유체란? - 유형, 속성 및 흐름

유체란?

유체는 아무리 작더라도 일정한 전단 응력 하에서 지속적으로(변형되는) 물질입니다. 유체는 물질 상(phase)의 하위 집합이며 액체, 기체, 플라즈마 및 어느 정도는 플라스틱 고체로 구성됩니다.
일반적인 사용법에서 "유체"는 종종 "액체"의 동의어로 사용되며, 이는 기체도 존재할 수 있다는 의미가 아닙니다.

Solid

고체의 원자는 밀접하게 접촉하고 있으며, 이들 사이의 힘은 원자가 진동할 수는 있지만 인접 원자와의 위치는 변경하지 않습니다. (이러한 힘은 늘어나거나 압축될 수 있지만 쉽게 부서지지 않는 스프링으로 생각할 수 있습니다.)
따라서 고체는 모든 유형의 스트레스에 저항합니다. 고체를 구성하는 원자는 자유롭게 움직일 수 없기 때문에 고체는 쉽게 변형될 수 없습니다. 고체는 또한 원자가 상대적으로 거리를 고정하는 격자 구조의 일부이기 때문에 압축에 저항합니다.
압축 상태에서 원자는 서로 힘을 가합니다. 우리가 지금까지 연구한 대부분의 예에는 응력을 받을 때 거의 없는 단단한 물체가 포함됩니다.

 

Liquid

대조적으로, 액체는 가해질 때 쉽게 변형되고 힘이 제거된 후에는 원자가 자유롭게 미끄러지고 이웃에 대해 변하기 때문에 원래 모양으로 돌아가지 않습니다.

분자는 상호 인력에 의해 함께 고정됩니다. 액체를 뚜껑이 없는 용기에 넣으면 용기에 그대로 남아 있습니다(용기의 액체 표면 아래에 구멍이 없는 경우!). 원자는 밀접하게 채워져 있기 때문에 고체와 같은 액체는 압축에 저항합니다.

 

Gas

가스의 원자는 원자 크기보다 더 큰 거리로 분리되어 있습니다. 따라서 가스 원자 사이의 힘은 원자가 서로 충돌할 때를 제외하고는 매우 약합니다.

따라서 기체는 흐를 뿐만 아니라(따라서 유체로 간주됨) 원자 사이에 공간이 너무 많고 힘이 거의 없기 때문에 상대적으로 압축하기 쉽습니다. 열린 용기에 넣으면 액체와 달리 기체가 빠져나갑니다.

가장 큰 차이점은 기체는 쉽게 압축되지만 액체는 그렇지 않다는 것입니다. 우리는 일반적으로 기체와 액체를 모두 액체로만 지칭하고, 그것들이 다르게 작용할 때만 구별합니다.

 

유체의 종류

이상적인 유체
비압축성이며 점도가 없는 유체를 이상적인 유체라고 합니다. 이상적인 유체는 존재하는 모든 유체가 약간의 점도를 가지고 있기 때문에 가상의 유체일 뿐입니다.

실제 유체
점도가 있는 유체를 실제 유체라고 합니다. 실제 실습에서 모든 유체는 실제 유체입니다.

뉴턴 유체
전단 응력이 전단 변형률(또는 속도 구배)에 비례하는 실제 유체를 뉴턴 유체라고 합니다.

비뉴턴 유체
전단 응력이 전단 변형률(또는 속도 구배)에 비례하지 않는 실제 유체를 비뉴턴 유체라고 합니다. 이러한 유체의 경우 전단 응력과 변형률 사이의 관계는 암시적이든 명시적이든 임의의 기능적 관계입니다.

이상적인 플라스틱 유체
전단 응력이 항복 값보다 크고 전단 응력이 전단 변형률(또는 속도 구배)에 비례하는 실제 유체를 이상적인 소성 유체라고 합니다.

비압축성 유체
유체의 밀도가 외력을 가해도 변하지 않는 것을 비압축성 유체라고 합니다.

압축성 유체
유체의 밀도가 외력의 적용으로 변할 때 압축성 유체로 알고 있습니다. 밀도와 점도는 아래와 같이 유체의 종류에 따라 다릅니다.

 

아래 표는 다양한 유형의 유체의 밀도 및 점도를 나타냅니다.

 

유체의 다른 속성

각 유체는 구성 및 특정 품질면에서 다른 유체와 다르지만 모든 유체가 공유하는 몇 가지 속성이 있습니다.
이러한 속성은 다음과 같이 크게 분류할 수 있습니다.

운동학적 속성
이러한 속성은 유체 운동을 이해하는 데 도움이 됩니다. 속도와 가속도는 유체의 운동학적 특성입니다.

열역학적 특성
이러한 속성은 유체의 열역학적 상태를 이해하는 데 도움이 됩니다. 온도, 밀도, 압력 및 비엔탈피는 유체의 열역학적 특성입니다.

물리적 특성
이러한 속성은 색상 및 냄새와 같은 유체의 물리적 상태를 이해하는 데 도움이 됩니다.

 

1. 밀도
유체의 밀도는 유체의 부피에 대한 질량의 비율로 정의됩니다. 그리고 기체의 밀도는 압력과 온도에 따라 달라지지만 액체의 밀도는 일정하게 유지됩니다.

물의 밀도는 1000kg.㎥이고 공기의 밀도는 1.225kg.㎥입니다. 유체를 더 잘 이해하는 데 도움이 되는 유체와 관련된 몇 가지 기본 속성이 있습니다.

 

ρ = 유체의 질량 / 유체의 부피

ρ = 밀도

kg.㎥ = 밀도의 SI 단위

 

2. 점도
점도는 응력을 극복하기 위한 유체의 저항 정도를 결정하는 유체 특성입니다. 유체가 인접한 다른 층 위의 한 층의 유체 흐름에 저항을 제공하도록 하는 것은 유체의 특성입니다.
액체에서 점도는 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 기체에서 점도는 온도가 증가함에 따라 증가합니다.

3. 압력
고체에서 사용되는 응력과 유사한 유체에서 사용되는 용어입니다. 둘 다 적용된 힘과 표면의 면적(힘이 적용되는)의 비율입니다. 유체의 압력은 유체의 단위 면적당 힘입니다. 즉, 힘의 방향에 수직으로 유지되는 유체의 면적에 대한 유체에 가해지는 힘의 비율입니다.
압력은 문자 'P'로 표시됩니다. 단위는 N/㎡입니다.

4. 온도
이것은 유체의 따뜻함이나 차가움 또는 열의 강도를 결정하는 속성입니다. 온도 눈금을 사용하여 측정한 온도입니다. 다음 3개는 일반적으로 사용되는 온도 눈금입니다.

섭씨(또는 섭씨) 눈금
화씨 스케일
켈빈 스케일(또는 절대 온도 스케일)

켈빈 스케일은 엔지니어링에서 널리 사용됩니다. 이는 이 척도가 물질의 특성과 무관하기 때문입니다.

5. 비중
비중은 표준 유체의 비중에 대한 주어진 유체의 비중의 비율입니다. 문자 'S'로 표시됩니다. 단위가 없습니다.
또한 비중은 표준 유체의 밀도에 대한 주어진 유체의 밀도 사이의 비율로 정의될 수도 있습니다.

6. 비중
비중은 유체의 단위 부피가 갖는 무게입니다. 'w'로 표기합니다. 단위는 N/㎥입니다.
비중은 중력(g)에 의한 가속도의 변화로 인해 장소에 따라 다릅니다.

 

유체 흐름의 다양한 유형

1. 정상 또는 비정상 흐름
유체 흐름은 유체의 속도에 따라 정상 또는 비정상일 수 있습니다.

Steady
정상 유체 흐름에서 유체의 속도는 어느 지점에서나 일정합니다.

Unsteady
흐름이 불안정할 때 유체의 속도는 두 지점 사이에서 다를 수 있습니다.

2. 압축성 및 비압축성 흐름
비압축성 흐름은 흐름 내의 밀도 변화가 일정하다고 가정되는 흐름입니다. 일반적으로 모든 액체는 비압축성 유체로 취급됩니다. 반대로 밀도가 변하는 흐름을 압축성이라고 합니다.
가스는 일반적으로 압축성 유체로 사용됩니다. 그러나 실제로 모든 유체는 온도나 압력의 변화로 인해 밀도가 변하기 때문에 압축할 수 있습니다. 그러나 많은 상황에서 온도와 압력의 변화가 너무 작아 결과적으로 발생하는 밀도 변화는 무시할 수 있습니다.

3. 층류 및 난류

Laminar And Turbulent flow

층류(Streamlines)는 각 유체 입자가 잘 정의된 경로를 갖는 흐름입니다. 이러한 흐름에서 유체 세부 사항의 경로는 서로 교차하지 않습니다. 난류에서 유체 입자의 경로는 서로 교차할 수 있습니다.
낮은 속도로 파이프를 통해 흐르는 물을 고려하면 층류라고 하는 매끄럽고 좋은 상태가 있습니다. 바람에 의해 대기의 따뜻한 공기와 차가운 공기가 혼합되어 비행 중에 경험하는 맑은 공기 난류와 나쁜 하늘을 유발합니다.