개념 한 쪽
상태량 세트는 「압력·밀도·점성 같은 유체 상태량의 정의와 환산」이 축이다. 절대압력 환산, 뉴턴 점성 법칙, 비압축성의 뜻이 반복된다.
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출제기준 단원 「물질의 상태와 상태량」의 공개 문제 1개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 성질 판별 | 1 | 비압축성 유체에 대한 옳은 설명 |
가장 자주 묻는 것은 성질 판별입니다.
상태량의 정의부터 잡는다. 압력의 단위는 N/m²이고 힘의 단위 N과 구별된다. 절대압력은 게이지 압력에 대기압을 더한 값이다 — 수은주로 잰 대기압과 게이지 압력을 더해 절대압력을 구한다. 수심에서의 압력은 P=γh로, 깊이는 압력을 비중량으로 나눠 역산한다.
유체의 상태 성질이 둘째 축이다. 비압축성 유체는 압력 변화에도 밀도가 일정한 유체다. 뉴턴의 점성 법칙은 전단응력이 속도 구배에 비례(τ=μ du/dy)하고 점도가 일정한 유체가 뉴턴 유체라는 것이다. 상태방정식과 연속방정식을 결합해 관 지름 변화에 따른 유속을 구한다. 경계층은 고체 벽 근처에서 속도 구배가 큰 층이다. 레이놀즈 수는 관성력과 점성력의 비로 흐름의 층류·난류를 가른다. 평행평판 사이의 유량은 속도분포를 적분해 구한다.
출제 패턴은 세 가지다. ① 환산 — 게이지+대기압으로 절대압력, 압력/비중량으로 수심을 구한다. ② 정의 — 비압축성, 뉴턴 유체, 경계층의 뜻을 고른다. ③ 결합 — 상태방정식+연속방정식으로 유속·지름을 계산한다.
다음 중 비압축성 유체에 관하여 바르게 설명한 것은?
정답 ② · 비압축성 유체의 정의를 묻는 문제이다. 비압축성 유체란 유동 중 속도나 압력이 변화하더라도 밀도가 일정하게 유지되는 유체를 의미한다.
비압축성 유체는 속도나 압력 변화에 관계없이 밀도가 일정하게 유지되는 유체를 의미한다.
다음 중 유선(streamline)을 가장 잘 설명한 것은?
정답 ③ · 유체역학에서 유선의 정의를 정확히 파악하는 문제이다. 유선은 어떤 특정한 순간에 유체 각 점에서의 속도벡터와 접선을 이루는 가상의 곡선으로 정의된다.
유선은 특정 순간 유체 입자의 속도벡터와 접선을 이루는 가상 곡선이다.
속도포텐셜 φ = x2-y2 인 2차원 정상 유동에 대하여 점(3,4) 에서 유체의 속력(speed)은?
정답 ④ · 속도포텐셜 φ가 주어졌을 때, 유체의 속도 성분은 각각 x방향 속도 u = ∂φ/∂x, y방향 속도 v = ∂φ/∂y 로 계산됩니다. φ = x² - y² 이므로, u = 2x, v = -2y 입니다.
속도포텐셜의 편미분으로 속도 성분을 구한 후 피타고라스 정리로 속력을 계산한다.
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