밀도(Density) 및 비중(Specific gravity)
1kg의 나무를 천칭의 한쪽 접시 위에 놓고 다른 쪽 접시 위에 1kg의 돌을 올려놓고 달아보면 이 두 질량은 평형을 이루게 된다.
그러나 여기에서 차이점은 나무는 돌에 비하여 훨씬 큰 공간을 차지하게 되며, 이러한 차이점은 같은 질량의 물과 수은에서도 볼 수 있다.
이 때 각각 상이한 물체들의 질량과 부피 사이의 차이점을 비교하는데 밀도(density:D)라는 단위를 사용한다.
즉 어떤 물체의 질량을 M, 부피를 V라면 밀도는 D=M/V가 된다. 식으로 표시된 밀도를 말로 바꾸어 간단히 서술한다면 밀도란 어떤 물체의 빽빽한 정도라 할 수 있겠다.
거의 모든 물체는 가열되면 일반적으로 팽창하므로 밀도는 온도에 따라서 변하게 된다. 따라서 어떤 특정한 온도에서 측정된 밀도는 그 보다 높은 온도에서는 감소하게 되는데 그 이유는 질량에는 변화가 없지만, 그 부피가 증가하기 때문이다. 그러므로 밀도에 대한 정확한 표시를 해 주기 위해서는 밀도 측정시의 온도를 표시해 주어야 한다.
물에 있어서도 온도에 따라 밀도가 변화하는데 4℃일 때의 밀도가 가장 크게 된다. 위 그림에서 보는 바와 같이 4℃이상의 물에서는 온도상승과 더불어 부피가 팽창하지만 직선적은 아니다. 그러나 0℃와 4℃사이의 온도에서 물은 다른 일반 액체와는 달리 팽창하지 않고 수축한다.
위 그림에서 물의 최소부피는 3.98℃에서 일어나며 1.0000250㎤/g이다. 최소비 부피의 역수에 해당하는 최대밀도는 0.9999750g/㎤이다. 이 온도보다 다른 범위에서는 물의 밀도가 이보다 적다. 물의 이와 같은 성질은 호수가 왜 윗 표면부터 얼기 시작하는가를 설명하여 준다.
만일 물이 최대밀도를 갖지 않는다면 호수는 밑 부분부터 얼어 올라 올 것이다.
[표] 온도별 물의 밀도변화
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온도(℃) |
밀도(g/㎤) |
온도(℃) |
밀도(g/㎤) |
-13 -10 -5 0 2 4 6 8 10 |
0.99693 0.99794 0.99918 0.99987 0.99993 1.00000 0.99997 0.99988 0.99973 |
20 30 40 50 60 70 80 90 100 |
0.99823 0.99568 0.99225 0.98807 0.98324 0.97781 0.97183 0.96534 0.95858 |
비중이란 어떤 물체의 단위중량과 순수한 물 4℃일때 단위중량의 비를 말하며, 순수한 물 4℃일 때 물의 비중은 1.0이다.
즉, 물을 기준으로 하여 다른 물체와 비교한 것이 비중이다.
비중을 간단히 측정하려면 부피가 정확히 알려진 눈금의 용기를 선택하여 빈 용기 자체의 무게를 측정한 후 기록하고 다음에 비중을 조사할 액체를 채운 후 무게를 측정 기록하며, 최종적으로 그 용기를 깨끗이 닦아 말린 다음에 증류수를 채워서 무 게를 측정하면 두가지 액체의 순수한 무게를 얻을 수 있다.
이렇게 얻은 액체의 무게를 증류수의 무게로 나누면 비중을 얻을 수 있다.
밀도에서와 마찬가지로 비중도 측정을 실시한 때의 온도를 명시하여야 정확한 표현이라고 할 수 있으며 비중 측정에서는 단 위가 제거되었다는 점이 밀도와 차이가 나는 점이다.
즉, 비중이란 동일한 부피의 증류수와 어떤 미지의 액체를 비교하는데 사용된 순수한 비율이다.
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비중 = |
물체의 무게 |
= |
물체의 밀도 |
점성(Viscosity)
점성이란 물분자가 상대적인 운동을 할 때 분자간, 혹은 물 분자와 고체경계면 사이에 마찰력을 유발시키는 물의 성질을 말 하며 이는 물분자간의 응집력 및 물분자의 다른 분자간의 점착력 등의 상호작용에 의하여 나타난다.
물 내부에 상대운동이 있으면 점성 때문에 경계면에서 운동에 저항하는 내부 마찰이 작용하여 상대운동은 차차 감소한다. 이와같이 유체의 점성 때문에 받는 힘을 점성력이라 한다.
[그림 1] 점성법칙
[그림]과 같이 두 장의 수평판 사이에 유체가 채워져 있을 때 이 판에 일정한 수평방향의 힘 F를 가하면 판은 가속되다가 곧 일정한 속도U를 가지게 된다.
움직이는 면에 접촉하고 있는 액체는 면과 같은 속도를 가지게 되고, 정지한 면에 접촉하고 있는 액체는 움직이지 않으므로 그림4-6에 표시되어 있는 바와 같이 속도의 분포가 생긴다.
기름등은 점성이 풍부하고 일반적으로 액체가 기체보다 점성이 크다. 물의 점성은 온도에 따라 그 크기가 변하게 된다. 즉 온도가 0℃일 때 점성이 가장 크며, 온도가 높아질수록 점성은 작아진다.
점성의 크기를 나타내는 고유의 상수를 점성계수 또는 동점성계수(점성계수를 밀도로 나눈값)로 표시한다.
[표 1] 물의 점성계수(c.g.s)
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온도(℃) |
점성계수[μ(P)] |
동점성계수[ν(St)] |
0 10 20 25 50 100 |
0.01789 0.01306 0.01005 0.00894 0.00649 0.00282 |
0.01789 0.01307 0.01006 0.00897 0.00556 0.00294 |
표면장력(Surface tension)
분자사이에는 분자끼리 모든 방향에서 끌어당기는 힘이 작용하는데 이 힘을 응집력이라 하고, 다른 분자끼리 끌어당기는 힘을 부착력이라 하며, 이와같이 응집력과 부착력의 차이로 발생하는 것을 표면장력이라 한다.
예를 들면 물과 공기의 경계면에서 물분자의 응집력이 공기분자와 물분자 사이에 작용하는 부착력보다 크게 되어 물표면을 최소화하려는 힘이 발생하는데 이슬방울이나 물방울이 여기에 해당된다.
[그림]과 같이 얇은 금속 반지를 물표면에 놓고 위로 당기면 금속 반지에 물이 달라 붙게 되는데 이것 역시 표면장력에 의한 영향이라 할 수 있다.
물의 표면장력은 온도에 따라 [표]와 같이 변화된다. 수도꼭지를 약간 열면 물이 꼬리를 끊으면서 표면이 가장 작은 구형으로 되어 떨어지는 것이나 물에 사는 소금쟁이가 물위를 가볍게 돌아다니는 것도 표면장력때문이다.
[표] 공기와 접한 물의 온도에 따른 표면장력의 변화
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온 도℃ |
0 5 10 15 20 25 30 |
표면장력(σ) dyne/cm |
75.6 74.9 74.2 73.5 72.8 72.0 71.2 |
모세관 현상
물은 고체면에 접하면 산소를 포함하고 대부분의 고체는 물 속의 수소분자와 결합하게 되므로 서로 부착하려는 성질을 갖게 된다.
부착력의 크기는 온도, 고체면의 종류 상태에 따라 변한다. 만약 부착력이 응집력 보다 크면 물은 고체면을 퍼지면서 적시게 되나, 응집력이 더 크게 되면 물방울과 같은 곡면을 형성하게 된다.
왼쪽 [그림]과 같이 물위에 가는 관을 세우게 되면 부착력이 모세관 내의 물의 중량보다 크게 되어 그 만큼 모세관 내의 수위를 상승시키게 되는데 이러한 현상을 모세관현상 (capillary phenomenon)이라 한다.
모세관 현상은 물과 고체사이의 부착력과 물분자간의 응집력의 상대적 크기에 영향을 받는다. 오른쪽 [그림]에서 부착력이 응집력 보다 큰 물의 경우에는 모세관 위로 올라가고, 수은의 경우처럼 응집력이 더 크면 반대로 내려간다.
왼쪽 [그림]에서 β는 접촉각이며 아래 [표]와 같다.
[표] 유리벽과 액체의 접촉각
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액 체 |
에틸알콜 |
물 |
수 은 |
에 텔 |
벤 졸 |
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β |
0℃ |
0∼9° |
130∼150° |
16° |
0° |
물의 모세관 상승높이는 관의 재료·관의 직경 등에 의하여 결정된다.
관의 직경이 두배가 되면 끌어올리는 힘도 두배가 된다. 그러나 물의 무게는 직경의 제곱에 비례하므로 결국 모세관상승 높이는 관의 지름에 반비례한다.
모세관의 상승높이 h는
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h= |
4σcosβ |
여기서
σ : 표면장력(kg/m)
β : 접촉각
γ : 단위체적당비중량(kg/ℓ) 물의 경우 1
d : 모세관 직경(m)
모세관 현상이라는 특질이 있기 때문에 식물이 영양분을 흡수하고, 체내 혈액이 순환할 수 있다. 이 능력의 비밀은 물 분자의 성질 속에 감춰져 있다.
물은 모든 방향으로부터 서로 결합하는데 또 다른 물질, 예를 들면 유리·점토나 흙 따위와도 결합한다. 실제로 산소를 포함하고 있는 대부분의 고체는 물 속의 수소와 결합한다.
그림4-8에서 보는 바와 같이 유리관 가장자리에 있는 물의 분자는 바로 위에 있는 유리의 분자에 다다르려고 하며, 달라붙으면 그 뒤에 있는 물 분자는 바싹 끌어 당기려고 한다.
이렇게 하여 생긴 물표면은 차례차례로 전체의 물을 유리관 표면에 붙어 올라간다.
이 현상은 상승력보다 끌어내리는 중력이 더 커질 때까지 계속되며 평형을 이룰 때 정지한다
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부력 |
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정지된 물에 잠겨있거나 떠있는 물체(고체)는 물에 의하여 수직 상방향으로 힘을 받는다. 이것이 물체에 작용하는 부력이다. FB = γv 여기서 FB : 부력 물체의 무게가 부력보다 클 때에는 물체는 가라 앉고, 물체의 무게와 부력이 같을 때는 물 속의 어느 곳에서나 정지해 있다. 고대 그리이스의 히에로(Hiero)왕은 새로 만든 왕관이 순금인가를 알기 위하여 아르키메데스를 불러 이를 조사하도록 하였다. |
수압
정지장태의 물에서 동일 수심에서의 압력은 전후·좌우·상하의 모든 방향에서 같은 세기의 힘이 미치게 되며 그 크기는 물 의 깊이에 의해 정해진다.
이것을 공식으로 표시하면
p=γh
여기서
p : 압력(kg/㎡)
γ: 물의 비중량(1000kg/㎥)
h : 수심(m)
이다. 그러므로 압력p는 수심 1m증가시 마다 0.1kg/㎠의 비율로 늘어나 수심 10m인 곳에서는 1kg/㎠이 된다. 그러나 수은의 경우에는 수은이 물보다 13.6배 무거우므로 여기에 비례하여 압력도 13.6배 커진다.
즉 압력은 유체의 비중량과 깊이에 따라 변하게 된다.
밀폐된 용기 속의 물에 작용한 외부압력의 크기에 변화없이 그대로 물의 모든 부분에 전달된다. 이것을 파스칼(Pascal)의 원리라 한다.
[그림]과 같은 수압기는 두 피스톤에서 면적비가 클수록 작은 힘으로 큰 힘을 얻을 수 있는 장치이다. 자동차용 잭, 수압프레스 등은 모두 파스칼의 원리를 이용한 것이다
용해성
물은 존재하는 물질 중에서 가장 우수한 용매이다. 용매란 용질(용해되는 물질)을 용해시키는 물질을 말한다. 많은 물질들이 물 속에 용해되어 있으며 생명체는 생명의 과정에서 그들을 이용한다. 물이 모든 생명체의 삶에 절대 필요한 물질이라는 것을 부인할 수 없다.
모든 물질은 미량이나마 물에 녹으며, 물질에 따라 잘 녹는 것과 잘 녹지 않는 것이 있다. 물(H2O)이 용 매로서 작용하는 것은 [그림]에서와 같이 두 개의 수소원자가 105 각도로 결합되어 있기 때문이다. 물의 구조로 보아 한 쪽은 「+」전하가 강하고 한쪽은 「-」전하가 강하므로 각종 용해능력이 생긴다.
비가 땅 속으로 스며들어 암석을 용해하고 땅 속의 광물질을 녹인 후 지상으로 분출된 물을 용천수라고 부른다.
석회석 동굴은 비가 공기 중의 탄산가스(CO2)를 용해하고 지하에 스며들어 암석을 녹여 탄산칼슘으로 침전되는 과정에서 형성된 것이다.
물 분자의 구조 물의 조성을 처음으로 발견한 사람은 J.프리스틀리이다. 이와같이 물은 수소2, 산소1로 되어 있는 물질이며, 화학식은H2O 이다. 물은 액체, 고체, 기체일때 분자의 존재상태가 달라 진다. 물 분자는 공유결합구조와 수소결합 구조로 구성되며 아래 그림에서 보는 바와 같이 2 원자가 한 전자의 쌍을 공유함으로써 이루어진 결합으로 이루어져 있고 이것을 공유 결합 또는 전자쌍결합 이라 한다. O―H, H―H, F―H 결합을 가진 물 분자는 산소, 질소 또는 플루오르원자를 포함하는 다른 분자들과 결합하는 경향이 있으며 이러한 결합은 수소원자를 중간에 두고 이루어진다. 수소결합은 공유결합보다 훨씬 약하기는 하지만 이 결합은 분자의 물리적 및 화학적 성질에 큰 영향을 미친다. 물의 상태 변화
그는 1771년에 수소와 산소(또는 공기)를 혼합하고 전기 스파크를 일으키면 물이 생기는 것을 발견하였다. 또한 H.캐벤디시는 1771년부터 1784년에 걸쳐 정확한 실험을 되풀이하여, 수소 2부 피와 산소 1부피에서 물이 생성됨을 확인하였고, 라브와지에도 1785년에 가열된 철관 속에 물을 통과시키면 수소가 발생하는 것을 확인하고, 물은 수소와 산소로 이루어진다는 것을 실증하였다(철은 산소에 의해서 산화철이 되었음).
다시 W.니콜슨 등은 볼타 전지에 의해서 처음으로 전기분해를 하여, 양극에 산소가 1부피, 음극에 수소가 2부피 발생하는 것을 알았는데, 이 것은 J.L.게이-뤼삭에 의해서 보다 정밀하게 실증되었다. 여기서 물은 수소와 산소로부터 생기고, 그 조성은 수소 2대 산소 1이라는 것이 밝혀졌다.
즉, 기체상태인 수증기 속에서는 독립된 분자로, 고체인 얼음결정 속에서는 수소결합에 의하여 육각결정구조를 가지고, 액체인 물에서는 공유결합과 수소결합의 특성을 가진 분자 특성을 가지고 있다.
다시 말하면 이때 수소 원자는 전자를 세게 잡아 당기는 2원자, 특히 산소, 질소, 플루오르 원자들을 연결하는 다리 구실을 할 수 있다. 이러한 결합을 수소결합이라고 부른다.
물분자는 산 소·질소 또는 플루오르를 포함하는 다른 분자들과 수소결합을 할 뿐만 아니라 물분자 서로간에도 이러한 결합이 이루어진다.
물 분자는 저희끼리 결합하거나 화합하여 큰 집합체를 만든다. 물의 특이한 성질들은 그 대부분이 물분자가 집합체를 만드는데 기인한다.
위 그림에서 1개의 물 분자는 수소와 산소가 공유결합을 하고 있지만 2개의 물 분자 사이에는 한쪽은 수소, 다른쪽은 산소가 전기적으로 끌어 당겨 수소결합을 이룬다. 수소결합은 이온결합이나 금속결합에 비하여 결합에너지가 매우 적다.
물은 3가지의 모양의 응집상태인 고상(얼음), 액상(물), 기상(수증기)의 삼상으로 존재한다. 고체상태인 얼음에서 기체상태인 수증기로 변화하는 과정을 살펴보면 일정한 온도의 얼음에 열을 가하면 0℃의 얼음이 될 때까지 열을 소모하게 되는데 이 때 소모되는 열을 얼음의 비열이라 하며, 1kg의 얼음을 1℃올리는데 0.5kcal의 열량이 필요하게 되며, 반대로 1℃내리는데 필요한 열량이기도 하다. 즉, 얼음의 비열은 0.5kcal/kg℃이다.
물 분자는 얼음결정속에서 수소결합에 의하여 육각결정 구조를 가지며 6개의 산소 원자로된 고리가 3차원적으로 연속된 4면체 구조를 갖는다.
석영의 한 변형인 인규석이나 보통 유리의 실투(유리에 결정이 석출하는 현상) 등에 의해서 생기는 결정 또는 눈의 결정이 육각형 등으로 되는 일이 있는 것은 이것 때문이다.
물이 얼어서 고체의 얼음이 되면 물 분자는 서로의 결합력이 세어져서 굳고 단단한 구조가 된다. 이때 물분자의 산소와 수소는 수소결합수에 의해 비교적 규칙적인 조합으로 안정되어 있고 틈이 있는 구조를 만든다.
액체상태의 물은 결합수가 적기 때문에 얼음의 경우보다 많은 분자가 같은 공간을 차지한다. 그러므로 액체상의 물보다는 빈틈이 많은 분자의 배열로 되고 비중도 액체상의 물보다는 거의 10%정도 작으며 얼음(비중 0.9168)은 물위에 뜬다. 얼음이 녹을 때는 일부의 수소결합이 파괴되어 육각형의 터널구조가 없어지므로 액체인 물 쪽으로 H2O분자가 채워지게 된다. 0℃의 얼음이 녹아 0℃의 물이 되는 과정 즉, 고체가 액체로 변하는 현상을 융해라 하며 고체가 융해하기 시작하는 온도를 융해점이라 하고 물에서는 0℃가 된다. 또 융해점에서 단위질량의 고체가 융해해야 같은 온도의 액체로 되는데 필요한 열량을 융해열이라 한다.
반대로 액체가 열을 빼앗겨서 같은 물질의 고체로 되는 것을 응고라 하며, 응고하기 시작하는 온도를 응고점이라 하며, 또 단위질량의 물질이 응고점에서 액체로부터 고체상태로 변화하는데 공급받아야 할 열량을 응고열이라 한다. 같은 물질에 대하여 융해열과 응고열은 같으며, 물의 경우에는 80kcal/kg이다. 0℃의 물에 열을 가하면 100℃의 물이 될 때까지는 1kg의 물에 대하여 1℃올리는데 1kcal의 열량이 필요하게 된다. 이것을 물의 비열이라 하며, 물의 비열은 1kcal/kg℃이다. 액체가 같은 물질의 기체로 되는 현상을 기화라 하며 액체의 표면으로부터 기화되는 현상을 증발, 액체의 내부에서 일어나는 현상을 비등이라 부른다.
기체가 차지하고 있는 공간이 한정되어 있을 경우에는 어느 정도까지 기화하면 평행상태로 되어 더 이상 기화하지 않는다. 다른 기체가 존재하지 않는 경우에 같은 물질의 액체와 기체가 평형을 유지하여 공존하고 있을 때에는, 기체가 차지하고 있는 공간은 액체의 증기에 의해서 포화되었다고 한다. 포화된 증기를 포화증기라 하고, 그렇지 않은 것은 불포화증기라고 한다. 포화증기가 나타내는 압력인 포화증기압은 온도에 따라 다르다.
포화증기압이 액체에 가해지고 있는 압력과 같을 때의 온도를 그 압력하에서의 끓는점(비등점)이라 한다. 다시 말해서, 끓는점은 주어진 압력하에서 액체와 그 증기가 평형을 유지하여 공존할 수 있는 온도를 말하는 것이지, 끓고 있는 액체의 온도를 말하는 것은 아니다.
온도 및 압력을 일정하게 유지하면서 액체를 기화시키려면 질량에 비례하는 열량을 필요로 한다. 단위질량의 물질이 액체로부터 기체상태로 변화하는 데 공급받아야 할 열량을 기화열이라 한다. 반대로 같은 조건하에서 기체가 같은 물질의 액체로 액화할 때에는 기화열과 똑같은 양의 열을 방출하여야 하며, 이 열량을 액화열이라 한다. 물 100℃때의 기화열은 540kcal/kg이다. 고체가 액체를 거치지 않고 기체로 되거나 반대로 기체가 직접 고체로 되는 현상을 승화라 하며 드라이 아이스나 나프탈린과 같은 경우에서 볼 수 있다. 얼음의 경우에는 0℃이하에서 직접 기체가 되는 경우가 있다. 이 과정을 도표로 표시하면 그림 2와 같다.