액체

액체(液體)는 물질의 상태의 일종으로, 거의 압축할 수 없는 유체를 가리킨다. 액체는 자유롭게 모양을 바꿀 수 있으나 그 부피는 압력과 상관없이 거의 일정하다. 구체적으로 말해 액체는 50℃에서 300kPa(3bar) 이하의 증기압을 가지고, 20℃ 및 101.3kPa에서 완전히 가스상이 아니며 또한 101.3kPa에서 녹는점 또는 초기 녹는점이 20℃ 이하인 물질을 말한다.
끓는점 이상의 온도에서 기체로, 어는점 이하에서 고체로 상을 바꾼다.

액체의 구조

원소 가운데 실온에서 액체인 것은 금속에서는 수은, 비금속에서는 브로민의 2종으로 매우 적다. 이 밖에 실온에 가까운 녹는점을 가지는 금속에 갈륨(녹는점 29.8℃)과 세슘(녹는점 28.5℃), 프랑슘(녹는점 300K)이 있을 뿐이다. 이와 같이, 우리의 주변에서 볼 수 있는 액체는 대부분 화합물이든가 아니면 그들이 혼합된 것이다. 액체는 고체의 경우와 달리 그것을 이루고 있는 입자의 배열이 불규칙하여 입자가 상당히 자유로이 운동할 수 있다. 여러 가지 물질의 끓는점을 비교해 보면 상당히 높은 것도 있고 낮은 것도 있다. 끓는점이 높다는 말은 액체를 구성하고 있는 입자(원자,분자 이온)가 따로따로 흩어져 있어 기체로 될 온도가 높다는 것을 뜻한다. 다시 말하면, 이것은 액체를 구성하고 있는 입자 사이에 강한 힘이 작용하고 있을수록 끓는점이 높아진다는 말이 된다.

다른 상태와의 비교

액체가 고체와 달리 어떤 모양의 그릇에나 들어갈 수 있는 것은, 액체를 이루고 있는 입자가 고체의 경우보다 상호간의 결합력이 약하여 움직이기 쉽기 때문이다. 또, 기체를 주사기에 넣고 구멍을 막은 다음 피스톤을 밀었다가 뺐다가 하면 기체의 부피가 변하는데 반해 액체는 이와 같이 해도 부피가 변하지 않는다. 이것은 액체를 이루고 있는 입자의 틈새가 기체의 경우보다 훨씬 작아 더 이상 압축되기 힘들기 때문이다.

점성

유리병 속에 에탄올(에틸알코올)과 진한 황산을 각각 넣고 흔들면 유리병의 벽을 타고 내리는 모양이 다르다. 에틸알코올은 비교적 깨끗이 내려가지만, 진한 황산은 끈적끈적하며 잘 내려가지 않는다. 액체의 이러한 성질을 점성이라고 한다. 점성을 엄밀히 측정하기는 상당히 어려운 일이지만, 굵기가 같은 가는 관을 같은 양의 액체가 타고 내리는 시간을 비교하면 점성이 큰 액체 쪽이 시간이 더 걸린다. 이때, 한쪽 액체를 표준으로 하여 시간을 재면 점성을 비교할 수가 있다. 점성은 온도가 올라가면 감소하는 것이 보통이므로 측정할 때는 온도를 일정하게 유지해야 한다. 오스트발트의 점도계를 사용하여 물을 표준으로 삼으면, 어떤 액체와 물의 점성의 비(비점성도)는 각각의 밀도를 d, dw, 점도계의 두 눈금 사이를 흘러내리는 시간을 t, tw라고 할 때 dt/dwtw로 구할 수 있다. 분자성 액체에서는 액체로 존재하는 온도 범위가 좁은 물질이 넓은 물질에 비해서 점성이 작다. 또, 분자의 구조가 복잡한 것은 점성이 크다. 물이나 알콜 등은 수소 결합이 있으므로 양상이 좀 다르다.

표면장력

표면장력(表面張力)은 액체의 표면이 스스로 수축하여 되도록 작은 면적을 취하려는 힘의 성질을 말하며 계면장력의 일종이다. 소금쟁이과와 같은 곤충이 물 위에 걸을 수 있게 도와 주는 것도 이 속성에서 비롯한다. 또 다른 예로 바늘 등의 금속 물질, 면도 칼날, 포일 조각과 같은 조그마한 물체들이 물 표면 위에 뜨는 것을 들 수 있다. 이는 모세관 현상과 밀접한 관계가 있다.

소개

액체는 물질의 고체, 기체, 플라즈마와 함께 주요한 4개의 상태 중 하나이다. 고체와 달리, 액체의 분자들은 움직이기에 더 큰 자유를 가지고 있다. 고체에서 분자들을 함께 묶는 힘은 고체가 단단하게 남아있는 반면에 액체는 흐르게 하며 액체에서는 일시적이다. 액체는 기체처럼 유체의 특성을 보여준다. 액체는 흐를 수 있고 용기의 모양을 가지며, 봉인된 용기에 놓여있다면 용기에 있는 모든 표면에 같은 압력이 적용될 것이다. 만약 액체가 한 가방 안에 들어있다면 어느 모양으로도 만들어져 있을 수 있다. 기체와 달리, 액체는 거의 압축할 수 없으며 넓은 범위의 압력에서 거의 일정한 부피를 차지한다. 이것은 일반적으로 용기에 이용 가능한 공간을 채우기 위해 확장하지는 않지만 그만의 표면을 형성한다. 그리고 항상 다른 액체와 손쉽게 섞이지 않을지도 모른다. 이러한 특성은 액체를 유압식 기계와 같이 적용에 알맞게 만든다. 액체 입자들은 견고하게 묶여져 있지만 단단하게는 아니다. 그들은 입자 운동의 제한된 정도를 야기하며 한 곳에서 다른 곳으로 자유롭게 움직일 수 있다. 온도가 상승하면, 분자들의 증가한 진동이 분자 간 거리를 증가시킨다. 액체가 그 끓는점에 도달하면, 분자들이 더 가까이 묶여 있도록 하는 결합 에너지를 부수고 액체를 기체 상태로 변화시킨다(과열이 발생하지 않으면). 만약 온도가 감소하면, 분자 간 거리는 더 작아진다. 액체가 그 ㅁ어는점에 도달하면 분자들은 정출작용이라 불리는 매우 특정한 순서로 잠기게 될 것이다. 그리고 액체를 고체 상태로 바꾸며 그들 사이의 결합은 더 단단해진다(과냉이 발생하지 않으면).

예시

오직 두 원소만이 온도와 압력에 있어 표준 상태에서 액체이다: 수은과 브로민. 그 이상의 4가지 원소들은 상온보다 약간 높은 곳에서 녹는점을 가지고 있다: 프란슘, 칼슘, 갈륨, 루비듐. 상온에서 액체인 금속 합금은 소듐-포타슘 금속 합금인 NaK, galinstan, 가융합금액체, 몇몇 혼합물들(수은을 포함한 금속)을 포함한다. 일반적인 환경 하에서 액체인 순물질들은 물, 에탄올 그리고 많은 다른 유기용제들을 포함한다. 액체 물은 화학과 생물학에서 필수적으로 중요하다. 삶의 존재에서 필수적으로 여겨진다. 무기물의 액체들로는 물, 마그마, 무기물의 비수성 용액, 그리고 많은 산들을 포함한다. 중요한 일상생활의 액체들은 가정용 표백제, 미네랄 오일, 가솔린, 비네그레트 드레싱이나 마요네즈 같은 유제, 피와 같은 서스펜션, 페인트나 우유 같은 콜로이드와 같은 다른 물질들의 혼합물과 같은 수분을 함유한 용액들을 포함한다. 많은 기체들은 액체 산소, 액체 수소, 액체 헬륨과 같은 액체들을 생산해내며 냉각에 의해 액화될 수 있다. 이산화탄소가 5.1기압보다 높은 압력에서만 액화될 수 있는 것처럼 모든 기체들이 대기압 조건에서 액화되는 것이 아니다. 몇몇 물질들은 고전적인 3가지 물질 상태로 분류될 수 없다. 그들은 고체나 기체 같은 특성들을 가지고 있다. 예로는 LCD 디스플레이에 사용되는 액정들이나 생체막을 포함한다.

적용

액체들은 윤활유, 용제, 냉각수와 같은 다양한 사용방법을 가지고 있다. 유압 장치에서, 액체는 힘을 전달하기 위해 사용된다. 마찰학에서, 액체들은 윤활유로서의 특성이 연구된다. 기름과 같은 윤활유들은 부품의 작동 온도를 조절하는 것을 통해 알맞은 점착성과 흐르는 특징으로 선택된다. 기름은 종종 그들의 윤활 특성으로 엔진, 기어 박스, 금속 세공, 그리고 유압 장치에 사용된다. 많은 액체들은 용제로서 다른 액체나 고채를 용해시키기 위해 사용된다. 용액들은 페인트, 밀봉제, 접착제를 포함한 넓은 도포의 다양성에서 발견된다. 나프타와 아세톤은 산업에서 기름과 부품과 기계로부터의 콜타르를 깨끗이 하기 위해 자주 사용된다. 체액은 물 기반의 용액이다. 계면활성제는 비누나 세정제에서 흔히 발견된다. 알코올과 같은 용제들은 항미생물제로서 종종 사용된다. 그들은 화장품, 잉크, 액체 색소 레이저에서 발견된다. 그들은 야채 기름의 추출과 같은 과정에서 음식 산업에서 사용된다. 액체는 기체보다 더 좋은 열전도율을 가지는 경향이 있고 흐르는 능력은 기계적인 부품으로부터의 과도한 열을 제거하는데 액체를 더 알맞게 만들어준다. 이 열은 방열기와 같은 열교환기를 통해 액체를 보냄으로써 제거될 수 있다. 또는 이 열은 증발동안에 액체로 제거될 수도 있다. 물이나 글리콜 냉각수는 엔진을 과열로부터 막기 위해 사용된다. 원자로에서 사용되는 냉각수는 물이나 나트륨이라 비스무트와 같은 액체 금속을 포함하고 있다. 압축가스 막은 로켓의 연소실을 냉각시키기 위해 사용된다. 기계 가공에서, 물과 기름은 발생된 과도한 열을 제거하기 위해 사용된다. 이는 빠르게 제조 공정에 있는 제품과 공구 모두를 파괴시킨다. 땀을 흘리며, 땀은 증발로서 체내의 열을 제거한다. 난방, 환기, 공기 조절 산업(HVAC)에서, 물과 같은 액체는 한 지역으로부터 다른 곳으로 열을 전달하는데 사용된다. 액체는 유압장치의 주요 요소이다. 이는 유체의 힘을 제공하는 파스칼의 법칙을 이용한다. 펌프와 수차와 같은 장치들은 고대부터 물의 운동을 기계적인 일로 바꾸는데 사용되어왔다. 기름은 유압 장치를 통해 힘이 가해진다. 이는 이 힘을 유압 실린더로 전송한다. 유압식 기계는 자동 브레이크, 전도, 무거운 설비, 비행기 조절 시스템과 같은 많은 응용분야에서 발견된다. 다양한 유압 프레스는 들어올리고, 누르고, 클램핑하고 형성하기 위해 수리와 제조에서 광범위하게 사용된다. 액체는 가끔 장치를 측정하는 데에도 사용된다. 온도계는 종종 온도를 나타내기 위해 그들의 흐르는 능력을 결합한 수은과 같은 액체의 열팽창을 사용한다. 압력계는 대기압을 나타내기 위해 액체의 무게를 사용한다.

부피

액체의 양은 그 부피의 단위로 측정된다. 이것들은 특히 더 흔히는 리터라 불리는 입방 데시미터에서 (1 dm3 = 1 L = 0.001 m3), 또한 밀리리터로 불리는 입방 센티미터에서(1 cm3 = 1 mL = 0.001 L = 10−6 m3) SI 단위계 세제곱미터()과 나눗셈을 포함한다. 액체의 양의 부피는 그 온도와 압력에 의해 고정된다. 액체는 일반적으로 열이 가해지면 팽창하고 냉각되면 수축된다. 와 사이의 물은 눈에 띄는 예외가 있다. 액체는 압축성을 거의 가지고 있지 않다. 예를 들어 물은 대기압에서 각 부피당 오직 100만분의 46.4로 압축될 것이다. 대략 4000바(58,000psi)의 압력에서, 방 온도에서, 물은 부피에 있어서 오직 11%의 감소를 경험한다. 유체 역학 연구에서, 액체는 특히 비압축성 흐름을 연구할 때 종종 압축될 수 없는 것으로 여겨지기도 한다. 이 비압축성 성질은 아주 없는 약간의 에너지가 압축의 형태에서 잃게 되기 때문에 수력을 전하는데 액체를 더 알맞게 만든다. 그러나, 아주 약간의 압축성은 다른 현상을 이끈다. 수격작용이라 불리는 파이프의 뱅잉은 소리의 속도보다 약간 아래에서 시스템을 통해 뒤로 이동하는 밸브에서 큰 압력 상승을 만들면서 밸브가 갑자기 닫힐 때 발생한다. 액체의 비압축성에 의해 발생하는 다른 현상은 캐비테이션이다. 액체들이 탄성력을 거의 가지고 있지 않기 때문에 그들은 글자 그대로 보트 프로펠러의 날개 뒷전 또는 파이프의 날카로운 모서리처럼 높은 격변의 영역에서 또는 방향에 있어서 급변으로 서로 당기게 되는 것이다. 낮은 압력의 영역(진공)에 있는 액체는 증발하고 거품을 형성한다. 그리고 그들이 높은 압력에 들어갈 때 붕괴된다. 이것은 가까운 고체 표면을 침식시키며 액체를 어떤 엄청나게 국부적인 힘으로 거품에 의해 남겨진 구멍을 채운다.

유체 통계학

중력장에서, 액체는 액체 그 자신에게 뿐만 아니라 용기의 벽면에도 압력을 가한다. 이러한 압력은 모든 방향으로 전달되고, 그 깊이를 증가시킨다. 만약 액체가 균일 중력장에서 움직이지 않는다면 어떤 깊이 z에서의 압력p는 에 의해 주어진다. 이 공식이 자유면에서의 압력이 0이라는 것을 나타내고 이 표면장력효과가 무시될지도 모른다는 것을 주목해라. 액체에 담궈진 물건들은 부력의 현상의 대상이 된다(부력은 또한 다른 유체에서도 관찰되지만, 특히 그들의 높은 밀도 때문에 액체에서 강하다).

표면

액체의 부피가 정확하게 그 용기의 부피와 맞지 않는다면 하나 이상의 표면이 관찰된다. 액체의 부피는 방울과 거품을 형성하며 탄성이 있는 막과 같이 행동한다. 표면파, 모세관 현상, 젖음, 잔물결은 표면 장력의 또 다른 결과들이다. 나노 단위의 기하학적인 제약에 의해 정의된 형성된 액체에서, 대부분의 분자들은 몇몇 표면 효과를 감지한다. 이는 액체 부피로부터 극도로 벗어난 특징을 초래한다.

자유면

자유면은 지구 대기에 있는 물과 공기 같은 것 사이의 경계처럼 0 직각의 법선 변형력과 평행한 전단 응력을 대상으로 하는 유체의 표면이다.
정도
액위(예를 들어 수위)는 특히 가장 윗 부분 표면에 있을 때 액체 자유면과 관련된 높이이다. 이것은 레벨 센서로 측정된다.

흐름

점도는 변형력또는 외연력에 의해 변형된 액체의 저항을 측정한다. 다른 말로 점도는 흐르려고 하는 액체의 저항이다. 액체가 유리 전이를 향해 과냉될 때, 점도는 급진적으로 증가한다. 액체는 관찰의 기간 또는 동요의 빈도에 따라 고체의 탄성과 액체의 유동성을 모두 보여주는 점탄성체가 된다.

소리 전파

유체에서의 소리의 속도는 에 의해서 주어진다. 여기서 는 유체의 체적탄성율이고 는 밀도이다. 일반적인 기준을 두기 위해서, 민물에서는 25에서 c는 1497m/s이다.

상 변이

끓는점 아래의 온도에서, 액체형태의 어떤 물질도 위의 기체의 응결이 평형상태에 도달하기까지 증발하지 않을 것이다. 이 지점에서 기체는 액체가 증발했던 것과 같은 비율로 응결할 것이다. 이와 같이, 만약 증발된 액체가 계속적으로 제거된다면 액체는 영구적으로 존재할 수 없다. 그 끓는점에 있는 액체는 그 기체가 현재 압력에서 응결할 수 있는 것보다 더 빨리 증발할 것이다. 그 끓는점에 있거나 그 위에 있는 액체는 비록 과열이 이 확실한 상황에서 이것을 막을 수 있을지라도 보통 끓을 것이다. 어는점보다 낮은 온도에서, 액체는 그 고체 형태로 변화하면서 결정화하려는 경향이 있다. 기체로의 변이와 달리 일정한 압력 하의 이 변이에서는 평형상태가 없다. 그래서 과열이 발생하지 않으면, 그 액체는 결국 완전히 결정화할 것이다. 이 것이 오직 일정한 압력 하에서만 그렇다는 것을 주목해라. 그래서 예를 들어 닫혀진, 강한 컨테이너에 있는 물과 얼음은 두 상이 공존할 때에 평형상태에 도달할지도 모른다. 고체로부터 액체로의 전이에서, 녹는 것을 보아라.
우주에서의 액체
이 상 도표는 왜 액체가 우주에서 존재하지 않는지 또는 다른 진공을 설명한다. 압력이 0이기 때문에(행성과 달의 표면과 내부를 제외하고는) 물과 우주에 노출된 다른 액체들은 그 온도에 따라 즉시 끓거나 얼을 것이다. 지구 근처의 우주 지역에서, 물은 해가 그 위에 직접적으로 빛나지 않는다면 얼 것이다. 그리고 그 햇빛에 있자마자 증기화할(절묘한) 것이다. 만약 물이 달 위에 얼음으로서 존재한다면, 또한 오직 해가 절대 빛나지 않고 주위를 둘러싸는 바위가 너무 많이 열을 내지 않는 그늘진 구멍에 존재할 수 있다. 토성 궤도 근처의 몇 지점에서, 해로부터의 빛은 너무 희미해서 얼음을 수증기로 숭고할 수 없다. 이 것은 토성의 고리를 구성하는 얼음의 오랜 지속성으로부터 분명하다.

용액

액체는 불혼화성을 가지고 있다. 일상생활에서 가장 친숙한 섞이지 않는 두 액체의 혼합물은 이탈리아 샐러드 드레싱에서의 야채 기름과 물이다. 가장 친숙한 섞이는 액체들은 물과 알코올이다. 혼합물에서 액체 요소는 분별증류를 통해 하나로부터 분리될 수 있다.

미세한 특성

액체에서, 원자는 결정 격자를 형성하거나 그들이 다른 긴 범위의 순서의 형성을 보여주지는 않는다. 이것은 엑스레이에서의 브래그 피크와 중성자 회절에 의해 알려졌다. 일반적인 환경하에서, 액체의 등방성을 나타내며 회절 무늬는 원형 대칭을 가지고 있다. 방사 방향에서, 회절 강도는 부드럽게 진동한다. 이것은 보통 탐침(광자 또는 중성자)의 파장λ과 브랙각θ에 의해 주어진 파상수 q=(4π/λ)sinθ로 정적 구조 인자(S(q))에 의해 설명된다. S(q)의 진동은 액체의 가까운 배열, 즉 원자와 첫 번째로 가장 가까운, 두 번째로, ... 가까운 껍질 들 사이의 상관관계를 나타낸다. 이러한 상관관계의 직관적 설명은 기본적으로 S(q)의 푸우리엔 변화인 동경분포 함수 g(r)에 의해 주어진다. 그것은 액체에서 쌍 상관관계의 일시적 스냅샷의 공간의 평균을 나타낸다.
소리의 분산과 구조적 완화
소리 속도의 위 표현은 체적 탄성률 를 포함한다. 만약 가 주파수와 관계가 없다면 소리가 소실 없이 모드 결합 없이 전파되기 위해서 액체는 선형 매체로서 행동한다. 사실, 어떤 액체도 몇몇 확산을 보인다. 증가하는 진동수와 함께 저주파의 액체 같은 한계 로부터 고주파의 고체 같은 한계로 는 바뀐다. 일반적인 액체에서 대부분의 이러한 변화는 가끔 하이퍼사운드라 불리는 GHz와 THz 사이의 진동수에서 발생한다. GHz 아래의 진동수에서, 일반적인 액체는 왜파를 지탱하지 못한다. 전단력의 0 진동수 한계는 이다. 이것은 가끔 액체의 특징을 정의내림으로써 보여 진다. 그러나 체적 탄성률 처럼 전단 탄성률 는 주파수에 의존적이며, 하이퍼사운드 진동수에서 액체 같은 한계에서 고체 같은 0이 아닌 한계로의 비슷한 변화를 보여준다. 크라머스 크로니히의 관계식에 따르면 이러한 소리 속도에서의 확산(실제 와 의 부분에 의해 주어진)은 소리가 가늘게 되는 것(소멸,와의 가상적 부분에 의해 주어진)에서 최대에 따르게 된다. 선형 반응 이론에 따르면 와 의 푸리에 변형은 계가 외부 동요 후에 어떻게 평형 상태로 되돌아가는지를 묘사한다. 이러한 이유로 확산은 GHz에서 일어난다. THz 지역도 또한 구조적 완화라 불린다. 변동 소산 원리에 따르면 평형상태로의 완화는 친밀히 평형상태에서 변동과 연결되어 있다. 소리의 파장과 연관된 밀도 변화는 브릴루인 산란에 의해 실험적으로 관찰될 수 있다. 유리 변화로의 액체를 과냉각하는 것에서 액체 같은 반응으로부터 고체 같은 반응까지의 크로스오버는 GHz에서 MHz, kHz, Hz, ... 로 이동한다. 동등하게, 구조적 완화의 특징적 시간은 ns로부터 μs, ms, s, ... 까지 상승한다. 이것은 앞에 언급된 유리 형성 액체의 점탄성 작용의 미세한 설명이다.

연산 작용

고체에서의 원자/분자적 확산(또는 미립자 이동)의 기작은 액체 물질에서의 점성 유동과 응결의 기작과 밀접하다. 액체 내의 분자 “자유 공간”에 관한 점도에 대한 서술은 분자들이 액체 상태, 일반적인 온도에서 “관련된” 것으로 알려져 있는 액체를 차지 하기 위해서 필요한 것으로서 수정되었다. 다양한 분자가 함께 모여 관련된 분자를 형성할 때 그들은 반 강체계에서 전에는 이동하는 분자들의 자유로운 공간으로서 이용 가능했던 확실한 양의 공간을 둘러싼다. 따라서, 대부분의 물질들이 냉각과 연관되려고 하는 경향 때문에 냉각에 따라 점도의 상승한다. 비슷한 논쟁이 점도는 주로 한정된 압축성을 가진 액체의 부피의 기능이다라고 추정될지도 모르는 점도에서의 압력의 효과를 설명하기 위해 사용되었다. 그러므로 압력의 증가로의 증가하는 점도는 예상된다. 게다가 만약 부피가 열에 의해 팽창된다면 다시 압력에 의해 감소될 것이다. 그러나 점도는 똑같이 남아있다. 작은 그룹에 있는 분자들의 방향으로의 국부적인 경향은 (전에 나타난)액체에게 확실한 온도의 연관성을 준다. 이러한 연관성은 액체 내에서의 상당한 “내부 압력”을 초래한다. 이것은 거의 대부분 그들의 일시적인 낮은 속도(멕스웰의 확산 법칙을 따르는) 때문에 다른 분자들과 합쳐진 분자들 때문이다. 몇몇의 그러한 분자들 사이의 내부의 압력은 고체 형태에서 분자들의 그룹 사이의 것과 일치할지도 모른다.