수직 충격파가 발생했을 때 나타나는 현상이 아닌 것은?
- 온도가 증가한다.
- 속도가 증가한다.
- 압력이 증가한다.
- 엔트로피가 증가한다.
정답과 해설 보기
정답 ② · 수직 충격파를 통과할 때 나타나는 유체의 상태 변화 중 옳지 않은 것을 고르는 문제이다. 수직 충격파를 지나면 유속은 초음속에서 아음속으로 감소하고, 압력과 온도, 밀도는 증가한다.
수직 충격파에서는 마찰이 없는 단열 과정으로 속도가 감소하고 압력, 온도, 엔트로피가 증가한다.
개념 한 쪽
가스기사 정성적 안전성 평가 — 수직충격파의 비가역 과정
정성적 안전성 평가 문항은 수직충격파를 다룬다. 충격파가 발생하면 유체의 속도는 줄고 압력과 온도와 엔트로피는 늘어난다. 이 과정이 되돌릴 수 없는 비가역 과정이라는 점을 묻는다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「정성적 안전성 평가」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 과정 성격 판별 | 1 | 수직충격파가 어떤 열역학적 과정에 해당하는지 가리기 |
| 상태량 변화 방향 | 1 | 충격파 통과 시 마하수와 압력과 엔트로피의 증감을 가리기 |
| 충격파 후 마하수 계산 | 1 | 관계식에 전방 마하수와 비열비를 대입해 후방 값을 구하기 |
뜻
수직충격파는 초음속으로 흐르는 유체가 갑자기 감속하며 발생하는 현상이다. 속도는 급격히 감소하고 압력과 온도는 증가한다. 마찰이 없는 단열 과정처럼 보이지만 충격파 내부에서는 점성 효과와 열전달이 집중되어 엔트로피가 반드시 증가한다.
엔트로피가 증가하는 과정은 되돌릴 수 없는 비가역 과정이다. 등엔트로피 과정은 엔트로피가 일정하게 유지되는 가역 과정을 뜻하므로 충격파에는 해당하지 않는다. 등엔탈피 과정도 충격파의 주요 특징이 아니다.
마하수는 충격파 전후로 감소하고 압력과 엔트로피는 증가한다. 초음속 유동이 아음속으로 전환되는 방향이므로 아음속에서 초음속으로 변한다는 서술은 성립하지 않는다. 밀도와 온도도 함께 상승한다.
충격파 후의 마하수는 관계식으로 구한다. 마하수가 충격파 전보다 항상 작아져 아음속 영역이 된다는 성질을 먼저 적용하면 계산 전에 선지를 줄일 수 있다.
예제
충격파 후 마하수를 구하는 문제가 나온다. 충격파 전 마하수와 비열비를 관계식에 대입해 아음속 값을 얻는다. 충격파 후에도 마하수가 초음속으로 남는다는 선지는 성질만으로 배제한다.
과정의 성격을 묻는 문제도 나온다. 충격파를 등엔트로피나 가역 과정으로 서술하면 틀리고, 비가역 과정으로 서술하면 옳다. 속도가 증가한다거나 엔트로피가 일정하다는 서술도 충격파 특성과 반대이므로 소거한다.
대표 기출 3문항
수직 충격파는 어떤 과정인가?
- 비가역 과정이다.
- 등엔트로피과정이다.
- 가역 과정이다.
- 등엔탈피과정이다.
정답과 해설 보기
정답 ① · 수직 충격파의 열역학적 성질을 묻는 문제이다. 충격파는 초음속 유동이 급격히 아음속으로 감속되면서 발생하는 비가역 현상으로, 과정 중 엔트로피가 증가한다.
충격파는 비가역 과정으로 엔트로피가 증가하므로 등엔트로피 과정이 아니다.
수직충격파는 어떤 과정에 가장 가까운가?
- 비가역 과정
- 등엔트로피 과정
- 가역과정
- 등압 및 등엔탈피 과정
정답과 해설 보기
정답 ① · 수직충격파의 열역학적 성질을 묻는 문제이다. 수직충격파를 통과하면 유체가 아주 짧은 거리에서 급격히 감속되고 압력과 온도가 상승하는 비가역 과정이 일어나며, 그 결과 엔트로피가 증가한다.
충격파는 급격한 압력·온도 상승을 수반하므로 엔트로피가 증가하는 비가역 과정이다.
자주 묻는 물음
- 수직충격파에서 속도와 압력은 어떻게 변하나요?
- 속도는 감소하고 압력과 온도는 증가한다. 밀도도 함께 상승한다.
- 수직충격파는 어떤 과정인가요?
- 엔트로피가 증가하는 비가역 과정이다. 등엔트로피 과정으로 보지 않는다.
- 충격파 후 마하수는 어떻게 되나요?
- 충격파 전 마하수보다 항상 작아져 아음속 영역이 된다. 관계식에 비열비를 대입해 값을 구한다.
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