[가스기사 필기] 21년 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

엘보를 지나는 유체가 관에 미치는 힘은 압력에 의한 힘과 운동량 변화에 의한 힘의 합으로 구한다. 관의 단면적은 $A=\dfrac{\pi}{4}d^2=\dfrac{\pi}{4}(10\text{cm})^2\approx78.5\text{cm}^2$이다.
압력에 의한 힘은 $P\times A=2\times78.5\approx157\text{kgf}$이고, 유량 $Q=Av=78.5\text{cm}^2\times3\text{m/s}\approx0.0236\text{m}^3/\text{s}$에 대해 운동량 변화에 의한 힘은 $\rho Qv\approx1000\times0.0236\times3\approx70.7\text{N}\approx7.2\text{kgf}$이다.
90°로 방향이 꺾이면서 x방향 운동량이 0으로 줄어드므로, 엘보를 고정하는 데 필요한 x방향 힘은 두 힘을 더한 $157+7.2\approx164\text{kgf}$로 계산되어 등록된 정답과 일치한다.

그림의 세 문장은 난류 전단응력은 레이놀즈응력으로 표시할 수 있다, 박리가 일어나는 경계로부터 후류가 형성된다, 유체와 고체벽 사이에는 전단응력이 작용하지 않는다 입니다. 이 중 앞의 두 문장만 옳습니다.
난류에서는 속도가 평균값과 변동값으로 나뉘고, 변동 성분의 운동량 수송이 겉보기 전단응력으로 나타납니다. 이를 $\tau_t = -\rho\,\overline{u'v'}$ 로 쓰며 레이놀즈응력이라 부르므로 첫 문장은 옳습니다.
또한 역압력구배로 경계층이 벽면에서 떨어져 나가는 지점이 박리점이고, 그 하류에 소용돌이가 가득한 후류(wake)가 생기므로 두 번째 문장도 옳습니다.
반면 점성유체는 고체벽에서 속도가 0이 되는 점착조건을 만족하므로 벽면 근처의 속도구배가 가장 커지고, 따라서 $\tau = \mu \dfrac{du}{dy}$ 에 의해 벽면에서 전단응력이 최대가 됩니다. 마찰저항이 바로 이 벽면 전단응력이므로 세 번째 문장은 틀립니다.

펌프의 소요동력은 $P=\dfrac{\rho g Q H}{\eta}$로 구한다. 전양정 H는 수면 높이차 20m에 손실수두 5m를 더한 25m이고, 유량은 $Q=60\text{m}^3/\text{min}=1\text{m}^3/\text{s}$이다.
대입하면 $P=\dfrac{1000\times9.8\times1\times25}{0.9}\approx272{,}200\text{W}\approx272.2\text{kW}$로 계산되어 등록된 정답과 일치한다.

그림에 주어진 식은 $\dfrac{P}{\gamma} + \dfrac{V^2}{2g} + Z = \text{일정}$ 이고, 후보로 정상상태의 흐름, 이상유체의 흐름, 압축성유체의 흐름, 동일 유선상의 유체가 제시되어 있습니다.
이 식은 압력수두·속도수두·위치수두의 합이 보존된다는 뜻으로, 시간에 따라 유동이 변하지 않는 정상류, 점성에 의한 마찰손실이 없는 이상유체(비점성), 그리고 하나의 동일 유선 위에서 두 점을 비교할 때 성립합니다.
남은 하나인 압축성 흐름은 성립 조건이 아니라 오히려 반대입니다. 위 식은 $\gamma$(비중량)가 일정하다는 전제로 압력항을 $P/\gamma$ 로 묶은 것이므로, 밀도가 일정한 비압축성 흐름이어야 합니다.
따라서 성립 조건은 정상상태의 흐름, 이상유체의 흐름, 동일 유선상의 유체 세 가지입니다.

체적탄성계수는 $K=-\dfrac{\Delta P}{\Delta V / V}$로 정의된다. 압력 변화는 $\Delta P=101-100=1\text{MPa}$이고, 부피 변화율은 $\Delta V/V=(0.495-0.5)/0.5=-0.01$이다.
따라서 $K=-\dfrac{1}{-0.01}=100\text{MPa}$로 계산되어 등록된 정답과 일치한다.

두 평판 사이 유체를 미는 데 필요한 힘은 뉴턴의 점성법칙 $F=\mu A\dfrac{u}{\Delta y}$로 나타난다. 이 식에서 힘은 면적 A, 속도 u, 점도 $\mu$에는 비례하지만 평판 간격 $\Delta y$에는 반비례한다.
따라서 평판 사이 간격이 클수록 오히려 필요한 힘은 작아지므로, 간격이 클수록 힘이 크다는 설명은 틀린 내용이다.

레이놀즈수는 $Re=\dfrac{vd}{\nu}$로 구하며, 평균속도 80cm/s, 관지름 10cm, 동점도 4stokes(=4cm²/s)를 대입하면 $Re=\dfrac{80\times10}{4}=200$이다.
레이놀즈수가 층류·난류를 가르는 임계값(약 2100)보다 작으므로 이 흐름은 층류에 해당한다.

이상기체가 마찰 없이 등온 상태로 흐를 때는 보일의 법칙이 성립하여 압력과 부피의 곱, 즉 $PV$가 일정하게 유지된다.
반면 무마찰 단열흐름은 등엔트로피 과정이므로 엔트로피가 일정하게 유지될 뿐 증가하지 않으며, 압력과 온도의 단순한 곱이 일정하다는 관계도 성립하지 않는다.

점성계수의 CGS 단위인 포아즈(poise)는 $1\text{poise}=1\text{dyne}\cdot\text{s/cm}^2$로 정의되며, 1센티포아즈(cP)는 그 100분의 1이다.
따라서 $1\text{cP}=10^{-2}\text{dyne}\cdot\text{s/cm}^2$로 나타낼 수 있다.

등엔트로피 과정에서 완전기체 중을 전파하는 음속은 $c=\sqrt{kRT}$로 나타낸다. 여기서 k는 비열비, R은 기체상수, T는 절대온도이다.
이 식은 이상기체의 등엔트로피(가역단열) 압력-밀도 관계로부터 유도되며, 음속이 절대온도의 제곱근에 비례함을 보여준다.

공기를 질소 79vol%, 산소 21vol%의 이상기체 혼합물로 보면 평균분자량은 $M = 0.79\times28 + 0.21\times32 \approx 28.84$ g/mol이다.
이상기체 상태방정식에서 밀도는 $\rho = \dfrac{PM}{RT}$로 구한다. 압력을 atm 단위로 바꾸면 $P = \dfrac{750}{760} \approx 0.987$ atm, 온도는 $T = 273+25 = 298\,K$이다.
대입하면 $\rho = \dfrac{0.987 \times 28.84}{0.0821 \times 298} \approx 1.16$ kg/m³으로, 계산 결과가 등록된 정답과 일치한다.

그림의 가로축은 배압비 $P_b/P_r$, 세로축은 질량유량이다. 오른쪽 끝의 E는 $P_b/P_r=1.0$ 으로 압력차가 없어 유량이 0이고, 그 왼쪽의 D는 배압을 낮출수록 유량이 늘어나는 구간에 놓여 있다.
C 부근에서 곡선이 꺾인 뒤 왼쪽으로는 유량이 더 이상 변하지 않는 수평(최대유량) 구간이다. 이 구간이 바로 노즐 목에서 마하수가 1에 도달해 배압을 아무리 더 낮춰도 유량이 늘지 않는 질식(choking) 상태다.
꺾이는 지점이 임계압력비이며, 비열비 $k=1.4$ 인 기체에서는 $\left(\dfrac{2}{k+1}\right)^{\frac{k}{k-1}}\approx 0.528$ 이다. 따라서 최대유량 수평선 위에 찍힌 A와 B가 질식 상태에 해당한다.

비압축성 유체의 연속방정식 $A_1 V_1 = A_2 V_2$를 적용한다. 원형관의 단면적은 $A_1 = \dfrac{\pi}{4}(0.2)^2 \approx 0.0314$ m², 정사각형 덕트의 단면적은 $A_2 = 0.2\times0.2 = 0.04$ m²이다.
따라서 덕트에서의 평균속도는 $V_2 = V_1 \times \dfrac{A_1}{A_2} = 2 \times \dfrac{0.0314}{0.04} \approx 1.57$ m/s로, 단면적이 원형관보다 커진 만큼 속도는 그만큼 감소한다.

흐름의 층류·난류 여부는 레이놀즈수 $Re = \dfrac{VD}{\nu}$로 판별한다. 주어진 값을 대입하면 $Re = \dfrac{1.2 \times 0.01}{1.788\times10^{-6}} \approx 6711$이다.
원형관 유동은 일반적으로 $Re$가 약 4000을 넘으면 난류로 판단하므로, 이 흐름은 난류에 해당한다.

완전난류(거친관, fully rough) 영역에서는 마찰계수 $f$가 레이놀즈수와 무관하게 상대조도에 의해서만 결정되는 상수가 된다.
Darcy-Weisbach식 $h_f = f\dfrac{L}{D}\dfrac{V^2}{2g}$에서 $f$, $L$, $D$가 일정하다면, 손실수두는 결국 $V^2/2g$ 즉 속도수두에 비례하는 관계로 남는다.

펌프 흡입부 압력이 그 유체의 포화(증기)압보다 낮아지면 유체 내부에서 국부적으로 기화가 일어나 기포가 발생하는데, 이를 캐비테이션(공동현상)이라 한다.
발생한 기포가 고압부로 이동하며 급격히 붕괴되면 소음·진동과 침식(erosion)을 유발하므로, 펌프 설계·운전 시 반드시 회피해야 하는 현상이다.

레이놀즈수가 매우 작은(스토크스 영역) 구형입자의 항력은 $F_D = 3\pi\mu dU$로 주어지며, 낙하하는 입자에는 중력·부력·항력이 작용해 힘의 평형을 이루면 가속도가 0이 되는 종말속도에 도달한다.
그러나 항력계수 $C_D$는 레이놀즈수가 증가할수록 오히려 감소하는 경향을 보이므로(스토크스 영역에서 $C_D \propto 1/Re$), 레이놀즈수가 증가할수록 커진다는 설명은 틀린 내용이다.

관 내를 흐르는 액체의 유속이 밸브 급폐쇄 등으로 급격히 감소하면, 유체의 운동에너지가 순간적으로 압력에너지로 전환되면서 배관 내에 큰 압력파가 발생한다.
이러한 현상을 수격현상(water hammer)이라 하며, 배관 파손이나 소음·진동의 원인이 되므로 완폐형 밸브나 조압수조 등으로 완화한다.

위쪽 그림은 축소-확대(라발) 노즐의 형상이고, 아래 그래프는 노즐 거리에 대한 압력비 $P/P_0$ 분포이다. 세로 점선이 단면적이 가장 작은 노즐목 위치를 가리킨다.
A는 $P/P_0$ 가 거의 1로 평평해 유동이 사실상 없는 상태이고, B는 압력이 아주 완만하게만 떨어져 목에서도 임계압력비에 이르지 못하는 전 구간 아음속 유동이다.
C는 압력이 노즐목에서 최솟값까지 떨어졌다가 확대부에서 다시 상승하는 곡선으로, 목에서 처음으로 $M=1$ (음속) 에 도달한 임계 상태를 나타낸다. 출구 압력을 더 낮추면 D처럼 목을 지나서도 압력이 계속 떨어지는 초음속 팽창으로 넘어간다.

뉴턴의 점성법칙은 $\tau = \mu\dfrac{du}{dy}$로, 전단응력이 점성계수와 속도구배의 곱에 비례한다는 관계식이다.
반면 비중은 물질의 밀도를 기준물질의 밀도와 비교한 무차원량으로, 점성법칙을 구성하는 변수와는 직접적인 관련이 없다.

공기흐름이 난류가 되면 연료와 공기의 혼합이 촉진되어 연소가 짧은 구간에서 빠르게 완결된다.
그 결과 화염의 길이가 짧아지고 혼합이 양호해져 연소 상태가 개선되는 효과가 나타난다.

연소에 실제로 공급된 공기량을 이론적으로 필요한 공기량(이론공기량)으로 나눈 값을 공기비(과잉공기계수, excess air ratio)라 한다.
공기비가 1보다 크면 과잉공기 상태, 1보다 작으면 공기부족 상태를 의미하며, 실제 연소관리에서 공기비를 적정 범위로 유지하는 것이 중요하다.

연소온도를 높이려면 연료·공기의 예열, 고발열량 연료 사용, 산소농도 증가 등을 통해 연소 반응을 촉진하고 열손실을 줄여야 한다.
반면 연소속도를 늦추는 것은 단위시간당 발열량을 감소시키고 복사·대류에 의한 열손실 시간을 늘려 오히려 연소온도를 낮추는 방향으로 작용하므로, 온도를 높이는 방법과는 거리가 멀다.

혼합가스의 폭발하한계는 르 샤틀리에(Le Chatelier)의 법칙 $\dfrac{1}{L} = \sum \dfrac{y_i}{L_i}$로 구한다.
각 성분의 부피분율과 하한계값을 대입하면 $\dfrac{1}{L} = \dfrac{0.8}{5} + \dfrac{0.15}{3} + \dfrac{0.04}{2.1} + \dfrac{0.01}{1.8} \approx 0.2346$이 되고, 따라서 $L \approx \dfrac{1}{0.2346} \approx 4.3$%로 계산 결과가 등록된 정답과 일치한다.

가역단열과정에서는 계와 외부 사이에 열의 출입이 없고(단열) 비가역성도 없으므로 엔트로피 변화가 0이 되는데, 이러한 과정을 등엔트로피과정이라 한다.
정온과정, 정적과정, 등엔탈피과정은 각각 온도·체적·엔탈피가 일정한 과정으로 단열·가역 조건과는 별개의 개념이다.

폭발이 가능하려면 공간 내 아세틸렌 농도가 폭발하한계(약 2.5%v/v) 이상이 되어야 한다. 공간의 부피는 $4 \times 4.5 \times 2.5 = 45$ m³이므로, 필요한 최소 아세틸렌 부피는 $45 \times 0.025 = 1.125$ m³이다.
표준상태(0℃, 1atm)에서 기체 1kmol은 22.4 m³을 차지하고 아세틸렌(C₂H₂)의 분자량은 26이므로, 몰수는 $\dfrac{1.125}{22.4} \approx 0.0502$ kmol이고 질량은 $0.0502 \times 26 \approx 1.3$ kg으로, 계산 결과가 등록된 정답과 일치한다.

디젤 사이클의 이론효율은 압축비 $\varepsilon$과 단절비(cut-off ratio) $\sigma$의 함수로, 압축비가 클수록 효율이 높아지고 단절비가 1에 가까울수록(오토 사이클에 가까워질수록) 효율이 높아진다.
따라서 압축비는 크고 단절비는 작을수록 디젤 사이클의 효율이 좋아진다.

집진장치는 원리에 따라 처리 가능한 입자 크기 범위가 다른데, 중력 집진기·사이클론은 관성이나 자중을 이용하므로 비교적 큰 입자에 효과적이고, 스크러버는 물방울과의 접촉으로 포집한다.
반면 여과재(필터, 백필터)의 미세한 공극으로 물리적으로 걸러내는 여과 집진기는 서브마이크론 수준의 미세입자까지 높은 효율로 포집할 수 있어, 제시된 장치 중 가장 미세한 입자까지 집진 가능하다.

메탄의 완전연소 반응식은 $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$로, 메탄 1Sm³ 연소에 필요한 이론산소량은 2Sm³이다.
공기 중 산소 비율이 21%이므로 이론공기량은 $\dfrac{2}{0.21} \approx 9.5$ Sm³으로, 계산 결과가 등록된 정답과 일치한다.

흑체가 방사하는 복사에너지는 스테판-볼츠만 법칙에 따라 절대온도의 4제곱에 비례한다: $E \propto T^4$.
절대온도는 각각 $T_1 = 20+273 = 293\,K$, $T_2 = 100+273 = 373\,K$이므로, 비율은 $\left(\dfrac{373}{293}\right)^4 \approx 2.6$배로 계산 결과가 등록된 정답과 일치한다.

교토의정서 등에서 규정하는 6대 온실가스는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6)이다.
염화불화탄소(CFC)는 오존층 파괴물질로서 몬트리올의정서의 규제 대상이며, 6대 온실가스에는 포함되지 않는다.

산소는 그 자체로는 타지 않고 다른 가연성 물질의 연소를 돕는 조연성(지연성) 가스이므로, "자신은 스스로 연소하는 가연성이다"라는 설명은 틀린 내용이다.
실제로 산소는 오일과 접촉하면 산화력 증가로 격렬히 반응하고, 순산소 중에서는 철·알루미늄 같은 금속도 연소되어 금속산화물을 생성하며, 가연성 물질과 반응해 폭발을 일으킬 수 있는 조연성 가스이다.

과잉공기량이 지나치게 많아지면 연소에 기여하지 않는 여분의 공기가 다량 배출가스로 빠져나가면서, 노 내 열을 빼앗아 연소실 온도는 저하되고 배기가스량 증가에 따른 열손실은 증가하며, 이를 보상하기 위한 연료 소비량도 증가한다.
그러나 연소실 온도 저하와 함께 배기가스 자체의 온도는 오히려 낮아지는 경향을 보이므로, "배기가스 온도의 상승"이라는 설명은 과잉공기 과다 시 나타나는 현상과 맞지 않는다.

연소효율은 실제로 얻어지는 유효 발열량을 진발열량(저위발열량)으로 나눈 값으로, 여기서 유효 발열량은 총발열량에서 수증기 잠열을 뺀 값이다: $\eta = \dfrac{H_h - q_{lat}}{H_l} \times 100$.
대입하면 $\eta = \dfrac{11780 - 1900}{11500} \times 100 \approx 86$%로, 계산 결과가 등록된 정답과 일치한다.

이상기체 혼합물에서 각 성분의 몰비(=부피비)는 분압비와 같지만, 성분마다 분자량이 다르므로 몰비와 질량비는 서로 다르다. 질량비를 구하려면 각 성분의 몰비에 해당 분자량을 곱해 환산해야 한다.
반면 분압은 전압에 해당 성분의 몰분율(=부피분율)을 곱한 값이라는 설명들은 이상기체 혼합물의 일반적인 성질에 맞는 옳은 내용이다.

"혼합 가스의 전체 압력은 각 성분 기체가 단독으로 그 용기 전체를 차지할 때 나타내는 분압들의 합과 같다"는 것은 돌턴(Dalton)의 분압 법칙이다.
보일-샤를의 법칙은 압력·부피·온도의 관계, 그레이엄의 법칙은 기체의 확산속도, 아보가드로의 법칙은 같은 온도·압력에서 같은 부피 속 분자수에 관한 법칙으로 이 설명과는 다르다.

이상기체는 보일-샤를의 법칙과 아보가드로의 법칙을 만족하며, 비열비 $k = C_P/C_V$는 이상기체에서 온도에 무관하게 일정한 값으로 다룬다.
그러나 이상기체의 내부에너지는 온도만의 함수이며 체적과는 무관하다는 것이 이상기체의 핵심 성질이므로, "내부에너지는 체적과 관계있고 온도와는 무관하다"는 설명은 이와 반대로 틀린 내용이다.

착화(발화)온도는 물질이 외부 점화원 없이도 스스로 연소를 시작하는 최저 온도로, 물질의 종류에 따라 크게 달라진다.
제시된 물질을 비교하면 목탄이 대략 300~400℃대로 가장 낮고, 무연탄은 그보다 높은 400℃대 이상, 수소와 메탄 같은 기체연료는 500℃를 넘는(메탄이 가장 높은) 수준이다. 따라서 착화온도가 가장 낮은 물질은 목탄이다.

분진폭발이 일어나려면 분진 자체가 가연성이어야 하고, 화염을 전파할 수 있을 만큼 미세한 입도분포를 가져야 하며, 착화원·가연물·산소(조연성 가스)가 함께 존재해야 한다.
따라서 "분진 농도가 폭발범위 내에서는 폭발하지 않는다"는 설명은 폭발범위 개념과 정반대로, 오히려 농도가 폭발범위 내에 있을 때 폭발이 일어날 수 있으므로 이 설명이 틀린 내용이다.

가연성가스의 연소(폭발)범위는 온도와 압력에 영향을 받는데, 일반적으로 온도가 일정한 상태에서 압력이 올라가면 폭발범위는 넓어지는 경향을 보인다(단, 일산화탄소 등 일부 예외가 있다).
반대로 불연성가스인 질소나 이산화탄소를 가연성가스에 혼합하면 산소 농도가 희석되어 연소범위는 오히려 좁아지는 것이 일반적이다.

분젠식 버너는 가스 자체의 분출력으로 1차 공기를 흡인하는 자연흡인식 버너로, 노즐, 혼합관(믹싱튜브), 공기조절기(댐퍼), 염공 등으로 구성된다.
블러스트(blast)는 송풍기로 연소용 공기를 강제로 공급하는 강제통풍식 버너 계통에서 쓰이는 개념으로, 분젠식 버너의 구성요소에는 해당하지 않는다.

공동주택 등에 압력조정기를 설치할 수 있는 기준은 공급 가스압력에 따라 나뉘는데, 공급압력이 중압 이상이면 전세대수 150세대 미만, 저압이면 전세대수 250세대 미만일 때 설치할 수 있다.
따라서 저압으로 공급되면서 전세대수가 250세대 미만인 경우라는 설명이 기준에 부합하며, 중압 이상에 200세대·300세대를 적용하거나 저압에 350세대를 적용한 설명은 기준을 벗어난다.

AFV(파일럿 작동식)식 정압기는 2차측 가스사용량 변화를 파일럿 계통이 감지해 구동압력을 조절함으로써 메인밸브(고무슬리브)의 개도를 자동으로 맞춘다.
가스사용량이 증가하면 2차 압력이 떨어지려는 것을 파일럿이 감지해 구동압력이 저하되고, 이에 따라 메인밸브의 열림이 커져 유량을 늘리는 방식으로 작동한다.

배관의 신축을 흡수하는 이음매에는 루프형, 벨로우즈형, 슬리브형, 스위블형 등이 있으며, 각각 적용 압력·공간 조건이 다르다.
압력 2MPa 이하의 비교적 저압 계통에서 배관 배치상 곡관(루프형)을 설치하기 곤란한 경우에는 벨로우즈형 신축이음매를 사용하는 것이 적절하다.

탄소강은 약 200~300℃ 부근에서 인장강도와 경도는 오히려 증가하지만 연신율과 충격값이 급격히 감소하여 재료가 취약해지는 특이한 성질을 보인다.
이러한 현상은 이 온도 구간에서 재료 표면이 청색을 띠며 나타난다고 하여 청열취성(blue brittleness)이라 부른다.

도시가스 제조공정의 부분연소법(부분산화법)은 메탄에서 원유에 이르는 넓은 범위의 탄화수소를 원료로 사용하며, 산소 또는 공기 및 수증기를 반응시켜 메탄, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소의 혼합가스로 변환시키는 방법이다.
원료를 메탄이나 에탄으로만 한정한다는 설명, 코크스만을 사용해 수소와 일산화탄소만 얻는다는 설명은 각각 수증기 개질법이나 석탄 가스화법 등 다른 제조 공정의 특징을 일부 반영한 것으로, 부분연소법의 정의와는 다르다.

노즐 변경률은 웨버지수(WI)와 공급압력으로 구한다. 웨버지수는 $WI=\dfrac{H}{\sqrt{d}}$ 이고, 노즐 지름의 변경률은 $\dfrac{D_2}{D_1}=\sqrt{\dfrac{WI_1\sqrt{P_1}}{WI_2\sqrt{P_2}}}$ 이다.
변경 전 가스는 $WI_1=\dfrac{5000}{\sqrt{0.61}}\approx 6402.7$, 변경 후 천연가스는 $WI_2=\dfrac{11000}{\sqrt{0.66}}\approx 13539.3$ 이다.
따라서 $\dfrac{D_2}{D_1}=\sqrt{\dfrac{6402.7\times\sqrt{100}}{13539.3\times\sqrt{200}}}=\sqrt{\dfrac{64027}{191474}}=\sqrt{0.334}\approx 0.58$ 이 되어, 노즐 지름을 약 0.58배로 줄여야 한다.

용기밸브는 스템, O링, 스핀들, 개폐용 핸들 등으로 구성되며, 가스가 새지 않도록 밀폐와 개폐 기능을 담당한다.
행거는 용기밸브의 구성품이 아니라 배관 등을 매달아 지지하는 부속으로, 용기밸브 구조와는 관계가 없다.

액화천연가스는 메탄($CH_4$)을 기준으로 볼 때 탄소와 수소의 질량비가 $C/H=\dfrac{12}{4}=3$ 이 된다.
또한 이미 액화된 메탄이 주성분이므로 별도의 가스 제조·정제·개질 설비 없이, 저장 후 사용할 때 기화설비만 갖추면 된다는 것이 LNG의 특징이다.

LPG는 천연고무를 용해·팽윤시키는 성질이 있어 천연고무 패킹은 사용할 수 없고, 목재나 납은 이음부 패킹재로서 내구성과 밀폐성이 부족하다.
따라서 LPG에 대한 내화학성과 탄력성을 갖춘 실리콘 고무가 수송관 이음부 패킹재료로 가장 적합하다.

아세틸렌은 압축 시 자체 분해폭발 위험이 매우 크기 때문에, 이를 안전하게 압축·반응시키기 위해 개발된 것이 레페(Reppe) 반응장치이다.
레페법은 아세틸렌에 여러 물질을 반응시켜 화합물을 합성하는 공정을 분해폭발이 억제되는 조건에서 수행할 수 있도록 고안된 장치로, 다른 보기의 명칭들은 아세틸렌 압축과 관련된 반응장치가 아니다.

백파이어(역화)는 연소속도가 가스 분출속도보다 커질 때 불꽃이 버너 내부로 역행하는 현상이다.
버너가 과열되면 노즐부의 혼합가스가 버너 내부에서 예열·점화되기 쉬워져 역화가 발생하기 쉽다.
가스의 과량공급이나 가스압력 상승은 오히려 분출속도를 높여 불꽃이 버너에서 떨어지는 리프팅을 유발하는 요인이고, 1차 공기량 감소는 연소속도를 낮춰 역화 위험을 줄이는 방향이다.

공기액화 분리장치의 폭발을 막기 위해서는 장치 내 여과기 설치, 흡입구 부근에서의 아세틸렌 용접 금지, 압축기에 양질의 윤활유 사용 등이 필요하다.
유분리기는 압축기에서 나온 오일이 장치 내로 유입되어 폭발성 물질이 생성되는 것을 막기 위해 반드시 설치해야 하는 장치이므로, 설치해서는 안 된다는 설명은 옳지 않다.

액화석유가스 판매사업의 저장설비는 용기보관실을 두어야 하며, 사무실과 명확히 구분하여 설치한다.
이때 확보해야 할 용기보관실의 면적 기준은 19m² 이상이다(사무실은 9m² 이상).

외부전원법은 외부 직류전원장치로 방식전류를 공급하는 방식으로, 전압과 전류의 조정이 쉽고 방식 효과범위가 넓어 장거리 배관에서도 설치 개수를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
다만 정류기 등 설비 구축에 따른 초기 투자비가 크다는 단점이 있어 문제에서 설명하는 특성과 일치한다. 희생양극법은 국부적 방식에 적합하고, 배류법은 주로 전철 등 누설전류(미주전류)가 있는 구간에 적용된다는 점에서 구분된다.

펌프의 효율은 $\eta = \dfrac{\gamma Q H}{75 \times L_s}$ (kgf·m/s 단위계, 1PS=75kgf·m/s)로 구한다.
송수량 $Q = 3\,m^3/min = 0.05\,m^3/s$, 양정 $H=20m$, 축동력 $L_s=15PS$를 대입하면 $\eta = \dfrac{1000\times0.05\times20}{75\times15} = \dfrac{1000}{1125} \approx 0.889$ 로 약 89%가 된다.

유속은 $v = \dfrac{Q}{A}$로 구하며, 배관 단면적은 $A = \dfrac{\pi D^2}{4}$이다.
토출량 $Q = 5\,m^3/min \approx 0.0833\,m^3/s$, 안지름 $D=0.3m$이므로 $A = \dfrac{\pi \times 0.3^2}{4} \approx 0.0707\,m^2$이고, $v = \dfrac{0.0833}{0.0707} \approx 1.2\,m/s$가 된다.

연소용 공기를 실내에서 취하고 연소 후 배기가스만 배기통을 통해 옥외로 배출하는 급배기 방식은 반밀폐식이다.
급기와 배기를 모두 실내에서 하는 개방식(노출식)과 달리 배기만 옥외로 내보내며, 급기와 배기를 모두 옥외에서 하는 밀폐식과도 구분된다.

구리(Cu)는 탄소강에 소량 함유될 경우 인장강도와 탄성계수를 높이는 동시에 내식성을 향상시키는 원소로 알려져 있어, 내식성을 감소시킨다는 설명은 옳지 않다.
인(P)은 상온메짐, 황(S)은 Mn과 결합해 MnS를 만들고 남은 성분이 FeS를 만들어 고온메짐을 일으킨다는 설명은 옳고, 규소(Si)가 경도를 높이는 대신 단접성을 떨어뜨린다는 설명도 옳다.

천연가스는 메탄($CH_4$)을 주성분으로 하며, 액화천연가스 역시 메탄이 가장 많은 비율을 차지한다.

염소는 조연성·독성 가스로, 아세틸렌·암모니아·수소 등 가연성가스와는 동일 차량에 적재하여 운반할 수 없다.
질소는 불연성 가스이므로 염소와 함께 적재해도 반응 위험이 없어 동일 차량 운반이 가능하다.

고온·고압의 수소 분위기에서는 수소원자가 금속조직 내로 침투해 강 중의 탄소(탄화물)와 결합하여 메탄 등의 가스를 생성한다.
이 과정에서 강 조직의 탄소가 빠져나가는(탈탄) 현상이 일어나 강도가 저하되고 용기 파열의 원인이 될 수 있다. 이를 수소취성(수소침식)이라 한다.

가연성가스 저장탱크실에는 가스누출검지경보장치를 설치하고, 안전밸브 방출관은 지상 5m 이상 높이에 방출구를 두며, 탱크 정상부와 천장 사이는 60cm 이상 이격하는 것이 옳은 기준이다.
저장탱크실은 각각 구분하여 설치하되 자연환기가 아니라 별도의 강제 통풍시설을 갖추어야 하므로, 자연환기시설을 갖춘다는 설명은 옳지 않다.

냉동제조설비의 자동제어장치는 압축기 고압측 압력이 상용압력을 넘으면 정지시키는 고압차단장치, 개방형 압축기에서 저압측 압력이 과도하게 낮아지면 정지시키는 저압차단장치, 쉘형 액체냉각기의 동결방지장치 등을 두도록 하고 있다.
압축기를 구동하는 동력장치에는 과열방지장치가 아니라 과부하보호장치를 설치하도록 되어 있어, 과열방지장치를 설치한다는 설명은 옳지 않다.

독성가스 배관을 이중관으로 설치할 때, 외층관 내경은 내층관 외경의 1.2배 이상을 표준으로 하여 내층관과 외층관 사이에 누출가스를 검지·포집할 수 있는 환상 공간을 확보한다.

정전기는 처음 접촉과 분리가 일어날 때 발생량이 최대이며, 물질의 표면상태가 원활할수록 발생이 줄어들고, 표면이 기름 등으로 오염되면 산화·부식에 의해 정전기가 발생할 수 있다.
그러나 분리속도가 빠를수록 접촉면 사이의 전하 이동·재결합이 충분히 이루어지지 못해 정전기 발생량은 오히려 많아지므로, 분리속도가 빠를수록 발생량이 적어진다는 설명은 옳지 않다.

염소가스의 제독제로는 가성소다수용액, 탄산소다수용액, 소석회 등 염소와 반응해 중화시키는 알칼리성 물질이 사용된다.
물은 아황산가스·암모니아 등의 제독제로는 쓰이지만 염소의 제독제로는 규정되어 있지 않다.

특정가스사용시설로 전환되는 변경공사, 호칭지름이 큰 배관을 일정 길이 이상 교체하는 변경공사, 압력조정기를 증설하는 변경공사는 시설의 안전성에 영향을 주므로 완성검사 대상이 된다.
반면 배관 변경을 수반하지 않는 이설 공사는 배관 등 시설 자체의 변경이 없으므로 완성검사 대상에서 제외된다.

시안화수소는 중합폭발 위험이 있어 순도를 98% 이상으로 유지하고 아황산가스나 황산 등 안정제를 첨가하며, 충전 후에는 24시간 이상 정치한 뒤 1일 1회 이상 질산구리벤젠 시험지 등으로 누출을 검사해야 한다.
따라서 충전 후 12시간 이상 정치한다는 설명은 기준보다 짧게 서술되어 옳지 않다.

기화장치는 출구측 압력을 1MPa 미만으로 유지하고, 용기 외면으로부터 3m 이상의 우회거리를 확보하며, 출구 배관에 고무호스를 직접 연결하지 않아야 한다는 기준은 옳은 내용이다.
다만 기화장치 설치장소에는 누출된 가스가 흘러 들어갈 수 있는 배수구·집수구로 통하는 도랑을 설치하지 않아야 하므로, 도랑을 설치한다는 설명은 옳지 않다.

그림에 제시된 네 항목은 경영이념, 안전관리투자, 안전관리목표, 안전문화 이다.
종합적 안전관리규정은 사업소의 안전을 경영 차원에서 통합 관리하기 위한 규정이므로, 안전에 관한 최고경영자의 방침인 경영이념과 달성하고자 하는 안전관리목표, 이를 뒷받침하는 인력·설비 안전관리투자 계획, 그리고 구성원 전체에 정착시켜야 할 안전문화 항목이 모두 들어간다.
따라서 나열된 네 항목 전부가 포함되어야 할 항목이다.

액화가스 저장탱크의 압력이 이상 상승했을 때는 방출밸브를 열어 압력을 낮추고, 살수장치로 탱크를 냉각시키며, 액 이입 펌프를 정지시켜 추가 유입을 막는 조치가 필요하다.
반면 출구측 긴급차단밸브를 작동(폐쇄)시키면 탱크 내부의 가스가 빠져나갈 경로가 막혀 압력이 더 상승할 수 있으므로, 압력 이상 상승 시의 조치로는 적절하지 않다.

용기의 최대 충전량은 $W = \dfrac{V}{C}$ (W: 충전량(kg), V: 용기 내용적(L), C: 가스정수)로 구한다.
내용적 $V=59L$, 프로판의 정수 $C=2.35$를 대입하면 $W = \dfrac{59}{2.35} \approx 25.1kg$이 되어 약 25kg이다.

고압가스 용기 보관장소 주위 2m 이내에는 화기 또는 인화성·발화성 물질을 두어서는 안 된다.

가스누출 경보차단장치는 가스를 검지한 뒤 연속경보 후 30초 이내에 차단되어야 하고, 교류전원 사용 시 정격전압의 90~110% 범위에서 사용에 지장이 없어야 하며, 전자밸브식 차단부는 35kPa 이상의 기밀시험에서 외부누출이 없어야 한다.
내한성능 시험은 제어부를 영하 10℃ 이하에서 1시간 이상 유지한 후 5분 이내에 작동시험을 하도록 정하고 있어, -25℃를 기준으로 한다는 설명은 옳지 않다.

매몰형 폴리에틸렌 볼밸브는 지하에 매설되는 특성상 사용압력을 0.4MPa 이하로 제한하여 사용하도록 기준이 정해져 있다.

고압가스 운반차량의 경계표지는 직사각형인 경우 가로 치수를 차체 폭의 30% 이상, 세로 치수를 가로 치수의 20% 이상으로 하고, 정사각형인 경우에는 그 면적을 600cm² 이상으로 하도록 정하고 있다.

아세틸렌은 구리나 고탄소강과 반응하여 폭발성 화합물을 만들 위험이 있어, 충전용 지관에는 탄소 함유량이 0.1% 이하인 강을 사용하도록 기준이 정해져 있다.

혼합가스의 폭발하한계는 르 샤틀리에(Le Chatelier) 법칙 $\dfrac{100}{L} = \dfrac{V_1}{L_1}+\dfrac{V_2}{L_2}+\dfrac{V_3}{L_3}$로 구한다.
CO 15v%, H₂ 30v%, CH₄ 55v%와 각 성분의 폭발하한계를 대입하면 $\dfrac{100}{L} = \dfrac{15}{12.5}+\dfrac{30}{4.0}+\dfrac{55}{5.3} \approx 1.2+7.5+10.38 = 19.08$이 되어, $L = \dfrac{100}{19.08} \approx 5.2$(v%)이다.

LPG용 차량 고정 저장탱크의 폭발방지장치는 화염으로 탱크 외벽이 국부적으로 가열되더라도 열을 빠르게 분산시켜야 하므로, 열전도도가 높은 알루미늄 박판을 벌집(허니컴) 형태로 가공해 탱크 내부에 넣는 방식을 사용한다.

베크만 온도계는 액체(수은)를 이용하는 유리 온도계의 한 종류로, 미세한 온도 변화(차이)를 정밀하게 측정하기 위해 눈금 범위를 좁게 만들고 상부에 저장조를 두어 측정 범위를 조절할 수 있게 한 것이다.
바이메탈이나 열전대, 저항 온도계는 각각 금속의 열팽창 차이, 열기전력, 전기저항 변화를 이용하는 방식으로 베크만 온도계와는 원리가 다르다.

왼쪽 그림의 입력은 시간에 비례해 일정한 기울기로 커지는 램프(ramp) 신호이고, 오른쪽 출력은 시간이 지나도 값이 변하지 않는 일정한 크기의 신호다.
입력을 $e(t)=at$ 로 두면 미분동작의 출력은 $y=K_d\dfrac{de}{dt}=K_d a$ 로 상수가 된다. 즉 변화율(기울기)에만 반응하기 때문에 기울기가 일정한 램프 입력에 대해 일정한 출력이 나온다.
비례동작이라면 출력도 입력을 따라 직선으로 증가하고, 적분동작이라면 $y=K_i\int at\,dt=\tfrac{1}{2}K_i a t^2$ 로 2차 곡선이 되므로 그림과 맞지 않는다. 그림이 나타내는 것은 미분동작이다.

캐리어가스는 주입된 시료를 컬럼과 검출기 쪽으로 운반하는 이동상 역할을 하는 불활성 기체이며, 시료 성분과 반응하지 않아야 한다.
검출기 종류에 따라 적합한 캐리어가스가 다르므로(예: TCD는 열전도도 차가 큰 헬륨·수소를 주로 사용) 검출기와 무관하게 아무 기체나 쓸 수 없고, 반응성이 있는 공기나 산소도 사용할 수 없다.

경사관식 압력계의 차압은 $P_1-P_2=\gamma \chi \sin\theta$로 구한다. 기름의 비중이 0.8이므로 $\gamma=0.8\times 1000=800\ \mathrm{kgf/m^3}$이고, $\chi=0.6\ \mathrm{m}$, $\sin30^\circ=0.5$이다.
대입하면 $\Delta P=800\times0.6\times0.5=240\ \mathrm{kgf/m^2}$이고, 이를 $\mathrm{kgf/cm^2}$로 환산하면 $240\div10000=0.024\ \mathrm{kgf/cm^2}$가 된다.

기차(오차율)는 $e=\dfrac{I_m-I_r}{I_m}\times100$으로 정의되며, 여기서 $I_r$은 기준기 지시량, $I_m$은 가스미터(피검정기)의 지시량이다.
기준기 지시량 150m³, 기차 4%를 대입하면 $\dfrac{I_m-150}{I_m}=0.04$이므로 $0.96I_m=150$, 따라서 $I_m=\dfrac{150}{0.96}\approx156.25\ \mathrm{m^3}$이다.

차압식 유량계에서 유량은 차압의 제곱근에 비례한다: $Q=k\sqrt{P_1-P_2}$.
차압이 2배로 증가하면 $Q=k\sqrt{2(P_1-P_2)}=\sqrt{2}\,k\sqrt{P_1-P_2}=\sqrt{2}\,Q_1$이 되어 유량은 $\sqrt{2}$배가 된다.

기체 크로마토그래피는 각 성분이 고정상(컬럼 충전물)과 이동상(캐리어가스) 사이에서 분배·흡착되는 정도가 달라 컬럼을 통과하는 이동속도(체류시간)가 성분마다 다르다는 점을 이용해 분리·분석한다.
비열이나 비중, 연소성의 차이를 직접 이용하는 방식이 아니라, 성분별 이동속도 차이에 따른 분리가 원리이다.

태엽 장치로 팬을 돌려 강제로 통풍시키는 통풍형 건습구 습도계를 아스만(Assmann) 습도계라 하며, 휴대가 간편하고 약 3m/s의 통풍 속도를 안정적으로 유지해 복사열 등의 영향을 줄인 정밀 습도계이다.
모발 습도계는 모발의 신축을 이용한 방식이고, Dewcel식은 노점(이슬점)을 전기적으로 검출하는 방식이어서 통풍형 건습구 방식과는 다르다.

크랭크축의 녹, 밸브와 밸브시트의 타르·수분에 의한 고착 등으로 가스가 계량기를 아예 통과하지 못하는 고장을 불통이라 한다.
부동은 가스는 통과하나 눈금이 움직이지 않는 고장, 기어불량은 지시부 기어의 이상, 떨림은 지침이 흔들리는 고장으로 각각 원인과 증상이 다르다.

소형 가스미터(15호 이하)를 선정할 때는 사용하는 가스기구의 최대가스소비량이 그 계량기 최대통과량의 80%를 초과하면 한 등급 큰 계량기로 교체하도록 한다.
이는 계량기가 최대통과량에 근접해 지속적으로 운전될 경우 마모·오차 증가 등의 문제가 생길 수 있어 여유를 두기 위함이다.

그림의 항목은 크로마토그래피 조정, 표준가스 도입, 성분 확인, 크로마토그래피 안정성 확인, 피크 면적 계산, 시료가스 도입의 여섯 가지다.
먼저 운반가스 유량·칼럼 온도·검출기 조건을 맞추는 크로마토그래피 조정을 하고, 기준선이 흔들리지 않는지 안정성을 확인한다. 장치가 안정된 뒤에야 표준가스를 도입해 각 성분의 머무름시간과 감응계수를 얻을 수 있다.
그다음 시료가스를 도입하고, 얻어진 크로마토그램의 머무름시간을 표준과 대조해 성분을 확인한 뒤, 마지막으로 피크 면적을 계산해 정량한다. 즉 조정 → 안정성 확인 → 표준가스 도입 → 시료가스 도입 → 성분 확인 → 피크 면적 계산 순서다.

산소는 상자성체(常磁性體)로서 자기장에 끌리는 성질이 강한 반면 대부분의 다른 가스는 반자성이거나 상자성이 약하다. 이 자기적 성질의 차이를 이용해 산소 농도를 측정하는 것이 자기식 O2계이다.
세라믹식은 지르코니아 등 고체전해질의 산소이온 전도, 연소식은 촉매연소열, 밀도식은 가스의 밀도 차를 이용하는 방식으로 원리가 다르다.

측정자 자신의 산포, 관측자의 판독 오차나 시차(視差) 등 우발적이고 불규칙하게 나타나는 산포에 의한 오차를 우연오차라 한다. 원인을 특정하기 어렵고 보정이 불가능하며, 측정을 반복해 평균을 취하는 방법으로 줄인다.
이론오차는 측정원리·계산식 자체의 근사에서 오는 오차, 환경오차는 온도·습도 등 외부 조건 변화에 기인한 오차, 개인오차는 측정자 개인의 습관이나 버릇 때문에 한쪽으로 치우쳐 나타나는 오차로 각각 구분된다.

부르동관 압력계는 용도에 따라 기호로 구분하며, 진동이 심한 곳에서도 지침이 흔들리지 않도록 만든 내진(耐震)형은 기호 V로 표시한다.

되먹임제어(피드백제어)는 출력을 검출해 목표값과 비교하는 비교제어(폐회로)가 핵심 특징이며, 이에 비해 시퀀스제어는 미리 정해진 순서에 따라 진행되는 열린회로(개회로) 방식으로 입력과 출력을 비교하는 과정이 없다.
정성적제어와 디지털신호 처리는 시퀀스제어의 일반적 특성에 해당하지만, 비교제어는 되먹임제어의 특성이므로 시퀀스제어의 특성으로 볼 수 없다.

용액도전율식 분석계는 시료가스를 흡수액에 흡수시켰을 때 이온화에 따라 변하는 전기전도도로 농도를 측정하는 방식이다. CO2는 NaOH 용액에, Cl2는 AgNO3 용액에, NH3는 H2SO4 용액에 흡수되어 전도도가 변하는 조합이 맞다.
반면 SO2는 과산화수소(H2O2) 용액에 흡수시켜 황산으로 산화시킴으로써 전도도 변화를 측정하는 것이 일반적이며, 초산(CH3COOH) 용액과의 조합은 옳지 않다.

그림의 설명은 정도가 아주 좋고, 자동계측이나 제어가 용이하며, 장치가 비교적 소형이라 가볍고, 기록장치와의 조합이 쉽다는 네 가지다.
압력을 스트레인게이지·압전소자·정전용량 변화 등으로 전기신호로 변환하는 방식은 출력이 곧 전기량이므로 원격 전송, 자동제어 루프 연결, 기록계와의 조합이 모두 쉽고, 감도와 정도가 높으며 감압소자가 작아 소형·경량으로 만들 수 있다.
부르동관식·벨로우즈식·다이어프램식은 탄성체의 기계적 변위를 지시침으로 나타내는 방식이라 응답성과 정도, 전기적 조합 면에서 이런 특성을 갖지 못한다. 설명에 맞는 것은 전기식 압력계다.

서미스터는 온도가 올라가면 저항치가 감소하는 부(-)의 온도계수(NTC)를 가지는 반도체 저항체 온도계이다.
온도계수가 크고 감도가 좋은 대신 개체 간 균일성과 재현성이 떨어지는 편이며, 수분을 흡수하면 오차가 발생하기 쉬운 것이 단점으로 지적된다.

염소가스는 KI-녹말(전분) 종이로 검출하며, 염소가 요오드화칼륨을 산화시켜 유리된 요오드가 녹말과 반응해 청색으로 변한다.
연당지(초산납 시험지)는 황화수소 검출 시 흑색으로 변하는 용도이고, 하리슨씨 시약은 포스겐 검출에 사용된다. 또 염소는 물과 만나 산성을 띠므로 청색 리트머스지를 붉게 변화시킨 뒤 표백시키며, 청색으로 변하지는 않는다.

그림의 항목은 "목표값으로 이미 정한 물리량과 비교한다", "조작량을 조작기에서 증감한다", "결과에 따른 편차가 있으면 판단하여 조절한다", "제어 대상을 계측기를 사용하여 검출한다" 이다.
자동제어의 기본 순환은 검출 → 비교 → 판단 → 조작이다. 먼저 계측기로 제어 대상의 상태를 검출하고, 그 측정값을 미리 정해 둔 목표값과 비교해 편차를 구한다.
이어 편차의 크기와 방향을 보고 어떻게 보정할지 판단한 뒤, 조작기에서 조작량을 증감시켜 조작한다. 따라서 계측기로 검출하는 항목이 맨 앞에, 조작기에서 조작량을 증감하는 항목이 맨 뒤에 오는 순서가 된다.