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 안전성 평가 이론 — 수직충격파와 비가역 변화
수직충격파는 초음속 유체가 갑자기 감속하며 나타나는 현상이다. 이때 속도와 마하수는 줄고 압력·밀도·온도는 올라가며 엔트로피가 증가한다. 이런 변화가 비가역 과정인지, 등엔트로피 과정인지 구분하는 것이 핵심이다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「안전성 평가 이론」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 발생 현상 판별 | 1 | 수직충격파에서 일어나지 않는 변화를 가려낸다 |
| 과정 성격 판별 | 1 | 충격파가 비가역 과정인지 묻는다 |
| 유사 과정 선택 | 1 | 충격파에 가장 가까운 과정을 고른다 |
뜻
수직충격파는 초음속으로 흐르는 유체가 아음속으로 급격히 감속할 때 생긴다. 유체의 운동 에너지가 압력 에너지로 바뀌면서 충격파 뒤의 압력과 밀도와 온도가 급격히 상승한다. 속도는 감소하므로 마하수도 작아진다.
이 과정은 마찰이 없는 단열 과정처럼 보일 수 있으나 실제로는 점성 효과와 열전달이 집중되는 비가역 과정이다. 따라서 엔트로피가 반드시 증가하며, 등엔트로피 과정이나 가역 과정으로 볼 수 없다. 등엔탈피 과정으로 단정하는 것도 충격파의 특성과 맞지 않는다.
수직충격파의 상태 변화는 압력 상승, 마하수 감소, 엔트로피 증가로 요약한다. 초음속 유동이 아음속으로 전환되는 방향도 함께 기억한다. 1차원 유동에서 수직충격파는 주요 현상으로 다루어진다.
충격파 후 마하수는 비열비와 충격파 전 마하수를 관계식에 넣어 구한다. 초음속 유동이 충격파를 통과하면 결과는 아음속이 된다. 계산에서는 관계식의 분자와 분모를 정확히 대입하는 것이 중요하다.
예제
공기 유동에서 수직충격파 직전 마하수가 4.2이고 비열비가 1.4인 경우를 계산한다. 관계식 M2² = [(γ−1)M1²+2] / [2γM1²−(γ−1)]에 대입하면 분자는 9.056, 분모는 48.992가 된다. M2²은 약 0.1848이므로 M2는 약 0.43이 된다. 이 값은 아음속이므로 충격파 후 마하수가 감소한다는 원리와 맞는다.
수직충격파 문제는 속도가 증가한다거나 엔트로피가 감소한다는 설명을 함정으로 둔다. 압력과 온도가 증가하고 엔트로피가 증가하며 마하수가 감소한다는 변화를 함께 판단해야 한다.
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 변하는가?
- 수직충격파를 지나면 속도와 마하수는 감소하고 압력과 온도는 증가한다.
- 수직충격파는 가역 과정인가?
- 수직충격파는 엔트로피가 증가하는 비가역 과정이며 등엔트로피 과정과 구분한다.
- 충격파 후 마하수는 어떻게 계산하는가?
- 충격파 후 마하수는 비열비와 충격파 전 마하수를 관계식에 넣어 계산하고, 초음속이면 결과가 아음속임을 확인한다.
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