아낌없이 주는 나무

▣ 점성은 유체 (액체, 기체)가 가지고 있는 중요한 특성으로 물질의 분자간의 서로 끌어 당

    기는 힘에 의해 발현되기도 하고 분자간의 충돌에 의하여 발현되기도 한다. 점성은 유

    체의 아주 독특한 특성이고 유체의 흐름에 영향을 주는 중요한 인자이다.

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1. 점성 유체

유체는 이상유체와 점성유체로 나뉜다. 그런데 모든 유체는 끈적임을 가지고 있어 모든 유체는 점성유체라고 할 수 있다. 반면에 이상 유체는 유체의 물리적 현상을 파악하기 위해

가정한 유체이다. 점성 유체는 Newtonian Fluid와 (Non- Newtonian) Plastic Fluid

로 나눌 수 있다.

위 그림 오른쪽은 유체를 나타내는데 물, 시럽, 꿀, 버터, 실리콘 등은 유체이다. 유체와

고체를 구분하는 것은 외력을 가한 후 회복하였을 때 원래 상태로 복귀하는 것을 고체라

하고 되돌아 오지 않는 것을 유체라고 한다. 유체는 원래대로 회복되지 않고 일정시간 동안

흐름을 유지하게 된다.

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가. Newtonian Fluid

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위 그림 왼쪽은 Newtonian Fluid 특성을 나타내는 그래프이다. 그래프에서 Y축의 Stress

는 단위 면적당 힘을 말하고 x축은 변형율을 나타낸다. 변형률은 어떤 물체에 물리적인 힘

이 가해져서 당초 물체 대비 변형된 물체의 크기를 말한다. 고체의 경우에는 항복점까지는

작용하는 힘에 대하여 변형률이 비례하다가 항복점이 지나면 급격히 커지고 Failure 지점

에서는 고체가 파괴된다. 항복점 까지는 힘과 변형률이 선형관계인 탄성상태라고 한다.

Newtonian Fluid는 전체 곡선이 선형상태이고 탄성상태를 보인다.

먼저 고체에 대하여 알아보자.

위 그림의 왼쪽을 보면 당초 정4각형의 물체에 전단력이 가해져서 평형사변형으로 변형된

것을 볼 수 있다. 바닥은 고정되어 있고 위면만 변형되어 있다고 할 때 변형된 크기를 dx라

하고 변형각을 γ이라고 하면 재료역학의 고체변형율에서 위와 같은 식이 성립하게 된다.

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나. 점성유체 (Viscous Fluid)

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유체의 경우에는 x축이 변형율의 변화율 즉, 변형율이 시간에 따라 어떻게 변화하는지를

나타낸다. 이 때 2개의 특성곡선이 나타나는데 하나는 High Viscosity이고 다른 하나는

Low Viscosity 이다. 유체는 전단응력이 가해지면 변형이 발생하고 전단응력이 제거되어

도 일정시간동안 흐름이 지속된다. 위 그림 오른쪽을 보면 정4각형 모양의 유체를 가정했

을 때 아래면은 고정되어 있고 위 쪽에 전단응력을 가해 평행사변형으로 변형되었다고

하자. 변형률은 ε = dx/dy 이다. 정4각형이므로 x = y 이기 때문이다. 이 때 변형률을 시간

으로 미분을 하면​

위 식에서 ε = dx/dy이므로 이식을 dt, dy 를 자리를 바꾸어 변형을 하면 dx/dt가 나오는데 이는 거리를 시간으로

미분한 것이므로 속도가 된다.

결국 변형률의 미분 즉, 변형률의 변화율은 y축 즉, 두께에 대한 속도의 변화율로 함수 관계가 변화하게 된다.

이는 어떤 전단력을 가했을 때 같은 물질이라도 두께에 따라 변형률의 크기가 달라지는 것을 의미한다.

따라서 액체에 있어서는 고체와 달리 변형률만으로 점성계수를 삼을 수 없다. 이로 인하여 변형률을 미분하여

변형률의 변화율과 전단력과의 관계를 점성계수로 삼은 것 같다.

왼쪽 그림은 점성이 크면 같은 응력이 주어졌을 때 변형률 변화가 크지 않고 점성이 낮은 경우에는

변형률이 크다는 것을 보여준다. 따라서 같은 힘을 주었을 때 점성이 낮은 유체가 잘 흘러가게 된다.

위 그림은 물질의 변형률의 변화율에 대한 전단응력의 관계를 나타나는데 Newtonian

Fluid 는 이들 관계가 직선형태 즉, 기울기가 일정한 비례관계에 있다.

위 그래프에서 Shear Thing의 경우에는 처음 힘을 가하면 변형률이 크지 않은데 일정한

힘을 넘어서면 유체가 잘 흐르는 것을 보여주는데 우리 주변에서 용기에 들어 있는 케찹을

생각하면 이해하기 쉽다. 케찹이 처음에는 잘 나오지 않다가 한번 나오기 시작하면 잘 나오

게 된다. 반대로 Shear Thickening의 경우에는 전단응력이 작을 때는 잘 흐르다가 응력이

커지면 잘 흐르지 않는 경우이다. 이런 경우는 물체에 힘을 가하면 딱딱해지는 특성을 갖는

물체에서 나타나는 특성이다.

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왜 이런 특성들이 나타날까 ?

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점성이란 응력과 변형률의 시간적 변화에 대한 관계를 나타내 주는 특성곡선의 기울기라고

했다. 점성이란 물체의 움직임에 저항하는 성질이다. 저항하는 힘이 큰 물질은 고점성 물질

이라 하고 작은 물질은 저점성 물질이라고 한다.

위 그림처럼 유체의 맨 위층에 힘을 가하면 위층은 움직이려 한다. 맨 아래층은 고체 표면에

부착되어 있어 고체와 액체의 부착력이 크므로 흘러가지 않는다.

위 그림 왼쪽을 보면 위쪽은 변형률이 많고 아래쪽은 변형률이 작다. 이와 같이 Y축 방향에

따라 변형률이 달라지는 것을 볼 수 있다.

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유체의 점성에 의해서 많은 특성들이 나타나는데 그 중의 하나가 경계층이다. 위 그림 왼쪽

은 어떤 고체 μ(y) 앞으로 일정한 속도로 μo 유체가 다가온다고 가정하자. 이 유체의 맨 아래

부분은 고체에 부딪히게 되는데 고체와의 부착력에 의해서 움직이지 않게 되고 위쪽으로

갈 수록 유체는 많이 흘러가게 되어 경계층을 이루는 모습을 보여 준다.

​

그러면 점성이 왜 발생하는 것일까 ?

위 그림 왼쪽은 물분자를 나타내 준다. 물 분자는 수소 2개와 산소 1개가 결합되어 있는데

수소가 편향되어 있어 마치 자석과 같은 특성을 나타낸다. 점성의 원인은 분자간의 결합력

때문에 발생한다. 오른쪽을 보면 위쪽 물분자에 힘을 가하면 만양에 물분자간에 결합력이

없다면 맨위층 4개만 움직일 것이다. 하지만 물분자간 결합력에 의해 이동하는 분자를 다른

분자들이 장아 당기게 되어 층층간의 분자들에 영향을 주게 된다.

점성은 분자간의 결합력에 의한 운동량의 배분으로 발생한다. 그러면 어디까지 이동할까?

힘에 의해 물이 유동을 하면 분자간에 마찰이 생길 것이고 이 마찰에 의해 운동에너지가

열에너지로 변형이 발생하고 발생된 열에너지는 공기중으로 전달되어 운동에너지가 열에너지로 소모가 된다.

이에 따라 운동에너지가 전부 열에너지로 소모될 때까지 이동하게 된다.

점성이 나타나는 두번째 원인은 분자간의 충돌에 의해 발생한다. 기체의 경우에는 공기분자

가 충돌하여 운동에너지가 배분되어 점성이 발생한다.

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위 그림은 액체와 기체간 점성계수를 비교해 보았다.

위 그림에서 같은 액체라도 바닷물이 순수한 물보다 점도가 높은 것을 알 수 있다.

기체의 경우에도 물질의 종류에 따라 점도가 달라지는 것을 볼 수 있다.

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액체는 온도가 올라가면 점성계수는 낮아지는 반비례관계에 있다.

반면 기체은 온도가 올라가면 분자의 운동이 활발해져서 입자간에 충돌이 발생하여 점성계

수가 높아지는 비례관계에 있다.

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2. 점성방정식

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모든 유체는 점성을 가지고 있다.

점성에 의해 유체의 흐름이 달라지게 되는데 이에 대하여 알아 보자.

위 그림은 정4각형 dx, dy 크기의 유체입자가 있다고 가정하고 Y축과 수직으로 압력이

가해지고 위 아래면에는 전단력이 가해진다고 하자.

어떤 유체입자에 가해지는 힘의 평형이 이루어졌다고 하자. 예를 들면 x축 방향의 힘이

평형을 이루었다고 하면 x축에 가해지는 힘을 모두 더하면 "0"이 되겠다.

힘이 "0"이라는 식을 정리하면 위와 같은 식이 도출된다.

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이와 같은 점성방식에 의해 예제를 풀어 보자.

위 식에서 점성은 관의 직경에 비례함을 알 수 있다.

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위 그림은 스토크의 원리에 대해 말하고 있다.

위 그림에서 보면 빨간색 물체에 그 주위로 유체가 흐르고 있는 것을 보여준다.

유체 역학중에서 매우 중요한 원리이다.

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위 그림은 정착되어 있는 유체의 표면에 판넬을 올려 놓고 움직이는 실험이다.

위 쪽으로 갈 수록 유체의 움직임이 커짐을 알 수 있다.

이때 물 흐름의 변화율이 일정하고 압력차가 발생하지 않는다.

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#유체 #점성 #점성방정식 #점성유체 #이상유체 #Newtonian #항복점 #탄성계수

#고체 #액체 #기체 #응집력 #부착력 #응력 #저항력 #전단응력

Stress의 어원적 의미

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응력의 영어 표현인 Stress에 대해 알아보자. 이 말은 라틴어 'Strictus, Stringere'에서 유래했다고 했다고 하는데

라틴어로 '팽팽하게 죄다'라는 뜻이라고 한다. 어떤 물체에 외력을 가하면 변형 (Strain : 압박, 부담)이 발생한다.

이 변형에 맞서 원래 상태를 유지하기 위해 내부 상호간에 발생하는 하는 힘으로 '팽팽하게 죄는 힘'이 스트레스의

원래 의미이다.

우리가 스트레스를 받으면 근육이 긴장되고 뻣뻣해지는 느낌을 표현하기도 하는데 영어의 Stress가 외력에 대한

대항력으로 평형상태를 유지하려고 하는 내부의 저항력이라는 의미를 잘 나태내 주고 있는 것 같다.

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응력의 단위

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응력은 외력에 짝을 이루어 대응하는 힘이므로 단위는 뉴톤(N)이다. 어떤 물질을 외력이 작용했을 때 저항하는 능력이

다른데 이를 응력도라고 한다. 응력도는 힘을 단위 면적으로 나눈값 (N/㎟)이다.

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응력의 종류

탄성이 있는 어떤 물체에 힘을 가하여 잡아 당기면 늘어나고, 누르면 찌그러지며, 구부리면 휘어지고, 엇갈리게 누르면

비스듬히 미끄러진다. 외부의 힘이 작용하는 방식에 따라 이들을 인장, 압축, 힘, 전단력이라고 부른다.

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인장과 압축은 물체의 축방향으로 늘어나거나 압축하는 것으로 서로 반대방향의 축력(축방향력)이라 할 수 있고 휨이나

전단도 결국 내부에 인장과 압축이 복합적으로 작용하는 것이라고 볼 때 인장과 압축이 가장 기본적인 응력이라고 할 수

있다.

인장응력은 물체를 길이 방향으로 잡아 당기는 힘에 대응하는 저항력이다. 우리 주변에 거미줄에서 이러한 현상을 볼 수

있는데 거미줄은 인장응력도가 높은 물질로 구성되어 있어 자신의 부피보다 큰 물질을 지탱할 수 있다.

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압축응력은 물체에 수직방향으로 누르는 압력에 작용한다. 달걀이나 조개껍질에 외력에 대응하는 힘은 주로 압축응력에

대한 것이다.

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휨응력은 가로 놓은 물체를 누를 때 구부러지면서 발생한다. 내부공간을 육면체로 만들려면 대들보 처럼 가로로 놓이는

물체가 필요한데 이 대들보는 중력방향을 가로 질러서 놓이기 때문에 가운데가 구부러지게 된다. 휨 응력은 결국 압축과

인장이 복합적으로 작용하는 것이다.

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전단응력은 물체에 엇갈리게 누르는 힘이 작용할 때 발생한다. 두 철판을 볼트, 너트로 체결한 후 서로 엇갈리게 당기면

볼트에는 전단응력이 발생한다. 전단응력도 결국 압축과 인장이 복합적으로 작용한다고 할 수 있다.

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#응력 #압력 #인장응력 #전단응력 #스트레스 #변형 #저항력 #중량 #압축 #축동력

#평형 #뉴톤 #Newton #하중 #경로

1. 증기압, 증발, 비등

▣ 증기압 : 기체가 갖을 수 있는 액체에 대한 최적분율 또는 질량분율을 말한다.

▣ 액체가 기체로 변화하는 현상에는 증발과 비등이 있다.

위 그림의 왼쪽을 보면 물은 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체의 형상을 보임을 알 수 있

다. 그림에서 1기압 상태에서 0[℃]까지는 물음 얼음(고체), 0 ~ 100 [℃]에서는 액체, 그

리고 100 [℃]를 넘은면 기체 상태에 있는 것을 알 수 있다.

증기압은 액체와 기체가 열적인 평형상태를 이루는 것을 말한다. 열적인 평형이란 위 그림

의 오른쪽 그림에서 나타내는데 예를 들어 액체인 물이 기체가 되기 위해서는 일정한 에너

지를 필요로 한다. 위 그림에서 100 [℃] 에서는 공기중에 100[kPa] 만큼의 수증기가 존

재할 수 있는 것을 알 수 있다. 이 때 온도를 50 [℃]로 낮추면 공기중에 20[kPa] 압력 만큼

의 수증기만 있을 수 있어 나머지 수증기는 물방울로 맺히게 된다. 위에서 증기압은 포화증

기압이라고 가정했을 때의 예이다.

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가. 증발(Evaporation)과 비등 (Boiling)

증기압에 대하여 이야기할 때 증발과 비등을 구분해야 한다. 액체가 기체가 되는 것은 증발

이나 비등이나 같다. 그러나 실제 물리적인 메카니즘은 다르다. 위 그림에서 보듯이 증발은

유체가 공기와 만나는 면에서 발생한다. 그러나 비등은 공기와 만나는 면 뿐만 아니라 유체

내부에서도 발생한다. ※ 위 그림에서 정수압은 물에 의한 수압을 말한다.

비등은 유체의 체적작용으로 유체 온도에 해당하는 포화증기압이 유체 압력과 같아져서 유

체 내부에서도 기포가 발생하게 된다.

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나. 낮은 온도에서 비등과 공동화 현상 (Low Pressure Boiling - Cavitation)

앞에서 온도를 낮추면 기체의 포화증기압이 낮아진다고 했다. 이번에는 압력을 낮추면 끓는

점이 낮아지게 된다. 즉, 낮은 온도에서도 비등(보일링)현상이 발생하게 된다. 대표적인 현

상이 공동화 현상 (Cavitation)을 들 수 있다. 예를 들면 관에서 프로펠러가 돌면 프로펠러

주변의 유속이 매우 빨라지게 된다. 이 때 베르누이 법칙에 의해 유속의 제곱에 비례하여

압력이 변하게 된다. 유속이 빨라지면 속도의 제곱에 비례하여 압력이 낮아진다. 압력이 떨

어지면 온도가 100[℃] 보다 낮음에도 유체 속에서 기포가 발생하는 공동화 현상 (Cavitaion) 현상이

발생하게 된다. 이 공동현상은 기기류에 매우 치명적이다. 속도가 높아지면서 발생한 기포는

다시 속도가 낮아지면 압력이 높아져서 기포가 존재할 수 없는 상황이 되게 되는데

이 때 기포는 뽀개지고 기포가 분열하게 되는데 기포가 뽀개지면서 매우 큰 충격에너지가 발생하게 된다.

위 그림의 오른쪽을 보면 유체에 Cavitation이 발생하여 그 충격으로 인해 강철로 만든 프로펠러(회전날개)가

파괴된 모습을 볼 수 있다. 이와 같이 기포는 기기에 매우 큰 충격을 주게 된다.

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2. 비열(Specific Heat)과 에너지 (Energy)

어느 평면에 수직으로 작용하는 힘을 면적으로 나눈 것을 압력이라고 하고 접선 방향으로

작용하는 힘 즉, 전단력을 면적으로 나눈 것을 전단응력이라고 한다.

위 그림에서 어떤 물체를 꺾었을 때 위 부분은 늘어났고 아래 부분은 수축하였다. 늘어난 부

분은 전단응력이 작용하여 Normal Stress가 발생했고 아래 부분은 수직압력이 작용했다

고 볼 수 있다.

위 그림 왼쪽은 실린더에 피스톤이 있는데 이 때는 평형상태에 있었다. 그런데 피스톤에

500[kg]을 올려 놓았다면 이 때의 압력은 500[kg] / 피스톤 단면적 이라고 할 수 있다.

오른쪽 그림은 4각형 모양의 물체에 수직방향도 아니고 접선방향도 아닌 방향으로 힘이

작용한 경우를 보여주고 있다. 위의 힘은 수직방향과 접선방향의 힘으로 구분할 수가 있는

데 이 힘을 면적으로 나누면 압력과 전단응력이 된다.

위 그림은 하천에 세워진 교각에 물의 흐름에 의한 영향을 보여주고 있다.

교각에는 물의 흐름에 의해 수직방향의 압력과 접선방향의 마찰력 즉, 전단응력이 함께

작용하게 된다.

압력은 어떤 면 A에 수직으로 작용하는 힘 F가 있다면 힘을 면적으로 나눈 것이다.

즉, 압력 P = F / A 이다.

절대압력은 압력이 "0"[Pa]에서 측정한 압력을 말하고

상대압력은 표준대기압 즉, 101,300 [Pa]에서 측정한 압력을 말한다.

따라서 상대압력이 절대압력보다 101,300 [Pa] 만큼 작게 된다.

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#증기압 #증발 #비등 #수증기 #압력 #온도 #공동현상 #Cavitation #비열 #잠열

#기화열 #에너지 #힘 #전단응력 #표준대기압 #절대압력 #상대압력

【 장력이란 】

장력이란 분자 사이에는 서로 당기는 힘이 있는데 분자간 위치를 복원하려는 위치 에너지가 있는데 어떤 힘이 가해졌을 때 원상태로 복귀하려는 힘을 장력이라고 한다.

장력은 어떤 가해진 힘에 대한 반작용으로 발생하며 물리학에서는 장력은 힘은 아니지만 힘의 단위를 가지며 뉴턴으로

측정된다. 장력은 질량을 길이의 함수로 보았을 때 길이에 대하여 미분한 양이 된다. 연관된 개념으로 인장강도 (tensile strenth)가 있는데 이는 어떤 물질에 절단되도록 끌어 당겼을 때 견디는 최대 하중을 말한다.

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【 표면장력 】

표면장력은 액체의 표면이 스스로 수축하여 되도록 작은 면적을 취하려는 힘의 성질을 말하며 일종의 계면장력이다.

분자 사이에 작용하는 힘에 따라 분자가 서로 접촉하여 응축하려 하고 그 결과 표면적이 작은 원모양이 되려고 한다.

그 원인으로 물속의 액체 분자들은 모든 방향으로 다른 분자들을 서로 당기게 되는데, 이에 의하여 물속 분자간에는

알짜힘이 "0"이 된다. 그런데 표면에 있는 분자는 일부 방향으로만 당겨지게 되고 힘의 알짜 힘이 "0"이 아닌 상황이

발생하여 표면 장력이 발생하게 된다.

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1. 표면장력 (Surface tension)

표면장력은 분자들의 응집력에 의해 발생하게 되는데 물(유체) 속에서는 물분자의 응집력 이 모든 방향으로 발생하므로

힘이 모두 상쇄되지만 물이 공기와 접하는 부분에서는 수직 방향에서는 공기의 압력과 물의 압력차이로 힘을 받게 되고

접하는 면의 접선 방향은 물 분자간의 응집력만 받게 되므로 이를 표면장력이라고 하며 이는 표면장력을 최소화하려고

구 모양을 취하게 된다. 표면장력은 단위를 힘(N/m)으로 나타내며 기호로는 시그마(σ)로 나타내며 힘은 F = ma 으로 나타내며 힘을 질량과 가속도와 연관이 있다. 또한 표면장력은 단위 길이당 힘을 말하는 것으로 길이와도 연관이 있다.

표면장력은 온도와도 연관이 있다. 온도가 높아지면 분자운동이 활발해 지므로 응집력이 떨

어지게 되는데 표면장력은 응집력으로 발생하므로 온도가 높으면 표면장력은 감소한다.

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▣ 표면장력 계산의 예

아래 그림은 작은 물방울의 단면을 나타낸다. 물방울은 물의 내부압력 (internal pressure, Pi)와 외부 공기의 압력(External

pressure, Pe)의 차이 △P 에 의하여 물방울이 확산되려는 힘을 받게 된다. 물방울이 형성되는 것은 이와같이 물방울 내외

부의 압력차이 △P 에 대한 반작용인 표면장력 σ 가 평형상태를 이루기 때문에 형성되는 것이다. 이 때 물방울의 내외부

압력차이는 압력의 개념이 단위 면적에 가해지는 힘을 나타내므로 물방울 구의 단면적에 힘이 가해지게 되며 구의 단면적

은 πr2이 된다. 표면장력은 구 원의 둘레에 작용하므로 2πr 에 작용하게 된다. 따라서 다음과 같은 식이 성립하게 된다.

2. 모세관 현상 (Capillary action)

앞에서 물 분자간에는 응집력이 작용한다고 했다. 같은 물질간의 분자간에 상호 끌어당기는 힘을 응집력이라고 하고 다른

물질간에 서로 당기는 힘을 부착력이라고 한다. 유체표면에서 유체간에 끌어 당기는 힘을 표면장력이라고 했는데 이들

표면장려과 응집력, 부착력이 상호작용하여 발생하는 현상으로 가르다란 관을 따라 유체가 따라 올가가는 현상을 말한다.

물의 경우에는 아래 왼쪽 그림과 같이 물의 비중력 보다 유리관에 부착력이 더 커서 유리관 위로 올가게 되고 (액체와 유리관 접착력 > 액체의 비중력(응집력)) 표면장력이 위쪽 방향으로 발생하므로 물을 끌어 올리게 되며 상승 높이는 표면장력의

힘과 (2πrσcosθ) 그로 인해 딸려 올라간 물의 무게 (γπr2h)가 평형을 이루는 지점까지가 된다.

수은은 유리관에 부착하려는 힘보다 응집력이 더 큰다. 유리벽 사이의 부착력이 수은 내부의 응집력 보다 작게 된다.

이로 인해 관 내부 주변의 표면이 아래로 향하게 되고 표면장력은 아래로 작용하게 되어 수은을 아래로 끌어 내래게 된다. 이때에도 표면장력에 의해 표면이 낮아진 액체의 부피에 해당하는 무게 만큼 위로 작용하는 부착력과 표면장력이 균형을

이루는 높이 만큼 낮아지게 된다.

3. 접촉각 (Contact angle)

공기중에 떠 있는 액체는 표면장력에 의해 구형태를 취하려고 하지만, 액체와 공기, 물체의 표면과 같이 3상이 만나게 되는

경우, 액체와 물체의 표면의 부착력(Adhesive force)과 액체의 응집력과의 관계에 따라 액체, 공기와 물체 표면 사이에 일정

한 각이 만들어 진다.

이것을 접촉각이라고 하며 접촉각은 물체 및 액체의 종류(성질), 표면의 상태(오염도) 등에 따라 달라진다.

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일반적인 표면에 대하여 물의 접촉각은 θ < π /2 이며, 이 경우 물은 잘 젖는 (wetting) 액체라고 한다. 반면에 수은은 접촉각

이 θ > π /2 로 non-wetting 액체라고 할 수 있다. 하지만 표면이 물을 잘 부착시키지 않는 소수성(Hydrophobic surface)

성질을 갖고 있다면, 이 경우엔 물도 θ > π /2 의 접촉각을 가질 수 있다. 방수 기능이 있는 등산복이나 우비에 물방울이

잘 달라붙지 않고 물방울처럼 맺혀 있다가 톡톡 털어내면 떨어지는 원리가 바로 기능성 원단 (소수성)을 사용했기 때문

이다. 이와는 반대로 물이 잘 부착되는 표면을 친수성(Hydrophilic surface)라고 한다.

#접촉각 #표면장력 #계면장력 #장력 #모세관현상 #친수성 #소수성 #응집력 #부착력

1. 표면장력

위 그림에서 수도꼭지에 물방울이 붙어 있고 물에 소금장이가 떠 있고 클립이 유류에 떠있으며

잎새에 물방울이 붙어 있는 것을 볼 수 있다. 어떻게 이런 일들이 발생할 수 있을까 ?

이런 현상은 액체와 기체간 또는 액체가 다른 물질과 만났을 때 나타나는 표면장력 때문에

발생한다. 위 그림 오른쪽을 보면 물분자들을 나타낸다. 물분자 위쪽으로는 공기와 접촉면

이 있다. 분자와 분자 사이에는 끌어 당기는 힘이 있다. 끌어 당기는 힘에는 같은 분자끼리

끌어 당기는 응집력과 다른 분자끼리 끌어 당기는 부착력이 있다. 물분자는 균일하게 분포되어 있어서

물분자의 경우 사방에서 균일한 힘이 작용하여 힘의 평형을 이루지만 물과 공기가 만나는 면에서는

물분자의 끌어 당기는 힘이 커서 힘의 불균형이 발생한다.

따라서 힘의 불균형을 최소화하기 위해 물은 표면을 구 형태로 만들게 된다.

그럼 지구 위에서 물방울은 완벽한 구의 형태를 이룰까 ?

아니다. 표면장력의 불균형으로 물방울이 구형태를 이룰려고 하지만 지구의 중력에 의해

완벽한 구 모양을 이룰 수 없다.

표면 장력은 σ 로 나타내는데

σ = 경계면의 힘 / 경계면의 길이

즉, 시그마(σ)는 경계면에 작용하는 힘을 경계면의 길이로 나누어 준 것이다.

응집력은 같은 물질이 끌어당기는 힘 (Cohesive Force)라고 하고 부착력은 다른 물질이

서로 끌어 당기는 힘 (Adhesive Force)라고 한다.

딱풀은 종이와 다른 물질을 붙이는 것으로 부착력을 이용하는 것이다. 위 그림에서 물방울

이 거미줄에 붙어 있는 것을 볼 수 있는데 이는 거미줄과 물방울에 작용하는 부착력이 물방

울에 작용하는 중력보다 크기 때문이다. 그림 아래에서 블록을 물에 적은 땅에 놓으면 불록

위로 물이 스며드는 것을 볼 수 있는데 이러한 현상은 물과 블록의 입자간의 부착력으로

발생한다.

위 그림에서 처럼 나뭇잎 위에 물방울이 만들어 지는 것은 물 내부의 압력과 공기의 압력 그

리고 물 표면의 표면장력에 의해서 만들어 진다. 오른쪽 그림의 붉은 색을 물이라고 가정하

면 물방울 내의 압력과 공기에 의한 압력의 차이를 △P라고 하고 경계면에서 작용하는 힘을

Fσ 표면장력이라고 하면 표면장력과 물방울의 내외부의 압력차이에 의해 물방울의 크기가

결정되게 된다.

표면장력과의 힘의 평형에 의해 물방울이 만들어 지므로 Fσ = σL =△PA라고 할 수 있다.

△PA에는 경계면에서 압력차를 나타내는데 A는 단면적을 나타낸다. 즉, 압력은 면적에

대한 개념이므로 힘의 차이를 나타내는 특정 구의 단면적을 말한다. 또한 σ 는 표면장력을

나타내는데 물질마다 다르다. 여기서는 물의 표면장력을 말하며 L은 물방울 구의 원주를

말한다. 따라서 L = 2πr 로 나타낼 수 있고 A = πr2 이다. 따라서 △P = 2σ / r 이 된다.

이 식의 의미는 압력의 차이는 물방울의 크기와 반비례하게 된다. 따라서 지표면에서의

물방울은 커지고 높은 곳에서의 물방울은 작아지게 된다.

이 때 표면장력 σ 는 온도에 따라 변화하게 된다. 아래 그림의 그래프는 물의 표면장력과 온

도와의 관계를 보여주고 있다.

위 그림은 거품 기포의 표면장력을 나타내는데 기포(거품)의 경우에는 표면장력이 2개가

작용한다. 즉 기포의 물은 내부와 공기 및 외부의 공기와의 표면장력이 발생하게 되어

△P = 2 σ / r 이란 식이 성립하게 된다.

따라서 기포가 물방울 보다 커지게 된다.

위 그림은 물이 접촉하는 물질이 친수성인지, 소수성인지를 구별하는 것인데, 위 그림 위 왼

쪽에는 연꽃잎에 물방울은 구의 형태를 이룰려고 하며 연꽃잎은 대표적인 소수성 물질이다.

그런데 물방울은 연꽃잎과 닿는 면적이 넓어져 접촉각 즉 바닥면선과 물의 접선이 만나는

각이 둔가 90 ˚ 를 넘게 된다. 그런데 친수성 물질에 물방울을 놓으면 접촉각이 예각 90˚

보다 작게 된다. 이와같이 친수성과 소수성이 나타나는 원인은 물이 갖고 있는 극성 때문이

다. 물분자는 산소원자 1개와 수소원자 2개가 결합한 형태인데 수소원가 2개가 한쪽에

치워쳐 붙어 있어서 물분자는 극성을 띠게 되는데 수소원자가 있는 곳이 플러스(+)가 되고

수소원자가 없는 곳이 마이너스(-)가 된다. 자동차 서리제거제 티타늄 다이옥사이드는

대표적인 친수성 물질이다. 유리는 소수성 물질이라서 물을 뿌리면 물방울이 땡그르르 떨어

지는데 티타늄 다이옥사이드를 뿌리면 친수성 물질이라서 유리표면에 달라붙어 서리를 제

거 하게 된다.

​

2. 모세관 현상 (capillary action)

위 그림은 모세관 작용에 대한 그림이다.

물은 지구상에 있는 액체 중에서 용해력이 매우 높은 물질중 하나다. 이런 용해작용에 의하

여 식물들이 땅속에서 물이 각종 미네랄을 녹여서 미네랄을 함유하고 있으면 이 물을 뿌리

를 통해서 흡수하여 영양분을 흡수하게 된다. 위 그림의 가운데 부분은 유리관 2개가 물에

꼽혀 있는데 작은 유리관의 물이 더 높이 올라가 있는 것을 볼 수 있다. 실제로 유리관 속에

도 중력이 작용하므로 유리관 밖에 있는 물과 수면이 같아야 하는데 유리관 표면과 물의

상호작용에 의해서 작은 유리관의 물이 높이 올라가게 된다.

유리관의 관표면과 물이 올라가 있는 부분을 확대하여 보면 물의 입자들이 있는 것을 볼 수

있다. 검은 색 구가 유리의 고체 입자이고 노란색 구가 물의 액체입자이다. 유리 분자와 물

간에는 부착력이 작용하고 물분자 상호간에는 응집력, 그리고 물분자와 공기사이에는 표면

장력이 작용한다. 모세관 작용은 이와같은 부착력, 응집력, 표면장력에 의해 발생한다.

오른쪽 그림을 보면 물이 올라간 물량의 중력은 물의 부피 × 비중량 으로 나타낼 수 있고

표면장력은 관의 둘레에 접촉각의 코사인값에 의해 구할 수 있다.

이 힘이 같을 때까지 물이 올라가게 된다.

위 그림은 물에 유리관을 꼽은 경우와 수은에 유리관을 꼽은 경우를 비교한 것이다. 물은

유리관을 통해 올라가고 수은은 오히려 내려간다. 이러한 현상은 왜 일어나는가 ?

이는 응집력과 부착력은 질량과 관련이 있는데 물의 경우에는 물의 응집력 보다 유리의 부

착력이 크고, 수은의 경우에는 수은의 응집력이 유리의 부착력 보다 크기 때문에 이러한 현

상이 발생한다.

위 그림에서는 육면체에 형성되는 거품이 평면이 되는 것을 보여 준다.

그런데 왜 구가 되지 않고 평면이 되는 걸까 ? 평면은 구의 지름이 ∞인 경우를 말한다.

반지름r이 무한대 이면 압력차는 "0"이 된다. 즉, 육면체 거품의 안과 밖의 압력차가 없기

때문에 표면이 평면이 되는 것이 가능해지는 것이다.

​

#유체 #유체역학 #표면장력 #응집력 #부착력 #물 #수은 #구 #물방울 #압력

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

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