기포

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1. 개요
2. 일반적인 예
3. 물리학 및 화학
4. 생리학 및 의학
- 4.1. [[감압병]]
- 4.2. [[동맥 기체 색전증]]
5. 응용
6. 식품 속의 기포
참조

1. 개요

기포는 액체 또는 고체 내에 갇힌 기체 덩어리를 의미한다. 탄산 음료, 끓는 물, 바다 거품, 비눗방울 등 일상생활에서 다양한 형태로 나타난다. 물리학적으로 기포는 구형으로 형성되며, 굴절률 차이로 인해 시각적으로 식별된다. 기포가 교란되면 맥동 현상이 발생하며, 이는 고유 진동수를 갖는 소리를 발생시킨다. 생리학 및 의학 분야에서는 감압병 및 동맥 기체 색전증과 관련되며, 의료용 초음파 영상에서 조영제로 사용되기도 한다. 또한 잉크젯 프린터, 미세 유체 공학, 초음파 세척, 화학 공학, 생명 기원 연구 등 다양한 분야에서 응용된다.

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기포
개요
물 속에서 올라오는 기포
정의	액체 내의 기체 방울
관련 현상	공동 현상 끓음
상세
형성 과정	액체 내에 용해된 기체가 과포화 상태가 되어 핵생성 과정을 거쳐 형성됨
거동	부력, 표면 장력, 점성 등에 의해 움직임
소멸 과정	액체에 용해되거나 파열되어 소멸
활용
산업	화학 공학: 혼합, 반응 촉진 의료: 초음파 치료, 약물 전달
자연	해양 생태계, 화산 활동
연구 분야
유체 역학	기포의 생성, 성장, 이동, 소멸에 대한 연구
열전달	기포의 상변화에 따른 열전달 현상 연구
계면 현상	기포 계면의 특성 및 상호작용 연구

2. 일반적인 예

기포는 일상생활의 여러 곳에서 볼 수 있다. 예를 들면 다음과 같다.

탄산 음료에서 과포화된 이산화 탄소의 자발적인 핵 생성
끓는 물 속의 수증기
폭포 아래 등 교반된 물에 섞인 공기
바다 거품
비눗방울
베이킹 소다와 식초의 반응과 같은 화학 반응에서 방출되는 기체
제조 과정에서 유리에 갇힌 기체
수평계의 지표
껌

3. 물리학 및 화학

기포는 낮은 에너지 상태를 가지려는 특성 때문에 구형으로 형성되고 합쳐진다. 이에 대한 물리학 및 화학적 내용은 핵생성 문서를 참고하면 된다.

3. 1. 생성 원리

기포는 이러한 형태가 더 낮은 에너지 상태에 있기 때문에 구형으로 형성되고 합쳐진다. 이에 대한 물리학 및 화학적 내용은 핵생성을 참고하라.

3. 2. 모양

거품은 주변 물질과 다른 굴절률을 가지고 있기 때문에 보인다. 예를 들어, 공기의 굴절률은 대략 1.0003이고, 물의 굴절률은 대략 1.333이다. 스넬의 법칙은 서로 다른 굴절률을 가진 두 매질 사이의 경계면에서 전자기파가 어떻게 방향을 바꾸는지를 설명한다. 따라서 거품은 잠긴 매질과 잠수 매질이 모두 투명하더라도 수반되는 굴절과 내부 반사를 통해 식별할 수 있다.

위의 설명은 하나의 매질의 거품이 다른 매질에 잠긴 경우(예: 탄산음료 속 기포)에만 해당된다. 막 거품(예: 비눗방울)의 부피는 빛을 크게 왜곡시키지 않으며, 얇은 막 회절과 정반사로 인해 막 거품을 볼 수 있다.

3. 3. 가시성

거품은 주변 물질과 다른 굴절률을 가지고 있기 때문에 보인다. 예를 들어, 공기의 굴절률은 대략 1.0003이고, 물의 굴절률은 대략 1.333이다. 스넬의 법칙은 서로 다른 굴절률을 가진 두 매질 사이의 경계면에서 전자기파가 어떻게 방향을 바꾸는지를 설명한다. 따라서 거품은 잠긴 매질과 잠수 매질이 모두 투명하더라도 수반되는 굴절과 내부 반사를 통해 식별할 수 있다.^[1]

위의 설명은 하나의 매질의 거품이 다른 매질에 잠긴 경우(예: 탄산음료 속 기포)에만 해당된다. 막 거품(예: 비눗방울)의 부피는 빛을 크게 왜곡시키지 않으며, 얇은 막 회절과 정반사로 인해 막 거품을 볼 수 있다.^[1]

3. 4. 맥동 (Pulsation)

기포가 교란되면 기포 벽이 진동한다. 모양이 크게 변형되어 시각적으로는 잘 보이지 않지만, 진동의 한 구성 요소는 기포의 부피를 변화시키는 맥동(pulsation)이다. 맥동은 기체의 부피를 변화시켜 압력을 변화시키고 소리를 방출하기 때문에 음향적으로 중요하다. 물속 공기 방울의 경우, 크기에 따라 맥동의 특성이 달라진다.^[7]^[8]

수중에 갇힌 흥분된 기포는 손가락 관절 꺾기^[9]나 빗방울이 물 표면에 부딪힐 때^[10]^[11]와 같이 액체 소리의 주요 원인이 된다.

3. 4. 1. 고유 진동수

기포가 물속에 주입되는 경우처럼 교란되면 기포 벽이 진동한다. 모양이 크게 변형되어 진동이 잘 보이지 않는 경우가 많지만, 진동의 한 요소는 기포 부피를 변화시키는 맥동이며, 외부 음장이 없을 때 기포의 고유 진동수에서 발생한다. 맥동은 음향학적으로 가장 중요한 진동 요소인데, 기체 부피를 변화시켜 압력을 변화시키고, 기포의 고유 진동수에서 소리를 방출하기 때문이다.

물 속의 공기 방울 중 큰 기포(무시할 수 있는 표면 장력 및 열전도율)는 단열 맥동을 겪는다. 이는 액체에서 기체로 또는 그 반대로 열이 전달되지 않음을 의미한다. 이러한 기포의 고유 진동수는 다음 방정식으로 결정된다.^[7]^[8]

:

f_0 = {1 \over 2 \pi R_0}\sqrt{3 \gamma p_0 \over \rho}

$\gamma$ 는 기체의 비열비이다.
$R_0$ 는 정상 상태 반지름이다.
$p_0$ 는 정상 상태의 압력이다.
$\rho$ 는 주변 액체의 질량 밀도이다.

물 속의 공기 방울 중 작은 기포는 등온 맥동을 겪는다. 표면 장력 σ(및 무시할 수 있는 액체 점성)을 가진 작은 기포의 고유 진동수는 다음 방정식으로 결정된다.^[8]

:

f_0 = {1 \over 2 \pi R_0}\sqrt

수중에 갇힌 흥분된 기포는 손가락 관절을 꺾을 때^[9]와 빗방울이 물 표면에 부딪힐 때^[10]^[11]와 같이 액체 소리의 주요 원인이다.

4. 생리학 및 의학

기포 형성 및 성장에 의한 조직 손상은 감압병의 기전이며, 과포화된 용해된 불활성 기체가 감압 중 기포로 용액을 떠날 때 발생한다. 손상은 체내 기포 성장으로 인한 조직의 기계적 변형 또는 기포가 박힌 혈관의 막힘으로 인해 발생할 수 있다. 동맥 기체 색전증은 기체 기포가 순환계에 유입되어 사용 가능한 압력 차이에서 통과하기에는 너무 작은 혈관에 박힐 때 발생할 수 있다.

4. 1. [[감압병]]

기포 형성 및 신체 조직 성장으로 인한 손상은 감압병의 메커니즘으로, 과포화 용해된 불활성 기체가 감압 중에 용액을 기포로 남길 때 발생한다. 손상은 현장 기포 성장으로 인한 조직의 기계적 변형이나 기포가 박힌 혈관 차단으로 인해 발생할 수 있다.^[1]

동맥 기체 색전증은 기포가 순환계에 도입되고 기포가 너무 작아서 사용 가능한 압력 차이로 통과할 수 없을 때 발생할 수 있다. 이는 고압 노출 후 감압, 폐 과팽창 손상, 정맥 내 수액 투여 중 또는 수술 중에 발생할 수 있다.^[1]

4. 2. [[동맥 기체 색전증]]

동맥 기체 색전증은 기체 기포가 순환계에 유입되어 사용 가능한 압력 차이에서 통과하기에는 너무 작은 혈관에 박힐 때 발생할 수 있다. 이는 고압 노출 후 감압, 폐 과팽창 손상, 정맥 내 수액 투여 중 또는 수술 중에 발생할 수 있다.^[1]

5. 응용

열 잉크젯 프린터 인쇄 방식에서 증기 거품은 작동기(액추에이터)로 사용되며, 기타 미세 유체 공학적 응용에도 이따금 사용된다.^[13] 돌고래와 고래와 같은 해양 포유류는 기포를 오락이나 사냥 도구로 사용한다. 포기는 기포를 주입하여 액체에 가스를 용해시키는 과정이다. 별코두더지와 미국물쥐는 콧구멍을 통해 빠르게 숨을 쉬고 기포를 생성하여 물속에서 냄새를 맡을 수 있다.^[4] 생명의 기원에 대한 연구에 따르면, 기포는 생명을 위한 전구체 분자를 제한하고 농축하는 데 필수적인 역할을 했을 수 있으며, 이는 현재 세포막이 수행하는 기능과 유사하다.^[5] 버블 레이저는 광학 공진기로 기포를 사용하며, 고도로 민감한 압력 센서로 활용될 수 있다.^[6]

5. 1. 의료

의료 초음파 영상에서는 조영제라고 불리는 작고 캡슐화된 기포가 대비를 향상시키기 위해 사용된다. 열 잉크젯 프린터 인쇄에서는 증기 기포가 액추에이터로 사용된다. 이들은 때때로 다른 미세유체 응용 분야에서 액추에이터로 사용된다.^[2] 고체 표면 근처에서 기포의 격렬한 붕괴(캐비테이션)와 그 결과로 발생하는 충돌 제트는 초음파 세척에 사용되는 메커니즘을 구성한다. 더 큰 규모의 동일한 효과는 바주카포 및 어뢰와 같은 집속 에너지 무기에 사용된다. 권총새우는 붕괴하는 캐비테이션 기포를 무기로 사용하기도 한다. 동일한 효과는 쇄석기에서 신장 결석을 치료하는 데 사용된다.

5. 2. 산업

고체 표면 근처에서 기포가 격렬하게 붕괴(캐비테이션)하면서 발생하는 충돌 제트는 초음파 세척에 사용되는 기술이다. 더 큰 규모에서는 바주카포 및 어뢰와 같은 집속 에너지 무기에도 같은 효과가 사용된다.^[2] 권총새우는 붕괴하는 캐비테이션 기포를 무기로 사용하며, 쇄석기에서는 신장 결석 치료에 활용된다.

화학 공학 및 야금학 기술자는 증류, 흡수, 부유 선광 및 분무 건조와 같은 공정에 기포를 사용한다. 관련된 복잡한 공정은 물질 전달 및 열 전달을 고려해야 하며, 유체 역학을 사용하여 모델링된다.^[3]

5. 3. 기타

핵생성은 의도적으로 유도될 수 있는데, 예를 들어 고체 내에 버블그램을 생성하기 위해서이다.

의료 초음파 영상에서는 조영제라고 불리는 작고 캡슐화된 기포가 대비를 향상시키기 위해 사용된다. 열 잉크젯 프린터 인쇄에서는 증기 기포가 액추에이터로 사용된다. 이들은 때때로 다른 미세유체 응용 분야에서 액추에이터로 사용되기도 한다.^[2]

고체 표면 근처에서 기포의 격렬한 붕괴(캐비테이션)와 그 결과로 발생하는 충돌 제트는 초음파 세척에 사용되는 메커니즘이다. 더 큰 규모의 동일한 효과는 바주카포 및 어뢰와 같은 집속 에너지 무기에 사용된다. 권총새우는 붕괴하는 캐비테이션 기포를 무기로 사용하기도 한다. 동일한 효과는 쇄석기에서 신장 결석을 치료하는 데 사용된다. 돌고래와 고래와 같은 해양 포유류는 기포를 오락이나 사냥 도구로 사용한다. 포기는 기포를 주입하여 액체에 가스를 용해시킨다.

기포는 화학 공학 및 야금학 기술자가 증류, 흡수, 부유 선광 및 분무 건조와 같은 공정에 사용한다. 관련된 복잡한 공정은 종종 물질 전달 및 열 전달을 고려해야 하며, 유체 역학을 사용하여 모델링된다.^[3]

별코두더지와 미국물쥐는 콧구멍을 통해 빠르게 숨을 쉬고 기포를 생성하여 물속에서 냄새를 맡을 수 있다.^[4]

생명의 기원에 대한 연구는 기포가 생명을 위한 전구체 분자를 제한하고 농축하는 데 필수적인 역할을 했을 수 있음을 시사하며, 이는 현재 세포막이 수행하는 기능이다.^[5]

버블 레이저는 광학 공진기로 기포를 사용한다. 이는 고도로 민감한 압력 센서로 사용될 수 있다.^[6]

6. 식품 속의 기포

빵, 케이크, 시리얼, 초콜릿, 맥주, 샴페인, 미네랄 워터, 청량 음료와 같은 음료, 그리고 요리사가 만든 폼과 같은 실험적인 응용 분야도 기포를 포함하는 식품이다.^[1]

참조

_[1] 서적 The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity https://books.google[...] Cambridge University Press 2001-04-09
_[2] 간행물 The ‘acoustic scallop’: a bubble-powered actuator
_[3] 서적 Bubbles, Drops and Particles Dover Publications
_[4] 웹사이트 Star-nosed mole can sniff underwater, videos reveal https://www.newscien[...]
_[5] 뉴스 The Key to Life's Emergence? Bubbles, New Study Argues https://www.livescie[...] LiveScience 2019-08-06
_[6] 웹사이트 Bubble lasers can be sturdy and sensitive https://pubs.aip.org[...] American Institute of Physics 2024-04-02
_[7] 문서 On musical air-bubbles and the sounds of running water
_[8] 서적 The Acoustic Bubble Academic, London
_[9] 학술지 A Mathematical Model for the Sounds Produced by Knuckle Cracking 2018-03-29
_[10] 학술지 The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain
_[11] 웹사이트 Bubble Resonance http://ffden-2.phys.[...] 2005-06
_[12] 서적 The Motion of Bubbles and Drops in Reduced Gravity https://books.google[...] Cambridge University Press 2001-04-09
_[13] 간행물 The ‘acoustic scallop’: a bubble-powered actuator

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