14. 돌림힘과 유체(Torque and Fluid)

 

14. 1. 돌림힘(Torque)

- 돌림힘(Torque): 물체의 회전운동을 발생시키거나 변화시키는 물리량.

 

- 돌림힘의 크기: rFsinθ. (r: 회전축에서 힘의 작용점까지의 거리, Fsinθ: 힘 F의 수직성분)

 

  힘 F의 방향과 r의 방향이 수직일 때 돌림힘은 가장 크다.

 

- 지레와 같은 도구를 사용하여 일을 하면, 힘의 크기가 줄어들지만, 힘을 작용한 거리가 길어져 전체적인 일의 양은 변하지 않는다.

 

- 역학적 평형(Mechanical Equilibrium): 물체가 운동상태의 변화없이 정지해 있는 상태, 힘의 평형 + 돌림힘의 평형을 동시에 만족해야한다.

 

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14. 2. 유체(Fluid)

 

- 유체(Fluid): 액체나 기체와 같이 흐를 수 있는 물질.

- 밀도(Density): 질량 / 부피. (ρ = M / V)

 

- 압력(Pressure): 힘 / 면적. (P = F / A) [Pa, N/m²]

 

- 기압(Atmospheric Pressure): 대기의 압력으로 지면으로부터 높이가 높을수록 작아진다.

 

  1기압 = 물기둥 약 10m의 무게에 의한 압력.

 

- 수압(Water Pressure): 물에 의한 압력으로 물의 깊이가 10m 깊어질 때마다 수압은 약 1기압씩 증가한다.

  ex) 20m깊이에서의 수압 = 3기압.

 

- 유체의 깊이에 따른 압력: P = ρgh.

 

 

- 유체속에 잠긴 물체는 물체의 모든 표면에 수직으로 압력을 받는다.

 

- 아르키메데스 법칙(Archimedes' Principle): 액체에 잠긴 물체는 물체의 부피만큼 유체를 밀어내며, 밀어낸 유체의 무게만큼 가벼워 진다.

 

- 부력(Buoyancy): 유체속에 잠긴 물체가 윗부분과 아랫부분의 압력차이에 의해서 받게 되는 힘.

 

  부력의 방향은 중력의 반대방향이다.

 

  부력의 크기: F = ρgV.

 

 

- 파스칼법칙(Pascal's Principle): 밀폐된 용기에 비압축성 유체의 표면에 압력이 가해질 때 유체의 모든 지점에 같은 크기의 압력이 전달된다.

 

- 단면적이 서로 다른 피스톤이 같은 비압축성 유체로 연결되어 있을 때, 파스칼 법칙 때문에 단면적이 작은 곳에 누르는 작은 힘을 가하면, 단면적이 큰 곳에서 밀어내는 강한 힘을 이끌어 낼 수 있다. 하지만 단면적이 작은 피스톤이 이동한 거리보다 단면적이 큰 피스톤이 이동한 거리가 더 짧아 한 일의 양은 동일하다.

 

 

- 연속 방정식(Continuity Equation): 유체가 관을 통과할 때, 관의 단면적과 유체의 속력은 반비례한다.

 

  관이 좁을수록 유체의 속력은 빨라진다.

 

- 베르누이 법칙(Bernoulli's Principle): 유체의 퍼텐셜 에너지, 운동 에너지의 합은 항상 일정하다는 이론.

 

  P + 1/2ρv² + ρgh = 유체의 모든 지점에서 일정.

 

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14. 3. 열역학 법칙(Laws of Thermodynamics)

- 열에너지(Thermal Energy): 물체 내부의 분자 운동에 의해 나타나는 에너지.

 

- 온도(Temperature): 물체의 차갑고 뜨거운 정도를 기준을 정해 수치로 나타낸 것.

 

- 열(Thermal): 온도가 다른 두 물체가 접촉해 있을 때, 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 스스로 이동하는 에너지.

 

- 열평형 상태(Thermal Equilibrium State): 두 물체의 온도가 같아져 열의 이동이 더 이상 없는 상태.

 

 

- 열량(Calorie): 열의 이동에 의해 물체가 얻거나 잃을 열의 양 [J, cal].

 

- 비열(Specific Heat): 물질 1kg의 온도를 1K 올리는데 필요한 열량.

 

- 열용량(Heat Capacity): 어떤 물체의 온도를 1K 높이는데 필요한 열량.

 

 

- 열역학 제 0법칙(Zeroth Law of Thermodynamics): 물체 A와 B가 열평형을 이루고, 물체 A와 C가 열평형을 이루면, 물체 B와 C도 열평형을 이룬다.

 

- 열역학 제 1법칙(The First Law of Thermodynamics): 기체에 가해준 열에너지는 내부 에너지의 증가(온도 상승)와 외부에 한 일의 합과 같다.

 

- 열역학 제 2법칙(The Second Law of Thermodynamics): 열은 스스로 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동하지만, 그 반대로의 이동은 스스로 일어나지 않는다. 또한 효율이 1인 열기관은 존재하지 않는다.

 

 

- 전도(Heat Conduction): 열이 물체의 한 부분에서 다른 부분으로 물체를 따라 이동하는 현상.

 

- 대류(Convection): 분자들의 순환적인 흐름에 따라 열을 전달하는 현상.

 

- 복사(Heat Radiation): 열이 중간의 물질을 거치지 않고 전자기파의 형태로 직접 이동하는 현상.

 

 

- 물질이 고체 액체 기체로 상태변화를 할 때도 열을 흡수하고 방출하는데 이 때의 열은 온도변화를 일으키지 않고 상태변화를 하는데만 사용된다. 이럴 때 사용되는 열을 잠열(Latent Heat)이라 부른다.

 

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