[토목기사/수리수문학] 유체의 기본 성질

1. 밀도(=비질량)

1.1 정의

단위 부피당 물질의 질량을 의미합니다. 즉, 물질이 얼마나 빽빽하게 채워져 있는지를 나타내는 지표

 

1.2 사용 기호

일반적으로 ρ (그리스 문자 로)로 표시

ρ=m/V=w/g

1.3 특성

• 단위: 밀도의 단위는 kg/m³ , t/m³ , g/cm³  입니다.
• 온도 및 압력 변화: 밀도는 온도와 압력에 따라 변합니다. 일반적으로 온도가 높아지면 밀도는 감소하고, 압력이 높아지면 밀도는 증가합니다.
• 물의 밀도: 4℃의 순수한 물의 밀도는 1000 kg/m³입니다.(최대 값)
• 비중: 비중은 물의 밀도를 4℃ 순수한 물의 밀도로 나눈 값입니다. 비중은 무차원량입니다.

예시1
질문: 20℃의 물의 밀도는 998 kg/m³입니다. 500 L의 물의 질량은 얼마입니까?답: 499 kg해설:
밀도는 단위 부피당 질량을 의미합니다. 20℃의 물의 밀도는 998 kg/m³입니다. 즉, 1m³의 물은 998kg의 질량을 가지고 있습니다.

 

예시2
용적 V = 5.9m³ 인 유체의 중량 W = 7.49ton일 때 이 유체의 밀도(ρ)를 구하면 얼마인가?

Sol) ω = 7.49ton / 5.9m³ = 1.27ton/m³
ρ=ω/g=1.27t/m³ / 9.8m/sec² = 129.6kg sec²/m⁴

※ 유체의 중량을 W=7.49ton이라고 말하던데 이것은 중량이아니라 질량으로 불러야되는게 아닌가?
문제에서 유체의 중량을 W = 7.49 ton 이라고 말했습니다. ton은 질량의 단위이지만, 일상생활에서는 중량을 의미하는 경우가 많습니다.
따라서 문제에서 W = 7.49 ton은 유체의 중량을 의미한다고 해석하는 것이 타당합니다

저도 옛날에 기사공부할때 이부분이 너무 헷갈렸습니다.

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2. 중량

1.1 정의

물체에 작용하는 중력의 크기를 의미합니다. 즉, 물체가 지구에 의해 얼마나 강하게 끌어당겨지는지를 나타내는 지표

 

1.2 사용기호

W = mg = wV

 

1.3 특성

• 단위: 중량의 단위는 N (뉴턴)입니다.
• 질량 및 중력 가속도 변화: 중량은 질량과 중력 가속도에 따라 변합니다. 질량이 증가하거나 중력 가속도가 증가하면 중량도 증가합니다.
• 지구상에서의 중력 가속도: 지구상에서의 중력 가속도는 9.81 m/s²입니다.

유체 흐름: 유체 흐름은 유체의 중량에 의해 영향을 받습니다.
구조물 설계: 구조물 설계에는 구조물이 받는 중량을 고려해야 합니다.
침식 및 운반: 침식 및 운반은 유체의 중량에 의해 영향을 받습니다.

 

※ 수리수문학에서 중량은 매우 중요한 개념입니다. 중량의 정의, 사용 기호, 특성, 그리고 중요성을 이해하는 것은 수리수문학 문제를 해결하는 데 필수적입니다.

 

밀도와 중량은 서로 밀접하게 관련되어 있습니다. 밀도는 단위 부피당 질량을 나타내는 지표이고, 중량은 질량에 작용하는 중력의 크기를 나타내는 지표입니다.
밀도와 중량은 모두 수리수문학에서 중요한 개념입니다. 이 두 개념을 이해하는 것은 수리수문학 문제를 해결하는 데 필수적입니다.

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3. 단위중량(=비중량)

3.1 정의

단위 부피당 물질의 중량을 의미, 물질이 얼마나 빽빽하게 채워져 있는지를 나타내는 지표

 

3.2 사용기호

일반적으로 γ (그리스 문자 감마)로 표시

 

3.3 특성

• 단위: 단위중량의 단위는 N/m³ (뉴턴/세제곱미터)입니다.
• 밀도 및 중력 가속도 변화: 단위중량은 밀도와 중력 가속도에 따라 변합니다. 밀도가 증가하거나 중력 가속도가 증가하면 단위중량도 증가합니다.
• 물의 단위중량: 4℃의 순수한 물의 단위중량은 9810 N/m³입니다.

예시)

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4. 비체적

4.1 정의

비체적은 단위 질량당 물질의 부피를 의미합니다. 즉, 물질이 얼마나 희게 채워져 있는지를 나타내는 지표입니다.

 

4.2 단위

비체적의 단위는 m³/kg , m³/t , c m³/g   

 

단위중량이 있는데 굳이 비체적을 쓰는 이유가 뭘까?

 

 

단위중량은 단위 부피당 물질의 중량을 나타냅니다. 즉, 물질이 얼마나 무겁고 빽빽하게 채워져 있는지를 나타냅니다. 단위중량은 다음과 같은 상황에서 유용합니다.

• 유체 정압 계산: 유체 정압은 유체의 단위중량, 유체의 깊이에 의해 결정됩니다.
• 부력 계산: 부력은 물체가 받는 단위중량에 의한 힘입니다. 부력은 물체의 단위중량과 물의 단위중량 차이에 의해 결정됩니다.
• 구조물 설계: 구조물 설계에는 구조물이 받는 하중을 고려해야 합니다. 하중은 단위중량과 물체의 부피를 이용하여 계산할 수 있습니다.

비체적은 단위 질량당 물질의 부피를 나타냅니다. 즉, 물질이 얼마나 희게 채워져 있는지를 나타냅니다. 비체적은 다음과 같은 상황에서 유용합니다.

• 유체 흐름: 유체 흐름은 유체의 비체적에 의해 영향을 받습니다. 일반적으로 비체적이 높을수록 유체 흐름은 더 쉽게 발생합니다.
• 침식 및 운반: 침식 및 운반은 유체의 비체적에 의해 영향을 받습니다. 일반적으로 비체적이 높을수록 침식 및 운반이 더 쉽게 발생합니다.
• 토양 수분: 토양 수분은 토양의 비체적에 의해 영향을 받습니다. 일반적으로 비체적이 높을수록 토양 수분 보유 능력이 높아집니다.

단위중량과 비체적은 서로 상호 보완적 관계를 가지고 있습니다. 단위중량은 물질의 무게와 밀도에 대한 정보를 제공하고, 비체적은 물질의 부피와 밀도에 대한 정보를 제공합니다. 두 개념을 함께 사용하면 물질의 특성을 더욱 정확하게 이해할 수 있습니다.

 

예를 들어, 강을 흐르는 물의 유량을 계산하기 위해서는 단위중량과 비체적 모두 필요합니다. 단위중량은 물의 무게를 나타내고, 비체적은 물의 부피를 나타냅니다. 두 정보를 이용하여 단위 시간당 흐르는 물의 부피를 계산할 수 있습니다.