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

23년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

23년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

서로 다른 단위로 표현된 값 중에서 가장 낮은 압력을 나타내는 것은?

11.0atm

210.0kPa

330.0psi

4380Torr

정답 및 해설

네 값 중 가장 낮은 압력은 10.0 kPa이다.

모두 kPa로 바꾸어 비교한다. $1\,\mathrm{atm}=101.3\,\mathrm{kPa}=760\,\mathrm{Torr}=14.7\,\mathrm{psi}$ 를 쓴다.

$380\,\mathrm{Torr}=\dfrac{380}{760}\times101.3\approx50.7\,\mathrm{kPa}$
$30.0\,\mathrm{psi}=\dfrac{30.0}{14.7}\times101.3\approx207\,\mathrm{kPa}$

1.0 atm은 약 101.3 kPa로 10.0 kPa보다 높다.
30.0 psi는 약 207 kPa로 네 값 중 가장 높다.
380 Torr는 0.5 atm, 약 50.7 kPa로 10.0 kPa보다 높다.

문제 2

화학공학 엔지니어는 최적의 공정을 설계하기 위해서 여러 가지 형태의 비용에 대해 충분히 이해할 필요가 있다. 이러한 비용에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1총생산비용은 생산속도에 비례하여 증가하지만, 고정비용은 일정하다.

2총생산비용과 총수입이 같아지는 지점을 손익분기점이라고 한다.

3최적의 생산속도는 손익분기점에 해당하는 것보다 더 높아야 한다.

4순이익은 제품 판매에 의한 총수입에서 총생산비용을 뺀 값이다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 순이익을 총수입에서 총생산비용을 뺀 값으로 본 것이다. 그 값은 총이익(세전 이익)이고, 순이익은 여기서 소득세를 더 뺀 값이다.

순이익 = 총수입 − 총생산비용 − 소득세 이므로, 세금을 빼지 않은 차이를 순이익이라 할 수 없다.

총생산비용은 생산속도에 따라 늘어나는 변동비를 포함하므로 증가하고, 고정비용은 생산량과 무관하게 일정하다는 설명은 옳다.
총생산비용과 총수입이 같아지는 지점을 손익분기점이라 하는 것은 옳다.
손익분기점에서는 이익이 0이므로 최적 생산속도는 이보다 높아야 한다는 설명은 옳다.

문제 3

연속 분별증류탑에서 환류비가 무한대일 때에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1유출액이 전부 탑으로 환류되어 제품의 생산이 없는 상태가 된다.

2두 조작선이 x－y 선도에서 기울기가 1인 대각선과 일치한다.

3단수는 최대가 된다.

4이 조건을 전환류라고 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 단수가 최대가 된다는 것이다. 전환류(환류비 무한대)에서는 오히려 필요한 이론단수가 최소가 된다.

환류비가 무한대이면 조작선 기울기 $\dfrac{R}{R+1}\to1$ 이 되어 조작선이 대각선과 겹치고, 평형곡선과 조작선 사이가 가장 넓어져 계단 수가 가장 적다(Fenske 식의 최소이론단수). 반대로 최소환류비에서는 단수가 무한대가 된다.

유출액을 전부 탑으로 되돌려 제품을 뽑지 않는 상태라는 설명은 옳다.
두 조작선이 x−y 선도의 기울기 1인 대각선과 일치한다는 설명은 옳다.
이 조건을 전환류라고 부르는 것은 옳다.

문제 4

평평한 욕조에서 밑면의 배출구를 통해 28ms^-1의 유속으로 물이 배출되고 있다. 외부에서 욕조로 공급되는 물에 의해 욕조의 바닥으로부터 욕조 내 수면의 높이가 변화 없이 일정하게 유지된다고 가정할 때, 욕조 내 수면의 높이[m]는? (단, 정상상태의 에너지 손실이 없는 흐름으로 가정하고, 욕조의 수면과 배출구에서 압력은 대기압으로 같고, 중력가속도는 9.8ms^-2이다)

120

240

360

480

정답 및 해설

욕조 내 수면의 높이는 40 m이다.

수면과 배출구의 압력이 같고 수면 높이가 일정하므로 베르누이 식은 토리첼리 정리 $v=\sqrt{2gh}$ 가 된다.

$h=\dfrac{v^2}{2g}$
$h=\dfrac{28^2}{2\times9.8}=\dfrac{784}{19.6}$
$h=40\,\mathrm{m}$

문제 5

상변화 없는 유체의 열전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1경계층 이론에 따르면, Prandtl 수가 1보다 클 때 운동량확산계수가 열확산계수보다 크다.

2층류(laminar flow)에서의 강제대류(forced convection) 열확산에서 Nusselt 수는 Reynolds 수와 Prandtl 수의 함수로 표현된다.

3Peclet 수가 아주 크면 전도에 의한 열전달은 무시할 수 있다.

4Nusselt 수는 전도 열전달/대류 열전달 에 해당된다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 Nusselt 수를 전도 열전달/대류 열전달로 본 것이다. Nusselt 수는 거꾸로 대류 열전달/전도 열전달의 비이다.

$Nu=\dfrac{hL}{k}$ 로, 같은 온도차에서 대류로 전달되는 열과 순수 전도로 전달되는 열의 비(전도 저항/대류 저항)를 나타낸다.

Prandtl 수는 운동량확산계수/열확산계수이므로 1보다 크면 운동량확산계수가 더 크다는 설명은 옳다.
층류 강제대류에서 Nusselt 수가 Reynolds 수와 Prandtl 수의 함수로 표현된다는 설명은 옳다.
Peclet 수(Re·Pr)는 흐름에 의한 열 수송/전도의 비이므로, 아주 크면 전도를 무시할 수 있다는 설명은 옳다.

문제 6

물질전달에서 중요한 의미를 가지는 무차원 군에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1Schmidt 수는 운동량의 분자확산도와 물질의 분자확산도 간의 비를 나타낸다.

2Schmidt 수는 열전달의 Prandtl 수에 대응되는 개념이다.

3Sherwood 수는 분자 물질전달저항과 유체의 대류 물질전달저항의 비를 나타낸다.

4Sherwood 수는 열전달의 Euler 수에 대응되는 개념이다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 Sherwood 수가 Euler 수에 대응된다는 것이다. Sherwood 수에 대응되는 열전달 무차원수는 Nusselt 수이다.

$Sh=\dfrac{k_cL}{D_{AB}}$ 와 $Nu=\dfrac{hL}{k}$ 는 모두 대류 전달과 분자 전달의 비로 같은 형태이며, Euler 수는 압력과 관성력의 비로 유체역학의 무차원수이다.

Schmidt 수( $\nu/D_{AB}$ )가 운동량 분자확산도와 물질 분자확산도의 비라는 설명은 옳다.
Schmidt 수가 열전달의 Prandtl 수에 대응된다는 설명은 옳다.
Sherwood 수가 분자 물질전달저항과 대류 물질전달저항의 비라는 설명은 옳다.

문제 7

관 입구에서부터 경계층이 관의 중심에 도달하여 완전 발달 흐름이 되기까지의 거리를 전이길이(transition length)라 한다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1층류의 경우 전이길이는 관 지름의 제곱에 비례한다.

2층류의 경우 전이길이는 유체의 점도에 반비례한다.

3유입되는 유체가 난류이고 관 내부의 유속이 임계유속보다 크면, 전이길이는 Reynolds 수의 1/2 제곱에 비례한다.

4층류의 경우 유체의 속도가 빠르면 전이길이는 길어진다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 난류 전이길이가 Reynolds 수의 1/2 제곱에 비례한다는 것이다. 난류에서는 전이길이가 Reynolds 수에 거의 의존하지 않는다.

층류의 전이길이는 $\dfrac{x_t}{D}=0.05\,Re=0.05\dfrac{D\bar{V}\rho}{\mu}$ 이므로 $x_t\propto\dfrac{D^2\bar{V}\rho}{\mu}$ 이다. 난류는 경계층이 빨리 두꺼워져 관 지름의 일정 배수 정도에서 완전 발달하며 Re 영향이 약하다.

층류 전이길이가 관 지름의 제곱에 비례한다는 설명은 옳다.
층류 전이길이가 유체 점도에 반비례한다는 설명은 옳다.
층류에서 유속이 빠르면 전이길이가 길어진다는 설명은 옳다.

문제 8

펌프에 의해 평판 위 층류흐름이 발생한 경우, 평판 위 유동의 시작부분인 평판 입구에서부터 xm만큼 떨어진 곳에서의 국소 대류 열전달 계수(h_국소)가 h_국소＝x²Wm^-2K^-1이고, 평판 입구에서 출구까지의 평균 대류 열전달 계수(h_평균)가 12Wm^-2K^-1일 때, 평판의 총길이[m]는?

정답 및 해설

평판의 총길이는 6 m이다.

평균 열전달계수는 국소 계수를 길이에 대해 적분 평균한 값이다.
$h_{avg}=\dfrac{1}{L}\int_0^L h_x\,dx=\dfrac{1}{L}\int_0^L x^2\,dx=\dfrac{L^2}{3}$

$\dfrac{L^2}{3}=12$
$L^2=36$
$L=6\,\mathrm{m}$

문제 9

물질의 이송 및 처리에 사용하는 장치에 대한 설명으로 옳은 것은?

1왕복펌프는 기계의 회전운동으로 유체를 정방향으로 수송하는 펌프이다.

2오리피스는 면적 유량계, 로타미터는 압력차 유량계이다.

3압축기의 효율은 등온효율이 등엔트로피 효율보다 높다.

4스팀－제트 이젝터(steam-jet ejector)는 진공시스템을 만들기 위해 사용된다.

정답 및 해설

옳은 설명은 스팀−제트 이젝터가 진공시스템을 만드는 데 쓰인다는 것이다. 고속 증기 분사로 주위 기체를 빨아들여 감압한다.

나머지는 장치의 작동 원리나 분류를 뒤바꿔 놓은 진술이다.

왕복펌프는 회전운동이 아니라 피스톤·플런저의 왕복운동으로 유체를 밀어내는 용적형 펌프이다.
오리피스는 압력차 유량계이고 로타미터가 면적 유량계로, 두 분류가 서로 바뀌었다.
등온압축 이론일이 등엔트로피 압축 이론일보다 작으므로, 같은 실제 소요일에 대해 등온효율이 등엔트로피 효율보다 낮다.

문제 10

다중－효용관 증발기를 조작할 때, 각 효용관마다 펌프시설을 필요로 하는 급액 방식은?

1역류식 급액

2순류식 급액

3병류식 급액

4혼합류식 급액

정답 및 해설

각 효용관마다 펌프가 필요한 방식은 역류식 급액이다.

다중효용 증발기는 뒤쪽 효용관일수록 압력이 낮다. 역류식은 원액을 압력이 가장 낮은 마지막 효용관에 넣어 압력이 높은 앞쪽 효용관으로 거슬러 보내므로 효용관 사이마다 펌프로 액을 밀어 올려야 한다.

순류식 급액은 액이 고압 쪽에서 저압 쪽으로 흐르므로 압력차로 이동해 효용관 사이 펌프가 필요 없다.
병류식 급액은 원액을 각 효용관에 따로 나누어 공급하는 방식으로 효용관 사이에서 액을 거슬러 보내지 않는다.
혼합류식 급액은 순류와 역류를 섞은 방식으로 역류 구간에만 펌프가 필요하다.

문제 11

한 모서리의 길이가 10cm인 정육면체 용기에 입자 밀도 2,000kgm^-3인 분체를 가득 채웠다. 용기에 채워진 분체의 질량이 300g이라면 이 분체의 겉보기 밀도[kgm^-3]는?

1300

2400

3500

4600

정답 및 해설

분체의 겉보기 밀도는 300 kg $m^{-3}$ 이다.

겉보기 밀도는 입자 사이 공극까지 포함한 용기 부피로 질량을 나눈 값이며, 입자 밀도는 계산에 쓰이지 않는다.

$V=(0.1\,\mathrm{m})^3=1\times10^{-3}\,\mathrm{m^3}$
$\rho_b=\dfrac{0.3\,\mathrm{kg}}{1\times10^{-3}\,\mathrm{m^3}}=300\,\mathrm{kg\,m^{-3}}$

문제 12

점도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1일반적으로 온도가 올라가면 액체의 점도는 감소하고 기체의 점도는 증가한다.

2하수슬러지와 같이 임계전단응력 이상이 되어야 비로소 흐르기 시작하는 액체를 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)라고 한다.

3점도 1cP는 10^-3Pas와 같다.

420°C 물의 점도는 약 1cP이다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 임계전단응력 이상에서 흐르기 시작하는 유체를 유사가소성 유체라 한 것이다. 그런 유체는 빙햄 가소성 유체(Bingham plastic)이다.

유사가소성 유체는 항복응력 없이 바로 흐르되 전단속도가 커질수록 겉보기 점도가 감소하는 전단담화 유체이다.

온도가 오르면 액체 점도는 감소하고 기체 점도는 증가한다는 설명은 옳다.
$1\,\mathrm{cP}=10^{-2}\,\mathrm{P}=10^{-3}\,\mathrm{Pa\,s}$ 라는 설명은 옳다.
20 °C 물의 점도가 약 1 cP라는 설명은 옳다.

문제 13

2성분계 증류에서 계의 평형상태를 정의하기 위해 고정되어야 하는 독립적 세기변수의 수는?

정답 및 해설

고정해야 하는 독립 세기변수의 수는 2이다.

Gibbs 상률 $F=C-P+2$ 를 쓴다. 2성분계 증류는 기상과 액상이 공존하므로 $C=2,\ P=2$ 이다.

$F=2-2+2=2$

문제 14

비압축성의 뉴튼 유체가 원통형 관을 흐르는 Hagen-Poiseuille 흐름에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1정상상태의 층류 흐름이다.

2내측 벽면에서 유체의 속도를 0으로 하는 노 슬립(no slip) 조건을 적용한다.

3점도가 2배가 되면 평균 유속은 1/2배가 된다.

4원통형 관 중심에서의 유속은 평균 유속의 4배와 같다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 관 중심 유속이 평균 유속의 4배라는 것이다. Hagen−Poiseuille 흐름에서 최대(중심) 유속은 평균 유속의 2배이다.

속도분포가 포물선 $u=u_{max}\left(1-\dfrac{r^2}{R^2}\right)$ 이므로 단면 평균하면 $\bar{V}=\dfrac{u_{max}}{2}$ 이고, $\bar{V}=\dfrac{\Delta P D^2}{32\mu L}$ 로 점도에 반비례한다.

정상상태 층류 흐름이라는 설명은 옳다.
벽면 속도를 0으로 하는 노 슬립 조건을 적용한다는 설명은 옳다.
같은 압력구배에서 점도가 2배가 되면 평균 유속이 1/2배가 된다는 설명은 옳다.

문제 15

동일한 재질의 벽을 두 겹으로 쌓아서 평평한 가열로 벽(flat furnace wall)을 축조하였다. 가열로 내부의 온도는 650°C, 가열로 외부의 온도는 50°C로 유지되며, 벽의 열전도도는 1.0Wm^-1°C^-1이고 벽 한 층의 두께는 각각 0.1m이다. 두 겹의 벽 층 사이에 접촉이 불량하여 접촉 저항(contact resistance)이 0.2°Cm²W^-1라 할 때, 단위 면적당 열 손실량[Wm^-2]은?

1500

21,000

31,500

42,000

정답 및 해설

단위 면적당 열 손실량은 1,500 W $m^{-2}$ 이다.

두 벽층과 접촉 저항이 직렬이므로 단위 면적당 저항을 더한다.
$R=\dfrac{L_1}{k}+R_c+\dfrac{L_2}{k}=\dfrac{0.1}{1.0}+0.2+\dfrac{0.1}{1.0}=0.4\,\mathrm{^{\circ}C\,m^2\,W^{-1}}$

$q=\dfrac{\Delta T}{R}=\dfrac{650-50}{0.4}$
$q=1500\,\mathrm{W\,m^{-2}}$

문제 16

1차 비가역 균일계 액상반응(A→B)이 부피가 V인 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 진행된다. 반응기 입구에서 공급되는 A의 농도가 1.2molL^-1이고, 반응기 출구에서 A의 농도는 0.4molL^-1이다. 동일한 반응조건에서 같은 반응물(A)을 부피가 절반(

\dfrac{1}{2}

V)인 두 개의 연속교반탱크반응기(CSTR)를 직렬로 연결하여 반응을 진행할 때, 두 번째 반응기 출구에서의 A의 농도[molL^-1]는?

10.3

20.4

30.5

40.6

정답 및 해설

두 번째 반응기 출구에서 A의 농도는 0.3 mol $\mathrm{L}^{-1}$ 이다.

1차 반응 CSTR 설계식 $\dfrac{C_{A0}}{C_A}=1+k\tau$ 에서 단일 반응기 조건으로 kτ를 구한다.
$\dfrac{1.2}{0.4}=1+k\tau\ \Rightarrow\ k\tau=2$

부피가 절반인 반응기 하나는 $k\tau=1$ 이고, 두 개를 직렬로 연결하면
$C_{A2}=\dfrac{C_{A0}}{(1+k\tau)^2}=\dfrac{1.2}{(1+1)^2}$
$C_{A2}=0.3\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

문제 17

두 화합물 A와 B가 반응하여 C와 D를 생성하는 반응이 회분식 반응기에서 진행된다. 반응 종료 시 한계반응물의 전화율이 50%일 때, C의 몰분율은? (단, 초기에 반응기에는 40mol%의 A와 50mol%의 B 및 반응에 참여하지 않는 비활성 물질 I가 10mol% 존재한다)

\mathrm{A+B\rightarrow C+D}

10.1

20.2

30.3

40.4

정답 및 해설

반응 종료 시 C의 몰분율은 0.2이다.

전체 100 mol 기준으로 A 40 mol, B 50 mol, I 10 mol이다. A와 B가 1:1로 반응하므로 적게 들어 있는 A가 한계반응물이고, 전화율 50%이면 A 20 mol이 반응한다.

반응 후: A 20, B 30, C 20, D 20, I 10 mol(반응 전후 몰수 변화 없음, 총 100 mol)
$y_C=\dfrac{20}{100}=0.2$

문제 18

화학공정 플랜트의 고정비에 해당되지 않는 것은?

1원료비

2임대

3재산세

4보험

정답 및 해설

고정비에 해당하지 않는 것은 원료비이다. 원료비는 생산량에 비례해 늘어나는 변동비(직접생산비)이다.

고정비는 생산량과 관계없이 일정하게 드는 비용으로 감가상각비, 재산세, 보험료, 임대료 등이 속한다.

임대료는 생산량과 무관하게 지급하므로 고정비이다.
재산세는 보유 자산에 부과되므로 고정비이다.
보험료는 설비·자산에 대해 일정하게 내므로 고정비이다.

문제 19

향류(countercurrent) 이중관 열교환기를 이용해서 난방수를 1.5kgs^-1의 질량 유속으로 20°C에서 70°C까지 가열하고자 한다. 열교환기의 총괄열전달계수가 600Wm^-2K^-1이고 열전달 면적은 5m²라면, 이 열교환기의 대수평균온도차[K]는? (단, 물의 비열은 4kJkg^-1K^-1이고, 뜨거운 유체의 상변화는 없다)

110

250

3100

4200

정답 및 해설

열교환기의 대수평균온도차는 100 K이다.

먼저 난방수가 받은 열량을 구한다.
$Q=\dot{m}c_p\Delta T=1.5\times4000\times(70-20)=3.0\times10^5\,\mathrm{W}$

총괄 전열식 $Q=UA\,\Delta T_{lm}$ 에서
$\Delta T_{lm}=\dfrac{Q}{UA}=\dfrac{3.0\times10^5}{600\times5}$
$\Delta T_{lm}=100\,\mathrm{K}$

문제 20

확산계수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1m²s^-1의 SI 단위를 갖는다.

2기체상 확산계수는 전체압력에 비례한다.

3기체상 확산계수는 절대온도의 3/2 제곱에 비례한다.

4기체상 확산계수는 분자량이 증가할수록 감소한다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 기체상 확산계수가 전체압력에 비례한다는 것이다. 기체 확산계수는 전체압력에 반비례한다.

기체 분자운동론에서 $D_{AB}\propto\dfrac{T^{3/2}}{P}$ 이고 분자량이 클수록 작아진다. 압력이 오르면 분자 밀도가 커져 평균자유행로가 짧아지기 때문이다.

확산계수의 SI 단위가 $\mathrm{m^2\,s^{-1}}$ 라는 설명은 옳다.
기체상 확산계수가 절대온도의 3/2 제곱에 비례한다는 설명은 옳다.
기체상 확산계수가 분자량이 증가할수록 감소한다는 설명은 옳다.

9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

23년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

서로 다른 단위로 표현된 값 중에서 가장 낮은 압력을 나타내는 것은?

11.0atm

210.0kPa

330.0psi

4380Torr

정답 및 해설

네 값 중 가장 낮은 압력은 10.0 kPa이다.

모두 kPa로 바꾸어 비교한다. $1\,\mathrm{atm}=101.3\,\mathrm{kPa}=760\,\mathrm{Torr}=14.7\,\mathrm{psi}$ 를 쓴다.

$380\,\mathrm{Torr}=\dfrac{380}{760}\times101.3\approx50.7\,\mathrm{kPa}$
$30.0\,\mathrm{psi}=\dfrac{30.0}{14.7}\times101.3\approx207\,\mathrm{kPa}$

1.0 atm은 약 101.3 kPa로 10.0 kPa보다 높다.
30.0 psi는 약 207 kPa로 네 값 중 가장 높다.
380 Torr는 0.5 atm, 약 50.7 kPa로 10.0 kPa보다 높다.

문제 2

1총생산비용은 생산속도에 비례하여 증가하지만, 고정비용은 일정하다.

2총생산비용과 총수입이 같아지는 지점을 손익분기점이라고 한다.

3최적의 생산속도는 손익분기점에 해당하는 것보다 더 높아야 한다.

4순이익은 제품 판매에 의한 총수입에서 총생산비용을 뺀 값이다.

정답 및 해설

순이익 = 총수입 − 총생산비용 − 소득세 이므로, 세금을 빼지 않은 차이를 순이익이라 할 수 없다.

총생산비용은 생산속도에 따라 늘어나는 변동비를 포함하므로 증가하고, 고정비용은 생산량과 무관하게 일정하다는 설명은 옳다.
총생산비용과 총수입이 같아지는 지점을 손익분기점이라 하는 것은 옳다.
손익분기점에서는 이익이 0이므로 최적 생산속도는 이보다 높아야 한다는 설명은 옳다.

문제 3

연속 분별증류탑에서 환류비가 무한대일 때에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1유출액이 전부 탑으로 환류되어 제품의 생산이 없는 상태가 된다.

2두 조작선이 x－y 선도에서 기울기가 1인 대각선과 일치한다.

3단수는 최대가 된다.

4이 조건을 전환류라고 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 단수가 최대가 된다는 것이다. 전환류(환류비 무한대)에서는 오히려 필요한 이론단수가 최소가 된다.

유출액을 전부 탑으로 되돌려 제품을 뽑지 않는 상태라는 설명은 옳다.
두 조작선이 x−y 선도의 기울기 1인 대각선과 일치한다는 설명은 옳다.
이 조건을 전환류라고 부르는 것은 옳다.

문제 4

120

240

360

480

정답 및 해설

욕조 내 수면의 높이는 40 m이다.

수면과 배출구의 압력이 같고 수면 높이가 일정하므로 베르누이 식은 토리첼리 정리 $v=\sqrt{2gh}$ 가 된다.

$h=\dfrac{v^2}{2g}$
$h=\dfrac{28^2}{2\times9.8}=\dfrac{784}{19.6}$
$h=40\,\mathrm{m}$

문제 5

상변화 없는 유체의 열전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1경계층 이론에 따르면, Prandtl 수가 1보다 클 때 운동량확산계수가 열확산계수보다 크다.

2층류(laminar flow)에서의 강제대류(forced convection) 열확산에서 Nusselt 수는 Reynolds 수와 Prandtl 수의 함수로 표현된다.

3Peclet 수가 아주 크면 전도에 의한 열전달은 무시할 수 있다.

4Nusselt 수는 전도 열전달/대류 열전달 에 해당된다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 Nusselt 수를 전도 열전달/대류 열전달로 본 것이다. Nusselt 수는 거꾸로 대류 열전달/전도 열전달의 비이다.

$Nu=\dfrac{hL}{k}$ 로, 같은 온도차에서 대류로 전달되는 열과 순수 전도로 전달되는 열의 비(전도 저항/대류 저항)를 나타낸다.

Prandtl 수는 운동량확산계수/열확산계수이므로 1보다 크면 운동량확산계수가 더 크다는 설명은 옳다.
층류 강제대류에서 Nusselt 수가 Reynolds 수와 Prandtl 수의 함수로 표현된다는 설명은 옳다.
Peclet 수(Re·Pr)는 흐름에 의한 열 수송/전도의 비이므로, 아주 크면 전도를 무시할 수 있다는 설명은 옳다.

문제 6

물질전달에서 중요한 의미를 가지는 무차원 군에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1Schmidt 수는 운동량의 분자확산도와 물질의 분자확산도 간의 비를 나타낸다.

2Schmidt 수는 열전달의 Prandtl 수에 대응되는 개념이다.

3Sherwood 수는 분자 물질전달저항과 유체의 대류 물질전달저항의 비를 나타낸다.

4Sherwood 수는 열전달의 Euler 수에 대응되는 개념이다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 Sherwood 수가 Euler 수에 대응된다는 것이다. Sherwood 수에 대응되는 열전달 무차원수는 Nusselt 수이다.

Schmidt 수( $\nu/D_{AB}$ )가 운동량 분자확산도와 물질 분자확산도의 비라는 설명은 옳다.
Schmidt 수가 열전달의 Prandtl 수에 대응된다는 설명은 옳다.
Sherwood 수가 분자 물질전달저항과 대류 물질전달저항의 비라는 설명은 옳다.

문제 7

1층류의 경우 전이길이는 관 지름의 제곱에 비례한다.

2층류의 경우 전이길이는 유체의 점도에 반비례한다.

3유입되는 유체가 난류이고 관 내부의 유속이 임계유속보다 크면, 전이길이는 Reynolds 수의 1/2 제곱에 비례한다.

4층류의 경우 유체의 속도가 빠르면 전이길이는 길어진다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 난류 전이길이가 Reynolds 수의 1/2 제곱에 비례한다는 것이다. 난류에서는 전이길이가 Reynolds 수에 거의 의존하지 않는다.

층류 전이길이가 관 지름의 제곱에 비례한다는 설명은 옳다.
층류 전이길이가 유체 점도에 반비례한다는 설명은 옳다.
층류에서 유속이 빠르면 전이길이가 길어진다는 설명은 옳다.

문제 8

정답 및 해설

평판의 총길이는 6 m이다.

평균 열전달계수는 국소 계수를 길이에 대해 적분 평균한 값이다.
$h_{avg}=\dfrac{1}{L}\int_0^L h_x\,dx=\dfrac{1}{L}\int_0^L x^2\,dx=\dfrac{L^2}{3}$

$\dfrac{L^2}{3}=12$
$L^2=36$
$L=6\,\mathrm{m}$

문제 9

물질의 이송 및 처리에 사용하는 장치에 대한 설명으로 옳은 것은?

1왕복펌프는 기계의 회전운동으로 유체를 정방향으로 수송하는 펌프이다.

2오리피스는 면적 유량계, 로타미터는 압력차 유량계이다.

3압축기의 효율은 등온효율이 등엔트로피 효율보다 높다.

4스팀－제트 이젝터(steam-jet ejector)는 진공시스템을 만들기 위해 사용된다.

정답 및 해설

옳은 설명은 스팀−제트 이젝터가 진공시스템을 만드는 데 쓰인다는 것이다. 고속 증기 분사로 주위 기체를 빨아들여 감압한다.

나머지는 장치의 작동 원리나 분류를 뒤바꿔 놓은 진술이다.

왕복펌프는 회전운동이 아니라 피스톤·플런저의 왕복운동으로 유체를 밀어내는 용적형 펌프이다.
오리피스는 압력차 유량계이고 로타미터가 면적 유량계로, 두 분류가 서로 바뀌었다.
등온압축 이론일이 등엔트로피 압축 이론일보다 작으므로, 같은 실제 소요일에 대해 등온효율이 등엔트로피 효율보다 낮다.

문제 10

다중－효용관 증발기를 조작할 때, 각 효용관마다 펌프시설을 필요로 하는 급액 방식은?

1역류식 급액

2순류식 급액

3병류식 급액

4혼합류식 급액

정답 및 해설

각 효용관마다 펌프가 필요한 방식은 역류식 급액이다.

순류식 급액은 액이 고압 쪽에서 저압 쪽으로 흐르므로 압력차로 이동해 효용관 사이 펌프가 필요 없다.
병류식 급액은 원액을 각 효용관에 따로 나누어 공급하는 방식으로 효용관 사이에서 액을 거슬러 보내지 않는다.
혼합류식 급액은 순류와 역류를 섞은 방식으로 역류 구간에만 펌프가 필요하다.

문제 11

1300

2400

3500

4600

정답 및 해설

분체의 겉보기 밀도는 300 kg $m^{-3}$ 이다.

겉보기 밀도는 입자 사이 공극까지 포함한 용기 부피로 질량을 나눈 값이며, 입자 밀도는 계산에 쓰이지 않는다.

$V=(0.1\,\mathrm{m})^3=1\times10^{-3}\,\mathrm{m^3}$
$\rho_b=\dfrac{0.3\,\mathrm{kg}}{1\times10^{-3}\,\mathrm{m^3}}=300\,\mathrm{kg\,m^{-3}}$

문제 12

점도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1일반적으로 온도가 올라가면 액체의 점도는 감소하고 기체의 점도는 증가한다.

2하수슬러지와 같이 임계전단응력 이상이 되어야 비로소 흐르기 시작하는 액체를 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)라고 한다.

3점도 1cP는 10^-3Pas와 같다.

420°C 물의 점도는 약 1cP이다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 임계전단응력 이상에서 흐르기 시작하는 유체를 유사가소성 유체라 한 것이다. 그런 유체는 빙햄 가소성 유체(Bingham plastic)이다.

유사가소성 유체는 항복응력 없이 바로 흐르되 전단속도가 커질수록 겉보기 점도가 감소하는 전단담화 유체이다.

온도가 오르면 액체 점도는 감소하고 기체 점도는 증가한다는 설명은 옳다.
$1\,\mathrm{cP}=10^{-2}\,\mathrm{P}=10^{-3}\,\mathrm{Pa\,s}$ 라는 설명은 옳다.
20 °C 물의 점도가 약 1 cP라는 설명은 옳다.

문제 13

2성분계 증류에서 계의 평형상태를 정의하기 위해 고정되어야 하는 독립적 세기변수의 수는?

정답 및 해설

고정해야 하는 독립 세기변수의 수는 2이다.

Gibbs 상률 $F=C-P+2$ 를 쓴다. 2성분계 증류는 기상과 액상이 공존하므로 $C=2,\ P=2$ 이다.

$F=2-2+2=2$

문제 14

비압축성의 뉴튼 유체가 원통형 관을 흐르는 Hagen-Poiseuille 흐름에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1정상상태의 층류 흐름이다.

2내측 벽면에서 유체의 속도를 0으로 하는 노 슬립(no slip) 조건을 적용한다.

3점도가 2배가 되면 평균 유속은 1/2배가 된다.

4원통형 관 중심에서의 유속은 평균 유속의 4배와 같다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 관 중심 유속이 평균 유속의 4배라는 것이다. Hagen−Poiseuille 흐름에서 최대(중심) 유속은 평균 유속의 2배이다.

정상상태 층류 흐름이라는 설명은 옳다.
벽면 속도를 0으로 하는 노 슬립 조건을 적용한다는 설명은 옳다.
같은 압력구배에서 점도가 2배가 되면 평균 유속이 1/2배가 된다는 설명은 옳다.

문제 15

1500

21,000

31,500

42,000

정답 및 해설

단위 면적당 열 손실량은 1,500 W $m^{-2}$ 이다.

두 벽층과 접촉 저항이 직렬이므로 단위 면적당 저항을 더한다.
$R=\dfrac{L_1}{k}+R_c+\dfrac{L_2}{k}=\dfrac{0.1}{1.0}+0.2+\dfrac{0.1}{1.0}=0.4\,\mathrm{^{\circ}C\,m^2\,W^{-1}}$

$q=\dfrac{\Delta T}{R}=\dfrac{650-50}{0.4}$
$q=1500\,\mathrm{W\,m^{-2}}$

문제 16

\dfrac{1}{2}

V)인 두 개의 연속교반탱크반응기(CSTR)를 직렬로 연결하여 반응을 진행할 때, 두 번째 반응기 출구에서의 A의 농도[molL^-1]는?

10.3

20.4

30.5

40.6

정답 및 해설

두 번째 반응기 출구에서 A의 농도는 0.3 mol $\mathrm{L}^{-1}$ 이다.

1차 반응 CSTR 설계식 $\dfrac{C_{A0}}{C_A}=1+k\tau$ 에서 단일 반응기 조건으로 kτ를 구한다.
$\dfrac{1.2}{0.4}=1+k\tau\ \Rightarrow\ k\tau=2$

부피가 절반인 반응기 하나는 $k\tau=1$ 이고, 두 개를 직렬로 연결하면
$C_{A2}=\dfrac{C_{A0}}{(1+k\tau)^2}=\dfrac{1.2}{(1+1)^2}$
$C_{A2}=0.3\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

문제 17

\mathrm{A+B\rightarrow C+D}

10.1

20.2

30.3

40.4

정답 및 해설

반응 종료 시 C의 몰분율은 0.2이다.

전체 100 mol 기준으로 A 40 mol, B 50 mol, I 10 mol이다. A와 B가 1:1로 반응하므로 적게 들어 있는 A가 한계반응물이고, 전화율 50%이면 A 20 mol이 반응한다.

반응 후: A 20, B 30, C 20, D 20, I 10 mol(반응 전후 몰수 변화 없음, 총 100 mol)
$y_C=\dfrac{20}{100}=0.2$

문제 18

화학공정 플랜트의 고정비에 해당되지 않는 것은?

1원료비

2임대

3재산세

4보험

정답 및 해설

고정비에 해당하지 않는 것은 원료비이다. 원료비는 생산량에 비례해 늘어나는 변동비(직접생산비)이다.

고정비는 생산량과 관계없이 일정하게 드는 비용으로 감가상각비, 재산세, 보험료, 임대료 등이 속한다.

임대료는 생산량과 무관하게 지급하므로 고정비이다.
재산세는 보유 자산에 부과되므로 고정비이다.
보험료는 설비·자산에 대해 일정하게 내므로 고정비이다.

문제 19

110

250

3100

4200

정답 및 해설

열교환기의 대수평균온도차는 100 K이다.

먼저 난방수가 받은 열량을 구한다.
$Q=\dot{m}c_p\Delta T=1.5\times4000\times(70-20)=3.0\times10^5\,\mathrm{W}$

총괄 전열식 $Q=UA\,\Delta T_{lm}$ 에서
$\Delta T_{lm}=\dfrac{Q}{UA}=\dfrac{3.0\times10^5}{600\times5}$
$\Delta T_{lm}=100\,\mathrm{K}$

문제 20

확산계수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1m²s^-1의 SI 단위를 갖는다.

2기체상 확산계수는 전체압력에 비례한다.

3기체상 확산계수는 절대온도의 3/2 제곱에 비례한다.

4기체상 확산계수는 분자량이 증가할수록 감소한다.

정답 및 해설

옳지 않은 설명은 기체상 확산계수가 전체압력에 비례한다는 것이다. 기체 확산계수는 전체압력에 반비례한다.

확산계수의 SI 단위가 $\mathrm{m^2\,s^{-1}}$ 라는 설명은 옳다.
기체상 확산계수가 절대온도의 3/2 제곱에 비례한다는 설명은 옳다.
기체상 확산계수가 분자량이 증가할수록 감소한다는 설명은 옳다.