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

15년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

15년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

유도단위가 아닌 물리량으로만 묶인 것은?

1광도, 평면각, 시간, 질량, 물질량

2길이, 밀도, 속도, 광도, 입체각

3물질량, 온도, 전류, 힘, 비중

4질량, 부피, 시간, 압력, 전류

정답 및 해설

유도단위가 아닌 물리량으로만 묶인 것은 광도, 평면각, 시간, 질량, 물질량이다.

광도·시간·질량·물질량은 SI 기본량이고, 평면각은 전통적으로 기본·유도 단위와 구분된 보충단위(라디안)로 분류되던 양이다.

길이·밀도·속도·광도·입체각: 밀도(kg/ $m^{3}$ )와 속도(m/s)가 유도량이다.
물질량·온도·전류·힘·비중: 힘(kg·m/ $s^{2}$ )이 유도량이고 비중은 밀도비다.
질량·부피·시간·압력·전류: 부피( $m^{3}$ )와 압력(N/ $m^{2}$ )이 유도량이다.

문제 2

화학 공장의 경제성 평가 시 총 생산비용은 제조비용과 일반비용으로 구성된다. 다음 중 제조비용에 해당하는 것은?

1행정비

2예비비

3연구개발비

4공장임대료

정답 및 해설

제조비용에 해당하는 것은 공장임대료다.

공장 운영과 직접 관련된 임대료는 제조비용 중 고정비에 속한다.

행정비: 회사 전체 관리에 드는 일반비용이다.
연구개발비: 일반비용에 속한다.
예비비: 추산의 불확실성에 대비한 여유 금액으로 제조비용 항목이 아니다.

문제 3

분쇄(crushing)의 목적으로 옳지 않은 것은?

1고체의 혼합 효과를 높인다.

2일정한 입도를 가지게 한다.

3고체의 표면적을 증가시킨다.

4분체의 화학적 조성을 변화시킨다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 분체의 화학적 조성을 변화시킨다는 진술이다.

분쇄는 고체를 잘게 부수는 물리적 조작으로 화학 조성은 바뀌지 않는다.

고체의 혼합 효과를 높임: 입자가 작을수록 고르게 섞인다.
일정한 입도를 가지게 함: 분급과 함께 입도를 맞춘다.
표면적 증가: 반응·용해·건조 속도를 높인다.

문제 4

피드백 제어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1On-off 제어기는 간단한 공정에서 널리 이용된다.

2외부교란을 측정하고 이 측정값을 이용하여 외부교란이 공정에 미칠 영향을 사전에 보정할 수 있다.

3PID 제어기는 오차의 크기뿐만 아니라 오차가 변화하는 추세와 오차의 누적된 양까지도 감안하여 제어한다.

4정상상태에서 잔류편차가 존재한다는 것은 제어변수가 set point로 유지되고 있지 못함을 의미한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 외부교란을 측정해 영향을 사전에 보정한다는 진술이다.

이는 피드포워드 제어의 설명이며, 피드백 제어는 교란의 영향이 출력 오차로 나타난 뒤에 수정한다.

On-off 제어기는 간단한 공정에 널리 이용: 가정용 온도조절 등에 쓰인다.
PID는 오차의 크기·변화 추세·누적량을 감안: 각각 P·D·I 동작이다.
잔류편차가 있으면 제어변수가 set point에 유지되지 못함: 잔류편차의 정의다.

문제 5

연속식 반응기에 대한 설명으로 옳은 것으로만 묶인 것은?

ㄱ. 보조장치가 필요없다.

ㄴ. 생성물질의 품질관리가 쉽다.

ㄷ. 시간에 따라 조성이 변하는 비정상상태로 시간이 독립 변수이다.

ㄹ. 1차 비가역반응에서 전환율이 높을 경우 CSTR이 PFR에 비해 큰 반응기 부피와 긴 체류시간이 필요하다.

1ㄱ, ㄴ

2ㄱ, ㄷ

3ㄴ, ㄹ

4ㄷ, ㄹ

정답 및 해설

옳은 것은 ㄴ, ㄹ이다. 연속식 반응기는 정상상태로 운전되어 품질이 일정하고, 고전환율에서는 CSTR이 PFR보다 큰 부피가 필요하다.

1차 반응의 공간시간은 CSTR $\tau=\dfrac{X}{k(1-X)}$ , PFR $\tau=-\dfrac{\ln(1-X)}{k}$ 로, X가 클수록 CSTR 쪽이 훨씬 커진다.

ㄱ(보조장치가 필요 없다): 연속 공급·배출을 위한 펌프·계측·제어 등 보조장치가 필요하다.
ㄷ(조성이 시간에 따라 변하는 비정상상태): 회분식 반응기의 특징이다.

문제 6

A와 B의 액체혼합물에 관한 라울의 법칙(Raoult's Law)을 설명한 것으로 옳은 것만을 모두 고른 것은?

ㄱ. 특정 온도에서 액체혼합물 중 A의 증기분압은 B의 증기분압과 항상 같다.

ㄴ. A와 B의 분자 사이에 인력 변화가 없고 이상용액일 때 성립한다.

ㄷ. B의 증기분압은 같은 온도에서 순수한 B의 증기압에 B의 몰분율을 곱한 것이다.

1ㄱ, ㄴ

2ㄱ, ㄷ

3ㄴ, ㄷ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ

정답 및 해설

옳은 것은 ㄴ, ㄷ이다. 라울 법칙은 이상용액에서 각 성분의 분압이 순성분 증기압 × 액상 몰분율이라는 법칙이다.

$p_B=x_BP_B^{sat}$

ㄱ(A와 B의 분압이 항상 같다): 분압은 각 성분의 몰분율과 순성분 증기압에 따라 달라진다.
ㄴ(분자 간 인력 변화가 없는 이상용액에서 성립): 라울 법칙의 전제다.

문제 7

증발 조작에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1거품을 제거하기 위하여 식물유 소포제인 황화피마자유 등을 소량 첨가한다.

2수증기 가열장비 중 수직관식에는 바스켓형, 장관형, 표준형 등이 있다.

3용액의 비등시 생성되는 증기 중의 작은 액체 방울이 섞여 증기와 더불어 증발관 밖으로 배출되는 현상을 거품이라 한다.

4비휘발성의 용질을 포함한 용액을 가열하여 용매를 기화시켜 용액을 농축하는 조작을 증발이라 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 증기 중 작은 액체 방울이 함께 배출되는 현상을 거품이라 한다는 진술이다.

이 현상은 비말동반(entrainment)이고, 거품(foaming)은 액 표면에 기포가 쌓여 부푸는 현상이다.

식물유 소포제(황화피마자유 등) 소량 첨가: 거품 억제 방법이다.
수직관식에 바스켓형·장관형·표준형: 수직관식 증발관의 종류다.
비휘발성 용질 용액을 가열해 용매를 기화·농축: 증발의 정의다.

문제 8

증발관을 사용하여 고체 5%를 함유하는 용액 1000 kg/hr를 8%로 농축하려 할 때, 원액으로부터 증발시켜야 하는 용매의 양(kg/hr)은? (단, 고체의 손실은 없는 것으로 가정한다)

1275

2375

3625

4725

정답 및 해설

증발시켜야 할 용매는 375 kg/hr이다. 고체는 손실이 없으므로 고체 수지로 농축액 양을 구한다.

고체: $1000\times0.05=50\,\mathrm{kg\,hr^{-1}}$
농축액: $\dfrac{50}{0.08}=625\,\mathrm{kg\,hr^{-1}}$
증발량: $1000-625=375\,\mathrm{kg\,hr^{-1}}$

625는 증발량이 아니라 농축액 양이다.

문제 9

다음은 산화철(III)(Fe₂O₃)과 일산화탄소(CO)가 반응하여 철(Fe)과 이산화탄소(CO₂)를 생성하는 반응식이다. 균형 맞춘 화학 반응식이 되기 위한 계수 a, b, c, d의 합은?

aFe₂O₃ + bCO → cFe + dCO₂

310

411

정답 및 해설

계수의 합은 9이다. 균형 맞춘 반응식은 F $e_{2}$ $\mathrm{O}_{3}$ + 3CO → 2Fe + 3C $\mathrm{O}_{2}$ 이다.

Fe 수지: a = 1이면 c = 2
C 수지: b = d
O 수지: $3+b=2d\;\Rightarrow\;b=d=3$

따라서 a + b + c + d = 1 + 3 + 2 + 3 = 9이다.

문제 10

발전소에서는 과열된 수증기로 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 만약 과열된 수증기의 온도가 750 K이고 터빈을 돌리고 난 후 최종적으로 배출될 때 온도가 250 K이라면, 이 과정에서의 효율은? (단, 열손실은 없다고 가정하고, 효율은 소수점 이하 둘째 자리에서 반올림한다)

133.3%

250.0%

366.7%

475.5%

정답 및 해설

최대 효율은 66.7%이다. 두 온도 사이에서 작동하는 열기관의 이상 효율은 카르노 효율이다.

$\eta=1-\dfrac{T_C}{T_H}=1-\dfrac{250}{750}=0.667$

절대온도 비만으로 결정되며 작동 유체와 무관하다.

문제 11

복사에 의해 열전달이 일어나고 있는 물체의 복사에너지 반사율이 0.4이고, 흡수율이 0.3이라면, 이 물체의 투과율은?

10.1

20.3

30.7

41.0

정답 및 해설

투과율은 0.3이다. 입사 복사는 반사·흡수·투과로 나뉘며 그 합은 1이다.

$\rho+\alpha+\tau=1\;\Rightarrow\;\tau=1-0.4-0.3=0.3$

불투명체라면 τ = 0이므로 α + ρ = 1이 된다.

문제 12

바다 수면의 기압이 1.04 kgf/cm²일 때, 수면으로부터 바다 속 10m 깊이의 절대압력(kgf/cm²)은? (단, 바닷물의 밀도는 1.05 g/cm³이다)

11.04

21.05

32.09

42.89

정답 및 해설

10 m 깊이의 절대압력은 2.09 kgf/ $\mathrm{cm}^{2}$ 이다. 수면 기압에 바닷물 기둥의 압력을 더한다.

수주 압력: $\rho h=1.05\,\mathrm{g\,cm^{-3}}\times1000\,\mathrm{cm}=1050\,\mathrm{gf\,cm^{-2}}=1.05\,\mathrm{kgf\,cm^{-2}}$

$P=1.04+1.05=2.09\,\mathrm{kgf\,cm^{-2}}$ . 수면 기압이 곧 대기압 역할을 한다.

문제 13

Fick의 확산 제1법칙에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

12성분계 혼합물에서 각 성분의 확산 플럭스가 그 성분의 농도구배에 비례함을 설명한다.

2각 분자는 직선 운동을 하나, 다른 분자와 충돌할 때 그 운동 방향이 무작위로 변경됨을 가정한다.

3분자확산에 적용하는 식으로, 각 분자가 무질서한 개별 운동에 의해 유체 속을 이동할 때 사용할 수 있다.

4용질이 고체 표면에 용해되어 균일 용액을 형성하는 고체의 확산에는 적용되지 않는다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 고체의 확산에는 적용되지 않는다는 진술이다.

Fick 제1법칙은 용질이 고체 속으로 녹아 들어가 균일 용액을 이루는 고체 내 확산에도 적용된다.

확산 플럭스가 농도구배에 비례: Fick 제1법칙의 내용이다.
분자가 직선 운동하다 충돌로 방향이 무작위로 바뀜: 분자 확산의 미시적 가정이다.
분자의 무질서한 개별 운동에 의한 이동: 분자 확산의 정의다.

문제 14

유체와 관련된 설명으로 옳지 않은 것은?

1이상기체의 밀도는 절대온도와 기체의 분자량에 비례한다.

2단위면적당 힘에 대한 예로는 압력과 전단응력이 있다.

3주어진 유체의 표면장력과 단위면적당 에너지는 동일한 수치 및 단위를 갖는다.

4임의의 점에서 고도에 따른 압력의 변화율은 dP/dz=-ρg(P:압력, z :고도, ρ :밀도, g :중력가속도)로 표현할 수 있다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 이상기체 밀도가 절대온도와 분자량에 비례한다는 진술이다. 이상기체 밀도는 분자량에는 비례하지만 절대온도에는 반비례한다.

$\rho=\dfrac{PM}{RT}$

단위면적당 힘의 예는 압력·전단응력: 둘 다 응력이다.
표면장력과 단위면적당 에너지는 같은 수치·단위: N/m = J/ $m^{2}$ 이다.
dP/dz = −ρg: 정수압 기본식이다.

문제 15

다음과 같은 금속벽을 통한 열전달이 일어날 때 고온부의 온도 T₁의 값은? (단, 열전도도는 20 kcal/m hr °C이고, 열손실량은 10,000 kcal/hr이다)

160 °C

2120 °C

3160 °C

4220 °C

정답 및 해설

고온부 온도 $\mathrm{T}_{1}$ 은 120℃이다. 평판 전도식을 온도차에 대해 푼다.

$q=\dfrac{kA(T_1-T_2)}{l}\;\Rightarrow\;T_1-T_2=\dfrac{ql}{kA}$
$T_1-20=\dfrac{10000\times2}{20\times10}=100$

$T_1=120\,\mathrm{^{\circ}C}$ . 온도차 100℃에 저온부 20℃를 더해야 한다.

문제 16

레이놀즈 수(N_Re)는 층류와 난류를 구분할 수 있는 무차원의 값이다. 내경 0.01m의 관내를 평균유속 0.7m/s로 진행하는 액체의 밀도가 100 kg/m³, 점도가 0.1 P일 경우, 이 액체의 레이놀즈 수와 흐름은?

170, 층류

270, 난류

37000, 난류

47000, 층류

정답 및 해설

레이놀즈 수는 70, 층류다.

$Re=\dfrac{\rho VD}{\mu}=\dfrac{100\times0.7\times0.01}{0.01}=70$ (0.1 P = 0.01 Pa·s)

Re가 약 2,100보다 훨씬 작으므로 층류다.

70, 난류: 이 Re에서는 난류가 될 수 없다.
7,000, 난류: 단위를 맞춘 계산값 70의 100배다.
7,000, 층류: Re 값이 틀렸고, 7,000이라면 층류 범위도 아니다.

문제 17

이중관식 열교환기에서 관 내부로는 120 °C의 오일이 들어가고 외부에는 20 °C의 물이 흐르면서 열교환을 하여 물은 75 °C로 데워져 나가고 오일의 온도는 85 °C로 내려간다. 병류(parallel flow)일 경우 대수평균 온도차는? (단, 열손실은 없다고 가정하며, lnx=2.3logx이고, 대수평균 온도차는 소수점 이하 둘째 자리 에서 반올림한다)

127.5 °C

232.5 °C

335.0 °C

439.1 °C

정답 및 해설

대수평균 온도차는 약 39.1℃이다. 병류이므로 입구끼리, 출구끼리 온도차를 잡는다.

입구: $\Delta T_1=120-20=100$
출구: $\Delta T_2=85-75=10$

$\Delta T_{lm}=\dfrac{100-10}{\ln(100/10)}=\dfrac{90}{2.3\log10}=\dfrac{90}{2.3}=39.1$ . ln10 = 2.3을 쓴다.

문제 18

침강 분리에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1침강장치로는 Dorr 분급기, 연속식 침강 농축조, 원통형 원심 분리기 등이 있다.

2최종 침강속도(terminal settling velocity)는 입자에 작용하는 힘과 유체로 인해 받는 저항이 평형을 이루어 등속 운동을 하는 속도이다.

3간섭침강은 입자가 인접한 입자와 실제로 충돌하지 않더라도 입자의 운동이 다른 인접한 입자의 영향이나 간섭을 받아 일어나는 침강이다.

4저항계수(drag coefficient)는 침수 물체를 지나는 마찰 상수로, 속도두(velocity head)와 유체 밀도의 곱을 단위 면적당 총항력으로 나눈 값이다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 저항계수를 속도두와 밀도의 곱을 단위면적당 항력으로 나눈 값이라 한 진술이다. 저항계수는 반대로 단위 투영면적당 항력을 동압(ρ $u^{2}$ /2)으로 나눈 값이다.

$C_D=\dfrac{F_D/A_p}{\rho u^2/2}$

Dorr 분급기·연속식 침강 농축조·원통형 원심 분리기: 침강을 이용하는 장치다.
종말 침강속도는 힘의 평형으로 등속 운동하는 속도: 정의다.
간섭침강은 인접 입자의 영향을 받는 침강: 정의다.

문제 19

촉매 및 촉매 반응에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1촉매 표면에 반응물이 물리흡착할 경우 흡착과정은 발열과정이다.

2촉매는 반응속도에는 영향을 주지만 반응평형에는 영향을 주지 않는다.

3촉매 표면에 반응물이 화학흡착할 경우 흡착력은 반데르발스(van-der-Waals) 힘이다.

4촉매 활성점 위에서 물질이 비가역적으로 침적되는 비활성화 과정을 피독(poisoning)이라 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 화학흡착의 흡착력이 반데르발스 힘이라는 진술이다.

반데르발스 힘에 의한 것은 물리흡착이고, 화학흡착은 흡착질과 표면 사이의 화학결합에 의한다.

물리흡착은 발열과정: 흡착은 자발적이며 엔트로피가 감소하므로 발열이다.
촉매는 속도에만 영향, 평형에는 무영향: 정·역반응을 같은 비율로 빠르게 한다.
활성점에 비가역 침적되는 비활성화는 피독: 피독의 정의다.

문제 20

점도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1레이놀즈 수는 동점도(kinematic viscosity)에 비례한다.

2동점도는 확산계수(diffusivity)와 차원이 같다.

3운동에너지를 열에너지로 만드는 유체의 능력이다.

4뉴턴 유체에서는 전단응력이 전단율에 비례하며, 그 비례 상수를 점도라고 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 레이놀즈 수가 동점도에 비례한다는 진술이다. 레이놀즈 수는 동점도에 반비례한다.

$Re=\dfrac{\rho VD}{\mu}=\dfrac{VD}{\nu}$

동점도와 확산계수는 같은 차원: 둘 다 $m^{2}$ /s다.
운동에너지를 열에너지로 바꾸는 능력: 점성 소산을 일으키는 성질이다.
뉴턴 유체에서 전단응력 ∝ 전단율, 비례상수가 점도: 뉴턴 점성 법칙이다.

9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

15년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

유도단위가 아닌 물리량으로만 묶인 것은?

1광도, 평면각, 시간, 질량, 물질량

2길이, 밀도, 속도, 광도, 입체각

3물질량, 온도, 전류, 힘, 비중

4질량, 부피, 시간, 압력, 전류

정답 및 해설

유도단위가 아닌 물리량으로만 묶인 것은 광도, 평면각, 시간, 질량, 물질량이다.

광도·시간·질량·물질량은 SI 기본량이고, 평면각은 전통적으로 기본·유도 단위와 구분된 보충단위(라디안)로 분류되던 양이다.

길이·밀도·속도·광도·입체각: 밀도(kg/ $m^{3}$ )와 속도(m/s)가 유도량이다.
물질량·온도·전류·힘·비중: 힘(kg·m/ $s^{2}$ )이 유도량이고 비중은 밀도비다.
질량·부피·시간·압력·전류: 부피( $m^{3}$ )와 압력(N/ $m^{2}$ )이 유도량이다.

문제 2

화학 공장의 경제성 평가 시 총 생산비용은 제조비용과 일반비용으로 구성된다. 다음 중 제조비용에 해당하는 것은?

1행정비

2예비비

3연구개발비

4공장임대료

정답 및 해설

제조비용에 해당하는 것은 공장임대료다.

공장 운영과 직접 관련된 임대료는 제조비용 중 고정비에 속한다.

행정비: 회사 전체 관리에 드는 일반비용이다.
연구개발비: 일반비용에 속한다.
예비비: 추산의 불확실성에 대비한 여유 금액으로 제조비용 항목이 아니다.

문제 3

분쇄(crushing)의 목적으로 옳지 않은 것은?

1고체의 혼합 효과를 높인다.

2일정한 입도를 가지게 한다.

3고체의 표면적을 증가시킨다.

4분체의 화학적 조성을 변화시킨다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 분체의 화학적 조성을 변화시킨다는 진술이다.

분쇄는 고체를 잘게 부수는 물리적 조작으로 화학 조성은 바뀌지 않는다.

고체의 혼합 효과를 높임: 입자가 작을수록 고르게 섞인다.
일정한 입도를 가지게 함: 분급과 함께 입도를 맞춘다.
표면적 증가: 반응·용해·건조 속도를 높인다.

문제 4

피드백 제어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1On-off 제어기는 간단한 공정에서 널리 이용된다.

2외부교란을 측정하고 이 측정값을 이용하여 외부교란이 공정에 미칠 영향을 사전에 보정할 수 있다.

3PID 제어기는 오차의 크기뿐만 아니라 오차가 변화하는 추세와 오차의 누적된 양까지도 감안하여 제어한다.

4정상상태에서 잔류편차가 존재한다는 것은 제어변수가 set point로 유지되고 있지 못함을 의미한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 외부교란을 측정해 영향을 사전에 보정한다는 진술이다.

이는 피드포워드 제어의 설명이며, 피드백 제어는 교란의 영향이 출력 오차로 나타난 뒤에 수정한다.

On-off 제어기는 간단한 공정에 널리 이용: 가정용 온도조절 등에 쓰인다.
PID는 오차의 크기·변화 추세·누적량을 감안: 각각 P·D·I 동작이다.
잔류편차가 있으면 제어변수가 set point에 유지되지 못함: 잔류편차의 정의다.

문제 5

연속식 반응기에 대한 설명으로 옳은 것으로만 묶인 것은?

ㄱ. 보조장치가 필요없다.

ㄴ. 생성물질의 품질관리가 쉽다.

ㄷ. 시간에 따라 조성이 변하는 비정상상태로 시간이 독립 변수이다.

ㄹ. 1차 비가역반응에서 전환율이 높을 경우 CSTR이 PFR에 비해 큰 반응기 부피와 긴 체류시간이 필요하다.

1ㄱ, ㄴ

2ㄱ, ㄷ

3ㄴ, ㄹ

4ㄷ, ㄹ

정답 및 해설

옳은 것은 ㄴ, ㄹ이다. 연속식 반응기는 정상상태로 운전되어 품질이 일정하고, 고전환율에서는 CSTR이 PFR보다 큰 부피가 필요하다.

1차 반응의 공간시간은 CSTR $\tau=\dfrac{X}{k(1-X)}$ , PFR $\tau=-\dfrac{\ln(1-X)}{k}$ 로, X가 클수록 CSTR 쪽이 훨씬 커진다.

ㄱ(보조장치가 필요 없다): 연속 공급·배출을 위한 펌프·계측·제어 등 보조장치가 필요하다.
ㄷ(조성이 시간에 따라 변하는 비정상상태): 회분식 반응기의 특징이다.

문제 6

A와 B의 액체혼합물에 관한 라울의 법칙(Raoult's Law)을 설명한 것으로 옳은 것만을 모두 고른 것은?

ㄱ. 특정 온도에서 액체혼합물 중 A의 증기분압은 B의 증기분압과 항상 같다.

ㄴ. A와 B의 분자 사이에 인력 변화가 없고 이상용액일 때 성립한다.

ㄷ. B의 증기분압은 같은 온도에서 순수한 B의 증기압에 B의 몰분율을 곱한 것이다.

1ㄱ, ㄴ

2ㄱ, ㄷ

3ㄴ, ㄷ

4ㄱ, ㄴ, ㄷ

정답 및 해설

옳은 것은 ㄴ, ㄷ이다. 라울 법칙은 이상용액에서 각 성분의 분압이 순성분 증기압 × 액상 몰분율이라는 법칙이다.

$p_B=x_BP_B^{sat}$

ㄱ(A와 B의 분압이 항상 같다): 분압은 각 성분의 몰분율과 순성분 증기압에 따라 달라진다.
ㄴ(분자 간 인력 변화가 없는 이상용액에서 성립): 라울 법칙의 전제다.

문제 7

증발 조작에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1거품을 제거하기 위하여 식물유 소포제인 황화피마자유 등을 소량 첨가한다.

2수증기 가열장비 중 수직관식에는 바스켓형, 장관형, 표준형 등이 있다.

3용액의 비등시 생성되는 증기 중의 작은 액체 방울이 섞여 증기와 더불어 증발관 밖으로 배출되는 현상을 거품이라 한다.

4비휘발성의 용질을 포함한 용액을 가열하여 용매를 기화시켜 용액을 농축하는 조작을 증발이라 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 증기 중 작은 액체 방울이 함께 배출되는 현상을 거품이라 한다는 진술이다.

이 현상은 비말동반(entrainment)이고, 거품(foaming)은 액 표면에 기포가 쌓여 부푸는 현상이다.

식물유 소포제(황화피마자유 등) 소량 첨가: 거품 억제 방법이다.
수직관식에 바스켓형·장관형·표준형: 수직관식 증발관의 종류다.
비휘발성 용질 용액을 가열해 용매를 기화·농축: 증발의 정의다.

문제 8

1275

2375

3625

4725

정답 및 해설

증발시켜야 할 용매는 375 kg/hr이다. 고체는 손실이 없으므로 고체 수지로 농축액 양을 구한다.

고체: $1000\times0.05=50\,\mathrm{kg\,hr^{-1}}$
농축액: $\dfrac{50}{0.08}=625\,\mathrm{kg\,hr^{-1}}$
증발량: $1000-625=375\,\mathrm{kg\,hr^{-1}}$

625는 증발량이 아니라 농축액 양이다.

문제 9

aFe₂O₃ + bCO → cFe + dCO₂

310

411

정답 및 해설

계수의 합은 9이다. 균형 맞춘 반응식은 F $e_{2}$ $\mathrm{O}_{3}$ + 3CO → 2Fe + 3C $\mathrm{O}_{2}$ 이다.

Fe 수지: a = 1이면 c = 2
C 수지: b = d
O 수지: $3+b=2d\;\Rightarrow\;b=d=3$

따라서 a + b + c + d = 1 + 3 + 2 + 3 = 9이다.

문제 10

133.3%

250.0%

366.7%

475.5%

정답 및 해설

최대 효율은 66.7%이다. 두 온도 사이에서 작동하는 열기관의 이상 효율은 카르노 효율이다.

$\eta=1-\dfrac{T_C}{T_H}=1-\dfrac{250}{750}=0.667$

절대온도 비만으로 결정되며 작동 유체와 무관하다.

문제 11

복사에 의해 열전달이 일어나고 있는 물체의 복사에너지 반사율이 0.4이고, 흡수율이 0.3이라면, 이 물체의 투과율은?

10.1

20.3

30.7

41.0

정답 및 해설

투과율은 0.3이다. 입사 복사는 반사·흡수·투과로 나뉘며 그 합은 1이다.

$\rho+\alpha+\tau=1\;\Rightarrow\;\tau=1-0.4-0.3=0.3$

불투명체라면 τ = 0이므로 α + ρ = 1이 된다.

문제 12

바다 수면의 기압이 1.04 kgf/cm²일 때, 수면으로부터 바다 속 10m 깊이의 절대압력(kgf/cm²)은? (단, 바닷물의 밀도는 1.05 g/cm³이다)

11.04

21.05

32.09

42.89

정답 및 해설

10 m 깊이의 절대압력은 2.09 kgf/ $\mathrm{cm}^{2}$ 이다. 수면 기압에 바닷물 기둥의 압력을 더한다.

수주 압력: $\rho h=1.05\,\mathrm{g\,cm^{-3}}\times1000\,\mathrm{cm}=1050\,\mathrm{gf\,cm^{-2}}=1.05\,\mathrm{kgf\,cm^{-2}}$

$P=1.04+1.05=2.09\,\mathrm{kgf\,cm^{-2}}$ . 수면 기압이 곧 대기압 역할을 한다.

문제 13

Fick의 확산 제1법칙에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

12성분계 혼합물에서 각 성분의 확산 플럭스가 그 성분의 농도구배에 비례함을 설명한다.

2각 분자는 직선 운동을 하나, 다른 분자와 충돌할 때 그 운동 방향이 무작위로 변경됨을 가정한다.

3분자확산에 적용하는 식으로, 각 분자가 무질서한 개별 운동에 의해 유체 속을 이동할 때 사용할 수 있다.

4용질이 고체 표면에 용해되어 균일 용액을 형성하는 고체의 확산에는 적용되지 않는다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 고체의 확산에는 적용되지 않는다는 진술이다.

Fick 제1법칙은 용질이 고체 속으로 녹아 들어가 균일 용액을 이루는 고체 내 확산에도 적용된다.

확산 플럭스가 농도구배에 비례: Fick 제1법칙의 내용이다.
분자가 직선 운동하다 충돌로 방향이 무작위로 바뀜: 분자 확산의 미시적 가정이다.
분자의 무질서한 개별 운동에 의한 이동: 분자 확산의 정의다.

문제 14

유체와 관련된 설명으로 옳지 않은 것은?

1이상기체의 밀도는 절대온도와 기체의 분자량에 비례한다.

2단위면적당 힘에 대한 예로는 압력과 전단응력이 있다.

3주어진 유체의 표면장력과 단위면적당 에너지는 동일한 수치 및 단위를 갖는다.

4임의의 점에서 고도에 따른 압력의 변화율은 dP/dz=-ρg(P:압력, z :고도, ρ :밀도, g :중력가속도)로 표현할 수 있다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 이상기체 밀도가 절대온도와 분자량에 비례한다는 진술이다. 이상기체 밀도는 분자량에는 비례하지만 절대온도에는 반비례한다.

$\rho=\dfrac{PM}{RT}$

단위면적당 힘의 예는 압력·전단응력: 둘 다 응력이다.
표면장력과 단위면적당 에너지는 같은 수치·단위: N/m = J/ $m^{2}$ 이다.
dP/dz = −ρg: 정수압 기본식이다.

문제 15

다음과 같은 금속벽을 통한 열전달이 일어날 때 고온부의 온도 T₁의 값은? (단, 열전도도는 20 kcal/m hr °C이고, 열손실량은 10,000 kcal/hr이다)

160 °C

2120 °C

3160 °C

4220 °C

정답 및 해설

고온부 온도 $\mathrm{T}_{1}$ 은 120℃이다. 평판 전도식을 온도차에 대해 푼다.

$q=\dfrac{kA(T_1-T_2)}{l}\;\Rightarrow\;T_1-T_2=\dfrac{ql}{kA}$
$T_1-20=\dfrac{10000\times2}{20\times10}=100$

$T_1=120\,\mathrm{^{\circ}C}$ . 온도차 100℃에 저온부 20℃를 더해야 한다.

문제 16

170, 층류

270, 난류

37000, 난류

47000, 층류

정답 및 해설

레이놀즈 수는 70, 층류다.

$Re=\dfrac{\rho VD}{\mu}=\dfrac{100\times0.7\times0.01}{0.01}=70$ (0.1 P = 0.01 Pa·s)

Re가 약 2,100보다 훨씬 작으므로 층류다.

70, 난류: 이 Re에서는 난류가 될 수 없다.
7,000, 난류: 단위를 맞춘 계산값 70의 100배다.
7,000, 층류: Re 값이 틀렸고, 7,000이라면 층류 범위도 아니다.

문제 17

127.5 °C

232.5 °C

335.0 °C

439.1 °C

정답 및 해설

대수평균 온도차는 약 39.1℃이다. 병류이므로 입구끼리, 출구끼리 온도차를 잡는다.

입구: $\Delta T_1=120-20=100$
출구: $\Delta T_2=85-75=10$

$\Delta T_{lm}=\dfrac{100-10}{\ln(100/10)}=\dfrac{90}{2.3\log10}=\dfrac{90}{2.3}=39.1$ . ln10 = 2.3을 쓴다.

문제 18

침강 분리에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1침강장치로는 Dorr 분급기, 연속식 침강 농축조, 원통형 원심 분리기 등이 있다.

2최종 침강속도(terminal settling velocity)는 입자에 작용하는 힘과 유체로 인해 받는 저항이 평형을 이루어 등속 운동을 하는 속도이다.

3간섭침강은 입자가 인접한 입자와 실제로 충돌하지 않더라도 입자의 운동이 다른 인접한 입자의 영향이나 간섭을 받아 일어나는 침강이다.

4저항계수(drag coefficient)는 침수 물체를 지나는 마찰 상수로, 속도두(velocity head)와 유체 밀도의 곱을 단위 면적당 총항력으로 나눈 값이다.

정답 및 해설

$C_D=\dfrac{F_D/A_p}{\rho u^2/2}$

Dorr 분급기·연속식 침강 농축조·원통형 원심 분리기: 침강을 이용하는 장치다.
종말 침강속도는 힘의 평형으로 등속 운동하는 속도: 정의다.
간섭침강은 인접 입자의 영향을 받는 침강: 정의다.

문제 19

촉매 및 촉매 반응에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1촉매 표면에 반응물이 물리흡착할 경우 흡착과정은 발열과정이다.

2촉매는 반응속도에는 영향을 주지만 반응평형에는 영향을 주지 않는다.

3촉매 표면에 반응물이 화학흡착할 경우 흡착력은 반데르발스(van-der-Waals) 힘이다.

4촉매 활성점 위에서 물질이 비가역적으로 침적되는 비활성화 과정을 피독(poisoning)이라 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 화학흡착의 흡착력이 반데르발스 힘이라는 진술이다.

반데르발스 힘에 의한 것은 물리흡착이고, 화학흡착은 흡착질과 표면 사이의 화학결합에 의한다.

물리흡착은 발열과정: 흡착은 자발적이며 엔트로피가 감소하므로 발열이다.
촉매는 속도에만 영향, 평형에는 무영향: 정·역반응을 같은 비율로 빠르게 한다.
활성점에 비가역 침적되는 비활성화는 피독: 피독의 정의다.

문제 20

점도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1레이놀즈 수는 동점도(kinematic viscosity)에 비례한다.

2동점도는 확산계수(diffusivity)와 차원이 같다.

3운동에너지를 열에너지로 만드는 유체의 능력이다.

4뉴턴 유체에서는 전단응력이 전단율에 비례하며, 그 비례 상수를 점도라고 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 레이놀즈 수가 동점도에 비례한다는 진술이다. 레이놀즈 수는 동점도에 반비례한다.

$Re=\dfrac{\rho VD}{\mu}=\dfrac{VD}{\nu}$

동점도와 확산계수는 같은 차원: 둘 다 $m^{2}$ /s다.
운동에너지를 열에너지로 바꾸는 능력: 점성 소산을 일으키는 성질이다.
뉴턴 유체에서 전단응력 ∝ 전단율, 비례상수가 점도: 뉴턴 점성 법칙이다.