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2021년 21회 소방수리학, 약제화학 및 소방전기 해설 페이지
1번
점성계수 및 동점성계수에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
①액체의 경우 온도상승에 따라 점성계수 값이 감소한다.
②기체의 경우 온도상승에 따라 점성계수 값이 증가한다.
③동점성계수는 점성계수를 유속으로 나눈 값이다.
④점성계수는 유체의 전단응력과 속도경사 사이의 비례상수이다.
③
동점성계수(kinematic viscosity, ν)는 점성계수(dynamic viscosity, μ)를 해당 유체의 **밀도(ρ)**로 나눈 값입니다 (ν = μ/ρ). 유속으로 나눈 값이 아닙니다.
2번
소방장비의 공기 중 무게가 2kg 이고 수중에서의 무게가 0.5kg 일 때, 이 장비의 비중은 약 얼마인가?
①1.33
②2.45
③3.25
④4.00
①
1. 부력 계산: 부력 = 공기 중 무게 - 수중 무게 = 2 kg - 0.5 kg = 1.5 kg.
2. 아르키메데스 원리에 따라 부력은 물체가 밀어낸 물의 무게와 같으므로, 물체가 밀어낸 물의 부피는 1.5 L (1.5 kg) 이고 이것이 곧 물체의 부피가 됩니다.
3. 물체의 밀도 = 질량 / 부피 = 2 kg / 1.5 L = 1.33 kg/L.
4. 비중 = 물체의 밀도 / 물의 밀도 = 1.33 / 1 = 1.33.
3번
수면표고차가 10m인 두 저수지 사이에 설치된 500m 길이의 원형관으로 1.0 m³/s의 물을 송수할 때, 관의 지름 (mm)은 약 얼마인가? (단, π는 3.14 이고, 매닝 조도계수는 0.013 이며, 마찰 이외의 손실은 무시한다.)
①105
②258
③484
④633
④
매닝(Manning) 공식을 이용하여 계산합니다. Q = (1/n) * A * R^(2/3) * S^(1/2). 여기서 S = h_L/L = 10/500 = 0.02, A = πD²/4, R = D/4. 식을 D에 대해 정리하면 D = [(4^(5/3) * n * Q) / (π * S^(1/2))]^(3/8) = [(10.079 * 0.013 * 1) / (3.14 * sqrt(0.02))]^(3/8) ≈ 0.633 m = 633 mm.
4번
지름 2mm인 유리관에 0.25 cm³/s의 물이 흐를 때, 마찰손실계수는 약 얼마인가? (단, π는 3.14 이고, 동점성계수는 1.12x10⁻² cm²/s 이다.)
①0.02
②0.13
③0.45
④0.66
③
1. 레이놀즈 수(Re) 계산: 유속(v) = 유량(Q) / 면적(A) = 0.25 / (3.14 * 0.1²) ≈ 7.96 cm/s. Re = vD/ν = (7.96 * 0.2) / 0.0112 ≈ 142.1.
2. Re < 2100 이므로 층류입니다. 층류 마찰손실계수(f) = 64 / Re = 64 / 142.1 ≈ 0.45.
5번
지름 10cm인 원형관로를 통하여 0.2 m³/s의 물이 수조에 유입된다. 이 경우 단면 급확대로 인한 손실수두(m)는 약 얼마인가? (단, π는 3.14 이고, 중력가속도는 981 cm/s²이다.)
①22.20
②33.09
③45.98
④54.25
②
관로에서 수조로 유입되는 경우는 단면 급확대로 볼 수 있으며, 이때 손실수두(hL)는 hL = K * (v²/2g) 입니다. 유출구의 손실계수(K)는 1.0입니다. 1. 유속(v) = Q/A = 0.2 / (3.14*0.05²) ≈ 25.48 m/s. 2. 손실수두(hL) = 1.0 * (25.48² / (2 * 9.81)) ≈ 33.09 m.
6번
물이 원형관 내에서 층류 상태로 흐르고 있다. 관 지름이 3배로 커질 때 수두손실은 처음의 몇 배로 변화하는가? (단, 관 지름 증가에 따른 유속 변화 이외의 모든 물리량은 변하지 않는다.)
①1/81
②1/9
③9
④81
①
층류에서의 마찰손실수두는 하겐-푸아죄유(Hagen-Poiseuille) 공식 hL ∝ Q / D⁴ 또는 hL ∝ v / D² 로 표현됩니다. 문제에서 유속(v)이 일정하다고 가정하면, 손실수두는 지름(D)의 제곱에 반비례합니다. (hL ∝ 1/D²). (다른 해석: 유량(Q)이 일정하다고 가정하면 hL ∝ 1/D⁴ 이 됩니다. 문제의 '유속 변화 이외의 모든 물리량은 변하지 않는다'는 조건이 모호합니다. 유속이 일정하다는 의미로 해석하면 답이 없습니다. 유량이 일정하다고 해석하면 hL₂/hL₁ = (D₁/D₂)⁴ = (1/3)⁴ = 1/81배가 됩니다.)
7번
베르누이 방정식을 물이 흐르는 관로에 적용할 때 제한조건으로 옳지 않은 것은?
①비정상류 흐름
②비압축성 유체
③비점성 유체
④유선을 따르는 흐름
①
베르누이 방정식은 유체의 흐름이 시간에 따라 변하지 않는 **정상류(Steady Flow)** 상태를 기본 가정으로 합니다. '비정상류 흐름'은 시간에 따라 유속, 압력 등이 변하는 흐름으로 베르누이 방정식의 적용 조건이 아닙니다.
8번
주요 물리량과 그 차원이 옳게 짝지어진 것은?
①표면장력: [FL⁻²]
②점성계수: [L²T⁻¹]
③단위중량: [FL⁻⁴T²]
④에너지: [FL]
④
에너지(일)는 힘(F) × 거리(L)이므로 차원은 [FL]입니다. ① 표면장력은 단위 길이당 힘이므로 [FL⁻¹]입니다. ② 점성계수는 [FL⁻²T]입니다. ③ 단위중량(비중량)은 단위 부피당 힘이므로 [FL⁻³]입니다.
9번
원형 유리관 내에 모세관 현상으로 물이 상승할 때, 그 상승 높이에 관한 설명으로 옳은 것은?
①유리관의 지름에 반비례한다.
②물의 밀도에 비례한다.
③중력가속도에 비례한다.
④물의 표면장력에 반비례한다.
①
모세관 상승 높이(h)는 h = (4σcosθ)/(ρgd)로 표현됩니다. 이 식에서 상승 높이(h)는 유리관의 지름(d)에 **반비례**합니다. 즉, 관이 가늘수록 물은 더 높이 상승합니다. 밀도(ρ), 중력가속도(g), 표면장력(σ)에는 각각 반비례, 반비례, 비례합니다.
10번
금속화재에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
①가연성금속에 의한 화재이다.
②금속이 괴상이 아닌 고운 분말이나 가는 선의 형태로 존재하면 화재의 위험성은 더 커진다.
③금속화재를 일으키는 Na, K 등은 물과 만나면 수소가스를 발생시키는 금수성 물질이다.
④소화 시 강화액 소화약제를 사용한다.
④
강화액 소화약제는 탄산칼륨 수용액이 주성분으로, 물을 기반으로 한 수계 소화약제입니다. 금속화재(D급) 중 특히 나트륨(Na), 칼륨(K)과 같은 금수성 물질에 물을 사용하면 격렬한 반응을 일으켜 위험하므로 사용할 수 없습니다. 금속화재에는 마른모래, 팽창질석, 금속화재용 분말소화약제를 사용합니다.
11번
고발포 포소화약제의 발포배율과 환원시간에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
①발포배율이 커지면 환원시간은 짧아진다.②환원시간이 짧을수록 양호한 포소화약제이다.③포의 막이 두꺼울수록 환원시간은 길어진다.④발포배율이 작은 포는 포의 직경이 작아서 포의 막은 두껍다.
②
환원시간은 생성된 포가 다시 원래의 포 수용액으로 돌아가는(꺼지는) 데 걸리는 시간입니다. 포의 안정성을 나타내는 지표로, 이 시간이 **길수록** 포가 안정적이고 소화 성능이 우수하다고 평가합니다. '환원시간이 짧을수록 양호하다'는 설명은 옳지 않습니다.
12번
이산화탄소소화설비의 화재안전기준상 배관 등에 관한 내용으로 옳은 것은?
①전역방출방식에 있어서 가연성액체 또는 가연성가스등 표면화재 방호대상물의 경우에는 1분 내에 방사될 수 있는 것으로 하여야 한다.
②전역방출방식에 있어서 종이, 목재, 석탄, 섬유류, 합성수지류 등 심부화재 방호대상물의 경우에는 10분 내에 방사될 수 있는 것으로 하여야 한다.
③국소방출 방식의 경우에는 1분 내에 방사될 수 있는 것으로 하여야 한다.
④전역방출방식에 있어서 심부화재 방호대상물의 경우에는 설계농도가 3분 이내에 40%에 도달하여야 한다.
①
이산화탄소소화설비의 화재안전기준(NFSC 106) 제12조에 따르면, 표면화재의 경우 설계농도 95%에 해당하는 약제량이 **1분 이내**에 방사되어야 합니다. ② 심부화재는 7분 이내, ③ 국소방출방식은 30초 이내에 방사되어야 합니다.
13번
불활성기체 소화약제 IG-541에 포함되어 있지 않은 성분은?
①Ar
②CO₂
③He
④N₂
③
IG-541 소화약제는 3가지 불활성 기체의 혼합물로, 성분비는 질소(N₂): 52%, 아르곤(Ar): 40%, 이산화탄소(CO₂): 8% 입니다. 헬륨(He)은 포함되어 있지 않습니다.
14번
강화액 소화약제에 관한 설명으로 옳은 것은?
①알카리 금속염류 등을 주성분으로 하는 수용액이다.
②소화약제의 용액은 약산성이다.
③화염과 접촉 시 열분해에 의하여 질소가 발생하여 질식소화 한다.
④전기화재 시 무상방사 하는 경우라도 소화약제로 사용할 수 없다.
①
강화액 소화약제는 물에 탄산칼륨(K₂CO₃) 등 알칼리 금속염류를 용해시킨 수용액으로, 어는점을 낮추고 소화성능을 강화한 것입니다. ② 용액은 강염기성입니다. ③ 열분해 시 이산화탄소가 발생하여 질식효과를 냅니다. ④ 전기 절연성이 있어 무상(안개 모양)으로 방사 시 전기화재(C급)에 적응성이 있습니다.
15번
이산화탄소 소화약제 600kg을 내용적 68L의 이산화탄소 저장용기에 충전할 때 필요한 저장용기의 최소 개수는? (단, 충전비는 1.6 L/kg으로 한다.)
①9
②11
③13
④15
④
1. 용기 1병당 충전 가능 약제량 계산: 약제량 = 내용적 / 충전비 = 68 L / 1.6 L/kg = 42.5 kg/병.
2. 필요한 용기 개수 계산: 총 약제량 / 병당 충전량 = 600 kg / 42.5 kg/병 = 14.117... 병. 용기는 정수 단위로 필요하므로 소수점을 올림하여 최소 15병이 필요합니다.
16번
공기 중 산소가 21 vol%, 질소가 79 vol%일 때, 메탄가스 1몰이 완전연소 되었다. 이 때 반응 생성물에서 질소기체가 차지하는 부피비(%)는 약 얼마인가? (단, 생성물은 모두 기체로 가정한다.)
①44.8
②56.0
③71.5
④75.2
③
1. 반응식: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
2. 필요한 공기량: 메탄 1몰 연소에 산소 2몰이 필요. 공기 몰수 = 2 / 0.21 ≈ 9.52몰.
3. 반응에 참여하는 질소량: 9.52 * 0.79 ≈ 7.52몰.
4. 총 생성물 몰수: 1몰(CO₂) + 2몰(H₂O) + 7.52몰(N₂) = 10.52몰. 5. 질소 부피비(%): (질소 몰수 / 총 생성물 몰수) * 100 = (7.52 / 10.52) * 100 ≈ 71.5%.
17번
다음 <가>와 같은 무접점 회로가 있다. 이 회로의 PB1, PB2, PB3에 대한 타임차트가 <나>와 같을 때, 출력값 R₁, R₂에 대한 타임차트로 옳은 것은?
①
회로의 논리식을 분석하면 R₁ = (PB₁+R₂) * PB₃' * R₂' 이고, R₂ = (PB₂+R₁) * PB₃' * R₁' 입니다. 이는 선입력 우선 자기유지회로입니다. <나> 타임차트를 따라 각 시간대별로 입력(PB₁, PB₂, PB₃)과 피드백되는 출력(R₁, R₂)을 대입하여 논리 연산을 수행하면, 그 결과는 ①번 타임차트와 일치합니다.
18번
저항 R과 인덕턴스 L이 직렬로 연결된 R-L 직렬회로에서 교류전압을 인가할 때 회로에 흐르는 전류의 위상으로 옳은 것은?
①전압보다 tan⁻¹(R/ωL) 만큼 앞선다.
②전압보다 tan⁻¹(ωL/R) 만큼 앞선다.
③전압보다 tan⁻¹(R/ωL) 만큼 뒤진다.
④전압보다 tan⁻¹(ωL/R) 만큼 뒤진다.
④
R-L 직렬회로에서 인덕터(L)는 전류의 위상을 전압보다 뒤지게 하는 지상(lagging) 성분입니다. 따라서 회로 전체의 전류는 전압보다 위상이 뒤집니다. 그 위상차(θ)는 tanθ = (유도리액턴스 / 저항) = ωL/R 이므로, θ = tan⁻¹(ωL/R) 만큼 뒤집니다.
19번
전원과 부하가 모두 △결선된 3상 평형회로가 있다. 전원 전압 400V, 부하 임피던스 12+j16Ω인 경우 선전류(A)는?
①10
②10√3
③20
④20√3
④
1. 임피던스 크기(|Z|) 계산: |Z| = sqrt(12² + 16²) = sqrt(144 + 256) = sqrt(400) = 20Ω.
2. △결선에서 상전압(Vp) = 선간전압(VL) = 400V.
3. 상전류(Ip) 계산: Ip = Vp / |Z| = 400V / 20Ω = 20A.
4. △결선에서 선전류(IL) = 상전류(Ip) * √3 = 20A * √3.
20번
다음과 같은 비정현파 전압, 전류에 관한 평균전력(W)은?
v = 100sin(ωt+30°) - 30sin(3ωt+60°) + 10sin(5ωt+30°) (V)
i = 30sin(ωt-30°) + 20sin(3ωt-30°) + 5cos(5ωt-60°) (A)
①750
②775
③1225
④1825
②
비정현파의 평균전력은 각 고조파별 유효전력의 합으로 구합니다.
1. 기본파 전력: V₁I₁cosθ₁ = (100/√2)*(30/√2)*cos(30°-(-30°)) = 1500*cos(60°) = 750W.
2. 3고조파 전력: V₃I₃cosθ₃ = (-30/√2)*(20/√2)*cos(60°-(-30°)) = -300*cos(90°) = 0W.
3. 5고조파 전력: i = 5cos(5ωt-60°) = 5sin(5ωt-60°+90°) = 5sin(5ωt+30°). V₅I₅cosθ₅ = (10/√2)*(5/√2)*cos(30°-30°) = 25*cos(0°) = 25W.
4. 총 평균전력 = 750 + 0 + 25 = 775W.
21번
전기력선의 성질에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
①전기력선의 밀도는 전계의 세기와 같다.
②두 개의 전기력선은 교차하지 않는다.
③전기력선의 방향은 전계의 방향과 일치하지 않는다.
④전기력선은 등전위면과 직교한다.
③
전기력선 위의 한 점에서의 접선 방향이 바로 그 점에서의 전계의 방향을 나타냅니다. 따라서 전기력선의 방향은 전계의 방향과 **일치**합니다.
22번
이종 금속을 접합하여 폐회로를 만든 후 두 접합 점의 온도를 다르게 하여 열전류를 얻는 열전현상으로 옳은 것은?
①펠티에 효과(Peltier effect)
②제벡 효과(Seebeck effect)
③톰슨 효과(Thomson effect)
④핀치 효과(Pinch effect)
②
서로 다른 두 금속의 양 끝을 접합하여 폐회로를 만들고, 두 접점의 온도를 다르게 했을 때 회로에 기전력이 발생하여 전류가 흐르는 현상을 **제벡 효과**라고 합니다. 이는 열전대(온도계)의 기본 원리입니다. 펠티에 효과는 이의 역현상입니다.
23번
상호인덕턴스가 150mH인 회로가 있다. 1차 코일에 흐르는 전류가 0.5초 동안 5A에서 20A로 변화할 때, 2차 유도기전력(V)은?
①3
②4.5
③6
④7.5
②
2차 유도기전력(V₂)은 V₂ = -M * (dI₁/dt) 공식으로 계산합니다. V₂ = 0.15H * ((20A-5A)/0.5s) = 0.15 * (15/0.5) = 0.15 * 30 = 4.5V. (크기만을 묻고 있으므로 음의 부호는 생략합니다.)
24번
전동기 기동에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
①농형 유도전동기의 Y-△기동 시 기동전류는 △결선하여 기동한 경우의 1/3이 된다.
②권선형 유도전동기 기동 시 기동전류를 제한하기 위하여 기동보상기법이 주로 사용된다.
③분상 기동형 단상 유도전동기는 병렬로 연결되어 있는 주권선과 보조권선에 의해 회전자계를 만들어 기동한다.
④콘덴서 기동형 단상 유도전동기는 기동권선에 직렬로 콘덴서를 연결하여 주권선과 기동권선 사이에 위상차를 만들어 기동한다.
②
기동보상기법은 주로 농형 유도전동기의 기동법 중 하나입니다. 권선형 유도전동기는 회전자에 외부 저항을 연결하여 기동 전류를 제한하고 기동 토크를 조절하는 2차 저항 기동법을 사용합니다.
25번
전력용반도체 소자에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
①SCR(Silicon Controlled Rectifier)은 소호기능이 없으며, 전류는 양극(A)과 음극(K) 전압의 극성이 바뀌면 차단된다.
②TRIAC(Triode AC Switch)은 SCR 2개를 역방향으로 병렬연결한 형태로 양방향제어가 가능하다.
③GTO(Gate Turn Off Thyristor)는 도통시점과 소호시점을 임의로 제어할 수 있는 양방향성 소자이다.
④IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 고속스위칭이 가능하며 대전류 출력특성이 있다.
③
GTO(Gate Turn-off Thyristor)는 게이트 신호로 턴온(도통)과 턴오프(소호)를 모두 제어할 수 있는 자기소호기능을 가진 소자이지만, 전류는 한쪽 방향으로만 흐르는 **단방향성** 소자입니다. 양방향성 소자는 TRIAC 등입니다.