물질의 점성 거동은 허쉘–버클리(Herschel–Bulkley) 모델 … | 2020년 식품안전기사실기(필답형) 4·5회차 기출문제 상세 페이지

① 뉴턴유체 : $n = 1,\; \tau_0 = 0$

② 딜레이턴트유체 : $n \gt 1,\; \tau_0 = 0$

③ 빙햄(소성)유체 : $n = 1,\; \tau_0 \gt 0$

④ 슈도플라스틱유체 : $0 \lt n \lt 1,\; \tau_0 = 0$

[해설]

허쉘–버클리 모델은 뉴턴유체와 비뉴턴유체를 한 식으로 묶어 놓은 일반형이다. 두 지표만 읽으면 유체의 종류가 갈린다.

· 항복응력 $\tau_0$ : 흐르기 시작하는 데 필요한 최소 전단응력. $\tau_0 = 0$이면 아무리 작은 힘에도 곧바로 흐르고, $\tau_0 \gt 0$이면 그 값을 넘어서야 비로소 흐르는 소성 거동이다(케첩·마요네즈·토마토 페이스트).

· 유동지수 $n$ : $n = 1$이면 전단응력이 전단속도에 정비례해 점도가 일정하고, $n \gt 1$이면 저을수록 되직해지는 전단팽창(dilatant), $0 \lt n \lt 1$이면 저을수록 묽어지는 전단담화(pseudoplastic) 거동이다.

따라서 뉴턴유체는 $n = 1,\ \tau_0 = 0$(물·묽은 용액·식용유), 딜레이턴트유체는 $n \gt 1,\ \tau_0 = 0$(농후한 전분 현탁액), 슈도플라스틱유체는 $0 \lt n \lt 1,\ \tau_0 = 0$(농축과즙·퓨레), 빙햄(소성)유체는 $n = 1,\ \tau_0 \gt 0$(토마토 페이스트·마가린)이 된다.

빙햄유체는 항복응력을 넘긴 뒤에는 뉴턴유체처럼 직선 거동을 하므로 전단응력–전단속도 그래프에서 원점이 아니라 $\tau_0$에서 출발하는 직선으로 나타난다.

항복응력은 물리적으로 음수가 될 수 없다. 일부 지면이 발문에 “$\tau_0 \lt 0$으로 표현하시오”라는 조건을 달아 두었으나, 같은 지면의 정답이 $\tau_0 = 0$과 $\tau_0 \gt 0$을 쓰고 있어 조건 쪽이 오식이다. 이 조건은 빼고 출제한다.