥의 높이와 튜브 직경의 관계는 우측 그림과 같다.

흙에서의 모세관 현상

Hazen은 사질토에서 모세관 상승 높이 h에 대하여 다음과 같은 실험식을 제시하였다.

${\displaystyle h={\frac {C}{eD_{10}}}}$

D₁₀ : 모래의 유효입경(mm)

e : 공극비

C : 상수(10 ~ 50)

동식물의 모세관 현상

많은 식물에서 모세관 현상이 관찰된다. 물은 높은 위치에 있는 가지까지 운반되는데, 식물의 잎의 증산 작용에 의해 증발되는 물은 모세관(식물에서는 물관/체관)을 타고 모세관 현상에 의해 올라간다.

물의 섭취를 위한 모세관 작용은 리기아 엑소시카(Ligia exotica) 와 몰로치 호리드(Moloch horridus) 같은 몇몇 작은 동물들에 나타나기도 한다.

같이 보기

• 표면 장력

각주

1. See:

   • Manuscripts of Léonardo de Vinci (Paris) , vol. N, folios 11, 67, and 74.
   • Guillaume Libri, Histoire des sciences mathématiques en Italie, depuis la Renaissance des lettres jusqu'a la fin du dix-septième siecle [History of the mathematical sciences in Italy, from the Renaissance until the end of the seventeenth century] (Paris, France: Jules Renouard et cie., 1840), vol. 3, page 54. From page 54: "Enfin, deux observations capitales, celle de l'action capillaire (7) et celle de la diffraction (8), dont jusqu'à présent on avait méconnu le véritable auteur, sont dues également à ce brillant génie." (Finally, two major observations, that of capillary action (7) and that of diffraction (8), the true author of which until now had not been recognized, are also due to this brilliant genius.)
   • C. Wolf (1857) "Vom Einfluss der Temperatur auf die Erscheinungen in Haarröhrchen" (On the influence of temperature on phenomena in capillary tubes) Annalen der Physik und Chemie, 101 (177) : 550–576 ; see footnote on page 551 by editor Johann C. Poggendorff. From page 551: " ... nach Libri (Hist. des sciences math. en Italie, T. III, p. 54) in den zu Paris aufbewahrten Handschriften des grossen Künstlers Leonardo da Vinci (gestorben 1519) schon Beobachtungen dieser Art vorfinden; ... " ( ... according to Libri (History of the mathematical sciences in Italy, vol. 3, p. 54) observations of this kind [i.e., of capillary action] are already to be found in the manuscripts of the great artist Leonardo da Vinci (died 1519), which are preserved in Paris; ... )
2. More detailed histories of research on capillary action can be found in:

   • David Brewster, ed., Edinburgh Encyclopaedia (Philadelphia, Pennsylvania: Joseph and Edward Parker, 1832), volume 10, pp. 805–823.
   • The 1911 Encyclopædia Britannica, volume 5, s:1911 Encyclopædia Britannica/Capillary Action .
   • John Uri Lloyd (1902) "References to capillarity to the end of the year 1900," Bulletin of the Lloyd Library and Museum of Botany, Pharmacy and Materia Medica, 1 (4) : 99–204.
3. In his book of 1759, Giovani Batista Clemente Nelli (1725–1793) stated (p. 87) that he had "un libro di problem vari geometrici ec. e di speculazioni, ed esperienze fisiche ec." (a book of various geometric problems and of speculation and physical experiments, etc.) by Aggiunti. On pages 91–92, he quotes from this book: Aggiunti attributed capillary action to "moto occulto" (hidden/secret motion). He proposed that mosquitoes, butterflies, and bees feed via capillary action, and that sap ascends in plants via capillary action. See: Giovambatista Clemente Nelli, Saggio di Storia Letteraria Fiorentina del Secolo XVII ... [Essay on Florence's literary history in the 17th century, ... ] (Lucca, (Italy): Vincenzo Giuntini, 1759), pp. 91–92.
4. 임진근; 김지호; 박영진 (2015). 《토목기사 과년도 - 수리수문학》. 성안당. 25쪽. ISBN 9788931568097.

외부 링크

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참고 문헌

• 장병욱; 전우정; 송창섭; 유찬; 임성훈; 김용성 (2010). 《토질역학》. 구미서관. 66-67쪽. ISBN 978-89-8225-697-4.

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