Chapter 11. 점성

액정의 대해 배우기 전에, 점성에 대해 배우면 어떨까라는 생각을 하였다. 금일 어느 한 대학에서 학생들이 하는 프로그램 발표에 참석 하였는데, 고분자 화합물을 바탕으로 점성의 대해 논하고 있었기 때문이다. 물론, Chapter 11에도 점성의 대해 이야기가 나왔던 것을 기억하리라 생각한다. 즉, 점성이란 "액체나 기체 같은 유체가 흐를 때, 내부의 마찰로 인해 흐름을 방해하는 성질"을 말하는데, 더 직관적으로 이해할 수 있는 표현은 "얼마나 끈적거리느냐"가 아닐까 한다. 물론, 다른 말로 하면, "얼마나 잘 흐르지 않느냐"일 것이다. 이러한 물리적 특성을 갖는 것을 점성이라고 한다. 

이렇게 예를 들어 볼 수 있다. "물은 점성이 낮아서 쉽게 흐른다." "꿀이나 기름은 점성이 높아서 천천히 흐른다." 바로 이해되었을 것이라 생각한다.

여기서, 왜 점성이 중요할까?

예를 들어 보면,

• 자동차 엔진 오일은 적절한 점성이 있어야 마찰을 줄이고 부품을 보호할 수 있음.
• 페인트, 잉크, 화장품도 점성이 적절해야 잘 발리고 사용하기 좋음.

과학이나 산업, 심지어 음식 제조에도 매우 중요한 물성 중의 하나라고 보면 될 것이다. 여기서, 점성의 대해 조금더 과학적으로 접근해 보자.

"점성은 유체 내에서 층간 마찰 또는 내부 저항을 나타내는 성질을 의미하고, 유체가 흐를 때, 서로 인접한 유체 층들이 서로 다른 속도로 움직이면 마찰력이 작용하게 되는데, 이때 생기는 마찰력이 바로 점성의 원천이 된다."

초소수성 표면에 다양한 액체를 떨어뜨린 후 실행하는 모습 (출처: The Science Times, 2020-10-19)

 

이번엔 점성의 수학적 정의 (뉴턴점성)를 알아보자.

 

여기서,

• τ = 전단응력 (shear stress, 단위: Pa)
• η = 점성계수(동점성도, dynamic viscosity, 단위: Pa·s)
• du/dy​ = 속도 구배 (velocity gradient, 또는 전단 속도 shear rate)

즉, 유체의 한 층이 옆의 다른 층과 서로 다른 속도로 움직이려고 할 때, 이 움직임을 방해하는 내부 저항력이 점성이 된다.

 

점성의 종류의 대해 알아보자.

1. 동점성도 (Dynamic Viscosity, η)
   • 단위: Pa·s 또는 N·s/m²
   • 점성 그 자체를 나타냄. 절대적인 점성 값
2. 운동점성도 (Kinematic Viscosity, ν)
   • ν=ηρ\nu = \frac{\eta}{\rho}ν=ρη​, 여기서 ρ\rhoρ는 밀도
   • 단위: m²/s
   • 점성을 밀도로 나눈 값. 유체의 유동성을 나타냄.

예시로 보면,

• 물: η ≈ 0.001 Pa·s (20°C에서)
• 꿀: η ≈ 10 Pa·s (온도에 따라 다름)
• 공기: η ≈ 1.8 × 10⁻⁵ Pa·s (20°C에서)

온도와 점성

• 액체는 온도가 올라가면 점성이 낮아짐 (더 잘 흐름)
• 기체는 온도가 올라가면 점성이 높아짐 (분자 운동이 활발해짐)

뉴턴 유체 vs 비뉴턴 유체

• 뉴턴 유체: 전단 응력과 속도 구배가 비례 (ex: 물, 공기, 기름 등)
• 비뉴턴 유체: 점성이 일정하지 않고 응력에 따라 변함 (ex: 케첩, 치약, 슬라임 등)

이처럼, 점성의 대한 과학적 접근은 다양하다고 볼 수 있다. 우리가 살아가는 삶 속에서 점성과 관련된 것들을 생각해 보고, 고민해보자. 아주 밀접한 과학적 접근이 결국 깊이 있는 통찰력과 사고로 이어지게 되어 나도 모르게 과학자로의 길을 걸어가고 있는 본인의 모습을 깨닫게 될 것이라 본다.