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

14년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

14년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

단위들의 정의 중 옳지 않은 것은?

1Pa = kg∙m^-1ㆍs^-2

2J = kg∙m²∙s^-2

3J = N∙m

4J = Pa∙m²

정답 및 해설

옳지 않은 정의는 J = Pa· $m^{2}$ 이다.

Pa· $m^{2}$ 는 (N/ $m^{2}$ )· $m^{2}$ = N으로 힘의 단위이고, 에너지는 J = Pa· $m^{3}$ 다.

Pa = kg·m⁻¹·s⁻²: N/ $m^{2}$ = (kg·m·s⁻²)/ $m^{2}$ 이다.
J = kg· $m^{2}$ ·s⁻²: N·m를 기본단위로 풀어 쓴 것이다.
J = N·m: 일 = 힘 × 거리의 정의다.

문제 2

분체의 크기를 줄이는 장비가 아닌 것은?

1파쇄기(crusher)

2결정화기(crystallizer)

3롤러밀(roller mill)

4마멸밀(attrition mill)

정답 및 해설

분체 크기를 줄이는 장비가 아닌 것은 결정화기다.

결정화기는 용액에서 결정을 석출·성장시키는 분리 장치다.

파쇄기: 큰 덩어리를 조쇄하는 장비다.
롤러밀: 롤러의 압축으로 분쇄한다.
마멸밀: 마찰(마멸)로 미분쇄한다.

문제 3

25mm 두께의 섬유로 된 단열재의 내벽 온도는 353 K이고 외벽 온도는 298 K이다. 단열재에서의 단위면적당 열손실[W/m²]은? (단, 사용된 단열재의 열전도도는 0.05W/m∙K이다)

180

290

3100

4110

정답 및 해설

단위면적당 열손실은 110 W/ $m^{2}$ 이다. 평판 전도식에 대입한다.

$\dfrac{q}{A}=\dfrac{k\Delta T}{L}=\dfrac{0.05\times(353-298)}{0.025}=\dfrac{0.05\times55}{0.025}=110\,\mathrm{W\,m^{-2}}$

두께 25 mm를 0.025 m로 바꾸고, 온도차는 K와 ℃가 같다.

문제 4

비점 상태에 있는 포화증기(saturated vapor)가 공급흐름(feed stream)으로 공급단(feed stage)에 유입된다. 공급흐름이 80몰% 메탄올과 20몰% 물로 구성되어 있을 때 공급선(feed line)을 나타내는 식으로 옳은 것은?

1y＝0.8

2y＝0.4

3y＝0.2

4y＝－x ＋ 2

정답 및 해설

공급선은 y = 0.8이다. 포화증기 원료는 q = 0이므로 공급선이 기울기 0인 수평선이 된다.

$y=\dfrac{q}{q-1}x-\dfrac{z_F}{q-1}$ , $q=0\;\Rightarrow\;y=z_F=0.8$

y = 0.4: 원료 조성 0.8과 맞지 않는다.
y = 0.2: 메탄올이 아닌 물의 조성을 쓴 값이다.
y = −x + 2: 기울기 −1은 q = 0.5인 경우이며 (0.8, 0.8)도 지나지 않는다.

공급선은 항상 대각선 위의 점 ( $z_{F}$ , $z_{F}$ )를 지난다.

문제 5

정류(rectification)공정에서 환류비가 커지면 일어나는 현상으로 옳지 않은 것은?

1제품의 순도가 높아진다.

2정류탑의 단수가 작아진다.

3가열과 냉각에 따른 비용이 증가한다.

4제품의 생산량이 증가한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 제품의 생산량이 증가한다는 진술이다.

환류비를 키우면 응축액 중 더 많은 양을 탑으로 되돌리므로 같은 증기량에서 유출 제품량은 줄어든다.

제품 순도가 높아짐: 조작선이 평형선에서 멀어져 분리가 좋아진다.
정류탑 단수가 작아짐: 필요한 이론단수가 감소한다.
가열·냉각 비용 증가: 리보일러·응축기 부하가 커진다.

문제 6

내경이 10 cm인 원형 파이프 내부로 유체가 층류로 흐를 때, 원형 파이프 중심에서의 유속이 10m/s라고 하면 파이프 벽면으로부터 1cm 떨어진 지점에서 유체의 유속[m/s]은?

12.2

22.6

32.8

43.6

정답 및 해설

벽에서 1 cm 지점의 유속은 3.6 m/s이다. 원관 층류의 속도 분포는 포물선이다.

$u=u_{max}\left[1-\left(\dfrac{r}{R}\right)^2\right]$

R = 5 cm, 벽에서 1 cm이면 r = 4 cm:
$u=10\times\left[1-\left(\dfrac{4}{5}\right)^2\right]=10\times0.36=3.6\,\mathrm{m\,s^{-1}}$ . r은 중심으로부터의 거리임에 주의한다.

문제 7

여과공정에 사용되는 여과조제(filter aid)에 요구되는 성질로 옳지 않은 것은?

1여액과 화학반응을 일으켜야 한다.

2다공성으로 표면적이 크고 비중이 액과 같아야 한다.

3입자가 균일하고 견고해야 한다.

4비압축성이어야 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 여액과 화학반응을 일으켜야 한다는 진술이다.

여과조제는 여액을 오염시키지 않도록 화학적으로 불활성이어야 한다.

다공성·큰 표면적·액 중 고른 분산: 투과성 좋은 케이크를 만들기 위한 성질이다.
입자가 균일하고 견고: 케이크 구조를 안정하게 유지한다.
비압축성: 압력이 걸려도 케이크가 막히지 않는다.

문제 8

밀도가 0.5 g/cm³인 유체가 내경이 10 cm인 파이프 내부를 층류의 형태로 흐르고 있다. 유체의 점도가 0.5 cP일 때, 파이프에 흐르는 유체의 최대 유속[cm/s]은? (단, Re≤2,100 영역에서 층류가 형성된다)

11.1

22.1

311

421

정답 및 해설

층류를 유지할 수 있는 최대 (평균) 유속은 2.1 cm/s이다. Re = 2,100을 상한으로 두고 유속을 푼다.

$Re=\dfrac{\rho VD}{\mu}\;\Rightarrow\;V=\dfrac{Re\,\mu}{\rho D}$
$V=\dfrac{2100\times0.005}{0.5\times10}=2.1\,\mathrm{cm\,s^{-1}}$

점도 0.5 cP = 0.005 g/cm·s로 CGS 단위를 맞춘다.

문제 9

이상용액 거동을 하는 벤젠과 톨루엔의 혼합용액이 850 mmHg, 90 °C에서 기상과 액상이 평형상태에 도달하였다. 순수한 벤젠과 톨루엔의 증기압이 각각 1,200 mmHg와 500 mmHg라고 할 때, 기상에 존재하는 벤젠의 몰분율은? (단, 몰분율은 소수점 둘째자리에서 반올림한다)

10.5

20.6

30.7

40.8

정답 및 해설

기상의 벤젠 몰분율은 약 0.7이다. 라울 법칙으로 액 조성부터 구한다.

$850=1200x+500(1-x)\;\Rightarrow\;x=\dfrac{350}{700}=0.5$

$y=\dfrac{xP_B^{sat}}{P}=\dfrac{0.5\times1200}{850}=0.706\approx0.7$ . 휘발성이 큰 벤젠이 기상에 농축된다.

문제 10

1atm 하에 있는 메탄올 수용액에서 메탄올의 몰분율이 0.4이다. 물에 대한 메탄올의 상대휘발도(α)는 4.00이다. 이때 기상에 존재하는 메탄올의 몰분율은? (단, 몰분율은 소수점 셋째 자리에서 반올림한다)

10.63

20.73

30.78

40.82

정답 및 해설

기상 메탄올 몰분율은 0.73이다. 상대휘발도로 나타낸 평형식을 쓴다.

$y=\dfrac{\alpha x}{1+(\alpha-1)x}=\dfrac{4\times0.4}{1+3\times0.4}=\dfrac{1.6}{2.2}=0.727$

소수 셋째 자리에서 반올림하면 0.73이다.

문제 11

기체의 누센(Knudsen) 확산에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1누센 확산은 고압의 상황에서 주로 발생한다.

2기체분자의 평균자유경로가 모세관의 직경보다 매우 큰 경우에 발생한다.

3기체분자가 모세관 벽과 충돌하는 현상이 중요하게 인식된다.

4기체분자의 평균속도는 분자량의 제곱근에 반비례한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 누센 확산이 고압에서 주로 발생한다는 진술이다.

누센 확산은 평균자유경로가 기공보다 커지는 저압(또는 미세 기공)에서 일어난다.

평균자유경로가 모세관 직경보다 매우 큼: 누센 확산의 조건이다.
분자와 모세관 벽의 충돌이 중요: 분자 간 충돌보다 벽 충돌이 지배한다.
평균속도가 분자량의 제곱근에 반비례: 분자 운동론의 결과다.

문제 12

2개의 관을 연결할 때 사용하는 관 부속품이 아닌 것은?

1플랜지(flange)

2구형밸브(globe valve)

3커플링(coupling)

4유니온(union)

정답 및 해설

관 연결용 부속품이 아닌 것은 구형밸브(글로브 밸브)다.

글로브 밸브는 유량을 조절하는 밸브다.

플랜지: 관 끝의 원판을 볼트로 체결해 연결한다.
커플링: 같은 지름의 두 관을 직선으로 잇는다.
유니온: 관을 돌리지 않고도 분해·조립할 수 있게 잇는다.

문제 13

액체추출장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1충전추출탑(packed extraction tower)에서는 미분접촉이 일어나며 혼합과 침강이 동시에 진행된다.

2원심추출기(centrifugal extractor)는 작은 공간에서 많은 이론접촉단을 갖는다.

3다공판탑(perforated plate tower)은 다공판을 통해 액적의 재형성 및 재분산이 일어나게 한다.

4맥동탑(pulse column)에서는 충전물이나 다공판이 필요 없다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 맥동탑에는 충전물이나 다공판이 필요 없다는 진술이다.

맥동탑은 충전탑이나 다공판탑에 맥동(왕복 진동)을 가해 분산을 촉진하는 장치로, 충전물·다공판이 탑 안에 들어 있다.

충전추출탑은 미분접촉으로 혼합과 침강이 동시에 진행: 연속 접촉식이다.
원심추출기는 작은 공간에서 많은 이론단: 원심력으로 상분리가 빠르다.
다공판탑은 액적의 재형성·재분산: 판마다 액적이 합쳐졌다 다시 분산된다.

문제 14

화력발전소를 운전하기 위해 600K의 수증기를 생산하고 300K의 강물을 이용하여 열을 제거한다면 이 화력발전소의 최대 열효율은?

10.3

20.4

30.5

40.6

정답 및 해설

최대 열효율은 0.5이다. 최대 효율은 같은 두 열원 사이의 카르노 효율이다.

$\eta_{max}=1-\dfrac{T_C}{T_H}=1-\dfrac{300}{600}=0.5$

실제 발전소 효율은 비가역성 때문에 이보다 항상 낮다.

문제 15

일정한 등압 몰 열용량 C_p,m을 갖는 n몰의 이상기체가 등온과정과 등압과정을 거칠 때, 각각의 과정에서의 엔트로피(entropy) 변화를 나타낸 식은? (단, 등온과정에서 압력은 P₁에서 P₂로 변화하였고, 등압과정에서 온도는 T₁에서 T₂로 변화하였으며, Δ U＝Q＋W로 정의한다) (순서대로 등온, 등압)

1nRln (P₁－P₂), nCp,mln (T₂ / T₁)

2nRln (P₁ / P₂, nCp,mln (T₂ / T₁)

3nRln (P₁ / P₂), nCp,mln (T₁ / T₂)

4nRln (P₁－P₂), nCp,mln (T₂－T₁)

정답 및 해설

엔트로피 변화는 등온 과정 nR ln( $\mathrm{P}_{1}$ / $\mathrm{P}_{2}$ ), 등압 과정 n $\mathrm{C}_{p,m}$ ln( $\mathrm{T}_{2}$ / $\mathrm{T}_{1}$ )이다.

$\Delta S=nC_{p,m}\ln\dfrac{T_2}{T_1}-nR\ln\dfrac{P_2}{P_1}$

등온이면 첫 항이 0이 되어 $nR\ln(P_1/P_2)$ , 등압이면 둘째 항이 0이 되어 $nC_{p,m}\ln(T_2/T_1)$ 이다.

nR ln( $\mathrm{P}_{1}$ − $\mathrm{P}_{2}$ ), n $\mathrm{C}_{p,m}$ ln( $\mathrm{T}_{2}$ / $\mathrm{T}_{1}$ ): 등온 항에 압력의 비가 아닌 차를 썼다.
nR ln( $\mathrm{P}_{1}$ / $\mathrm{P}_{2}$ ), n $\mathrm{C}_{p,m}$ ln( $\mathrm{T}_{1}$ / $\mathrm{T}_{2}$ ): 가열 시 엔트로피가 감소하게 되어 부호가 반대다.
nR ln( $\mathrm{P}_{1}$ − $\mathrm{P}_{2}$ ), n $\mathrm{C}_{p,m}$ ln( $\mathrm{T}_{2}$ − $\mathrm{T}_{1}$ ): 엔트로피 변화는 차가 아니라 비의 로그로 나타난다.

문제 16

다음 열역학 식에 대한 설명 중 옳지 않은 것은? (단, ΔU＝Q＋W로 정의한다)

1단열과정에서는 dU＝dW이다.

2등압과정에서는 dH＝dQ이다.

3등온과정에서는 dH＝dW이다.

4정적과정에서는 dU＝dQ이다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 등온과정에서 dH = dW라는 진술이다.

이상기체 등온과정에서는 dU = 0, dH = 0이고, 이때 dQ = −dW가 성립한다.

단열과정 dU = dW: dQ = 0이므로 ΔU = Q + W에서 바로 나온다.
등압과정 dH = dQ: 압력이 일정하고 부피 일만 할 때 성립한다.
정적과정 dU = dQ: 부피 변화가 없어 일이 0이다.

문제 17

정지된 하부평판 위에 수평하게 형성된 두께 0.5mm의 액막 위를 상부평판이 1m/s의 일정한 속도로 하부평판과 평행하게 이동하고 있을 때 전단응력은 2N/m²이었다. 액막의 두께가 1mm로 증가할 경우 전단응력[N/m²]은? (단, 유체는 뉴턴의 점성법칙을 따른다)

정답 및 해설

액막 두께가 1 mm일 때 전단응력은 1 N/ $m^{2}$ 이다. 쿠에트 흐름의 전단응력은 속도를 간격으로 나눈 값에 비례한다.

$\tau=\mu\dfrac{V}{h}$

점도와 속도가 같고 두께만 2배가 되므로 $\tau=2\times\dfrac{0.5}{1}=1\,\mathrm{N\,m^{-2}}$ . 전단응력은 두께에 반비례한다.

문제 18

지름이 10 cm인 구리공을 373 K에서 423 K로 가열하는 데 30분이 소요되었다. 이 온도 범위에서 구리공의 평균 밀도와 평균 비열이 각각 9,000 kg/m³, 0.4 kJ/kg∙K라 할 때, 구리공을 통한 평균열전달률[W]은? (단, 원주율 π는 3으로 가정한다)

130

245

350

490

정답 및 해설

평균 열전달률은 50 W이다. 구리공이 얻은 현열을 가열 시간으로 나눈다.

$V=\dfrac{4}{3}\pi r^3=\dfrac{4}{3}\times3\times0.05^3=5\times10^{-4}\,\mathrm{m^3}$
$m=9000\times5\times10^{-4}=4.5\,\mathrm{kg}$

$Q=mC_p\Delta T=4.5\times0.4\times50=90\,\mathrm{kJ}$
$\dot Q=\dfrac{90000}{1800}=50\,\mathrm{W}$ . 지름 10 cm이므로 반지름은 0.05 m다.

문제 19

어떤 유체가 내경 5 cm인 관 속을 흐르다가 내경 10 cm인 관 속으로 흘러 들어간다. 이때 내경 10 cm인 관 속에서의 평균유속이 2m/s였다면, 내경 5 cm인 관 속에서의 평균유속[m/s]은?

정답 및 해설

내경 5 cm 관의 평균유속은 8 m/s이다. 비압축성 연속식에서 유속은 지름의 제곱에 반비례한다.

$V_1D_1^2=V_2D_2^2\;\Rightarrow\;V_1=2\times\left(\dfrac{10}{5}\right)^2=8\,\mathrm{m\,s^{-1}}$

지름이 1/2이면 단면적이 1/4이므로 유속은 4배가 된다.

문제 20

이상기체 상태방정식이 가장 잘 적용되는 온도와 압력 조건은?

1고온 고압

2고온 저압

3저온 고압

4저온 저압

정답 및 해설

이상기체 상태방정식은 고온 저압에서 가장 잘 맞는다.

저압에서는 분자 간 거리가 멀어 분자 자체 부피를 무시할 수 있고, 고온에서는 분자 운동에너지가 커 분자 간 인력의 영향이 작아진다.

고온 고압: 고압에서 분자 부피 효과가 커진다.
저온 고압: 인력과 부피 효과가 모두 커져 가장 벗어난다.
저온 저압: 저온에서 분자 간 인력의 영향이 커진다.

9급 국가직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

14년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

단위들의 정의 중 옳지 않은 것은?

1Pa = kg∙m^-1ㆍs^-2

2J = kg∙m²∙s^-2

3J = N∙m

4J = Pa∙m²

정답 및 해설

옳지 않은 정의는 J = Pa· $m^{2}$ 이다.

Pa· $m^{2}$ 는 (N/ $m^{2}$ )· $m^{2}$ = N으로 힘의 단위이고, 에너지는 J = Pa· $m^{3}$ 다.

Pa = kg·m⁻¹·s⁻²: N/ $m^{2}$ = (kg·m·s⁻²)/ $m^{2}$ 이다.
J = kg· $m^{2}$ ·s⁻²: N·m를 기본단위로 풀어 쓴 것이다.
J = N·m: 일 = 힘 × 거리의 정의다.

문제 2

분체의 크기를 줄이는 장비가 아닌 것은?

1파쇄기(crusher)

2결정화기(crystallizer)

3롤러밀(roller mill)

4마멸밀(attrition mill)

정답 및 해설

분체 크기를 줄이는 장비가 아닌 것은 결정화기다.

결정화기는 용액에서 결정을 석출·성장시키는 분리 장치다.

파쇄기: 큰 덩어리를 조쇄하는 장비다.
롤러밀: 롤러의 압축으로 분쇄한다.
마멸밀: 마찰(마멸)로 미분쇄한다.

문제 3

180

290

3100

4110

정답 및 해설

단위면적당 열손실은 110 W/ $m^{2}$ 이다. 평판 전도식에 대입한다.

$\dfrac{q}{A}=\dfrac{k\Delta T}{L}=\dfrac{0.05\times(353-298)}{0.025}=\dfrac{0.05\times55}{0.025}=110\,\mathrm{W\,m^{-2}}$

두께 25 mm를 0.025 m로 바꾸고, 온도차는 K와 ℃가 같다.

문제 4

1y＝0.8

2y＝0.4

3y＝0.2

4y＝－x ＋ 2

정답 및 해설

공급선은 y = 0.8이다. 포화증기 원료는 q = 0이므로 공급선이 기울기 0인 수평선이 된다.

$y=\dfrac{q}{q-1}x-\dfrac{z_F}{q-1}$ , $q=0\;\Rightarrow\;y=z_F=0.8$

y = 0.4: 원료 조성 0.8과 맞지 않는다.
y = 0.2: 메탄올이 아닌 물의 조성을 쓴 값이다.
y = −x + 2: 기울기 −1은 q = 0.5인 경우이며 (0.8, 0.8)도 지나지 않는다.

공급선은 항상 대각선 위의 점 ( $z_{F}$ , $z_{F}$ )를 지난다.

문제 5

정류(rectification)공정에서 환류비가 커지면 일어나는 현상으로 옳지 않은 것은?

1제품의 순도가 높아진다.

2정류탑의 단수가 작아진다.

3가열과 냉각에 따른 비용이 증가한다.

4제품의 생산량이 증가한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 제품의 생산량이 증가한다는 진술이다.

환류비를 키우면 응축액 중 더 많은 양을 탑으로 되돌리므로 같은 증기량에서 유출 제품량은 줄어든다.

제품 순도가 높아짐: 조작선이 평형선에서 멀어져 분리가 좋아진다.
정류탑 단수가 작아짐: 필요한 이론단수가 감소한다.
가열·냉각 비용 증가: 리보일러·응축기 부하가 커진다.

문제 6

12.2

22.6

32.8

43.6

정답 및 해설

벽에서 1 cm 지점의 유속은 3.6 m/s이다. 원관 층류의 속도 분포는 포물선이다.

$u=u_{max}\left[1-\left(\dfrac{r}{R}\right)^2\right]$

R = 5 cm, 벽에서 1 cm이면 r = 4 cm:
$u=10\times\left[1-\left(\dfrac{4}{5}\right)^2\right]=10\times0.36=3.6\,\mathrm{m\,s^{-1}}$ . r은 중심으로부터의 거리임에 주의한다.

문제 7

여과공정에 사용되는 여과조제(filter aid)에 요구되는 성질로 옳지 않은 것은?

1여액과 화학반응을 일으켜야 한다.

2다공성으로 표면적이 크고 비중이 액과 같아야 한다.

3입자가 균일하고 견고해야 한다.

4비압축성이어야 한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 여액과 화학반응을 일으켜야 한다는 진술이다.

여과조제는 여액을 오염시키지 않도록 화학적으로 불활성이어야 한다.

다공성·큰 표면적·액 중 고른 분산: 투과성 좋은 케이크를 만들기 위한 성질이다.
입자가 균일하고 견고: 케이크 구조를 안정하게 유지한다.
비압축성: 압력이 걸려도 케이크가 막히지 않는다.

문제 8

11.1

22.1

311

421

정답 및 해설

층류를 유지할 수 있는 최대 (평균) 유속은 2.1 cm/s이다. Re = 2,100을 상한으로 두고 유속을 푼다.

$Re=\dfrac{\rho VD}{\mu}\;\Rightarrow\;V=\dfrac{Re\,\mu}{\rho D}$
$V=\dfrac{2100\times0.005}{0.5\times10}=2.1\,\mathrm{cm\,s^{-1}}$

점도 0.5 cP = 0.005 g/cm·s로 CGS 단위를 맞춘다.

문제 9

10.5

20.6

30.7

40.8

정답 및 해설

기상의 벤젠 몰분율은 약 0.7이다. 라울 법칙으로 액 조성부터 구한다.

$850=1200x+500(1-x)\;\Rightarrow\;x=\dfrac{350}{700}=0.5$

$y=\dfrac{xP_B^{sat}}{P}=\dfrac{0.5\times1200}{850}=0.706\approx0.7$ . 휘발성이 큰 벤젠이 기상에 농축된다.

문제 10

10.63

20.73

30.78

40.82

정답 및 해설

기상 메탄올 몰분율은 0.73이다. 상대휘발도로 나타낸 평형식을 쓴다.

$y=\dfrac{\alpha x}{1+(\alpha-1)x}=\dfrac{4\times0.4}{1+3\times0.4}=\dfrac{1.6}{2.2}=0.727$

소수 셋째 자리에서 반올림하면 0.73이다.

문제 11

기체의 누센(Knudsen) 확산에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1누센 확산은 고압의 상황에서 주로 발생한다.

2기체분자의 평균자유경로가 모세관의 직경보다 매우 큰 경우에 발생한다.

3기체분자가 모세관 벽과 충돌하는 현상이 중요하게 인식된다.

4기체분자의 평균속도는 분자량의 제곱근에 반비례한다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 누센 확산이 고압에서 주로 발생한다는 진술이다.

누센 확산은 평균자유경로가 기공보다 커지는 저압(또는 미세 기공)에서 일어난다.

평균자유경로가 모세관 직경보다 매우 큼: 누센 확산의 조건이다.
분자와 모세관 벽의 충돌이 중요: 분자 간 충돌보다 벽 충돌이 지배한다.
평균속도가 분자량의 제곱근에 반비례: 분자 운동론의 결과다.

문제 12

2개의 관을 연결할 때 사용하는 관 부속품이 아닌 것은?

1플랜지(flange)

2구형밸브(globe valve)

3커플링(coupling)

4유니온(union)

정답 및 해설

관 연결용 부속품이 아닌 것은 구형밸브(글로브 밸브)다.

글로브 밸브는 유량을 조절하는 밸브다.

플랜지: 관 끝의 원판을 볼트로 체결해 연결한다.
커플링: 같은 지름의 두 관을 직선으로 잇는다.
유니온: 관을 돌리지 않고도 분해·조립할 수 있게 잇는다.

문제 13

액체추출장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1충전추출탑(packed extraction tower)에서는 미분접촉이 일어나며 혼합과 침강이 동시에 진행된다.

2원심추출기(centrifugal extractor)는 작은 공간에서 많은 이론접촉단을 갖는다.

3다공판탑(perforated plate tower)은 다공판을 통해 액적의 재형성 및 재분산이 일어나게 한다.

4맥동탑(pulse column)에서는 충전물이나 다공판이 필요 없다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 맥동탑에는 충전물이나 다공판이 필요 없다는 진술이다.

맥동탑은 충전탑이나 다공판탑에 맥동(왕복 진동)을 가해 분산을 촉진하는 장치로, 충전물·다공판이 탑 안에 들어 있다.

충전추출탑은 미분접촉으로 혼합과 침강이 동시에 진행: 연속 접촉식이다.
원심추출기는 작은 공간에서 많은 이론단: 원심력으로 상분리가 빠르다.
다공판탑은 액적의 재형성·재분산: 판마다 액적이 합쳐졌다 다시 분산된다.

문제 14

화력발전소를 운전하기 위해 600K의 수증기를 생산하고 300K의 강물을 이용하여 열을 제거한다면 이 화력발전소의 최대 열효율은?

10.3

20.4

30.5

40.6

정답 및 해설

최대 열효율은 0.5이다. 최대 효율은 같은 두 열원 사이의 카르노 효율이다.

$\eta_{max}=1-\dfrac{T_C}{T_H}=1-\dfrac{300}{600}=0.5$

실제 발전소 효율은 비가역성 때문에 이보다 항상 낮다.

문제 15

1nRln (P₁－P₂), nCp,mln (T₂ / T₁)

2nRln (P₁ / P₂, nCp,mln (T₂ / T₁)

3nRln (P₁ / P₂), nCp,mln (T₁ / T₂)

4nRln (P₁－P₂), nCp,mln (T₂－T₁)

정답 및 해설

엔트로피 변화는 등온 과정 nR ln( $\mathrm{P}_{1}$ / $\mathrm{P}_{2}$ ), 등압 과정 n $\mathrm{C}_{p,m}$ ln( $\mathrm{T}_{2}$ / $\mathrm{T}_{1}$ )이다.

$\Delta S=nC_{p,m}\ln\dfrac{T_2}{T_1}-nR\ln\dfrac{P_2}{P_1}$

등온이면 첫 항이 0이 되어 $nR\ln(P_1/P_2)$ , 등압이면 둘째 항이 0이 되어 $nC_{p,m}\ln(T_2/T_1)$ 이다.

nR ln( $\mathrm{P}_{1}$ − $\mathrm{P}_{2}$ ), n $\mathrm{C}_{p,m}$ ln( $\mathrm{T}_{2}$ / $\mathrm{T}_{1}$ ): 등온 항에 압력의 비가 아닌 차를 썼다.
nR ln( $\mathrm{P}_{1}$ / $\mathrm{P}_{2}$ ), n $\mathrm{C}_{p,m}$ ln( $\mathrm{T}_{1}$ / $\mathrm{T}_{2}$ ): 가열 시 엔트로피가 감소하게 되어 부호가 반대다.
nR ln( $\mathrm{P}_{1}$ − $\mathrm{P}_{2}$ ), n $\mathrm{C}_{p,m}$ ln( $\mathrm{T}_{2}$ − $\mathrm{T}_{1}$ ): 엔트로피 변화는 차가 아니라 비의 로그로 나타난다.

문제 16

다음 열역학 식에 대한 설명 중 옳지 않은 것은? (단, ΔU＝Q＋W로 정의한다)

1단열과정에서는 dU＝dW이다.

2등압과정에서는 dH＝dQ이다.

3등온과정에서는 dH＝dW이다.

4정적과정에서는 dU＝dQ이다.

정답 및 해설

옳지 않은 것은 등온과정에서 dH = dW라는 진술이다.

이상기체 등온과정에서는 dU = 0, dH = 0이고, 이때 dQ = −dW가 성립한다.

단열과정 dU = dW: dQ = 0이므로 ΔU = Q + W에서 바로 나온다.
등압과정 dH = dQ: 압력이 일정하고 부피 일만 할 때 성립한다.
정적과정 dU = dQ: 부피 변화가 없어 일이 0이다.

문제 17

정답 및 해설

액막 두께가 1 mm일 때 전단응력은 1 N/ $m^{2}$ 이다. 쿠에트 흐름의 전단응력은 속도를 간격으로 나눈 값에 비례한다.

$\tau=\mu\dfrac{V}{h}$

점도와 속도가 같고 두께만 2배가 되므로 $\tau=2\times\dfrac{0.5}{1}=1\,\mathrm{N\,m^{-2}}$ . 전단응력은 두께에 반비례한다.

문제 18

130

245

350

490

정답 및 해설

평균 열전달률은 50 W이다. 구리공이 얻은 현열을 가열 시간으로 나눈다.

$V=\dfrac{4}{3}\pi r^3=\dfrac{4}{3}\times3\times0.05^3=5\times10^{-4}\,\mathrm{m^3}$
$m=9000\times5\times10^{-4}=4.5\,\mathrm{kg}$

$Q=mC_p\Delta T=4.5\times0.4\times50=90\,\mathrm{kJ}$
$\dot Q=\dfrac{90000}{1800}=50\,\mathrm{W}$ . 지름 10 cm이므로 반지름은 0.05 m다.

문제 19

정답 및 해설

내경 5 cm 관의 평균유속은 8 m/s이다. 비압축성 연속식에서 유속은 지름의 제곱에 반비례한다.

$V_1D_1^2=V_2D_2^2\;\Rightarrow\;V_1=2\times\left(\dfrac{10}{5}\right)^2=8\,\mathrm{m\,s^{-1}}$

지름이 1/2이면 단면적이 1/4이므로 유속은 4배가 된다.

문제 20

이상기체 상태방정식이 가장 잘 적용되는 온도와 압력 조건은?

1고온 고압

2고온 저압

3저온 고압

4저온 저압

정답 및 해설

이상기체 상태방정식은 고온 저압에서 가장 잘 맞는다.

저압에서는 분자 간 거리가 멀어 분자 자체 부피를 무시할 수 있고, 고온에서는 분자 운동에너지가 커 분자 간 인력의 영향이 작아진다.

고온 고압: 고압에서 분자 부피 효과가 커진다.
저온 고압: 인력과 부피 효과가 모두 커져 가장 벗어난다.
저온 저압: 저온에서 분자 간 인력의 영향이 커진다.