개념 한 쪽
이 개념의 세트는 가연성가스의 성질을 유체 물성과 흐름의 기본 정의로 확인한다. 압축성유체의 음속, 뉴턴 유체, 비중, 전단응력, 점성계수, 비열 관계가 문항의 재료로 제시된다.
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출제기준 단원 「가연성가스」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 층류 원관 전단응력 분포 | 1 | 관 중심과 벽면 사이 전단응력 분포의 형태를 가리기 |
| 비중 기준 물질 판별 | 1 | 유체 물성 설명에서 비중의 기준 물질을 가려내기 |
| 정지 유체 전단응력 판단 | 1 | 정지 상태 유체의 전단응력 존재 여부를 판단하기 |
압축성유체에서는 이상기체의 음속 공식 a=√(kRT)를 적용하여 음속이 절대온도의 제곱근에 비례함을 확인한다. 온도가 높을수록 음속이 빨라지므로 음속은 온도의 함수가 된다.
뉴턴 유체는 전단응력이 속도구배에 선형 비례하는 유체이다. 비례상수는 점도이다. 물이나 공기 같은 일반적인 유체는 대부분 뉴턴 유체에 해당하고, 케첩이나 치약처럼 힘을 가해야 흐르는 유체는 비뉴턴 유체라고 부른다.
비중은 기준 유체인 4℃ 물의 밀도와 비교한 밀도비이다. 수은을 일반적인 비중의 기준으로 삼는다는 설명은 틀린 설명이 된다. 밀도는 단위 부피당 질량, 부력은 유체 속에 잠긴 물체가 받는 상향 힘, 전단응력은 점성에 의한 속도 차이에서 발생하는 응력이다.
유체는 정지 상태에서는 전단응력이 0이 된다. 유체가 흐르고 있을 때는 점도와 속도 차이에 의해 전단응력이 발생한다. 수평원관 내 층류에서 전단응력은 반지름에 비례하는 선형 분포를 보인다. 관 중심에서는 속도 기울기가 0이므로 전단응력도 0이고, 관벽에 가까울수록 커져 최대가 된다.
동점성계수는 절대점성계수를 밀도로 나눈 값이므로, 절대점성계수는 동점성계수와 밀도의 곱으로 계산한다. 점성계수의 단위는 전단응력을 속도구배로 나눈 N·s/m²이다. 이상기체에서는 정압비열이 정적비열보다 기체상수만큼 크므로 Cp=Cv+R 관계를 적용한다. 기체상수 단위를 질량 기준으로 맞추는 과정이 필요하다.
비중이 0.8인 유체에서 동점성계수 값이 매초 제곱미터당 1.5×10⁻⁶에 해당할 때, 절대점성계수를 산출한다. 밀도는 0.8×1000=800kg/m³가 되고, μ=νρ=1.5×10⁻⁶×800=1.2×10⁻³kg/m·s가 된다.
메탄가스 1kg을 일정 체적 상태로 두고 온도를 섭씨 5도에서 25도까지 올리는 데 10kcal가 소요될 때, 정압비열을 산출한다. 정적비열은 10/20=0.5kcal/kg·℃가 된다. 기체상수는 1.987/16≈0.124kcal/kg·℃이므로 Cp=Cv+R=0.5+0.124≈0.624kcal/kg·℃가 된다.
수평원관내에서 유체의 흐름이 층류일 때 전단응력의 분포는?
정답 ③ · 원관 내 층류 흐름에서 전단응력의 반경 방향 분포를 고르는 문제이다. 원관 층류에서 전단응력은 τ = (ΔP/2L)·r로 표현되어 반지름 r에 정비례하는 선형 분포를 가진다.
층류 원관 흐름에서 전단응력은 반지름에 비례하여 선형 분포.
유체의 물성 또는 힘에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
정답 ③ · 비중(Specific Gravity)은 특정 온도에서 어떤 유체의 밀도와 4℃(또는 1기압)에서의 물(또는 공기)의 밀도와의 비율(차원이 없는 값)을 의미합니다. 즉, 기준 물질은 수은이 아니라 표준 상태의 물입니다.
비중은 기준 물질을 수은이 아닌 4℃의 물(또는 표준 상태의 공기)과 비교한 밀도비이므로 ③이 틀렸다.
유체의 성질에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?
정답 ④ · 유체의 성질에 대한 설명 중 옳지 않은 것을 고르는 문제이다. 유체는 뒤틀림에 대해 영구적으로 저항하지 않는 물질로, 변형 중에는 점성에 의한 전단응력이 나타나고 그 크기는 점도와 속도기울기에 따라 결정된다.
정지 유체는 전단응력을 견디지 못하므로, 정지 상태에서는 전단응력이 0이어야 한다.
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