개념 한 쪽
용해가스 개념은 기체가 액체나 다른 기체와 섞이며 나타나는 물성 변화를 다룬다. 혼합 기체의 밀도, 연결 용기의 평형 압력, 동점도 단위, 비중의 기준 물질이 함께 묻힌다.
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출제기준 단원 「용해가스」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 혼합 기체 평형 압력 | 1 | 두 용기를 연결했을 때 도달하는 압력을 계산하기 |
| 동점도 단위 환산 | 1 | 센티스토크 값을 제곱미터 매 초로 바꾸기 |
| 유체 물성 정의 판별 | 1 | 비중의 기준 물질을 포함한 물성 설명의 옳고 그름을 가리기 |
혼합 기체의 밀도는 평균 분자량을 표준상태 몰부피로 나누어 구한다. 산소와 질소의 체적비가 1 대 4인 공기는 전체 5부피 중 산소가 1, 질소가 4이므로 평균 분자량은 각 분자량에 체적 비율을 곱해 합산한 값이 된다. 표준상태에서 기체 1몰의 부피가 정해져 있으므로 평균 분자량을 그 값으로 나누면 밀도가 나온다.
기체를 담은 두 탱크를 연결하면 기체가 섞이며 양쪽 압력이 같아진다. 온도가 일정하면 압력과 부피의 곱이 보존되므로 처음 두 탱크의 PV 합을 구한 뒤 연결 후 총부피로 나누면 평형 압력이 된다. 초기 압력값이나 단순 평균은 물리 법칙에 어긋난다.
동점도는 점성을 밀도로 나눈 값으로 면적 나누기 시간의 단위를 가진다. 스토크스와 센티 접두어의 지수를 합산해 기본 단위로 환산한다. 점성계수의 차원은 전단응력을 속도기울기로 나누어 유도하며 질량, 길이, 시간의 조합으로 나타난다.
비중은 기준 물질과 비교한 밀도비다. 일반적인 유체의 비중 기준은 물이며 수은을 기준으로 삼으면 정의와 어긋난다. 정지한 유체는 전단응력을 견디지 못하므로 정지 상태에서 전단응력은 영이 된다.
실제 기체의 압력, 부피, 온도 관계는 비리알 방정식으로 보정한다. 도플러 효과는 파원의 운동에 따른 주파수 변화를 이용하므로 초음파 유량계와 연결된다.
혼합 기체 밀도 문제는 평균 분자량을 구한 뒤 표준상태 몰부피로 나누는 두 단계를 요구한다. 연결 용기 문제는 PV 합을 총부피로 나누는 보존 원리를 적용한다. 동점도 문제는 센티 접두어 지수와 스토크스 지수를 합산해 환산 계수를 정한다. 비중 문제는 기준 물질을 물로 잡고 수은으로 바꾼 선지를 함정으로 둔다. 정지 유체의 전단응력을 영이 아니라고 하거나 점성계수 차원을 밀도 차원과 뒤바꾸는 선지도 함정이다.
5리터들이 탱크에는 9기압의 기체가 들어 있고 10리터들이 탱크에는 12기압의 같은 기체가 들어 있다. 이 두 탱크를 연결하여 양쪽 기체가 서로 섞여 평형에 도달했을 때의 압력은?
정답 ③ · 두 탱크를 연결한 뒤 평형 압력을 구하는 문제이다. 온도가 일정한 등온 과정이므로 보일 법칙에 따라 각 탱크의 PV 값이 보존된다.
보일-샤를 법칙에 따라 온도가 일정할 때 압력과 부피의 곱은 일정하므로 평형 압력을 계산할 수 있다.
980centi stokes 의 동점도(kinematic viscosity)는 몇 m²/sec 인가?
정답 ② · 동점도의 단위 환산 문제이다. 1스톡스(st)는 10⁻⁴ m²/sec이고, 센티(centi)는 10⁻² 배이므로 1cSt = 10⁻⁶ m²/sec가 된다.
1 stoke은 10⁻⁴ m²/sec이므로, centi(10⁻²)를 곱하면 10⁻⁶ m²/sec가 되어 9.8×10⁻⁴가 된다.
유체의 물성 또는 힘에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
정답 ③ · 비중(Specific Gravity)은 특정 온도에서 어떤 유체의 밀도와 4℃(또는 1기압)에서의 물(또는 공기)의 밀도와의 비율(차원이 없는 값)을 의미합니다. 즉, 기준 물질은 수은이 아니라 표준 상태의 물입니다.
비중은 기준 물질을 수은이 아닌 4℃의 물(또는 표준 상태의 공기)과 비교한 밀도비이므로 ③이 틀렸다.
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