액체(liquid)는 그것의 용기의 모양에 따르지만 압력에 관계없이 (거의) 일정한 부피를 유지하는 비-압축가능(incompressible) 유체(fluid)입니다. 이를테면, 그것은 물질의 네 가지 기본 상태 (다른 것은 고체, 기체, 및 플라즈마(plasma)가 있음)의 하나이고, 명확한 부피를 가지지만 고정된 형태가 없는 유일한 상태입니다. 액체는, 내부-분자 접합(intermolecular bonds)에 의해 함께 유지되는, 원자와 같은, 물질의 작은 진동하는 입자로 만들어집니다. 기체와 마찬가지로, 액체는 흐를 수 있고 용기의 형태를 취합니다. 대부분의 액체는 압축에 저항하지만, 다른 것들은 압축될 수 있습니다. 기체와 달리, 액체는 용기의 모든 각 공간을 채우기 위해 분산되지 않고, 상당히 일정한 밀도를 유지합니다. 액체 상태의 독특한 속성은, 젖음(wetting) 현상으로 이어지는, 표면 장력(surface tension)입니다. 물은 지구상에서 가장 흔한 액체입니다.
액체의 밀도(density)는 보통 고체의 밀도에 가깝고, 기체보다 훨씬 높습니다. 따라서 액체와 고체는 모두 응집된 물질(condensed matter)이라고 말합니다. 다른 한편으로, 액체와 기체는 흐르는 능력을 공유하기 때문에, 그것들은 둘 다 유체(fluid)라고 불립니다. 비록 액체 상태의 물은 지구상에 풍부하지만, 액체는 상대적으로 존재하기 위해 좁은 온도/압력 범위를 요구하기 때문에, 이런 물질의 상태는 실제로 알려진 우주에서 가장 흔하지는 않습니다. 우주에서 가장 잘 알려진 물질은 별 내부의 성간 구름(interstellar cloud) 또는 플라즈마와 같은 기체 형태입니다 (검출 가능한 고체 물질의 흔적을 지니고 있습니다).
Introduction
액체는 물질의 네 가지 기본 상태 중 하나이며, 나머지는 고체, 기체, 및 플라즈마입니다. 액체는 유체(fluid)입니다. 고체와 달리, 액체에서 분자는 훨씬 더 자유롭게 움직일 수 있습니다. 고체에서 분자를 함께 묶는 힘은 액체에서 일시적일 뿐이므로, 고체가 단단한 상태로 유지되는 동안 액체는 흐를 수 있습니다.
액체는, 기체와 마찬가지로, 유체의 속성을 나타냅니다. 액체는 흐를 수 있고, 용기의 모양을 취하고, 만약 밀봉된 용기에 넣으면 용기의 모든 표면에 적용된 압력을 고르게 분산시킵니다. 만약 액체를 주머니에 넣으면, 어떤 형태로든 짜낼 수 있습니다. 기체와 달리, 액체는 거의 비-압축가능이며, 액체는 광범위한 압력에 걸쳐 거의 일정한 부피를 차지합니다; 그것은 일반적으로 용기의 사용 가능한 공간을 채우기 위해 확장되지는 않지만 자체 표면을 형성하며 항상 다른 액체와 쉽게 혼합되지 않을 수 있습니다. 이들 속성은 유압(hydraulics)과 같은 응용 분야에 적합한 액체를 만듭니다.
액체 입자는 단단히 결합되어 있지만 굳은 것은 아닙니다. 그것들은 서로 자유롭게 이동할 수 있으므로, 입자 이동성이 제한됩니다. 온도가 증가함에 따라, 분자의 진동이 증가하여 분자 사이의 거리가 증가합니다. 액체가 끓는 점(boiling point)에 도달할 때, 분자를 밀접하게 결합하는 응집력이 끊어지고, 액체는 기체 상태로 바뀝니다 (과열이 발생하지 않은 한). 만약 온도가 감소하면, 분자 사이의 거리가 작아집니다. 액체가 어는 점( freezing point)에 도달할 때, 분자는 보통 결정화라고 하는 매우 특정한 순서로 고정되고, 분자 사이의 결합이 더 단단해져, 액체를 고체 상태로 변경합니다 (과냉각이 발생하지 않은 한).
Examples
온도와 압력에 대한 표준 조건에서 수은(mercury)과 브롬(bromine)의 두 가지 원소만 액체입니다. 프란슘(francium), 세슘(caesium), 갈륨(gallium), 및 루비듐(rubidium)의 네 가지 추가 원소는 실온보다 약간 높은 녹는 점을 가집니다. 게다가, 특정 원소의 혼합물은 개별 원소가 같은 조건 아래에서 고체인 경우에도 실온에서 액체입니다 (공융 혼합물(eutectic mixture) 참조). 예를 들어 나트륨-칼륨 금속 합금 NaK가 있습니다. 실온에서 액체인 다른 금속 합금에는 −19 °C (−2 °F)에서 녹는 갈륨-인듐-주석 합금인 갈린스탄(galinstan)과 일부 아말감 (수은을 포함하는 합금)이 포함됩니다.
정상적인 조건에서 액체인 순수한 물질에는 물, 에탄올(ethanol), 및 기타 많은 유기 용매가 포함됩니다. 액체 상태의 물은 화학과 생물학에서 매우 중요하고, 알려진 모든 형태의 생명체에 필요합니다.
무기 액체에는 물, 마그마, 무기 비수성 용매, 및 많은 산이 포함됩니다.
중요한 일상 액체에는 가정용 표백제와 같은 수용액, 광유, 및 휘발유와 같은 다른 물질의 기타 혼합물, 비네그레트 또는 마요네즈와 같은 유제, 혈액과 같은 현탁액, 및 페인트와 우유와 같은 콜로이드가 포함됩니다.
많은 기체는 냉각에 의해 액화되어 액체 산소, 액체 질소, 액체 수소, 및 액체 헬륨과 같은 액체를 생성할 수 있습니다. 어쨌든, 모든 기체가 대기압에서 액화될 수 있는 것은 아닙니다. 예를 들어 이산화탄소는 5.1atm 이상의 압력에서만 액화될 수 있습니다.
일부 물질은 물질의 고전적인 세 가지 상태로 분류될 수 없습니다. 예를 들어, 액체 크리스탈 (액정 디스플레이에 사용됨)은 고체와 액체와 같은 특성을 모두 가지고 있고, 액체 또는 고체와 구별되는 고유한 물질 상태에 속합니다.
Applications
Lubrication
액체는 고체 물질 사이에 얇고 자유롭게 흐르는 층을 형성할 수 있기 때문에 윤활제(lubricants)로 유용합니다. 기름과 같은 윤활제는 성분의 작동 온도(operating temperature) 범위 전체에 적합한 점도(viscosity)와 흐름 특성에 대해 선택됩니다. 기름은 우수한 윤활 속성을 위해 엔진, 기어 박스, 금속 가공, 및 유압 시스템에 자주 사용됩니다.
Solvation
많은 액체가 용매(solvents)로 사용되어, 다른 액체나 고체를 용해시킵니다. 용액(Solutions)은 페인트, 실란트, 및 접착제를 포함한 다양한 응용 분야에서 찾을 수 있습니다. 나프타와 아세톤은 부품과 기계에서 오일, 그리스, 및 타르를 청소하기 위해 산업계에서 자주 사용됩니다. 체액(Body fluids)은 수성 용액입니다.
계면활성제(Surfactants)는 공통적으로 비누와 세제(detergents)에서 발견됩니다. 알코올과 같은 용매는 종종 항균제(antimicrobials)로 사용됩니다. 그것들은 화장품, 잉크, 및 액체 염료 레이저에서 발견됩니다. 그것들은 식물성 기름 추출과 같은 공정에서 식품 산업에서 사용됩니다.
Cooling
액체는 기체보다 열 전도율(thermal conductivity)이 더 좋은 경향이 있고, 유동 능력으로 인해 액체는 기계 부품에서 과도한 열을 제거하는 데 적합합니다. 라디에이터(radiator)와 같은 열 교환기(heat exchanger)를 통해 액체를 수로화함으로써 열을 제거하거나, 증발(evaporation) 중에 액체와 함께 열을 제거할 수 있습니다. 엔진 과열을 방지하기 위해 물 또는 글라이콜(glycol) 냉각수가 사용됩니다. 핵 반응로(nuclear reactors)에 사용되는 냉각수에는 물 또는 소듐(sodium)이나 비스무트(bismuth)와 같은 액체 금속이 포함됩니다. 액체 추진제(Liquid propellant) 필름은 로켓(rockets)의 추력 챔버를 냉각하기 위해 사용됩니다. 가공(machining) 시, 물과 오일은 생성된 과도한 열을 제거하기 위해 사용되며, 과도한 열은 공작물과 공작 도구 둘 다를 빠르게 망칠 수 있습니다. 땀을 흘리는(perspiration) 동안, 땀은 증발하여 인체에서 열을 제거합니다. 난방, 환기, 및 공조 산업(HVAC)에서, 물과 같은 액체는 한 영역에서 또 다른 영역으로 열을 전달하기 위해 사용됩니다.
Cooking
액체는 종종 뛰어난 열 전달 능력으로 인해 요리(cooking)에서 사용됩니다. 열 전도 외에도, 액체는 대류를 통해 에너지를 전달합니다. 특히 더 따뜻한 유체는 팽창하고 상승하고 반면에 더 차가운 영역은 수축하고 가라앉기 때문에, 운동학적 점도(kinematic viscosity)가 낮은 액체는 상당히 일정한 온도에서 대류(convection)를 통해 열을 전달하는 경향이 있어 데치기, 끓이기, 또는 튀기기에 적합한 액체를 만듭니다. 기체를 액체로 응축시킴으로써 훨씬 더 높은 열 전달률을 달성할 수 있습니다. 액체의 끓는 점에서, 모든 열 에너지는 수반되는 온도 증가 없이 액체에서 기체로의 상 변화를 일으키는 데 사용되며 화학적 위치 에너지(potential energy)로 저장됩니다. 기체가 다시 액체로 응축될 때 이 과도한 열 에너지는 일정한 온도에서 방출됩니다. 이 현상은 찌는 것과 같은 공정에서 사용됩니다.
Distillation
액체는 종종 다른 끓는 점을 가지기 때문에, 액체 또는 기체의 혼합물 또는 용액은 전형적으로 열, 냉기, 진공, 압력, 또는 기타 수단을 사용하여 증류(distillation)를 통해 분리될 수 있습니다. 증류는 알코올 음료(alcoholic beverages)의 생산에서부터 정유 공장, 아르곤, 산소, 질소, 네온, 또는 크세논과 같은 기체의 액화 (각각의 끓는 점 아래로 냉각)에 의한 극저온 증류에 이르기까지 모든 분야에서 찾아볼 수 있습니다.
Hydraulics
액체는 유체 동력을 제공하기 위해 파스칼의 법칙(Pascal's law)의 이점을 취하는 유압 시스템의 주요 구성 요소입니다. 펌프나 물레방아와 같은 장치는 고대부터 액체 운동을 기계적인 일로 바꾸기 위해 사용되어 왔습니다. 기름은 유압 실린더에 이 힘을 전달하는 유압 펌프를 통해 강제 공급됩니다. 유압 장치는 자동차 브레이크와 변속기, 중장비, 및 항공기 제어 시스템과 같은 많은 응용 분야에서 찾아볼 수 있습니다. 수리와 제조, 리프팅, 프레싱, 클램핑, 및 성형을 위해 다양한 유압 프레스가 광범위하게 사용됩니다.
Liquid metals
액체 금속은 감지(sensing)와 작동(actuation)에 유용한 몇 가지 속성, 특히 전기적 전도성(electrical conductivity)과 힘 전달 능력 (비-압축가능성)을 가지고 있습니다. 자유롭게 흐르는 물질로서, 액체 금속은 극단적인 변형 아래에서도 이들 벌크 속성을 유지합니다. 이러한 이유로, 그것들은 반복적인 변형 아래에서 작동할 수 있어야 하는 소프트 로봇(soft robots) 및 웨어러블 의료 기기에 사용하도록 제안되어 왔습니다. 금속 갈륨은 실온 근처에서 액체이고 독성이 낮고 천천히 증발하기 때문에 이러한 응용 분야에 대한 유망한 후보로 고려됩니다.
Miscellaneous
액체는 때때로 측정 장치에 사용됩니다. 온도계(thermometer)는 종종 수은과 같은 액체의 열팽창을 온도를 나타내기 위해 흐르는 능력과 결합하여 사용합니다. 기압계(manometer)는 액체의 무게를 사용하여 공기 압력을 나타냅니다.
회전하는 액체의 자유 표면은 원형 포물면체(paraboloid)를 형성하고 따라서 망원경(telescope)으로 사용될 수 있습니다. 이것들은 액체-거울 망원경(liquid-mirror telescopes)으로 알려져 있습니다. 재래식 망원경보다 훨씬 저렴하지만, 똑바로 위를 향할 수만 있습니다 (제니스 망원경). 액체에 대한 일반적인 선택은 수은입니다.
Mechanical properties
Volume
액체의 양은 부피(volume)의 단위에서 측정됩니다. 여기에는 SI 단위 세제곱 미터 (m3)와 그 분할, 특히, 더 공통적으로 리터 (\(\rm 1 dm^3 = 1 L = 0.001 m^3\))라고 불리는 세제곱 데시미터와 밀리리터 (\(\rm 1 cm^3 = 1 mL = 0.001 L = 10^{-6} m^3\))라고 불리는 세제곱 센티미터가 포함됩니다.
일정량의 액체의 부피는 온도와 압력에 의해 고정됩니다. 액체는 일반적으로 가열될 때 팽창하고, 냉각될 때 수축합니다. 0 °C에서 4 °C 사이의 물은 주목할만한 예외입니다.
다른 한편으로, 액체는 작은 압축가능성(compressibility)을 가집니다. 물은, 예를 들어, 대기압 (bar)이 1단위 증가할 때마다 46.4 ppm만 압축될 것입니다. 상온에서 약 4000 바 (400 메가파스칼 또는 58,000 psi)의 압력에서 물의 부피는 11%만 감소합니다. 비-압축가능성은 액체의 한 지점에서의 압력 변화가 액체의 다른 모든 부분으로 감소되지 않고 전달되고 압축 형태로 손실되는 에너지가 거의 없기 때문에 액체를 수력 전달에 적합하게 만듭니다.
어쨌든, 무시할 수 있는 압축가능성은 다른 현상으로 이어집니다. 수격 현상(water hammer)이라고 불리는 파이프의 두드리는 소리는 밸브가 갑자기 닫힐 때 발생하며, 밸브에 거대한 압력 스파이크가 발생하여 음속 바로 아래에서 시스템을 통해 뒤로 이동합니다. 액체의 비-압축가능성으로 인한 또 다른 현상은 캐비테이션(cavitation)입니다. 액체는 작은 탄성(elasticity)을 가지지 때문에, 그것들은 보트 프로펠러의 뒷전이나 파이프의 날카로운 모서리와 같이 난기류가 심한 지역이나 급격한 방향 변화가 있는 지역에서 문자 그대로 분리될 수 있습니다. 낮은 기압 (진공) 영역에 있는 액체는 기화하여 기포를 형성하며, 그런-다음 그것들이 높은 기압 영역으로 들어갈 때 붕괴됩니다. 이로 인해 액체가 엄청난 국부적 힘으로 기포가 남긴 구멍을 채우고 인접한 고체 표면을 침식합니다.
Pressure and buoyancy
중력 필드(gravitational field)에서, 액체는 용기의 측면과 액체 자체 내의 모든 것에 압력을 가합니다. 이 압력은 모든 방향으로 전달되고 깊이에 따라 증가합니다. 만약 액체가 균등 중력 필드에 액체가 정지해 있으면, 깊이 \(z\)에서의 압력 \(p\)는 다음에 의해 지정됩니다:
\(\quad p=p_0+\rho g z\,\)
여기서:
- \(p_0\)는 표면에서의 압력입니다.
- \(\rho\,\)는 깊이에 따라 균등하게 가정된 액체의 밀도(density)입니다.
- \(g\,\)는 중력 가속도(gravitational acceleration)입니다.
공기에 개방된 수역에 대해, \(p_0\)는 [[atmospheric pressure|대기압(atmospheric pressure)]]이 됩니다.
균등 중력 필드에 있는 정적 액체는 역시 부력(buoyancy) 현상을 나타내며, 여기서 액체에 잠긴 물체는 깊이에 따른 압력 변화로 인해 알짜 힘을 받습니다. 힘의 크기는 물체가 밀어낸 액체의 무게와 같고, 힘의 방향은 잠긴 물체의 평균 밀도에 따라 달라집니다. 만약 밀도가 액체의 밀도보다 작으면, 부력이 위쪽을 향하여 물체가 뜨고, 반면에 밀도가 크면, 부력이 아래쪽을 향하여 물체가 가라앉습니다. 이것은 아르키메데스의 원리(Archimedes' principle)로 알려져 있습니다.
Surfaces
액체의 부피가 용기의 부피와 정확히 일치하지 않은 한, 하나 이상의 표면이 관찰됩니다. 표면의 존재는 벌크 액체에 존재하지 않는 새로운 현상을 도입합니다. 이것은 표면에서 분자가 표면의 안쪽에서만 다른 액체 분자와 결합을 갖기 때문이며, 이는 표면 분자를 안쪽으로 끌어당기는 알짜 힘을 의미합니다. 동등하게, 이 힘은 에너지 측면에서 설명될 수 있습니다: 주어진 영역의 표면을 형성하는 것과 결합된 고정된 양의 에너지가 있습니다. 이 양은 단위 넓이 당 에너지의 단위 (SI 단위: \(\rm J/m^2\))로 표시되는 표면 장력(surface tension)이라는 재료 속성입니다. 분자-사이의 힘이 강한 액체는 표면 장력이 큰 경향이 있습니다.
표면 장력의 실질적인 의미는 액체가 표면 넓이를 최소화하는 경향이 있어, 다른 제약 조건이 없는 한 구형 방울(drops)과 기포(bubbles)를 형성한다는 것입니다. 표면 장력은 표면 파동, 모세관 작용, 습윤, 및 잔물결을 비롯한 다양한 다른 현상의 원인이 됩니다. 나노-규모의 구속 상태에 있는 액체에서, 표면 효과는 거시적 액체 표본과 비교할 때 훨씬 더 많은 분자가 표면 근처에 위치하기 때문에 지배적인 역할을 할 수 있습니다.
액체의 표면 장력은 습윤가능성(wettability)에 직접적인 영향을 미칩니다. 대부분의 공통적인 액체는 수십 \(\rm mJ/m^2\) 범위의 장력을 가지므로, 기름, 물, 또는 접착제 방울은 다른 표면에 쉽게 합쳐지고 부착될 수 있는 반면, 수은과 같은 액체 금속은 수백 \(\rm mJ/m^2\) 범위의 장력을 가질 수 있으며, 따라서 액적은 쉽게 결합되지 않고 표면은 특정 조건에서만 젖을 수 있습니다.
공통적인 액체의 표면 장력은 온도와 같은 변화하는 조건에 노출될 때 상대적으로 좁은 범위의 값을 차지하며, 이는 점도와 같은 다른 기계적 속성에서 볼 수 있는 엄청난 변화와 강하게 대조됩니다.
액체의 자유 표면(free surface)은 중력 (평평도)과 파동 (표면 거칠기)에 의해 교란됩니다.
Flow
액체의 흐름을 특징짓는 중요한 물리적 특성은 점도(viscosity)입니다. 직관적으로, 점도는 흐르는 액체의 저항을 나타냅니다.
보다 기술적으로, 점도는 액체가 유한 속도로 전단될 때와 같이 주어진 율에서 변형에 대한 액체의 저항을 측정합니다. 특정 예제는 파이프를 통해 흐르는 액체입니다: 이 경우에서, 액체는 중심 근처보다 파이프 벽 근처에서 더 느리게 흐르기 때문에 전단 변형을 겪습니다. 결과로써, 그것은 흐름에 대한 점성 저항을 나타냅니다. 흐름을 유지하기 위해, 파이프 끝단 사이의 압력 차이와 같은 외부 힘이 가해져야 합니다.
액체의 점도는 온도가 증가함에 따라 감소합니다.
점도의 정밀한 제어는 많은 응용 분야, 특히 윤활 산업에서 중요합니다. 그러한 제어를 달성하는 한 가지 방법은 점도가 다른 둘 이상의 액체를 정확한 비율로 혼합하는 것입니다. 게다가, 윤활유 점도의 온도 의존성을 조절할 수 있는 다양한 첨가제가 존재합니다. 기계는 종종 다양한 온도에서 작동하기 때문에 이 기능이 중요합니다 (점도 인덱스를 참조).
액체의 점성 행동은 뉴턴(Newtonian)이거나 비-뉴턴(non-Newtonian)일 수 있습니다. 뉴턴 액체는 선형 변형/응력 곡선을 나타내며, 그것의 점도가 시간, 전단율, 또는 전단-율 역사와 무관하다는 것을 의미합니다. 뉴턴 액체의 예로는 물, 글리세린, 모터 오일, 꿀, 또는 수은이 있습니다. 비-뉴턴 액체는 점도가 이들 요인과 무관하지 않고 전단 아래에서 두꺼워지거나 (점도 증가) 얇아지는 (점도 감소) 액체입니다. 비-뉴턴 액체의 예로는 케첩, 마요네즈, 헤어 젤, Play-Doh, 또는 전분 용액이 있습니다.
Elasticity under confinement
밀폐된 액체(Confined liquids)는 부피가 튼 액체와 비교하여 다른 기계적 속성을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 1밀리미터 미만의 제한 (예를 들어, 단단한 벽 사이의 간격) 아래의 액체는 고체와 같은 기계적 응답을 나타내고 제한 길이의 역 세제곱 거듭제곱으로 크기가 조정되는 놀랍도록 큰 저주파 탄성 전단 모듈러스(shear modulus)를 가집니다.
Sound propagation
액체에서 소리의 속력은 \(c = \sqrt {K/\rho}\)으로 제공되며, 여기서 \(K\)는 액체의 벌크 모듈러스(bulk modulus)이고 \(\rho\)는 밀도입니다. 예를 들어, 물은 약 2.2 GPa의 벌크 모듈러스와 \(\rm 1000 kg/m^3\)의 밀도를 가지며, 이는 c = 1.5 km/s를 제공합니다.
Thermodynamics
Phase transitions
끓는 점 아래의 온도에서, 액체 형태에서 임의의 물질은 그것의 증기의 역 응축 과정과 평형에 도달할 때까지 증발합니다. 이 지점에서 증기는 액체가 증발하는 것과 같은 율로 응축됩니다. 따라서, 증발된 액체를 지속적으로 제거하면 액체는 영구적으로 존재할 수 없습니다. 끓는 점 이상의 액체는 통상적으로 끓지만, 과열(superheating)로 인해 특정 상황에서 이를 방지할 수 있습니다.
어는 점 아래의 온도에서, 액체는 결정화(crystallize)되어, 고체 형태로 변하는 경향이 있습니다. 기체로의 전이와 달리, 일정한 압력 아래에서 이 전이에는 평형이 없으므로, 과냉각(supercooling)이 발생하지 않은 한 액체는 결국 완전하게 결정화됩니다. 어쨌든, 이것은 일정한 압력 아래에서만 사실이므로 (예를 들어) 밀폐된 강한 용기에서 물과 얼음은 두 상이 공존하는 평형에 도달할 수 있습니다. 고체에서 액체로의 반대 전이에 대해, 용해(melting)를 참조하십시오.
Liquids in space
상 다이어그램은 액체가 우주 또는 임의의 다른 진공에 존재하지 않는 이유를 설명합니다. 그 압력이 영이기 때문에 (행성과 위성의 표면이나 내부 제외), 우주에 노출된 물과 기타 액체는 온도에 따라 즉시 끓거나 얼게 됩니다. 지구 근처의 우주 지역에서, 태양이 직접 비추지 않으면 물이 얼고 햇빛에 닿자마자 기화 (승화)합니다. 만약 물이 달에 얼음으로 존재한다면, 태양이 결코 빛나지 않고 주변 암석이 물을 너무 많이 가열하지 않는 그늘진 구멍에만 존재할 수 있습니다. 토성 궤도 근처의 어느 지점에서, 태양으로부터의 빛은 얼음을 수증기로 승화시키기에는 너무 희미합니다. 이것은 토성의 고리를 구성하는 얼음의 수명에서 분명합니다.
Solutions
액체는 기체, 고체, 및 기타 액체와 함께 용액(solutions)을 형성할 수 있습니다.
두 액체는 어떤 비율로든 용액을 형성할 수 있으면 혼합-가능(miscible)이라고 말합니다; 그렇지 않으면 그것들은 비-혼합가능입니다. 예제로서, 물과 에탄올 (음용 알코올)은 혼합-가능이고 반면에 물과 가솔린은 비-혼합가능입니다. 일부 경우에서, 기타의 비-혼합가능 액체의 혼합물이 안정화되어 에멀젼(emulsion)을 형성할 수 있으며, 여기서 한 액체는 미세한 방울로 다른 액체 전체에 분산됩니다. 보통 액적을 안정화하기 위해 계면활성제(surfactant)가 필요합니다. 에멀젼의 친숙한 예는 달걀 노른자에서 발견되는 물질인 레시틴(lecithin)에 의해 안정화된 물과 기름의 혼합물로 구성된 마요네즈입니다.
Microscopic description
액체의 미세한 구조는 복잡하고 역사적으로 강렬한 연구와 논쟁의 대상이 되어 왔습니다. 몇 가지 주요 아이디어가 아래에 설명되어 있습니다.
General description
현미경으로 볼 때, 액체는 조밀하고 무질서한 분자 패킹으로 구성됩니다. 이것은 물질, 기체, 및 고체의 다른 두 가지 공통 단계와 대조됩니다. 기체는 무질서하지만 분자는 공간에서 잘 분리되어 있고 주로 분자-분자 충돌을 통해 상호 작용합니다. 반대로, 비록 고체의 분자는 조밀하게 채워져 있지만, 그것들은 보통 결정 격자(crystalline lattice)와 같은 규칙적인 구조에 속합니다 (유리는 주목할만한 예외입니다).
Short-range ordering
액체는 결정 격자에서와 같이 장거리 순서화(long-range ordering)를 나타내지 않지만, 몇 분자 지름에 걸쳐 지속되는 단거리 순서(short-range order)를 가지고 있습니다.
모든 액체에서, 제외된 부피 상호 작용은 분자 위치 (질량 중심 좌표)에서 단거리 순서를 유도합니다. 아르곤 및 크립톤과 같은 고전적인 단원자 액체가 가장 간단한 예입니다. 그러한 액체는 밀집된 구체의 무질서한 "무더기"로 모델링할 수 있고, 단거리 순서는 구체의 패킹에서 가장 가까운 이웃과 다음으로 가장 가까운 이웃이 지름의 정수배만큼 분리되는 경향이 있다는 사실에 해당합니다.
대부분의 액체에서, 분자는 구체가 아니고, 분자-사이 힘에는 방향성이 있습니다. 즉, 그것들은 분자의 상대적인 방향에 따라 달라집니다. 결과로써, 위에서 언급한 위치 질서 외에 근거리 방향 질서가 존재합니다. 방향성 순서는 물과 같은 수소-결합(hydrogen-bonded) 액체에서 특히 중요합니다. 수소 결합의 강도와 방향성 본성은 분자의 지역적 "네트워크" 또는 "클러스터" 형성을 촉진합니다. (고체와 비교하여) 액체의 열 변동의 상대적 중요성으로 인해, 이들 구조는 매우 역동적이며, 지속적으로 변형, 파손, 및 재형성됩니다.
Energy and entropy
액체의 미시적 특색은 인력 분자-사이 힘과 엔트로피 힘(entropic forces) 사이의 상호 작용에서 파생됩니다.
인력은 분자를 서로 가깝게 끌어당기는 경향이 있고, 단거리 척력 상호작용과 함께, 그것들은 고체의 규칙적인 구조 배후에 있는 지배적인 힘입니다. 엔트로피 힘은 기계적 의미에서 "힘"이 아닙니다; 오히려, 그것들은 고정 에너지에서 엔트로피를 최대화하려는 시스템의 경향을 설명합니다 (마이크로-정식의 앙상블 참조). 대략적으로 말하면, 엔트로피 힘은 분자를 서로 멀어지게 하여, 분자가 차지하는 부피를 최대화합니다. 기체에 우세한 엔트로피 힘은 용기를 채우는 기체의 경향을 설명합니다. 액체에서, 대조적으로, 분자-사이 힘과 엔트로피 힘이 비슷하기 때문에 어느 한쪽을 무시하고 다른 쪽을 선호하는 것은 불가능합니다. 정량적으로, 인접한 분자 사이의 결합 에너지는 열 에너지 \(k_B T\)와 같은 크기입니다.
No small parameter
에너지와 엔트로피 사이의 경쟁은 액체를 분자 수준에서 모델링하기 어렵게 만드는데, 왜냐하면 다루기 쉬운 이론적 설명의 출발점이 될 수 있는 이상화된 "참조 상태"가 없기 때문입니다. 수학적으로, 시스템적인 섭동 이론(perturbation theory)을 개발할 수 있는 작은 매개변수는 없습니다. 이 상황은 기체와 고체 모두와 대조됩니다. 기체에 대해, 참조 상태는 이상적인 기체(ideal gas)이고, 밀도는 실제 (비-이상적인) 기체 이론을 구성하는 작은 매개변수로 사용될 수 있습니다 (비리얼 전개 참조). 결정 고체에 대해, 참조 상태는 완벽한 결정 격자이고, 가능한 작은 매개변수는 열 운동과 격자 결함(lattice defects)입니다.
Role of quantum mechanics
알려진 모든 형태의 물질과 마찬가지로, 액체는 근본적으로 양자 역학적(quantum mechanical)입니다. 어쨌든, 표준 조건 (상온 및 대기 압력 근처)에서, 액체의 거시적 거동의 대부분은 고전 역학(classical mechanics)의 관점에서 이해될 수 있습니다. "고전적인 그림"은 구성 분자가 뉴턴의 운동 법칙에 따라 분자-사이 힘을 통해 상호 작용하는 별개의 개체라고 가정합니다. 결과로써, 거시적 속성은 고전 통계적 역학(classical statistical mechanics)을 사용하여 설명될 수 있습니다. 분자-사이 힘 법칙은 기술적으로 양자 역학에서 파생되지만, 보통 실험 데이터에 대한 적합성 또는 양자 역학 설명의 고전적 한계(classical limit)에서 얻은 고전 이론에 대한 모델 입력으로 이해됩니다. 예시적이지만, 매우 단순화된 예는 레너드-존스 퍼텐셜(Lennard–Jones potential)을 통해 상호 작용하는 구형 분자 모음입니다.
고전적 한계를 적용하기 위해, 필요한 조건은 다음 열적 드 브로이 파장(de Broglie wavelength)은,
\(\quad\displaystyle
\Lambda = \left(\frac{2 \pi \hbar^2}{m k_{\text{B}} T} \right)^{1/2}
\)
고려중인 길이 스케일에 비해 작습니다. 여기서 \(\displaystyle \hbar\)는 플랑크 상수이고 \(\displaystyle m\)은 분자의 질량입니다. \(\displaystyle \Lambda\)의 전형적인 값은 약 0.01-0.1 나노미터입니다 (테이블 1). 따라서, 나노-스케일에서 액체 구조의 고해상도 모델은 양자 역학적 고려 사항이 필요할 수 있습니다. 주목할만한 예는 물과 같은 결합 액체에서 수소 결합이며, 여기서, 양성자의 작은 질량으로 인해, 본질적으로 영-점 운동(zero-point motion)과 터널링(tunneling)과 같은 양자 효과가 중요합니다.
액체가 거시적 수준에서 고전적으로 거동하려면, \(\displaystyle \Lambda\)가 분자 사이의 평균 거리 \(\displaystyle a \approx \rho^{-1/3}\)에 비해 작아야 합니다. 즉,
\(\quad\displaystyle
\frac{\Lambda}{a} \ll 1
\)
몇 가지 액체에 대한 이 비율의 대표 값은 테이블 1에 나와 있습니다. 결론은 낮은 온도와 작은 분자 질량(molecular mass)을 갖는 액체에 대해 양자 효과가 중요하다는 것입니다. 동적 과정에 대해, 추가 시간-스케일 제약이 있습니다:
\(\quad\displaystyle
\tau \gg \frac{h}{k_B T}
\)
여기서 \(\displaystyle \tau\)는 고려 중인 과정의 시간-스케일입니다. 실온 액체에 대해, 오른쪽 변은 약 \(10^{-14}\)초이며, 이는 일반적으로 평행이동 운동을 포함하는 시간 종속 과정이 고전적으로 설명될 수 있음을 의미합니다.
극도로 낮은 온도에서, 특정 액체의 거시적 행동도 고전 역학에서 벗어납니다. 주목할만한 예는 수소와 헬륨입니다. 낮은 온도와 질량으로 인해, 그러한 액체는 분자 사이의 평균 거리에 필적하는 열적 드 브로이 파장을 가집니다.
Dynamic phenomena
액체의 음속에 대한 다음 표현은,
\(\quad\displaystyle c = \sqrt {K/\rho}\),
벌크 모듈러스(bulk modulus) K를 포함합니다. 만약 K가 주파수-독립적이면, 액체는 선형 매질처럼 동작하므로, 소리는 소산(dissipation) 또는 모드 결합(mode coupling) 없이 전파됩니다. 실제로, 모든 액체는 약간의 산란(dispersion)을 보입니다: 주파수가 증가함에 따라, K는 저주파의 액체와 같은 한계 \(K_0\)에서 고주파의 고체와 같은 한계 \(K_{\infty}\)로 교차합니다. 통상적 액체에서, 이 교차의 대부분은 GHz와 THz 사이의 주파수에서 발생하며, 때때로 초음속(hypersound)이라고 불립니다.
GHz-미만의 주파수에서, 통상적인 액체는 전단 파동(shear waves)을 견딜 수 없습니다; 전단 모듈러스(shear modulus)의 영-주파수 한계는 0입니다. 이것은 때때로 액체의 정의하는 속성으로 고려됩니다. 어쨌든, 벌크 모듈러스 K와 마찬가지로, 전단 모듈러스 G도 주파수-의존적이고 초음속 주파수에서 유사한 교차를 나타냅니다.
선형 응답 이론(linear response theory)에 따르면, K 또는 G의 푸리에 변환은 시스템이 외부 섭동 후에 평형 상태로 돌아가는 방법을 설명합니다; 이러한 이유로, GHz에서 THz 영역의 산란 단계는 이완(relaxation)이라고도 불립니다. 액체가 유리 전이 쪽으로 과냉각될 때, 구조적 이완 시간이 지수적으로 증가하며, 이는 유리-형성하는 액체의 점탄성 행동을 설명합니다.
Experimental methods
액체에서 장거리 순서의 부재는 X-선 및 중성자 회절(neutron diffraction)에서 브래그 피크(Bragg peaks)의 부재로 반영됩니다. 통상적인 조건 아래에서, 회절 패턴은 원형 대칭을 가지며, 액체의 등방성(isotropy)을 나타냅니다. 방사형으로, 회절 강도가 부드럽게 진동합니다. 이것은 프로브 (광자 또는 중성자)의 파장 \(\displaystyle \lambda\)와 브래그 각도 \(\displaystyle \theta\)에 의해 주어진 파동-숫자 \(\displaystyle q =(4 \pi / \lambda)\sin \theta\)를 갖는 정적 구조 인수 \(\displaystyle S(q)\)로 설명될 수 있습니다. \(\displaystyle S(q)\)의 진동은 액체의 단거리 순서, 즉, 분자와 가장 가까운 이웃, 다음으로 가장 가까운 이웃 등의 "껍질" 사이의 상관 관계를 나타냅니다.
이들 상관 관계의 동등한 표현은 \(\displaystyle S(q)\)의 푸리에 변환(Fourier transform)과 관련된 방사형 분포 함수 \(\displaystyle g(r)\)입니다. 그것은 액체에서 쌍 상관 관계의 시간적 스냅샷의 공간적 평균을 나타냅니다.
