안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
기계공학
Q. 기계를 설계 할 때 가장 까다롭게 생각하는 부분은 어떤 부분인가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기계 설계시 고려해야할 필수 원칙을 나열해 본다면1, 설계 고려 사항 목적, 기능, 안전, 환경 영향, 제조 가능성 및 비용 효율성 의 요소들의 이해하는 것이 가장 기본2, 재료 선택 금속, 고분자, 세라믹 등 재료 선택 시 강도, 무게 , 내식성, 열적 특성 및 비용 까지 고려 해야 함3, 응력 및 구조 해석 시스템의 구조적 무결점을 디자인 하는 것이 중요함 힘의 분포, 하중이 가해진 상태에서의 재료 상태 예측 설계가 예상 작동 조건을 감당가능한 지 여부 확인 정적,동역학 및 유한요소 분석 과 같은 개념을 응력분석에 포함시켜야 함4, 기계적 동력 전달 여부 설계 성능을 최적화하기 위한 기어비, 토크, 속도 및 기계적 효율성에 대한 검토를 면밀히 반복 해야함5, 제조 가능 여부 고려한 설계 공차분석, 어셈블리 , 부품통합 , 비용최적화 등의 개념 조합으로 설계생성하여 실제 제품으로 제조가 가능하도록 설계하는데 중요6, 프로토 타입 및 테스팅 본격 생산 이전에 CNC 머시닝 및 3D 프린팅 통한 빠른 프로토타입 제작 등과 같은 빠른 방법 모색으로 철저한 테스트 및 분석으로 결함 식별통한 성능최적화 및 성능개선 모색이 필요7, 지속가능성 수명주기평가, 재생 에너지 통합 등 개념을 접목하여 재료 재활용, 지속가능한 제조방식이 되는 지 검토 해야함최소한 이 정도의 원칙을 지키며기계 설계에 임해야 하겠습니다.
기계공학
Q. 카르노 사이클의 개념은 무엇인가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.카르노 사이클은 19세기 경 프랑스의 물리학자 카르노에 의해 고안된 가역 이상 열기관 사이클입니다.여기서 가역 이상이라는 말은 실제로 실현 가능한 열기관 사이클은 오토 사이클(Otto cycle)과 같이 정적가열→단열팽창으로 진행되거나 디젤 사이클(Diesel cycle)과 같이 정압가열 →단열팽창으로 진행되는 것이 아니라,등온팽창에서 단열 팽창으로 넘어가기 때문에 실현 불가능하므로 붙여진 단어인데요.카르노 기관과 카르노 사이클에 대해 열거해 보겠습니다.1, 카르노 기관(Carnot engine) 카르노 기관은 *이상 기체를 작동 유체로 사용하는 가상의 열 기관을 말합니다. 실제로 실현이 불가능한 기관이며 열 손실이 없기 때문에 존재하는 열 기관 중 가장 높은 효율을 가집니다. *이상 기체(ideal gas) : 이상기체법칙을 따르는 기체로 , 구성분자들이 모두 동일하며 분자의 부피가 0이고, 분자간 상호작용이 없는 가상적인 기체2, 카르노 사이클(Carnot cycle)카르노 사이클의 과정 피스톤-실린더를 열을 100% 전달하는 재료로 된 실린더 헤드를 가지는 열 기관이라고 가정할 때, 열기관 내부에는 일정한 질량의 이상기체가 들어 있습니다.이러한 상황에서 카르노 사이클은 다음과 같은 과정을 말합니다. *등온 팽창 과정: Isothermal expansion (가역 등온 팽창 과정)고열원 TH을 실린더에 접촉시켜 피스톤에 있는 기체는 열량 Qin을 받으면서 팽창하게 됩니다.이때, 고열원 TH는 무한한 열량을 가진다고 가정하여 아무리 열을 빼았겨도 온도 TH는 변하지 않는다고 가정합니다. *단열 팽창 과정: Adiabatic expansion (가역 단열 팽창 과정)단열은 주위로부터 받는 열량이 0이라는 말입니다.고열원 TH를 제거하여서 열량의 공급을 더 이상 없지만, 등온 팽창 과정에서 열을 받아 이미 고온 상태가 된 기체가 팽창하는 과정입니다. *등온 압축 과정: Isothermal compression (가역 등온 압축 과정)저열원 TL을 실린더에 접촉시켜 상대적으로 고온 상태인 피스톤 안 기체는 열을 빼았기며 압축되게 되고, 방출하는 열량을 Qout이라고 합니다. 저열원 TL은 TH와 마찬가지로 무한한 열량을 가진다고 가정하여 아무리 열을 흡수해도 온도TL은 변하지 않는다고 가정합니다. *단열 압축 과정: Adiabatic compression (가역 단열 압축 과정)저열원 TL을 제거하여서 방출되는 열량은 더 이상 없기 때문에 단열 상태이지만 피스톤 내의 기체가 자체적으로 압축되는 과정을 말합니다.이 처럼 카르노 기관은열역학 제2법칙을 바탕으로 한 이상적 열기관 모델로4단계 순환과정은 열역학 제2법칙을 만족하면서도, 열기관의 효율을 극대화 할 수 있는 방식으로 구성되어있습니다.등온팽창과 압축 단계에서는 열이 자발적으로 저온에서 고온으로 이동하지 않도록 하고,단열팽창과 압축 단계에서는 외부와의 열 교환이 없도록 함으로써열역학 제 2법칙을 충족시키고, 이를 통해 열기관의 최대 효율을 도출할 수 있습니다.
기계공학
Q. 기계 공학 하는 분들도 열역학에 대해서 공부를 한다는데 어디에 필요하나요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.열역학은 물리학의 한 분야로, 열, 작업, 온도와 그들이 에너지, 엔트로피, 물질과 방사선의 물리적 성질과 어떻게 관련되는지를 다룹니다.이들 양의 행동은 열역학의 네 가지 법칙에 의해 지배되며, 이는 측정 가능한 거시적인 물리적 양을 사용하여 양적인 설명을 전달합니다. 이 법칙들은 통계역학을 통해 미세한 구성 요소의 관점에서 설명될 수 있습니다.열역학은 과학과 공학의 다양한 주제에 적용되는데, 특히 물리화학, 생화학, 화학공학, 기계공학에서 중요한 역할을 하며, 기상학과 같은 복잡한 분야에도 적용됩니다.열역학의 법칙열역학의 어떤 시스템을 설명하는 것은 열역학의 네 가지 법칙을 사용합니다. 이 법칙들은 공리적인 기반을 형성합니다.첫 번째 법칙은 에너지가 열, 작업, 물질 전달의 형태로 물리적 시스템 간에 전달될 수 있음을 명시합니다.두 번째 법칙은 엔트로피라는 양의 존재를 정의하며, 이는 시스템이 열역학적으로 어떤 방향으로 진화할 수 있는지를 설명하고, 시스템의 질서 상태를 정량화하며, 시스템에서 추출할 수 있는 유용한 작업을 정량화하는 데 사용될 수 있습니다.열역학의 역사역사적으로 열역학은 초기 증기 기관의 효율성을 향상시키는 데에서 발전하였습니다. 특히 프랑스 물리학자 사디 카르노는 기관 효율이 나폴레옹 전쟁에서 프랑스가 이길 수 있는 열쇠라고 믿었습니다. 스코틀랜드-아일랜드 물리학자 로드 켈빈은 1854년에 열역학의 간결한 정의를 처음으로 제시하였습니다.열역학의 초기 적용은 기계적 열 기관에 대한 연구로 시작되었지만, 곧 화학 화합물과 화학 반응에 대한 연구로 확장되었습니다. 화학 열역학은 엔트로피의 역할과 화학 반응 과정의 자nature을 연구하며, 이 분야의 확장과 지식의 대부분을 제공하였습니다.열역학의 다른 형식도 등장하였습니다. 통계 열역학 또는 통계역학은 입자의 미세한 행동으로부터 입자의 집단 운동에 대한 통계적 예측에 관한 것입니다. 1909년에는 콘스탄틴 카라테오도리가 순수 수학적 접근법을 제시하였는데, 이는 종종 기하학적 열역학이라고 불리는 공리적 서술입니다.
기계공학
Q. 4차 산업을 대비한 기계 설계자들의 역활은 무엇일까요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기계공학은인공지능과 머신러닝,자율주행기술3D 프린팅,에너지 효율 및 신재생 에너지,사물인터넷 과 같은 최신 기술 동향에 지대한 영향을 받고 있는 중입니다이런 기술들은 생산성 향상/ 환경보호를 위한 지속가능한 방향으로 진화 중인데요미래에 이런 기술들의 더욱 혁신적 발전에 따른산업혁신과 사회적인 변화를 이끌어 낼 것으로 다들 예상하는 바입ㄴ디ㅏ.따라서기계 공학자 들은 최신 동향을 주시하면서이를 적극적으로 활용하여 현대 산업의 요구에 부응하는 창의적 솔루션을 개발해야합니다.지속가능한 생산과환경보호를 위해 다양한 분야에서 협력하여 연구와 개발을 진행해 나가야 할 것입니다.
기계공학
Q. 기계공학의 분야의 종류는 어떤게 있나요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기계공학의 근간은말씀대로 4대역학의 지식을 기본으로 하여기계시스템이 어떻게 작동하는 지기계에 사용되는 적정한 재료는 어떤 것이 있는 지 에 관해 학습하는 학문입니다.4대역학은동역학 / 열역학/ 재료역학 / 유체역학 으로 보는데요그 간단한 특징이라면열역학이상기체의 취급과 열과 일의 사이클론에 대하여 열역학 제1법칙, 제2법칙, 이상기체, 비열, 내부에너지, 엔탈피, 열역학적 사이클, 증기사이클, 기체의 흐름 등에 대해 배우게 됩니다.재료역학Stress 및 strain의 개념을 이해하고, normal stress 및 shear stress를 배우고, 각도에 따른 normal stress 및 shear stress의 변화를 이해합니다. 자유물체도를 통하여 원하는 단면과 외부영역의 반력 및 stress를 계산하며, 재료의 물성치에 따른 거동을 파악하고. 비틀림 및 굽힘에 있어, stress 및 strain를 계산하며, 탄성에너지, 좌굴에 대하여 배우게 됩니다.동역학Newton역학에 기초하여 질점이나 강체로 이상화된 물체들로 이루어진 시스템의 운동을 해석할 수 있는 능력을 배양하는것이 목표로, 이를 위해 위치, 속도, 가속도, 각속도, 각가속도 등과 같은 운동의 기본 개념들과 질량 및 관성 모멘트의 개념들을 습득하고 이들을 수학적으로 나타내는 방법과 이들 상호간의 관계를 유도하는 방법에 대해 연구하게 됩니다. 또한 자유물체도 작성에 의한 운동방정식 유도방법과 일, 에너지, 운동량, 충격량 등의 개념 및 사용방법을 습득합니다.유체역학유체의 정의, 유체정역학, 검사체적해석법에 의한 유동해석, 유체유동에 관한 미분적 해석법, 점성유동, 난류유동, 운동량정리와 베르누이정리의 응용, 차원해석과 상사법칙, 포텐셜유동, 내부유동 등에 관한 이론적 해석을 다루며, 유체시스템에 응용할 수 있도록 학습합니다. 또한 유체역학의 응용분야인 공기역학, 첨단유동실험법, 전산열유체, 터보유체기계, 열전달 등의 내용을 학습하기 위한 기본지식을 습득하게 됩니다