개념 한 쪽
가스와 액체 같은 유체를 다룰 때는 몇 가지 기본 가정과 용어를 먼저 이해해야 한다. 연속체 가정은 분자 수준 대신 거시적 매질로 다루는 전제이고, 유선은 흐름의 방향을 나타내는 가상의 선이며, 비열은 주어진 열량에 대한 온도 상승의 민감도를 설명한다. 이 개념들은 가스 특성의 기초 이론을 구성한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
출제기준 단원 「가스의 기초 이론」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 연속체 가정 타당성 판단 | 1 | 평균 자유행로와 특성 길이의 상대적 크기로 연속체 적용 여부를 판단하기 |
| 유선 정의 확인 | 1 | 유동장에서 유선의 정의적 성질을 묻기 |
| 비열과 온도상승 관계 | 1 | 동일한 열량에 대한 물질의 온도 변화량을 비열로 설명하기 |
연속체 가정은 유체를 분자가 아닌 연속된 매질로 근사하는 전제이다. 이 근사가 유효하려면 물체의 특성 길이(L)가 분자의 평균 자유행로(λ)보다 훨씬 커야 한다. 이러한 타당성 판단은 Knudsen 수 Kn = λ/L로 표현하며, Kn이 충분히 작을 때 연속체로 다루는 것이 적절하다고 본다.
유선(Streamline)은 유동장 내에서 그은 가상의 선으로, 선 위의 각 점에서 접선 방향이 그 점의 속도 벡터 방향과 일치한다. 즉, 유선은 유체 입자가 순간적으로 향하는 방향을 따라 그려지는 궤적의 직관적 도구이다. 유선의 정의는 유체 운동학에서 기본적인 용어로 사용된다.
비열은 단위 질량당 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량을 나타내는 성질이다. 같은 양의 마찰열이 발생하더라도 비열이 큰 물질은 온도 상승폭이 작다. 따라서 액체는 일반적으로 기체보다 비열이 커서 동일한 마찰열에 대해 온도 상승이 작게 나타난다.
이론적 모델에서는 이상적인 유체(예: 비점성 유체)나 특정 흐름 상태(예: 층류, 완전발달흐름 등)를 가정하여 간단한 해석식을 얻는다. 다만 실제 적용에서는 가정의 타당성을 확인하는 것이 필요하다. 예를 들어 관류 저항식을 유도할 때는 비압축성, 뉴턴유체, 층류, 정상상태 같은 전제가 포함되는지를 검토해야 한다.
유체를 연속체로 취급할 수 있는지를 묻는 문제에서는 특성 길이와 평균 자유행로의 상대 크기를 비교하는 관점을 택한다. Knudsen 수가 작아 L이 λ보다 충분히 크면 연속체 가정이 타당하므로 해당 선택지를 고른다.
유선의 정의를 묻는 문제에서는 '속도 벡터 방향과 접선 방향의 일치'라는 특징을 떠올린다. 보기 중에서 이 조건을 정확히 서술한 선택지를 선택하면 정답을 찾을 수 있다.
마찰열로 인한 온도 상승이 작은 이유를 묻는 문제에서는 비열을 연결지어 생각한다. 동일한 열량에서 온도 변화는 열용량의 역수에 비례하므로 비열이 큰 액체는 온도 상승이 작다는 설명을 선택하면 정답이다.
유체를 연속체로 취급할 수 있는 조건은?
정답 ④ · 유체를 연속체로 취급할 수 있는 조건을 묻는 문제이다. 연속체 가정은 유동의 특성길이가 분자의 평균자유행로보다 충분히 클 때 유효하며, 이는 Knudsen 수(평균자유행로와 특성길이의 비)가 충분히 작은 경우에 해당한다.
연속체 가정은 물체의 특성 길이가 분자 평균 자유행로보다 훨씬 클 때 유효하며, 이를 Knudsen 수로 판단한다.
유체의 흐름에서 유선이란 무엇인가?
정답 ① · 유선의 정의를 묻는 문제이다. 유선은 특정 순간 유동장 내에 그은 가상의 선으로, 선 위의 모든 점에서 그 점을 지나는 접선의 방향이 그 점의 유체 속도 벡터 방향과 일치한다.
유선은 유동장 내의 임의의 점에서 접선 방향이 그 점의 유체 속도 벡터 방향과 일치하는 가상의 선이다.
액체에서 마찰열에 의한 온도상승이 작은 이유를 옳게 설명한 것은?
정답 ② · 액체의 마찰열에 의한 온도상승이 작은 이유를 묻는 문제이다. 마찰열에 의한 온도 상승폭은 발생한 열량을 질량과 비열의 곱, 즉 열용량으로 나눈 값으로 결정된다.
액체는 기체보다 비열이 커서 같은 마찰열이 발생해도 온도 상승폭이 작아진다.
가스기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.