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 정량적 안전성 평가 — 충격파·엔트로피 증가
정량적 안전성 평가는 사고의 발생 확률이나 피해 규모를 수치로 계산하는 방식이다. 본 세트는 수직 충격파의 물리·열역학적 특성과 정량적 평가 기법의 구분을 중심으로 핵심 사항을 정리한다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「정량적 안전성 평가」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 충격파 특성 판단 | 1 | 충격파 통과 시 속도·압력·엔트로피의 변화 방향을 가리기 |
| 충격파의 가역성 판별 | 1 | 충격파가 등엔트로피인지를 판단하여 과정 유형을 가르기 |
| 충격파의 본질적 성질 설명 | 1 | 충격파가 비가역 과정이며 엔트로피가 증가함을 설명하라 |
뜻
수직 충격파는 초음속 유체가 갑자기 감속하면서 발생하는 현상이다. 이때 유체의 속도는 급격히 감소하고 압력·온도·밀도는 급격히 상승한다는 점을 기억한다. 충격파는 국소적으로 점성 및 마찰 효과가 집중되기 때문에 엔트로피가 증가하는 비가역 과정이다.
충격파를 통과한 뒤의 마하수 변화는 항상 감소 방향이며, 초음속에서 아음속으로 전환되는 것이 충격파의 본질적 특성이다. 엔트로피 증가는 충격파가 가역적 과정이나 등엔트로피 과정이 아니란 사실을 확정한다.
안전성 평가 기법은 정성적·반정량적·정량적 방식으로 분류한다. 정량적 평가는 확률론적·수치적 접근으로 사고 발생 확률이나 피해 규모를 산정하는 방식이며, 작업자 실수분석(HEA)처럼 인간 오류의 확률을 수치화하는 기법이 정량적 범주에 속한다. 반면 체크리스트, HAZOP, What-If 분석 등은 전문가 판단에 기반한 정성적 기법이다.
충격파 관련 문제는 변화 방향(속도 감소, 압력·온도·밀도 상승, 엔트로피 증가)을 먼저 떠올려 오답을 배제한다. 정량적 평가 관련 문제는 '수치로 표현되는가'를 기준으로 기법을 분류하면 정답을 찾기 쉽다.
응용에서는 충격파의 상태 변화 관계식과 정량적 기법의 정의를 함께 사용하여 문제를 해결한다. 충격파 후 마하수 계산 등 식 대입 문제는 적절한 공식을 알고 정확히 연산하는 능력이 요구된다.
예제
충격파 후 마하수 계산 예시는 표준 관계식을 사용한다. 충격파 전 마하수 M1과 비열비 γ가 주어지면 충격파 후 마하수 M2는 다음 식을 사용해 구한다: M2² = [(γ-1)M1² + 2] / [2γM1² - (γ-1)] 한다. 예로 M1=4.2, γ=1.4를 대입하면 M2가 약 0.43으로 아음속이 됨을 확인한다.
정량적 평가 기법 판별 예시는 기법이 수치적 확률 계산을 수행하는지 여부로 판단한다. 작업자 실수분석(HEA)은 오류 확률을 수치화하므로 정량적 기법으로 분류한다. 체크리스트나 HAZOP는 수치 산출이 목적이 아니므로 정성적 기법으로 배제한다.
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
- 수직 충격파에서 엔트로피는 어떻게 변하는가?
- 충격파는 비가역 과정으로 엔트로피가 증가한다. 따라서 등엔트로피 과정이나 가역 과정으로 볼 수 없다.
- 충격파를 통과한 뒤 마하수는 어떤 방향으로 변하는가?
- 충격파 통과 시 마하수는 감소하여 초음속에서 아음속으로 변하는 것이 일반적이다.
- 정량적 안전성 평가와 정성적 평가를 어떻게 구분하나?
- 정량적 평가는 사고 발생 확률이나 피해 규모를 수치로 계산하는 기법을 말한다. 정성적 평가는 전문가의 서술적 판단으로 위험을 식별하는 기법이다.
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