개념 한 쪽
기체와 습도, 열역학 과정, 유체의 점성 및 비뉴턴 거동은 안전한 가스취급과 공정 이해에 필수적이다. 노점은 수증기가 응결을 시작하는 온도이며, 등엔트로피 과정은 가역 단열 조건을 의미한다. 기체 점도와 음속은 온도 의존성을 보이며, 일부 유체는 임계 전단응력이 있어 흐르기 시작해야만 유동이 발생한다.
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출제기준 단원 「조연성가스」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 노점 정의 판별 | 1 | 수증기 포화와 응결 조건에서 노점의 올바른 설명 가리기 |
| 점도·온도 의존성 판단 | 1 | 기체 점도의 온도 및 고압 의존성 중 옳지 않은 서술 찾기 |
| 등엔트로피 압축 계산 | 1 | 등엔트로피 관계식으로 압축 후 온도 계산하기 |
노점(dew point)은 공기 중 수증기가 포화 상태가 되어 이슬방울로 응결하기 시작하는 온도를 말한다. 등압 냉각 시 상대습도가 100%가 되는 온도가 노점이며, 이때 수증기 분압은 해당 온도의 포화 수증기압과 같아진다. 노점은 이슬점이라고도 하며, 습구온도보다 낮거나 같을 수 있다는 점을 기준으로 설명한다.
유체의 점도는 온도와 압력에 따라 달라진다. 기체의 점도는 온도가 오르면 증가하는 경향을 보이며, 고압 조건에서는 점도를 무시할 수 없으므로 주의해야 한다. 동점성(viscosity divided by density)은 절대점도를 밀도로 나눈 값이며, 점도의 차원은 ML⁻¹T⁻¹로 표현된다는 설명이 포함된다.
열역학에서 등엔트로피 과정은 엔트로피 변화가 없는 과정을 뜻한다. 이는 단열(열의 출입이 없음)과 가역성(마찰 등 비가역 손실이 없음)이 동시에 성립할 때 이루어지며, 가역 단열 과정으로 동일시한다. 등온 과정이나 비가역 단열 과정과는 구분하여 판단해야 한다.
이상기체에서 음속은 절대온도의 제곱근에 비례한다는 관계를 가진다. 즉, 온도가 높아질수록 음속이 빨라진다. 또한, 등엔트로피(가역단열) 과정에서는 온도와 압력 간에 T2 = T1 × (P2/P1)^((k-1)/k) 관계가 성립하며, k는 정압비열 Cp와 정적비열 Cv의 비이다.
일부 혼상물질이나 슬러리와 같은 유체는 전단응력이 일정 값 이상이 되어야 비로소 흐르기 시작한다. 이러한 유체를 빙햄가소성유체(Bingham plastic)라고 하며, 임계 전단응력(입계 전단응력)이 흐름 시작의 조건임을 의미한다.
등엔트로피 압축 계산 예를 따른다. 초기 상태 100kPa, 25℃(298K)인 기체를 등엔트로피로 135kPa까지 압축할 때의 최종 온도를 계산한다. 주어진 값은 Cp=1.213kJ/kg·K, Cv(정적 비열)=0.821kJ/kg·K이므로 비열비 k = Cp/Cv ≈ 1.213/0.821 ≈ 1.476이다. 지수 (k-1)/k ≈ 0.323이며, 압력비 P2/P1 = 135/100 = 1.35이다. 따라서 T2 = 298 × (1.35)^0.323 ≈ 298 × 1.102 ≈ 328.4K이고, 섭씨로 환산하면 약 55.4℃가 된다. 계산에서는 절대온도(K)를 사용해야 함을 반드시 지킨다.
문제 풀이 상의 주의점은 정의와 공식을 정확히 적용하는 것이다. 노점 문제에서는 '상대습도 100% = 포화'라는 정의를 먼저 떠올리고, 유체 점도 문제에서는 기체의 온도 의존성 및 고압에서의 유의성을 기억한다. 빙햄가소성 유체 문항에서는 '임계 전단응력 이상에서 흐름 시작'의 키워드를 확인한다.
노점(dew point)에 대한 설명으로 틀린 것은?
정답 ① · 이 문제는 노점의 정의에 대한 설명 중 틀린 것을 고르는 문제이다. 노점은 습한 공기를 등압 과정에서 냉각할 때 수증기가 응결하기 시작하는 온도로, 그 온도에서 대기 중 수증기의 분압이 포화 수증기압과 같아지며 상대습도가 100%가 되는 지점이다.
노점은 등압 냉각 시 수증기가 응결하기 시작하는 온도로, 상대습도 100%가 되는 지점이다.
유체의 점도(동정도)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
정답 ④ · 유체의 동점성에 관한 설명 중 옳지 않은 것을 고르는 문제이다. 기체는 온도가 상승하면 분자 운동이 활발해져 운동량 교환이 증가하므로 점도가 일반적으로 상승하는 것이 맞다.
기체의 점도는 온도가 오르면 증가하며, 고압에서도 무시할 수 없으므로 ④가 틀렸다.
100kPa, 25℃에 있는 어떤 기체를 등엔트로피 과정으로 135kPa까지 압축하였다. 압축 후의 온도는 약 몇 ℃인가? (단, 이 기체의 정압비열 Cp는 1.213kJ/㎏·K이고 정적 비열 Cy는 0.821kJ/㎏·K이다.)
정답 ② · 등엔트로피 압축 과정에서 압축 후 온도를 구하는 문제이다. 비열비 k = Cp/Cv = 1.213/0.821 약 1.476이므로 지수 (k-1)/k는 약 0.323이 된다.
등엔트로피 과정의 온도-압력 관계식 T2=T1(P2/P1)^((k-1)/k)에 각 값을 대입하여 압축 후 온도를 계산한다.
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