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

09년 1회차

총 20문항 · 객관식 · A4 약 1장

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9급 지방직 화학공학일반 기출문제모두CBT · moducbt.com

09년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

표면장력(surface tension)에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

1왁스칠한 사과 표면의 물방울은 구슬모양으로 뭉친다.

2왁스칠한 자동차 표면의 물방울은 넓게 퍼진다.

3모세관 현상은 표면장력이 작용하여 나타나는 현상이다.

4물은 수소결합으로 인해 표면장력이 큰 액체이다.

정답 및 해설

왁스칠한 자동차 표면에서 물방울이 넓게 퍼진다는 설명이 틀렸다. 왁스 표면은 소수성이라 물방울이 퍼지지 않고 구슬 모양으로 맺힌다.

물 분자끼리의 응집력(표면장력)이 표면과의 부착력보다 크면 접촉면적을 줄이려고 둥글게 뭉친다.

왁스칠한 사과 표면의 물방울이 구슬 모양으로 뭉치는 것은 같은 소수성 효과로 옳다.
모세관 현상은 표면장력과 벽면 부착력이 함께 작용해 나타나므로 옳다.
물은 분자 간 수소결합이 강해 표면장력이 큰 액체이므로 옳다.

문제 2

부식의 원인에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1산성 수용액에서 철이 녹스는 것은 습식부식이다.

2전해질 수용액 중 다른 종류 금속의 접촉으로 인해 생기는 부식을 갈바니 부식이라 한다.

3건조한 상온의 공기중에서 부식이 일어나는 것을 건식부식이라 한다.

4재료의 전체표면이 부식하는 것을 전면부식이라 한다.

정답 및 해설

건조한 상온 공기 중의 부식을 건식부식이라 한 설명이 틀렸다. 건식부식은 수분(전해질) 없이 주로 고온의 기체와 금속이 직접 반응해 일어나는 부식이다.

상온의 공기 중 부식은 대부분 표면의 수분막을 매개로 한 전기화학적 반응, 즉 습식부식에 해당한다.

산성 수용액 속 철의 녹은 전해질이 관여하는 습식부식이므로 옳다.
전해질 속에서 서로 다른 금속이 접촉해 생기는 부식은 갈바니 부식이므로 옳다.
재료 표면 전체가 고르게 부식하는 것은 전면부식이므로 옳다.

문제 3

설치비용 등이 포함된 열교환기의 가격이 1,100만원, 이 장치의 내용연수(life time)는 10년, 내용연도말에 잔존가격은 100만원일 때 5년 후에 열교환기의 장부 가격은? (단, 감가상각은 정액법(straight-line method)으로 한다)

1500만원

2550만원

3600만원

41,000만원

정답 및 해설

5년 후 장부가격은 600만원이다. 정액법은 매년 같은 금액을 감가상각한다.

연간 감가상각비: $d=\dfrac{1100-100}{10}=100$ (만원/년)
5년 후 장부가격: $1100-5\times 100=600$ (만원)

550만원은 원가의 절반으로, 잔존가격을 고려하지 않은 값이다.
500만원은 5년간의 누적 감가상각액으로, 장부가격과 혼동한 값이다.
1,000만원은 총 감가상각 대상액(원가 − 잔존가격)일 뿐 장부가격이 아니다.

문제 4

오렌지 주스를 농축하기 위해 10 wt%의 고체를 포함하고 있는 묽은 주스가 진공증발기에 공급되고 있다. 증발기에서 물은 제거되고 고체의 함량이 50 wt%로 증가되었다. 묽은 주스 1,000 kg/hr을 공급할 때 농축된 주스량[kg/hr]은?

1200

2400

3600

4800

정답 및 해설

농축된 주스량은 200 kg/hr이다. 증발에서는 물만 제거되므로 고체량이 보존된다.

공급 고체량: $1000\times 0.10=100\ \mathrm{kg\,h^{-1}}$
농축액량: $P=\dfrac{100}{0.50}=200\ \mathrm{kg\,h^{-1}}$

따라서 증발된 물은 $1000-200=800\ \mathrm{kg\,h^{-1}}$ 이며, 800은 농축액이 아니라 증발수량이다.

문제 5

분체의 기공의 크기(pore size)를 측정할 수 있는 것은?

1BET흡착법

2수은침투법

3Lea와 Nurse의 투과장치

4Blaine 투과장치

정답 및 해설

분체의 기공 크기를 측정하는 방법은 수은침투법이다. 수은은 젖음성이 없어 압력을 가해야 기공에 들어가며, 가한 압력과 침투량으로 기공 크기 분포를 구한다.

압력이 클수록 더 작은 기공까지 침투하므로(Washburn 식) 압력-침투량 곡선이 곧 기공 크기 분포가 된다.

BET 흡착법은 기체 흡착량으로 비표면적을 구하는 방법이다.
Lea와 Nurse의 투과장치는 공기 투과 저항으로 분체의 비표면적을 구하는 장치이다.
Blaine 투과장치도 공기 투과법으로 시멘트 등의 비표면적(분말도)을 구하는 장치이다.

문제 6

U자관 마노메터(manometer)를 사용하여 오리피스(orifice)에 걸리는 압력차를 측정하였다. 마노메터 속의 유체는 비중 13.6인 수은이며, 오리피스를 통하여 흐르는 유체는 비중 1인 물이고, 마노메터 읽음이 30 cm 일 때 오리피스에 걸리는 압력차[kg_중/cm²]는?

10.378

20.98

33.78

49.8

정답 및 해설

오리피스에 걸리는 압력차는 0.378 kg중/cm²이다. 마노미터 유체 위에 측정 유체(물)가 차 있으므로 두 유체의 밀도차를 써야 한다.

공식: $\Delta P=(\rho_m-\rho)\,g\,R$
대입: $(13.6-1)\times 1\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\times 30\ \mathrm{cm}=378\ \mathrm{gf\,cm^{-2}}$
결과: $0.378\ \mathrm{kgf\,cm^{-2}}$

수은 밀도만 쓰면 $13.6\times 30=408\ \mathrm{gf\,cm^{-2}}$ 로 과대평가되며, g에서 kg으로의 환산(1/1000)을 빠뜨리지 않아야 한다.

문제 7

에너지 절약을 위한 설명으로 옳지 않은 것은?

1겨울철에 단독 주택에서 열손실을 줄이려면 벽두께가 두꺼울 수록 좋다.

2창문을 통한 열손실을 줄이기 위해 이중창을 쓰는 이유는 공기의 낮은 열전도율을 이용하기 위함이다.

3야간에 창문을 커튼으로 가리는 첫째 목적은 전도에 의한 열손실을 방지하기 위함이다.

4주택으로부터의 열손실은 전도, 대류, 복사의 과정을 통해 일어난다.

정답 및 해설

야간에 커튼을 치는 첫째 목적이 전도 차단이라는 설명이 틀렸다. 커튼은 주로 실내에서 차가운 유리창으로 향하는 복사와 창 주변 공기의 대류에 의한 열손실을 줄인다.

얇은 천인 커튼은 전도 저항 자체는 크지 않고, 실내와 유리면 사이를 가려 복사 교환과 찬 공기의 순환을 막는 효과가 주된 역할이다.

벽이 두꺼울수록 전도 열저항이 커져 열손실이 줄어드므로 옳다.
이중창은 유리 사이 공기층의 낮은 열전도율을 이용하므로 옳다.
주택의 열손실은 전도·대류·복사 세 경로로 모두 일어나므로 옳다.

문제 8

표면적이 Am²인 밀폐된 단지 내부에 비열 CJ/kg°C인 Mkg의 액체가 가득 채워져 T₀°C의 온도로 유지되고 있다. 이를 Ts°C 수증기로 가열할 때 액체온도(T)의 시간(θ)에 따른 변화는 다음과 같이 표현될 수 있다.

다섯 가지 재료를 사용하여 동일한 형태의 단지를 제조하고 동일한 조건에서 가열할 때 액체의 온도를 측정한 결과의 그림이 아래와 같았다면 가장 열전달이 큰 재료는? (단, h(W/m²s°C)는 단지로부터 액체로의 열전달계수를 나타낸다)

정답 및 해설

가장 열전달이 큰 재료는 액체 온도가 가장 빠르게 수증기 온도에 접근하는 A이다.

주어진 식을 온도에 대해 풀면 다음과 같다.
$T = T_S - (T_S - T_0)\exp\left(-\dfrac{hA}{MC}\theta\right)$
A·M·C가 모두 같으므로 열전달계수 h가 클수록 지수항이 빨리 줄어 곡선이 가파르게 올라간다.

B는 A보다 완만하게 상승하므로 열전달계수가 A보다 작다.
D는 B·C보다도 느리게 상승하는 곡선으로 열전달이 작은 편이다.
E는 시간이 지나도 처음 온도에 머물러 열전달이 거의 0인 재료(단열재에 가까움)다.

문제 9

두께가 50 mm인 단열재의 내면의 온도는 350 K이고 외면의 온도는 300 K일 때 단열재의 단위면적당 열손실(W/m²)은? (단, 단열재의 열전도도는 0.05W/mㆍK이다)

10.05

325

450

정답 및 해설

단위면적당 열손실은 50 $W/m^{2}$ 이다. 평면벽 정상상태 전도는 Fourier 법칙을 따른다.

공식: $\dfrac{q}{A}=k\dfrac{\Delta T}{L}$
대입: $0.05\ \mathrm{W\,m^{-1}K^{-1}}\times\dfrac{350-300\ \mathrm{K}}{0.05\ \mathrm{m}}$
결과: $50\ \mathrm{W\,m^{-2}}$

두께를 mm 그대로 넣으면 0.05가 나오므로 반드시 m로 바꾸어 대입한다.

문제 10

이중관 열교환기에서의 열전달현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1이중관 열교환기의 설계에서 총괄열전달계수 산정시 열전달 접촉부의 오염도를 고려해야한다.

2열교환기에 투입되는 고온유체와 저온유체의 온도차는 고온유체와 저온유체의 온도차가 클 경우 병류흐름의 경우와 향류흐름의 경우가 다르다.

3전달되는 열량은 온도차가 클 경우 같은 조건에서 향류가 병류보다 효율적이다.

4열교환기에서 열전달량은 온도차가 클 경우 열교환기를 흐르는 유체의 양, 유체의 열전도도 그리고 온도차의 곱으로 나타낸다.

정답 및 해설

열전달량을 유체의 양·열전도도·온도차의 곱으로 나타낸다는 설명이 틀렸다. 열교환기의 전열량은 $Q=UA\Delta T_{lm}$ , 즉 총괄열전달계수·전열면적·대수평균온도차의 곱이다.

유체의 양을 쓰는 식은 열수지 $Q=\dot{m}c_p\Delta T$ 이며, 여기에는 열전도도가 아니라 비열이 들어간다.

총괄열전달계수 산정 시 오염계수(fouling)를 고려해야 하므로 옳다.
병류와 향류는 유로를 따른 두 유체의 온도차 분포가 서로 다르므로 옳다.
같은 조건이면 향류의 평균온도차가 더 커서 병류보다 효율적이므로 옳다.

문제 11

고온에서 물질이 파괴 또는 변질되는 것을 방지하려고 사용하는 증류 방법은?

1수증기 증류(steam distillation)

2공비 증류(azeotropic distillation)

3연속단 증류

4플래시(flash) 증류

정답 및 해설

고온에서 분해·변질되기 쉬운 물질은 수증기 증류로 분리한다.

물과 섞이지 않는 물질에 수증기를 불어넣으면 두 성분의 증기압 합이 전압에 이를 때 끓으므로, 물질 자체의 끓는점보다 낮은 온도에서 증류된다.

공비 증류는 공비혼합물을 깨기 위해 제3성분을 넣는 방법이다.
연속단 증류는 여러 단에서 기-액 접촉을 반복해 고순도로 분리하는 일반 증류이다.
플래시 증류는 가압 액을 감압해 한 번에 기-액을 분리하는 평형 증류이다.

문제 12

유체 경막에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1경막은 얇은 막이지만 큰 열 저항을 나타낸다.

2경막을 통한 열전달은 전도에 의한 것이라고 볼 수 없다.

3경막 열전달 계수는 유체의 성질, 대류의 상황, 장치의 구조 등에 따라 다르다.

4관벽으로부터 유체로 열이 전달될 경우 경막에서는 온도가 급격히 떨어진다.

정답 및 해설

경막을 통한 열전달이 전도에 의한 것이 아니라는 설명이 틀렸다. 벽면 가까운 경막(층류 저층)에서는 유체가 거의 섞이지 않아 열이 주로 전도로 전달된다.

유체의 열전도도가 작기 때문에 얇은 경막이라도 큰 열저항이 되어 대류 열전달을 지배한다.

경막은 얇지만 큰 열저항을 나타내므로 옳다.
경막 열전달계수는 유체 물성·흐름 상태·장치 구조에 따라 달라지므로 옳다.
열저항이 경막에 집중되므로 경막 안에서 온도가 급격히 변하는 것이 옳다.

문제 13

물이 8 cm/sec의 속도로 직경 2 cm의 관내부를 흐를 때 마찰계수 f는? (단, 물의 점도는 1cP이다)

10.01

20.02

30.04

40.05

정답 및 해설

마찰계수는 0.01이다. 먼저 Reynolds 수로 흐름을 판정하면 층류이므로 Fanning 마찰계수 $f=16/Re$ 를 쓴다.

공식: $Re=\dfrac{\rho vD}{\mu}$
대입: $Re=\dfrac{1\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\times 8\ \mathrm{cm\,s^{-1}}\times 2\ \mathrm{cm}}{0.01\ \mathrm{g\,cm^{-1}s^{-1}}}=1600$
결과: $f=\dfrac{16}{1600}=0.01$

점도 1 cP는 $0.01\ \mathrm{g\,cm^{-1}s^{-1}}$ (poise 단위)로 바꾸어 대입한다.

문제 14

분리공정중 기－액 접촉방식에 따른 흡수장치 중 기포탑(bubble-tower)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1하강하는 액체의 역방향으로 기체를 상승 공급하는 방식이다.

2기포를 작게 만들어 분산시키면 접촉면적이 커서 흡수속도가 증가한다.

3탑의 압력손실이 커서 동력이 많이 소요된다.

4접촉면적이 작아 소량의 기체 흡수에 많이 사용된다.

정답 및 해설

기포탑이 접촉면적이 작아 소량의 기체 흡수에 쓰인다는 설명이 틀렸다. 기포탑은 기체를 액 속에 기포로 분산시켜 기-액 접촉면적을 크게 하는 장치이다.

액이 탑 안에 많이 머물러 체류시간이 길어서, 흡수속도가 느리거나 반응을 동반하는 흡수에 적합하다.

하강하는 액체와 반대 방향으로 기체를 올려 보내는 향류 방식이라는 설명은 옳다.
기포를 작게 만들수록 접촉면적이 커져 흡수속도가 증가하므로 옳다.
기체가 두꺼운 액층을 통과해야 하므로 압력손실이 크고 동력이 많이 드는 것이 옳다.

문제 15

증류와 관련된 x－y 도표에서 원료공급선 중의 원료가 액체와 증기의 혼합 원료로 공급될 때 원료공급선은?

정답 및 해설

액체와 증기의 혼합 원료가 들어가면 원료공급선(q선)은 수직선과 수평선 사이의 좌상향 직선 c가 된다.

q선의 기울기는 다음과 같다.
$m = \dfrac{q}{q-1}$
기액 혼합 원료는 0 < q < 1이므로 기울기가 음수가 되어 F에서 왼쪽 위로 향한다.

오른쪽 위로 가파르게 뻗는 a는 q > 1인 과냉 액체 원료의 경우다.
수직선 b는 q = 1인 포화 액체(비점 액체) 원료의 경우다.
수평선 d는 q = 0인 포화 증기 원료의 경우다.

문제 16

정전기가 축적되면 발생하는 스파크로 인화성 물질이 점화하여 화재 및 폭발사고로 이어질 수 있다. 따라서 공장관리자는 이러한 문제를 인식하고 정전기의 증강 및 축적을 제거함으로서 사고를 방지할 수 있다. 정전기로 인한 점화방지 설계방안에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1전하생성 속도를 떨어뜨리고 전하소멸 속도를 증가시켜서 위험수준까지의 전하가 축적되는 것을 방지한다.

2낮은 에너지 방전을 이용하여 전하를 감소시키는 시스템을 설계하여 위험수준까지 전하가 축적되는 것을 방지한다.

3위험한 방전을 배제할 수 없을 때에는 산소량을 연소한계치 이하로 유지하여 불활성시키거나 연소량을 연소하한계(LFL) 이하 또는 연소상한계(UFL) 이상으로 유지하여 점화가능성을 낮춘다.

4지속적으로 정전기가 발생되는 공간에서는 강화액 등이 탑재된 자동소화 설비를 일정한 간격으로 설치한다.

정답 및 해설

자동소화 설비를 일정 간격으로 설치한다는 설명이 틀렸다. 소화 설비는 화재가 난 뒤 피해를 줄이는 대책이지, 정전기에 의한 점화를 방지하는 설계방안이 아니다.

점화 방지 설계는 전하 축적 억제와 가연성 분위기 제거라는 두 방향으로 이루어진다.

전하 생성 속도를 낮추고 소멸 속도를 높여 축적을 막는 것은 옳은 방안이다.
낮은 에너지의 방전으로 전하를 서서히 줄이는 시스템 설계는 옳은 방안이다.
불활성화나 연소범위(LFL 미만·UFL 초과) 밖 농도 유지로 점화 가능성을 낮추는 것은 옳은 방안이다.

문제 17

수소연료전지 자동차에서 순도 100%의 수소를 1 kg/hr의 속도로 음극으로 공급한다. 이때 양극으로는 공기가 공급되어 양극에서 물이 발생하면서 전력을 발생시킬 때 수소를 100% 활용하기 위해서 필요한 공기의 최소유량[kg/hr]은? (단, 공기 중 질소와 산소의 체적비를 80 : 20으로 하며 공기의 평균분자량은 28.8 kg/kmol로 계산하시오)

112

224

336

448

정답 및 해설

필요한 최소 공기량은 36 kg/hr이다. 반응식 $\mathrm{H_2+\tfrac{1}{2}O_2\rightarrow H_2O}$ 에 따라 산소는 수소 몰수의 절반이 필요하다.

수소: $\dfrac{1\ \mathrm{kg\,h^{-1}}}{2\ \mathrm{kg\,kmol^{-1}}}=0.5\ \mathrm{kmol\,h^{-1}}$
산소: $0.5\times\dfrac{1}{2}=0.25\ \mathrm{kmol\,h^{-1}}$
공기: $\dfrac{0.25}{0.20}=1.25\ \mathrm{kmol\,h^{-1}}$
질량: $1.25\times 28.8=36\ \mathrm{kg\,h^{-1}}$

산소만의 질량( $0.25\times 32=8\ \mathrm{kg\,h^{-1}}$ )이 아니라 산소를 20% 포함한 공기 전체의 질량을 구해야 한다.

문제 18

760 mmHg, 34°C의 공기 중의 수증기 분압이 22 mmHg일 때 포화습도[kg H₂O/kg 건조공기]는? (단, 이 온도에서 물의 포화증기압은 40mmHg이다)

10.009

20.019

30.024

40.034

정답 및 해설

포화습도는 약 0.034 kg $\mathrm{H_2O}$ /kg 건조공기이다. 포화습도는 실제 수증기 분압이 아니라 포화증기압으로 계산한다.

공식: $H_s=\dfrac{18}{29}\cdot\dfrac{p_s}{P-p_s}$
대입: $H_s=0.621\times\dfrac{40}{760-40}$
결과: $H_s\approx 0.034$

실제 분압 22 mmHg로 계산하면 $0.621\times\dfrac{22}{738}\approx 0.019$ 로, 이는 포화습도가 아니라 현재의 절대습도이다.

문제 19

에탄올 40mol%와 물 60mol%의 혼합액 100 kmol/hr을 증류하여 에탄올 90mol%의 유출액과 에탄올 10mol%의 탑저제품으로 분리한다. 유출액(D)과 탑저제품(W)은 각각 몇[kmol/hr]인가?

1유출액(D): 30.5, 탑저제품(W): 69.5

2유출액(D): 35.5, 탑저제품(W): 64.5

3유출액(D): 37.5, 탑저제품(W): 62.5

4유출액(D): 40.5, 탑저제품(W): 59.5

정답 및 해설

유출액은 37.5 kmol/hr, 탑저제품은 62.5 kmol/hr이다. 전체 물질수지와 에탄올 수지를 연립한다.

전체: $F=D+W=100$
에탄올: $0.4\times 100=0.9D+0.1W$
정리: $D=\dfrac{100(0.4-0.1)}{0.9-0.1}=37.5,\ W=62.5$

다른 조합은 모두 에탄올 수지 $0.9D+0.1W=40$ 을 만족하지 않는다.

문제 20

기공(pore)에서의 확산도는 기체에서의 확산도와 작은 기공에서의 확산도(Knudsen 확산)의 상관관계(1/D_pore＝1/D_AB＋1/D_K)로 나타낸다. 공기 중의 A기체의 확산도는 0.02 cm²/s이고 Knudsen 확산도는 0.005 cm²/s일 때 기공에서의 A기체의 확산도[cm²/s]는?

10.003

20.004

30.015

40.025

정답 및 해설

기공에서의 확산도는 0.004 $cm^{2}/s$ 이다. 분자확산과 Knudsen 확산의 저항이 직렬로 더해지므로 역수의 합으로 구한다.

공식: $\dfrac{1}{D_{pore}}=\dfrac{1}{D_{AB}}+\dfrac{1}{D_K}$
대입: $\dfrac{1}{0.02}+\dfrac{1}{0.005}=50+200=250$
결과: $D_{pore}=\dfrac{1}{250}=0.004\ \mathrm{cm^2\,s^{-1}}$

0.025는 두 확산도를 단순히 더한 값으로, 역수 합 관계가 아니다.
0.015는 두 확산도의 차로, 역시 식과 무관하다.

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09년 1회차

총 20문항 · 객관식 · 정답·해설 포함

문제 1

표면장력(surface tension)에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

1왁스칠한 사과 표면의 물방울은 구슬모양으로 뭉친다.

2왁스칠한 자동차 표면의 물방울은 넓게 퍼진다.

3모세관 현상은 표면장력이 작용하여 나타나는 현상이다.

4물은 수소결합으로 인해 표면장력이 큰 액체이다.

정답 및 해설

왁스칠한 자동차 표면에서 물방울이 넓게 퍼진다는 설명이 틀렸다. 왁스 표면은 소수성이라 물방울이 퍼지지 않고 구슬 모양으로 맺힌다.

물 분자끼리의 응집력(표면장력)이 표면과의 부착력보다 크면 접촉면적을 줄이려고 둥글게 뭉친다.

왁스칠한 사과 표면의 물방울이 구슬 모양으로 뭉치는 것은 같은 소수성 효과로 옳다.
모세관 현상은 표면장력과 벽면 부착력이 함께 작용해 나타나므로 옳다.
물은 분자 간 수소결합이 강해 표면장력이 큰 액체이므로 옳다.

문제 2

부식의 원인에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1산성 수용액에서 철이 녹스는 것은 습식부식이다.

2전해질 수용액 중 다른 종류 금속의 접촉으로 인해 생기는 부식을 갈바니 부식이라 한다.

3건조한 상온의 공기중에서 부식이 일어나는 것을 건식부식이라 한다.

4재료의 전체표면이 부식하는 것을 전면부식이라 한다.

정답 및 해설

상온의 공기 중 부식은 대부분 표면의 수분막을 매개로 한 전기화학적 반응, 즉 습식부식에 해당한다.

산성 수용액 속 철의 녹은 전해질이 관여하는 습식부식이므로 옳다.
전해질 속에서 서로 다른 금속이 접촉해 생기는 부식은 갈바니 부식이므로 옳다.
재료 표면 전체가 고르게 부식하는 것은 전면부식이므로 옳다.

문제 3

1500만원

2550만원

3600만원

41,000만원

정답 및 해설

5년 후 장부가격은 600만원이다. 정액법은 매년 같은 금액을 감가상각한다.

연간 감가상각비: $d=\dfrac{1100-100}{10}=100$ (만원/년)
5년 후 장부가격: $1100-5\times 100=600$ (만원)

550만원은 원가의 절반으로, 잔존가격을 고려하지 않은 값이다.
500만원은 5년간의 누적 감가상각액으로, 장부가격과 혼동한 값이다.
1,000만원은 총 감가상각 대상액(원가 − 잔존가격)일 뿐 장부가격이 아니다.

문제 4

1200

2400

3600

4800

정답 및 해설

농축된 주스량은 200 kg/hr이다. 증발에서는 물만 제거되므로 고체량이 보존된다.

공급 고체량: $1000\times 0.10=100\ \mathrm{kg\,h^{-1}}$
농축액량: $P=\dfrac{100}{0.50}=200\ \mathrm{kg\,h^{-1}}$

따라서 증발된 물은 $1000-200=800\ \mathrm{kg\,h^{-1}}$ 이며, 800은 농축액이 아니라 증발수량이다.

문제 5

분체의 기공의 크기(pore size)를 측정할 수 있는 것은?

1BET흡착법

2수은침투법

3Lea와 Nurse의 투과장치

4Blaine 투과장치

정답 및 해설

압력이 클수록 더 작은 기공까지 침투하므로(Washburn 식) 압력-침투량 곡선이 곧 기공 크기 분포가 된다.

BET 흡착법은 기체 흡착량으로 비표면적을 구하는 방법이다.
Lea와 Nurse의 투과장치는 공기 투과 저항으로 분체의 비표면적을 구하는 장치이다.
Blaine 투과장치도 공기 투과법으로 시멘트 등의 비표면적(분말도)을 구하는 장치이다.

문제 6

10.378

20.98

33.78

49.8

정답 및 해설

오리피스에 걸리는 압력차는 0.378 kg중/cm²이다. 마노미터 유체 위에 측정 유체(물)가 차 있으므로 두 유체의 밀도차를 써야 한다.

공식: $\Delta P=(\rho_m-\rho)\,g\,R$
대입: $(13.6-1)\times 1\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\times 30\ \mathrm{cm}=378\ \mathrm{gf\,cm^{-2}}$
결과: $0.378\ \mathrm{kgf\,cm^{-2}}$

수은 밀도만 쓰면 $13.6\times 30=408\ \mathrm{gf\,cm^{-2}}$ 로 과대평가되며, g에서 kg으로의 환산(1/1000)을 빠뜨리지 않아야 한다.

문제 7

에너지 절약을 위한 설명으로 옳지 않은 것은?

1겨울철에 단독 주택에서 열손실을 줄이려면 벽두께가 두꺼울 수록 좋다.

2창문을 통한 열손실을 줄이기 위해 이중창을 쓰는 이유는 공기의 낮은 열전도율을 이용하기 위함이다.

3야간에 창문을 커튼으로 가리는 첫째 목적은 전도에 의한 열손실을 방지하기 위함이다.

4주택으로부터의 열손실은 전도, 대류, 복사의 과정을 통해 일어난다.

정답 및 해설

얇은 천인 커튼은 전도 저항 자체는 크지 않고, 실내와 유리면 사이를 가려 복사 교환과 찬 공기의 순환을 막는 효과가 주된 역할이다.

벽이 두꺼울수록 전도 열저항이 커져 열손실이 줄어드므로 옳다.
이중창은 유리 사이 공기층의 낮은 열전도율을 이용하므로 옳다.
주택의 열손실은 전도·대류·복사 세 경로로 모두 일어나므로 옳다.

문제 8

정답 및 해설

가장 열전달이 큰 재료는 액체 온도가 가장 빠르게 수증기 온도에 접근하는 A이다.

B는 A보다 완만하게 상승하므로 열전달계수가 A보다 작다.
D는 B·C보다도 느리게 상승하는 곡선으로 열전달이 작은 편이다.
E는 시간이 지나도 처음 온도에 머물러 열전달이 거의 0인 재료(단열재에 가까움)다.

문제 9

두께가 50 mm인 단열재의 내면의 온도는 350 K이고 외면의 온도는 300 K일 때 단열재의 단위면적당 열손실(W/m²)은? (단, 단열재의 열전도도는 0.05W/mㆍK이다)

10.05

325

450

정답 및 해설

단위면적당 열손실은 50 $W/m^{2}$ 이다. 평면벽 정상상태 전도는 Fourier 법칙을 따른다.

공식: $\dfrac{q}{A}=k\dfrac{\Delta T}{L}$
대입: $0.05\ \mathrm{W\,m^{-1}K^{-1}}\times\dfrac{350-300\ \mathrm{K}}{0.05\ \mathrm{m}}$
결과: $50\ \mathrm{W\,m^{-2}}$

두께를 mm 그대로 넣으면 0.05가 나오므로 반드시 m로 바꾸어 대입한다.

문제 10

이중관 열교환기에서의 열전달현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1이중관 열교환기의 설계에서 총괄열전달계수 산정시 열전달 접촉부의 오염도를 고려해야한다.

2열교환기에 투입되는 고온유체와 저온유체의 온도차는 고온유체와 저온유체의 온도차가 클 경우 병류흐름의 경우와 향류흐름의 경우가 다르다.

3전달되는 열량은 온도차가 클 경우 같은 조건에서 향류가 병류보다 효율적이다.

4열교환기에서 열전달량은 온도차가 클 경우 열교환기를 흐르는 유체의 양, 유체의 열전도도 그리고 온도차의 곱으로 나타낸다.

정답 및 해설

유체의 양을 쓰는 식은 열수지 $Q=\dot{m}c_p\Delta T$ 이며, 여기에는 열전도도가 아니라 비열이 들어간다.

총괄열전달계수 산정 시 오염계수(fouling)를 고려해야 하므로 옳다.
병류와 향류는 유로를 따른 두 유체의 온도차 분포가 서로 다르므로 옳다.
같은 조건이면 향류의 평균온도차가 더 커서 병류보다 효율적이므로 옳다.

문제 11

고온에서 물질이 파괴 또는 변질되는 것을 방지하려고 사용하는 증류 방법은?

1수증기 증류(steam distillation)

2공비 증류(azeotropic distillation)

3연속단 증류

4플래시(flash) 증류

정답 및 해설

고온에서 분해·변질되기 쉬운 물질은 수증기 증류로 분리한다.

물과 섞이지 않는 물질에 수증기를 불어넣으면 두 성분의 증기압 합이 전압에 이를 때 끓으므로, 물질 자체의 끓는점보다 낮은 온도에서 증류된다.

공비 증류는 공비혼합물을 깨기 위해 제3성분을 넣는 방법이다.
연속단 증류는 여러 단에서 기-액 접촉을 반복해 고순도로 분리하는 일반 증류이다.
플래시 증류는 가압 액을 감압해 한 번에 기-액을 분리하는 평형 증류이다.

문제 12

유체 경막에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1경막은 얇은 막이지만 큰 열 저항을 나타낸다.

2경막을 통한 열전달은 전도에 의한 것이라고 볼 수 없다.

3경막 열전달 계수는 유체의 성질, 대류의 상황, 장치의 구조 등에 따라 다르다.

4관벽으로부터 유체로 열이 전달될 경우 경막에서는 온도가 급격히 떨어진다.

정답 및 해설

유체의 열전도도가 작기 때문에 얇은 경막이라도 큰 열저항이 되어 대류 열전달을 지배한다.

경막은 얇지만 큰 열저항을 나타내므로 옳다.
경막 열전달계수는 유체 물성·흐름 상태·장치 구조에 따라 달라지므로 옳다.
열저항이 경막에 집중되므로 경막 안에서 온도가 급격히 변하는 것이 옳다.

문제 13

물이 8 cm/sec의 속도로 직경 2 cm의 관내부를 흐를 때 마찰계수 f는? (단, 물의 점도는 1cP이다)

10.01

20.02

30.04

40.05

정답 및 해설

마찰계수는 0.01이다. 먼저 Reynolds 수로 흐름을 판정하면 층류이므로 Fanning 마찰계수 $f=16/Re$ 를 쓴다.

공식: $Re=\dfrac{\rho vD}{\mu}$
대입: $Re=\dfrac{1\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\times 8\ \mathrm{cm\,s^{-1}}\times 2\ \mathrm{cm}}{0.01\ \mathrm{g\,cm^{-1}s^{-1}}}=1600$
결과: $f=\dfrac{16}{1600}=0.01$

점도 1 cP는 $0.01\ \mathrm{g\,cm^{-1}s^{-1}}$ (poise 단위)로 바꾸어 대입한다.

문제 14

분리공정중 기－액 접촉방식에 따른 흡수장치 중 기포탑(bubble-tower)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1하강하는 액체의 역방향으로 기체를 상승 공급하는 방식이다.

2기포를 작게 만들어 분산시키면 접촉면적이 커서 흡수속도가 증가한다.

3탑의 압력손실이 커서 동력이 많이 소요된다.

4접촉면적이 작아 소량의 기체 흡수에 많이 사용된다.

정답 및 해설

액이 탑 안에 많이 머물러 체류시간이 길어서, 흡수속도가 느리거나 반응을 동반하는 흡수에 적합하다.

하강하는 액체와 반대 방향으로 기체를 올려 보내는 향류 방식이라는 설명은 옳다.
기포를 작게 만들수록 접촉면적이 커져 흡수속도가 증가하므로 옳다.
기체가 두꺼운 액층을 통과해야 하므로 압력손실이 크고 동력이 많이 드는 것이 옳다.

문제 15

증류와 관련된 x－y 도표에서 원료공급선 중의 원료가 액체와 증기의 혼합 원료로 공급될 때 원료공급선은?

정답 및 해설

액체와 증기의 혼합 원료가 들어가면 원료공급선(q선)은 수직선과 수평선 사이의 좌상향 직선 c가 된다.

q선의 기울기는 다음과 같다.
$m = \dfrac{q}{q-1}$
기액 혼합 원료는 0 < q < 1이므로 기울기가 음수가 되어 F에서 왼쪽 위로 향한다.

오른쪽 위로 가파르게 뻗는 a는 q > 1인 과냉 액체 원료의 경우다.
수직선 b는 q = 1인 포화 액체(비점 액체) 원료의 경우다.
수평선 d는 q = 0인 포화 증기 원료의 경우다.

문제 16

1전하생성 속도를 떨어뜨리고 전하소멸 속도를 증가시켜서 위험수준까지의 전하가 축적되는 것을 방지한다.

2낮은 에너지 방전을 이용하여 전하를 감소시키는 시스템을 설계하여 위험수준까지 전하가 축적되는 것을 방지한다.

4지속적으로 정전기가 발생되는 공간에서는 강화액 등이 탑재된 자동소화 설비를 일정한 간격으로 설치한다.

정답 및 해설

점화 방지 설계는 전하 축적 억제와 가연성 분위기 제거라는 두 방향으로 이루어진다.

전하 생성 속도를 낮추고 소멸 속도를 높여 축적을 막는 것은 옳은 방안이다.
낮은 에너지의 방전으로 전하를 서서히 줄이는 시스템 설계는 옳은 방안이다.
불활성화나 연소범위(LFL 미만·UFL 초과) 밖 농도 유지로 점화 가능성을 낮추는 것은 옳은 방안이다.

문제 17

112

224

336

448

정답 및 해설

필요한 최소 공기량은 36 kg/hr이다. 반응식 $\mathrm{H_2+\tfrac{1}{2}O_2\rightarrow H_2O}$ 에 따라 산소는 수소 몰수의 절반이 필요하다.

산소만의 질량( $0.25\times 32=8\ \mathrm{kg\,h^{-1}}$ )이 아니라 산소를 20% 포함한 공기 전체의 질량을 구해야 한다.

문제 18

760 mmHg, 34°C의 공기 중의 수증기 분압이 22 mmHg일 때 포화습도[kg H₂O/kg 건조공기]는? (단, 이 온도에서 물의 포화증기압은 40mmHg이다)

10.009

20.019

30.024

40.034

정답 및 해설

포화습도는 약 0.034 kg $\mathrm{H_2O}$ /kg 건조공기이다. 포화습도는 실제 수증기 분압이 아니라 포화증기압으로 계산한다.

공식: $H_s=\dfrac{18}{29}\cdot\dfrac{p_s}{P-p_s}$
대입: $H_s=0.621\times\dfrac{40}{760-40}$
결과: $H_s\approx 0.034$

실제 분압 22 mmHg로 계산하면 $0.621\times\dfrac{22}{738}\approx 0.019$ 로, 이는 포화습도가 아니라 현재의 절대습도이다.

문제 19

1유출액(D): 30.5, 탑저제품(W): 69.5

2유출액(D): 35.5, 탑저제품(W): 64.5

3유출액(D): 37.5, 탑저제품(W): 62.5

4유출액(D): 40.5, 탑저제품(W): 59.5

정답 및 해설

유출액은 37.5 kmol/hr, 탑저제품은 62.5 kmol/hr이다. 전체 물질수지와 에탄올 수지를 연립한다.

전체: $F=D+W=100$
에탄올: $0.4\times 100=0.9D+0.1W$
정리: $D=\dfrac{100(0.4-0.1)}{0.9-0.1}=37.5,\ W=62.5$

다른 조합은 모두 에탄올 수지 $0.9D+0.1W=40$ 을 만족하지 않는다.

문제 20

10.003

20.004

30.015

40.025

정답 및 해설

기공에서의 확산도는 0.004 $cm^{2}/s$ 이다. 분자확산과 Knudsen 확산의 저항이 직렬로 더해지므로 역수의 합으로 구한다.

공식: $\dfrac{1}{D_{pore}}=\dfrac{1}{D_{AB}}+\dfrac{1}{D_K}$
대입: $\dfrac{1}{0.02}+\dfrac{1}{0.005}=50+200=250$
결과: $D_{pore}=\dfrac{1}{250}=0.004\ \mathrm{cm^2\,s^{-1}}$

0.025는 두 확산도를 단순히 더한 값으로, 역수 합 관계가 아니다.
0.015는 두 확산도의 차로, 역시 식과 무관하다.