[유체역학] 유체의 정의

유체란?

• 유체(Fluid)란 기체와 액체를 통틀어 일컫는 말이다.
• 역학적 정의: 전단 응력(shear stress)에 저항하지 못하고 쉽게 변형되며 흐르는 물질.
• 유체의 반대 개념은 고체(Solid)로, 두 상태의 근본적인 차이는 흐를 수 있느냐 없느냐에 있다.

 

열역학적 관점에서의 상태 변화

 

열역학에서는 상태 변화를 두 가지로 나눈다

• 가역과정(reversible process):
  • 외부에서 작용하는 힘이나 원인이 사라졌을 때, 원래의 상태로 완벽히 돌아갈 수 있는 과정.
• 비가역과정(irreversible process):
  • 외부의 힘이나 원인이 사라져도 원래의 상태로 돌아갈 수 없는 과정.

유체는 일반적으로 미시적 관점에서 볼 때 가역적인 상태로 볼 수 있지만, 현실적으로는 "엎질러진 물은 다시 주워 담을 수 없는" 것처럼 거시적 관점에서는 비가역적인 현상으로 보이기도 한다.

 

응력(Stress)

물질 내부에 작용하는 힘을 응력(Stress)이라고 하며, 두 가지로 나뉜다.

• 수직 응력(Normal Stress)
• 전단 응력(Shear Stress)

유체는 전단 응력에 매우 민감하여 쉽게 변형된다. 반면 고체는 일정 수준의 전단 응력을 견딜 수 있는 강성을 가진다.

 

물질의 구조

원자 수준의 구조

• 원자는 핵과 그 주변의 전자로 구성된다.
• 실제로 물질 내부 대부분은 빈 공간이다. 지구에 존재하는 모든 물질에서 빈 공간을 제거하면 농구공만 한 크기밖에 되지 않는다고 알려져 있다.
•  

분자 수준에서 본 물질의 상태

기체

• 분자 간 거리가 매우 크며 자유롭게 움직인다.
• 압력은 기체 분자들이 표면과 얼마나 자주 충돌하는지에 따라 결정된다.

 

액체

• 액체는 기체보다는 분자 간의 거리가 가깝지만 여전히 어느 정도 거리가 있다.
• 물이 투명한 이유는 가시광선이 물 내부의 빈 공간을 그대로 통과하기 때문이다. 즉, 빛이 산란되지 않고 통과할 만큼 분자 사이가 넓게 떨어져 있다. 

 

고체

• 분자들이 격자 구조(Lattice structure)를 형성하여 매우 강한 힘으로 결합해 있다.
• 고체는 전단 응력을 견딜 수 있어 모양을 유지한다.

 

물질의 상태 변화

• 물질 자체가 바뀌는 것이 아니라 분자 간의 힘이 바뀌는 것이다.
• 고체(얼음)에 열을 가하면 분자 간의 힘이 약해져 액체(물)가 되고, 액체(물)에 계속해서 열을 가하면 더욱 약해져 기체(증기) 상태로 변한다.

 

연속체 가설(Continuum Hypothesis)

유체역학에서는 물질을 해석할 때 해석학을 사용한다.

해석학을 사용하기 위해서는 유체가 연속적이라는 가설을 적용한다.

 

• 실제 분자 수준에서는 많은 빈 공간이 존재하지만, 유체역학에서는 해석을 용이하게 하기 위해 빈 공간 없이 연속적인 매질로 가정한다.
• 공학적으로 유효하며, 실제 거시적 해석에서는 충분히 정확한 가정이다.