본문내용
1. 유체의 성질
1.1. 밀도와 점도
1.1.1. 밀도의 개념과 단위
유체의 밀도(density)는 그리스 문자 ρ(rho)로 표시되며, 단위부피당 질량으로 정의된다. 밀도는 유체의 질량 특성을 나타내기 위해 주로 사용되는데, BG단위계에서 ρ의 단위는 slug/ft³이고 SI 단위계에서는 kg/m³이다.
유체의 밀도는 유체의 종류에 따라 크게 차이날 수 있다. 같은 액체에서도 압력과 온도 변화에 따른 밀도의 변화는 매우 적다. 반면에 기체의 밀도는 압력과 온도 모두에 의해 영향을 받는다.
즉, 밀도는 유체의 물리적 특성을 나타내는 중요한 성질이며, 유체역학에서 질량의 특성을 표현하기 위해 주로 사용되는 개념이다. 이러한 밀도의 정의와 단위는 유체의 거동을 이해하고 예측하는데 필수적인 정보를 제공한다.
1.1.2. 점도의 개념과 뉴턴의 점성법칙
유체의 점도는 유체가 유동할 때 흐름에 대한 저항을 나타내는 성질이다. 유체의 점도는 뉴턴의 점성법칙에 의해 설명될 수 있다.""
뉴턴의 점성법칙에 따르면, 유체에 작용하는 전단응력 τ는 유체의 속도구배 du/dy에 비례한다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.""
τ = μ * (du/dy)
여기서 μ는 절대점성계수 또는 동적점성계수로 불리며, 유체의 점성을 나타내는 척도이다. 이 식에 따르면 전단응력 τ는 속도구배 du/dy에 비례하며, 비례상수 μ가 커질수록 전단응력이 증가한다.""
즉, 유체의 점도가 클수록 유체가 유동할 때 겪는 저항이 크다는 것을 의미한다. 이는 유체의 거동 특성을 이해하는데 중요한 개념이 된다.""
1.1.3. 동점성계수와 그 의미
동점성계수(kinematic viscosity)는 유체의 점성계수(absolute viscosity)와 밀도의 비로 정의되며, 기호 ν(nu)로 표현된다. 동점성계수는 유체 분자의 운동성을 나타내는 특성으로, 유체의 거동을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
동점성계수는 다음과 같이 정의된다.
ν = μ/ρ
여기서 ν는 동점성계수, μ는 절대 점성계수, ρ는 밀도를 나타낸다.
동점성계수의 차원은 면적/시간(L^2/T)으로, 단위는 m^2/s(제곱미터/초)이다. 이는 유체의 운동 특성을 잘 나타내는데, 동점성계수가 크다는 것은 유체의 운동 저항이 크다는 것을 의미한다.
동점성계수는 유체의 속도분포, 압력강하, 경계층 발달 등을 계산하는데 사용되며, 레이놀즈 수를 계산할 때도 사용된다. 레이놀즈 수는 관성력과 점성력의 비를 나타내는데, 이 비율에 따라 유체의 유동 양상이 달라진다.
따라서 동점성계수는 유체의 거동을 이해하고 예측하는데 매우 중요한 물성치라고 할 수 있다. 일반적으로 온도가 증가하면 동점성계수가 감소하여 유체의 유동성이 증가하고, 온도가 감소하면 동점성계수가 증가하여 유체의 유동성이 감소하게 된다.
1.2. 비중과 비무게
1.2.1. 비중의 정의와 계산
유체의 비중(specific gravity, SG)은 유체의 밀도와 어떤 정해진 온도에서의 물의 밀도와의 비로 정의된다. 일반적으로 그 정해진 온도로는 4℃(39.2℉)가 사용되며, 이 온도에서 물의 밀도는 1.94slug/ft³ 또는 1000kg/m³이다. 따라서 비중은 식 SG = ρ / ρH2O@4℃ 와 같이 표현된다. 여기서 ρ는 유체의 밀도이고, ρH2O@4℃는 4℃에서의 물의 밀도이다.
비중의 정의에서 알 수 있듯이, 비중은 밀도의 비이므로 단위계와 무관한 무차원량이다. 즉, 유체의 밀도와 물의 밀도 간의 상대적인 비율을 나타내는 것이다. 따라서 비중은 유체의 "무거움"을 나타내는 지표로 활용되며, 유체의 거동 특성을 파악하는데 중요한 정보를 제공한다.
비중을 계산하기 위해서는 먼저 유체의 밀도를 측정해야 한다. 이때 사용되는 대표적인 장치가 비중계(hydrometer)이다. 비중계를 유체에 넣으면 유체의 밀도에 따라 비중계가 뜨는 높이가 달라지게 되는데, 이를 통해 유체의 비중을 쉽게 측정할 수 있다.
또한 비중은 밀도와 달리 압력과 온도의 영향을 거의 받지 않는다. 따라서 일정한 온도와 압력 조건에서 측정한 비중 값은 유체의 성분 확인이나 순도 분석 등에 활용할 수 있다.
1.2.2. 비무게의 정의와 관계식
비무게의 정의와 관계식이다.
유체의 비무게(specific weight)는 그리스 문자 γ(gamma)로 표시하며 단위부피당 무게로 정의된다. 따라서 비무게는 밀도와 다음과 같은 관계가 있다.
γ = ρg
여기에서 g는 국소 중력가속도이다. 밀도가 유체역학에서 질량의 특성을 나타내기 위해 사용되는 것과 같이, 비무게는 계의 무게 특성을 나타내기 위하여 사용된다. 비무게 γ의 단위는 BG 단위계에서 lb/ft³이고 SI 단위계에서는 N/m³이다.
1.3. 유체의 거동 특성
1.3.1. 층류와 난류의 특징
층류는 유체의 흐름이 부드럽고 규칙적인 흐름으로, 유선 형태를 유지하며 층상으로 흐르는 특징을 가진다. 유체 내부에서 유...
