아낌없이 주는 나무

열역학은 에너지를 다루는 과학으로 정의된다. 모든 사람이 에너지가 무엇인지에 대한 느낌을 가지고 있지만 에너지에 대한 엄밀한 정의를 하는 것은 쉽지 않다. 에너지는 변화를 일으키는 능력이라고 볼 수 있다. 열역학은 그리스어의 therme (heat)와 dynamics (power)로 부터 유래된 것으로 열을 동력으로 변환시키고자 한 초창기의 노력을 가장 적절하게 표현한 말이다. 오늘날 열역학은 동력 방생, 냉동 그리고 물질의 상태량 사이의 관계 등을 포함한 모든 형태의 에너지와 에너지 변환을 포함하는 것으로 광범위하게 이해되고 있다.

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가. 에너지 보존법칙 (conservation of energy principle)

에너지 보존법칙은 가장 기초적인 자연법칙중의 하나이다. 이 법칙은 상호작용 중에 에너지는 한 형태에서 다른 한 형태로 변화할 수 있으나 에너지의 총량은 일정하다는 것을 의미한다. 즉, 에너지는 생성되거나 소멸될 수 없다는 의미이다. 예를 들면 절벽에서 떨어지는 바위는 위치에너지가 운동에너지로 변환되기 때문에 속도가 증가한다. 또한 에너지 보존 법칙은 다이어트 산업의 근간이 된다. 운동에 의하여 나가는 에너지 보다 음식물을 통해 들어 오는 에너지가 많은 사람은 체중이 증가하고 지방형태로 에너지가 저장되며 나가는 에너지 보다 들어오는 에너지가 적은 사람은 체중이 감소한다. 인체나 그 밖의 계에서 에너지의 변환은 들어 오는 에너지와 나가는 에너지의 차이와 같으며 에너지의 평형은 다음과 같이 표현된다.

E in - E out = △ E

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나. 열역학 제1법칙 (first law of thermodynamics)

열역학 제1법칙은 단순히 에너지 보존법칙에 대한 표현이며 에너지가 열역학적 상태량이라는 의미를 내포하고 있다.

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다. 열역학 제2법칙 (second law of thermodynamics)

열역학 제2법칙은 에너지가 양 (quantity) 뿐만 아니라 질 (quality)을 저하시키는 방향으로 진행된다는 것을 의미한다. 예를 들어 책상 위에 있는 뜨거운 커피잔은 결국 차가워지지만, 반대로 차가운 커피잔은 저절로 뜨거워지지는 않는다. 커피잔의 열은 주위의 공기로 에너지가 전달되고 나면 커피의 고온에너지는 질이 저하된다. 낮은 온도에 있는 덜 유용한 형태로 변환된다. 열역학 법칙 들은 우주가 창조된 이래로 존재해 왔지만 영국에서 1697년에 Thomas Savery에 의해, 그리고 1712년 Thomas Newcomen에 의해 최초의 성공적인 대기 증기기관 (atmospheric system engine)이 만들어 지기 전까지 열역학은 과학으로 출현하지 못했다. 이 기관들은 매우 느리고 비효율적이었지만 새로운 과학발전에 대한 길을 열었다.

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열역학 제1법칙과 제2법칙은 1850년에 William Rankine, Rudolph Thompson 의 연구결과로 부터 동시에 출현하였다. 열역학 (Thermodynamics)이라는 용어는 1849년 Lord Kelvin 의 저서에서 처음 사용되었고, 최초의 열역학 교과서는 Glasgow 대학의 교수인 William Rankine에 의해 1859년에 저술되었다. 물질이 분자라고 하는 수많은 입자로 구성되어 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 물질의 상태량은 이들 입자의 거동에 따라 달라진다. 예를 들어 용기내에 들어 있는 기체의 압력은 분자들과 용기벽 사이의 운동량 전달의 결과이다. 그러나 용기내의 압력을 결정하기 위해 기체입자의 거동을 알아 낼 필요는 없다. 용기내에 압력계를 부착하는 것으로 충분하다. 열역학 연구에 있어서 각각의 입자거동에 대한 부석이 필요없는 거시적 접근법을 고전열역학 (classical thermodynamics)이라고 한다. 고전열역학은 공학문제 해결에 대한 직접적이면서도 쉬운방법을 제공한다. 많은 입자 집단의 평균거동에 대한 미시적 접근방법은 통계 열역학 (statistical thermo-dynamics)이라고 한다.

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라. 열역학의 응용분야

자연계의 모든 활동은 에너지와 물질 사이의 상호작용을 수반한다. 따라서, 이러한 관점에서 볼 때 어떤 방식으로든 열역학과 관계되지 않은 분야가 없다고 할 수 있다. 열역학에 관련된 문제는 여러 공학분야나 우리 일상 생활에서 흔히 접할 수 있으므로 응용분야를 너무 멀리서 찾을 필요가 없다. 심장은 인체의 모든 부분에 계속하여 혈액을 보내고 수조개의 달하는 인체의 세포에서는 여러 형태의 에너지 변환이 이루어지며 발생된 인체 내의 열은 대기중으로 방출된다. 인체가 느끼는 안락함은 이와같은 신진대사로 부터 발생된 열의 방출과 밀접하게 관련되어 있다. 따라서, 사람들은 환경조건에 따라 의복을 바꾸어 주위로의 열전달률을 조절한다. 그밖의 다른 열역학의 응용분야도 우리가 거주하는 곳에서 쉽게 찾을 수 있다.

통상적인 집은 어떤 면에서 열역학의 경이로움으로 가득찬 전시관이다. 대부분의 가정용품과 설비들은 전체적으로 또는 부분적으로 열역학 원리를 이용하여 설계된다. 예를 들면 전자 레인지나 가스레인지, 냉난방 시스템, 냉동기, 가습기, 압력밥솥, 온수기, 샤워기, 다리미, 컴퓨터, TV 등이 있다. 보다 큰 규모로서 열역학은 자동차 엔진, 로케트, 제트엔진 그리고 재래식 및 원자력 발전소, 태양열 집열기 등의 설계와 해석, 그리고 일반적인 스용차로 부터 항공기에 이르는 수송수단들의 설계에 있어서도 중요한 부분을 담당한다. 예를 들면 에너지 효율적 주택은 겨울에는 열 손실이, 그리고 여름에는 가열이 최소가 되도록 설계된다. 컴퓨터에 설치된 휀의 크기, 위치 및 동력 등도 열역학을 포함하는 해석과정을 통하여 선정된다.

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#열역학 #에너지보존법칙 #에너지 #위치에너지 #운동에너지 #상태량

1. 실린더에 밀폐된 8[㎏]의 공기가 그림과 같이 P1=800[kPa], V1=0.27[㎥]에서 P2 =350 [kPa], 체적 V2 = 0.80[㎥]로

     직선 변화하였다. 이 과정에서 공기가 한 일은 약 몇 [kJ]인가 ?

[풀이] 팽창일 = P-V선도의 면적​

2. 밀폐용기에 비내부에너지가 200[kJ/㎏]인 기체 0.5[㎏]이 있다. 이 기체를 용량이 500[W]인 전기 가열기로 2분 동안 가열

    한다면 최종 상태에서 기체의 내부에너지는 ? (단, 열량은 기체로만 전달된다고 한다)

[풀이] 내부에너지 = 비내부에너지 × 질량​

3. 30[℃]에서 비체적이 0.001[㎥/㎏]인 물을 100[kPa]의 압력에서 800 [kPa]의 압력으로 압축한다. 비체적이 일정하다고

     할 때, 이 펌프가 하는 일 [J/㎏]을 구하면 ?

[풀이]​

4. 내부에너지 130 [kJ]을 보유하는 물질에 열을 가했더니 내부에너지가 200[kJ]로 증가하였다. 이 물질이 외부에

     7,000[N·m]의 일을 하였을 때 가해진 열량은 몇 [kJ]인가 ?

[풀이] 열량 = 내부에너지 + 일량​

5. 실린더 내의 밀폐된 가스를 피스톤으로 압축하는 과정에 13.32[kJ]의 열량을 방출하였고, 압축일의 크기는 22,000[N·m]

    이다. 이 가스의 내부에너지 증가량을 구하라.

[풀이] 열량 = 내부에너지 + 일량

이므로 ※ 부호(-)는 압축일과 방출열량을 뜻함​

  ② 팽창하면서 일정한 압력을 유지하기 위한 필요 열량은 다음과 같다.​

7. 두께 1[㎝], 면적 0.5[㎡] 석고판의 뒤에 가열판이 부착되어 1,000[W]의 열을 전달한다. 가열판의 뒤는 완전히 단열되어

     열은 앞면으로만 전달된다. 석고판 앞면의 온도는 100[℃]이다. 석고의 열전도율이 K=0.79 [W/m·K]일 때 가열판에 접하

      는 석고면의 온도는 약 몇 [℃]인가 ?

[풀이]​

#에너지 #열량 #칼로리 #체적 #실린더 #압력 #기체 #유체 #팽창 #압축

1. 엔탈피(entahalpy)와 에너지식

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상태 변화의 특별한 과정을 해석하다 보면 열역할 상태량의 몇 개가 합해져서 새로운 형태의 상태량으로 나타나는 경우가 있다.

위 그림과 같이 검사질량에 대한 준평형 과정의 정압가열 과정의 경우를 살펴 보면 상태 1에서 상태 2로 팽창할 때 계에 대한 열역할 제1법칙 식을 적용할 때 다음과 같이 됨을 알 수 있다. 즉, 위치에너지와 운동에너지를 무시한다면 밀폐계의 열역학 제1법칙은 다음 식과 같다.​

위 식에서 일의 변화는 상태1에서 상태2로 변화가 정압 과정이라면 다음과 같다.​

위 두식을 함께 정리하면 다음의 식이 성립된다.

위 식에서와 같이 계가 정압과정 상태변화와 같은 특수한 경우에 대하여 새로운 형태의

U + PV (내부에너지와 운동에너지) 라는 양의 변화항을 얻을 수 있고 그것을 엔탈피(enthalpy) H라고 부른다.

이 엔탈피 (enthalpy)는 종량성 상태량이다. 결국 엔탈피란 열역학적 상태량을 나타내는 중요한 인자이며 내부 에저지 U와 유동과정의 에너지인 가역일 PV의 합이 된다.

따라서 엔탈피 H는

    H = U + PV [kJ] 이고

단위 질량당의 엔탈피 h는 다음 식으로 표현할 수 있다.

    h = u +Pv [kJ / ㎏]

단위 질량당 내부 에너지 처럼 단위 질량당 엔탈피 h를 비엔탈피(specific enthalpy)라고 하고 전체 질량의 엔탈피 H를 총엔탈피 (total enthalpy)라고 한다. 앞, 뒤 문맥에 따라 그 의미가 명백한 경우 두가지 모두를 엔탈피라고 하기도 한다. 여기서 u, P, v는 모두 어느 상태에 의하여 정해지는 상태량 값이며, h 역시 어느 상태에 의하여 정해지게 되는 상태함수이다. 따라서 엔탈피도 내부 에너지와 같이 상태변화 과정에는 관계없고 물질의 어느 상태에 따라 그 때의 물질의 상태량으로 결정된다.

즉, 엔탈피는 특별한 정압과정에서만 정의되는 값으로 전체 엔탈피 식을 아래 식과 같이 적용할 경우 정압과정에 대한 열량 변화와 엔탈피의 변화는 같음을 알 수 있다.

이번에는 에너지식을 다른 형태로 표현하는 일반식을 만들어 보자.

어느 물질이 외부에서 열량 δQ [kJ] 를 받아 내부에너지가 dU [kJ]가 증가하고, 외부에 δW [kJ]의 일을 하였다면 열역학 제1법칙에 의하여 다음과 같은 관계가 성립한다.

    δ Q = d U + δ W

위 식은 어떠한 변화에도 성립되는 식이며 보통은 일반에너지식이라 부른다. 이 식을 적분을 하면 다음과 같다.​

또한 물체 1[㎏]에 대한 비에너지식(specific energy)으로 다시 쓰면 다음과 같다.

    δ q = d u + δ w

가역 과정의 경우 유동일은 w = P · v 가 되므로 위 식은 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

    δ q = d u + d (P · v)

위 식의 미분과정을 다시 나타내면

※ 열량의 변화는 내부에너지의 변화와 일량의 합으로 구해지는데 일량 중에서 정압상태에서 부피가 변하는 것은 기계일로

     +(positive)이 이므로 더 해주고 동일한 체적으로 압력이 변화하는 것은 절대일로서 - (negative)이므로 빼주어야 한다.

이들 식으로 부터 일반 에너지식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.​

위식으로 부터 정압과정으로 팽창하는 경우 dP = 0 이 되므로 열량변화는 엔탈피의 변화와 같게 된다.

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2. 정상유동에 대한 일반 에너지식

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[정상유동] 어느 관로의 한점에 대한 흐름의 상태가 시간에 관계없이 일정한 것을 정상유동이라고 한다. 이 유동과정 중의 에너지 변화식을 구하기 위하여 아래 그림과 같은 관로의 두 단면을 생각해 보자.

단면 ①에서의 압력 P1 [N/㎡], 비체적 V1 [㎥/㎏], 내부에너지 u1 [J/㎏], 속도 v1 [m/s],

위치에너지 z1 [m]라 하고 그림의 단면 ② 에서의 압력 P2 [N/㎡], 비체적 V2 [㎥/㎏], 내부에너지 u2 [J/㎏], 속도 v2 [m/s], 위치에너지 z2 [m] 라 할 때 단면 1에 유입되는 단위 질량당 에너지 e1 은 다음과 같이 나타낼 수 있다.​

또한 단면 2에서의 비에너지 e2는 다음과 같이 표현할 수 있다.​

여기서,

이 때, 단면 1과 2 사이에서 외부로 부터 계의 qc, v [J/㎏]의 열을 가하였고, 또 계가 외부에 wc, v [J/㎏] 의 일을 했다고 한다면 열역학 제1법칙에 의하여 한 계에 흘러 들어 온 에너지와 흘러 나간 에너지는 같게 되므로 다음과 같은 식이 성립한다.​​

위 식을 앞의 식에 대입하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

이 되며, 이를 비엔탈피식에 대입하면 다음과 같은 정상유동계의 에너지방정식을 얻을 수 있다.​

만약 위치가가 크지 않을 때라면 z1, z2는 양변에서 무시할 수 있다. 또한 위치에너지 뿐만 아니라 입구와 출구의 속도차가 크지 않을 경우, 즉, 유속이 30 ~ 50 [m/sec] 이하일 때는 양변에서 운동에너지를 무시해도 큰 문제가 없을 때는 위식은​

여기서, 단열유동인 경우는 qcv = 0 으로 가정하게 되므로 1, 2 구간에서 발생한 일의 크기는 결국

#엔탈피 #enthalpy #에너지식 #정압과정 #단열과정 #열역학 #에너지보존법칙

#질량 #비에너지식 #내부에너지 #운동에너지 #위치에너지

1. 부력 (浮力) 이란 ?

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▣ 물체를 둘러 싸고 있는 유체가 그 물체를 위로 들어 올리려 하는 힘을 말한다.

 ※ 아르키메데스의 법칙

  ⊙ 물체가 유체에 잠기는 상황에서 그 잠긴 부피 만큼 유체를 밀어낸다.

       그리고 그 물체가 받는 부력의 크기는 그 물체가 잠긴 만큼의 부피에 해당하는 만큼의 부피에 해당하는 유체의 무게와

       동일하다.

  ▣ 유체 속에 있는 물제는 모든 방향에서 압력을 받게 된다. 그런데 수평방향에서 받는 힘은 양쪽 방향에서 동일한 힘을

       받게 된다. 따라서 수평방향은 평형을 이룬다.

  ▣ 반면, 수직방향의 압력은 깊이에 따라 차이가 발생한다. 즉, 수심이 깊을 수록 압력을 더 받게 되어 물체의 하부에 작용

       하는 압력(힘)이 물체의 상부에 작용하는 압력(힘) 보다 크게 된다. 물체가 직육면체이고 물체 상부의 면적을 A라고

       하면 물체 상부에 작용하는 힘은 F = P A가 된다. 이 때 물체 상부에서 작용하는 힘과 하부에서 작용하는 힘의 차이를

       부력이라고 하고 다음과 같은 식이 성립한다.​

【 물체가 유체에 일부만 잠긴 경우 부력 】

  ▣ 물체가 유체에 떠 있다는 것은 물체의 무게와 부력이 평형을 이룬다는 것이다.

       따라서 부력은 다음과 같이 나타낼 수 있다.​

【 출제 예상 문제 】

1. 공기 중의 무게가 941 [N]인 둘의 무게가 물속에서 500[N]이면 돌의 체적은 몇 [㎥]인가? 단, 공기의 부력은 무시한다.

  ▣ 부력 = 941 -500 = 441 [N]​

2. 체적 0.2 [㎥] 인 물체를 물에 잠겨 있게 하는데 300 [N]의 힘이 필요하다. 만약 이 물체를 어떤 유체 속에 잠겨 있게 하는

    데 200 [N]이 필요하다면 이 유체의 비중은 얼마인가 ? 단, 물의 밀도는 1,000 [㎏/㎥] 이다.

[풀이]

  물의 무게 = 물체의 무게 + 300 [N], 물체의 무게 = 물의 무게 - 300 [N]

  유체 무게 = 물체의 무게 + 200 [N], 물체의 무게 = 유체 무게 - 200 [N]

    ∴ 물의 무게 - 300 [N] = 유체의 무게 - 200 [N]

             9,800 × 0.2 - 300 = 9,800S × 0.2 - 200

             S = (9,800 × 0.2 - 300 + 200 ) ÷ 9,800 × 0.20 = 0.95

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3. 어떤 물체가 공기중에서는 무게가 588 [N]이고 수중에서는 무게가 98 [N]이었다.

    이 물체의 체적과 비중은 얼마인가 ?

    부력 FB = 588 [N] - 98 [N] = 490 [N]

    부력 FB = γ · V​

    물체의 비중량 Ws = S × Ww =9,800 × S [N/㎥]

    물체의 중량 (무게) W = 물체의 비중량 × 체적

     588 = 9,800S × 0.05​

 물체의 무게 = FB + 100 [N]​

5. 체적이 10 [㎥]인 기름의 무게가 30,000[N] 이라면 이 기름의 비중은 얼마인가 ?  단, 물의 밀도는 1,000[㎏/㎥] 이다.​

6. 비중이 0.4인 나무 조각을 물에 띄우면 전체 체적의 몇 [%]가 물 속에 가라안겠는가 ?

   부력 = 물체가 밀어 낸 유체의 체적

   9,800 [N/㎥] × V1 (잠긴 부피) = γ × V (전체 부피)

   9,800 [N/㎥] × V1 (잠긴 부피) = 0.4 × 9,800 [N/㎥] × V (전체 부피)​

7. 부력의 작용점에 관한 설명으로 옳은 것은 ?

   ▣ 물 속에 잠겨진 물체의 체적의 중심에 있다.

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#부력 #작용점 #비중량 #중량 #밀도 #무게중심 #압력 #체적 #유체 #무게

  ※ 소방에서는

    ① 배관내의 물의 정압이 포화증기압 보다 낮아지면 기포가 발생하는 현상

    ② 유효흡입수두 (NPSHav) < 필요흡입수두 (NPSHre)

  ※ 유효흡입수두 = 대기압 - 포화증기압 수두 - 배관손실수두 ± 낙차 수두

                         H = Ho - Hv - Hf ± Hh

나. 발생원인

  ① 펌프보다 수원이 낮아 흡입수두가 클 때

  ② 펌프의 임펠러 회전수가 클 때

    ※ 회전수가 빨라지면 기포가 많이 발생한다. 유속이 빨라지면 압력이 낮아져 기포발생

  ③ 펌프의 흡입관경이 작을 때

  ④ 흡입배관의 유속이 빠를 때

  ⑤ 흡입측 배관의 마찰손실이 클 때

  ⑥ 수온이 높을 때

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다. 방지대책

  ① 펌프의 설치 위치를 가급적 낮게 한다.

  ② 회전차를 수중에 완전히 잠기게 한다.

  ③ 흡입관경을 크게 한다.

  ④ 펌프의 회전수를 낮춘다.

  ⑤ 2대 이상의 펌프를 사용한다.

  ⑥ 양 흡입 펌프를 사용한다. (양 쪽에 펌프를 설치하여 물을 흡입한다)

  ⑦ 배관을 공동현상(케비테이션)에 강한 재질을 선택한다.

  ⑧ 흡입관의 깊이를 가능한 작게 한다.

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라. 공동현상에 의한 파생되는 현상

  ① 소음과 진동이 발생한다.

  ② 임펠러(회전차), 배관, 배관 부속 등에 응력이 발생해 기계적 손상을 초래한다.

  ③ 토출량과 양정이 감소되며, 전체적으로 펌프의 효율이 감소한다.

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2. 수격현상 (Water hammering)

가. 정의

  ▣ 펌프에서의 수격현상은 갑작스런 속도의 변화에 따른 힘의 차로 펌프와 주변 시스템에 순간적으로 큰 힘이 작용하여

       변형, 손상 또는 파손의 원인이 되는 현상

​

나. 발생원인

  ① 펌프를 급격하게 가동시키거나 급격히 정지할 때 (플랜저에서 물의 압력이 커지기 때문에 압력차에 의하여 물이 배관

       을 때리는 현상)

  ② 밸브를 급하게 잠그거나 열 때

  ③ 터빈의 출력 변화가 심할 때

    ※ 위와 같은 상황에서는 물의 유속차가 발생하여 이것이 바로 압축파로 전환되어 충격파가 배관이나 그 부속품을 파손

         시키는 현상이 발생한다.

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다. 방지대책

  ① 유속의 차이가 크지 않게 한다.

  ② 관구경을 크게 하면 유속이 낮아진다.

  ③ 유량을 감소시켜 유속을 감소시킨다.

  ④ 펌프의 송출구 가까이에 밸브를 설치하고 개폐속도를 낮춘다.

  ⑤ 펌프에 플라이 휠을 설치하여 속도가 급격히 변하는 것을 막는다.

  ⑥ 수격 방지기나 에어 챔버를 설치하여 완충작용으로 수격현상을 방지한다.

  ⑦ 조압수조에 의한 완충작용으로 적절한 압력을 유지한다.

  ⑧ 압력 릴리스 밸브, 스몰레스크 체크밸브 등을 설치한다.

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3. 맥동현상 (Surging)

가. 정의

  ▣ 펌프를 운전할 때 송출압력과 송출유량이 주기적으로 변동하여 펌프 입구나 출구에 설치된 진공계나 압력계의 지침이

       심하게 흔들리는 현상

​

나. 발생원인

  ① 펌프의 특성곡선이 우상향 곡선일 경우 운전점이 그 정상부에 위치할 때

  ② 배관 도중에 수조가 있을 때

  ③ 배관 중에 기체 상태의 부분이 있는 경우

  ④ 유량 조절밸브가 배관 수조의 위치 후단에 있을 경우

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다. 방지대책

  ① 펌프 성능곡선이 우하향 구배를 갖는 특성의 펌프를 사용한다.

  ② 회전차나 안내날개 형성 지수를 바꾸어 펌프의 성능특성을 변화시킨다.

  ③ 바이패스관을 사용하여 운전점이 펌프의 HP곡선이 우하향 구배 특성 범위 내에 있게 한다.

  ④ 배관중간에 수조나 기체 상태인 부분이 존재하지 않도록 배관한다.

  ⑤ 유량조절밸브를 펌프 토출측 직후에 위치한다.

  ⑥ 관로내의 잔류 공기를 제거하고 관로의 단면적, 유속, 저항 등을 바꾼다.

​

【 출제 예상 문제 】

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1. 펌프의 공동현상을 방지하기 위한 방법으로 틀린 것은 ? ④

   ① 펌프의 설치위치를 수원보다 낮게 한다.

   ② 펌프의 흡입측을 가압한다.

   ③ 펌프의 흡입관경을 크게 한다.

   ④ 펌프의 회전수를 크게 한다.

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2. 물의 압력파에 의한 수격작용을 방지하기 위한 방법 중 적합하지 않은 것은 ? ①

   ① 관로 내의 관경을 수축시킨다.

   ② 관로내의 유체의 유속을 낮게 한다.

   ③ 수격방지기를 설치한다.

   ④ 펌프의 속도가 급격히 변화하는 것을 방지한다.

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3. 다음의 ㉠, ㉡ 에 알맞은 것은 ?

   ㉠ 운동에너지    ㉡ 수격작용

4. 다음은 펌프에서의 공동현상에 대한 일반적인 설명이다. 다음 항목 중에서 옳바르게 설명한 것을 모두 고르시오.

   ㉠ 액체의 온도가 높아지면 공동현상이 일어나기 쉽다.

   ㉡ 흡입양정을 작게 하는 것은 공동현상 방지에 효과가 있다. (낙차에 의한 손실을 작게 함으로써 공동현상 방지)

   ㉢ 공동현상은 유체 내의 국소압력이 포화증기압 이상일 때 나타난다. (유체의 국소압력이 포화증기압 보다 낮아 질 때

        나타난다)

​

5. 수격작용에 대한 설명으로 맞는 것은 ?

  ④ 흐르는 물을 갑자기 정지시킬 때 수압이 급격히 변화하는 현상을 말한다.

​

6. 펌프의 흡입양정이 클 때 발생할 수 있는 현상은 ? 공동현상

​

7. 펌프를 운전중에 펌프 입구와 출구에 설치된 진공계와 압력계의 지침이 크게 흔들리고 동시에 토출유량이 변하는 현상

     으로 송출압력과 송출유량 사이에 주기적인 변동이 일어 나는 현상은 ? 서징 (맥동) 현상

​

8. 온도가 T인 유체가 정압이 P인 상태로 관속을 흐를 때 공동현상이 발생하는 현상으로 가장 적절한 것은 ? 단, 유체 온도

     t에 해당하는 포화증기압을 Ps라고 한다.

  ③ 유체내의 압력 P < Pv (포화 증기압)

    ⊙ 유체내의 압력이 포화증기압 보다 작아질 때

​

9. 다음 중 대표적인 펌프의 이상현상에 해당되지 않는 것은 ? ④

  ① 공동현상   ② 수격작용   ③ 맥동 현상   ④ 진공현상

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10. 펌프에서 공동현상이 발생할 때 나타나는 현상이 아닌 것은 ? ③

  ① 소음과 진동 발생                  ② 양정곡선이 저하된다.

  ③ 효율곡선이 증가한다.           ④펌프 깃의 침식 현상

​

※ 공동현상이 발생하면 소음과 진동이 발생하고 관의 부식을 촉진한다. 또한 펌프의 성능이 저하된다.

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가. 주손실 : 배관의 마찰손실

​

나. 부차적 손실

  ▣ 배관의 부속류 (엘보, 티 등) 등에 의한 압력강하나 압력의 증가에 의한 기계적인 에너지의 손실

​

다. 돌연 축소관, 돌연확대관에 의한 손실

  ① 돌연 확대관

  ▣ 손실수두 산정식​

 ② 돌연 축소관

  ▣ 손실수두 산정식

다. 관의 상당길이 (Le)

  ※ 관의 부차적 손실을 관의 길이 즉, [m] 단위로 환산한 것

   ▣ 부차적 손실 계수와 관의 마찰 계수를 이용하여 관의 상당 길이를 만드는 것​

라. 관의 마찰계수 (f)

  ▣ 층류 : 레이놀즈 수 만의 함수 : 관의 조도(거칠기)와는 무관한다.​

  ▣ 난류 : 상대 조도와 무관하다.

  ▣ 천이영역 : 상대 조도와 레이놀즈 수의 함수

​

마. 달시 - 바이스바흐의 식 (시험에 자주 나옴)

 ※ 층류, 난류에 모두 적용 가능

  ▣ 마찰손실은 유속의 제곱과 배관의 길이에 비례하고 지름에 반비례한다.​

바. 하겐-월리엄스식 (실기용)

  ▣ 배관의 1 [m] 당 손실되는 압력​

사. 패닝의 법칙

  ▣ 난류의 흐름에 대한 원형 직관을 통해 마찰손실을 측정

   ⊙ 마찰손실은 배관의 길이와 속도의 제곱에 비례하고 배관의 직경에 반비례한다.​

아. 하겐 - 포아젤의 식 (식의 관계에 대해 물어 봄)

  ▣ 층류의 흐름일 때 원형 직관에서의 마찰 손실수두를 구할 때 쓰인다.​

【 출제 예상 문제 】

1. 물이 흐르는 지름 40 [㎝]의 관에 게이트 밸브와 t가 설치되어 있다. 마찰계수가 0.04일 때 게이트 밸브와 t에 대한 관의

    상당길이는 몇 [m] 인가 ? 단, K는 표에서 얻어진 손실 계수이다.

    ※ 표에서 게이트 밸브 손실계수 10, t의 손실계수 2 이다.​

2. 관내 흐름에서 부차적 손실에 해당되지 않는 것은 ? ③

   ① 관 단면의 급격한 확대에 의한 손실

   ② 유동 단면의 장애물에 의한 손실

   ③ 직선 원관내의 손실

   ④ 곡선부에 의한 손실

​

3. 곧은 원관내의 완전 난류 유동에 대한 마찰 손실 수두 관한 설명으로 틀린 것은 ?​

  ③ 관경에 비례한다. (반비례한다)

​

4. 지름 30 [㎝]의 원형관과 지름 45 [㎝] 원형관이 급격하에 면적이 확대되도록 직접 연결되어 있을 때 작은 관에서 큰 관

    쪽으로 매 초 230 [㎥]의 물을 보내면 연결부의 손실수두는 약 몇 [m]인가 ? 단, 면적이 A1 에서 A2로 급격히 확대될 때

    작은 관을 기준으로 하는 손실계수는 (1- (A1 / A2))의 제곱 이라고 한다.

  ▣ 돌연확대관 마찰 손실을 구하는 문제​

5. 저장 용기로 부터 20 [℃]의 물을 길이 300[m] 직경 900[㎜]의 콘크리트 수평원관을 통하여 공급하고 있다. 유량이 초당

    1.25 [㎥] 일 때 원관내에서의 압력강하는 몇 [kPa] 인가 ? 단, 물의 동점성계수는 1.31 × 10-6 이고 관 마찰계수는 0.024

    이라고 한다.

 ▣ 다시 - 바이스바흐의 식을 적용​

6. 그림과 같은 매우 큰 탱크에 연결된 길이 100 [m], 직경 20 [㎝]인 원관의 부차적 손실 계수가 5일 밸브 A가 부착되어

    있다. 테이크 수면으로 부터 출구까지의 전체 손실수두의 가장 가까운 것은 ? 단, 관입구에서의 부차적 손실계수는

    0.5, 관 마찰계수는 0.022 이고 평균속도는 V이다.

  ▣ 관 상당길이 식을 이용하면​

7. 레이놀즈 수가 1,200 인 물이 흐르는 원관에서 마찰계수는 얼마인가 ?

8. 다음 관 유동에 관한 일반적인 설명 중 올바른 것은 ? ③

   ① 관의 마찰손실은 유속의 제곱에 반비례한다.

   ② 관의 부차적 손실은 주로 관 벽과의 마찰에 의해 발생한다.

   ③ 돌연 확대관의 손실수두는 속도수두에 비례한다.

   ④ 부차적 손실수두는 압력의 제곱에 비례한다.​

9. 수평원관 내의 층류 유동에서의 유량은 ? ③

   ① 관의 길이에 비례한다.

   ② 점성에 비례한다.

   ③ 지름의 네제곱에 비례한다.

   ③ 압력의 강하에 반비례한다.​​

10. 안지름이 0.1 [m]인 파이프 내를 평균 유속 5[m/s]로 물이 흐르고 있다. 길이 10 [m] 사이에서 나타나는 손실수두는

      약 몇 [m]인가 ? 관 마찰계수는 0.013 이다.​

11. 급격 확대관과 급격 축소관에서 부차적 손실계수를 정의하는 기준 속도는 ?

   ③ 급격 확대관은 상류 속도이고 급격 축소관은 하류 속도이다.​

12. 다음과 같은 유동 형태를 갖는 파이프 입구의 유동에서 부차적 손실계수가 가장 큰 것은 ? ④

  ① 날카로운 모서리 : 0.04                     ② 약간 둥근 모서리 : 0.2

  ③ 잘 다듬어진 모서리 : 0.5                  ④ 돌출된 입구 : 0.8

​

13. 하겐 - 포아젤 식에 대한 설명으로 옳은 것은 ? ④

  ① 수평 원관속의 난류 흐름에 대한 유량을 나타내는 식이다.

    ※ 층류일 때 마찰손실을 나타내는 식이다.

  ② 수평원관 속의 층류 흐름에서 레이놀즈 수와 유량과의 관계식이다.

  ③ 수평 원관 속의 층류 및 난류 흐름에서 마찰 손실을 구하는 식이다.

  ④ 수평 원관 속의 층류 흐름에서 유량, 관경, 점성계수, 길이, 압력 등과의 관계식이다.

14. 원통관 층류 운동일 때 관 마찰 계수는 ?

   ① 언제나 레이놀즈 수 만의 함수이다.

        ※ 층류일 때는 레이놀즈 수만의 함수 f =64 /Re

​

15. 어느 일정 길이의 배관 속에 매분 200 [㎥]의 물이 흐르고 있을 때, 마찰손실이 20[kPa] 이었다면 동일 관의 물의 흐름이

       매분 300 [m]로 증가할 경우 마찰손실 압력은 약 몇 [kPa]인가 ? 단, 마찰손실 계수는 하겐 - 윌리엄스의 공식을 따른다.​

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1. 유량

가. 연속방정식

▣ 배관의 단면이 다른 관이 있다고 했을 때, 이 단면을 통해서 흐르는 유량은 항상 일정하다. 이는 에너지 보존의 법칙에

      따른 것이다.

    ρ1 · A1 · v1 = ρ2 · A2 · v2

 ⊙ 전압 = 정압(靜壓) + 동압 (動壓)

   ※ 관의 굵기에 관계없이 전압 (정압+동압)은 일정하다. 관이 굵으면 정압이 높이 동압이 낮으며 관이 가늘면 동압이 높고

       정압이 낮다.

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 ① 1차원 유동의 연속방정식

    ▣ 체적 유량 Q = A v : 체적유량 = 면적 × 유속

                         Q = A1 · v1 = A2 · v2

    ▣ 질량 유량 : m = ρ A v = ρ · A1· v1 = ρ · A2 · v2

    ▣ 중량 유량 : G = γ A v = γ · A1 · v1 = γ · A2 · v2

    ▣ 1차원 연속방정식의 미분

      ⊙ 질량 유량을 미분을 하면 연속방정식은 항상 일정하다는 것이므로 상수가 되는데 이를 미분하면 "0"이 된다.​

  ② 2차원 정상류 비압축성 유체의 연속방정식

    ⊙ x축과 y축에 대하여 편미분한 값을 합한 값이 "0"이 된다.​

   ex : x축 방향의 속도 성분을 u = x2 - y2, y방향의 속도성분을 v = -xy라고 한다면 연속방정식 성립여부​

2. 유량 및 유량계수

  ▣ 유량계수는 어떤 특정관에서 유체의 흐름을 특정해 주는 지수를 말한다.

      Q = A · v 에서 Q = C · A · v 로 표현한다. 여기서 C는 유량 계수이다.

  ▣ 유량계수는 유체의 수축유량계수와 속도 유량계수의 곱으로 나타낸다.

       Cq = Co × Cv = A × Co × v ×Cv

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가. 유량 측정 : 벤츄리 미터

    벤츄리 유량측정식은 다음과 같다.​

 나. 물탱크의 유량

  ▣ 수조내 증가하는 유량

    ⊙ 유입수량 - 토출유량

  ▣ 소화용수의 사용시간​

다. 노즐에서 방사량 ​

라. 소방차의 방수량​

마. K-factor (유량계수)가 주어졌을 때​

※ 수력반경과 수력 직경

    ※ P : 유체가 접하고 있는 관의 둘레 길이

        A : 관의 단면적

ex : 위의 정사격형의 수력반경과 수력직경을 구하면​

【 출제 예상 문제】

​

1. 다음 식에서 연속방정식이 아닌 것은 ?​

2. 392 [N/sec]의 물이 지름 20 [㎝]의 관 속에 흐르고 있을 때 평균유속은 약 몇 [m/sec] 인가 ?​

3. 유동단면이 30[㎝] × 40 [㎝] 사각적 수로를 통하여 비중 0.86, 점성계수 0.027인 기름이 2[m/sec]의 유속으로 흐른다.

     이 때, 수력 직경에 기초한 레이놀즈의 수는 얼마인가 ?​

4. 직경 20 [㎝]의 소화용 호스에 물이 질량 유량 1,000[㎏/sec]로 흐른다. 이 때의 평균유속은 약 몇 [m/sec]인가 ?​

5. 연속방정식의 설명으로 가장 적합한 것은 ? ①

   ① 질량보존의 법칙을 만족한다.

   ② 뉴턴의 제2법칙을 만족시키는 방정식이다.

   ③ 단면적과 유량은 서로 반비례한다는 것을 구할 수 있다.

   ④ 연속방정식에 따르면 실제 유체의 경우 경계면에서 속도는 상대적으로 0 이어야 한다.

​

6. 그림과 같은 관을 흐르는 유체의 연속방정식을 맞게 기술한 것은 ?

  연속방정식은​

7. 내경 20 [㎝]의 매분 5.4 [㎥]의 물이 흐르고 있을 때 유속은 약 몇 [m/sec]인가 ?​

8. 직사각형 덕트에서 가로는 반으로 줄이고 세로는 2배로 늘리면 수력 직경은 몇 배가 되겠는가 ?

   수력직경을 구해 보면​​

   ※ 변수가 하나가 아니라 2개 이므로 비교할 수가 없다.

​

9. 검사면을 통과하는 유동에 대하여 질량유동을 ρAv 로 구할 때 필요한 조건이 아닌 것은 ? ③

   ① 검사면은 움직이지 않는다.        ② 밀도는 일정하다.

   ③ 검사면이 원형이다.                    ④ 유동은 검사면에 수직이다.

   ※ 관이 어떤 모양이든 단면적만 구하면 된다.

​

10. 수면의 면적이 10 [㎥] 인 저수조에 계속적으로 분당 1 [㎥]의 유량으로 채워지고 있다. 화재 초기에 수심은 2 [m] 였고

       진화를 위해 분당 2 [㎥]의 물을 계속 사용한다면 이 저수조가 고갈될 때까지는 약 몇분이 걸리겠는가 ?

   줄어 드는 양 : 1 [㎥/min] - 2 [㎥/min] = -1 [㎥/min]

   고갈되는 시간 : T = 10 × 2 [㎥] ÷ 1[㎥/min] = 20 [min]

​

11. 안지름이 13 [㎜]인 옥내 소화전의 노즐에서 방출되는 물의 압력이 230 [kPa]이라면 10분 동안의 방출량은

      약 몇 [㎥]인가 ?​

12. 소방차에 설치되어 있는 물탱크에 소화수원으로 2[㎥]이 채워진 상태로 화재 현장에 출동하여 구경이 21 [㎜]인 노즐을

      사용하여 294.2 [kPa]의 방사압력으로 방사할 경우 물 탱크내 소화수원이 완전히 소모되는데 약 몇 분이

      소요되겠는가 ?​

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1. 유체의 유동

가. 용어의 정의

 ① 유선 (Stream line) : 유체의 입자들이 흐르는 것을 가상의 선으로 그려 놓은 것​

   ⊙ 유체의 속도벡터와 접속벡터의 외적이 "0"이다.

    ※ 유선은 서로 교차할 수 없다. 유선은 서로 만날 수 없다.

    ※ 하나의 유선이 둘 이상으로 나뉘어 질 수 없다.

 ② 유적선 : 유체가 흘러 남겨진 자취를 모은 궤적

    ※ 유적선도 서로 교차할 수 없다.

    ※ 정상유동에서는 유선과 유적선이 일치한다.

 ③ 유맥선 : 어떤 특정한 점을 지나간 유체들을 순간적인 움직을 연결한 선

    ※ 담배연기을 촬영한 사진을 순간적인 유맥선의 일종이다.

 ④ 유관 : 유선들로 둘러쌓인 관 모양의 형태

    ※ 유관 내부의 유체가 유관 밖으로 흐르지 않는다.

​

2. 정상류와 비정상류

  ① 정상류 : 유체의 흐름이 시간에 따라 변하지 않는 흐름 (흐름 속도가 일정하다)​

  ② 비정상류 : 유체의 흐름이 시간에 따라 변하는 흐름 (흐름의 속도가 일정하지 않다)​

​

3. 레이놀즈 수

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 ▣ 유체의 흐름이 층류인지 난류인지를 알기 위한 지수

  ① 층류 : 유체입자가 질서 정연하게 층과 층을 이루면서 흐르는 현상

                  Re 〈 2,100

  ② 전이영역 (천이 · 임계 영역) : 층류와 난류 사이

  ③ 유체의 흐름이 불규칙한 경우

                 Re ≥ 4,000​

    ※ 점성력이 높으면 층류를 이루고, 관성력의 힘이 크면 난류를 일으키는 원인이 된다.​

4. 무차원수 : 단위가 없는 수​​

【 출제 예상 문제 】

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1. 동점성계수가 0.8 × 10-6 인 유체가 내경 20 [㎝]의 배관속을 평균유속 2[m/sec]으로 흐를 때 레이놀즈의 수는

     얼마인가 ?​

2. 지름이 5[㎝]인 원관 속에 비중이 0.55인 유체가 0.01[㎤/sec]의 유속으로 흐르고 있 다. 이 유체의 동점성계수가

     1 × 10-5 일 때 이 유체의 흐름은 어떤 상태인가 ?​

3. 유적선의 설명으로 맞는 것은 ?

   ⊙ 일정한 시간내에 유체 입자가 흘러 남긴 궤적을 말한다.

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4. 굴뚝에서 나온 연기현상을 촬영하였다면 이 형상은 다음 중 무엇에 가장 가까운가 ?  유맥선

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5. 관내에 흐르는 유체의 흐름을 구분하는데 사용되는 레이놀즈 수의 물리적인 의미는 ?​​

6. 유체의 흐름에서 유선이란 무엇인가 ?

  ⊙ 유동장 내에서 속도 벡터의 방향과 접선이 일치하도록 그려진 연속적인 선을 말한다.

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7. 웨버수의 물리적인 의미를 옳게 나타낸 것은 ?​​

8. 다음중 프루드 수의 물리적인 의미는 ?​​

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#프루드수 #웨버수 #오일러수