개념 한 쪽
점성은 유체가 흐를 때 생기는 내부 저항이다. 액체는 온도가 오르면 분자 간 인력이 약해져 점성이 줄고, 기체는 분자 운동이 활발해져 점성이 늘어난다. 동점성계수는 점성계수를 밀도로 나눈 값이며, 같은 점성이라도 밀도가 다르면 흐름 특성이 달라진다.
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출제기준 단원 「유체의 점성 및 점성측정」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 점성 서술 판별 | 1 | 점성에 대한 설명 중 틀린 것 |
| 단위 오류 | 1 | 단위가 어긋난 것 고르기 |
| 점성법칙 해석 | 1 | 뉴턴의 점성 법칙을 그르치게 풀어낸 것 고르기 |
점성의 온도 의존성은 액체와 기체가 반대다. 액체는 온도가 올라가면 분자 간 인력이 약해져 점성이 감소하고 전단력 저항도 함께 줄어든다. 기체는 온도가 올라가면 분자 운동이 활발해져 충돌이 잦아지므로 점성이 증가한다. 액체의 점성이 온도 상승에 따라 증가한다는 설명은 방향이 반대다.
동점성계수는 점성계수를 밀도로 나눈 값이다. 동점성계수 2스토크는 2×10⁻⁴m²/s이고, 비중량 8×10³N/m³이면 밀도는 비중량을 중력가속도로 나눈 값이다. 점성계수는 동점성계수에 이 밀도를 곱해 구하며, 9.8m/s²로 계산하면 약 0.163N·s/m²가 된다. 스토크를 제곱미터 매 초로 바꾸는 단계를 빠뜨리면 값이 10⁴배 어긋난다.
이상유체는 마찰이 없고 밀도가 변하지 않는 가상의 유체다. 실제유체는 마찰로 인한 손실이 있고, 압력을 가하면 체적이 줄어드는 유체를 압축성 유체라 한다. 이상유체가 높은 압력에서 밀도가 변한다는 설명은 틀렸다. 이상유체는 비압축성이므로 압력이 변해도 밀도가 일정하다.
음속은 매질의 성질에 따라 달라진다. 이상기체에서 음속은 절대온도의 제곱근에 비례하고 분자량의 제곱근에 반비례한다. 분자량이 큰 기체일수록 음속은 느려진다. 액체에서는 체적탄성계수의 제곱근에 비례하고 밀도의 제곱근에 반비례한다. 바닷물처럼 밀도 1030kg/m³, 체적탄성계수 2.34GPa인 매질에서는 음속이 약 1507m/s가 된다.
유선과 유적선은 시간을 다루는 방식이 다르다. 유적선은 특정 유체 입자가 시간이 지나면서 지나온 궤적이고, 유선은 어느 한 순간 각 점의 속도 방향을 이은 선이다. 유맥선은 유선이 시간에 따라 이동한 자취로 설명된다. 입자의 과거 경로를 묻는지, 순간의 속도 방향을 묻는지 구분한다.
단위도 차원으로 구분한다. 줄, 파스칼·세제곱미터, kg·m²/s²은 모두 에너지 단위이고, N·s는 운동량 단위다. 다인은 1g·cm/s²인 힘의 단위이며, kgf·m는 힘에 거리를 곱한 일의 단위다. 같은 줄로 보이는 단위라도 기본 단위로 풀어 보면 운동량과 에너지가 갈린다.
판단은 온도와 단위에서 갈린다. 액체는 온도가 오르면 점성이 줄고, 기체는 늘어난다. 동점성계수 2스토크와 비중량 8×10³N/m³로 점성계수를 구하면 약 0.163N·s/m²다. 이상유체는 무마찰·비압축성이고, 음속은 분자량의 제곱근에 반비례한다. 바닷물 음속은 약 1507m/s이고, 유적선은 입자의 이동 궤적이다. 줄·파스칼·세제곱미터·kg·m²/s²은 에너지, N·s는 운동량이다.
점성에 관한 다음 설명 중 틀린 것은 ?
정답 ③ · 점성에 대한 설명 중 틀린 것을 찻는 문제이다. 액체의 점성은 분자간 인력(결합력)에 기인하므로 온도가 올라가면 분자간 결합력이 약해져 점성이 감소한다.
기체의 점성은 온도 상승 시 분자 운동이 활발해져 점성이 증가하므로, 감소한다는 설명은 틀렸다.
단위가 틀린 것은?
정답 ④ · 각 물리량에 대한 단위 등식 중 차원이 맞지 않는 것을 고르는 문제이다. 뉴턴은 질량과 가속도의 곱이므로 1N=1kg·m/s², 줄은 힘과 거리의 곱이므로 1J=1N·m, 와트는 단위시간당 일이므로 1W=1J/s로 모두 옳다.
Newton의 점성법칙을 틀리게 설명한 것은?
정답 ④ · Newton의 점성법칙을 틀리게 설명한 것을 고르는 문제이다. Newton의 점성법칙은 전단응력이 점성계수와 속도기울기의 곱으로 표현되며, 전단응력은 속도기울기에 비례하고 속도기울기가 0이면 전단응력도 0이 된다.
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