상식에 깊이를 더하다 : Why

어떤 것을 수나 양으로 표현할 때는 SI 단위에 접두어를 많이 사용합니다. 대표적으로 킬로(kilo)가 있죠. 몇 킬로미터(km), 몇 킬로그램(kg) 등 일상에서도 킬로(kilo)라는 접두어는 정말 많이 언급됩니다. 이렇게 일상에서도 많이 쓰는 SI 접두어가 있는 반면에, 처음 들어보는 낯선 접두어들도 있는데요. 현재까지는 20개의 접두어가 있답니다. SI, 전세계에 통용되는 국제 단위계 SI 접두어를 이해하기 전에, SI란 무엇인지 간단하게 알아봐야겠죠? SI는 국제단위계입니다. SI는 영어로 된 약어는 아니고, 프랑스어 'Le Systeme Intenational d' Unites'의 약어입니다. 영어로는 International System of Units 이죠. SI 단위계는 국제적으로 사용하는..

금속(metal)은 고체 상태에서 광택이 나고 열전도율과 전기전도율이 좋으며, 연성과 전성의 성질이 있는 홑원소 물질입니다. 벌써 금속의 특징이 다 나열된 것 같네요:) 금속에 대해서는 화학 분야와 기계 분야에서 많이 다루고 있는데요. 화학 분야에서는 금속 원소의 전자 배열이나 원자들의 결합 형태(금속 결합) 같은 미시적인 관점에서 출발하여 금속의 특징을 공부한다면, 기계 분야에서는 금속 결합에 의해 생성되는 결정체에 관심을 가지며 기계 재료의 관점에서 금속의 특징을 공부합니다. 금속의 화학적 성질을 알아보자 일반적으로 주기율표 상의 약 70~80% 원소들이 금속에 해당합니다. 금속 원소는 대부분 최외각 전자(peripheral electron)를 가지고 있기 때문에 전자가 쉽게 전이될 수 있습니다. 때..

열역학은 열역학적 평형(thermodynamic equilibrium) 상태를 기본 전제로 물질과 계(system)를 분석하고 논하는 학문입니다. 여기서 평형(equilibrium)이란, 어떤 방향이나 흐름 없이 균형적인(balanced) 상태를 말하므로, 열역학적 평형이란 열역학적으로 상태가 유지되는 균형적인 것을 뜻합니다. 열역학적 평형이 되어 있어야 우리는 상태량을 특정할 수 있고, 계산(분석)이 가능합니다. 예를 들어서 냄비가 가열되고 있어 온도가 올라가는 중이라면, 계속 온도라는 상태량이 변동하고 있기 때문에 값을 특정하지도 못하고 계산해도 의미가 없겠죠. 우리가 궁금한 것은 계가 상태 1에서 상태 2로 변했을 때의 변화량과 그 과정에서의 열(heat)과 일(work)의 출입이기 때문입니다. 열..

열역학 분야는 계(system)에서 일어나는 현상을 다룹니다. 계란, 열역학에서 우리가 관심을 가지는 대상으로 물질과 에너지(energy)를 포괄하는 공간인데요. 계는 개방계와 밀폐계, 고립계로 구분되며 각각 특징이 있습니다. 개방계, 밀폐계, 그리고 고립계 ∇ 개방계(open system)는 열린계 또는 유동계(flow system)라고도 합니다. 계의 경계를 통해서 질량(물질)과 에너지가 모두 이동이 가능합니다. 그리고 개방계는 Control Volume System인데요. 공간(Volume)을 관심 대상으로 보고 있으니, 질량과 에너지의 출입에 제한이 없습니다. 대표적인 개방계로는 펌프와 터빈이 있는데요. 물질이 흘러가는 동시에 일이나 열이라는 형태로 에너지가 출입하는 기계이기 때문입니다. ∇ 밀폐..

수소 연료전지(fuel cell)는 연료(반응물)의 화학 에너지를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시켜주는 장치입니다. 화학전지(battery)의 관점으로는 '3차 전지'라고도 불리지요. 참고로 1차 전지는 한번 쓰고 나면 충전이 불가능한 건전지 같은 전지를 의미하고, 2차 전지는 재충전이 가능한 전지를 일컫습니다. 연료전지는 메탄올, 화석 연료, 바이오매스 등 여러 연료를 통해 발생하는 수소(hydrogen)를 활용하고 재충전이 가능한 장치입니다. 수소 연료전지의 장점은? ∇ 시스템 크기에 대비해 운전효율이 높습니다. 수소를 활용한 연료전지는 무려 40~60%의 효율을 보이는데요. 연료전지에서는 화학 에너지가 바로 전기 에너지와 열(heat)로 직접 변환되기 때문에 열기관(heat engine)..

상태량은 '강도성 상태량(intensive property)'과 '종량성 상태량(extensive property)'으로 구분됩니다. 여러 상태량들을 이 두 가지로 구분 지어보면 다음과 같습니다. ∇ 강도성 상태량 : 온도, 압력, 밀도, 비체적(specific volume), 농도, 끓는점, 녹는점, 어느점, 전기저항 등 ∇ 종량성 상태량 : 내부에너지, 엔탈피, 엔트로피, 길이, 체적, 질량, 열용량(heat capacity) 등 강도성 상태량과 종량성 상태량 알아보기 ∇ 강도성 상태량은 물질의 질량과 관계없이 그 크기 값이 결정되는 상태량을 뜻합니다. 예를 들어서, 온도라는 상태량이 20℃라면, 이 물질이 1kg이든, 1,000kg이든 관계없이 모두 온도가 20℃ 일겁니다. 농도도 마찬가지입니다. ..

유압장치(hydraulic system) 또는 유압기기(oil pressure machine)는 이름 그대로 유(oil)의 압력에 의해 구동되는 장치 또는 기계입니다. 유체의 압력을 활용해 힘을 전달하는 유압기기는 여러 장점이 있기 때문에 일상생활에서도 많이 사용되고 있습니다. 유압기기의 장점은? ∇ 응답속도가 빠릅니다. 유체에 압력을 가하는 순간, 그 압력은 파스칼의 원리에 의해서 다른 접촉면으로 바로 전달되어 응답속도가 빠릅니다. 또는, 입력에 대한 출력이 빠르다는 표현도 동일한 의미가 되겠습니다. ∇ 무단 변속이 가능합니다. 유량을 조절하면, 힘과 속도를 자유롭게 변속이 가능합니다. 즉, 1단, 2단처럼 이산적으로 변속하는 것이 아니라, 무단변속이 가능합니다. ∇ 작은 힘으로도 큰 힘을 얻을 수 있..

상태량은 영어로 'Quantity of State'입니다. 한글로 풀이하면 '물질계의 거시적인 상태에 대해 정해진 양'인데요. 필자는 상태량을 '어떤 물질의 현재 상태를 표현하는 양'이라고 정의합니다. 예를 들어 신발의 질량이 200g이라면, 200g은 현재 신발의 질량 상태를 나타내는 값이죠? 따라서 이 신발의 질량에 대한 상태량은 200g이 되겠습니다. 상태량을 쓰는 이유는 무엇일까? 공학(engineering)은 기본적으로 자연의 것들을 이용하여 인간에게 유용한 무엇인가를 창조하는 학문입니다. 그렇기 때문에 필연적으로 이 물질의 현재 상태를 알아야 하고, 어떤 과정(process)을 거친 이후의 상태를 알아야 합니다. 그래야 공학적 행위에 의한 물질의 변화를 확인할 수 있고, 인간이 자연을 효율적으..

기계재료는 기계나 구조물을 제작할 때 사용되는 여러 재료를 통칭하여 일컫는 말입니다. 기계나 구조물의 주재료라고 하면, 보통 철을 많이 떠올릴텐데요. 그만큼 철강재료를 기계재료로 많이 사용하고 있기 때문이겠죠. 하지만, 철 이외에도 여러 다양한 재료들이 사용되고 있답니다. 기계재료를 분류해보자 기계재료는 크게 금속(metal)재료와 비금속(nonmetal) 재료로 구분할 수 있습니다. 금속은 고체일 때 광택이 나고 열전도율과 전기 전도도가 높은 성질을 가지는 물질인데요. 가장 대표적인 물질로는 철(Fe)이 있습니다. 금속재료에서 철은 매우 일반적으로 사용되기 때문에, 금속재료를 철을 기준으로 철강재료와 비철금속재료로 나눕니다. 철강재료는 함유하고 있는 탄소의 양에 따라 순철, 강, 주철로 구분되고 비철금..