되튐 (유변학)
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1. 개요
되튐은 유체가 엔트로피적으로 유리한 형태로 돌아가려는 점탄성 특성으로 인해 나타나는 현상이다. 유체가 기억하는 정도는 엔트로피에 따라 다르며, 완벽한 탄성이 아니기에 에너지 손실로 인해 원래 위치로 완전히 돌아갈 수는 없다. 되튐 현상은 회전하는 막대에서 유체가 따라 올라가는 바이스 효과, 점탄성 유체를 자를 때의 반발, 튜브 내 압력 강하 후 유체의 되튐, 슬리피 퍼티의 늘어뜨림 등 다양한 방식으로 관찰된다.
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되튐 (유변학) | |
---|---|
개요 | |
종류 | 유변학적 현상 |
설명 | 고체에 가해진 응력이 제거된 후 변형이 점진적으로 회복되는 현상 |
상세 정보 | |
특징 | 시간 의존적 가역적 |
관련 물성 | 탄성 점성 |
발생 조건 | 응력 제거 후 |
측정 방법 | 크리프 시험 후 회복 측정 동적 기계 분석 (DMA) |
응용 | |
분야 | 고분자 식품 생체 재료 |
관련 용어 | |
관련 현상 | 크리프 응력 완화 |
관련 이론 | 점탄성 |
2. 기억
유체가 이전에 어떤 상태였는지를 "기억"하는 정도는 엔트로피와 관련이 있다. 유체의 점탄성 특성은 유체가 엔트로피 측면에서 더 안정적인 상태로 돌아가려는 경향을 만들며, 이것이 되튐 현상의 원인이 된다.[1] 유체가 최근에 있었던 안정적인 상태로 돌아가려 할 때 되튐 현상이 나타난다. 하지만 유체는 완벽한 탄성체가 아니기 때문에 변형 과정에서 에너지를 잃게 되고, 이로 인해 원래의 위치로 완전히 되돌아가지는 못한다.
점탄성 물질의 되튐 현상은 다양한 실험을 통해 관찰할 수 있다. 대표적인 예로는 회전하는 막대를 이용한 바이스 효과 관찰, 비커에서 흘러내리는 유체를 가위로 잘랐을 때 나타나는 반동, 원형 튜브 속 유체의 압력 변화에 따른 역류 현상, 슬리피 퍼티를 빠르게 늘였다 놓았을 때의 복원 등이 있다. 이러한 실험들은 물질의 탄성적 특성이 어떻게 되튐 현상으로 나타나는지를 보여준다.
되튐 현상을 보이는 유체는 시간이 지남에 따라 "기억"이 희미해지는 특징을 보인다. 즉, 유체가 변형된 상태로 더 오래 있을수록 원래 상태로 돌아가려는 힘(회복력)이 약해진다. 되튐은 시스템이 외부 힘에 반응하는 정도를 나타내는 특성 시간(characteristic time)과 관련이 있다. 일반적으로 되튐 현상을 보이는 유체의 특성 시간은 수 초 정도이다.[2] 되튐 현상으로 유체가 회복하는 거리는 보통 짧지만, 녹은 상태의 고분자(중합체) 중 일부는 늘어난 전체 길이의 10분의 1까지도 회복할 수 있다.[3] 이러한 고분자의 특성은 고분자 가공 과정에서 중요한 고려 사항이 된다.
3. 반동의 시연
3. 1. 바이스 효과
회전하는 막대를 고분자 용액에 넣으면, 회전 운동으로 생긴 탄성력 때문에 유체가 막대를 타고 올라가는 현상이 나타난다. 이를 바이스 효과라고 한다. 가해지던 토크를 갑자기 멈추면, 유체는 다시 막대를 따라 아래로 내려온다.
3. 2. 유체 절단
비커에서 부어지는 점탄성 유체를 가위로 빠르게 자르면 유체는 비커로 다시 되튄다.
3. 3. 압력 강하
원형 튜브 내 정지 상태의 유체에 압력 강하가 가해지면 포물선 흐름 분포가 관찰되어 유체가 튜브 아래로 끌려 내려간다. 압력이 완화된 직후 유체는 튜브에서 뒤로 되튀어 더 둔탁한 흐름 프로파일을 형성한다.
3. 4. 슬리피 퍼티
슬리피 퍼티를 빠르게 늘여 짧은 시간 동안 그 상태를 유지하면 다시 튀어 오른다. 하지만 오랫동안 늘어난 상태로 두면 회복이 거의 없고 눈에 띄는 되튐 현상도 나타나지 않는다.[4]
참조
[1]
서적
The Elements of Polymer Science and Engineering
Academic Press
2013
[2]
서적
Dynamics of Polymeric Liquids, Vol. 1, Fluid Mechanics
Wiley
1977
[3]
논문
Rheol. Acta
1971
[4]
서적
Elastic Liquids
Academic Press
1963
[5]
웹사이트
한국물리학회 물리학용어집
https://www.kps.or.k[...]
[6]
웹사이트
대한화학회 화학술어집
https://new.kcsnet.o[...]
[7]
웹사이트
대한의협 의학용어 사전
https://www.kmle.co.[...]
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