아낌없이 주는 나무

1. 질량 (밀도) 관련 특성

먼저 유체의 가장 중요한 특성인 질량 또는 밀도(Mass density)에 대하여 알아 보자.

밀도는 물질의 질량을 그것이 차지하고 있는 부피로 나눈 것이다. 단위는 [kg/㎥]이다.

비중량(단위중량) (Specific weight)는 밀도와 유사한 개념인데 차이점은 질량을 체적으

로 나누는 것이 아니라 중량 즉, 무게를 체적으로 나는 것이다.

무게는 힘을 단위로 사용한다. 예를 들어 질량이 m 인 물질의 중량은 질량 m에 중력가속도

g를 곱하여 산정한다. 중량은 mg로 나타낸다. 결국 비중량, 단위중량은 밀도 ρ에 중력가속도 g곱하여 산정한다. 이 때 밀도 ρ 는 중력의 영향을 받지 않으면서 같은 양의 같은 물질이

라면 중력가속도에 관계없이 일정하게 된다.

비체적은 질량 밀도의 역수이다. 어떤 물질이 차지하고 있는 체적을 질량으로 나누어 산정

한다. 단위는 1/ρ 로 나타내고 기호로는 μ로 나타낸다.

비중(Specific gravity)은 물과의 상대적인 비중량의 크기를 말한다. 예를 들어 SG가 1이

라고 하면 물과 비중량이 같다는 의미이다.

다음은 밀도와 관련된 특성에 대하여 알아 보자.

압축성은 유체의 온도나 압력이 변화할 때 유체의 밀도가 변하는 경우로서 유체의 질량이

변하거나 체적이 변화는 경우를 말한다. 반대의 경우에는 비압축성이라고 한다.

유체의 경우에 힘을 가했을 때 체적의 변화가 당초 체적의 1[%] 이내일 경우 비압축성

이라고 한다. 균질유체는 시스템 내에서 밀도가 일정한 물질을 말하고 체적 등에 변화가

없는 대도 시스템 내에서 밀도가 변하는 물질을 비균질 유체라고 한다.

대표적인 비균질 유체는 바닷물을 예로 들 수 있다.

바닷물의 경우 수심의 깊이에 따라 염분의 밀도가 달라지게 된다.

위 표는 밀도와 관련하여 온도와 압력 등이 어떠한 영향을 미치는지를 나타내 주고 있다.

밀도는 온도에 반비례하고 압력에 비례한다.

비중량이나 SG도 밀도와 같은 특성을 나타 낸다.

​

이상기체란 무엇인가 ?

이상이란 말은 실제 존재하지는 않으나 물리적 역학관계를 설명하기 위해 설정한 개념이라

고 생각하면 된다. 이상기체는 기체 입자간 상호작용으로 충돌만을 가정한 기체를 말한다.

기체간에 기체가 아주 가볍지만 서로 간에 끌어 당기는 만유인력 등이 있는데 이런 것들을

무시한 상태를 가정한다. 이상기체 방정식은

PV = nRuT P = ρ RT 로 나타낸다.

mol은 어떤 특정 물질의 분자량 개수를 말한다. 6 × 1023 개수의 분자량을 말하는데

이를 아보가드로의 분자량 수라고 한다. 이 분자량 수만큼 특정 물질이 있을 때 그 물질의

질량은 분자량 수 [g]이 된다.

​

2. 유체의 압축성

액체는 기체에 비해 분자간의 밀도가 높아 압축성이 크지 않으나 액체에도 압축성이 있다.

위 그림의 오른쪽 위에서 보듯이 액체인 물도 압축현상으로 인해 물망치 현상, 수격작용이 발생한다. 1번 그림처럼 밸브가 잠겨져 있다가 밸브가 열려 물이 공급하는 도중에 3번 처럼

밸브를 잠갔으나 양수펌프가 가동하고 있다고 하면 물에 압력이 가해지게 되는데 압축성이

작은 물질에 압축력을 가하면 그 반발력은 상상을 초월하게 세지게 된다.

유체에 힘이 가해졌을 때 그 유체의 체적변화율을 Ev 즉 체적탄성율이라고 한다.

기체의 경우 체적탄성율이 등온과정과 단열과정으로 나뉜다.

등온과정에서 체적탄성율은 압력으로 나타내고 단열과정에서는 체적 탄성율을 압력P

에 비열비 K를 곱하여 산정한다.

​

#유체 #밀도 #질량 #체적 #비중량 #단위중량 #중력가속도 #이상기체 #이상기체방정식

#아보가드로 #분자량 #몰 #압축성 #비압축성 #수격작용 #체적탄성율

1. 시스템, 상태, 속성

​

유체의 성질 그 2번째로 시스템, 상태, 속성에 대하여 알아 보자. 시스템은 분석대상 즉, 물

질자체나 공간을 의미하고 주변은 시스템이 아닌 어떤 물질이나 공간을 말하고 경계는 시스

템과 주변을 구분하는 면을 말한다.

​

위 그림은 대표적인 수리시설 실험모형이다. 수로에 따라 물이 방수되는 형태를 보여준다.

붉은 색 선으로 구분되는 영역이 있는데 이 영역은 수로상의 물 뿐만 아니라 수로에서 방출

된 물까지 포함하고 있다. 만약 수리시설에서 방출되는 시설을 분석대상으로 삼는다면

바로 이 물이 시스템, 즉 분석대상이 되고 물을 제외한 나머지 영역들 즉, 공기, 시설물, 사

람 등이 주변이라고 할 수 있다. 그리고 붉은 색 선과 같이 시스템과 주변을 구분하는 면이

경계가 되겠다.

​

위 그림은 스킨스쿠버가 산소통을 메고 물속에 있는 그림이다. 만약에 우리가 산소통에서

사람에게 공급되는 공기를 유체역학적 관점에서 분석한다면 분석대상이 되는 시스템은

탱크속에 있는 공기와 호수를 통해 공급되는 공기가 되겠고 이 공기가 시스템이 되며

공기외의 다른 모두가 주변이라고 할 수 있다. 경계는 산소탱크와 호수가 주변과 접하는

면이라고 할 수 있다.

그런데 여기에서 새로운 개념이 나타난다. 속성(Property)라는 것인데 속성이란 현재

시스템이 나타내는 정량적인 상태를 말한다. 예를 들면 산소탱크 내의 공기의 밀도, 압력,

등이 속성이 된다. 프로세스는 상태의 변화과정이다. 스킨스쿠버가 호흡을 하면 산소탱크

내에 있는 공기의 양이 줄어 들게 된다. 산소의 양이란 속성이 시간이 변함에 따라 변화하게

되는데 이를 프로세스라고 한다. 그런데 산소탱크의 무게 등은 시간의 변화에 무관하게

일정한 상태를 유지하게 되는 이를 정상상태라고 부른다.

▣ 운동학적 속성

▣ 물질의 속성

​

또 하나의 예를 들면, 위 그림을 보면 밀폐된 실린더에 피스톤이 꼽혀 있다. 그 안에는 공기

가 들어 있다. 만약에 피스톤에 충분히 강한 힘을 가해서 피스톤을 아래로 누르면 공기가

압축되어 위그림의 오른쪽 그림과 같이 될 것이다. 실린더 안에 들어 있는 공기를 시스템

이라고 하고 공기의 형태를 나타내는 정량적인 것들을 속성이라고 한다면 대표적인 속성은

압력, 온도, 부피 등이 된다. 이와같이 가해진 힘에 의해 시스템의 속성이 변했을 때 우리는 프로세스가 진행되었다고 한다.

실린더 안의 압력, 온도, 부피를 속성이라고 했는데 이러한 속성을 구분하는 대표적인 것이

운동학적 속성과 물질의 속성이다. 피스톤에 힘을 가하면 공기입자에 힘이 가해져서 공기

입자가 이동을 하게 되는데 이와 같이 질량을 갖는 물질이 이동을 하는 현상, 질량을 갖는

물질의 위치, 속도, 가속도를 운동학이라고 했다. 위와 같이 운동학적 관점에서 보이는

시스템의 상태, 속성을 운동학적 속성이라고 한다. 반면 피스톤에 힘을 가하기 전의 공기의

위치, 질량, 압력 등은 물질의 속성이라고 한다.

​

물질의 속성을 어떻게 나타낼 수 있을까 ?

​

​

속성(Property)는 물질의 속성을 나타내는 정량적인 양 또는 시스템의 상태를 말한다.

물질의 속성에는 질량에 관련된 속성 즉, 밀도, 비중량(단위중량), 비중이 있고 점성과 관련

된 속성에는 점성과 동점성이 있고 기타 속성에는 표면장력, 증기압, 탄성계수 등이 있다.

​

2. 단위(Unit)와 차원 (Dimension)​

차원과 단위를 어떻게 구분할까 ?

흔히 길이 [m], 질량 [kg]을 차원과 혼용하여 쓰는 경우가 있다. 위 그림은 힘을 나타내는

그림인데, 힘, 즉 Newton을 수평축의 눈금으로 나타낸다면 한 눈금을 100 [Newton]이

라고 하면 이런 눈금을 힘(속성)의 단위라고 할 수 있다.

우리가 3차원 세계에 살고 있다고 하는데 3차원을 구성하는 지표상의 위도와 경도 그리고

수직방향을 나타내는 고도로 구성된 것이 3차원인데 이 때 위도, 경도, 고도가 차원이고

위도와 경도를 나타내는 [°]와 고도를 나타내는 [m]가 단위가 된다.

​

▣ 무차원수 (Dimensionless number)

차원의 해석의 관점에 관한 것인데 차원의 해석하면 떠오르는 것이 무차원수와 차원의

동차이다. 차원은 단위가 있다. 그런데 물질의 상태를 정의하는데 차원은 차원인데 무차원

인 속성이 있다. 단위가 없는 차원을 정의할 때 무차원수가 등장을 한다.

위 그림은 유체역학에서 가장 많이 쓰이는 네이놀즈의 수라는 것인다. 레이놀즈의 수는

Re로 표현한다. 레이놀즈수는 V : 물질의 속도, D : 두께, 길이, 깊이 ρ : 유체의 질량,

μ : 흘러가는 매질의 점성 을 나타낸다. 그런데 단위를 보면 분자, 분모의 단위가 모두

상쇄되어 단위가 없게 된다. 이와같은 수를 무차원수라고 한다.

​

▣ 차원의 동차 (Dimensional homogeneity)

​

​

위 그림은 기체의 압력과 질량과 부피를 다루는 이상기체 방정식을 보여주고 있다.

P : 압려, ρ : 밀도, T : 온도, R : 기체상수를 나타낸다.

압력은 힘을 면적으로 나눈 것이다. 밀도는 질양을 부피 [㎥]로 나눈다, 온도는 캘빈온도로

나타낸다. 압력은 질량나누기 길이 곱하기 온도의 제곱이 되고 우변도 똑같은 단위로 나타

낼 수 있다. 즉, 좌변과 우변이 차원이 같게 되는데 이와같은 경우를 차원의 동차라고 한다.

어떤 방정식을 볼 때 좌변과 우변을 정리한 다음 양변의 차원이 다르게 되면 그 방정식은

잘못된 방정식이라고 생각하면 된다.

​

#차원 #동차 #온도 #부피 #질량 #방정식 #압력 #유체 #시스템 #상태 #속성 #단위

#경계 #위치 #속도 #가속도 #운동학 #질량 #3차원 #눈금 #무차원수

가. 고체 (Solid)

  ▣ 탄성체 (Elastic Solid)

  ▣ 소성체 (Plastic Solid)

   ※ 고체의 특성은 형태가 유지되고 결합력이 높아서 분자들이 움직이지 않고 밀도가 높다.

       분자간의 거리가 가깝고 압축성에 대한 강도가 매우 높다.

위 그림에서 X축 Strain은 변형율을 나타내고 Stress는 응력을 나타낸다. 응력과 변형률의

관계를 통하여 탄성체와 소성체를 구분하여 보자.

여기서 Stress는 단위 면적당 작용하는 힘이다. 즉 수직으로 작용하면 수직응력, 수평으로

작용하면 전단응력이라고 한다. Strain은 변형률이라고 했다. 변형률은 원래 길이 대비

변형된 길이이다.

위 그림에서 고체에 Stress를 가할 때 작용하는 힘과 변형률이 처음에는 선형적(비례관계)

에 있다가 어느 지점을 지나면 곡선의 관계로 변한다. 선형 관계가 끝나는 지점을 Yield

(항복점)이라고 부른다. 항복점까지 과정에서 가해지는 힘을 항복응력이라고 한다.

그리고 더 힘을 가해서 고체가 파괴되는 점을 Failure(파괴점)이라고 하고 이 때 가해지는

힘을 Failure Stress라고 한다.

Stress와 변형률과의 관계가 선형적인 관계를 갖는 것을 탄성체라고 부른다. 탄성체의

특성은 파괴되지 않는 한 힘을 가했다가 중단하면 원래의 형태로 복귀한다. 그런데 항복점

을 넘어서면 가했던 힘을 회수해도 원래 모양대로 복귀하지 않는다. 이런 성질을 소성체라

고 한다.

위 그림에서 선형관계를 유지하는 동안의 Stress와 Strain의 비율을 Young's Modulus,

탄성계수, 강성계수 등으로 부른다. 이 때 이 계수의 단위는 응력의 단위와 같다. 그 이유는

Strain은 당초 길이 대비 변형된 길이 이므로 단위가 없다. Stress는 응력의 단위이므로

Stress를 Strain으로 나누면 그 단위는 Stress 즉 응력의 단위가 된다.

​

[Stress - Strain curve showing typical yield behavoir for nonferrous alloy's]

고체 물질은 그 물질을 이루는 구성성분에 따라서 다른 성질을 갖는다.

위 그림은 Nonferrous alloys로 비철합금을 예로 든 것이다. 합금금속 고체의 경우에는

위 그림의 그래프에서 x축은 L은 원래의 길이, l은 변형된 길이를 나타내고 Y축은 응력

즉 힘/단위면적을 나타낸다. 그래프에서 1~2.단계는 탄성거동을 하는 구간이고 점 2를

지나면 비탄성 거동을 하게 된다. 오른쪽 그림은 어떤 물체에 인장력을 가했을 때 변형이

일어나는 것을 보여주고 있다. 처음에는 양쪽에서 잡아 당기면 빨간색으로 변하는데 이는

응력이 작용한 결과이다. 늘어나면서 어떤 일이 일어나느냐 하면 고체는 부피가 변하지

않으려고 하는 성질 때문에 늘어나면서 동일 부피를 유지하기 위해 가늘어지게 된다.

​

[A stress - strain curve typical of structual steel (ductile)]

위 그림은 ductile 소재를 예로 든 것인데 ductile 이란 늘어나는 연상소재를 말한다.

위 그림에서 실제 응력탄도는 파란색 그래프처럼 움직인다.

그런데 빨간색은 이론적인 탄도를 나타낸 것이다.

그런데 실제와 이론적인 거동이 비슷한 것은 탄성거동 과정으로 서로 비슷하게 움직인다.

A는 겉보기 응력을 나타내고 B는 실제 응력 거동을 나타낸 것이다.

고체의 경우 취성 거동을 보이는 물질이 많은데 취성거동은 위 그래프와 같이

탄성거동이 나타나지 않고 파괴점이 금방 나타나는 물질을 말한다.

​

나. 유체 (Fluid)

  ▣ 액체 (Liquid)

  ▣ 기체 (Gas)

     [Phase Diagram]

위 그림은 물의 온도와 상의 변화를 나타낸 것이다.

​

[Properties of water]

물의 대표적인 특성은 위 그림의 왼쪽 아래와 같다.

즉, 높은 비열, 중성물질, 높은 열전동성, 3상 물질, 높은 용해성, 고체 부피가 액체 부피보

다 크다는 것 등이 물의 대표적 특성이다.

물은 지구상에서 가장 흔한 물질이다. 지구상의 물은 대부분 액체상태로 존재하고 다음으로

고체 즉 얼음 형태로 존재한다.

그림의 오른쪽을 보면 맨 위는 얼음(고체), 가운데는 액체, 아래는 수증기(기체)의 분자구조

를 나타낸다. 고체일 때 물분자가 강한 결합력을 가지는 것은 물분자가 한쪽은 양(+), 다른

쪽은 음(-)의 전기적 특성을 나타내기 때문이다.

이러한 분자적 특성이 나타나는 것은 표면장력에서 볼 수 있다.

오른쪽 아래 그림을 보면 왕관현상이라고 하는 물방울이 수면위로 튀어오르는 모습을

볼 수 있는데 물결 뿐만 아니라 솟아오르는 물기둥, 위에 완벽한 구 모양의 물방울까지 보이

는데 이와 같은 형태가 만들어지는 가장 큰 이유가 왼쪽 가운데 그림처럼 물분자의 극성 때

문이다. 물분자의 극성 때문에 만들어지는 것이 표면장력이다. 예를 들어 유리창에 물을

뿌리면 큰 덩어리는 중력 때문에 떨어지지만 대부분 얇은 막을 형성하여 증발할 때까지

유리창에 붙어 있는 것을 볼 수 있다. 이는 중력 보다 훨씬 큰 얇은 막의 표면장력을 형성

하기 때문에 유리창에 붙어 있게 된다.

물은 비열이 매우 크다. 비열은 어떤 물질이 가질 수 있는 에너지의 양을 말한다.

비열이 크다는 것은 에너지를 많이 저장할 수 있는 물질이라는 것이다. 물은 비열이 매우

크므로 에너지를 많이 저장할 수가 있다.

물은 산성도 아니고 알칼리성도 아닌 중성 물질이다.

물은 열 전도성이 높기 때문에 깊은 바다의 온도를 재 보면 상당한 깊이까지 물의 온도가

비슷함을 알 수 있다.

물은 똑 같은 H2O 분자구조를 가지고 있으면서도 고체, 액체, 기체 상태로 나타나는 3상

물질이다. 물은 용해도가 높아 다른 물질을 포용하는 양이 많은데 물이 용해도가 높은 것이

지구상에 생명이 살아 있는 이유가 된다. 식생이 살아가기 위해서는 많은 영양분이 필요한

데 땅속의 많은 영양성분 즉 미네날이 물에 녹아서 식물에 흡수할 수 있도록 해 준다.

물은 지구상에서 유일하게 고체의 부피가 액체의 부피보다 큰 물질이다.

​

※ Real Fluid vs Viscous Fluid

  ▣ 이상 유체 (Ideal Fluid)

  ▣ 실제 (점성) 유체

    ⊙ Newtonian Fluid

    ⊙ (Non-Newtonian) Plastic Fluid

물체의 또 다른 성질인 점성에 대하여 알아보자.

점성은 끈적임인데 끈적임의 강도는 고체에는 없고 액체에 많다. 모든 유체는 점성이 있다.

땅콩 버터와 실리콘이 유체일까 ? 유체로 구분된다.

땅콩 버터는 물의 끈적임을 1로 보았을 때 꿀은 10만배인데 꿀보다도 100배가 많은 끈적

임의 강도를 갖고 있다. 실리콘은 물의 10^10 배의 끈적임을 갖고 있다.

​

  ▣ 압축성

  ▣ 비압축성

유체의 성질중에 압축성과 비압축성이란 성질이 있다.

물도 압축성이 크지는 않지만 있다.

위 그림의 위쪽을 보면 잠겨진 밸브가 있는데 밸브를 열면 물이 흘러간다. 이 때 다시

밸브를 잠그게 되면 물이 왼쪽에서 오른쪽으로 흘러가는데 밸브를 잠그면 물의 흐름

에 의해 망치로 밸브를 때리 듯 아주 큰 충격이 발생하게 된다. 이를 수격작용이라고

한다. 기체의 압축성은 비행기의 소닉붐(Sonic Bomb)현상으로 설명할 수 있다.

초음속기가 음속을 돌파하면 비행기 바로 뒤쪽에서 꽃깔 모양의 구름이 형성되는데

이를 소닉붐이라고 한다. 이는 공기의 압축성에 의해 발생하게 된다.

​

▣ 유체란 ?

  ⊙ 전단응력이 작용한 후 제거하여도 연속적으로 변형을 하는 물체를 말한다.

고체는 위 그림처럼 분자간의 결합력이 매우 강한 물질이다. 고체는 매우 강한

분자간의 결합력에 의해 주어진 전단력을 제거하게 되면 바로 현상력이 작용

하여 복귀가 되거나 그 상태를 유지하게 되나

유체는 분자간의 결합력이 약해 전단력이 가해지면 위쪽의 분자들 부터 쓸려

나가며 연속하여 변형이 이루어지다가 전단력이 제거되어도 당분간 변형이

계속되는 물질을 말한다.

즉, 고체와 유체를 구분하는 기준은 전단력이 가한 후 이를 제거하였을 때 변형을

계속하는 지 여부에 따라 구분을 하게 된다.

​

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#알칼리성 #압축성 #점성 #탄성체 #소성체 #탄성거동 #비례관계 #항복점

#파괴점 #원자 #분자 #원자핵 #전자

​

가. 물질과 상

​

위 그림은 남극의 유빙을 보여주고 있다.

그림에서 얼음은 고체, 바닷물은 액체, 그리고 수증기는 기체라고 할 수 있다.

이중에서 기체와 액체를 유체라고 하며 유체역학은 이들 기체와 액체에 대하여 다룬다.

​

​

위 그림에서는 상(Phase)을 보여주고 있다.

고체 · 액체 · 기체 즉 각 상에 따라 각기 다른 분자 결합상태를 보여 주고 있다.

노란색 원이 산소이고 녹색원이 수소를 나타낸다. 이들 원자들이 결합하여 물 분자인 H2O

의 분자구조를 이룬다. 똑같은 H2O 분자구조이지만 얼음은 아주 조밀하게 결합되어 있고

기체의 경우에는 분자간에 아주 느슨하게 결합되어 분자가 이동하다가 충돌하는 정도의

결합상태를 보여준다.

위 그림의 위쪽 부분은 원자를 좀 더 상세하게 나타낸 것이다.

원자는 그 중심에 원자핵과 중성자로 구성되어 있고 그 주위를 전자가 돌고 있는 형태를

취한다. 지구상에 있는 모든 물질은 이와같은 원자로 구성되어 있다.

​

물이라는 물질을 가지고 고체 · 액체 · 기체의 특성 즉 각각의 상의 특성에 대해 알아보자.

얼음의 경우 고체상태로 형태가 고정적인 반면 액체와 기체는 용기에 따라 변형되는데

액체의 경우는 이동성이 낮아 열린용기에 담을 수 있으나 기체는 이동성이 매우 높아 닫힌

용기에만 담을 수 있다.

분자간의 이동성도 고체는 이동성이 낮고 액체는 높은 이동성이 있고 기체는 이동성이 아

주 자유롭다.

단위 면적당 작용하는 힘을 응력이라고 한다.

전단응력은 단위 면적당 작용하는 전단력을 말하고

수직응력은 단위 면적당 작용하는 수직력을 말한다.

전단력은 옆에서 미는 힘으로 생각하면 된다.

수직력은 위에서 즉 면에 직각으로 작용하는 힘을 말한다.

예를들어 손바닥으로 종이를 받치고 있다고 가정을 하자. 이 때 다른 손으로 종이면을

위에서 누르면 이는 종이면에 수직력을 작용하게 하는 것이고, 이 때 가하는 전체 힘을

손바닥 면적으로 나누면 이는 수직응력이 될 것이다.

이번에는 종이를 손바닥으로 옆으로 민다고 생각해 보자. 종이가 옆으로 밀려가게 될

것이다. 종이가 밀려간다는 의미는 종이가 위에서 눌리는 힘에 의하여 종이와 손바닥

사이에는 마찰력이 발생하게 되는데 밀린다는 것은 마찰력이 수직으로 눌리는 힘보다

크다는 것이다. 이 때 발생하는 마찰력의 방향은 종이면과 평행하게 된다. 이 때 발생

하는 마찰력을 손바닥 면적으로 나누면 전단응력이 되는 것이다.

위 그림의 좌상단 그림은 고체가 전단응력과 수직응력을 받았을 때 나타나는 현상을

보여준다. 네번째 그림이 전단응력이 발생했을 때 나타나는 현상을 보여준다.

점성은 끈적거림을 말한다. 고체는 점성이 존재하지 않는다. 액체는 점성이 높고

기체는 점성이 아주 낮다. 기체는 온도가 낮으면 점성이 높고 온도가 높아지면 점성이

낮아진다. 고체는 압축이 어렵다. 스틸재료의 경우에는 변형을 주기 위해서는 1[㎡] 당

160 GN의 힘이 필요한데 이는 160 Mton의 힘으로 어마어마한 힘이 필요하다.

액체도 큰 힘이 필요한데 반해 기체는 고체 · 액체에 비해 아주 작은 힘으로도 변형이

가능하다.

​

#물질 #유체역학 #상 #Phase #분자 #유체 #고체 #액체 #기체 #전단응력 #수직응력

#전단력 #수직력 #압력 #점성 #마찰력

【 일의 중력 단위 변환】

▣ 일의 단위 N · m는 국제표준단위이지만 절대단위로서 이는 지구상에서는 존재하지 않는 단위이다. 따라서 지구상에

     존재하는 실제의 일 단위인 중력단위로 변환해 보자.

▣ 절대단위를 중력단위로 변환할 때는 절대단위를 중력단위 변환계수 gc로 나눠준다.

  ⊙ 중력단위 변환계수 gc= 9.8 ㎏ · m / ㎏f · sec2 이다.​

【 동력 (Power) 】

▣ 동력은 일률이라고도 한다. 즉, 시간분의 일의 양으로 시간당 얼마만큼 일을 할 수 있는지를 나타낸다. 일반인에게는

     동력을 힘으로 오해를 하는데 동력은 힘을 넘어선 개념으로 일을 할 수 있는 능력 즉 에너지를 말한다.

※ 일률을 이해하려면 만약에 어떤 사람이 2㎏의 박스 2개를 1층에서 5층으로 옮겼다고 하면 일의 물리량은 알 수 있지만

     소요된 시간은 알 수 없으므로 일을 잘하는 것인지 못하는 것인지는 알 수가 없다. 따라서 일률 (일하는 능력)을 알아

     보려면 시간의 개념을 넣어서 10분에 했다든지 하여 비교를 하게 되면 일의 능력을 알 수가 있다.

     이렇게 일할 수 있는 능력을 동력(일률)이라고 한다.

⊙ 동력 = 일량 / 시간 = Joule / sec

             = ㎏ · ㎡ / sec3 [Watt]

  ex : 1[Watt]의 동력을 중력단위로 바꾸어 보자.

      중력단위 = 절대단위 / gc​

【 압력 (Pressure) 】

▣ 압력은 특정한 면에 작용하는 힘을 말한다.

  ⊙ 압력 = 수직력 / 면적 = N / ㎡ [Pa]​

  ※ 수직력 : 힘 또는 전압력이라고도 한다.

​

【 온도 (Temperature) 】

▣ 국제표준온도 : 절대온도 [K] Kelvin 온도

  ① 섭씨온도 : 물이 어는 점 0 [℃] 와 물이 끓는점 100 [℃] 사이를 100 등분한 온도단위

  ② 화씨온도 : 물이 어느점 32 [˚F] 와 물이 끓는점 212 [˚F]를 180 등분한 온도단위

  ◈ 섭씨온도와 화씨 온도간에 변환을 하여 보자​

【 밀도 (Density)】

▣ 밀도는 단위 부피당 질량을 말한다. 즉, 밀도는 질량을 부피로 나누어 산정한다. 그런데 질량은 변화하지 않으므로 밀도

     는 동일 무게에 차지하는 부피의 크기에 따라 달라지게 된다.​

① 기체의 밀도

 가. 표준상태 (0 ℃, 1기압)인 경우​

  ※ 모든 기체는 아보가드로의 법칙에 의하여 0 [℃], 1기압에서 1 [mol]의 부피가 22.4 ℓ 이다.

  ※ 1[mol]의 질량은 그 물질의 분자량과 같다.

​

 나. 표준상태가 아닌 경우

【비중량 (Specific Weight)】

▣ 위에서 밀도는 단위 부피당 질량이라고 말하였다. 그런데 질량이란 절대단위는 지구상에는 존재하지 않으므로 밀도도

     가상적인 의미의 단위이다. 따라서 지구상에서 실제 존재하는 밀도의 개념이 필요한데 비중량이란 개념으로 이끌어

     낸다. 비중량은 밀도와 같이 같이 단위 부피당 중량을 의미한다. 그러므로 비중량은 중량을 부피로 나누어 산정하게

     되는데 중량은 질량 × 중력가속도이므로 비중량은 밀도 × 중력가속도가 된다.​

  ※ 질량 × 중력가속도 = 중량

      밀도 × 중력가속도 = 비중량

  ※ 질량에 중력가속도를 곱하면 중량이 된다. 질량은 중력가속도를 받지 않는다. 밀도는 중력가속도를 받지 않는 질량을

      부피로 나누어 산정한다. 이 밀도에 지구상에 있는 모든 물질은 중력가속도를 받게 되므로 중력가속도를 곱하면 비중

      량이 된다. 거꾸로 말하면 밀도라는 것은 비중량의 개념이 들어가 있다. 즉, 밀도는 여러 물질과 비교한 무게라는

      개념이다. 단위 부피당 무게라는 것은 물질간 무게를 비교한 개념인 것이다.

​

 ② 중력단위

   예를 들어 물의 밀도를 비중량으로 바꾸어 보자.

   물은 1㎏ / ℓ ⇒ 1,000 ㎏ / ㎥ 이다.

            1,000 ㎏ / ㎥ × 9.8 m / s2 = 9,800 N / s2

이번에는 질량으로 나타낸 몸무게를 중량으로 나타내 보자.

[중력단위 변환 연습]​

[ 비중 (Specific Gravity) ] : 무차원수

▣ 비중은 어떤 특정 물질을 기준으로 하여 그 물질이 대비되는 밀도나 비중량을 말한다.

    이는 무차원수로서 단위가 없어 차원이 없다.​​

  ① 액체, 고체의 비중​

  ② 기체의 비중​

  ※ 프로판가스의 밀도를 구해 보자​

【 비체적】

 ▣ 밀도의 역수를 말한다.

 ▣ 비체적은 어떤 물질의 단위 무게, 즉 질량에 대한 차지하는 부피의 비율을 말한다.

      이것도 기준물질에 대비하는 개념이다.​

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1. 물질의 분류

가. 물질의 구분

  ▣ 원래 물질은 고체, 액체, 기체로 구분하나 유체 역학에서는 고체와 유체로 나눈다.

       액체와 기체를 합해서 유체로 다룬다.

가. 고체

  ▣ 전단력을 가하면 전력력에 의하여 변형을 이루다가 제거하면 곧바로 평형을 이루는 상태로 정지하는 물질을 말한다.

  ※ 전단력 : 자르는 힘 : 자르는 힘을 가하면 변형을 이루다가 제거하면 평형을 이룬다.

​

나. 유체

  ▣ 전단력을 가하면 전단력에 의하여 변형을 이루다가 제거해도 곧바로 평형을 이루지 않고 일정 시간 동안 변형을

       지속하는 물질을 말한다.

​

다. 전단력과 수직력

 ① 전단력

   ▣ 면(面)을 따라 평행하게 작용하는 힘으로 일종의 마찰력을 말한다.

   ⊙ 기체

   ⊙ 액체에 큰 힘(압력)을 가할 때

     ※ 지구상에 있는 모든 것 중에서 변하지 않는 것이 있는데 바로 질량이다. 질량은 물질이

         가지고 있는 고유한 무게이기 때문에 환경이 변해도 질량은 변화하지 않는다.

     ∴ 그러므로 밀도가 변한다고 말하는 것은 질량은 변하지 않으므로 부피가 변했다고

          하는 말과 같은 의미가 된다.

​

② 비압축성 유체

  ▣ 주위의 환경이 변화에도 밀도가 변하지 않는 유체​

※ 국제표준단위 : 절대단위로 사용한다. ㎏f, gf를 쓰면 중력단위이다.

​

[절대단위와 중력단위의 변환]

​

① 절대단위를 중력단위로 변환​

② 중력단위를 절대단위로 변환​

[힘 (force)]

▣ 힘(중량) = 질량 × 가속도 (중력가속도)​

ex) 1 Newton은 몇 dyme 인가 ?​

다른 변환방법​

※ 절대단위를 중력단위로 변환​

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