공학적 문제, 차별성

공학에서는 필요한 정밀도를 고려하여야 한다. Voltaire의 유명한 격언에 따르면, '완전은 선의 적이다(The perfect is the enemy of the good!).' 이 말은 기술자가 처한 상황을 말해주는 것이다. 더 많은 공학적 노력을 하고, 더 많은 시험을 하더라도, 설계나 계산 결과를 조금밖에 개선할 수 없을 때가 많다. 그러나 실제 문제에서는 기술자의 시간이야말로 한정된 자원이다. 우리들의 목표는 언제나 한정된 시간, 예산, 고객에 의한 제약조건(즉 법과 규칙 등) 안에서 최선을 다하는 것이다. 따라서 기술자는 시간을 잘 안배하여, 정규적 일을 민첩하게 처리하고, 정규적이 아니어서 문제의 소지가 될 수 있는 일에 집중하여야 할 것이다. 이 교재에서 공부하는 내용 대부분은 실무 기술자에게는 정규적인 것들이다. 본 교재의 목표는 이러한 정규적인 것을 공부하는 동시에 이러한 정규적 문제 풀이의 과학적 기초를 공부하도록 하는 것이다. 즉, 과학자와 기술자들이 어제의 어려운 문제를 내일의 정규적 문제가 되게 하고자 하는 정신적 습관을 개발할 수 있게 될 것이다.

또한, 문제의 해답에 관한 신뢰도를 고려하여야 한다. 계산 중에 정확도가 플러스 마이너스 5% 정도인 물성 자료를 사용하였다면, 이보다 더 정확한 답을 보고한다는 것은 의미가 없다. 실제로 순 이론적 계산방법과 확실성이 없는 물성치를 사용하여 제시한 해답이라면 독자는 이를 간파할 수 있어야 한다.

각 장 끝에 있는 연습문제 중에는 간단한 문제로 분할하여야 풀 수 있는 것들이 있다. 이러한 방법은 노력하여 실습할 만한 가치가 있는 것이다.

대부분 학부과정에서 사용되는 유체역학 교재들은 기계공학이나 토목공학을 전공한 자들에 의해 집필되었다. 따라서 본 교재와 그들과는 순서나 내용 면에 있어서 많은 차이를 나타내고 있는데 이는 다음과 같은 이유 때문이다.

1. 기계공학이나 토목공학 엔지니어들이 관심을 갖는 유체역학 문제들은 어떤 구조물 주위를 흐르는 공기역학과 같은 본질적으로 2차원 또는 3차원의 개념이다. 즉, 1차원으로 가정하여서는 설명될 수 없는 문제들이다. 그러나 화학공학 엔지니어들이 주로 관심을 갖는 유체역학과 관련된 문제들은 1차원으로 해석되고 이해될 수 있는 문제라는 점에서 차이를 보이고 있다. 따라서 기계공학이나 토목공학을 전공한 자들에 의해 집필된 유체역학 교재들은 3차원 개념부터 도입되고 있다.

2. 기계공학이나 토목공학 엔지니어들은 대부분의 관심이 힘(force)과 운동량(momentum)에 기초하는 데 반하여 화학공학 엔지니어들은 다루는 대부분의 문제들이 물질수지와 에너지수지에 기초한다. 화공 엔지니어들은 힘과 운동량에 대한 개념을 주로 물리에서 배우는데 실제로 이용되기는 질량 및 에너지 개념들에 비하여 매우 미약한 편이다. 유체역학에서 가장 중요하고 유용한 식인 베르누이 방정식은 힘과 운동량을 시작으로 하거나 에너지를 시작으로 하여 얻어질 수 있다. 따라서 일반적으로 기계공학이나 토목공학 엔지니어들은 운동량을 먼저 소개하나 화공 엔지니어들은 에너지 개념을 먼저 소개한다.

3. 운동량과 힘은 벡터이다. 기계공학이나 토목공학 엔지니어들에게 유체역학은 벡터 미적분학의 실습현장이고 따라서 그들이 집필한 교재에는 벡터 방정식들로 가득하다. 반면에 질량과 에너지는 스칼라이다. 화공에서 다루는 대부분 물리량 또한 스칼라로 벡터 미적분을 거의 사용되지 않는다. 한편, 대학원 과정에서는 벡터 미적분을 다룬다.

이상의 이유로 본 교재에서는 가능한 한 스칼라를 주로 다루게 될 것이며 필요할 경우에만 벡터를 사용할 것이다. 즉 질량보존과 에너지 보존에 대한 개념을 우선 다루고 유체역학과 관련된 문제 해결에 이들이 어떻게 사용되는지를 살펴볼 것이고 후에 운동량수지와 이를 이용한 문제들에 대하여 다룰 것이다. 결론적으로 본 교재는 다른 유체역학 교재들에 비하여 비교적 간단한 수학적 풀이과정을 다루게 될 것이다. 좀 더 복잡한 유도 과정이 필요한 경우에는 부록에서 자세하게 다루었고 본문에는 실제적인 결과식들만 나타내었다.

본 교재의 2부와 3부에서는 화공 엔지니어들이 관심 두는 유체역학 문제들을 1차원 에너지 방정식을 기초하여 광범위하게 다루었다. 반면 4부에서는 2차 또는 3차원 운동량 방정식을 소개하고 이와 연관된 문제들을 다루게 된다.

값싼 원료들로부터 고부가가치의 화학제품들을 얻을 수 있는 전형적인 화학공정 장치를 나타내었다. 한편, 이들은 화공 엔지니어들에게 일자리를 제공해 주는 중요한 산업의 한 부분이기도 하다. 본 교재를 공부하게 되는 학생들은 앞으로 이와 같은 장치들을 설계하거나 디자인하고 운전하는데 참여하게 될 것이다. 이들 장치는 대부분의 유체들이 수송되는 각종 크기의 파이프와 펌프, 용기와 반응기들로 구성되어 있는데 내용물이 새어 나오지 않도록 주의하여야 한다. 왜냐하면, 이들은 고가의 물질이거나 새어 나올 경우 위험하거나 환경을 오염시킬 수 있는 물질들이기 때문이다. 이와 같은 화공 장치 내의 유체거동에 대해 이해하고 예측하는데 본 교재의 2부와 3부에서 다루는 1차원 물질 및 에너지수지 개념이면 충분하다.

케빈 형태의 공업용 로를 나타내었는데 이는 열분해나 개질반응에 광범위하게 사용되는 장치이다. 이는 2부와 3부에서 다루는 1차원 개념을 바탕으로 50년 전에 손으로 설계한 작품이다.