9급 국가직 화학공학일반 기출문제 전 회차를 한 권으로 — PDF 전자책(문제집·정답해설집)

25년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

25년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

액체에 대한 기체 용해도 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 액체와 기체는 반응하지 않는다)

1일정한 분압에서 온도가 높을수록 용해도는 증가한다.

2일정한 온도에서 기체의 분압이 클수록 용해도는 증가한다.

3묽은 용액 조건에서 용해도와 분압의 정량적 관계는 헨리 법칙(Henry's law)으로 주어진다.

4동일한 액체에 대해 헨리 법칙 상수는 기체의 종류에 의존한다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 일정 분압에서 온도가 높을수록 기체 용해도가 증가한다는 것이다. 기체의 용해는 대개 발열 과정이고 온도가 오르면 기체 분자의 운동 에너지가 커져 액상에서 빠져나가므로 온도가 높을수록 용해도는 감소한다.

묽은 용액에서는 헨리 법칙 $p_A = H\,x_A$ 가 성립하여 용해도가 분압에 비례한다.

일정 온도에서 분압이 클수록 용해도가 증가한다는 설명은 옳다.
묽은 용액에서 용해도와 분압의 관계가 헨리 법칙으로 주어진다는 설명은 옳다.
같은 액체라도 헨리 상수가 기체 종류에 따라 다르다는 설명은 옳다.

문제 2

2mol의 질소 가스(N₂)가 수소 가스(H₂)와 비가역적으로 반응하여 모두 암모니아 가스(NH₃)로 전환되었을 때, 소모된 수소 가스와 생성된 암모니아 가스의 질량[g]을 바르게 연결한 것은? (단, 질소(N)와 수소(H)의 원자량은 각각 14와 1이다)

	소모된 수소 가스 질량[g]	생성된 암모니아 가스 질량[g]
①	6	34
②	6	68
③	12	68
④	12	136

1①

2②

3③

4④

정답 및 해설

소모된 수소는 12 g, 생성된 암모니아는 68 g이다. 반응식 $\mathrm{N_2 + 3H_2 \to 2NH_3}$ 의 몰비로 계산한다.

$\mathrm{H}_{2}$ : $2\times3 = 6\,\mathrm{mol}$ , $6\times2 = 12\,\mathrm{g}$
N $\mathrm{H}_{3}$ : $2\times2 = 4\,\mathrm{mol}$ , $4\times17 = 68\,\mathrm{g}$

수소 6 g·암모니아 34 g은 질소 1 mol이 반응했을 때의 값이다.
수소 6 g·암모니아 68 g은 수소를 몰수(6 mol)로 착각한 값이다.
수소 12 g·암모니아 136 g은 암모니아 몰수를 두 배로 잘못 잡은 값이다.

문제 3

평면벽의 두께가 50cm이고 바깥 표면의 온도와 안쪽 표면의 온도가 각각 10°C와 20°C로 유지될 때, 벽을 통한 정상상태 열전달 플럭스(flux)[kJm^-2h^-1]는? (단, 벽의 열전도도는 1.0×10^-4 kJm^-1s^-1K^-1이고, 평면벽 두께 방향으로의 열전도만 고려한다)

14.8

26.4

37.2

48.6

정답 및 해설

벽을 통한 열전달 플럭스는 7.2 kJ m⁻² h⁻¹이다. 1차원 정상상태 전도이므로 Fourier 법칙을 쓴다.

$q = k\dfrac{\Delta T}{L}$
$q = (1.0\times10^{-4}\,\mathrm{kJ\,m^{-1}s^{-1}K^{-1}})\times\dfrac{10\,\mathrm{K}}{0.5\,\mathrm{m}} = 2.0\times10^{-3}\,\mathrm{kJ\,m^{-2}s^{-1}}$

시간 단위를 바꾸면 $2.0\times10^{-3}\times3600 = 7.2\,\mathrm{kJ\,m^{-2}h^{-1}}$ 이다.

문제 4

등온 회분식 반응기에서 A→2B 비가역 액상 기초 반응을 진행하였을 때, 1시간 뒤 B의 농도가 0.6molL^-1로 측정되었다. 동일한 조건에서 A의 초기 농도만을 3배로 증가시켰을 때, 1시간 뒤 B의 농도[molL^-1]는? (단, 반응 초기에는 순수한 A만 존재한다)

10.6

21.2

31.8

43.6

정답 및 해설

A의 초기 농도를 3배로 하면 1시간 뒤 B의 농도는 1.8 mol L⁻¹이다. A→2B 기초 반응은 1차 반응이므로 일정 시간 뒤의 전환율이 초기 농도와 무관하다.

$X = 1 - e^{-kt}, \quad C_B = 2C_{A0}X$
같은 온도·같은 시간이면 X가 같으므로 $C_B$ 는 $C_{A0}$ 에 비례한다.

$C_B = 3\times0.6 = 1.8\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

문제 5

등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 A→B 비가역 액상 2차 반응을 진행한다. 유입되는 A의 초기 농도는 2molL^-1이고, 부피 유속은 4Lmin^-1로 일정할 때, 전환율 90%를 얻기 위해 필요한 반응기 부피[L]는? (단, 반응속도상수는 1Lmol^-1min^-1이다)

145

290

3135

4180

정답 및 해설

필요한 반응기 부피는 180 L이다. CSTR 설계식에 2차 반응 속도식 $-r_A = kC_A^2$ 를 대입한다.

$V = \dfrac{v_0 C_{A0} X}{kC_{A0}^2(1-X)^2}$
$V = \dfrac{4\times2\times0.9}{1\times2^2\times(0.1)^2} = \dfrac{7.2}{0.04}$
$V = 180\,\mathrm{L}$

문제 6

물질전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1다성분 혼합물에서 평균 속도에 대한 각 화학종의 속도를 확산속도라고 한다.

2Fick의 법칙에서 확산속도는 농도구배에 반비례한다.

3질량 플럭스(flux)는 흐름에 수직인 단위면적을 단위시간당 통과하는 질량을 나타내는 벡터양이다.

4계(system) 안의 어떤 대류와도 무관한 물질전달을 분자확산이라고 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 Fick의 법칙에서 확산속도가 농도구배에 반비례한다는 것이다.

Fick의 법칙 $J_A = -D_{AB}\dfrac{dC_A}{dz}$ 에서 확산 플럭스는 농도구배에 비례하고, 방향은 농도가 낮아지는 쪽이다.

평균 속도에 대한 각 화학종의 상대 속도를 확산속도라고 한다는 설명은 옳다.
질량 플럭스가 단위면적·단위시간당 통과 질량을 나타내는 벡터양이라는 설명은 옳다.
대류와 무관한 물질전달을 분자확산이라고 한다는 설명은 옳다.

문제 7

압축성 유체의 흐름 속도가 음속보다 느릴 때, 노즐의 단면적이 감소하는 수평 수렴노즐에서 흐름 방향으로의 압력구배(dP/dx)와 속도구배(du/dx)의 부호를 바르게 연결한 것은? (단, 흐름은 열역학적 가역흐름이다)

	dP/dx	du/dx
①	+	+
②	+	−
③	−	−
④	−	+

1①

2②

3③

4④

정답 및 해설

아음속 수렴노즐에서는 dP/dx < 0, du/dx > 0이다. 즉 흐름 방향으로 압력은 감소하고 속도는 증가한다.

가역 단열 흐름에서 $\dfrac{dA}{A} = (M^2-1)\dfrac{du}{u}$ 이고 $M\lt 1$ 이면 단면적이 줄 때( $dA\lt 0$ ) $du\gt 0$ 이다. 운동량 식 $dP = -\rho u\,du$ 에 의해 속도가 늘면 압력은 감소한다.

압력·속도 구배가 모두 양인 조합은 틀리다. 압력이 증가하면서 동시에 가속될 수 없다.
압력 구배 양·속도 구배 음인 조합은 단면적이 넓어지는 아음속 확산기(디퓨저)의 경우이다.
압력·속도 구배가 모두 음인 조합은 운동량 식과 맞지 않는다.

문제 8

플러그흐름반응기(PFR)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1축 방향(axial direction)으로 농도가 변한다.

2정상상태에서 운전된다.

3반지름 방향(radial direction)으로 온도구배가 없다.

4몰 수지식은 대수방정식이다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 PFR의 몰 수지식이 대수방정식이라는 것이다.

PFR은 축 방향으로 농도가 연속적으로 변하므로 몰 수지식이 미분방정식 $\dfrac{dF_A}{dV} = r_A$ 이고, 대수방정식이 되는 것은 균일 혼합된 CSTR이다.

축 방향으로 농도가 변한다는 설명은 옳다.
정상상태에서 운전된다는 설명은 옳다.
반지름 방향으로 온도·농도 구배가 없다고 가정한다는 설명은 옳다.

문제 9

내경이 1m인 수평 원형관 내부를 40cms^-1의 평균 유속으로 비압축성 뉴턴유체(Newtonian fluid)가 흐를 때, Fanning 마찰계수는? (단, 유체는 완전히 발달된 정상상태로 흐르고, 밀도와 점도는 각각 0.8gcm^-3과 200cP이다)

10.01

20.05

30.1

40.5

정답 및 해설

Fanning 마찰계수는 0.01이다. 먼저 Reynolds 수로 흐름 영역을 판정하면 층류이다.

$Re = \dfrac{\rho u D}{\mu} = \dfrac{800\times0.4\times1}{0.2} = 1600$ (SI 단위: $800\,\mathrm{kg\,m^{-3}}$ , $0.4\,\mathrm{m\,s^{-1}}$ , $0.2\,\mathrm{Pa\,s}$ )

층류의 Fanning 마찰계수는 $f = \dfrac{16}{Re} = \dfrac{16}{1600} = 0.01$ 이다.

문제 10

탈거탑에서 Murphree 효율(η_M)과 총괄 효율(η_O)이 같고 평형선과 조작선이 직선일 때, 평형선의 기울기는? (단, 액체유량과 증기유량은 각각 300kgh^-1과 15kgh^-1이고, η_M≠1 이다)

10.05

20.5

420

정답 및 해설

평형선의 기울기는 20이다. Murphree 효율과 총괄 효율이 같아지는 것은 평형선 기울기 m과 조작선 기울기 L/V가 같을 때이다.

$\eta_O = \dfrac{\ln[1+\eta_M(mV/L-1)]}{\ln(mV/L)}$ 에서 $mV/L \to 1$ 이면 $\eta_O = \eta_M$ 이 된다.

$m = \dfrac{L}{V} = \dfrac{300}{15} = 20$

문제 11

원심펌프에서 나타날 수 있는 공동화(cavitation) 현상에 대한 설명으로 옳은 것은?

1펌프 임펠러의 마모를 지연시킨다.

2흡입부의 압력이 유체의 증기압보다 낮을 때 발생한다.

3펌프의 효율을 증가시킨다.

4배출부의 압력이 유체의 증기압보다 높을 때 발생한다.

정답 및 해설

옳은 설명은 흡입부의 압력이 유체의 증기압보다 낮을 때 공동화가 발생한다는 것이다.

흡입부에서 압력이 증기압 아래로 떨어지면 액체가 기화해 기포가 생기고, 이 기포가 고압부에서 붕괴하면서 소음·진동·침식을 일으킨다.

임펠러 마모를 지연시킨다는 설명은 틀리다. 기포 붕괴 충격으로 침식이 오히려 빨라진다.
펌프 효율을 증가시킨다는 설명은 틀리다. 양정과 효율이 떨어진다.
배출부 압력이 증기압보다 높을 때 발생한다는 설명은 틀리다. 그것은 정상 운전 조건이다.

문제 12

초임계유체에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1온도나 압력을 변화시키면 용질로부터 쉽게 분리할 수 있다.

2상압에서 커피로부터 카페인을 추출할 때 사용될 수 있다.

3유기용매 대비 추출 속도가 빠르다.

4일정한 온도에서 압력을 높여 액체로 변환시킬 수 없다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 상압에서 커피의 카페인을 추출할 때 초임계유체를 쓸 수 있다는 것이다.

초임계유체는 임계온도와 임계압력 이상에서만 존재하므로 상압이 아닌 고압 조건에서 추출한다(예: 초임계 이산화탄소).

온도나 압력을 바꾸면 밀도·용해력이 변해 용질과 쉽게 분리된다는 설명은 옳다.
확산계수가 크고 점도가 낮아 유기용매보다 추출 속도가 빠르다는 설명은 옳다.
임계온도 이상에서는 압력을 높여도 액체로 변하지 않는다는 설명은 옳다.

문제 13

기체 분리막에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1비다공질 고분자 막의 경우 기체는 저압 쪽에서 고분자 막에 용해된다.

2비다공질 고분자 막에서 기체 수송은 용액확산 메커니즘을 따른다.

3다공질 막에서 세공 내의 확산계수는 세공 크기와 평균 분자 속도에 비례한다.

4다공질 막의 세공이 기체의 평균 자유경로보다 매우 작으면 Knudsen 확산이 지배적이다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 비다공질 고분자 막에서 기체가 저압 쪽에서 막에 용해된다는 것이다.

용액확산 메커니즘에서는 기체가 고압(공급) 쪽에서 막에 용해되고, 막 안을 확산해 저압(투과) 쪽에서 탈착된다.

비다공질 고분자 막의 기체 수송이 용액확산 메커니즘을 따른다는 설명은 옳다.
세공 내 확산계수가 세공 크기와 평균 분자 속도에 비례한다는 설명은 옳다( $D_K = \tfrac{1}{3}d\bar{u}$ ).
세공이 평균 자유경로보다 매우 작으면 Knudsen 확산이 지배적이라는 설명은 옳다.

문제 14

다음 블록선도에서 Y의 식으로 옳은 것은?

정답 및 해설

Y의 식은 $Y = \dfrac{G_1G_2}{1+G_1G_2G_3G_4G_5}X$ 이다. 음의 피드백 폐루프 전달함수는 전향 경로 이득 / (1 + 루프 이득)이다.

전향 경로: X → $\mathrm{G}_{1}$ → $\mathrm{G}_{2}$ → Y이므로 $G_1G_2$
피드백 경로: Y → $\mathrm{G}_{5}$ → $\mathrm{G}_{4}$ → $\mathrm{G}_{3}$ → 비교기(−)이므로 루프 이득 $G_1G_2G_3G_4G_5$

분자가 $\mathrm{G}_{1}$ $\mathrm{G}_{2}$ $\mathrm{G}_{3}$ $\mathrm{G}_{4}$ $\mathrm{G}_{5}$ , 분모가 1 + $\mathrm{G}_{1}$ $\mathrm{G}_{2}$ 인 식은 전향 경로와 루프를 뒤바꾼 것이다.
분자가 $\mathrm{G}_{1}$ $\mathrm{G}_{2}$ $\mathrm{G}_{3}$ $\mathrm{G}_{4}$ $\mathrm{G}_{5}$ , 분모가 1 − $\mathrm{G}_{1}$ $\mathrm{G}_{2}$ 인 식은 경로를 뒤바꾸고 부호도 양의 피드백으로 잘못 잡았다.
분모가 1 − $\mathrm{G}_{1}$ $\mathrm{G}_{2}$ $\mathrm{G}_{3}$ $\mathrm{G}_{4}$ $\mathrm{G}_{5}$ 인 식은 양의 피드백일 때의 식이다.

문제 15

다음 가역반응이 평형상태에 있을 때, 화학평형이 오른쪽으로 이동하지 않는 조작은? (단, 정반응은 흡열반응이다)

\mathrm{As_4O_6}(s) + 6\mathrm{C}(s) \rightleftharpoons \mathrm{As_4}(g) + 6\mathrm{CO}(g)

1반응기 부피 증가

2반응기 온도 증가

3CO(g)를 반응기로부터 제거

4As₄O₆(s)를 반응기에 첨가

정답 및 해설

평형을 오른쪽으로 이동시키지 않는 조작은 A $s_{4}$ $\mathrm{O}_{6}$ (s)를 첨가하는 것이다. 순수 고체의 활동도는 1로 일정해 평형상수식에 들어가지 않으므로, 고체를 더 넣어도 평형 위치는 변하지 않는다.

평형상수는 $K = P_{\mathrm{As_4}}P_{\mathrm{CO}}^{6}$ 이고 기체 몰수는 반응물 0, 생성물 7로 증가하는 반응이다.

반응기 부피를 늘리면 압력이 낮아져 기체 몰수가 많은 오른쪽으로 이동한다.
정반응이 흡열이므로 온도를 높이면 오른쪽으로 이동한다.
생성물인 CO를 제거하면 이를 보충하는 오른쪽으로 이동한다.

문제 16

닫힌 계에서 기체가 다음과 같이 4단계의 열역학적 가역공정 사이클을 거칠 때, (가)~(다)의 값[J]을 바르게 연결한 것은? (단, ∆U^t는 계의 총 내부에너지 변화이고, 계로 유입되는 Q(열)와 W(일)는 양(＋)의 값으로 나타낸다)

공정	총 내부에너지 변화[J]	열[J]	일[J]
1 → 2	-100	Q_1-2	-4,000
2 → 3 (단열)	(가)	Q_2-3	W_2-3
3 → 4 (일정부피)	∆U^t_3-4	-400	W_3-4
4 → 1	3,000	(나)	5,000
전체 사이클	∆U^t_cycle	1,500	(다)

	(가)	(나)	(다)
①	-400	800	-1,800
②	-400	-2,000	-1,800
③	-2,500	800	-1,500
④	-2,500	-2,000	-1,500

1①

2②

3③

4④

정답 및 해설

(가) −2,500 J, (나) −2,000 J, (다) −1,500 J이다. 열과 일을 모두 계로 유입되는 양을 양으로 두므로 제1법칙은 $\Delta U^t = Q + W$ 이고, 사이클 전체는 $\Delta U^t_{cycle} = 0$ 이다.

(다): $0 = 1500 + W \Rightarrow W = -1500$
(나): $3000 = Q_{4-1} + 5000 \Rightarrow Q_{4-1} = -2000$
일정부피 공정은 $W_{3-4}=0$ 이므로 $\Delta U^t_{3-4} = -400$
(가): $-100 + x - 400 + 3000 = 0 \Rightarrow x = -2500$

(가) −400, (나) 800, (다) −1,800 조합은 세 값이 모두 틀렸다.
(가) −400, (나) −2,000, (다) −1,800 조합은 (가)와 (다)가 틀렸다.
(가) −2,500, (나) 800, (다) −1,500 조합은 (나)가 틀렸다. 4 → 1 공정에서 $Q=\Delta U^t-W=3000-5000=-2000$ 이어야 한다.

문제 17

2kW가 공급되는 닫힌 가열기 내에 채워진 물 30kg이 20°C에서 50°C로 승온되는 데 걸리는 시간[h]은? (단, 물의 비열은 4.0Jg^-1K^-1이고, 외부로의 열손실은 없다)

10.5

21.0

31.5

42.0

정답 및 해설

걸리는 시간은 0.5 h이다. 열손실이 없으므로 공급 전력량이 모두 물의 현열로 들어간다.

$Q = mc\Delta T = 30000\,\mathrm{g}\times4.0\,\mathrm{J\,g^{-1}K^{-1}}\times30\,\mathrm{K} = 3.6\times10^{6}\,\mathrm{J}$

$t = \dfrac{Q}{P} = \dfrac{3.6\times10^{6}}{2000} = 1800\,\mathrm{s} = 0.5\,\mathrm{h}$

문제 18

등온 정압 플러그흐름반응기(PFR)에서 이산화탄소 가스(CO₂)를 이용한 메테인 가스(CH₄)의 비가역 개질 반응으로 수소 가스(H₂)와 일산화탄소 가스(CO)가 생성된다. 유입되는 반응유체의 부피 조성은 20vol% CH₄, 70vol% CO₂, 10vol% N₂이다. 한계반응물의 전환율이 50%일 때, 반응기 출구에서 CO₂의 부피 조성[vol%]은? (단, 모든 기체는 이상기체이고, 부반응은 없다)

120

230

350

460

정답 및 해설

출구에서 C $\mathrm{O}_{2}$ 의 부피 조성은 50 vol%이다. 반응식은 $\mathrm{CH_4 + CO_2 \to 2H_2 + 2CO}$ 이고, 1:1 반응에서 C $\mathrm{H}_{4}$ 가 더 적으므로 한계반응물은 C $\mathrm{H}_{4}$ 이다.

입구 100 mol 기준: C $\mathrm{H}_{4}$ 20, C $\mathrm{O}_{2}$ 70, $\mathrm{N}_{2}$ 10
반응량 $20\times0.5 = 10\,\mathrm{mol}$ → C $\mathrm{H}_{4}$ 10, C $\mathrm{O}_{2}$ 60, $\mathrm{H}_{2}$ 20, CO 20, $\mathrm{N}_{2}$ 10 (합계 120 mol)

이상기체이므로 부피 분율 = 몰 분율: $\dfrac{60}{120}\times100 = 50\,\%$

문제 19

등온 회분식 반응기에서 300K의 온도 조건으로 A→3B 비가역 액상 기초 반응을 1시간 진행하여 전환율 70%를 얻었다. 동일한 조건에서 반응 온도만을 600K로 증가시켰을 때, 전환율 70%를 얻기 위해 필요한 시간[h]은? (단, 기체상수는 8.3Jmol^-1K^-1이고, 반응의 활성화 에너지는 49.8kJmol^-1로 일정하다)

1e^-20

2e^-10

3e^-5

4e^-3

정답 및 해설

600 K에서 필요한 시간은 $e^{-10}$ h이다. A→3B 기초 반응은 1차 반응이라 같은 전환율에 대해 $kt$ 가 일정하므로, 시간은 Arrhenius 식의 속도상수 비에 반비례한다.

$\dfrac{k_2}{k_1} = \exp\left[\dfrac{E_a}{R}\left(\dfrac{1}{T_1}-\dfrac{1}{T_2}\right)\right] = \exp\left[\dfrac{49800}{8.3}\left(\dfrac{1}{300}-\dfrac{1}{600}\right)\right]$
$= \exp\left(\dfrac{6000}{600}\right) = e^{10}$

$t_2 = t_1\dfrac{k_1}{k_2} = 1\times e^{-10}\,\mathrm{h}$

문제 20

복사(radiation)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1회색체의 단색광 흡수율은 모든 파장에서 동일하다.

2일정 온도에서 열 에너지 플럭스(flux)는 물질의 종류와 무관하다.

3흑체 복사는 Stefan-Boltzmann 법칙으로 설명된다.

4총 복사력은 물체의 표면으로부터 방출되는 모든 단색광 복사의 합이다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 일정 온도에서 열 에너지 플럭스가 물질의 종류와 무관하다는 것이다.

실제 물체의 복사 플럭스는 $E = \varepsilon\sigma T^4$ 로 표면의 방사율에 따라 달라지므로 같은 온도라도 물질·표면 상태에 따라 다르다.

회색체의 단색 흡수율이 모든 파장에서 같다는 설명은 옳다(회색체의 정의).
흑체 복사가 Stefan-Boltzmann 법칙으로 설명된다는 설명은 옳다.
총 복사력이 모든 파장의 단색 복사를 합한 것이라는 설명은 옳다.

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25년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

액체에 대한 기체 용해도 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 액체와 기체는 반응하지 않는다)

1일정한 분압에서 온도가 높을수록 용해도는 증가한다.

2일정한 온도에서 기체의 분압이 클수록 용해도는 증가한다.

3묽은 용액 조건에서 용해도와 분압의 정량적 관계는 헨리 법칙(Henry's law)으로 주어진다.

4동일한 액체에 대해 헨리 법칙 상수는 기체의 종류에 의존한다.

정답 및 해설

묽은 용액에서는 헨리 법칙 $p_A = H\,x_A$ 가 성립하여 용해도가 분압에 비례한다.

일정 온도에서 분압이 클수록 용해도가 증가한다는 설명은 옳다.
묽은 용액에서 용해도와 분압의 관계가 헨리 법칙으로 주어진다는 설명은 옳다.
같은 액체라도 헨리 상수가 기체 종류에 따라 다르다는 설명은 옳다.

문제 2

	소모된 수소 가스 질량[g]	생성된 암모니아 가스 질량[g]
①	6	34
②	6	68
③	12	68
④	12	136

1①

2②

3③

4④

정답 및 해설

소모된 수소는 12 g, 생성된 암모니아는 68 g이다. 반응식 $\mathrm{N_2 + 3H_2 \to 2NH_3}$ 의 몰비로 계산한다.

$\mathrm{H}_{2}$ : $2\times3 = 6\,\mathrm{mol}$ , $6\times2 = 12\,\mathrm{g}$
N $\mathrm{H}_{3}$ : $2\times2 = 4\,\mathrm{mol}$ , $4\times17 = 68\,\mathrm{g}$

수소 6 g·암모니아 34 g은 질소 1 mol이 반응했을 때의 값이다.
수소 6 g·암모니아 68 g은 수소를 몰수(6 mol)로 착각한 값이다.
수소 12 g·암모니아 136 g은 암모니아 몰수를 두 배로 잘못 잡은 값이다.

문제 3

14.8

26.4

37.2

48.6

정답 및 해설

벽을 통한 열전달 플럭스는 7.2 kJ m⁻² h⁻¹이다. 1차원 정상상태 전도이므로 Fourier 법칙을 쓴다.

$q = k\dfrac{\Delta T}{L}$
$q = (1.0\times10^{-4}\,\mathrm{kJ\,m^{-1}s^{-1}K^{-1}})\times\dfrac{10\,\mathrm{K}}{0.5\,\mathrm{m}} = 2.0\times10^{-3}\,\mathrm{kJ\,m^{-2}s^{-1}}$

시간 단위를 바꾸면 $2.0\times10^{-3}\times3600 = 7.2\,\mathrm{kJ\,m^{-2}h^{-1}}$ 이다.

문제 4

10.6

21.2

31.8

43.6

정답 및 해설

$X = 1 - e^{-kt}, \quad C_B = 2C_{A0}X$
같은 온도·같은 시간이면 X가 같으므로 $C_B$ 는 $C_{A0}$ 에 비례한다.

$C_B = 3\times0.6 = 1.8\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

문제 5

145

290

3135

4180

정답 및 해설

필요한 반응기 부피는 180 L이다. CSTR 설계식에 2차 반응 속도식 $-r_A = kC_A^2$ 를 대입한다.

$V = \dfrac{v_0 C_{A0} X}{kC_{A0}^2(1-X)^2}$
$V = \dfrac{4\times2\times0.9}{1\times2^2\times(0.1)^2} = \dfrac{7.2}{0.04}$
$V = 180\,\mathrm{L}$

문제 6

물질전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1다성분 혼합물에서 평균 속도에 대한 각 화학종의 속도를 확산속도라고 한다.

2Fick의 법칙에서 확산속도는 농도구배에 반비례한다.

3질량 플럭스(flux)는 흐름에 수직인 단위면적을 단위시간당 통과하는 질량을 나타내는 벡터양이다.

4계(system) 안의 어떤 대류와도 무관한 물질전달을 분자확산이라고 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 Fick의 법칙에서 확산속도가 농도구배에 반비례한다는 것이다.

Fick의 법칙 $J_A = -D_{AB}\dfrac{dC_A}{dz}$ 에서 확산 플럭스는 농도구배에 비례하고, 방향은 농도가 낮아지는 쪽이다.

평균 속도에 대한 각 화학종의 상대 속도를 확산속도라고 한다는 설명은 옳다.
질량 플럭스가 단위면적·단위시간당 통과 질량을 나타내는 벡터양이라는 설명은 옳다.
대류와 무관한 물질전달을 분자확산이라고 한다는 설명은 옳다.

문제 7

	dP/dx	du/dx
①	+	+
②	+	−
③	−	−
④	−	+

1①

2②

3③

4④

정답 및 해설

아음속 수렴노즐에서는 dP/dx < 0, du/dx > 0이다. 즉 흐름 방향으로 압력은 감소하고 속도는 증가한다.

압력·속도 구배가 모두 양인 조합은 틀리다. 압력이 증가하면서 동시에 가속될 수 없다.
압력 구배 양·속도 구배 음인 조합은 단면적이 넓어지는 아음속 확산기(디퓨저)의 경우이다.
압력·속도 구배가 모두 음인 조합은 운동량 식과 맞지 않는다.

문제 8

플러그흐름반응기(PFR)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1축 방향(axial direction)으로 농도가 변한다.

2정상상태에서 운전된다.

3반지름 방향(radial direction)으로 온도구배가 없다.

4몰 수지식은 대수방정식이다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 PFR의 몰 수지식이 대수방정식이라는 것이다.

PFR은 축 방향으로 농도가 연속적으로 변하므로 몰 수지식이 미분방정식 $\dfrac{dF_A}{dV} = r_A$ 이고, 대수방정식이 되는 것은 균일 혼합된 CSTR이다.

축 방향으로 농도가 변한다는 설명은 옳다.
정상상태에서 운전된다는 설명은 옳다.
반지름 방향으로 온도·농도 구배가 없다고 가정한다는 설명은 옳다.

문제 9

10.01

20.05

30.1

40.5

정답 및 해설

Fanning 마찰계수는 0.01이다. 먼저 Reynolds 수로 흐름 영역을 판정하면 층류이다.

$Re = \dfrac{\rho u D}{\mu} = \dfrac{800\times0.4\times1}{0.2} = 1600$ (SI 단위: $800\,\mathrm{kg\,m^{-3}}$ , $0.4\,\mathrm{m\,s^{-1}}$ , $0.2\,\mathrm{Pa\,s}$ )

층류의 Fanning 마찰계수는 $f = \dfrac{16}{Re} = \dfrac{16}{1600} = 0.01$ 이다.

문제 10

10.05

20.5

420

정답 및 해설

평형선의 기울기는 20이다. Murphree 효율과 총괄 효율이 같아지는 것은 평형선 기울기 m과 조작선 기울기 L/V가 같을 때이다.

$\eta_O = \dfrac{\ln[1+\eta_M(mV/L-1)]}{\ln(mV/L)}$ 에서 $mV/L \to 1$ 이면 $\eta_O = \eta_M$ 이 된다.

$m = \dfrac{L}{V} = \dfrac{300}{15} = 20$

문제 11

원심펌프에서 나타날 수 있는 공동화(cavitation) 현상에 대한 설명으로 옳은 것은?

1펌프 임펠러의 마모를 지연시킨다.

2흡입부의 압력이 유체의 증기압보다 낮을 때 발생한다.

3펌프의 효율을 증가시킨다.

4배출부의 압력이 유체의 증기압보다 높을 때 발생한다.

정답 및 해설

옳은 설명은 흡입부의 압력이 유체의 증기압보다 낮을 때 공동화가 발생한다는 것이다.

흡입부에서 압력이 증기압 아래로 떨어지면 액체가 기화해 기포가 생기고, 이 기포가 고압부에서 붕괴하면서 소음·진동·침식을 일으킨다.

임펠러 마모를 지연시킨다는 설명은 틀리다. 기포 붕괴 충격으로 침식이 오히려 빨라진다.
펌프 효율을 증가시킨다는 설명은 틀리다. 양정과 효율이 떨어진다.
배출부 압력이 증기압보다 높을 때 발생한다는 설명은 틀리다. 그것은 정상 운전 조건이다.

문제 12

초임계유체에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1온도나 압력을 변화시키면 용질로부터 쉽게 분리할 수 있다.

2상압에서 커피로부터 카페인을 추출할 때 사용될 수 있다.

3유기용매 대비 추출 속도가 빠르다.

4일정한 온도에서 압력을 높여 액체로 변환시킬 수 없다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 상압에서 커피의 카페인을 추출할 때 초임계유체를 쓸 수 있다는 것이다.

초임계유체는 임계온도와 임계압력 이상에서만 존재하므로 상압이 아닌 고압 조건에서 추출한다(예: 초임계 이산화탄소).

온도나 압력을 바꾸면 밀도·용해력이 변해 용질과 쉽게 분리된다는 설명은 옳다.
확산계수가 크고 점도가 낮아 유기용매보다 추출 속도가 빠르다는 설명은 옳다.
임계온도 이상에서는 압력을 높여도 액체로 변하지 않는다는 설명은 옳다.

문제 13

기체 분리막에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1비다공질 고분자 막의 경우 기체는 저압 쪽에서 고분자 막에 용해된다.

2비다공질 고분자 막에서 기체 수송은 용액확산 메커니즘을 따른다.

3다공질 막에서 세공 내의 확산계수는 세공 크기와 평균 분자 속도에 비례한다.

4다공질 막의 세공이 기체의 평균 자유경로보다 매우 작으면 Knudsen 확산이 지배적이다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 비다공질 고분자 막에서 기체가 저압 쪽에서 막에 용해된다는 것이다.

용액확산 메커니즘에서는 기체가 고압(공급) 쪽에서 막에 용해되고, 막 안을 확산해 저압(투과) 쪽에서 탈착된다.

비다공질 고분자 막의 기체 수송이 용액확산 메커니즘을 따른다는 설명은 옳다.
세공 내 확산계수가 세공 크기와 평균 분자 속도에 비례한다는 설명은 옳다( $D_K = \tfrac{1}{3}d\bar{u}$ ).
세공이 평균 자유경로보다 매우 작으면 Knudsen 확산이 지배적이라는 설명은 옳다.

문제 14

다음 블록선도에서 Y의 식으로 옳은 것은?

정답 및 해설

Y의 식은 $Y = \dfrac{G_1G_2}{1+G_1G_2G_3G_4G_5}X$ 이다. 음의 피드백 폐루프 전달함수는 전향 경로 이득 / (1 + 루프 이득)이다.

분자가 $\mathrm{G}_{1}$ $\mathrm{G}_{2}$ $\mathrm{G}_{3}$ $\mathrm{G}_{4}$ $\mathrm{G}_{5}$ , 분모가 1 + $\mathrm{G}_{1}$ $\mathrm{G}_{2}$ 인 식은 전향 경로와 루프를 뒤바꾼 것이다.
분자가 $\mathrm{G}_{1}$ $\mathrm{G}_{2}$ $\mathrm{G}_{3}$ $\mathrm{G}_{4}$ $\mathrm{G}_{5}$ , 분모가 1 − $\mathrm{G}_{1}$ $\mathrm{G}_{2}$ 인 식은 경로를 뒤바꾸고 부호도 양의 피드백으로 잘못 잡았다.
분모가 1 − $\mathrm{G}_{1}$ $\mathrm{G}_{2}$ $\mathrm{G}_{3}$ $\mathrm{G}_{4}$ $\mathrm{G}_{5}$ 인 식은 양의 피드백일 때의 식이다.

문제 15

다음 가역반응이 평형상태에 있을 때, 화학평형이 오른쪽으로 이동하지 않는 조작은? (단, 정반응은 흡열반응이다)

\mathrm{As_4O_6}(s) + 6\mathrm{C}(s) \rightleftharpoons \mathrm{As_4}(g) + 6\mathrm{CO}(g)

1반응기 부피 증가

2반응기 온도 증가

3CO(g)를 반응기로부터 제거

4As₄O₆(s)를 반응기에 첨가

정답 및 해설

평형상수는 $K = P_{\mathrm{As_4}}P_{\mathrm{CO}}^{6}$ 이고 기체 몰수는 반응물 0, 생성물 7로 증가하는 반응이다.

반응기 부피를 늘리면 압력이 낮아져 기체 몰수가 많은 오른쪽으로 이동한다.
정반응이 흡열이므로 온도를 높이면 오른쪽으로 이동한다.
생성물인 CO를 제거하면 이를 보충하는 오른쪽으로 이동한다.

문제 16

공정	총 내부에너지 변화[J]	열[J]	일[J]
1 → 2	-100	Q_1-2	-4,000
2 → 3 (단열)	(가)	Q_2-3	W_2-3
3 → 4 (일정부피)	∆U^t_3-4	-400	W_3-4
4 → 1	3,000	(나)	5,000
전체 사이클	∆U^t_cycle	1,500	(다)

	(가)	(나)	(다)
①	-400	800	-1,800
②	-400	-2,000	-1,800
③	-2,500	800	-1,500
④	-2,500	-2,000	-1,500

1①

2②

3③

4④

정답 및 해설

(가) −400, (나) 800, (다) −1,800 조합은 세 값이 모두 틀렸다.
(가) −400, (나) −2,000, (다) −1,800 조합은 (가)와 (다)가 틀렸다.
(가) −2,500, (나) 800, (다) −1,500 조합은 (나)가 틀렸다. 4 → 1 공정에서 $Q=\Delta U^t-W=3000-5000=-2000$ 이어야 한다.

문제 17

10.5

21.0

31.5

42.0

정답 및 해설

걸리는 시간은 0.5 h이다. 열손실이 없으므로 공급 전력량이 모두 물의 현열로 들어간다.

$Q = mc\Delta T = 30000\,\mathrm{g}\times4.0\,\mathrm{J\,g^{-1}K^{-1}}\times30\,\mathrm{K} = 3.6\times10^{6}\,\mathrm{J}$

$t = \dfrac{Q}{P} = \dfrac{3.6\times10^{6}}{2000} = 1800\,\mathrm{s} = 0.5\,\mathrm{h}$

문제 18

120

230

350

460

정답 및 해설

이상기체이므로 부피 분율 = 몰 분율: $\dfrac{60}{120}\times100 = 50\,\%$

문제 19

1e^-20

2e^-10

3e^-5

4e^-3

정답 및 해설

$t_2 = t_1\dfrac{k_1}{k_2} = 1\times e^{-10}\,\mathrm{h}$

문제 20

복사(radiation)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1회색체의 단색광 흡수율은 모든 파장에서 동일하다.

2일정 온도에서 열 에너지 플럭스(flux)는 물질의 종류와 무관하다.

3흑체 복사는 Stefan-Boltzmann 법칙으로 설명된다.

4총 복사력은 물체의 표면으로부터 방출되는 모든 단색광 복사의 합이다.

정답 및 해설

옳지 않은 진술은 일정 온도에서 열 에너지 플럭스가 물질의 종류와 무관하다는 것이다.

실제 물체의 복사 플럭스는 $E = \varepsilon\sigma T^4$ 로 표면의 방사율에 따라 달라지므로 같은 온도라도 물질·표면 상태에 따라 다르다.

회색체의 단색 흡수율이 모든 파장에서 같다는 설명은 옳다(회색체의 정의).
흑체 복사가 Stefan-Boltzmann 법칙으로 설명된다는 설명은 옳다.
총 복사력이 모든 파장의 단색 복사를 합한 것이라는 설명은 옳다.