소방설비기사 소방유체역학 · 유체의 기본 성질

Fluid Properties

유체는 전단응력이 가해지면 멈추지 않고 변형하는 물질이에요. 밀도·비중량·비중은 물 기준으로 연결되고, 점성은 소방 배관·약제 유동을 좌우해요. 뉴턴 점성법칙 τ=μ(du/dy)로 속도구배와 전단응력을 같이 봐요. 점성을 바꾸면 층 속도 분포가 보여요.

유체란 무엇인가

💧 유체의 정의

유체는 전단응력(τ)이 가해지면 '계속' 변형하는 물질이다. 고체는 변형 후 멈추지만, 유체는 아무리 작은 힘이라도 멈추지 않고 흘러간다. 소방에서 다루는 물·포소화약제·가스 모두 유체다.

📐 밀도·비중량·비중

①밀도(ρ): 단위 부피당 질량 → ρ_물 = 1000 kg/m³

②비중량(γ): 단위 부피당 무게 → γ = ρg = 9810 N/m³

③비중(s): 물 대비 밀도 비 → s = ρ/ρ_물 (무차원)

④세 가지는 ρ만 알면 전부 구할 수 있다

점성: 유체의 끈적함

점성계수 μ1.5 Pa·s

이 눈금 최저는 물(0.001 Pa·s)보다 훨씬 크다

🍯 점성을 느껴보자

꿀(μ 큼)과 물(μ 작음)을 생각하자. 위판을 밀면 유체가 층별로 끌려간다. μ가 클수록 같은 속도를 내려면 더 큰 힘(τ)이 필요하다. 슬라이더로 μ를 올려보면 τ가 커지는 걸 확인하라.

뉴턴의 점성법칙

τ = μ dudy [Pa]

전단응력 = 점성계수 × 속도구배

동점성계수

ν = μρ [m²/s]

동점성계수 = 점성계수 / 밀도: 레이놀즈 수 계산에 사용

🎯 핵심 패턴

①τ(전단응력)는 μ(점성)와 du/dy(속도구배)의 곱이다

②이 관계가 직선이면 뉴턴 유체(물, 공기), 곡선이면 비뉴턴 유체

③소방 배관의 물은 뉴턴 유체 → 이 공식이 그대로 적용된다

비중량과 단위 체계

비중량

γ = ρg [N/m³]

물: γ = 1000 × 9.81 = 9810 N/m³

비중

s = ρρ_water

무차원: 물이 기준(s=1), 수은 s=13.6

⚖️ 단위 변환 핵심

①1 atm = 101,325 Pa = 760 mmHg = 10.33 mH₂O

②1 kgf = 9.81 N: SI 단위 환산 필수

③밀도 ρ만 기억하면 γ = ρg, s = ρ/1000 자동 계산

④소방 실무: 수두(mH₂O) ↔ 압력(MPa) 변환이 핵심

총정리

뉴턴의 점성법칙

τ = μ dudy

전단응력 = 점성계수 × 속도구배

비중량 관계

γ = ρg

비중량 = 밀도 × 중력가속도

동점성계수

ν = μρ

Re 계산에 직접 사용되는 값

🎯 시험 포인트

①ρ, γ, s 세 가지 관계를 정확히 쓸 수 있어야 한다

②μ(절대점성)와 ν(동점성)의 차이: ν = μ/ρ

③뉴턴 유체: τ ∝ du/dy (직선 관계)

④1 atm = 101.325 kPa = 10.33 mH₂O 환산

⑤소방시험 빈출: 비중량 γ = 9810 N/m³ (물 기준)