[9급 국가직 화학공학일반] 14년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.