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.

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. 갈릴레오의 전(前) 학생 Niccolò Aggiunti(1600~1635년)이 모세관 현상을 탐구했다고 전해졌다.

메니스커스의 높이 

수직 유리 튜브(모세관)의 하단 끝에 임의의 액체가 놓여졌을 때, 메니스커스(meniscus)가 형성된다. 액체 기둥의 높이는 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.

메니스커스의 높이 h에 대해 정리하면 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.

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.

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

참고 문헌 
 

광합성
식물생리학
유체역학
토질역학