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

16년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

16년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

같은 질량의 물과 에탄올을 혼합한 용액에서 에탄올의 몰분율은? (단, 물과 에탄올의 분자량은 각각 18과 46이다)

10.18

20.28

30.36

40.72

정답 및 해설

에탄올의 몰분율은 약 0.28이다. 같은 질량(예: 각 1 g)을 분자량으로 나눠 몰수를 구한다.

$n_{w}=\dfrac{1}{18}=0.0556$ , $n_{e}=\dfrac{1}{46}=0.0217$
$x_e=\dfrac{0.0217}{0.0556+0.0217}=0.28$

분자량이 큰 에탄올은 같은 질량이라도 몰수가 적다.

문제 2

이상기체 거동을 보이는 단원자 기체의 비열비(γ)는? (단, γ＝ C_P/C_V로 C_P는 정압비열, C_V는 정적비열을 나타내며,

C_V=\dfrac{3}{2}R

, R은 기체상수이다)

11.33

21.40

31.67

42.12

정답 및 해설

단원자 이상기체의 비열비는 1.67이다. 이상기체에서는 $\mathrm{C}_{P}$ = $\mathrm{C}_{V}$ + R이다.

$C_P=\dfrac{3}{2}R+R=\dfrac{5}{2}R$
$\gamma=\dfrac{C_P}{C_V}=\dfrac{5/2}{3/2}=\dfrac{5}{3}=1.67$

1.40: 이원자 기체(공기 등)의 값(7/5)이다.
1.33: 다원자(비선형) 기체의 값(4/3)이다.

문제 3

점도(viscosity)의 단위는?

1g/cm∙sec

2dyne/cm²∙sec

3g∙cm²/sec

4dyne∙sec/cm

정답 및 해설

점도의 단위는 g/cm·sec(= 푸아즈, P)다. 점도는 전단응력을 속도구배로 나눈 값이다.

$\mu=\dfrac{\tau}{du/dy}:\;\dfrac{\mathrm{dyne\,cm^{-2}}}{\mathrm{s^{-1}}}=\mathrm{dyne\,s\,cm^{-2}}=\mathrm{g\,cm^{-1}\,s^{-1}}$

dyne/ $\mathrm{cm}^{2}$ ·sec: 초가 분모에 있어 차원이 맞지 않는다.
g· $\mathrm{cm}^{2}$ /sec: 각운동량 차원이다.
dyne·sec/cm: 분모가 $\mathrm{cm}^{2}$ 여야 한다.

1 g/cm·s = 1 P = 0.1 Pa·s이다.

문제 4

어떤 순물질 100g을 －30°C의 고체 상태에서 액체 상태를 거쳐 150°C의 기체 상태로 변환하는 데 필요한 열량을 계산할 때, 필요한 자료가 아닌 것은?

1기체상수

2용융잠열

3증발잠열

4비열

정답 및 해설

필요하지 않은 자료는 기체상수다. 상변화를 포함한 가열 열량은 각 상의 현열과 잠열의 합이다.

$Q=mC_{s}\Delta T_s+m\Delta H_{fus}+mC_{l}\Delta T_l+m\Delta H_{vap}+mC_{g}\Delta T_g$

용융잠열: 고체 → 액체 상변화 열량에 필요하다.
증발잠열: 액체 → 기체 상변화 열량에 필요하다.
비열: 각 상의 온도 상승(현열)에 필요하다.

문제 5

주위의 온도가 30°C이고 온도수준이 0°C인 냉동에 대하여 Carnot 냉동기의 성능계수(coefficient of performance)는?

20.48

39.10

411.13

정답 및 해설

Carnot 냉동기의 성능계수는 약 9.10이다. 절대온도로 바꿔 계산한다.

$COP=\dfrac{T_C}{T_H-T_C}=\dfrac{273}{303-273}=\dfrac{273}{30}=9.10$

저온부가 0℃ = 273 K, 주위가 30℃ = 303 K이다.

문제 6

탄소, 수소, 산소만으로 구성된 유기화합물의 연소 생성물이 CO₂(g)와 H₂O(l)일 때, n－부탄(C₄H₁₀) 가스의 표준생성열(kJ/mol)은? (단, CO₂(g), H₂O(l)의 표준생성열은 각각 －393 및 －285 kJ/mol 이며, n－부탄(C₄H₁₀) 가스의 연소열은 －2,877 kJ/mol이다)

1－80

2－100

3－120

4－140

정답 및 해설

n-부탄의 표준생성열은 −120 kJ/mol이다. 헤스 법칙으로 연소반응의 반응열 = 생성물 생성열 합 − 반응물 생성열 합을 쓴다.

$C_4H_{10}+\dfrac{13}{2}O_2\rightarrow4CO_2+5H_2O(l)$

$-2877=4(-393)+5(-285)-\Delta H_f$
$\Delta H_f=-1572-1425+2877=-120\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}$ . $\mathrm{O}_{2}$ 는 원소이므로 생성열이 0이다.

문제 7

기체 흡수에 적용되는 헨리의 법칙에 대한 설명으로 옳은 것은?

1기체의 압력과 액체에 대한 용해도와의 관계를 나타낸 식

2기체의 온도와 액체의 비열과의 관계를 나타낸 식

3기체의 온도와 기체의 증기압과의 관계를 나타낸 식

4기체의 온도와 액체에 대한 확산속도와의 관계를 나타낸 식

정답 및 해설

헨리의 법칙은 기체의 압력(분압)과 액체에 대한 용해도의 관계를 나타낸다. 묽은 용액에서 기체의 분압은 액 중 몰분율에 비례한다.

$p_A=Hx_A$

기체 온도와 액체 비열의 관계: 헨리 법칙과 무관하다.
기체 온도와 증기압의 관계: Clausius–Clapeyron 식에 해당한다.
기체 온도와 확산속도의 관계: 확산계수의 온도 의존성에 해당한다.

문제 8

몰조성이 벤젠(A) 70%, 톨루엔(B) 30%인 80.1°C의 혼합용액과 평형을 이루는 벤젠과 톨루엔의 증기조성(y_A, y_B)은? (단, 기상은 이상기체, 액상은 이상용액의 거동을 보이며, 80.1°C에서 순수 벤젠 및 순수 톨루엔의 증기압은 각각 1.01, 0.39 bar이다)

1y_A＝0.73, y_B＝0.27

2y_A＝0.78, y_B＝0.22

3y_A＝0.86, y_B＝0.14

4y_A＝0.93, y_B＝0.07

정답 및 해설

평형 증기 조성은 $y_{A}$ = 0.86, $y_{B}$ = 0.14이다. 라울 법칙으로 분압을 구해 전압으로 나눈다.

$p_A=0.7\times1.01=0.707\,\mathrm{bar}$ , $p_B=0.3\times0.39=0.117\,\mathrm{bar}$
$P=0.824\,\mathrm{bar}$

$y_A=\dfrac{0.707}{0.824}=0.86$ , $y_B=0.14$ . 휘발성이 큰 벤젠이 기상에 농축된다.

문제 9

분쇄 조작에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1제트밀은 3～4개의 롤러를 원판 위에 눌러대서 자전시키는 동시에 전체를 공전시켜 압축, 마찰, 전단 작용에 의해 분쇄한다.

2자이러토리 크러셔(gyratory crusher)는 조 크러셔(jaw crusher)보다 연속 작업이 가능하고 분쇄 재료를 고정한 자켓의 콘케이브와 편심 회전 운동을 하는 자켓의 맨틀 사이에 삽입하여 압축 분쇄한다.

3볼밀은 볼을 분쇄 매체로 하는 회전 원통 분쇄기로 건식, 습식 공용으로 사용되며 조작, 조업에 유연성을 갖는다.

4습식 분쇄는 물이나 액체를 이용하여 분쇄하는 방식이다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 제트밀이 롤러를 원판 위에 눌러 자전·공전시켜 분쇄한다는 진술이다.

이는 롤러밀의 설명이고, 제트밀은 고속 기류로 입자끼리 충돌시켜 초미분쇄한다.

자이러토리 크러셔: 콘케이브와 편심 회전하는 맨틀 사이에서 연속 압축 분쇄한다.
볼밀: 볼을 분쇄 매체로 하는 회전 원통 분쇄기로 건식·습식 모두 쓴다.
습식 분쇄: 물이나 액체와 함께 분쇄하는 방식이다.

문제 10

물질의 상태에 따른 열전도도에 대한 설명으로 옳은 것은?

1열전도도의 크기는 기체>액체>고체 순서이다.

2액체의 열전도도는 온도 상승에 의하여 증가한다.

3기체의 열전도도는 온도 상승에 의하여 감소한다.

4고체상의 순수 금속은 전기전도도가 증가할수록 열전도도는 높아진다.

정답 및 해설

옳은 것은 순수 금속은 전기전도도가 클수록 열전도도가 높다는 진술이다.

금속에서는 자유전자가 전기와 열을 함께 나르므로 두 전도도가 비례한다(Wiedemann–Franz 법칙).

기체 > 액체 > 고체 순서: 실제로는 대체로 고체 > 액체 > 기체 순이다.
액체 열전도도는 온도 상승에 따라 증가: 물 등 일부를 제외하면 대체로 감소한다.
기체 열전도도는 온도 상승에 따라 감소: 분자 속도가 커져 오히려 증가한다.

문제 11

실제기체 상태를 나타내는 식으로 다음과 같은 반데르발스식이 널리 사용된다. 이때, a/V²_m와 b는 이상기체상태식 PV_m=RT로부터 무엇을 보정해 주는 인자인가? (단, V_m은 몰부피이다) (순서대로 a/V²_m, b)

P+\dfrac{a}{V_m^2})(V_m-b)=RT

1분자 간 인력, 분자 간 척력

2분자 간 척력, 분자 간 인력

3분자 간 인력, 분자 간 인력

4분자 간 척력, 분자 간 척력

정답 및 해설

a/ ${\mathrm{V}_{m}}^{2}$ 는 분자 간 인력, b는 분자 간 척력(분자 자체 부피)을 보정한다.

분자 사이 인력 때문에 벽에 미치는 압력이 이상기체보다 작아지므로 압력 항에 $a/V_m^2$ 를 더한다. 분자가 서로 겹칠 수 없는 척력(배제 부피) 때문에 실제로 움직일 수 있는 부피는 $V_m-b$ 가 된다.

둘 다 인력 또는 둘 다 척력으로 본 조합: 두 보정 항은 서로 다른 효과를 나타낸다.
a 항을 척력, b를 인력으로 본 조합: 역할이 뒤바뀌었다.

문제 12

기체 흡수 공정에 사용되는 흡수액의 필요 성질이 아닌 것은?

1원하는 기체에 대한 선택적 흡수능

2용이한 흡수와 탈리

3가격의 경제성

4높은 증기압

정답 및 해설

흡수액의 필요 성질이 아닌 것은 높은 증기압이다.

흡수액은 탑 상부에서 증발해 손실되지 않도록 증기압이 낮아야 한다.

원하는 기체에 대한 선택적 흡수능: 용해도가 크고 선택성이 좋아야 한다.
용이한 흡수와 탈리: 흡수액을 재생해 반복 사용할 수 있어야 한다.
가격의 경제성: 값싸고 쉽게 구할 수 있어야 한다.

문제 13

안지름이 5 cm인 원형관을 통하여 비중 0.8, 점도 50 cP(centipoise)의 기름이 2 m/s로 이동할 때, 레이놀즈(Reynolds) 수에 기초하여 계산된 흐름의 영역은?

1플러그 흐름(plug flow) 영역

2층류(laminar flow) 영역

3전이(transition) 영역

4난류(turbulent flow) 영역

정답 및 해설

흐름은 층류 영역이다. CGS 단위로 레이놀즈 수를 계산한다.

$Re=\dfrac{\rho VD}{\mu}=\dfrac{0.8\times200\times5}{0.5}=1600$ (50 cP = 0.5 g/cm·s)

Re가 약 2,100보다 작으므로 층류다.

플러그 흐름: 반응기 이상 흐름 모델이며 Re로 판정하는 영역이 아니다.
전이 영역: Re = 1,600은 2,100보다 작아 전이 영역에 이르지 않는다.
난류 영역: Re가 4,000에 한참 못 미친다.

문제 14

화학공정에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1물의 삼중점에서 자유도 값은 0이다.

2상태함수는 계의 주어진 상태에 의해서 결정되며, 그 상태에 도달하기까지의 과정에 따라 값이 달라진다.

3물의 점도는 온도가 증가하면 감소한다.

4임의 크기의 균질계에 대한 전체 부피는 크기성질(extensive property)이다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 상태함수가 그 상태에 도달하는 과정에 따라 값이 달라진다는 진술이다.

상태함수는 현재 상태만으로 정해지며 경로와 무관하다(열·일이 경로함수).

물의 삼중점 자유도 0: F = C − P + 2 = 1 − 3 + 2 = 0이다.
물의 점도는 온도가 증가하면 감소: 액체 점도의 일반적 경향이다.
전체 부피는 크기성질: 계의 양에 비례한다.

문제 15

냉매 및 냉동 장치에 대한 설명으로 옳은 것은?

1냉매의 증발잠열은 작아야 한다.

2증발기 온도에서 냉매의 증기압은 대기압보다 높아야 한다.

3응축기는 압축기에 의하여 고온, 고압으로 된 냉매를 증발시키는 장치이다.

4응축기 온도에서 증기압은 높을수록 좋다.

정답 및 해설

옳은 것은 증발기 온도에서 냉매 증기압이 대기압보다 높아야 한다는 진술이다.

증발기 압력이 대기압보다 낮으면 공기·수분이 새어 들어와 성능이 떨어진다.

증발잠열이 작아야 함: 잠열이 커야 냉동 효과가 크다.
응축기가 냉매를 증발시킴: 응축기는 고온·고압 냉매 증기를 응축(액화)시킨다.
응축기 온도에서 증기압이 높을수록 좋음: 응축 압력이 너무 높으면 압축 동력과 장치 강도 부담이 커진다.

문제 16

다음 중 임펠러를 이용한 교반에 사용되는 레이놀즈(Reynolds) 수는? (단, μ : 점도, D : 임펠러의 지름, n : 회전수 (rpm), ρ :유체의 밀도이다)

1ρ∙n∙D²/μ

2ρ∙n∙D/μ²

3ρ²∙n²∙D/μ

4ρ²∙n²∙D²/μ

정답 및 해설

교반 레이놀즈 수는 ρ·n· $D^{2}$ /μ다. 관 흐름의 대표 속도 대신 임펠러 끝단 속도(∝ nD)를 쓴다.

$Re=\dfrac{\rho(nD)D}{\mu}=\dfrac{\rho nD^2}{\mu}$

ρnD/μ²: 점도를 제곱해 무차원이 되지 않는다.
ρ² $n^{2}$ D/μ: 밀도·회전수의 제곱으로 차원이 맞지 않는다.
ρ² $n^{2}$ $D^{2}$ /μ: 밀도·회전수의 제곱으로 차원이 맞지 않는다.

문제 17

다음 그림은 공기를 사용한 이상적인 기체터빈기관(Brayton 사이클)의 P－V선도를 나타낸다. 공정이 압력비(P_B/P_A) 4에서 가역적으로 운전될 때, 사이클의 효율은? (단, 공기는 일정한 비열을 갖는 이상기체이며, 공기의 정압비열/정적비열＝2 로 가정한다)

10.3

20.4

30.5

40.6

정답 및 해설

사이클 효율은 0.5이다. 브레이턴 사이클 효율은 압력비와 비열비만으로 결정된다.

$\eta=1-\left(\dfrac{P_A}{P_B}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}$
$\gamma=2:\;\dfrac{\gamma-1}{\gamma}=\dfrac{1}{2}$
$\eta=1-\left(\dfrac{1}{4}\right)^{1/2}=1-0.5=0.5$

그림에서 A→B와 C→D는 가역 단열(등엔트로피), B→C는 정압 가열, D→A는 정압 방열이다.

문제 18

원통 축에 수직 방향으로 유체가 원통 외부를 지나가는 경우, 다음 중 옳지 않은 것은?

1난류 경계층 유동인 경우, 항력 계수는 표면 거칠기에 영향을 받지 않는다.

2레이놀즈(Reynolds) 수가 1 미만인 영역은 점성력이 지배적이다.

3점성이 0인 이상적인 유체는 마찰항력과 압력항력이 0이다.

4항력과 양력은 서로 수직 방향이다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 난류 경계층에서 항력계수가 표면 거칠기의 영향을 받지 않는다는 진술이다.

원통 주위 흐름에서 표면 거칠기는 경계층 천이와 박리점 위치를 바꿔 항력계수에 영향을 준다.

Re < 1 영역은 점성력 지배: 크리핑 흐름 영역이다.
점성 0인 이상 유체는 마찰·압력항력이 0: 달랑베르의 역설이다.
항력과 양력은 서로 수직: 항력은 흐름 방향, 양력은 흐름에 수직 방향이다.

문제 19

10 cm의 지름을 가지는 원통형 반응기에서 1m/s의 유속으로 기체 A가 주입될 때의 레이놀즈(Reynolds) 수를 N_Re1이라고 하자. 같은 기체가 1m의 지름을 가지는 원통형 반응기로 0.1m/s의 유속으로 주입될 때의 레이놀즈(Reynolds) 수를 N_Re2라고 할 때, 두 레이놀즈(Reynolds) 수의 비(N_Re1/N_Re2)는? (단, 기체 A는 뉴튼 유체이다)

10.1

21.0

32.0

410.0

정답 및 해설

두 레이놀즈 수의 비는 1.0이다. 같은 기체이므로 밀도와 점도가 같고 Re는 VD에 비례한다.

$\dfrac{N_{Re1}}{N_{Re2}}=\dfrac{V_1D_1}{V_2D_2}=\dfrac{1\times0.1}{0.1\times1}=1.0$

지름이 10배, 유속이 1/10배로 효과가 상쇄된다.

문제 20

고압의 질소가스가 298 K에서 두께가 3cm인 천연고무로 된 2m× 2 m× 2m의 정육면체 용기에 담겨 있다. 고무의 내면과 외면에서 질소의 농도는 각각 0.067kg/m³과 0.007kg/m³이다. 이 용기로부터 6개의 고무 면을 통하여 확산되어 나오는 질소 가스의 물질전달속도(kg/s)는? (단, 고무를 통한 질소의 확산 계수는 1.5×10^-10m²/s이다)

12.2 × 10^-10

24.2 × 10^-10

36.2 × 10^-9

47.2 × 10^-9

정답 및 해설

질소의 물질전달속도는 7.2 × 10⁻⁹ kg/s이다. 정육면체 6면 전체 면적에 Fick 법칙 플럭스를 곱한다.

면적: $A=6\times(2\times2)=24\,\mathrm{m^2}$
플럭스: $J=D\dfrac{\Delta C}{L}=1.5\times10^{-10}\times\dfrac{0.067-0.007}{0.03}=3\times10^{-10}\,\mathrm{kg\,m^{-2}\,s^{-1}}$

$\dot m=3\times10^{-10}\times24=7.2\times10^{-9}\,\mathrm{kg\,s^{-1}}$ . 두께 3 cm를 0.03 m로 바꾼다.

9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

16년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

같은 질량의 물과 에탄올을 혼합한 용액에서 에탄올의 몰분율은? (단, 물과 에탄올의 분자량은 각각 18과 46이다)

10.18

20.28

30.36

40.72

정답 및 해설

에탄올의 몰분율은 약 0.28이다. 같은 질량(예: 각 1 g)을 분자량으로 나눠 몰수를 구한다.

$n_{w}=\dfrac{1}{18}=0.0556$ , $n_{e}=\dfrac{1}{46}=0.0217$
$x_e=\dfrac{0.0217}{0.0556+0.0217}=0.28$

분자량이 큰 에탄올은 같은 질량이라도 몰수가 적다.

문제 2

이상기체 거동을 보이는 단원자 기체의 비열비(γ)는? (단, γ＝ C_P/C_V로 C_P는 정압비열, C_V는 정적비열을 나타내며,

C_V=\dfrac{3}{2}R

, R은 기체상수이다)

11.33

21.40

31.67

42.12

정답 및 해설

단원자 이상기체의 비열비는 1.67이다. 이상기체에서는 $\mathrm{C}_{P}$ = $\mathrm{C}_{V}$ + R이다.

$C_P=\dfrac{3}{2}R+R=\dfrac{5}{2}R$
$\gamma=\dfrac{C_P}{C_V}=\dfrac{5/2}{3/2}=\dfrac{5}{3}=1.67$

1.40: 이원자 기체(공기 등)의 값(7/5)이다.
1.33: 다원자(비선형) 기체의 값(4/3)이다.

문제 3

점도(viscosity)의 단위는?

1g/cm∙sec

2dyne/cm²∙sec

3g∙cm²/sec

4dyne∙sec/cm

정답 및 해설

점도의 단위는 g/cm·sec(= 푸아즈, P)다. 점도는 전단응력을 속도구배로 나눈 값이다.

$\mu=\dfrac{\tau}{du/dy}:\;\dfrac{\mathrm{dyne\,cm^{-2}}}{\mathrm{s^{-1}}}=\mathrm{dyne\,s\,cm^{-2}}=\mathrm{g\,cm^{-1}\,s^{-1}}$

dyne/ $\mathrm{cm}^{2}$ ·sec: 초가 분모에 있어 차원이 맞지 않는다.
g· $\mathrm{cm}^{2}$ /sec: 각운동량 차원이다.
dyne·sec/cm: 분모가 $\mathrm{cm}^{2}$ 여야 한다.

1 g/cm·s = 1 P = 0.1 Pa·s이다.

문제 4

어떤 순물질 100g을 －30°C의 고체 상태에서 액체 상태를 거쳐 150°C의 기체 상태로 변환하는 데 필요한 열량을 계산할 때, 필요한 자료가 아닌 것은?

1기체상수

2용융잠열

3증발잠열

4비열

정답 및 해설

필요하지 않은 자료는 기체상수다. 상변화를 포함한 가열 열량은 각 상의 현열과 잠열의 합이다.

$Q=mC_{s}\Delta T_s+m\Delta H_{fus}+mC_{l}\Delta T_l+m\Delta H_{vap}+mC_{g}\Delta T_g$

용융잠열: 고체 → 액체 상변화 열량에 필요하다.
증발잠열: 액체 → 기체 상변화 열량에 필요하다.
비열: 각 상의 온도 상승(현열)에 필요하다.

문제 5

주위의 온도가 30°C이고 온도수준이 0°C인 냉동에 대하여 Carnot 냉동기의 성능계수(coefficient of performance)는?

20.48

39.10

411.13

정답 및 해설

Carnot 냉동기의 성능계수는 약 9.10이다. 절대온도로 바꿔 계산한다.

$COP=\dfrac{T_C}{T_H-T_C}=\dfrac{273}{303-273}=\dfrac{273}{30}=9.10$

저온부가 0℃ = 273 K, 주위가 30℃ = 303 K이다.

문제 6

1－80

2－100

3－120

4－140

정답 및 해설

n-부탄의 표준생성열은 −120 kJ/mol이다. 헤스 법칙으로 연소반응의 반응열 = 생성물 생성열 합 − 반응물 생성열 합을 쓴다.

$C_4H_{10}+\dfrac{13}{2}O_2\rightarrow4CO_2+5H_2O(l)$

$-2877=4(-393)+5(-285)-\Delta H_f$
$\Delta H_f=-1572-1425+2877=-120\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}$ . $\mathrm{O}_{2}$ 는 원소이므로 생성열이 0이다.

문제 7

기체 흡수에 적용되는 헨리의 법칙에 대한 설명으로 옳은 것은?

1기체의 압력과 액체에 대한 용해도와의 관계를 나타낸 식

2기체의 온도와 액체의 비열과의 관계를 나타낸 식

3기체의 온도와 기체의 증기압과의 관계를 나타낸 식

4기체의 온도와 액체에 대한 확산속도와의 관계를 나타낸 식

정답 및 해설

헨리의 법칙은 기체의 압력(분압)과 액체에 대한 용해도의 관계를 나타낸다. 묽은 용액에서 기체의 분압은 액 중 몰분율에 비례한다.

$p_A=Hx_A$

기체 온도와 액체 비열의 관계: 헨리 법칙과 무관하다.
기체 온도와 증기압의 관계: Clausius–Clapeyron 식에 해당한다.
기체 온도와 확산속도의 관계: 확산계수의 온도 의존성에 해당한다.

문제 8

1y_A＝0.73, y_B＝0.27

2y_A＝0.78, y_B＝0.22

3y_A＝0.86, y_B＝0.14

4y_A＝0.93, y_B＝0.07

정답 및 해설

평형 증기 조성은 $y_{A}$ = 0.86, $y_{B}$ = 0.14이다. 라울 법칙으로 분압을 구해 전압으로 나눈다.

$p_A=0.7\times1.01=0.707\,\mathrm{bar}$ , $p_B=0.3\times0.39=0.117\,\mathrm{bar}$
$P=0.824\,\mathrm{bar}$

$y_A=\dfrac{0.707}{0.824}=0.86$ , $y_B=0.14$ . 휘발성이 큰 벤젠이 기상에 농축된다.

문제 9

분쇄 조작에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1제트밀은 3～4개의 롤러를 원판 위에 눌러대서 자전시키는 동시에 전체를 공전시켜 압축, 마찰, 전단 작용에 의해 분쇄한다.

3볼밀은 볼을 분쇄 매체로 하는 회전 원통 분쇄기로 건식, 습식 공용으로 사용되며 조작, 조업에 유연성을 갖는다.

4습식 분쇄는 물이나 액체를 이용하여 분쇄하는 방식이다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 제트밀이 롤러를 원판 위에 눌러 자전·공전시켜 분쇄한다는 진술이다.

이는 롤러밀의 설명이고, 제트밀은 고속 기류로 입자끼리 충돌시켜 초미분쇄한다.

자이러토리 크러셔: 콘케이브와 편심 회전하는 맨틀 사이에서 연속 압축 분쇄한다.
볼밀: 볼을 분쇄 매체로 하는 회전 원통 분쇄기로 건식·습식 모두 쓴다.
습식 분쇄: 물이나 액체와 함께 분쇄하는 방식이다.

문제 10

물질의 상태에 따른 열전도도에 대한 설명으로 옳은 것은?

1열전도도의 크기는 기체>액체>고체 순서이다.

2액체의 열전도도는 온도 상승에 의하여 증가한다.

3기체의 열전도도는 온도 상승에 의하여 감소한다.

4고체상의 순수 금속은 전기전도도가 증가할수록 열전도도는 높아진다.

정답 및 해설

옳은 것은 순수 금속은 전기전도도가 클수록 열전도도가 높다는 진술이다.

금속에서는 자유전자가 전기와 열을 함께 나르므로 두 전도도가 비례한다(Wiedemann–Franz 법칙).

기체 > 액체 > 고체 순서: 실제로는 대체로 고체 > 액체 > 기체 순이다.
액체 열전도도는 온도 상승에 따라 증가: 물 등 일부를 제외하면 대체로 감소한다.
기체 열전도도는 온도 상승에 따라 감소: 분자 속도가 커져 오히려 증가한다.

문제 11

P+\dfrac{a}{V_m^2})(V_m-b)=RT

1분자 간 인력, 분자 간 척력

2분자 간 척력, 분자 간 인력

3분자 간 인력, 분자 간 인력

4분자 간 척력, 분자 간 척력

정답 및 해설

a/ ${\mathrm{V}_{m}}^{2}$ 는 분자 간 인력, b는 분자 간 척력(분자 자체 부피)을 보정한다.

둘 다 인력 또는 둘 다 척력으로 본 조합: 두 보정 항은 서로 다른 효과를 나타낸다.
a 항을 척력, b를 인력으로 본 조합: 역할이 뒤바뀌었다.

문제 12

기체 흡수 공정에 사용되는 흡수액의 필요 성질이 아닌 것은?

1원하는 기체에 대한 선택적 흡수능

2용이한 흡수와 탈리

3가격의 경제성

4높은 증기압

정답 및 해설

흡수액의 필요 성질이 아닌 것은 높은 증기압이다.

흡수액은 탑 상부에서 증발해 손실되지 않도록 증기압이 낮아야 한다.

원하는 기체에 대한 선택적 흡수능: 용해도가 크고 선택성이 좋아야 한다.
용이한 흡수와 탈리: 흡수액을 재생해 반복 사용할 수 있어야 한다.
가격의 경제성: 값싸고 쉽게 구할 수 있어야 한다.

문제 13

안지름이 5 cm인 원형관을 통하여 비중 0.8, 점도 50 cP(centipoise)의 기름이 2 m/s로 이동할 때, 레이놀즈(Reynolds) 수에 기초하여 계산된 흐름의 영역은?

1플러그 흐름(plug flow) 영역

2층류(laminar flow) 영역

3전이(transition) 영역

4난류(turbulent flow) 영역

정답 및 해설

흐름은 층류 영역이다. CGS 단위로 레이놀즈 수를 계산한다.

$Re=\dfrac{\rho VD}{\mu}=\dfrac{0.8\times200\times5}{0.5}=1600$ (50 cP = 0.5 g/cm·s)

Re가 약 2,100보다 작으므로 층류다.

플러그 흐름: 반응기 이상 흐름 모델이며 Re로 판정하는 영역이 아니다.
전이 영역: Re = 1,600은 2,100보다 작아 전이 영역에 이르지 않는다.
난류 영역: Re가 4,000에 한참 못 미친다.

문제 14

화학공정에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1물의 삼중점에서 자유도 값은 0이다.

2상태함수는 계의 주어진 상태에 의해서 결정되며, 그 상태에 도달하기까지의 과정에 따라 값이 달라진다.

3물의 점도는 온도가 증가하면 감소한다.

4임의 크기의 균질계에 대한 전체 부피는 크기성질(extensive property)이다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 상태함수가 그 상태에 도달하는 과정에 따라 값이 달라진다는 진술이다.

상태함수는 현재 상태만으로 정해지며 경로와 무관하다(열·일이 경로함수).

물의 삼중점 자유도 0: F = C − P + 2 = 1 − 3 + 2 = 0이다.
물의 점도는 온도가 증가하면 감소: 액체 점도의 일반적 경향이다.
전체 부피는 크기성질: 계의 양에 비례한다.

문제 15

냉매 및 냉동 장치에 대한 설명으로 옳은 것은?

1냉매의 증발잠열은 작아야 한다.

2증발기 온도에서 냉매의 증기압은 대기압보다 높아야 한다.

3응축기는 압축기에 의하여 고온, 고압으로 된 냉매를 증발시키는 장치이다.

4응축기 온도에서 증기압은 높을수록 좋다.

정답 및 해설

옳은 것은 증발기 온도에서 냉매 증기압이 대기압보다 높아야 한다는 진술이다.

증발기 압력이 대기압보다 낮으면 공기·수분이 새어 들어와 성능이 떨어진다.

증발잠열이 작아야 함: 잠열이 커야 냉동 효과가 크다.
응축기가 냉매를 증발시킴: 응축기는 고온·고압 냉매 증기를 응축(액화)시킨다.
응축기 온도에서 증기압이 높을수록 좋음: 응축 압력이 너무 높으면 압축 동력과 장치 강도 부담이 커진다.

문제 16

다음 중 임펠러를 이용한 교반에 사용되는 레이놀즈(Reynolds) 수는? (단, μ : 점도, D : 임펠러의 지름, n : 회전수 (rpm), ρ :유체의 밀도이다)

1ρ∙n∙D²/μ

2ρ∙n∙D/μ²

3ρ²∙n²∙D/μ

4ρ²∙n²∙D²/μ

정답 및 해설

교반 레이놀즈 수는 ρ·n· $D^{2}$ /μ다. 관 흐름의 대표 속도 대신 임펠러 끝단 속도(∝ nD)를 쓴다.

$Re=\dfrac{\rho(nD)D}{\mu}=\dfrac{\rho nD^2}{\mu}$

ρnD/μ²: 점도를 제곱해 무차원이 되지 않는다.
ρ² $n^{2}$ D/μ: 밀도·회전수의 제곱으로 차원이 맞지 않는다.
ρ² $n^{2}$ $D^{2}$ /μ: 밀도·회전수의 제곱으로 차원이 맞지 않는다.

문제 17

10.3

20.4

30.5

40.6

정답 및 해설

사이클 효율은 0.5이다. 브레이턴 사이클 효율은 압력비와 비열비만으로 결정된다.

$\eta=1-\left(\dfrac{P_A}{P_B}\right)^{(\gamma-1)/\gamma}$
$\gamma=2:\;\dfrac{\gamma-1}{\gamma}=\dfrac{1}{2}$
$\eta=1-\left(\dfrac{1}{4}\right)^{1/2}=1-0.5=0.5$

그림에서 A→B와 C→D는 가역 단열(등엔트로피), B→C는 정압 가열, D→A는 정압 방열이다.

문제 18

원통 축에 수직 방향으로 유체가 원통 외부를 지나가는 경우, 다음 중 옳지 않은 것은?

1난류 경계층 유동인 경우, 항력 계수는 표면 거칠기에 영향을 받지 않는다.

2레이놀즈(Reynolds) 수가 1 미만인 영역은 점성력이 지배적이다.

3점성이 0인 이상적인 유체는 마찰항력과 압력항력이 0이다.

4항력과 양력은 서로 수직 방향이다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 난류 경계층에서 항력계수가 표면 거칠기의 영향을 받지 않는다는 진술이다.

원통 주위 흐름에서 표면 거칠기는 경계층 천이와 박리점 위치를 바꿔 항력계수에 영향을 준다.

Re < 1 영역은 점성력 지배: 크리핑 흐름 영역이다.
점성 0인 이상 유체는 마찰·압력항력이 0: 달랑베르의 역설이다.
항력과 양력은 서로 수직: 항력은 흐름 방향, 양력은 흐름에 수직 방향이다.

문제 19

10.1

21.0

32.0

410.0

정답 및 해설

두 레이놀즈 수의 비는 1.0이다. 같은 기체이므로 밀도와 점도가 같고 Re는 VD에 비례한다.

$\dfrac{N_{Re1}}{N_{Re2}}=\dfrac{V_1D_1}{V_2D_2}=\dfrac{1\times0.1}{0.1\times1}=1.0$

지름이 10배, 유속이 1/10배로 효과가 상쇄된다.

문제 20

12.2 × 10^-10

24.2 × 10^-10

36.2 × 10^-9

47.2 × 10^-9

정답 및 해설

질소의 물질전달속도는 7.2 × 10⁻⁹ kg/s이다. 정육면체 6면 전체 면적에 Fick 법칙 플럭스를 곱한다.

면적: $A=6\times(2\times2)=24\,\mathrm{m^2}$
플럭스: $J=D\dfrac{\Delta C}{L}=1.5\times10^{-10}\times\dfrac{0.067-0.007}{0.03}=3\times10^{-10}\,\mathrm{kg\,m^{-2}\,s^{-1}}$

$\dot m=3\times10^{-10}\times24=7.2\times10^{-9}\,\mathrm{kg\,s^{-1}}$ . 두께 3 cm를 0.03 m로 바꾼다.