토목유체역학 (3 학점) 담당교수명 : 조 원 철 교수실 : 207관 신관 5층 연락처 : 02-820-5323, 010-3721-5323 E-mail : chowc@cau.ac.kr 강의진행 방식 - 강의자료는 매주 E-class 강의자료실을 통해 제공되며, 수강생들은 강의자료와 교재를 활용하여 학습합니다. - 강의자료에 있는 내용은 교재에 자세히 설명되어 있으니 교재를 충분히 활용하기 바랍니다. 교재명 : 알기쉬운 토목유체역학/개수로 수리학 출판사 : 청문각, 저자 : 조원철 ※ 교재는 1학기 토목유체역학, 2학기 개수로 수리학에서 사용됩니다. - 강의내용에 대한 질문은 이메일을 통해 하기 바라며, 질문에 대한 답변은 E-class 강의자료실에 게시됩니다. 성적평가 및 과제물 - 중간고사 40%, 기말고사 40%, 출석 10%, 과제 10% - 과제물은 매주 강의자료실에 게시되며, 과제물은 다음주 강의시간까지 E-mail로 제출합니다. 시간에 맞게 제출되지 않을 시에는 과제를 수행하지 않은 것으로 간주되며 성적에 반영되지 않습니다. 제 1 장 : 물의 기본성질 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 학문이라 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. 1. 유체의 정의 유체(Fluid) 임의의 크기의 외력(전단응력)에 의해 연속적으로 무한히 변형을 일으키는 물질 → 연속체(continuum) 비압축성(incompressibility) : 정지 상태에 있는 유체에 압력을 가했을 때 상당히 큰 압력에 대해 밀도의 변화가 극히 적은 경우 2. 물의 3상 물의 3상 : 고체(눈, 얼음), 액체(물), 기체(수증기) 잠재에너지(latent heat) ① 물의 한 상에서부터 다른 상으로 변화시키는데 필요한 에너지의 양 ② 단위 : calorie(cal ) ③ 얼음(또는 물)을 용해(또는 응고)시키는데 필요한 잠재에너지 : 79.7cal/g 물의 증발에 필요한 잠재에너지 : 597cal/g 1 calorie : 물 1g의 온도를 1°C (14.5°C 에서 15.5°C 까지) 증가시키는데 필요한 에너지 = 4.17 joules Force : N = (1kg)·(1m/sec2) Energy : (Force)·(Distance) = N·m = kg·m2/sec2 = joule 1lb = (1slug)·(1ft/sec2), 1slug = 14.59kg 비열(specific heat), Cp : 어떤 물질의 온도를 1℃ 상승시키는데 필요한 잠재에너지 Cp for water ≈ 1.0cal/g/°C Cp for ice ≈ 0.465cal/g/°C Cp for water vapor ≈ 0.432cal/g/°C 증기압과 대기압 ① 증기압(vapor) : 대기 중의 수증기에 의해 나타 나는 부분적인 압력 ② 대기압(atmospheric pressure) : pN + pO2 + pH2O + ---- 액체의 온도 상승 → 분자에너지의 증가 → 분자의 액체로부터 이탈 → 증기압 상승 표준대기압 (standard atmospheric pressure) =1.013x105 N/m2 =1.013x105 Pascals = 1.013bar =1013mb = 760mmHg =10.33mH2O 단면적=1cm2 3. 차원과 단위 차원(dimension) ① 물리적인 양 또는 현상을 규정하는 방법 ② 기본차원 : 길이(length) L, 질량(mass) M, 시간(time) T 속도 = 거리/시간 → V = LT-1 힘 = 질량∙가속도 → F = MLT-2 유량 = 속도∙단면적 → Q = LT-1∙L2 = L3T-1 단위(units) ① 주어진 임의의 양을 정량적으로 표현하기 위한 정의 ② 영국단위계 : lb, ft, sec, etc 국제단위계 : kg, m, sec, etc 4. 유체의 물리적 성질 밀도(density), ρ ① 질량 입자의 농도를 나타내는 척도로 단위체적이 가지는 유체의 질량 ② 질량(mass) /체적(volume) (kg/m3) ③ f (temperature) ④ 순수한 물 : 1000kg/m3, 1g/cm3, 1ton/m3 바닷물 :1026kg/m3 비체적(specific volume), α = 1/ρ ① 단위 질량이 점유하는 체적 ② 체적(volume)/질량(mass) (m3/kg) 무게 또는 중량(weight), W ① 중력에 의해 질량이 발휘하는 힘 ② 질량(mass)∙중력가속도(gravity) (N ), W =mg 단위중량 또는 단위중량(specific weight), γ ① 단위 체적이 갖는 유체의 무게 ② 유체의 무게(weight)/체적(volume) (N/m3 ), γ =W/∀ =ρg =1000(kg/m3 ) x 9.8(m/sec2 ) = 9800(kg∙ m/sec2 ∙ m3 ) = 9800 (N/m3 ) γ =1000(kgf/m3 ) 비중(specific gravity), S 교재 예제 1.1, 1.2 참조 5. 점성과 전단응력 점성(viscosity) : 유체나 물의 입자와 입자의 마찰력에 의해 생기는 힘으로 온도의 영향을 받음 전단응력(shear stress), τ : 전단력에 의하여 단위 면적에 발생하는 응력 전단변형률(rate of shearing strain) 또는 각 변형률(rate of angular deformation) 교재 예제 1.3 참조 6. 유체의 압축성 탄성유체 : 외부에서 압력을 받으면 압축되고 압력을 제거하면 원상태로 되돌아가는 유체 유체의 압축률 (modulus of compressibility),C (m2/N ) ① 압력의 증가에 따른 체적의 감소율 ② 음의 부호 사용 체적탄성계수(bulk modulus of elasticity), E : 작용한 압력과 체적변화율의 관계 7. 표면장력과 모세관 현상 표면장력(surface tension), σ (N/m) : ① 액체 표면 위에서 임의의 단위 길이의 선을 따라 작용하는 분자간의 인력의 강도 ② f - (액체의 종류와 온도, 액체 경계면에서 접촉 하는 물질의 종류 등) 모세관현상(capillary phenomenon) : 내경이 작은 관을 액체에 넣었을 때 액체 자유표면의 응집력과 고체면에 대한 부착력의 차이에 의해 관내의 액체 표면과 자유표면 사이에 높이 차이를 나타내는 현상 교재 예제 1.4 참조 수주의 무게 접촉부의 표면장력 T θ