유체역학

 

1. 유체역학이란?

 

유체역학은 정지 또는 운동하고 있는 유체의 성질을 다루는 응용과학의 일부로서 유체의

운동이나 또는 유체와 물체 상호간에 작용하는 힘의 관계를 일반역학의 원리를 이용하여

풀이하는 학문이다.

보다 쉽게 말하자면 외부의 힘에 대하여 수시로 형태가 바뀌어지는 물체를 취급하는 학문

이라 할 수 있다. 상온에서 딱딱한 형태를 하고 있는 철의 구조물은 당연히 고체 역학의

분야에서 취급되지만, 이를 고온 가열한다면 물과 같은 액체로 되어 이들에 관한 학문은

유체역학에서 취급을 할 수 있는 것이다.

유체역학에서 취급하는 주요 용어와 분류는 다음과 같다.

◆ 유체공학의 분류

1) 수력학(Hydraulics) : 주로 실험적으로 확립된 학문 분야

2) 유체역학(Hydrodynamics or Fluid  Dynamics) : 주로 이론적으로 서술하는 학문

◆ 유체의 기본 성질

점성(viscosity)의 유무에 따라 다음과 같은 분류를 한다.

1) 점성유체(Viscous Fluid) : 점성이 존재하며, 실제유체(Real Fluid)라고도 한다.

2) 비점성유체(Inviscid Fluid) : 점성이 없는 유체로서 유체저항이 없다.

3) 비점성 비압축성 유체 : 이상유체(Idial Fluid)라고 하며, 이론적인 해석이 가능하다.

 

 2. 유체역학과 우리생활

 

유체역학과 우리 생활은 항시 깊은 관계를 유지하고 있다. 즉 인간은 항시 유체속(공기)

에서 살고 있다는 것이지만 대부분의 사람은 이를 인식하지 못하는 듯하다.

다음의 예는 유체역학과 우리 생활이 얼마나 밀접한 관계인가를 잘 보여 주는 글이다.

다음 글은 "정효민 저, 기계저널, 제38권, 제6호(대한기계학회, 1998, pp.78-79)"의 내용입니다.

무릇 인간은 항시 자연이라는 환경 속에 살고 있으면서 이 자연이 우리 인간에게 주는 피해

또는 혜택에 대하여 진지하게 토론을 할 여유조차 없는 듯하다. 싫든 좋든 자연이 우리 인간

에게 주는 영향을 토론할 단계라면 이에 대한 인간의 대처가 너무 늦었을는지도 모른다.

그렇다고 방관만 하여서는 더더욱 곤란하지 않을까. 수많은 과학자들이 제각기 나름대로의

구에 몰두하고 있는 것은 어쩌면 자연이 주고 있는 피해를 가능하면 적게 할 방법을 모색한

다거나 또는 자연이 인간에게 주는 혜택을 좀더 장기간 누리기 위한 작업일는지 모른다.

자연의 현상이 우리 인간에게 주는 영향 중에서 이것이 피해의 의미로 접근하고 있다면 인

간이 그만 놔두지는 않을 것이다.

본고에서는 저자가 느끼는 자연현상을 극복하기 위한 인간의 무한한 노력의 한 예를 살펴보

고자한다. 1940년대에 미국에서 성대하게 교량이 하나 건설되었다. 당시로서는 외관상이나

구조적인 측면에서 수많은 고급인력들의 작품이었을 것이다. 그러나 이 교량이 개통되자마

자 파괴되어 버렸다.

<그림1>은 이 교량이 파괴되는 순간의 사진으로서 거대한 교량이 마치 장난감처럼 그대로

주저앉는 모습을 보이고 있다. 이때의 교량 위에는 수대의 차량만이 통행하고 있었을 뿐 파

괴의 원인을 알 수 없었다. 상식을 가진 사람이라면 흔히들 예견하는 것과 같이 구조적인 불

합리성이나 부실 공사로 치부하였을 것이다. 그러나 직접적인 교량파괴의 원인은 구조적인

부실이 아니라 외부의 자연환경임을 밝혀내었다. 이때의 교량외부에는 초속 10m미만의 미

풍이 불고 있었고 이것이 직접적인 원인이었던 것이다. 우리나라의 여름철을 전후로 하여

동남아에서 발달하는 거센 바람인 태풍은 초속 30m이상의 강풍이다.물론 경험적으로 이만

한 바람에 대하여서도 거대한 교량이 파괴되는 경우는 대단히 희박한 것을 보면 아이러니컬

한 현상임에는 틀림없다. 이들에 관한 한 다음의 유체역학적인 현상으로 간단히 설명될 수

있다.

<그림2>는 수소 기포 법으로 가시화 한 원주기둥의 둘레에 생기는 소용돌이의 유동현상을

나타내고 있다. 이때의 유동조건은 원주의 직경이 8mm이고 작동유체로서 물을 사용하였고

물의 속도는 2.6cm/s이다. 이 가시화 사진에서는 원주의 하류방향에는 규칙적인 소용돌이

를 이루고 있다. 이것을 카르만의 소용돌이( )라고 한다. 이 소용돌이는 모든 물체의 유동에

생기는 것이 아니고 어떤 특정한 유동조건일 경우에 생기는데 유체의 관성력과 점성력의 비

로 나타내는 무차원수인 레이놀즈 수()가 약 10∼100정도의 범위에서 나타난다.

그림<3>은 이 카르만 소용돌이의 모식도를 나타낸 것으로서 소용돌이는 상부와 하부의 두

개의 열을 지으면서 서로 반대방향으로 회전하면서 소용돌이의 간격비 =0.281의 값으로 항

시 일정하게 안정된 형태를 유지한다. 이 카르만의 소용돌이가 물체에서 떨어져 나가면서

물체에 양과 음의 힘을 발생케 하여 진동이 발생하게된다. 이 카르만 소용돌이의 주파수와

물체가 갖는 고유 주파수가 일치하면 공진을 일으키게 되는 것이다. 모든 물체는 고유의 주

파수를 갖고 있고 이 주파수와 카르만의 소용돌이에 의한 주파수가 일치하면 진폭이 무한대

로 가게 되어 결국은 파괴라고 하는 극단적인 현상을 초래하는 것이다. 우리 일상 생활에서 흔히 경험하듯이 전선주위에 일정 속도를 갖는 바람이 불 때에 소음을 발생하는 것도 이 때

문이다. 위와 같이 공진 현상을 이용하여 제품화한 것이 전자렌지이다. 전자 렌지의 역할은

데우고자하는 음식에 대하여 외부에서 전기의 힘을 이용하여 일정 주파수를 가하는 장치에

불과한 것이다. 음식물 속에는 항시 일정량의 수분이 존재하기 때문에 물 입자의 고유진동

수와 동일한 주파수를 가하게 하여 물의 입자가 공진 현상을 일으켜 음식물을 데우게 하는 .

것이다. 따라서 장기간 지난 빵과 같은 음식을 전자 렌지에 넣는 것보다는 빵에 약간의 물을

뿌려서 데우게 되면 훨씬 빠른 시간 내에 따끈하게 만들 수 있는 것이다.

이와 같이 단순한 자연현상이 우리 인간에게는 크나큰 불행 또는 이용 정도에 따라서는 대

단히 유용한 가치로도 다가올 수 있다.

우리의 시야를 좀더 넓게 보면 이와 같은 카르만 소용돌이를 도처에서 볼 수 있다.

<그림4>는 인공위성으로부터 촬영된 기상사진의 한 예이다. 우리나라의 남서부에 위치해있

는 제주도주변의 구름모양이 카르만 소용돌이의 형상을 만들고 있다.

<그림5>는 <그림4>의 제주도 부근의 확대사진으로서 아주 정연하고 일정한 카르만 소용돌

이가 명확히 나타나고 있음을 알 수 있다. 당연히 사진상의 카르만 소용돌이의 크기는 제주

도의 크기에 버금가는 규모임을 알 수 있어 모든 공학적인 접근방식도 대상의 사물을 보는

입장을 크게(macro) 보느냐 또는 작게(micro) 보느냐는 그리 중요한 문제는 아니듯 싶다.

따라서 지금까지의 학문적 견해에서 한번쯤은 동떨어진 세상을 상상해봄도 보다 나은 내일

의 큰 디딤돌이 되지 않을까 하는 생각이 든다.

 

 

3. CFD(Computational Fluid Dynamics)란 무엇인가 ?

 

CFD(Computational Fluid Dynamics)는 흔히 전산 유체역학이라는 이름으로 번역되어 많

은 유체공학도들이 관심을 가지고 있다.

학공에서 직면하는 여러 문제 중에서 유체(Fluid; Air, Water, Oil, etc.)가 차지하는 비율은

기계공학분야의 절반 이상을 차지한다고 감히 말할 수 있을 것이다. 특히 공학자들이 유체

역학의 측면을 취급 할 때에 실험과 이론을 병행하는 경우가 많다. 실험의 우월성은 실제의

현상을 그대로 나타낸다는 관점에서 보면 강력한 도구가 될 수 있다. 그러나, 시간적 경제적

인 측면에서 보면 실험이라는 은 아주 불편한 점이 많다. 이러한 불편을 해소하기 위한 방법

의 하나로써 Computer의 힘을 빌어실제의 유동 패턴을 조사하는 학문이 전산 유체역학

(CFD)이며, 최근에 보다 많은 발전이 있고 앞으로도 유망한 학문의 한 분야로서 자리를

잡고 있다.

1) 층류와 난류

수치계산을 위해서는 대상으로하는 모델의 유동이 층류 인지 난류를 명확히 해야할 필요가

있다.

·층류(Laminar Flow) : 시간 및 공간에 대하여 유동속도 및 제반 물리량의 변화가 일정한 흐

름을 말한다. 극히 제한된 것으로 점성의 영향이 아주 큰 경우로서 인체의 혈관내의 피의 흐

름등이다.

·난류(Turbulent Flow) : 시간 및 공간에 대하여 유동속도 및 제반 물리량의 변화가 일정치

않은 흐름을 말한다. 우리의 일상생활에것서 일어나는 대부분의 유동으로 선풍기에서의

바람, 대기중의 바람, 선박 주위의 흐름 등 수없이 많다.·층류의 수치해석 : 층류의 경우는

비교적 수치해석이 손쉽게 가능하며, 아울러 계산시간도 비교적 작다.

·난류의 수치해석 : 난류 의 수치해석은 아주 까다롭고 그 계산시간 또한 아주 많이 걸리지

만 실제의 현상에 보다 근접한 방법이다.

2)수치해석(Numerical Analysis)의 방법

우리들이 실제로 필요로하는 물체주변의 유동은 대부분이 난류유동이며 이를 해석하기 위해

서는방정식(Navier Stokes Equation)을 풀어야한다. 그러나, 이 방정식을 그대로 아무런

수정없이 계산하는 것은 거의 불가능에 가깝다. 예를 들면, 우리들이 일상적으로 마시는 커

피 잔에 몇 방울의 크림을 넣어서 수저로 몇 회 정도 휘저었다고 가정하여 이 잔 내의 유동

패턴을 컴퓨터로 계산하기 위해서는 세계에서 제일 성능이 좋은 Super Computer로 계산을

하여도 수일, 수십 일이 걸린다.

그래서, 물리적인 현상의 개략적인 형상만을 파악하면 되는 경우에는 유체 지배방정식을 중

요한 부분만 남기고 몇몇 항을 생략하는(이것을 난류 Modelling이라 한다)방법을 채택하는

경우가 많다.

구체적인 난류 수치해석법에는 DS(Direct Simulation), LES(Large Eddy Simulation),

Model, Low Reynolds Number Model 등 수없이 많다.

 

4. CFD에 의한 수치계산 예

 

4.1 Natural Convection in Cavity

Cavity라 함은 주로 단면 형상이 사각형으로서 밀폐된 공간의 형태에서 생성되는 열 또는 속

도 성분을 말한다. 자연대류(Natural Convection : 외부의 속도가 주어지지 않고 주로 밀폐

된 공간에서 온도의 차이에 의하여 열기류가 생성되는 유동 현상)에 관한 예를 들어본다. 다

음 그림은 좌측 벽면이 가열되고 우측 벽면이 냉각되는 경우의 열유동 패턴에 대한 CFD 계

산을 나타내고 있다.

여기서 사용된 주요 파라메타는 다음에서 정의하는 Grashof Number 또는 Rayleigh

Number를 사용하였다.

즉 이들 2개의 무차원 수(Dimensionless Number)는 온도의 크기 변화로 볼 수 있다.

,

: 비열                                 : 중력가속도

: Grashop                           : 공간의 길이

: Prandtl 수 (공기는 약 0.7, 물은 약 7.0의 값)

: 온도                                   : 열팽창계수

: 열전도율                             : 점성계수

: 동점성계수                           : 밀도

: 냉각면                                 : 가열면

< Gr수 변화에 따른 등온선 분포 >

< Gr수 변화에 따른 속도 벡터 >

4.2 Bernard Flow

Bernard Flow라 함은 아랫 면이 가열되고 윗면이 냉각되는 경우에는 종횡비(밑면의 길이에

대한 높이의 비)에 따라서 대단히 특이한 여러 개의 shell을 형성하는 유동이다.

다음 그림은 종횡비가 10인 형상의 CFD 수치계산의 예로서 상승 및 하강 기류가 서로 엇갈

리게 나타나는 형상을 보이며, 종횡비가 5인 경우에는 하나의 shell이 특정적으로 나타나고

있다.

본 계산에 사용된 수식은 2차원 층류(Laminar Flow)에 대한 것으로서 경우에 따라서는 여러

가지 다른 수치해석 모델의 도입으로 보다 정확한 실험의 재현을 시도 할 수 있으며, 이에

대한 학문이 급속히 발전하고 있다.

4.3 Heat Source in Channel

다음의 예는 흔히 PCB(Printed Circuit Board : 인쇄 회로 기판)라 불리우는 channel을 가

정하여 수치계산한 결과를 나타내었다. 좌측 입구에서 일정한 유속(0.025, 0.05, 0.1, 0.2

m/s)이 존재하고 channel 내부에 일정한 온도으 발열체가 존재 할 경우이다.

입구의 크기를 대표길이(Characteristic Length)로한 무차원 Reynolds Number는 각각 .

160, 320, 650, 1300일 경우의 예이다.

Re수가 아주 작은 영역(Re=160)에서는 입구의 유속에 의한 영향이 발열체에 미치지 못함을

알 수 있다. 즉 유입 유속이 아주 작으므로 발열체 주위는 중력의 역 방향으로의 유동이 생

김을 알 수 있다. 반대로 유입 유속이 커지면(Re수가 증가) 하류 방향으로의 유동이 지배적

이고 따라서 발열체 주변의 온도기울기도 급격하고 열전달이 잘 이루어짐을 알 수 있다.

여기서 Re수는 다음의 수식으로 정의 되는 무차원수(Dimensionless Number)이다.

: 밀도                          : 유입구 크기

: 점성계수                     : 유입구 속도

4.4 PCB (Printed Circuit Board)

예측할 수 있고 channel 내부에서 비교적 열의 배출이 원활함을 알 수 있다.현재 21세기의

주력도구인 컴퓨터의 주 두뇌에 속하는 장치가 cpu라는 사실은 다 아는 사실이다. 또한 이

cpu를 자연 상태로 가동하면 많은 열이 발생하여 컴퓨터가 제대로 작동이 되지 않아 이

cpu을 예측할 수 있고 channel 내부에서 비교적 열의 배출이 원활함을 알 수 있다.

를 냉각하기 위한 전용 cooling fan을 장착하고 있다. 보다 원활한 열 배출을 위하여 열유체

공학자의 중요한 연구항목으로 자리를 잡고 있는 것이다. 즉 열유체 공학자의 연구진행속도

가 선행되어야 컴퓨터산업이 발전한다고 감히 이야기할 수도 있을 것이다. 이처럼 이러한

열유동 패턴의 연구가 대단한 위치에 점하고 있다는 것은 당연 사실일지도 모른다.

다음의 수치계산(Numerical Analysis)은 PCB(Printed Circuit Board : 인쇄 회로 기판)를

가정하여 유입구의 유속(Reynolds Number)에 대한 열 및 속도 분포를 계산하였다.

빨간색은 발열체를 나타내며 죄측 상부에서 찬 냉각 기류가 유입함에 대하여 channel 내의

열유동을 나타낸다. 유속이 커질수록 발열체 근처에서의 온도 기울기가 급격하여 열전달이

활발히 이루어짐을 예측할 수 있고 channel 내부에서 비교적 열의 배출이 원활함을 알 수

있다.

다음의 계산 예는 두 개의 발열체가 존재한 경우의 계산 예를 나타내고 있다. 기본적인 특성

은 위의 1개의 발열체인 경우와 유사하나 본 수치계산에서 알 수 있듯이 2개의 발열체가 존

재하므로서 channel의 하류 전체가 상당히 고온을 유지하므로 다수의 발열체가 존재하는

경우에는 이들 발열체간의 상호 작용에 대한 기본 설계가 필요함을 예측할 수 있다. 물론 이

러한 수치계산의 신빙성은 반드시 실험과 병행하여 검증을 거쳐야 한다. 기존의 여러 연구

자는 이를 실험과 비교하고 있으며 결과 또한 수치계산과는 상당히 잘 재현되고 있음을 보

고하고 있다.

따라서, 이러한 수치계산의 결과를 이용하므로서 초기 단계의 기계 설계에 강력한 도구로서

활용이 가능하다.

◆ 기계공학과 상식

Q)목욕탕의 건식 과 습식 사우나실의 온도는 각각 100∼150℃, 60∼70℃ 정도로 물의 온도라면

사람에게 치명적일 수 있는 온도이다. 이 온도에서 사람이 견딜 수 있는 것은 어떤 이유에서 일

까?

Ans)

건식이나 습식 사우나 속에 있는 온도계도 이런 과정을 통하여 온도가 상승하며, 사람의 살깢

온도도 마찬가지 과정으로 온도가 상승한다. 그런데 사람은 땀의 배출과 증발을 통하여 열을

방출하고, 체온을조절하고 있다. 그러므로 살깢은 델 정도로 온도가 상승하지 않는다. 이 때

수증기가 많을수록 분자 운동 상태 전달(전도)이 용이하므로 습식의 온도가 더 낮은 것이다.물

속에서는 땀의 방출에 의한 열의 방출보다 물에서 사람의 살깢으로의 열전도량이 훨씬 많으므로

치명적인 화상을 입게 되는 것이다. 사우나실의 온도가 이렇게 높기 때문에 뜨거운 온도를 견디

기 위해서 대부분 사람들은 찬 물수건을 갖고 들어가 얼굴을 덮는다. 그러나 물수건을 갖고 들

어가도 별로 효능을 보지 못한다. 높은 온도 때문에 찬 물수건이 금세 뜨거운 습포가 되어 버리

기 때문이다. 대신 마른 수건을 한장 갖고 들어가면 마른 수 건에 함유된 공기가 훌륭한 단열효

과를 하므로 숨이 가쁘지 않아 편안하게 사우나를 할 수 있다 . 물론 머리도 감지 않아야 한다.

머리를 감고 110도가 넘는 건식 사우나실에 들어가면 젖은 머리에서 흐르는 뜨거운 물로 피부

를 델 수도 있다. 마치 겨울에 젖은 스웨터를 입고 거리에 서 있는 것과 같다고 할 수 있다.

또한 사우나실에 있는 시간이 길면 피부의 혈관이 확장돼 붉은 얼룩이생기게 되는데 이런 증상

이 생기기 전에 사우나실에서 나와야 한다. 사우나를 심하게 해서 가느다란 혈관이 손상되면 세

포에 영양공급이 제대로 되지 않고, 따라서 피부노화가 촉진된다. 온도와 습도에 따라서 다르

지만 사우나실에서의 시간은 8분을 넘기지 않는 것이 피부 건강에 좋다. 또 마른 수건을 갖고

들어가 얼굴과 머리를 감싸줌으로써 얼굴 피부와 머리칼을 보호하도록 해야 한다. 이렇게 하면

사우나를 통해 아름다운 피부를 가꿀 수 있을 것이다.

사우나실의 높은 온도에서 오래 견딜 수 있는것은 공기가 비교적 양호한 절연체이기 때문이다.

즉, 사우사실 내부에서 몸으로 전도되는 열과 땀으로 인한 열방출이 비슷하여 체온을 느리게

상승시키는 것을 알 수 있다. 아파트의 배란다나 이중창, 이중 유리, 지붕 사이의 공기층 등은

공기의 단열 효과를 이용한 것이다. 즉, 여름에는 창밖의 열이 창 안으로 전도되는 것을 막아

주며, 겨울에는 창안의 열이 밖으로 전도되는 것을 막아준다.  이 원리를 이용한 대표적인 발명

품으로는 보온병이 있다. 보온병 벽 속은 진공에 가까운 상태로 있다. 열이 전도되려면 어떤

분자들이 있어야 하지만, 진공인 경우에는 분자가 없으므로 전도가 일어날 수가 없게 된다.

Q)온도계로 공기의 온도를 재는 것은 어떤 원리에 의한 것일까?

Ans)

공기의 분자 운동 상태가 충돌에 의해 유리 분자에 전달되고(전도), 유리 분자의 운동이 수은

분자의 운동으로 전달(전도)되어 온도가 상승하는 것이다. 온도가 상승하면, 수은의 부피가

팽창하여 수은주가 올라가게 된다. 여기서 온도가 올라간다는 것은 그 물질을 이루고 있는 분

자들의 운동이 더 활발해졌다는 것을 의미한다. 분자 들의 운동 상태가 전달되는 방법에 의해

열이 이동하는 것을 전도라고 하는데, 전도에서 열을 전달하는 쪽의 분자의 운동은 줄고,

열을 받는 쪽의 분자의 운동은 는다.

Q)여름에 얼음 과자 주위에서 김이 나는 이유는?

Ans)여름날의 온도는 얼음과자의 온도보다 훨씬 높다. 그래서 얼음과자는 공기에 접촉하자마

자 녹기 시작하는데, 그것이 녹을 때에는 주위의 공기로부터 많은 양의 열을 빼앗아 간다. 물이

수증기로 변할 때 주위의 열을 빼앗듯이 얼음이 녹을 때도 주위의 열을 빼앗는다. 이것을 융해

열이라고 하기도 한다. 그래서 얼음 과자 주변의 공기의 온도가 낮아지는 것이다.

평상시에 공기는 온도에 따라 일정한 양의 수증기를 포함하고 있다. 그런데 온도가 갑자기 내려

가면 공기가 포함할 수 있는 수증기 양이 줄어서, 원래 공기 중에 포함하고 있던 수증기로도 포

화상태(더할 수 없는 양에 이른 상태) 혹은 과포화상태(포화상태를 넘어선 상태)가 된다.

말하자면, 얼음과자 주위의 공기는 온도가 내려가면서 원래 머금고 있던 수증기를  모두 가지고

있을 수가 없게 된 것이다.  이럴 때 여분의 수증기가 미세한 물방울이 되어 무럭무럭 피어나는

안개의 상태가 된다. 이것이 빛을 받으면 반사하여 하얀 김이 되는 것이다.

구름, 안개, 비, 눈이 생기는 원인도 이와 같다. 강이나 호수, 바다에 있는 물이 태양의 빛을

받아 끊임없이 수증기로 변하고 공기 중으로 증발한다. 수증기를 포함한 공기가 열을 받고 위로

올라가 일정한 높이에 이르면 차가운 공기를 만나게 되는데, 이때 떠다닐 수 있는 아주 작은 물

방울로 엉기게 되는데  이것이 구름이다. 땅 가까이의 수증기가 차갑게 되면 이것도 역시 떠다닐

수 있는 작은 물방울이 되는데 이것이 안개이다. 그러므로 구름과 안개는 같은 원리로 설명할

수가 있다.

Q)얼음의 온도는 0℃, 드라이 아이스는 -78.5℃, 액체 공기는 -194℃이다. 그렇다면

온도는 어디까지 내려갈 수 있을까? Ans)냉장고의 냉동고는 -20℃라는 낮은 온도 상태를 유지하기 때문에 아이스크림

등을 오랜 시간 동안 보존할 수 있다. 전기 냉장고가 없던 시절에는 아이스크림을 보

존하기 위하여 드라이 아이스(고체 상태의 이산화탄소)를 사용했다.

우리 주변에서는 드라이 아이스보다 더 낮은 온도는 거의 없다. 하지만 -194℃의 액

체 공기 안에 물을 넣으면 즉시 얼음이 되고, 자칫 손가락이라도 넣는 경우에는 동상

에 걸려 버린다. 이보다 더 낮은 온도로는 액체 헬륨이 있다. 이것은 무려 -269℃이다.

그렇다면 대체 어디까지 온도를 내릴 수 있을까?

이론적으로는 -273.15℃가 극한 수치라고 한다. 아무리 노력해도 그 이하로 온도를

내릴 수는 없다. 그리고 이 온도를 절대 영도라고 한다. 절대 온도로 나타낼 때의 단위

는 물리학자 캘빈의 이름을 따서 K로 표시하는데, 절대 온도인 -273.15℃를 기준으로

0℃를 표시하면 273.15K이 된다.   절대 온도(K) = 섭씨온도(℃) + 273.15 일반적으로 온도를 내리기 위해서는 기체를 압축하여 액체로 만들었다가 팽창시키면서

기체로 만들어서 주위로부터 열을 빼앗는 기화열을 이용하는데 이 방법으로는 절대 온

도 0.3K까지 내릴 수 있다. 그보다 더 온도를 내리려면 자기 냉각법이 이용된다. 이것은

자석이 되기 어려운 성질을 가진 물질에 강력한 자기장을 걸었다가 갑자기 제거하면 주

위의 열을 빼앗는 현상을 이용한 방법이다. 이 방법으로는 0.001K, 거의 절대 영도에 가

까운 지점까지 온도를 내릴 수 있다. 사람은 어째서 이렇게 낮은 온도를 만들기 위해 노력하는 것일까? 도체에 전류를 흐르

게 할 때, 절대 영도 부근까지 온도를 내리면 전기 저항이 0이 되는 이른바 초전도 현상

이 발생한다. 이 초전도를 잘 이용하면 전기 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. 하지

만 최근에는 온도를 절대 영도 부근까지 내리지 않고, 좀 더 높은 온도에서 초전도 현상

이 발생하는 물질이 연구 개발되고 있다. 왜냐하면, 온도를 내리는 데 쓰이는 액체 헬륨

의 가격이 비싸서 경제성을 갖을 수 없기 때문이다. .

절대 영도는 일정한 부피의 기체의 압력과 온도가 서로 비례한다는 사실에서 외삽한 온

도로 압력이 0이 되는 가상적인 온도이다. 압력이 0이 이라는 것은 분자의 운동이 완전

히 멈춘 상태이다. 실제로 압력이 0인 조건을 관측할 수는 없다. 기체는 매우 낮은 온도

에서 액화되거나 응고되므로 압력이 온도에 비례하는 관계는 더 이상 성립하지 않는다.

분자의 운동에너지가 커짐에 따라 온도는 점점 증가하는 것이다. 즉, 열에너지는 분자의

운동에너지로 물체의 온도가 올라간다는 것은 물체를 이루고 있는 분자들의 운동이 더

활발해졌다는 것을 의미하는 것이다. 열의 이동에서 열 이동의 실체는 없고, 다만 에너

지가 이동했다는 표현을 쓰고 있을 뿐이다

Q)바닷물은 왜 얼지 않는 것일까? Ans)

바다나 강이나 다같이 물로 되어 있다. 그런데 추운 겨울날 한강이나 낙동강 등 강물은

어는데도 같은 날 같은 위도상에 있는 서해나 동해는 왜 얼지 않는가? 이상하다면 이상

하다. 물론 바닷물에는 소금기가 들어있고, 그 소금기가 들어 있으면 물(소금물)이 어는 온도

가 약간이지만 내려간다. 즉 3.5%의 소금을 포함한 바닷물의 어는 점은 -1.91℃로 내려

간다. 강물이 어는 온도보다 약 2°가량 낮아지는 것이다. 따라서 추운 겨울날 바깥기온이

영하 10℃라던가 영하 15℃쯤으로 내려가면 강물뿐만 아니라 바닷물도 얼 것이 예상된다.

그런데도 누구나 다 아는 것처럼 우리나라에서는 아무리 추운 날에도 바닷물은 절대로

얼지 않는다. 강물이 꽁꽁 얼어붙은 날에도 말이다. 왜 그럴까?    물의 비중은 4℃때 가장 무겁다 이것을 알려면 먼저 호숫가나 강가의 물이 어떻게 어는가를 먼저 살펴볼 필요가 있다.

강물이 어는 것을 살펴보면 강물은 반드시 위로부터 얼지 밑바닥에서부터는 절대 얼지

않는다. 이것은 물론 호수의 경우에도 마찬가지이다.

즉, 물은 4℃때 (정확하게는 3.98℃때) 가장 무겁다(비중 또는 밀도가 가장 크다고 한다).

쉽게 말해 다음 표에서 보듯이 물의 무게는 4℃보다 3℃, 3℃보다 2℃, 2℃보다 1℃,

1℃보다 9℃ 등 4℃(3.98℃)와 이하에서는 온도가 낮아질수록 가벼워진다. 한편 4℃

(3.98℃)이상에서는 6℃보다 5℃, 5℃보다 4℃, 4℃보다 3.98℃때 등 동도가 낮아질수

록 물의 무게는 무거워진다. 바로 이 점에 호숫가의 물이 수면 위 쪽부터 얼게 하는 비

밀이 들어 있다. 어느 겨울날 밤 바깥 기온이 갑자기 낮아져서 영하의 온도인 -10℃가 되었다 하자.

그러면 호수표면에 있던 물의 온도는 바깥 공기 때문에 그 온도가 내려간다. 가령 호숫

가의 온도가 주간에 8℃였다면 이 호숫가의 표면의 온도는 8℃에서 7℃로, 7℃에서 6℃,

6℃에서 5℃, 5℃에서 4℃로 내려간다.

그런데 온도가 6℃에서 5℃로 내려가면 5℃의 물은 6℃ 때보다 무거우므로 5℃로 온도

가 떨어진 물은 곧 호수 밑으로 가라앉는다. 그 대신 호수 밑에 있던 6℃이상의 가벼운

물이 위로 올라온다. 따라서 호수전체의 물의 온도가 6℃가 될 때까지 이런 대류현상은

계속된다. 호수전체의 물의 온도가 모두 5℃가 되면 이번에는 호수표면에 있던 물의 온도가 다시

4℃로 떨어진다. 4℃의 물은 5℃의 물보다 무거우므로 밑으로 가라앉고 그 대신 호수

밑에 있던 5℃ 이상의 물이 위로 올라 온다. 호수의 물은 이런 대류과정을 되풀이 하는

결과 6℃→5℃→4℃→3.98℃로 냉각이 된다. 이렇게 일단 호숫가의 물이 전부 3.98℃가

된 다음에는 어찌되는가?

위에서부터 어는 호수

호숫가의 위 부분의 물이 이번에는 3℃로 내려간다. 그런데 3℃의 물의 무게는 4℃

(정확히는 3.98℃)의 물보다 가벼우므로 이 물은 더 이상 밑으로 내려가지는 않고 호숫

가의 표면에 남게 된다. 이렇게 일단 호숫가의 표면온도가 3℃가 되고 나면 다음으로 호

수의 물은 바깥 기온 때문에 다시 온도가 더 내려가서 2℃가 된다. 2℃의 물은 3℃때보다

더 가벼우므로 2℃의 물은 계속 호수표면에 남게 된다. 이런 식으로 호수의 표면에 있는 물은 3℃→2℃→1℃로 내려가 드디어 1℃에서 0℃로

내려가 드디어 얼게 된다. 이렇게 호수표면이 얼 때도 호수 밑에 잠겨있는 물의 온도

는 4℃(엄밀히는 3.98℃)의 온도에 머물게 된다. 강물의 경우나 큰 대야에 담아둔 물의 경우도 사정은 꼭 같다. 즉, 어느 경우건 물은

수면위쪽으로부터 얼어 내려간다. 사실은 이 때문에 강이나 호수 또는 연못 안에서 살고

있는 물고기는 얼어 죽지 않고 강이나 호수 또는 연못 밑의 4℃의 물 속에서 삶을 유지

할 수가 있게 된다. 꼭 같은 이유에 의해 바닷물도 얼게 될 것 같다. 적어도 깊이가 수m밖에 안되며 또 파

도가 치는 일이 없는 해안가라면 말이다. 그러나 바다는 깊다. 그 깊은 바닷물 전체의 온

도를 4℃(3.98℃)로까지 내려가게 하는데는 무척이나 오랜 시간이 걸린다. 북위 45°이하

의 지역에서는 그 시간은 어쩌면 1년도 더 걸릴지도 모른다. 따라서 그 지역의 바닷물의 온도가 4℃로 내려가기 훨씬 전에 여름이 오게 된다. 그러니

얼음이 얼 틈이 없는 것이다. 사실 대략 북위 45° 이남에서 남반구의 모든 대륙에 있는

항만에 이르기까지 해면은 동결되는 일이 없다. 또 북위 45° 이상이라도 그 주변에 수온이 높거나 난류가 흐르는 곳에서는 추운 겨울이

되더라도 항구는 얼지 않는다. 북위 70°나 되는 노르웨이의 함메르페스트(노르웨이 최북

단에 있음. 위도 70°39′N)항구라던가, 독립국가연합(구소련)의 무르만스크(북위 69°)

항구는 겨울에도 얼지 않는 부동항으로서 유명하다.

한편 겨울에 꽁꽁 얼어붙는 항구는 캐나다나 소련에 많지만, 요즈음에는 얼음을 깨주는

쇄빙선의 능력이 크게 발달하여 겨울에도 사용하는데는 불편이 없다고 한다. 우리나라

가까이에 있는 구소련의 블라디보스톡(북위 43°)항은 11월부터 3월까지 꽁꽁 얼어붙는

항구(바다에서 육지 안쪽으로 약간 들어가 있음)이지만, 결빙기인 겨울에도 쇄빙선의 도

움으로 불편없이 사용이 가능하다고 한다.

Q)소변을 본 후에 몸이 부르르 떨리는 이유는? Ans)

인체의 약 60%는 물로 되어 있는데 그 양이 일정하게 유지되어야 한다. 따라서 심한

운동이나 더운 날씨 등으로 땀을 많이 흘린 날은 몸에 물이 부족하게 되어 갈증을 느끼

게 되고 이때 부족한 물을 섭취하게 된다. 반대로 음식이나 음료수 등을 많이 먹어 몸에

물� '사람과 일' 카테고리의 다른 글 보일러 열효율 계산  (0) 2008.07.28 pump grand  (0) 2008.07.28 오리피스 측정장치 관련  (0) 2008.07.28 배관이음새 표시  (0) 2008.07.28 황산 가스 노점계산기  (0) 2008.07.23 '사람과 일'의 다른글 현재글유체역학 관련글 보일러 열효율 계산 2008.07.28 pump grand 2008.07.28 오리피스 측정장치 관련 2008.07.28 배관이음새 표시 2008.07.28 작은 섬 분류 전체보기 (961) 글모음 (148) 자연과 집 (1) 사람과 일 (338) 시와 음악 (115) RICH ROOM (13) HUMOR (11) NEWAGE (107) 가요 (88) POP (46) 코스피 graph 1 (1) 코스피 2 (1) 코스닥 graph 1 (1) 코스닥2 (1) 관심종목 (1) 주가 챠트 배우기 (6) FISHING (0) 주식관련 잡동사니 (44) PICTURE (8) 아이콘 이미지 모음 (1) 스포츠 (0) Tag <iframe width="700" height="500" src="https://www.youtube.com/embed/XzcS5uHD33E" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>, 최근글과 인기글 최근글 인기글 최근댓글 공지사항 페이스북 트위터 플러그인 Facebook Twitter Archives Calendar «   2025/06   » 일 월 화 수 목 금 토 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 방문자수Total Today : Yesterday : 블로그 내 검색 Copyright © Kakao Corp. All rights reserved. 티스토리툴바