[9급 국가직 화학공학일반] 09년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

유효숫자가 3개가 아닌 것은 0.51이다. 소수점 앞의 0은 자리만 나타내므로 유효숫자는 5와 1의 2개다.
5.12: 5, 1, 2 세 자리다.
5.10: 소수점 뒤 끝자리 0도 측정값이므로 세 자리다.
50.0: 소수점이 있으므로 0까지 모두 유효해 세 자리다.
0이 아닌 숫자 사이·소수점 뒤 끝의 0은 유효숫자에 포함된다.

압력차로 유량을 재는 유량계가 아닌 것은 로터미터다. 로터미터는 압력차가 거의 일정하고 유로 면적(부자 위치)이 변하는 면적식 유량계다.
오리피스 미터: 오리피스 전후 차압으로 유량을 구한다.
벤투리 미터: 축소부 전후 차압으로 유량을 구한다.
피토우 관: 전압과 정압의 차(동압)로 유속을 구한다.
앞의 세 가지는 모두 베르누이 식에 근거한 차압식이다.

100 mesh 체의 1 $\mathrm{in}^{2}$에는 10,000개의 구멍이 있고, 100 mesh 통과 입자는 200 mesh 통과 입자보다 크다.
mesh는 1 in 길이당 구멍 수이므로 면적당 구멍 수는 $100\times100=10000$개다. mesh 수가 작을수록 구멍이 커서 더 큰 입자도 통과한다.
100개, 작다: 길이당 구멍 수를 면적당 수로 착각했고 입자 크기 관계도 반대다.
100개, 크다: 길이당 구멍 수를 면적당 수로 착각한 것이다.
10,000개, 작다: 200 mesh 구멍이 더 작으므로 그 통과 입자가 더 작다.

원심력으로 미립자를 벽쪽에 침강시켜 분리하는 장치는 싸이클론이다. 기체를 선회시켜 원심력으로 입자를 벽에 부딪혀 아래로 떨어뜨린다.
구조가 간단하고 비교적 큰 입자의 전처리 집진에 널리 쓰인다.
코트렐: 코로나 방전으로 입자를 대전시켜 포집하는 전기집진기다.
백필터: 여과포로 입자를 걸러내는 여과 집진기다.
스크러버: 세정액과 접촉시켜 입자를 포집하는 세정 집진기다.

$\mathrm{K}_{2}$S$\mathrm{O}_{4}$의 반트호프계수는 3이다. 완전 해리하면 화학식 1개당 이온 3개가 생긴다.
$K_2SO_4\rightarrow2K^{+}+SO_4^{2-}$
총괄성(삼투압·끓는점 오름 등)은 용질 입자 수에 비례하므로 i = 2 + 1 = 3이다.

구형도에 직접 관여하지 않는 변수는 한 개 입자의 크기다. 구형도는 같은 부피의 구의 표면적과 실제 입자 표면적의 비다.
$\Phi_s=\dfrac{6v_p}{D_ps_p}$ ($v_p$: 입자 부피, $s_p$: 입자 표면적, $D_p$: 상당지름)
입자의 상당지름: 정의식에 직접 들어간다.
한 개 입자의 표면적: 정의식의 분모에 들어간다.
한 개 입자의 부피: 정의식의 분자에 들어간다.
구형도는 크기와 무관한 형상 지표이며 구는 1이다.

용해된 에탄의 몰분율은 4 × 10⁻⁶이다. 헨리 법칙 $p=Hx$에서 기상 분압을 먼저 구한다.
$p=y P=0.01\times10=0.1\,\mathrm{atm}$
$x=\dfrac{p}{H}=\dfrac{0.1}{2.5\times10^{4}}=4\times10^{-6}$
전압이 아닌 에탄의 분압을 헨리 상수로 나눠야 한다.

Froude 수에 포함되지 않는 것은 압력이다. Froude 수는 관성력과 중력의 비다.
$Fr=\dfrac{V^2}{gL}$ (또는 $V/\sqrt{gL}$)
속도: 분자에 들어간다.
중력가속도: 분모에 들어간다.
길이: 분모의 대표 길이(수심 등)다.

빙햄 유체는 항복응력 이하에서는 흐르지 않다가 항복점을 넘으면 흐르는 유체다.
$\tau=\tau_0+\mu_p\dfrac{du}{dy}$ ($\tau>\tau_0$일 때). 치약·페인트·슬러리가 대표적인 빙햄 소성 유체다.
시간에 따라 점도가 증가: 레오펙틱(rheopectic) 유체의 성질이다.
속도 구배 증가에 따라 점도 감소: 의가소성(전단담화) 유체의 성질이다.
낮은 응력에서 곡선, 높은 응력에서 직선이 되는 흐름 곡선: 빙햄 유체의 직선형 응력–변형률 관계와 다르다.

필요한 과열 증기량은 50 kg/hr이다. 액체가 얻는 열 = 증기가 주는 열로 놓는다.
$Q=\dot mC_p\Delta T=1000\times0.5\times(100-50)=25000\,\mathrm{cal\,hr^{-1}}$
$\dot m_s=\dfrac{25000}{500}=50\,\mathrm{kg\,hr^{-1}}$
증기 1 kg이 500 cal를 공급하므로 25,000 cal를 500으로 나눈다.

가장 우선 고려할 열 이동 현상은 복사다. 진공에는 열을 전달할 매질이 없어 전도와 대류가 일어나지 않는다.
전도: 매질(접촉한 물체)이 필요하다.
대류: 유체의 흐름이 필요하다.
확산: 물질 이동 현상으로 진공 중 열 손실 경로가 아니다.
우주선 표면 온도는 태양 복사 흡수와 우주 공간으로의 복사 방출로 결정된다.

일정 온도·일정 하중에서 시간에 따른 길이 변화를 재는 시험은 크리프시험이다. 크리프는 일정 응력 아래에서 시간에 따라 변형이 계속 증가하는 현상이다.
고온에서 운전되는 장치 재료 선정에 크리프 특성이 중요하다.
충격시험: 순간 충격 하중으로 인성(흡수 에너지)을 측정한다.
인장시험: 하중을 증가시키며 강도·연신율을 측정한다.
피로시험: 반복 하중에 의한 파괴 수명을 측정한다.

옳지 않은 것은 액상 확산계수가 점도와 무관하다는 진술이다. 액체 확산계수는 Stokes–Einstein 관계처럼 점도에 반비례한다.
$D_{AB}\propto\dfrac{T}{\mu}$
확산계수 단위가 $m^{2}$/hr: 길이²/시간 차원이므로 맞다.
전달 속도가 농도구배에 비례: Fick 법칙 그 자체다.
전달량이 면적에 비례: 플럭스에 면적을 곱한 값이다.

압력차는 1.2 × 10⁴ N/$m^{2}$이다. 마노미터 양쪽 위에 흐르는 유체가 있으므로 밀도 차를 쓴다.
$\Delta P=(\rho_{Hg}-\rho_{CCl_4})gR$
$=(13600-1600)\times10\times0.1=1.2\times10^{4}\,\mathrm{N\,m^{-2}}$
1.36 × 10⁴: 수은 밀도만 써서 측정 유체 기둥을 빼지 않은 값이다.
1.52 × 10⁴: 두 밀도를 빼지 않고 더해 계산한 값이다.
1.6 × 10⁴: 밀도 차로 계산한 값과 맞지 않는다.

변동비로만 된 것은 원료비, 노무비, 설비 보수비다. 생산량에 따라 사용량이 달라지는 직접 생산비 항목이다.
감가상각비·설비비·일반 관리비는 생산량과 관계없이 발생하는 고정비다.
원료비·노무비·감가상각비: 감가상각비가 고정비다.
설비비·판매경비·감가상각비: 설비비·감가상각비가 고정비다.
설비비·원료비·일반 관리비: 설비비와 일반 관리비가 고정비다.

열전달 무차원군이 아닌 것은 Weber 수다. Weber 수는 관성력과 표면장력의 비로 액적·분무 등 유체역학에 쓰인다.
$We=\dfrac{\rho V^2L}{\sigma}$
Graetz 수: 관 입구 영역 층류 열전달에 쓰인다.
Peclet 수: 대류 열전달과 전도의 비(Re·Pr)다.
Fourier 수: 비정상 열전도의 무차원 시간이다.

복사 열전달량은 약 2.0 kW이다. 평행한 두 흑판(형태계수 1, ε = 1)이므로 Stefan–Boltzmann 식을 그대로 쓴다.
$T_1=127+273=400\,\mathrm{K}$, $T_2=227+273=500\,\mathrm{K}$
$q=\sigma A(T_2^4-T_1^4)=5.0\times10^{-8}\times1.0\times(6.25\times10^{10}-2.56\times10^{10})$
$q=1845\,\mathrm{W}\approx2.0\,\mathrm{kW}$
반드시 절대온도로 바꿔 네제곱한다.

노벽 1 $m^{2}$당 전열저항은 0.2 ℃·hr/kcal이다. 평판 전도 저항은 두께를 열전도도와 면적의 곱으로 나눈 값이다.
$R=\dfrac{L}{kA}=\dfrac{0.6}{3\times1}=0.2\,\mathrm{^{\circ}C\,hr\,kcal^{-1}}$
두께 600 mm를 0.6 m로 바꿔 단위를 맞춘다.

벤젠 조성은 액상 0.4, 기상 0.57이다. 라울 법칙으로 전압식을 세워 액 조성을 먼저 구한다.
$P=x P_B^{sat}+(1-x)P_T^{sat}$
$700=1000x+500(1-x)\;\Rightarrow\;x=0.4$
$y=\dfrac{xP_B^{sat}}{P}=\dfrac{0.4\times1000}{700}=0.571$

가장 적합한 제어기는 비례적분미분(PID) 제어기다. 적분 동작이 잔류편차를 없애고, 미분 동작이 응답을 빠르게 안정시킨다.
P는 현재 오차, I는 누적 오차, D는 오차 변화율에 비례해 조작한다.
비례제어기: 잔류편차(offset)가 남는다.
비례미분제어기: 응답은 빠르지만 적분 동작이 없어 잔류편차가 남는다.
비례적분제어기: 잔류편차는 없지만 미분 동작이 없어 안정화가 느리다.