개념 한 쪽
냉동 사이클 개념의 재료는 유체의 기본 법칙과 단위 관계를 함께 확인한다. 질량보존 법칙의 적용 범위, SI 유도 단위의 구성, 점성계수의 정의, 원관 내 층류와 난류의 속도 분포를 문항으로 제시한다. 계산 순서와 차원 해석의 원리도 함께 확인한다.
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출제기준 단원 「냉동 사이클」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| SI 유도 단위 관계 판별 | 1 | 와트를 기본 단위의 차수로 환산한 관계를 가림 |
| 유체 용어 정의 판별 | 1 | 동점성계수와 관련 용어의 정의가 맞는지 가림 |
| 원관 유동 특성 판별 | 1 | 층류와 난류의 속도 분포 및 비율 관계를 가림 |
질량보존 법칙은 실제유체와 이상유체를 구분하지 않고 모든 유동에 적용한다. 유체가 흐르는 동안 들어가는 질량과 나가는 질량이 같다는 원리로, 점성이나 압축성의 유무와 관계없이 성립한다. 수정계수는 실제 유동의 에너지 손실을 보정할 때 사용한다. 압축성 유체 가정은 기체처럼 압축성이 큰 유체에만 해당한다. 뉴턴의 점성법칙은 점성이 있는 실제유체에 적용한다. 이상유체에는 뉴턴의 점성법칙을 적용하지 않는다.
SI 단위에서 와트는 일률의 단위이고, 1초 동안 1줄의 일을 할 때의 값에 해당한다. 줄은 뉴턴의 힘이 거리만큼 작용한 일로 구성한다. 힘의 단위 뉴턴은 질량과 가속도의 곱으로 나타낸다. 와트는 줄을 초로 나눈 값에 해당한다. 이 관계를 기본 단위로 따라가면 kg·m²/s³의 차원으로 정리한다.
동점성계수는 절대점도를 밀도로 나눈 값으로 정의한다. 동점성계수를 절대점도와 유체압력의 비로 설명하면 틀린 정의에 해당한다. 이상유체는 점성이 없는 유체로, 뉴턴유체는 전단응력과 속도구배가 비례하는 유체로 구분한다. 표면장력계수는 단위 길이당 장력으로 정의한다.
원관 내 유체 흐름은 레이놀즈 수에 따라 층류와 난류로 나눈다. 층류는 단면 유속 분포가 포물선 형태를 띠고, 중심 최대속도가 평균속도의 2배에 해당한다. 난류는 유체가 불규칙하게 섞이면서 단면 유속 분포가 더 평평해지고, 최대속도에 대한 평균속도의 비가 층류보다 커지는 특성을 나타낸다. 레이놀즈 수 기준은 층류 2100 이하와 난류 4000 이상으로 제시한다.
SI 단위 문제는 와트를 줄과 초의 관계로 풀어 기본 단위의 차수를 확인하는 방식으로 접근한다. 동점성계수 문제는 절대점도를 밀도로 나눈 정의를 기준으로 삼고, 압력과의 비로 설명한 선지를 틀린 설명으로 가른다. 원관 내 유체 흐름 문제는 층류의 포물선 분포와 난류의 평평한 분포를 비교하고, 평균속도와 최대속도의 비 관계를 확인한다.
국제단위(SI 단위)에서 기본단위 간의 관계가 옳은 것은?
정답 ③ · 국제단위계(SI)의 유도 단위 관계를 확인하면, 일률(Power)의 단위인 와트(W)는 1초 동안 1줄(J)의 일을 한 비율로 정의됩니다. 1J은 힘 1N이 1m 이동한 일(1 N·m)이고, 뉴턴은 1 kg·m/s²이므로 1J은 1 kg·m²/s²입니다.
와트(W)는 줄(J)/초(s)이며, 줄은 뉴턴×미터이므로 최종적으로 kg·m²/s³이 된다.
다음 중 용어에 대한 정의가 틀린 것은?
정답 ④ · 유체역학 기본 용어의 정의 중 틀린 것을 고르는 문제이다. 동점성계수는 절대점도(동점성 계수)를 유체의 밀도로 나눈 값, 즉 ν = μ/ρ로 정의되며 유체압력과는 무관하다.
동점성계수는 절대점도를 밀도로 나눈 값이며, 유체압력과는 무관하므로 압력 비로 정의한 것은 틀렸습니다.
원관 내 유체의 흐름에 대한 설명 중 틀린 것은?
정답 ④ · 원관 내 유체 흐름에 대한 틀린 설명을 고르는 문제이다. 층류는 레이놀드수 약 2100 이하, 난류는 약 4000 이상에서 발생하며 관 중심부 유속이 평균유속보다 큰 것은 모두 옳은 설명이다.
난류는 단면 유속 분포가 균일하여 최대속도 대비 평균속도비가 층류보다 크다.
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