개념 한 쪽
유체 역학의 기초는 유체의 압력·유속 변화와 이에 따른 에너지 변환을 다루는 영역이라 한다. 수격작용은 유속의 급격한 변화에서 발생하는 압력 충격이라 한다. 열량 문제는 현열과 잠열을 구분해 합산하는 방식으로 해결한다고 한다. 펌프 동력과 수압 계산은 단위변환과 기본 공식을 정확히 적용하는 것이 핵심이라 한다.
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출제기준 단원 「유체 역학의 기초」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 열량 계산(비열 이용) | 1 | 질량·비열·온도차로 필요한 열량을 구하기 |
| 표면 세정법 판별 | 1 | 샌드 블라스트의 정의와 특성 중 틀린 설명 찾기 |
| 물 가열 열량 계산 | 1 | 물의 질량과 비열로 가열에 필요한 kcal 산정하기 |
수격작용(워터 해머)은 파이프 내부를 흐르던 유체가 갑자기 멈추거나 방향이 바뀔 때, 유체의 관성으로 인해 관로에 큰 압력 충격을 주는 현상이라고 한다. 흐르는 물의 급정지나 밸브의 급폐색, 펌프의 급정지 등 유속의 급격한 변화가 수격작용을 유발한다고 한다. 반대로 유체가 아직 흐르지 않은 정지 상태에서는 유속 변화가 없으므로 수격작용이 발생하지 않는다고 한다.
유체의 열량 계산은 현열과 잠열을 구분하여 처리한다고 한다. 현열은 질량·비열·온도변화의 곱(Q = m·c·ΔT)으로 구하며, 상변화가 수반될 때는 상태변화에 필요한 잠열을 추가로 고려해 총열량을 구한다고 한다. 예컨대 물을 가열해 증기로 바꾸는 문제에서는 물을 데우는 현열과 기화에 필요한 잠열을 합산한다고 한다.
정수압과 전압력 계산은 압력 = 수두 × 단위중량(γ) 관계와 전압력 = 압력 × 면적 공식을 적용한다고 한다. 예로 깊이에 따른 압력은 수심에 단위중량을 곱해 구하며, 이를 밑면적에 곱하면 전압력이 된다고 한다. 단위중량과 면적을 올바르게 대입하는 것이 중요하다고 한다.
펌프 동력은 단위중량·유량·양정의 곱을 일정 상수로 나눈 식으로 구한다고 한다. 분당 유량을 초당 유량으로 변환하는 등 단위 환산을 정확히 수행하고, 공식 P(kW)=γ·Q·H/102를 적용한다고 한다.
대표 계산 1 — 물 5ℓ(=5kg)을 0℃에서 30℃로 가열하는 열량을 구한다. 물의 비열은 1kcal/kg℃이므로 Q = m·c·ΔT = 5kg × 1 × 30℃ = 150kcal가 필요하다고 한다.
대표 계산 2 — 질량 10kg, 비열 0.5kcal/kg℃인 유체를 20℃에서 80℃로 가열하는 열량을 구한다. Q = 10 × 0.5 × (80−20) = 300kcal가 필요하다고 한다.
20℃의 유체 10kg을 80℃로 만드는데 필요한 열량은 몇 Kcal 인가? (단, 이 유체의 비열은 0.5kcal/Kg℃ 이다.)
정답 ① · 문제는 질량·비열·온도차를 이용한 열량 계산을 요구한다. 열량 Q는 Q = m × c × ΔT 공식을 사용하며, 여기서 m=10 kg, c=0.5 kcal/kg·℃, ΔT=80−20=60℃이므로 Q = 10 × 0.5 × 60 = 300 kcal가 된다.
열량 Q는 질량 m에 비열 c와 온도차 ΔT를 곱한 값으로 계산된다.
샌드 블라스트 세정법에 관한 설명 중 틀린 것은?
정답 ④ · 문항은 샌드 블라스트 세정법에 대한 설명 중 틀린 것을 묻고 있다. 샌드 블라스트는 고압의 공기나 질소로 연마재(모래 등)를 분사해 표면의 스케일을 물리적으로 제거하는 방식이며 화학 세정액을 병행 사용하는 공정은 아니다.
샌드 블라스트는 고압 공기나 질소로 모래를 분사하여 스케일 제거하는 물리적 세정법이다.
5ℓ 의 물을 0℃에서 30℃로 가열하는데 필요한 열량은 몇 kcal 인가?
정답 ③ · 문제는 물 5ℓ를 0℃에서 30℃로 가열하는 데 필요한 열량을 계산하라는 것이다. 물의 비열은 1 kcal/kg·℃이므로 질량 5 kg에 온도차 30℃를 곱하면 Q = 5 × 1 × 30 = 150 kcal가 된다.
열량(Q)은 물의 질량(kg)에 비열(1kcal/kg℃)과 온도 변화(℃)를 곱하여 계산한다.
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