유체의 성질 -2

평판 끌기 실험에서 이러한 거동을 하는 유체 즉 Newton의 점도법칙에 따르는 유체를 뉴튼유체(newtonian fluid)라 하고 다른 것은 모두 비뉴튼유체(nonnefwtonian fluid)라 한다. 뉴튼유체에는 어떤 것들이 있는가? 기체는 모두 뉴튼유체이고, 액체 중에서 물, 벤젠, 에탄올, 사염화탄소, 핵산 등 간단한 화학식으로 쓸 수 있는 액체도 모두 뉴튼유체이다. 또한, 무기염이나 설탕의 수용액이나 벤젠용액처럼 간단한 분자의 수용액 또는 유기용매 용액은 대부분 뉴튼유체이다. 한편, 비뉴튼유체에 속하는 것들로는 일반적으로 복잡한 혼합물로서 슬러리, 풀, 겔, 고분자용액 등을 들 수 있다. 대부분의 비뉴튼유체는 서로 다른 크기의 입자들로 구성되어 있다. 예를 들면 치약은 다양한 고분자들로 이루어진 수용액에 고체 입자들이 부유되어 있는 상태인데, 이러한 고체 입자들이나 고분자들은 물 분자보다 수천 수백만 배나 크다. 비뉴튼유체를 다룰 때는 점도의 의미에 관하여 합의하여야 한다. 식의 정의를 그대로 사용한다면, 임의 온도에서의 점도가 dV/dy에 관계없이 일정하지 않으므로, dV/dy의 함수로 고려하여야 한다.

1. 유사가소성 유체(Pseudoplastic fluid) : 속도구배의 증가에 따라 점도가 감소한다. 대부분의 슬러리, 진흙, 고분자 용액, 천연고무 용액, 혈액 등을 예로 들 수 있다. 이러한 유체는 비뉴튼 거동을 하는 전형적인 형태로 shear thinning 유체라 한다.

2. 빙햄 유체(Bingham fluid): 빙햄 플라스틱(Bingham plastic)이라고도 하는데 작은 전단응력에는 무기한 저항하지만, 전단응력이 클 때는 쉽게 흐른다. 따라서 응력이 작을 때는 점도가 무한하고, 응력이 클 때는 점도가 속도구배의 증가에 따라 감소한다고 할 수 있다. 밀가루반죽, 치약, 젤리, 몇 가지 슬러리를 예로 들 수 있다.

3. 팽창 유체(Dilatant fluid): 속도구배의 따라 점도가 증가한다. 이런 거동을 shear thickening이라 하는데, 흔하지 않은 경우로 녹말 현탁액이나 진흙 등이 이와 같은 거동을 한다. 이 유체에서는 액체가 하나의 고체 입자의 이동을 윤활시키는 역할을 하는데, 전단율이 증가하면 윤활효과가 파괴되어 고체입자들이 서로 미끄러지는데 저항이 증가하게 된다.

지금까지는 r대 dV/dy 곡선이 시간의 함수가 아니라고 가정하였다. 즉 평판을 일정한 속도로 움직이는 데 필요한 힘이 항상 같은 경우에 관하여 언급하였다. 그러나 모든 유체가 다 이러한 것은 아니다.

1. 점도가 시간에 관계없이 일정한 경우, 이러한 것을 시간 독립성 유체(time-independent fluid)라 한다.

2. 점도가 시간에 따라 감소하는 경우, 이러한 것을 딕소트로픽 유체(thixotropic fluid)라 한다.

3. 점도가 시간에 따라 증가하는 경우, 이러한 것을 레오펙틱 유체(rheopectic fluid)라 한다.

모든 뉴튼유체와 대부분의 비뉴튼유체는 시간 독립적이다. 딕소트로픽 유체로 알려진 것에는 여러 가지가 있는데, 대부분은 고분자 용액이나 슬러리로 되어 있다. 반면 레오펙틱 유체로 알려진 것은 몇 가지밖에 안 된다.

한편, 어떤 유체는 탄성(elasstic property)을 가지고 있어서 전단응력을 제거하면 다시 '튀어 오르는' 성질이 있는데, 이러한 것을 점탄성유체(viscoelastic fluid)라 한다. 가장 일반적인 예는 달걀 흰자위, 쿠키 반죽 및 문방구에서 파는 고무풀이다. 고무풀을 병에서 조금 쏟다가 손을 재빨리 움직여서 다시 닫아 넣으면 점탄성을 가장 쉽게 입증할 수 있다. 달걀 흰자위도 마찬가지로 점탄성을 나타낸다. 물과 같은 보통 유체일 경우 이러한 현상은 일어나지 않는다.

이와 같은 특이한 유체들의 거동은 사용하는데 실질적인 편리성을 제공한다. 즉, 좋은 치약이라면 빙햄 유체일 것인데, 치약 튜브에서 쉽게 짜낼 수 있지만, 칫솔에서 물이나 꿀처럼 흘러내리지 않는다. 좋은 페인트라면 딕소트로픽 유체일 것인데, 통 안에 있을 때는 점성이 아주 커서 바닥에 가라앉지 않지만 흔들면 점도가 줄어들어서 솔을 사용하여 표면에 쉽게 바를 수가 있다. 또한, 솔질하면 일시적으로 점도가 감소하여 옆으로 흐르기 때문에 솔 자국이 없어진다 [도료업에서는 이른 균엽(leneling)이라 한다]. 그러나 가만히 두면 다시 점도가 증가하여 방울이 생기거나 벽을 따라 흘러내리지 않는다. 공학적으로 응용되는 유체는 대부분 물, 공기, 기체, 단순 유체이므로, 대부분의 유체흐름 문제는 뉴튼유체에 관한 것이다. 따라서 본 교재에서도 뉴튼유체와 관련된 문제들을 주로 다루었다. 그러나 비뉴튼유체도 그 거동 때문에 마찬가지로 중요하다.

헬륨과 같이 아주 단순한 기체의 점도는, 한 개의 실험 측정치를 이용하여 기체 운동론으로부터 모든 온도와 압력에서 값을 계산할 수 있다. 그러나 대부분 기체와 액체는, 온도와 압력의 변화에 따른 점도의 변화를 예측하는 방법이 있기는 하지만, 몇 대의 실험 측정치가 필요하다. 일반적으로 기체의 점도는 온도 증가에 따라 조금씩 증가하지만, 액체의 점도는 온도 증가에 따라 급격히 감소한다. 저압이나 보통의 압력 조건에서는 기체와 액체의 점도는 모두 다 실질적으로 압력에 무관하다.