유체(Fluid, 流體)는 고체에 비해 형상이 일정하지 않아 변형이 쉽고 자유로이 흐를 수 있는 액체(液體)와 기체(氣體)와 플라즈마를 총칭하는 말이다. 유체의 운동을 다루는 분야를 유체역학이라고 하는데 유체역학에서 문제가 되는 것은 점성과 압축성이다. 정지하고 있는 유체에는 면에 평행하는 접선인 변형력이 작용하지 않고 수직인 압력만 작용하지만, 움직이고 있는 유체에는 점성으로 인하여 접선 변형력도 작용한다.
개요
물체는 흔히 고체·액체·기체의 세 가지로 분류되며 그 중 액체와 기체는 쉽게 변형하는 성질 때문에 운동방법도 비슷하다. 즉'흐른다'는 공통점 때문에 액체와 기체를 일괄하여 유체라고 한다. 유체의 운동을 연구하는 것이 유체역학이다. 실제의 물체는 다수의 원자·분자로 구성되어 있지만 이와 같은 미세한 구조에 깊이 관여하지 않고 다수의 분자에 대해 평균적으로 물체의 성질과 운동을 생각하는 것이 편리하다. 이러한 방법으로 볼 때 물체를 연속물체라고 한다. 액체와 기체를 유체라고 할 때는 연속물체로 생각한다. 힘이 가해진 물체는 일종의 긴장상태에 있으며 이것을 수량적으로 표시하기 위해 응력(應力 ; 變形力)의 개념이 쓰인다. 즉 물체내부의 임의의 점 P를 통과하는 임의의 평면 S를 생각하여 S의 양측 물체 부분이 서로 미치는(단위면적당) 힘을 응력이라고 한다. 면에 수직인 응력의 성분을 법선응력, 면에 평행인 성분을 접선응력이라고 한다. 또 면의 양축 물체부분이 서로 밀 때 법선응력은 압력, 서로 당길때는 장력이라고 한다. 동일한 점 P에 대하여도 면 S를 취하는 방법에 따라 응력은 여러 가지로 변한다. 유체가 쉽게 변형하는 성질은 '정지(靜止)상태에서는 접선응력이 0이고 법선응력은 압력이다'라고 표현 할 수 있다. 왜냐하면 접선응력이 존재하거나 법선 응력이 장력이라면 유체는 정지상태에 있을 수 없기 때문이다. 또한 정지상태에 있는 유체의 경우는 압력의 크기가 일정한 값을 가지게 된다. 이와 같은 압력을 정지압력이라고 한다. 즉 정지한 유체 내부의 각 점의 긴장상태는 압력만으로 표시할 수 있다.
물리적 특성
유체는 일반적으로 다음과 같은 물리적 특성을 가지고 있다.
- 외부 압력에 저항하는 성질인 점성을 가지고 있으며, 초유체 같이 특수한 경우에는 점성이 없다.
- 흐르는 성질인 유동성을 가지고 있다.
유체는 고체와는 다르게 치밀성 (compactness) 과 강성 (rigidity) 을 가지지 않으며 아주 작은 전단응력이 가해지는 경우에도 연속적으로 변형된다. 물질을 구성하는 분자들의 상호간 거리를 비교해보면 고체에 비해 액체, 기체 순으로 거리가 증가한다.
유체의 분류
점성에 따른 분류
- 뉴턴 유체(Newtonian fluid) : 뉴턴의 점성 법칙을 따르는 유체. 점성유체(viscous fluids)라고도 한다.
- 비뉴턴 유체 : 뉴턴의 점성 법칙을 따르지 않는 유체. 비점성 유체(inviscid fluids)라고도 한다.
압축성에 따른 분류
- 압축성 유체(compressible fluids) : 유체에 압력을 주거나 유체가 초음속이 되는 경우 체적이 감소하거나 밀도변화가 일어나는 유체.
- 비압축성 유체(incompressible fluids) : 일반적으로 물이나 기름처럼 압력이나 유속의 변화에 따라 체적이 변하지 않는(즉 밀도의 변화를 무시할 수 있는(ρ=constant)) 유체.
뉴턴 유체와 비압축성 유체는 실제로 존재하지는 않으나, 이론적인 정립을 위해 있다고 가정한다. 점성과 압축성의 영향을 완전히 무시한 가상 유체를 완전유체(perfect fluids) 또는 이상유체(ideal fluids)라고 한다.
유체의 운동
유체가 운동할 때는 접선응력도 존재 할 수 있다. 예를 들면 원통형 용기에 물을 넣고 축을 연직(鉛直)방향으로 하여 회전시키면 처음에는 정지하고 있던 물이 용기의 벽에 접하는 부분부터 점차 움직이기 시작하여 마침내 용기와 하나가 되어 회전한다. 이것은 운동하는 유체가 접선응력을 가질 수 있다는 것을 말한다. 이와 같이 운동하는 유체에 접선응력을 생기게 하는 성질을 유체의 점성이라고 한다. 공기나 물과 같은 유체는 점성이 작다. 그래서 운동 중에도 접선응력이 나타나지 않는 가상적인 유체를 생각하여 이것을 완전유체 또는 비점성 유체라고 한다. 실재의 유체는 모두 점성유체이다. 액체의 밀도는 운동중 거의 변화하지 않는다. 그러므로 이것을 이상화하여 밀도가 항상 일정한 유체를 '줄어들지 않는 유체'라고 하고 이에 비해 밀도가 변화할 수 있는 유체를 '줄어드는 유체'라고 한다. 상식적으로 기체란 줄어드는 유체이다. 일반적으로 유체가 운동할 때 흐름 속의 각 점 의 압력은 속도에 따라 변화한다. 그러나 속도변화가 작으면 압력변화가 작고 따라서 기체라도 밀도변화는 작다. 그런 경우 기체를 줄어들지 않는 기체로 볼 수 있다. 예를 들면, 속도 U의 기류(氣流)가 정지물체에 부딪힐 때 그 기체 속을 전파하는 음파(音波)의 속도를 C라 하면 마하수(數) M=U/c가 0.5 정도 이하이면 그 기체를 줄어들지 않는 유체로 볼 수 있다. 액체 속에서도 음파가 전해지며 음파는 밀도 및 압력의 변화가 매질 속에서 파동으로 전해지는 현상이기 때문에 액체도 줄어드는 유체로 취급할 필요가 있다. 또 아스팔트·빙하·지각 등도 상식적으로는 고체이지만 장기적으로는 변형하면서 유동하므로 유체로서 논의될 수 있다.
참고자료
같이 보기
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