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

22년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

1 / 1

A4정답 포함← → 키 · 드래그로 넘김

9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

22년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

기체의 농도 400ppm에 해당하는 백분율 농도[%]는?

20.4

30.04

40.004

정답 및 해설

400 ppm은 백분율로 0.04 %이다.

ppm은 백만분율( $10^{-6}$ ), %는 백분율( $10^{-2}$ )이므로 ppm 값을 10,000으로 나누면 % 값이 된다.

$400\ \mathrm{ppm}=\dfrac{400}{10^{6}}=4\times10^{-4}$
$4\times10^{-4}\times100=0.04\ \%$

문제 2

밸브(valve)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1체크 밸브(check valve)는 역류를 방지하기 위해 사용된다.

2글로브 밸브(globe valve)는 유체의 흐름을 수직방향으로 바꾸기 위해 사용된다.

3안전 밸브(safety valve)는 유체의 압력이 설정 압력을 초과하면 개방된다.

4게이트 밸브(gate valve)가 반 정도 열렸을 때에는 유체의 흐름이 흐트러져서 와류가 생길 수 있다.

정답 및 해설

글로브 밸브는 흐름 방향을 직각으로 바꾸는 장치가 아니라 유량을 미세하게 조절(교축)하는 데 쓰는 밸브이므로, 흐름을 수직방향으로 바꾸기 위해 사용된다는 설명이 옳지 않다.

흐름 방향을 90° 바꾸는 용도는 앵글 밸브가 담당한다. 글로브 밸브는 내부 유로가 굽어 압력손실이 크지만 개도 조절이 정밀하다.

체크 밸브가 역류를 방지한다는 설명은 옳다.
안전 밸브가 설정 압력 초과 시 개방된다는 설명은 옳다.
게이트 밸브는 완전 개폐용이라 반쯤 열면 디스크 주위에 와류가 생기고 마모·진동이 생길 수 있다는 설명은 옳다.

문제 3

흑체의 온도를 2,000K에서 1,500K으로 낮출 때, 2,000K 대비 1,500K에서 방출되는 복사에너지의 비는?

181/256

29/16

316/9

4256/81

정답 및 해설

방출 복사에너지 비는 81/256이다.

흑체의 방출 에너지는 슈테판–볼츠만 법칙에 따라 절대온도의 4제곱에 비례한다.

$\dfrac{E_{1500}}{E_{2000}}=\left(\dfrac{1500}{2000}\right)^{4}=\left(\dfrac{3}{4}\right)^{4}=\dfrac{81}{256}$

문제 4

이상 반응기(ideal reactor)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1반응기 내 온도와 반응물의 농도는 반응속도에 영향을 주는 인자이다.

2회분식 반응기에서는 반응시간에 따라 반응물의 농도가 달라진다.

3플러그 흐름 반응기(PFR)에서는 반응물이 흘러가며 반응이 일어난다.

4연속교반 탱크 반응기(CSTR)는 정상상태에서 반응기 내부와 출구의 반응물 농도가 다르다.

정답 및 해설

이상적인 CSTR은 내부가 완전 혼합되어 있으므로 정상상태에서 반응기 내부 농도와 출구 농도가 같다. 따라서 둘이 다르다는 설명이 옳지 않다.

완전 혼합 가정 때문에 출구 흐름은 반응기 내부 유체를 그대로 대표하며, CSTR 설계식도 출구 조건의 반응속도로 계산한다.

온도와 반응물 농도가 반응속도에 영향을 준다는 설명은 옳다.
회분식 반응기에서 반응시간에 따라 농도가 변한다는 설명은 옳다.
PFR에서 반응물이 흐르며 길이 방향으로 반응이 진행된다는 설명은 옳다.

문제 5

다음 중 차원(dimension)이 다른 것은?

1열용량(heat capacity)

2기체 상수(gas constant)

3몰 엔트로피(molar entropy)

4볼츠만 상수(Boltzmann constant)와 아보가드로 상수(Avogadro constant)의 곱

정답 및 해설

차원이 다른 것은 열용량으로, 단위가 $\mathrm{J\,K^{-1}}$ 이다.

나머지는 모두 몰당 엔트로피 차원인 $\mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$ 을 가진다.

기체 상수 $R$ 의 단위는 $\mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$ 이다.
몰 엔트로피의 단위는 $\mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$ 이다.
볼츠만 상수( $\mathrm{J\,K^{-1}}$ )와 아보가드로 상수( $\mathrm{mol^{-1}}$ )의 곱은 $R$ 과 같아 $\mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$ 이다.

문제 6

그림과 같은 구조의 원형관 속에서 비압축성 유체의 흐름이 정상상태 층류이고, 직경이 d인 2개의 관 속 유체의 거동은 같다. 직경이 4d인 관의 중심지점 A를 지나는 유체의 질량속도가 2kgs^-1m^-2일 때, 직경이 d인 관의 중심지점 B를 지나는 유체의 질량속도[kgs^-1m^-2]는? (단, 마찰손실은 무시한다.)

416

정답 및 해설

지름 d인 관의 중심지점 B에서 질량속도는 16 kg $s^{-1}$ $m^{-2}$ 이다.

지름 4d인 관 하나가 Y자로 갈라져 지름 d인 관 두 개로 나뉘는 구조이며, 두 가지관의 거동이 같으므로 질량유량이 반씩 나뉜다. 층류에서 중심 속도는 평균 속도의 2배로 양쪽 관에 똑같이 적용되므로 중심 질량속도의 비는 평균 질량속도의 비와 같다.

$G_A\cdot\dfrac{\pi(4d)^2}{4}=2\cdot G_B\cdot\dfrac{\pi d^2}{4}$
$G_B=\dfrac{16\,G_A}{2}=\dfrac{16\times2}{2}=16\ \mathrm{kg\,s^{-1}m^{-2}}$

문제 7

단면적이 일정한 원통형 수평관을 흐르는 유체에 Hagen-Poiseuille 식이 적용될 때, 관의 반지름, 관의 길이, 압력차(∆P)가 각각 2배로 커지면 부피 유량은 몇 배로 커지는가? (단, 유체의 점도는 일정하다.)

416

정답 및 해설

부피 유량은 16배가 된다.

Hagen–Poiseuille 식에서 유량은 반지름의 4제곱과 압력차에 비례하고 관 길이에 반비례한다.

$Q=\dfrac{\pi\,\Delta P\,R^{4}}{8\mu L}$
$\dfrac{Q_2}{Q_1}=\dfrac{2\times2^{4}}{2}=16$

문제 8

유체의 열확산계수(thermal diffusivity)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1m²s^-1을 단위로 사용할 수 있다.

2유체의 열전도도, 밀도, 점도를 이용하여 계산할 수 있다.

3다른 조건이 같을 때, 유체의 밀도가 클수록 열확산계수는 더 작다.

4유체 운동이 없을 때의 열확산식(heat diffusion equation)에서 계수로 사용된다.

정답 및 해설

열확산계수는 $\alpha=\dfrac{k}{\rho c_p}$ 로 열전도도·밀도·비열로 계산하며 점도는 쓰이지 않는다. 따라서 점도를 이용해 계산한다는 설명이 옳지 않다.

점도가 들어가는 것은 운동량 확산계수(동점도 $\nu=\mu/\rho$ )이며, 둘의 비가 프란틀 수이다.

단위가 $\mathrm{m^2\,s^{-1}}$ 라는 설명은 옳다.
밀도가 분모에 있으므로 다른 조건이 같으면 밀도가 클수록 열확산계수가 작다는 설명은 옳다.
유체 운동이 없을 때 열확산식 $\partial T/\partial t=\alpha\nabla^{2}T$ 의 계수로 쓰인다는 설명은 옳다.

문제 9

단면적 0.1m², 길이 2m의 원형 칼럼(column) 내부에 밀도 1,000kgm^-3인 흡착제 A와 밀도 2,500kgm^-3인 흡착제 B를 각각 1m씩 충진하였다. 흡착제 A와 B의 질량이 각각 60kg과 50kg일 때, 전체 칼럼 내부의 공극률(voidage)[%]은? (단, 흡착제 A와 B는 서로 섞이지 않는다.)

130

240

350

460

정답 및 해설

전체 칼럼의 공극률은 60 %이다.

공극률은 전체 부피 중 고체가 차지하지 않는 부피의 분율이며, 고체 부피는 질량 ÷ 밀도로 구한다.

칼럼 전체 부피: $0.1\times2=0.2\ \mathrm{m^3}$
고체 부피: $\dfrac{60}{1000}+\dfrac{50}{2500}=0.06+0.02=0.08\ \mathrm{m^3}$
공극률: $\dfrac{0.2-0.08}{0.2}=0.6=60\ \%$

문제 10

지열을 이용하는 카르노 열펌프(Carnot heat pump)로 온실을 난방하고 있다. 지열의 열원 온도가 280K이고 온실의 열손실이 6kW일 때, 온실 온도를 300K으로 유지하기 위해 열펌프를 가동하는 데 필요한 최소 동력의 양[W]은?

1375

2400

3425

4450

정답 및 해설

필요한 최소 동력은 400 W이다.

카르노 열펌프의 성능계수는 고온부 공급열 기준으로 $COP=\dfrac{T_H}{T_H-T_C}$ 이고, 온실 열손실 6 kW를 공급해야 한다.

$COP=\dfrac{300}{300-280}=15$
$W=\dfrac{Q_H}{COP}=\dfrac{6000}{15}=400\ \mathrm{W}$

문제 11

대형 개방 탱크 바닥에 연결된 2개의 소형 노즐 A, B를 통하여 물을 동시에 배출시킨다. 노즐 A의 단면적이 노즐 B의 단면적의 2배일 때, 노즐 출구의 유속[ms^-1]과 유량[m³s^-1]에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 마찰손실은 무시한다.)

1노즐 A와 노즐 B의 출구 유속은 같다.

2노즐 A와 노즐 B의 출구 유량은 같다.

3노즐 출구의 유속은 중력가속도와 무관하다.

4노즐 B의 출구 유속은 노즐 A의 출구 유속의 2배이다.

정답 및 해설

두 노즐은 같은 탱크 바닥에 있어 수두가 같으므로 출구 유속이 같다.

마찰을 무시한 토리첼리 정리에 따라 출구 유속은 $v=\sqrt{2gh}$ 로 단면적과 무관하고 수위 높이로만 정해진다.

유량은 $Q=Av$ 이므로 단면적이 2배인 노즐 A의 유량이 B의 2배가 되어, 두 유량이 같다는 설명은 틀리다.
유속은 $\sqrt{2gh}$ 로 중력가속도에 의존하므로 중력가속도와 무관하다는 설명은 틀리다.
노즐 B의 유속이 A의 2배라는 설명은 유속이 같으므로 틀리다.

문제 12

0.5M의 NaOH 용액 5L를 완전히 중화하는 데 필요한 0.1M H₂SO₄ 용액의 부피[L]는?

212.5

325

437.5

정답 및 해설

필요한 황산 용액의 부피는 12.5 L이다.

황산은 2가 산이므로 NaOH 2 mol을 황산 1 mol이 중화한다( $2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H_2SO_4}\rightarrow\mathrm{Na_2SO_4}+2\mathrm{H_2O}$ ).

NaOH 몰수: $0.5\times5=2.5\ \mathrm{mol}$
필요한 황산 몰수: $2.5/2=1.25\ \mathrm{mol}$
부피: $1.25/0.1=12.5\ \mathrm{L}$

문제 13

화학공장 운영에 관한 비용추정에서 총생산비용을 제조비용과 일반경비로만 분류할 때, 일반경비에 해당하는 것은?

1생산설비의 감가상각비

2생산 제품의 운송 및 판매비용

3제품 생산을 위한 원료 구입비

4제품 생산을 위한 특허 사용료

정답 및 해설

일반경비에 해당하는 것은 제품의 운송 및 판매비용이다.

일반경비는 생산 자체와 직접 관련 없는 관리비·유통 및 판매비·연구개발비·금융비 등이고, 제조비용은 생산에 직접 드는 비용과 고정비·공장 간접비로 구성된다.

생산설비의 감가상각비는 제조비용 중 고정비에 속한다.
원료 구입비는 제조비용 중 직접 생산비에 속한다.
특허 사용료는 제품 생산에 직접 드는 비용으로 제조비용(직접 생산비)에 속한다.

문제 14

피드백(feedback) 제어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1비례(P) 제어기에서는 잔류편차(offset)가 존재한다.

2비례－적분(PI) 제어기에서는 정상상태에서 잔류편차가 없어진다.

3비례－미분(PD) 제어기에서 미분 동작은 빠른 시간 내에 잔류편차를 제거한다.

4비례－적분－미분(PID) 제어기는 느린 제어 공정인 온도 및 농도 제어에 널리 이용된다.

정답 및 해설

미분 동작은 오차의 변화속도에 반응해 응답을 빠르고 안정하게 할 뿐 정상상태 오차를 없애지 못하므로, PD 제어기의 미분 동작이 잔류편차를 제거한다는 설명이 옳지 않다.

잔류편차를 제거하는 것은 오차를 누적하는 적분 동작이며, 정상상태에서 오차 변화율이 0이면 미분 동작은 출력에 기여하지 않는다.

비례 제어기에 잔류편차가 존재한다는 설명은 옳다.
PI 제어기에서 적분 동작으로 정상상태 잔류편차가 없어진다는 설명은 옳다.
PID 제어기가 응답이 느린 온도·농도 제어에 널리 쓰인다는 설명은 옳다.

문제 15

단일 성분의 다상계 평형(multiphase equilibrium)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1삼중점에서 자유도는 0이다.

2기체는 임계온도 이상에서 응축될 수 있다.

3이슬점에서 온도가 내려가면 평형 상태의 증기가 응축된다.

4순수한 성분의 증기와 액체가 평형 상태일 때의 압력이 증기압이다.

정답 및 해설

임계온도 이상에서는 압력을 아무리 높여도 기체가 액화되지 않으므로, 임계온도 이상에서 응축될 수 있다는 설명이 옳지 않다.

임계온도 이상의 물질은 기상과 액상의 구분이 사라진 초임계유체 상태가 된다.

단일 성분 삼중점에서 자유도는 $F=C-P+2=1-3+2=0$ 이라는 설명은 옳다.
이슬점에서 온도가 내려가면 평형 증기가 응축된다는 설명은 옳다.
순수 성분의 증기와 액체가 평형일 때의 압력이 증기압이라는 설명은 옳다.

문제 16

상대 습도에 대한 설명으로 옳은 것은?

1포화 습도에 대한 절대 습도의 비이다.

2수증기로 포화된 공기의 절대 습도를 의미한다.

3수증기의 포화 증기압에 대한 수증기 분압의 비이다.

4건조 기체 1kg에 동반되는 수증기의 질량을 kg수로 나타낸 것이다.

정답 및 해설

상대 습도는 같은 온도에서 수증기의 포화 증기압에 대한 수증기 분압의 비이다.

즉 $\phi=\dfrac{p_v}{p_{v,sat}}$ 로, 압력(분압) 기준으로 정의된다는 점이 비교 습도(습도 기준의 비)와 다르다.

포화 습도에 대한 절대 습도의 비는 비교 습도(포화도)의 정의이다.
수증기로 포화된 공기의 절대 습도는 포화 습도의 정의이다.
건조 기체 1 kg에 동반되는 수증기의 kg 수는 절대 습도의 정의이다.

문제 17

단일 유체가 원통형 관 내부에서 난류(turbulent flow)로 흐를 때, 벽(wall) 근처와 난류중심(turbulent core)에서의 속도구배와 온도구배에 대한 설명으로 옳은 것은?

1속도구배와 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 작다.

2속도구배와 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 크다.

3속도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 크며, 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 작다.

4속도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 작으며, 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 크다.

정답 및 해설

속도구배와 온도구배는 모두 벽 근처보다 난류중심에서 더 작다.

난류중심에서는 와류 혼합이 활발해 운동량과 열이 빠르게 섞이므로 속도·온도 분포가 평탄하고, 벽 근처 점성 저층에서는 분자 전달만 일어나 속도·온도가 급격히 변한다.

둘 다 난류중심에서 더 크다는 설명은 반대이다.
속도구배만 난류중심에서 크다는 설명은 속도 분포가 중심에서 평탄하다는 사실과 맞지 않는다.
온도구배만 난류중심에서 크다는 설명은 온도 분포도 중심에서 평탄하다는 사실과 맞지 않는다.

문제 18

Stokes 법칙이 적용되는 밀도 1kgm^-3, 점도 2×10^-5kgm^-1s^-1의 유체 내 구형 단일입자가 중력에 의해 자유침강(free settling)하고 있다. 구형입자의 종말속도는 2×10^-3ms^-1이고 항력계수(drag coefficient)가 1,000일 때, 입자의 지름[mm]은?

10.24

20.48

32.4

44.8

정답 및 해설

입자의 지름은 0.24 mm이다.

Stokes 영역에서 항력계수는 $C_D=\dfrac{24}{Re}$ 이므로 항력계수에서 레이놀즈 수를 구하고, $Re=\dfrac{\rho D v}{\mu}$ 에서 지름을 구한다.

$Re=\dfrac{24}{1000}=0.024$
$D=\dfrac{Re\,\mu}{\rho v}=\dfrac{0.024\times2\times10^{-5}}{1\times2\times10^{-3}}=2.4\times10^{-4}\ \mathrm{m}=0.24\ \mathrm{mm}$

문제 19

그림 (가), (나)와 같이 2개의 단열재가 직렬로 연결된 평면 벽을 통한 정상상태 열전도가 있다. (가)와 (나)에서 벽의 두께 방향으로의 열흐름속도 및 열흐름면적이 같을 때, (가)의 온도구배 △T₁과 (나)의 온도구배 △T₂의 비(△T₁/△T₂)는? (단, d와 k는 각각 임의의 벽 두께와 열전도도 값이다.)

11/3

21/2

32/3

43/4

정답 및 해설

온도구배의 비 △ $\mathrm{T}_{1}$ /△ $\mathrm{T}_{2}$ 는 2/3이다.

열흐름속도와 면적이 같으면 전체 온도차는 직렬 열저항의 합( $R=\sum L/kA$ )에 비례한다. 그림 (가)는 두께 d·열전도도 2k인 층과 두께 d·열전도도 k인 층, 그림 (나)는 두께 2d·열전도도 k인 층과 두께 d/2·열전도도 2k인 층으로 되어 있다.

$R_1\propto\dfrac{d}{2k}+\dfrac{d}{k}=\dfrac{3d}{2k}$
$R_2\propto\dfrac{2d}{k}+\dfrac{d/2}{2k}=\dfrac{9d}{4k}$
$\dfrac{\Delta T_1}{\Delta T_2}=\dfrac{3/2}{9/4}=\dfrac{2}{3}$

문제 20

비반응속도가 1h^-1인 1차 비가역 액상반응 A → B가 일어나는 연속교반 탱크 반응기(CSTR)를 등온의 정상상태에서 4h의 공간시간으로 운전하고 있다. 기존 반응기와 같은 전환율을 얻을 수 있는 신규 CSTR을 설계할 때 새로운 촉매를 사용하여 비반응속도를 2.5h^-1로 증가시켰다면, 기존 반응기 대비 신규 반응기의 부피 비는? (단, 반응물, 공급 유량, 운전 온도는 기존 반응기와 신규 반응기에서 같다.)

10.4

20.5

30.6

40.7

정답 및 해설

신규 반응기의 부피 비는 0.4이다.

1차 반응 CSTR의 전환율은 $X=\dfrac{k\tau}{1+k\tau}$ 이므로 같은 전환율을 얻으려면 $k\tau$ 가 같아야 하고, 유량이 같으면 부피는 공간시간에 비례한다.

$1\times4=2.5\times\tau_{new}\ \Rightarrow\ \tau_{new}=1.6\ \mathrm{h}$
$\dfrac{V_{new}}{V_{old}}=\dfrac{1.6}{4}=0.4$

9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

22년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

기체의 농도 400ppm에 해당하는 백분율 농도[%]는?

20.4

30.04

40.004

정답 및 해설

400 ppm은 백분율로 0.04 %이다.

ppm은 백만분율( $10^{-6}$ ), %는 백분율( $10^{-2}$ )이므로 ppm 값을 10,000으로 나누면 % 값이 된다.

$400\ \mathrm{ppm}=\dfrac{400}{10^{6}}=4\times10^{-4}$
$4\times10^{-4}\times100=0.04\ \%$

문제 2

밸브(valve)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1체크 밸브(check valve)는 역류를 방지하기 위해 사용된다.

2글로브 밸브(globe valve)는 유체의 흐름을 수직방향으로 바꾸기 위해 사용된다.

3안전 밸브(safety valve)는 유체의 압력이 설정 압력을 초과하면 개방된다.

4게이트 밸브(gate valve)가 반 정도 열렸을 때에는 유체의 흐름이 흐트러져서 와류가 생길 수 있다.

정답 및 해설

흐름 방향을 90° 바꾸는 용도는 앵글 밸브가 담당한다. 글로브 밸브는 내부 유로가 굽어 압력손실이 크지만 개도 조절이 정밀하다.

체크 밸브가 역류를 방지한다는 설명은 옳다.
안전 밸브가 설정 압력 초과 시 개방된다는 설명은 옳다.
게이트 밸브는 완전 개폐용이라 반쯤 열면 디스크 주위에 와류가 생기고 마모·진동이 생길 수 있다는 설명은 옳다.

문제 3

흑체의 온도를 2,000K에서 1,500K으로 낮출 때, 2,000K 대비 1,500K에서 방출되는 복사에너지의 비는?

181/256

29/16

316/9

4256/81

정답 및 해설

방출 복사에너지 비는 81/256이다.

흑체의 방출 에너지는 슈테판–볼츠만 법칙에 따라 절대온도의 4제곱에 비례한다.

$\dfrac{E_{1500}}{E_{2000}}=\left(\dfrac{1500}{2000}\right)^{4}=\left(\dfrac{3}{4}\right)^{4}=\dfrac{81}{256}$

문제 4

이상 반응기(ideal reactor)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1반응기 내 온도와 반응물의 농도는 반응속도에 영향을 주는 인자이다.

2회분식 반응기에서는 반응시간에 따라 반응물의 농도가 달라진다.

3플러그 흐름 반응기(PFR)에서는 반응물이 흘러가며 반응이 일어난다.

4연속교반 탱크 반응기(CSTR)는 정상상태에서 반응기 내부와 출구의 반응물 농도가 다르다.

정답 및 해설

이상적인 CSTR은 내부가 완전 혼합되어 있으므로 정상상태에서 반응기 내부 농도와 출구 농도가 같다. 따라서 둘이 다르다는 설명이 옳지 않다.

완전 혼합 가정 때문에 출구 흐름은 반응기 내부 유체를 그대로 대표하며, CSTR 설계식도 출구 조건의 반응속도로 계산한다.

온도와 반응물 농도가 반응속도에 영향을 준다는 설명은 옳다.
회분식 반응기에서 반응시간에 따라 농도가 변한다는 설명은 옳다.
PFR에서 반응물이 흐르며 길이 방향으로 반응이 진행된다는 설명은 옳다.

문제 5

다음 중 차원(dimension)이 다른 것은?

1열용량(heat capacity)

2기체 상수(gas constant)

3몰 엔트로피(molar entropy)

4볼츠만 상수(Boltzmann constant)와 아보가드로 상수(Avogadro constant)의 곱

정답 및 해설

차원이 다른 것은 열용량으로, 단위가 $\mathrm{J\,K^{-1}}$ 이다.

나머지는 모두 몰당 엔트로피 차원인 $\mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$ 을 가진다.

기체 상수 $R$ 의 단위는 $\mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$ 이다.
몰 엔트로피의 단위는 $\mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$ 이다.
볼츠만 상수( $\mathrm{J\,K^{-1}}$ )와 아보가드로 상수( $\mathrm{mol^{-1}}$ )의 곱은 $R$ 과 같아 $\mathrm{J\,mol^{-1}K^{-1}}$ 이다.

문제 6

416

정답 및 해설

지름 d인 관의 중심지점 B에서 질량속도는 16 kg $s^{-1}$ $m^{-2}$ 이다.

$G_A\cdot\dfrac{\pi(4d)^2}{4}=2\cdot G_B\cdot\dfrac{\pi d^2}{4}$
$G_B=\dfrac{16\,G_A}{2}=\dfrac{16\times2}{2}=16\ \mathrm{kg\,s^{-1}m^{-2}}$

문제 7

416

정답 및 해설

부피 유량은 16배가 된다.

Hagen–Poiseuille 식에서 유량은 반지름의 4제곱과 압력차에 비례하고 관 길이에 반비례한다.

$Q=\dfrac{\pi\,\Delta P\,R^{4}}{8\mu L}$
$\dfrac{Q_2}{Q_1}=\dfrac{2\times2^{4}}{2}=16$

문제 8

유체의 열확산계수(thermal diffusivity)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1m²s^-1을 단위로 사용할 수 있다.

2유체의 열전도도, 밀도, 점도를 이용하여 계산할 수 있다.

3다른 조건이 같을 때, 유체의 밀도가 클수록 열확산계수는 더 작다.

4유체 운동이 없을 때의 열확산식(heat diffusion equation)에서 계수로 사용된다.

정답 및 해설

점도가 들어가는 것은 운동량 확산계수(동점도 $\nu=\mu/\rho$ )이며, 둘의 비가 프란틀 수이다.

단위가 $\mathrm{m^2\,s^{-1}}$ 라는 설명은 옳다.
밀도가 분모에 있으므로 다른 조건이 같으면 밀도가 클수록 열확산계수가 작다는 설명은 옳다.
유체 운동이 없을 때 열확산식 $\partial T/\partial t=\alpha\nabla^{2}T$ 의 계수로 쓰인다는 설명은 옳다.

문제 9

130

240

350

460

정답 및 해설

전체 칼럼의 공극률은 60 %이다.

공극률은 전체 부피 중 고체가 차지하지 않는 부피의 분율이며, 고체 부피는 질량 ÷ 밀도로 구한다.

칼럼 전체 부피: $0.1\times2=0.2\ \mathrm{m^3}$
고체 부피: $\dfrac{60}{1000}+\dfrac{50}{2500}=0.06+0.02=0.08\ \mathrm{m^3}$
공극률: $\dfrac{0.2-0.08}{0.2}=0.6=60\ \%$

문제 10

1375

2400

3425

4450

정답 및 해설

필요한 최소 동력은 400 W이다.

카르노 열펌프의 성능계수는 고온부 공급열 기준으로 $COP=\dfrac{T_H}{T_H-T_C}$ 이고, 온실 열손실 6 kW를 공급해야 한다.

$COP=\dfrac{300}{300-280}=15$
$W=\dfrac{Q_H}{COP}=\dfrac{6000}{15}=400\ \mathrm{W}$

문제 11

1노즐 A와 노즐 B의 출구 유속은 같다.

2노즐 A와 노즐 B의 출구 유량은 같다.

3노즐 출구의 유속은 중력가속도와 무관하다.

4노즐 B의 출구 유속은 노즐 A의 출구 유속의 2배이다.

정답 및 해설

두 노즐은 같은 탱크 바닥에 있어 수두가 같으므로 출구 유속이 같다.

마찰을 무시한 토리첼리 정리에 따라 출구 유속은 $v=\sqrt{2gh}$ 로 단면적과 무관하고 수위 높이로만 정해진다.

유량은 $Q=Av$ 이므로 단면적이 2배인 노즐 A의 유량이 B의 2배가 되어, 두 유량이 같다는 설명은 틀리다.
유속은 $\sqrt{2gh}$ 로 중력가속도에 의존하므로 중력가속도와 무관하다는 설명은 틀리다.
노즐 B의 유속이 A의 2배라는 설명은 유속이 같으므로 틀리다.

문제 12

0.5M의 NaOH 용액 5L를 완전히 중화하는 데 필요한 0.1M H₂SO₄ 용액의 부피[L]는?

212.5

325

437.5

정답 및 해설

필요한 황산 용액의 부피는 12.5 L이다.

황산은 2가 산이므로 NaOH 2 mol을 황산 1 mol이 중화한다( $2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H_2SO_4}\rightarrow\mathrm{Na_2SO_4}+2\mathrm{H_2O}$ ).

NaOH 몰수: $0.5\times5=2.5\ \mathrm{mol}$
필요한 황산 몰수: $2.5/2=1.25\ \mathrm{mol}$
부피: $1.25/0.1=12.5\ \mathrm{L}$

문제 13

화학공장 운영에 관한 비용추정에서 총생산비용을 제조비용과 일반경비로만 분류할 때, 일반경비에 해당하는 것은?

1생산설비의 감가상각비

2생산 제품의 운송 및 판매비용

3제품 생산을 위한 원료 구입비

4제품 생산을 위한 특허 사용료

정답 및 해설

일반경비에 해당하는 것은 제품의 운송 및 판매비용이다.

생산설비의 감가상각비는 제조비용 중 고정비에 속한다.
원료 구입비는 제조비용 중 직접 생산비에 속한다.
특허 사용료는 제품 생산에 직접 드는 비용으로 제조비용(직접 생산비)에 속한다.

문제 14

피드백(feedback) 제어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1비례(P) 제어기에서는 잔류편차(offset)가 존재한다.

2비례－적분(PI) 제어기에서는 정상상태에서 잔류편차가 없어진다.

3비례－미분(PD) 제어기에서 미분 동작은 빠른 시간 내에 잔류편차를 제거한다.

4비례－적분－미분(PID) 제어기는 느린 제어 공정인 온도 및 농도 제어에 널리 이용된다.

정답 및 해설

잔류편차를 제거하는 것은 오차를 누적하는 적분 동작이며, 정상상태에서 오차 변화율이 0이면 미분 동작은 출력에 기여하지 않는다.

비례 제어기에 잔류편차가 존재한다는 설명은 옳다.
PI 제어기에서 적분 동작으로 정상상태 잔류편차가 없어진다는 설명은 옳다.
PID 제어기가 응답이 느린 온도·농도 제어에 널리 쓰인다는 설명은 옳다.

문제 15

단일 성분의 다상계 평형(multiphase equilibrium)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1삼중점에서 자유도는 0이다.

2기체는 임계온도 이상에서 응축될 수 있다.

3이슬점에서 온도가 내려가면 평형 상태의 증기가 응축된다.

4순수한 성분의 증기와 액체가 평형 상태일 때의 압력이 증기압이다.

정답 및 해설

임계온도 이상에서는 압력을 아무리 높여도 기체가 액화되지 않으므로, 임계온도 이상에서 응축될 수 있다는 설명이 옳지 않다.

임계온도 이상의 물질은 기상과 액상의 구분이 사라진 초임계유체 상태가 된다.

단일 성분 삼중점에서 자유도는 $F=C-P+2=1-3+2=0$ 이라는 설명은 옳다.
이슬점에서 온도가 내려가면 평형 증기가 응축된다는 설명은 옳다.
순수 성분의 증기와 액체가 평형일 때의 압력이 증기압이라는 설명은 옳다.

문제 16

상대 습도에 대한 설명으로 옳은 것은?

1포화 습도에 대한 절대 습도의 비이다.

2수증기로 포화된 공기의 절대 습도를 의미한다.

3수증기의 포화 증기압에 대한 수증기 분압의 비이다.

4건조 기체 1kg에 동반되는 수증기의 질량을 kg수로 나타낸 것이다.

정답 및 해설

상대 습도는 같은 온도에서 수증기의 포화 증기압에 대한 수증기 분압의 비이다.

즉 $\phi=\dfrac{p_v}{p_{v,sat}}$ 로, 압력(분압) 기준으로 정의된다는 점이 비교 습도(습도 기준의 비)와 다르다.

포화 습도에 대한 절대 습도의 비는 비교 습도(포화도)의 정의이다.
수증기로 포화된 공기의 절대 습도는 포화 습도의 정의이다.
건조 기체 1 kg에 동반되는 수증기의 kg 수는 절대 습도의 정의이다.

문제 17

1속도구배와 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 작다.

2속도구배와 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 크다.

3속도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 크며, 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 작다.

4속도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 작으며, 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 크다.

정답 및 해설

속도구배와 온도구배는 모두 벽 근처보다 난류중심에서 더 작다.

둘 다 난류중심에서 더 크다는 설명은 반대이다.
속도구배만 난류중심에서 크다는 설명은 속도 분포가 중심에서 평탄하다는 사실과 맞지 않는다.
온도구배만 난류중심에서 크다는 설명은 온도 분포도 중심에서 평탄하다는 사실과 맞지 않는다.

문제 18

10.24

20.48

32.4

44.8

정답 및 해설

입자의 지름은 0.24 mm이다.

Stokes 영역에서 항력계수는 $C_D=\dfrac{24}{Re}$ 이므로 항력계수에서 레이놀즈 수를 구하고, $Re=\dfrac{\rho D v}{\mu}$ 에서 지름을 구한다.

$Re=\dfrac{24}{1000}=0.024$
$D=\dfrac{Re\,\mu}{\rho v}=\dfrac{0.024\times2\times10^{-5}}{1\times2\times10^{-3}}=2.4\times10^{-4}\ \mathrm{m}=0.24\ \mathrm{mm}$

문제 19

11/3

21/2

32/3

43/4

정답 및 해설

온도구배의 비 △ $\mathrm{T}_{1}$ /△ $\mathrm{T}_{2}$ 는 2/3이다.

$R_1\propto\dfrac{d}{2k}+\dfrac{d}{k}=\dfrac{3d}{2k}$
$R_2\propto\dfrac{2d}{k}+\dfrac{d/2}{2k}=\dfrac{9d}{4k}$
$\dfrac{\Delta T_1}{\Delta T_2}=\dfrac{3/2}{9/4}=\dfrac{2}{3}$

문제 20

10.4

20.5

30.6

40.7

정답 및 해설

신규 반응기의 부피 비는 0.4이다.

1차 반응 CSTR의 전환율은 $X=\dfrac{k\tau}{1+k\tau}$ 이므로 같은 전환율을 얻으려면 $k\tau$ 가 같아야 하고, 유량이 같으면 부피는 공간시간에 비례한다.

$1\times4=2.5\times\tau_{new}\ \Rightarrow\ \tau_{new}=1.6\ \mathrm{h}$
$\dfrac{V_{new}}{V_{old}}=\dfrac{1.6}{4}=0.4$