2021년 2회 소방설비기사(기계) 기출문제 해설 - 36번,37번,38번,39번,40번

36. 유속 6m/s로 정상류의 물이 화살표 방향으로 흐르는 배관에 압력계와 피토계가 설치되어있다. 이때 압력계의 계기압력이 300 kPa이었다면 피토계의 계기압력은 약 몇 kPa인가?

 

1) 180

2) 280

3) 318

4) 336

 

답: 3

 

정체압 = 동압 + 정압

 

정체압을 구하라는 문제이다. 압력계는 정압을 측정한 것. 그러므로 동압만 구해서 정압과 더해주면 정체압을 구할 수 있다. 동압은 속도수두를 높이수두로 변환하면 된다.

 

$\frac{V^2}{2g} = h$ ------(1)

 

어디서 많이 본거죠?

 

바로 베르누이 방정식입니다.

 

베르누이 방정식 - 유체의 에너지 보존법칙

 

(1) 식에 대입하여 계산하면

 

h = 1.835m $H_2O$

 

문제에서는 kPa 단위로 묻고 있으므로 단위를 변환해주면 된다. 

 

압력단위환산 문제 푸는 법

1.835m ÷ 10.332m × 101.325kPa = 17.994kPa

정체압 = 300kPa + 17.994kPa = 317.994kPa ≒ 318kPa

 

 

 

 

37. 유체의 압축률에 관한 설명으로 올바른 것은?

 

1) 압축률 = 밀도 × 체적탄성계수

2) 압축률 = 1/체적탄성계수

3) 압축률 = 밀도/체적탄성계수

4) 압축률 = 체적탄성계수/밀도

 

 

답: 2

 

https://ikkujun.com/218 - 체적탄성계수

 

 

 

38. 질량이 5㎏인 공기(이상기체)가 온도 333K로 일정하게 유지되면서 체적이 10배가 되었다. 이 계(system)가 한 일(kJ)은? (단, 공기의 기체상수는 287J/kg·K이다.)

 

1) 220

2) 478

3) 1100

4) 4779

 

답: 3

 

등온과정이다. 등온과정에서 일 공식은 다음과 같다.

 

$W =\int PdV = \int nRT\frac{dV}{V} = nRTln\frac{V_2}{V_1}$

 

질량, 온도, 기체상수, 체적 변화량이 제시되어 있으므로 대입하여 계산만 하면 된다.

 

n = 5kg

T = 333K

R = 287J/kg·K

$V_2 = 10V_1$

 

W = 1100301.8J

 

문제에서는 kJ로 묻고 있으므로 1100.3018kJ

 

 

 

39. 무한한 두 평판 사이에 유체가 채워져 있고 한 평판은 정지해 있고 또 다른 평판은 일정한 속도로 움직이는 Couette 유동을 하고 있다. 유체 A만 채워져 있을 때 평판을 움직이기 위한 단위면적당 힘을 τ1이라 하고 같은 평판 사이에 점성이 다른 유체 B만 채워져 있을 때 필요한 힘을 τ2라 하면 유체 A와 B가 반반씩 위아래로 채워져 있을 때 평판을 같은 속도로 움직이기 위한 단위면적당 힘에 대한 표현으로 옳은 것은?

 

1) $\tau _1 + \tau _2/2$

2) $\sqrt{\tau _1\tau _2}$

3) $\frac{2\tau _1\tau _2}{\tau _1+\tau _2}$

4) $\tau _1 + \tau _2$

 

답: 3

 

이런 문제는 이해하려고 하기보다는 알고만 넘어가자.

 

$2(\frac{1}{\tau _1} + \frac{1}{\tau _2})$

 

 

 

40. 2m 깊이로 물이 차있는 물 탱크 바닥에 한 변이 20cm인 정사각형 모양의 관측창이 설치되어 있다. 관측창이 물로 인하여 받는 순 힘(net force)은 몇 N인가? (단, 관측창 밖의 압력은 대기압이다.)

 

1) 784

2) 392

3) 196

4) 98

 

답: 1

 

위 문제를 그림으로 표현하면 아래와 같다.

문제에서는 Net Force, 알짜힘을 물어보고 있다. 여기서 알짜힘이 아닌 탱크 밑부분에 작용하는 힘이라면 절대압력으로 구해줘야 한다. 하지만 알짜힘이다. 즉, 대기압은 안팎으로 동일하게 작용한다. 

즉 알짜힘은 물의 압력만이다. 

압력단위환산 문제 푸는 법

$2m H_2O$ = 2 ÷ 10.332 × 101325Pa = 19613.82Pa 

힘 = 압력 × 면적

 

면적 = $(0.2m)^2$ = $0.04m^2$

 

힘 = 19613.82Pa × $0.04m^2$ = 784.553N