액체

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1. 개요

액체는 물질의 네 가지 기본 상태 중 하나로, 고체와 달리 분자들이 자유롭게 움직일 수 있어 흐를 수 있는 유체이다. 액체는 용기의 형태를 따르고 압력을 균등하게 분배하며, 기체와 달리 거의 비압축성을 가진다. 부력, 점성, 표면 장력과 같은 다양한 물리적 특성을 가지며, 윤활, 용매, 냉각, 유압 등 다양한 분야에서 활용된다. 액체는 원소, 화합물, 또는 혼합물 형태로 존재하며, 온도와 압력에 따라 상 변화를 겪는다. 우주에서는 액체 상태로 존재하기 어렵지만, 지구를 비롯한 특정 천체에서는 액체 상태의 물질이 존재하거나 존재했을 가능성이 있다. 액체의 특성은 거시적, 미시적, 메조스코픽 방법론을 통해 예측할 수 있으며, 경험적 상관관계, 상태 방정식, 유체역학 이론, 분자 동역학, 제일원리 양자역학적 방법 등이 사용된다.

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액체
일반 정보
물방울
상태	액체
성질
분자 운동	비교적 자유로움
부피	일정
모양	용기에 따라 변함
압축성	낮음
흐름	가능
표면 장력	존재
점성	존재
열전도율	고체보다는 낮고 기체보다는 높음
밀도	고체보다는 낮고 기체보다는 높음 (예외 존재)
상전이
고체로	응고
기체로	기화
관련 항목
관련 항목	유체 고체 기체 플라스마 상 물질의 상태 액정 초유체 표면 장력

2. 액체의 정의 및 특징

액체는 물질의 상태 중 하나로, 고체, 기체, 플라스마와 함께 주요한 네 가지 상태에 속한다. 고체와 달리 액체는 비교적 자유롭게 움직이는데, 이는 고체를 구성하는 분자들을 묶는 힘이 액체에서는 일시적이기 때문이다. 이러한 특성 덕분에 액체는 흐를 수 있다. 또한, 액체는 기체처럼 유체의 특성을 보인다.

액체는 담긴 용기의 모양에 따라 형태가 변하지만, 기체와 달리 압축하기 어렵다. 즉, 넓은 범위의 압력에서도 거의 일정한 부피를 유지한다. 또한 액체는 스스로 표면을 형성하며, 다른 액체와 항상 잘 섞이지는 않는다. 유압은 이러한 액체의 특성을 활용한 대표적인 예시이다.

액체 입자들은 단단하게 묶여 있지만, 고체처럼 완전히 고정된 것은 아니다. 따라서 입자들은 서로 제한적으로 움직일 수 있다. 온도가 올라가면 분자들의 운동이 활발해져 분자 간 거리가 멀어지고, 끓는점에 도달하면 분자 간 결합 에너지가 끊어져 기체로 상태 변화한다. 반대로 온도가 내려가면 분자 간 거리가 가까워지고, 어는점에 도달하면 분자들이 더 단단하게 결합하여 결정화되면서 고체로 변한다.

주기율표에서 상온, 상압에서 액체 상태로 존재하는 단일 원소는 수은과 브로민뿐이다. 갈린스탄과 같은 일부 합금도 상온에서 액체 상태를 유지한다. 순물질 중에서는 물, 에탄올, 다양한 유기용매 등이 상온, 상압에서 액체로 존재한다. 특히 액체 상태의 물은 화학 및 생물학에서 매우 중요한 역할을 하며, 생명체에게 필수적인 요소로 여겨진다.

일상생활에서 흔히 볼 수 있는 액체로는 가정용 표백제와 같은 수용액, 광유나 휘발유와 같은 혼합물, 비네그레트 소스나 마요네즈와 같은 에멀션, 혈액과 같은 현탁액, 페인트나 우유와 같은 콜로이드 등이 있다.

많은 기체는 냉각을 통해 액화될 수 있으며, 이를 통해 액체 산소, 액체 질소, 액체 수소, 액체 헬륨 등을 얻을 수 있다. 하지만 이산화탄소와 같이 상압에서 액화되지 않는 기체도 있다.

액체는 고전적인 물질의 세 가지 상태(고체, 액체, 기체)로 분류하기 어려운 경우도 있다. 예를 들어, 액정은 고체와 액체의 특성을 모두 가지고 있으며, 생체막의 대부분도 액정으로 이루어져 있다.

2. 1. 다른 상태와의 비교

액체는 물질의 네 가지 기본 상태 중 하나이며, 다른 상태는 고체, 기체, 플라스마이다. 액체는 유체의 한 종류이다. 고체와 달리 액체의 분자는 훨씬 더 자유롭게 움직일 수 있다. 고체에서 분자들을 서로 결합하는 힘은 액체에서는 일시적이어서 액체가 흐를 수 있게 하지만, 고체는 단단하게 유지된다.

액체는 기체와 마찬가지로 유체의 특성을 나타낸다. 액체는 흐를 수 있고 용기의 모양을 취하며, 밀폐된 용기에 담긴 경우 가해진 압력을 용기 내의 모든 표면에 고르게 분배한다. 액체를 주머니에 넣으면 어떤 모양으로든 압착할 수 있다. 기체와 달리 액체는 거의 압축되지 않으며, 넓은 압력 범위에서 거의 일정한 부피를 차지한다. 일반적으로 용기 내의 사용 가능한 공간을 채우기 위해 팽창하지 않고 자체 표면을 형성하며, 다른 액체와 항상 쉽게 섞이는 것은 아니다. 이러한 특성으로 인해 액체는 유압과 같은 응용 분야에 적합하다.

액체 입자는 단단하게 결합되어 있지만, 고정되어 있지는 않다. 입자는 서로 자유롭게 이동할 수 있으므로 제한적인 정도의 입자 이동성이 있다. 온도가 증가하면 분자의 진동이 증가하여 분자 사이의 거리가 증가한다. 액체가 끓는점에 도달하면 분자를 서로 가까이 결합하는 응집력이 끊어지고 액체는 기체 상태로 변한다(과열이 발생하지 않는 한). 온도가 감소하면 분자 사이의 거리가 작아진다. 액체가 어는점에 도달하면 분자는 일반적으로 결정화라고 하는 매우 특정한 순서로 고정되고 그 사이의 결합이 더 단단해져 액체가 고체 상태로 변한다(과냉각이 발생하지 않는 한).

액체의 양은 일반적으로 부피로 측정된다. 단위로는 SI 단위의 세제곱미터(m³)나 1리터(1 dm³ = 1 L = 0.001 m³), 세제곱센티미터, 즉 밀리리터(1 cm³ = 1 mL = 0.001 L = 10⁻⁶ m³) 등이 있다. 액체의 부피는 온도와 압력에 따라 결정되며, 일반적으로 가열하면 팽창하고 냉각하면 수축한다. 단, 0 ℃부터 4 ℃ 사이의 물은 예외이다.

액체는 비혼화성을 나타내는 경우가 있다. 섞을 수 없는 액체의 조합으로는 기름과 물이 있으며, 샐러드 드레싱에서 일상적으로 볼 수 있다. 반대로 섞을 수 있는 조합으로는 물과 알코올이 있다. 혼합된 액체는 증류에 의해 분리할 수 있는 경우가 많다.

2. 1. 1. 부력

액체와 기체는 부력이 있지만, 고체는 없다.^[30]

균일한 중력장에서 정지한 액체는 부력 현상을 보인다. 이는 액체에 잠긴 물체가 깊이에 따른 압력 변화로 인해 알짜힘을 받는 현상이다. 이 힘의 크기는 물체가 밀어낸 액체의 무게와 같고, 힘의 방향은 잠긴 물체의 평균 밀도에 따라 달라진다. 밀도가 액체의 밀도보다 작으면 부력은 위쪽으로 향하고 물체는 뜨지만, 밀도가 크면 부력은 아래쪽으로 향하고 물체는 가라앉는다. 이것을 아르키메데스의 원리라고 한다.^[30] 부력은 다른 유체에서도 볼 수 있지만, 밀도가 높은 액체에서 가장 강하게 작용한다.

2. 1. 2. 점성

액체의 흐름을 특징짓는 중요한 물리적 특성은 점성이다. 점성은 액체가 흐를 때 나타나는 저항을 의미한다. 예를 들어, 에탄올은 유리병 벽을 비교적 깨끗하게 타고 내리지만, 진한 황산은 끈적끈적하게 잘 내려가지 않는다. 이처럼 액체의 끈적끈적한 성질을 점성이라 한다.^[33]

점성의 시뮬레이션. 왼쪽 유체는 점성이 낮고 뉴턴 유체의 거동을 보이는 반면, 오른쪽 유체는 점성이 높고 비뉴턴 유체의 거동을 보인다.

점성은 가는 관을 통해 액체가 흘러내리는 시간을 비교하여 측정할 수 있다. 점성이 큰 액체일수록 흘러내리는 시간이 더 오래 걸린다. 오스트발트 점도계를 사용하여 물을 표준으로 정하고, 어떤 액체와 물의 점성 비(비점성도)를 구할 수 있다. 비점성도는 (액체의 밀도 × 액체가 흘러내리는 시간) / (물의 밀도 × 물이 흘러내리는 시간)으로 계산한다.

일반적으로 액체의 점성은 온도가 올라가면 감소한다. 분자성 액체의 경우, 액체 상태로 존재하는 온도 범위가 좁을수록 점성이 작다. 또한, 분자 구조가 복잡할수록 점성이 크다. 물이나 알코올 등은 수소 결합을 하기 때문에 점성에 있어서 다른 양상을 보인다. 피치는 세상에서 가장 점성이 높은 액체로 알려져 있다.^[34]

액체의 점성은 온도 외에도 압력의 영향을 받는다. 압력이 증가하면 점성도 증가하는 경향이 있다. 하지만 온도를 높여 부피를 팽창시키면서 동시에 압력을 높여 부피를 일정하게 유지하면 점성은 일정하게 유지된다.^[35]^[36]^[37]

2. 1. 3. 표면 장력

표면장력(表面張力)은 액체의 표면이 스스로 수축하여 되도록 작은 면적을 취하려는 힘의 성질이며 계면장력의 일종이다. 소금쟁이와 같은 곤충이 물 위에 걸을 수 있게 도와주는 것도 이 때문이다. 바늘 등의 금속 물질, 면도 칼날, 포일 조각과 같은 작은 물체들이 물 표면에 뜨는 현상도 표면 장력으로 설명할 수 있다.^[31] 이는 모세관 현상과 밀접한 관계가 있다.

분자 간 힘이 강한 액체는 일반적으로 표면 장력이 크다.^[31]

표면 장력은 표면파, 모세관 현상, 젖음성, 잔물결 등 다양한 현상에 영향을 미친다.

3. 액체의 구조

액체는 고체, 기체, 플라스마와 함께 물질의 주요한 네 가지 상태 중 하나이다. 액체는 고체와 달리 비교적 자유롭게 움직이는 입자들로 구성되어 있다. 고체에서는 입자들을 결합하는 힘이 강해 형태를 유지하지만, 액체에서는 이 힘이 일시적이어서 흐를 수 있다. 또한 기체처럼 유체의 특성을 보인다.

액체 입자들은 단단하게 묶여 있지만, 고체처럼 완전히 고정되어 있지는 않다. 액체 내에서 입자들은 서로의 움직임을 제한하면서도 자유롭게 이동할 수 있다. 온도가 상승하면 분자 운동이 활발해져 분자 간 거리가 멀어지고, 끓는점에 도달하면 결합 에너지를 이겨내고 기체로 상 변화한다. 반대로 온도가 낮아지면 분자 간 거리가 가까워지고, 어는점에 도달하면 더 단단한 결합을 형성하여 결정화된다.

액체의 미시적 구조는 역사적으로 활발한 연구와 논쟁의 대상이었다.^[43]^[44]^[45]^[46] 액체는 밀집되고 무질서한 분자 배열을 가지며, 이는 기체나 고체와 대조적이다. 기체는 분자들이 멀리 떨어져 무질서하게 움직이고, 고체는 규칙적인 결정격자 구조를 이룬다.

액체는 장거리 질서는 없지만, 몇몇 분자 지름 정도의 단거리 질서를 가진다.^[47]^[48] 모든 액체에서 분자 위치는 단거리 질서를 가지며, 이는 아르곤과 크립톤과 같은 단원자 액체에서 가장 잘 나타난다. 이 액체들은 밀접하게 채워진 구의 무질서한 "더미"로 모델링될 수 있다.^[49]^[50]

대부분의 액체에서 분자는 구형이 아니며, 분자간 힘은 방향에 따라 달라진다. 따라서 위치 질서 외에도 단거리 방향 질서가 존재한다. 방향 질서는 물과 같은 수소 결합 액체에서 특히 중요하며, 수소 결합의 강도와 방향성은 분자의 국지적인 "네트워크" 또는 "클러스터" 형성을 유도한다.^[51]^[52]

액체의 미시적 특징은 인력인 분자간 힘과 엔트로피 힘 사이의 상호작용에서 비롯된다.^[53] 인력은 분자들을 서로 가깝게 당기는 반면, 엔트로피 힘은 분자들이 차지하는 부피를 극대화하여 엔트로피를 증가시키려는 경향을 나타낸다. 액체에서는 이 두 힘이 비슷하여 한쪽을 무시할 수 없다.^[54]

액체는 에너지와 엔트로피 사이의 경쟁 때문에 분자 수준에서 모델링하기 어렵다. 이상적인 "기준 상태"가 없어 수학적으로 체계적인 섭동 이론을 전개하기 어렵다.^[44] 이는 이상 기체를 기준 상태로 하는 기체나 완벽한 결정 격자를 기준 상태로 하는 고체와 대조적이다.^[51]^[55]

액체는 근본적으로 양자역학적이지만, 표준 조건에서는 대부분 고전역학으로 이해할 수 있다.^[54]^[56] "고전적 그림"은 분자들이 뉴턴의 운동 법칙에 따라 분자간 힘을 통해 상호 작용하는 개별적인 실체라고 가정한다. 매우 단순화된 예로는 레너드-존스 포텐셜을 통해 상호 작용하는 구형 분자의 집합이 있다.^[54]

표 1: 선택된 액체의 열 드브로이 파장 $\Lambda$ .^[54] 양자 효과는 $\Lambda / a$ 의 비율이 작을 때 무시할 수 있다. 여기서 $a$ 는 분자 사이의 평균 거리이다.
액체	온도 (K)	$\Lambda$ (nm)	$\Lambda / a$
수소 (H₂)	14.1	0.33	0.97
네온	24.5	0.078	0.26
크립톤	116	0.018	0.046
사염화탄소 (CCl₄)	250	0.009	0.017

고전적 극한이 적용되려면, 열 드브로이 파장

: $\Lambda = \left(\frac{2 \pi \hbar^2}{m k_{\text{B}} T} \right)^{1/2}$

이 고려 중인 길이 눈금보다 작아야 한다.^[54]^[58] 여기서 $\hbar$ 는 플랑크 상수이고 $m$ 은 분자의 질량이다. $\Lambda$ 의 일반적인 값은 약 0.01-0.1 나노미터이다(표 1). 따라서 나노 스케일에서 액체 구조의 고해상도 모델에는 양자 역학적 고려 사항이 필요할 수 있다.

액체가 거시적 수준에서 고전적으로 작용하려면, $\Lambda$ 는 분자 사이의 평균 거리 $a \approx \rho^{-1/3}$ 보다 작아야 한다.^[54] 즉,

: $\frac{\Lambda}{a} \ll 1$

몇몇 액체에 대한 이 비율의 대표적인 값은 표 1에 나와 있다. 결론적으로, 양자 효과는 저온에서 그리고 작은 분자량을 가진 액체에 중요하다.^[54]^[56]

액체의 음속에 대한 식은

: $c = \sqrt {K/\rho}$

와 같으며, 체적 탄성률 ''K''가 포함되어 있다. ''K''가 주파수에 무관하다면, 액체는 선형 매질로 작용하여 소리가 손실이나 모드 결합 없이 전파된다. 실제로 모든 액체는 어느 정도의 분산을 나타낸다.

액체의 장거리 질서 부재는 X선 및 중성자 회절에서 브래그 피크가 없는 것으로 나타난다. 일반적인 조건에서 회절 패턴은 원형 대칭을 가지며, 액체의 등방성을 나타낸다. 방사상으로 회절 강도는 부드럽게 진동한다. 이는 파수 $q =(4 \pi / \lambda)\sin \theta$ 를 갖는 정적 구조 인자 $S(q)$ 로 설명할 수 있으며, 여기서 $\lambda$ 는 탐침(광자 또는 중성자)의 파장이고 $\theta$ 는 브래그 각이다. $S(q)$ 의 진동은 액체의 단거리 질서, 즉 분자와 가장 가까운 이웃, 다음으로 가까운 이웃 등의 "껍질" 사이의 상관관계를 나타낸다.

이러한 상관관계를 나타내는 동등한 표현은 반경 분포 함수 $g(r)$ 이며, 이는 $S(q)$ 의 푸리에 변환과 관련이 있다.^[49] 이것은 액체의 쌍 상관관계의 시간 스냅샷에 대한 공간 평균을 나타낸다.

3. 1. 원소 및 화합물

표준 온도 및 압력 조건에서 액체 상태인 원소는 수은과 브로민 두 가지뿐이다.^[1] 이 밖에 실온에 가까운 녹는점을 가지는 금속으로 갈륨(녹는점 29.8°C), 세슘(녹는점 28.5°C), 프랑슘(녹는점 27°C), 루비듐이 있다.^[1]

각 원소가 같은 조건에서 고체이지만, 특정 원소들의 혼합물은 실온에서 액체 상태가 될 수 있다( 공융 혼합물 참조). 예를 들어 나트륨-칼륨 금속 합금인 NaK가 있다.^[2] 실온에서 액체인 다른 금속 합금으로는, −19 °C에서 녹는 갈륨-인듐-주석 합금인 갈린스탄과 일부 아말감(수은을 포함하는 합금)이 있다.^[3]

일반적인 조건에서 액체인 순수 물질에는 물, 에탄올 및 기타 많은 유기 용매가 포함된다. 액체 상태의 물은 화학 및 생물학에서 매우 중요하며, 모든 알려진 생명체에 필수적이다.^[4]^[5]

4. 액체의 활용

액체는 윤활제, 용매, 냉각제 등 다양한 용도로 사용되며, 유압 시스템에서는 액체를 이용하여 동력을 전달한다.^[80]

트라이보로지에서는 액체의 윤활제로서의 특성을 연구한다. 기름 등의 윤활제는 대상 장치의 운용 온도 범위에서의 점도와 유동 특성을 고려하여 선택한다.^[80]

용매는 다른 액체나 고체를 녹이는 데 사용되며, 도료, 코킹 재료, 접착제 등 다양한 용도로 활용된다. 나프타나 아세톤은 기름, 유지, 타르 등을 세척하는 데 사용되며, 계면활성제는 비누나 세제에서 흔히 볼 수 있다. 알코올 등의 용매는 살균제로도 많이 사용된다. 또한, 화장품, 잉크, 액체 색소 레이저에도 사용되며, 식품 가공에서 식물성 기름 추출 등의 공정에 사용된다.^[81]

액체는 열전도율이 높고 유동성이 있어 기계 부품의 과도한 열을 제거하는 데 적합하다. 라디에이터와 같은 열교환기에 액체를 통과시켜 열을 제거하거나, 액체를 증발시켜 기화열을 빼앗아 냉각시키기도 한다.^[82] 엔진 냉각에는 물이나 글리콜이, 원자로 냉각에는 물이나 나트륨, 비스무트와 같은 액체 금속이 사용된다.^[83]^[84] 로켓의 연소실은 액체 추진제를 사용한 필름 냉각으로 냉각한다.^[85]

액체는 압축률이 매우 작아 유압 계통에 이용된다. 파스칼의 원리에 따라 펌프로 기름에 압력을 가하여 밀어내고, 그 힘을 압력 모터로 동력으로 변환한다. 유압 계통은 브레이크, 변속기, 건설 기계, 항공기 제어 계통 등에 사용된다.^[87]

액체는 온도계나 마노미터와 같은 계측 장치에도 사용된다.^[88]

4. 1. 윤활

액체는 고체 재료 사이에 얇고 자유롭게 흐르는 층을 형성할 수 있기 때문에 윤활제로 유용하게 사용된다. 기름과 같은 윤활제는 구성 요소의 작동 온도 범위 전체에 적합한 점도와 유동 특성을 고려하여 선택된다. 기름은 우수한 윤활 특성으로 인해 엔진, 변속기, 금속 가공 및 유압 시스템에서 자주 사용된다.^[8] 트라이보로지에서는 액체의 윤활제로서의 특성을 연구한다. 윤활유는 엔진, 변속기, 금속 가공, 유압 시스템 등에 사용된다.^[80]

4. 2. 용매

많은 액체가 다른 액체나 고체를 용해시키는 용매로 사용된다.^[9] 용액은 페인트, 실란트, 접착제 등 다양한 용도로 사용된다.^[9] 나프타와 아세톤은 산업에서 부품과 기계류의 기름, 그리스, 타르를 세척하는 데 자주 사용된다.^[9] 체액은 물 기반 용액이다.

계면활성제는 비누와 세제에서 흔히 볼 수 있다.^[9] 알코올과 같은 용매는 살균제로도 사용된다.^[9] 이들은 화장품, 잉크, 액체 염료 레이저 등에도 사용되며,^[9] 식품 산업에서 식물성 기름 추출과 같은 공정에도 사용된다.^[9]

4. 3. 냉각

액체는 기체보다 열전도율이 높은 경향이 있고, 흐를 수 있는 능력이 있어 기계 부품에서 과도한 열을 제거하는 데 적합하다. 열은 열교환기(예: 라디에이터)를 통해 액체를 통과시켜 제거하거나, 증발 과정에서 액체와 함께 열을 제거할 수 있다.^[10]

엔진의 과열을 방지하기 위해 물이나 글리콜 냉각제가 사용된다.^[11] 원자로에서 사용되는 냉각제에는 물이나 나트륨 또는 비스무트와 같은 액체 금속이 포함된다.^[12] 액체 추진제 필름은 로켓의 추력실을 냉각하는 데 사용된다.^[13] 기계 가공에서는 물과 기름을 사용하여 과도한 열을 제거하는데, 이 열은 가공물과 공구 모두를 빠르게 손상시킬 수 있다. 발한 과정에서 땀은 증발하여 인체에서 열을 제거한다. 난방, 환기 및 공조(HVAC) 산업에서는 물과 같은 액체를 사용하여 한 영역에서 다른 영역으로 열을 전달한다.^[14]

4. 4. 유압

액체는 유압 시스템의 주요 구성 요소이며, 파스칼의 법칙을 이용하여 유체 동력을 제공한다.^[16] 펌프와 물레방아와 같은 장치는 고대부터 액체의 운동을 기계적 일로 변환하는 데 사용되었다. 기름은 유압 펌프를 통해 강제로 흘러가며, 이 힘을 유압 실린더로 전달한다. 유압은 자동차 브레이크와 변속기, 중장비 및 항공기 제어 시스템과 같이 많은 응용 분야에서 찾아볼 수 있다. 다양한 유압 프레스는 수리 및 제조, 들어올리기, 누르기, 고정 및 성형에 광범위하게 사용된다.^[16] 펌프나 수차와 같은 장치는 고대부터 액체의 움직임을 일로 변환하는 데 사용되어 왔다. 유압 계통에서는 펌프로 기름에 압력을 가하여 밀어내고, 그 힘을 압력 모터로 동력으로 변환한다. 유압 계통에는 다양한 용도가 있으며, 브레이크, 변속기, 건설 기계, 항공기의 제어 계통 등에 사용된다. 유압식 프레스 기계는 다양한 가공이나 수리에 사용된다.^[87]

4. 5. 액체 금속

액체 금속은 전기 전도성이 높고 힘을 전달하는 능력(비압축성)이 뛰어나 센서 및 액추에이터에 유용하다. 액체 금속은 자유롭게 흐르는 성질 덕분에 심하게 변형되어도 이러한 특성을 유지한다. 따라서 반복적인 변형이 일어나는 소프트 로봇과 웨어러블 의료 기기에 활용될 수 있다.^[17]^[18] 특히 실온에서 액체 상태를 유지하고 독성이 낮으며 증발이 느린 갈륨은 이러한 분야에서 유망한 소재로 주목받고 있다.^[19]

4. 6. 기타 활용

액체는 측정 장치에 사용되기도 한다. 온도계는 수은과 같은 액체의 열팽창과 유동성을 이용하여 온도를 나타낸다.^[20] 압력계는 액체의 무게를 이용하여 기압을 측정한다.^[20]

회전하는 액체의 자유 표면은 원형 포물면을 형성하므로 망원경으로 사용할 수 있는데, 이를 액체거울망원경이라고 한다.^[21] 액체거울망원경은 기존 망원경보다 훨씬 저렴하지만, 천정만 향할 수 있다는 단점이 있다.^[22] 액체로는 수은이 주로 사용된다.

5. 액체의 역학적 성질

액체는 물질의 상태 중 하나로, 고체와 달리 비교적 자유롭게 움직이는 입자들로 구성된다. 이러한 특성 덕분에 액체는 담는 용기에 따라 모양이 변하며, 압력을 가해도 부피가 거의 변하지 않는 비압축성을 보인다.

유압구동계는 액체의 비압축성을 활용한 대표적인 예시이다. 액체는 압력을 모든 방향으로 균일하게 전달하기 때문에, 유압 장치에서 힘을 전달하고 증폭하는 데 사용된다.

액체의 부피는 온도와 압력에 따라 달라지는데, 일반적으로 온도가 높아지면 팽창하고 낮아지면 수축한다. 하지만 물은 0℃에서 4℃ 사이에서 예외적인 거동을 보인다.

액체 내에서 음속은 액체의 체적 탄성률과 밀도에 의해 결정된다. 물의 경우, 음속은 약 1.5 km/s이다. 액체 내 음파는 주파수에 따라 분산 현상을 보이며, 이는 구조적 이완과 관련이 있다.
균일 중력장에서의 액체중력장에서 액체는 깊이에 따라 압력이 증가한다. 깊이 $z$ 에서의 압력 $p$ 는 다음과 같이 계산된다.

: $p=p_0+\rho g z\,$

$p_0\,$ : 액체 표면의 압력 (대기압)
$\rho\,$ : 액체의 밀도
$g\,$ : 중력 가속도

이러한 압력 변화로 인해 액체 내 물체는 부력을 받게 되는데, 이는 아르키메데스의 원리로 설명된다.
표면 장력과 점성액체는 표면적을 최소화하려는 경향, 즉 표면 장력을 가진다. 소금쟁이가 물 위를 걷거나, 작은 물체가 물에 뜨는 현상은 표면 장력 때문이다. 모세관 현상, 젖음성 등도 표면 장력과 관련된 현상이다.

점성은 액체의 흐름에 대한 저항을 나타내는 물리량이다. 에탄올과 진한 황산을 비교했을 때, 진한 황산이 더 끈적끈적하게 느껴지는 것은 점성이 크기 때문이다. 점성은 온도가 올라가면 감소하는 경향이 있다.

액체의 점성 거동은 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체로 나눌 수 있다. 뉴턴 유체는 점성이 일정한 반면, 비뉴턴 유체는 전단 속도 등에 따라 점성이 변한다.

액체의 역학적 성질은 유체 정역학, 유체 동역학 등 다양한 분야에서 연구되며, 일상생활과 산업 현장에서 폭넓게 응용된다.

6. 액체의 열역학적 성질

액체는 끓는점에 도달하면 분자를 서로 가까이 결합하는 응집력이 끊어져 기체 상태로 변한다(단, 과열이 발생하지 않는 한). 온도가 감소하면 분자 사이의 거리가 작아진다. 액체가 어는점에 도달하면 분자는 일반적으로 결정화라고 하는 매우 특정한 순서로 고정되고 그 사이의 결합이 더 단단해져 액체가 고체 상태로 변한다(과냉각이 발생하지 않는 한).^[39]

끓는점보다 낮은 온도에서 액체 상태의 물질은 증기의 응축이라는 역과정과 평형에 도달할 때까지 증발한다. 이때 증기는 액체가 증발하는 것과 같은 속도로 응축된다. 따라서 증발된 액체가 계속 제거된다면 액체는 영구적으로 존재할 수 없다. 끓는점 이상 또는 끓는점에서 액체는 일반적으로 끓지만, 특정 상황에서는 과열로 인해 이를 방지할 수 있다.

어는점보다 낮은 온도에서 액체는 결정화 경향이 있으며 고체 형태로 변한다. 기체로의 전이와 달리 일정 압력 하에서는 이 전이에서 평형이 없다. 따라서 과냉각이 발생하지 않는 한 액체는 결국 완전히 결정화된다. 그러나 이는 일정 압력 하에서만 해당되므로 (예를 들어) 밀폐된 강한 용기 속의 물과 얼음은 두 상이 공존하는 평형 상태에 도달할 수 있다.

전형적인 상태도. 점선은 물의 이상 행동을 나타냅니다. 녹색 선은 압력에 따른 어는점 변화를, 파란색 선은 압력에 따른 끓는점 변화를 보여줍니다. 빨간색 선은 승화 또는 석출이 일어날 수 있는 경계를 나타냅니다.

액체는 기체, 고체 및 다른 액체와 용액을 형성할 수 있다. 두 액체가 어떤 비율로든 용액을 형성할 수 있는 경우 완전히 섞이는 것으로 간주되며, 그렇지 않으면 섞이지 않는다. 예를 들어, 물과 에탄올(음주용 알코올)은 섞이지만 물과 휘발유는 섞이지 않는다.^[41] 어떤 경우에는, 그렇지 않으면 섞이지 않는 액체의 혼합물을 안정화시켜 에멀젼을 형성할 수 있는데, 여기서 한 액체는 다른 액체 전체에 미세한 방울로 분산된다. 일반적으로 이것은 방울을 안정화하기 위해 계면활성제가 존재해야 한다. 에멀젼의 친숙한 예로는 마요네즈가 있는데, 이것은 달걀 노른자에서 발견되는 물질인 레시틴에 의해 안정화되는 물과 기름의 혼합물로 구성되어 있다.^[42]

7. 우주에서의 액체

우주 공간은 압력이 거의 0에 가깝기 때문에, 지구 표면이나 행성 내부와 같은 특수한 환경을 제외하고는 액체가 존재하기 어렵다. 우주 공간에 노출된 액체는 온도에 따라 즉시 끓거나 얼어붙는다. 예를 들어 지구 근처 우주 공간에서는 태양 빛이 직접 닿지 않는 곳에서는 물이 얼고, 태양 빛이 닿으면 증발(승화)한다. ^[40]

화성 북반구에는 과거에 대량의 액체 상태의 물이 존재했는지에 대한 논쟁이 있다. 화성 탐사 로버의 탐사를 통해, 화성 지각 위에 넓게 물이 고였던 곳이 최소 한 곳 이상 존재했다는 사실이 밝혀졌지만, 그 규모는 아직 명확하지 않다.^[114]

목성 중심부에는 암석질 핵 주변에 거대한 액체 대양이 존재할 가능성이 제기되었다. 칼 세이건은 이 액체 대양의 부피가 지구 바다의 620배에 달할 것으로 추정했다.^[116]

타이탄, 유로파, 칼리스토, 가니메데와 같은 위성들의 지하에는 맨틀과 분리된 충분한 양의 물이나 메탄 등의 액체가 존재할 것으로 추정된다.^[117] 이오에는 마그마 바다가 존재할 것으로 예상된다. 엔켈라두스에서는 간헐천이 발견되었는데, 이는 액체 상태의 물 존재 가능성을 시사한다.^[117]

외계 행성 중 글리제 581c는 생명체 거주가능 영역에 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나 온실 효과가 강하면 표면 온도가 너무 높아 액체 상태의 물이 존재하기 어려울 수 있다. 반면, 글리제 581d는 온실 효과로 인해 표면에 액체 상태의 물이 존재할 수 있는 온도가 되었을 가능성도 있다.^[118] 오시리스의 대기에는 수증기가 포함되어 있는지에 대한 논의가 진행 중이다. 글리제 436b에는 "고온의 얼음"이 존재할 것으로 예상된다.^[119]

행성 내부에도 액체 상태의 구조가 존재할 가능성이 있다. 지진파 측정 결과, 지구 반지름의 약 절반 크기인 핵 바깥쪽에는 액체 상태의 외핵이 존재한다. 이 외핵은 녹은 철, 니켈, 황이 섞인 고밀도 유체로, 지자기 발생의 원동력(다이나모 효과)이 된다.^[121] 수성에서도 자기장이 관측되어, 수성 내부에도 액체 상태의 핵이 존재할 가능성이 제기된다.^[122] 목성형 행성 내부에서는 높은 압력으로 인해 금속 수소가 액체 상태로 존재할 것으로 예상된다.^[123] 천왕성형 행성 내부에는 암모니아와 메탄이 고온, 고압 환경에서 응축된 액체 상태로 존재하며, 이들의 대류가 행성 자기장을 발생시키는 원인이 된다.^[124]

8. 액체 특성 예측

액체 특성 예측 방법은 적용되는 길이 눈금과 시간 눈금, 즉 기술의 "규모"에 따라 분류할 수 있다.^[64]^[65]

'''거시적 방법'''은 열역학적 특성 및 유동 거동과 같이 액체의 대규모 거동을 직접적으로 모델링하는 방정식을 사용한다.
'''미시적 방법'''은 개별 분자의 동역학을 모델링하는 방정식을 사용한다.
'''메조스코픽 방법'''은 연속체 및 입자 기반 모델의 요소를 결합하여 그 중간에 속한다.

경험적 상관관계는 온도와 압력과 같이 다양한 실험 조건에서 액체의 특성을 근사적으로 나타내는 간단한 수학적 표현이다.^[66] 이는 실험 데이터에 간단한 함수 형태를 적합시키는 방법으로 구성된다. 예를 들어, 액체 점도의 온도 의존성은 때때로

\eta(T) = A e^{B/T}

함수로 근사되며, 여기서

A

와

B

는 적합 상수이다.^[67] 경험적 상관관계를 사용하면 물리적 특성을 매우 효율적으로 추정할 수 있으므로 열물리적 시뮬레이션에 유용하다. 그러나 좋은 적합성을 얻으려면 고품질의 실험 데이터가 필요하며, 실험에서 다룬 조건을 벗어나 외삽하는 것은 신뢰할 수 없다.

상태 방정식을 활용하는 방법으로, 열역학적 퍼텐셜은 물질의 평형 상태를 특징짓는 함수이다. 예를 들어 깁스 자유 에너지

G(p, T)

는 압력과 온도의 함수이다. 어떤 하나의 열역학적 퍼텐셜

\mathcal{F}

을 알면, 종종

\mathcal{F}

의 미분을 취하는 것만으로 물질의 모든 평형 특성을 계산할 수 있다.^[55] 따라서

\mathcal{F}

에 대한 단일 상관 관계는 개별 특성에 대한 별도의 상관 관계를 대체할 수 있다.^[68]^[69] 반대로, 다양한 실험 측정(예: 밀도, 열용량, 증기압)을 동일한 적합에 통합할 수 있다. 원칙적으로 이를 통해 열용량과 같이 측정하기 어려운 특성을 다른 더 쉽게 얻을 수 있는 측정(예: 증기압)을 기반으로 예측할 수 있다.^[70]

유체 역학 이론은 밀도, 속도, 온도와 같은 공간 및 시간 의존적인 거시적 장의 관점에서 액체를 설명한다. 이러한 장은 편미분 방정식을 따르며, 이는 선형 또는 비선형일 수 있다.^[71] 유체역학 이론은 액체가 대략 균질하고 시간에 무관하다고 가정하는 평형 열역학적 설명보다 더 일반적이다. 나비어-스톡스 방정식은 잘 알려진 예이며, 점성 유체의 밀도, 속도 및 온도의 시간적 진화를 제공하는 편미분 방정식이다. 나비어-스톡스 방정식 및 그 변형을 수치적으로 푸는 방법은 많다.^[72]^[73]

메조스코픽 물리학에서 다루는 메조스코픽 방법은 입자 수준과 연속체 수준 사이의 길이와 시간 척도에서 작동한다. 이러한 이유로 입자 기반 역학과 연속체 유체역학의 요소를 결합한다.^[64]

예를 들어, 격자 볼츠만 방법은 유체를 격자상에 존재하는 가상 입자들의 집합으로 모델링한다.^[64] 입자들은 스트리밍(직선 운동)과 충돌을 통해 시간에 따라 진화한다. 개념적으로는 희박 기체에 대한 볼츠만 방정식을 기반으로 하며, 분자의 역학은 불연속적인 이원 충돌에 의해 방해받는 자유 운동으로 구성되지만, 액체에도 적용된다. 개별 분자 궤적과의 유사성에도 불구하고, 일반적으로 실제 분자 동역학보다 크기가 더 큰 길이와 시간 척도에서 작동하는 조잡한 설명이다("가상" 입자라는 개념).

연속체와 입자 수준 역학의 요소를 결합하는 다른 방법에는 평활 입자 유체 역학,^[74]^[75] 소산 입자 역학,^[76] 및 다입자 충돌 역학^[77]이 포함된다.

미시적 시뮬레이션 방법은 구성 분자의 운동 방정식(고전적 또는 양자적)을 직접 사용한다.

분자 동역학은 분자 역학의 대표적인 방법 중 하나로 고전 분자 동역학(MD)은 뉴턴의 운동 법칙을 사용하여 액체를 시뮬레이션한다. 뉴턴의 제2법칙(

F = m \ddot{x}

)으로부터 분자의 궤적을 명시적으로 추적하여 밀도나 점도와 같은 거시적인 액체 특성을 계산할 수 있다. 그러나 고전 MD는 분자간 힘("''F''" 뉴턴의 제2법칙)에 대한 표현식을 필요로 한다. 일반적으로 이는 실험 데이터나 다른 입력을 사용하여 근사해야 한다.^[47]

카-파리넬로 분자동역학과 같은 제일원리 양자역학적 방법은 양자역학 법칙과 기본적인 원자 상수만을 사용하여 액체를 시뮬레이션한다.^[57] 고전적인 분자동역학과는 달리, 분자간 상호작용 퍼텐셜은 계산의 결과물이며, 실험 측정이나 다른 고려 사항을 기반으로 한 입력값이 아니다. 원칙적으로 제일원리 방법은 사전 실험 데이터 없이 주어진 액체의 특성을 시뮬레이션할 수 있다. 그러나 특히 내부 구조를 가진 큰 분자의 경우 계산 비용이 매우 많이 든다.

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