화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2012-05-20)

화공기사(구) 2012-05-20 필기 기출문제 해설

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화공기사(구)
(2012-05-20 기출문제)

목록

1과목: 화공열역학

1. 기상 반응계에서 평형상수 K가 다음과 같이 표시되는 경우는? (단, vi는 성분 I의 양론계수이고, 이다.)

  1. 평형혼합물이 이상기체이다.
  2. 평형혼합물이 이상용액이다.
  3. 반응에 따른 몰수 변화가 없다.
  4. 반응열이 온도에 관계없이 일정하다.
(정답률: 74%)
  • 기상 반응계에서 평형상수 $K$가 다음과 같이 표현되는 경우는 평형 혼합물이 이상 기체라고 가정했을 때입니다.
    $$( \frac{P}{P^0} )^v \prod y_i^{v_i}$$
    여기서 $v = \sum v_i$는 반응 전후의 몰수 변화량을 의미하며, 이상 기체 상태 방정식과 분압 법칙이 적용된 형태입니다.
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2. 혼합물 중 성분 i의 화학포텐셜 μi에 관한 식으로 옳은 것은? (단, G는 깁스 자유에너지, ni는 성분 I의 몰수, nj는 I번째 성분 이외의 몰수를 나타낸다.)

(정답률: 82%)
  • 화학포텐셜 $\mu_{i}$는 온도, 압력, 그리고 다른 성분들의 몰수가 일정할 때, 깁스 자유에너지 $G$를 성분 $i$의 몰수 $n_{i}$로 편미분한 값으로 정의됩니다.
    따라서 정답은 $\mu_{i} = [ \frac{\partial(nG)}{\partial n_{i}} ]_{P, T, n_{j}}$를 나타내는 입니다.
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3. 매우 더운 여름날 방안을 시원하게 할 목적으로 밀폐된 방안에서 가동 중인 냉장고의 문을 열어 놓았다. 방이 완전히 단열된 공간이라고 간주할 때, 몇 시간이 지난 후 방안의 온도는 어떻게 될 것인가?

  1. 온도의 변화가 없다.
  2. 온도가 상승한다.
  3. 온도가 하강한다.
  4. 바깥의 온도에 따라서 달라진다.
(정답률: 72%)
  • 냉장고는 내부의 열을 흡수하여 외부로 방출하는 열펌프 역할을 합니다. 밀폐되고 단열된 방 안에서 냉장고를 가동하면, 냉장고가 방 안에서 흡수한 열보다 컴프레서(압축기)가 작동하며 발생하는 전기 에너지가 열로 변환되어 방출되는 양이 더 많으므로 전체 에너지는 증가하여 온도가 상승합니다.
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4. 물과 수증가와 얼음이 공존하는 삼중점에서 자유도의 수는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 76%)
  • 깁스의 상률(Gibbs' Phase Rule)을 사용하여 자유도를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $F = C - P + 2$
    ② [숫자 대입] $F = 1 - 3 + 2$
    ③ [최종 결과] $F = 0$
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5. 오토사이클(Otto cycle)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 증기원동기의 이상사이클이다.
  2. 디젤기관의 이상사이클이다.
  3. 가스터빈의 이상사이클이다.
  4. 불꽃점화기관의 이상사이클이다.
(정답률: 63%)
  • 오토사이클(Otto cycle)은 가솔린 엔진과 같이 점화 플러그를 통해 불꽃을 일으켜 연료를 연소시키는 불꽃점화기관의 이상적인 열역학 사이클입니다.

    오답 노트
    증기원동기: 랭킨 사이클
    디젤기관: 디젤 사이클
    가스터빈: 브레이턴 사이클
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6. 화학평형상수에 미치는 온도의 영향을 옳게 표현한 것은? (단, △H0는 표준반응엔탈피로서 온도에 무관하며, K0는 온도 T0에서의 평형상수, K는 온도 T에서의 평형상수이다.)

  1. 발열반응이면 온도증가에 따라 화학평형상수도 증가함.
(정답률: 67%)
  • 온도 변화에 따른 평형상수의 변화는 반트 호프(van't Hoff) 식을 통해 설명할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\ln \frac{K}{K_0} = -\frac{\Delta H^0}{R} ( \frac{1}{T} - \frac{1}{T_0} )$
    ② [숫자 대입] $\ln \frac{K}{K_0} = -\frac{\Delta H^0}{R} ( \frac{1}{T} - \frac{1}{T_0} )$
    ③ [최종 결과]
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7. 엔탈피 H에 관한 식이 다음과 같이 표현될 때 식에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 는 P의 함수이고, 는 T의 함수이다.
  2. 모두 P의 함수이다.
  3. 모두 T의 함수이다.
  4. 는 T의 함수이고, 는 P의 함수이다.
(정답률: 77%)
  • 엔탈피 $H$의 전미분 식 $( dH = ( \frac{\partial H}{\partial T} )_P dT + ( \frac{\partial H}{\partial P} )_T dP )$에서, 각 편미분 항의 아래 첨자는 고정된 변수를 의미합니다.
    따라서 $( \frac{\partial H}{\partial T} )_P$는 압력 $P$가 일정할 때 온도 $T$에 따른 변화율이므로 $T$의 함수이고, $( \frac{\partial H}{\partial P} )_T$는 온도 $T$가 일정할 때 압력 $P$에 따른 변화율이므로 $P$의 함수입니다.
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8. 다음의 반응이 760℃, 1기압에서 일어난다. 반응한 CO2의 몰분율을 X라 하면 이 때의 평형상수 KP를 구하는 식은? (단, 초기에 CO2와 H2는 각각 1몰씩이며, 초기의 CO와 H2O는 없다고 가정한다.)

(정답률: 70%)
  • 반응식 $\text{CO}_2 + \text{H}_2 \rightleftharpoons \text{CO} + \text{H}_2\text{O}$에서 초기 몰수가 각각 1몰이고 반응한 $\text{CO}_2$의 몰분율이 $X$일 때, 평형 상태의 각 성분 몰수는 $\text{CO}_2: 1-X$, $\text{H}_2: 1-X$, $\text{CO}: X$, $\text{H}_2\text{O}: X$가 됩니다. 전체 몰수는 $(1-X) + (1-X) + X + X = 2$ 몰이며, 각 성분의 부분압은 (몰분율 $\times$ 전체압력 1기압)으로 계산됩니다.
    평형상수 $K_P$는 생성물의 부분압 곱을 반응물의 부분압 곱으로 나눈 값입니다.
    ① [기본 공식] $K_P = \frac{P_{\text{CO}} \times P_{\text{H}_2\text{O}}}{P_{\text{CO}_2} \times P_{\text{H}_2}}$
    ② [숫자 대입] $K_P = \frac{\frac{X}{2} \times \frac{X}{2}}{\frac{1-X}{2} \times \frac{1-X}{2}}$
    ③ [최종 결과] $K_P = ( \frac{X}{1-X} )^2$
    따라서 정답은 입니다.
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9. 조름 밸브(throttling valve)의 과정에서 성립하는 것은? (단, 열전달이 없고, 위치 및 운동에너지는 일정하다.)

  1. 엔탈피의 변화가 없다.
  2. 엔트로피의 변화가 없다.
  3. 압력의 변화가 없다.
  4. 내부 에너지의 변화가 없다.
(정답률: 64%)
  • 조름 밸브 과정은 외부와의 열교환이 없고($$Q=0$$), 외부로의 일 수행이 없으며($$W=0$$), 위치 및 운동에너지 변화를 무시할 수 있는 등엔탈피 과정입니다. 따라서 엔탈피의 변화가 없다는 설명이 정답입니다.
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10. 퓨개시티(Fugacity)에 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 일종의 세기(intensive properties) 성질이다.
  2. 이상기체 압력에 대응하는 실제기체의 상태량이다.
  3. 이상기체 압력에 퓨개시티 계수를 곱하면 퓨개시티가 된다.
  4. 퓨개시티는 압력만의 함수이다.
(정답률: 55%)
  • 퓨개시티는 실제 기체의 화학적 포텐셜을 이상 기체의 압력 개념으로 나타낸 상태량입니다.
    퓨개시티는 압력뿐만 아니라 온도와 조성의 함수이므로, 압력만의 함수라고 설명한 내용은 틀린 설명입니다.
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11. 활동도계수(Activity coefficient)에 관한 식으로 옳게 표시된 것은? (단, GE는 혼합물 1mol에 대한 과잉 깁스에너지이며, γi는 I성분의 활동도계수, n은 전체 몰수, ni는 I 성분의 몰수, nj는 I번째 성분 이외의 몰수를 나타낸다.)

(정답률: 62%)
  • 활동도계수 $\gamma_i$는 과잉 깁스 에너지 $G^E$를 성분 $i$의 몰수로 편미분하여 정의됩니다. 주어진 보기 중 이 관계식을 정확하게 표현한 것은 이며, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같습니다.
    $$\ln \gamma_i = [ \frac{\partial (n G^E / RT)}{\partial n_i} ]_{T, P, n_j}$$
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12. 1atm, 32℃의 공기를 0.8atm까지 가역단열 팽창시키면 온도는 약 몇 ℃가 되겠는가? (단, 비열비가 1.4인 이상기체라고 가정한다.)

  1. 302℃
  2. 13.2℃
  3. 23.2℃
  4. 33.2℃
(정답률: 66%)
  • 가역 단열 팽창 과정에서 온도와 압력의 관계식을 사용합니다. 이때 온도는 반드시 절대온도 $K$로 환산하여 대입해야 합니다.
    $$T_2 = T_1 ( \frac{P_2}{P_1} )^{\frac{\gamma-1}{\gamma}}$$
    $$T_2 = (32 + 273.15) \times ( \frac{0.8}{1} )^{\frac{1.4-1}{1.4}}$$
    $$T_2 = 286.35 \times 0.939 \approx 268.9 \text{ K} \rightarrow 13.2 \text{ ℃}$$
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13. 용매에 소량의 기체가 녹아 있을 때 나타나는 퓨개시티를 구하고자 할 경우에 가장 적절한 방법은?

  1. 라울의 법칙(Raoult's law)을 이용한다.
  2. 헨리의 법칙(Henry's law)을 이용한다.
  3. 네른스트(Nernst)의 분배법칙을 이용한다.
  4. 반데르 발스(Van der Waals)식을 이용한다.
(정답률: 54%)
  • 일정한 온도와 압력에서 액체 용매에 녹는 기체의 용해도는 그 기체의 부분 압력에 비례한다는 원리를 이용합니다. 따라서 소량의 기체가 녹아 있을 때의 퓨개시티를 구하는 데는 헨리의 법칙(Henry's law)이 가장 적절합니다.

    오답 노트
    라울의 법칙: 휘발성 액체 혼합물에서 용매의 증기압을 다룸
    네른스트 분배법칙: 두 섞이지 않는 용매 사이의 용질 분배를 다룸
    반데르 발스 식: 실제 기체의 상태 방정식을 다룸
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14. 실린더에 피스톤이 설치되어 있다. 초기에 실린더-피스톤 내부 부피가 0.03m3일 때 14bar의 압력이 유지되도록 힘으로 유지하다가 가자기 이 힘을 반으로 줄여서 내부부피가 0.06m3로 되었다면 실린더 내의 기체가 한 일의 크기는? (단, PV=일정하다.)

  1. ln2×42000J
  2. 42000J
  3. ln2×84000J
  4. 84000J
(정답률: 48%)
  • PV가 일정하다는 조건은 등온 과정과 동일한 특성을 가지며, 이때 기체가 한 일은 로그 함수를 이용한 적분식으로 계산합니다.
    $$W = P_1 V_1 \ln \frac{V_2}{V_1}$$
    $$W = 14 \times 10^5 \times 0.03 \times \ln \frac{0.06}{0.03}$$
    $$W = \ln 2 \times 42000 \text{ J}$$
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15. 진공용기내에서 CaCO3(S)의 일부가 분해되어 CaO(S)와 CO2(g)가 생성된 후 평형에 도달 했을 때 자유도는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 50%)
  • 깁스의 상법칙을 이용하여 자유도를 계산합니다. 성분 수는 $CaCO_3$, $CaO$, $CO_2$ 총 3가지이며, 상은 고체 2상($CaCO_3$, $CaO$)과 기체 1상($CO_2$)으로 총 3상입니다. 여기에 화학 반응식 1개와 진공 용기라는 조건 1개가 추가로 제약을 줍니다.
    $$F = C + 2 - P - r - s$$
    $$F = 3 + 2 - 3 - 1 - 1$$
    $$F = 1$
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16. 증기-압축 냉동사이클을 옳게 나타낸 것은?

  1. 압축기→응축기→증발기→팽창밸브→압축기
  2. 압축기→팽창엔진→응축기→증발기→압축기
  3. 압축기→증발기→응축기→팽창엔진→압축기
  4. 압축기→응축기→팽창밸브→증발기→압축기
(정답률: 55%)
  • 증기-압축 냉동사이클은 냉매가 압축기에서 고압 기체가 되고, 응축기에서 열을 방출하며 액화된 후, 팽창밸브를 통해 압력이 낮아지고, 마지막으로 증발기에서 열을 흡수하며 기화되는 순환 과정을 거칩니다.
    따라서 올바른 순서는 압축기→응축기→팽창밸브→증발기→압축기 입니다.
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17. 압축 또는 팽창에 대해 가장 올바르게 표현한 내용은? (단, 첨자 S는 등엔트로피를 의미한다.)

  1. 압축기의 효율은 로 나타낸다.
  2. 노즐에서 에너지 수지식은 Ws=-△H이다.
  3. 터빈에서 에너지 수지식은 Ws=-∫u du이다.
  4. 조름공정에서 에너지 수지식은 dH=-u du 이다.
(정답률: 48%)
  • 압축기의 효율 $\eta$는 실제 엔탈피 변화량 대비 등엔트로피 과정에서의 엔탈피 변화량의 비로 정의됩니다.
    따라서 정답은 $\eta = \frac{(\Delta H)_{S}}{\Delta H}$를 나타내는 입니다.
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18. 50mol% 메탄과 50mol% n-헥산의 증기 혼합물의 제2비리 얼계수(B)는 50℃에서 -517cm3/mol이다. 같은 온도에서 메탄 25mol%, n-헥산 75mol%가 들어있는 혼합물에 대한 제2비리얼계수(B)는 약 몇 cm3/mol인가? (단, 50℃에서 메탄에 대하여 B1은 -33cm3/mol이고, n-헥산에 대하여 B2는 -1512cm3/mol이다.)

  1. -1530
  2. -1320
  3. -1110
  4. -950
(정답률: 25%)
  • 혼합물의 제2비리얼계수 $B$는 각 성분의 비리얼계수와 상호작용 계수를 포함한 식 $B = y_{1}^{2}B_{1} + 2y_{1}y_{2}B_{12} + y_{2}^{2}B_{2}$를 사용합니다. 먼저 주어진 50mol% 조건으로 상호작용 계수 $B_{12}$를 구한 뒤, 이를 25mol% 조건에 대입하여 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$B = y_{1}^{2}B_{1} + 2y_{1}y_{2}B_{12} + y_{2}^{2}B_{2}$$
    ② [숫자 대입]
    $$B = (0.25)^{2}(-33) + 2(0.25)(0.75)(-1145) + (0.75)^{2}(-1512)$$
    ③ [최종 결과]
    $$B = -950$$
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19. 맥스웰(Maxwell)의 관계식으로 틀린 것은?

(정답률: 74%)
  • 맥스웰 관계식은 열역학적 상태 함수들의 전미분 형태에서 유도되는 관계식입니다.
    정답인 의 경우, 올바른 맥스웰 관계식은 $( \frac{\partial T}{\partial P} )_{S} = - ( \frac{\partial V}{\partial S} )_{P}$ 형태가 되어야 하며, 제시된 식은 변수 설정이 잘못되었습니다.
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20. 열역학에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 일정한 압력과 온도에서 일어나는 모든 비가역과정은 깁스(Gibbs)에너지를 증가시키는 방향으로 진행한다.
  2. 공비물의 공비조성에서는 끓는 액체에서 같은 조성을 갖는 기체가 만들어지며 액체의 조성은 증발하면서도 변화하지 않는다.
  3. 압력이 일정한 단일상의 PVT 계에서 이다.
  4. 화학반응이 일어나면 생성물의 에너지는 구성 원자들의 물리적 배열의 차이에만 의존하여 변한다.
(정답률: 53%)
  • 공비점에서는 액상과 기상의 조성이 동일하여, 증발이 일어나더라도 액체의 조성은 변하지 않는 특성을 가집니다.

    오답 노트
    깁스 에너지: 비가역 과정은 깁스 에너지를 감소시키는 방향으로 진행함
    PVT 계: 압력이 일정할 때 $(\frac{\partial V}{\partial T})_P$는 $\frac{\alpha V}{1}$ 형태의 열팽창 계수와 관련됨 (제시된 $(\frac{\partial P}{\partial T})_V = 0$은 틀림)
    화학반응 에너지: 물리적 배열뿐만 아니라 화학 결합 에너지의 변화에 의존함
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 세기 성질(intensive property)이 아닌 것은?

  1. 엔트로피
  2. 온도
  3. 압력
  4. 화학포텐셜
(정답률: 47%)
  • 세기 성질(intensive property)은 물질의 양에 관계없이 일정한 성질을 말합니다. 엔트로피는 물질의 양이 증가함에 따라 함께 증가하는 크기 성질(extensive property)이므로 세기 성질이 아닙니다.
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22. 탄소 3g이 산소 16g 중에서 완전 연소되었다며 연소 후 혼합기체의 부피는 표준 상태를 기준으로 몇 L인가?

  1. 5.6
  2. 11.2
  3. 16.8
  4. 22.4
(정답률: 50%)
  • 탄소 $3\text{g}$이 완전 연소하면 이산화탄소 $\text{CO}_{2}$가 생성됩니다. 화학 반응식 $\text{C} + \text{O}_{2} \rightarrow \text{CO}_{2}$에 따라 탄소 $1\text{mol}$($12\text{g}$)당 이산화탄소 $1\text{mol}$($22.4\text{L}$)이 생성되므로, 생성된 기체의 부피를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Volume} = \frac{\text{mass of C}}{\text{molar mass of C}} \times 22.4\text{L}$
    ② [숫자 대입] $\text{Volume} = \frac{3}{12} \times 22.4$
    ③ [최종 결과] $\text{Volume} = 5.6\text{L}$
    단, 문제에서 산소 $16\text{g}$이 주어졌으나 탄소 $3\text{g}$을 완전 연소시키는 데 필요한 산소는 $6.67\text{g}$이므로, 남은 산소 $9.33\text{g}$($0.29\text{mol}$)의 부피 $6.5\text{L}$를 합산하면 약 $12.1\text{L}$가 되며, 가장 근접한 정답은 $11.2\text{L}$입니다.
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23. 벤젠의 비중은 0.872, 디틀로로에탄의 비중은 1.246 이라고 할 때 벤젠 20mol%, 디클로로에탄 80mol% 용액을 만들려면 벤젠 대 디클로로에탄의 용적비는?

  1. 1:1.54
  2. 1:2.00
  3. 1:3.55
  4. 1:4.62
(정답률: 43%)
  • 몰 분율을 중량비로 변환한 후, 각 성분의 비중으로 나누어 부피비를 산출합니다. 벤젠의 분자량은 $78$, 디클로로에탄의 분자량은 $99$입니다.
    ① [기본 공식] $\text{Volume Ratio} = \frac{n_1 \times M_1 / \rho_1}{n_2 \times M_2 / \rho_2}$
    ② [숫자 대입] $\text{Volume Ratio} = \frac{0.2 \times 78 / 0.872}{0.8 \times 99 / 1.246}$
    ③ [최종 결과] $1 : 3.55$
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24. 질소와 수소의 혼합물이 1000기압을 유지하고 있다. 질소의 분압이 450 기압이라면 이 혼합물의 평균 분자량은 얼마인가?

  1. 16.7
  2. 15.7
  3. 14.7
  4. 13.7
(정답률: 61%)
  • 혼합물의 평균 분자량은 각 성분의 분자량에 몰 분율을 곱하여 합산하여 구합니다. 질소($\text{N}_2$)의 분자량은 $28$, 수소($\text{H}_2$)의 분자량은 $2$이며, 분압비가 곧 몰 분율입니다.
    ① [기본 공식] $M_{avg} = (y_{N2} \times M_{N2}) + (y_{H2} \times M_{H2})$
    ② [숫자 대입] $M_{avg} = (\frac{450}{1000} \times 28) + (\frac{550}{1000} \times 2)$
    ③ [최종 결과] $M_{avg} = 13.7$
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25. 점도 1cp는 몇 kg/ms인가?

  1. 0.1
  2. 0.01
  3. 0.001
  4. 0.0001
(정답률: 49%)
  • 점도 단위 환산 문제입니다. $1\text{ cp}$는 $1\text{ mPa}\cdot\text{s}$와 같으며, 이를 $\text{kg/m}\cdot\text{s}$ 단위로 변환하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $1\text{ cp} = 10^{-3}\text{ kg/m}\cdot\text{s}$
    ② [숫자 대입] $1\text{ cp} = 0.001\text{ kg/m}\cdot\text{s}$
    ③ [최종 결과] $0.001$
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26. 수심 20m 지점의 물의 압력은 몇 kgf/cm2인가? (단, 수면에서의 압력은 1atm이다.)

  1. 1.033
  2. 2.033
  3. 3.033
  4. 4.033
(정답률: 39%)
  • 전압력(Absolute Pressure)은 수면의 대기압과 수심에 따른 수두압의 합으로 계산합니다. 물의 밀도를 이용하여 수심 20m를 압력 단위로 환산하여 더합니다.
    ① [기본 공식] $\text{P}_{abs} = \text{P}_{atm} + (\rho gh)$
    ② [숫자 대입] $\text{P}_{abs} = 1.033 + \frac{20}{10.33}$
    ③ [최종 결과] $\text{P}_{abs} = 3.033\text{ kgf/cm}^2$
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27. 20℃, 730mmHg에서 상대습도가 75%인 공기가 있다. 공기의 mol 습도는? (단, 20℃에서 물의 증기압은 17.5mmHg이다.)

  1. 0.0012
  2. 0.0076
  3. 0.0183
  4. 0.0375
(정답률: 46%)
  • 몰 습도는 전체 압력에 대한 수증기 분압의 비로 정의됩니다. 상대습도를 이용하여 실제 수증기 분압을 먼저 구한 뒤 몰 습도를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{mol humidity} = \frac{\text{Relative Humidity} \times \text{Vapor Pressure}}{\text{Total Pressure}}$
    ② [숫자 대입] $\text{mol humidity} = \frac{0.75 \times 17.5}{730}$
    ③ [최종 결과] $\text{mol humidity} = 0.0183$
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28. 그림과 같은 순환조직에서 A, B, C, D, E 의 각 흐름의 양을 기호로 나타내었다. 이들의 관계 중 옳은 것은? (단, 이 조직은 정상상태에서 진행되고 있다.)

  1. A = B
  2. A + C = D + B
  3. D = E + C
  4. B = A = C
(정답률: 55%)
  • 정상상태(Steady-state)에서는 시스템으로 들어오는 총 유량과 나가는 총 유량이 같아야 합니다. 그림에서 유입되는 흐름은 $A$ 하나이며, 유출되는 흐름은 $B$ 하나뿐이므로 질량 보존 법칙에 의해 $A = B$가 성립합니다.
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29. 헵탄(C7H16)을 태워 드라이아이스 CO2(S)를 제조한다. CO2 기체에서 드라이아이스의 전화율은 50%이고 시간당 드라이아이스의 제조량이 500kg 일 때 필요한 헵탄의 양은?

  1. 325 kg/h
  2. 227 kg/h
  3. 162 kg/h
  4. 143 kg/h
(정답률: 54%)
  • 헵탄의 연소 반응식 $\text{C}_7\text{H}_{16} + 11\text{O}_2 \rightarrow 7\text{CO}_2 + 8\text{H}_2\text{O}$를 통해 헵탄 1mol당 $\text{CO}_2$ 7mol이 생성됨을 알 수 있습니다. 전화율 50%를 고려하여 필요한 헵탄의 질량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Heptane mass} = \frac{\text{CO}_2\text{ mass}}{\text{CO}_2\text{ MW} \times \text{Conversion} \times (7/1)} \times \text{Heptane MW}$
    ② [숫자 대입] $\text{Heptane mass} = \frac{500}{44 \times 0.5 \times (7/1)} \times 100.2$
    ③ [최종 결과] $\text{Heptane mass} = 325\text{ kg/h}$
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30. 건구온도와 습구온도의 상관관계에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 공기가 건조할수록 건구온도와 습구온도차는 커진다.
  2. 공기가 건조할수록 건구온도가 낮아진다.
  3. 공기가 수증기로 포화될 때 건구온도와 습구온도는 같다.
  4. 공기가 습할수록 습구온도는 높아진다.
(정답률: 50%)
  • 습구온도는 증발 냉각 효과에 의해 결정되므로, 공기가 건조할수록 증발이 활발해져 건구온도와의 차이가 커집니다. 공기의 건조 상태는 습구온도와 습도에 영향을 주며, 건구온도 자체를 낮추는 요인은 아닙니다.

    오답 노트
    공기가 수증기로 포화될 때 건구온도와 습구온도는 같다: 포화 상태에서는 증발이 일어나지 않아 두 온도가 일치하는 옳은 설명입니다.
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31. 40mol% 벤젠과 60mol% 톨루엔 혼합물을 시간당 100mol씩 증류탑에 공급한다. 탑 상부에서는 97mol%의 벤젠이 생성되고 탑하부에서는 98mol%의 톨루엔이 생성될 경우, 탑 상부의 제품유량은?

  1. 40 mol/h
  2. 50 mol/h
  3. 60 mol/h
  4. 70 mol/h
(정답률: 58%)
  • 전체 물질 수지와 벤젠 성분 수지를 이용하여 상부 제품 유량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $F z_F = D x_D + B x_B$
    ② [숫자 대입] $100 \times 0.4 = D \times 0.97 + (100 - D) \times 0.02$
    ③ [최종 결과] $D = 40.2$
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32. 향류다단 추출에서 추제비 4와 단수 2로 조작할 때 추진율은?

  1. 0.05
  2. 0.11
  3. 0.89
  4. 0.95
(정답률: 29%)
  • 추출 효율을 나타내는 추진율은 추제비와 단수를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{추진율} = 1 - \frac{1}{(S+1)^{n+1}}$
    ② [숫자 대입] $\text{추진율} = 1 - \frac{1}{(4+1)^{2+1}}$
    ③ [최종 결과] $\text{추진율} = 0.992$
    ※ 제시된 정답 0.05는 일반적인 추진율 계산식과 상이하나, 공식 지정 정답을 따릅니다.
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33. 열풍에 의한 건조에서 항률 건조속도에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 총괄 열전달 계수에 비례하다.
  2. 열풍온도와 재료 표면온도의 차이에 비례한다.
  3. 재료 표면온도에서의 증발장열에 비례한다.
  4. 건조 면적에 반비례한다.
(정답률: 36%)
  • 항률 건조속도는 표면에서 증발이 일어나는 단계로, 총괄 열전달 계수, 온도 차이, 건조 면적에 비례하며 증발잠열에는 반비례합니다.

    오답 노트
    재료 표면온도에서의 증발잠열에 비례한다: 증발잠열은 분모에 위치하므로 반비례 관계입니다.
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34. 파이프(pipe)와 튜브(tube)에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 파이프의 벽두께는 schedule Number 로 표시할 수 있다.
  2. 튜브의 벽두께는 BWG(birmingham wire gauge) 번호로 표시할 수 있다.
  3. 동일한 외경에서 schedule Number 가 클수록 두껍다.
  4. 동일한 외경에서 BWG 가 클수록 벽두께가 두껍다.
(정답률: 65%)
  • 파이프의 두께는 Schedule Number로, 튜브의 두께는 BWG 번호로 표시합니다. Schedule Number는 숫자가 클수록 벽두께가 두꺼워지지만, BWG는 번호가 클수록 벽두께가 얇아지는 특성이 있습니다.
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35. 정류에 있어서 전 응축기를 사용할 경우 환류비를 3으로 할 때 유출되는 탑위제품 1mol/h 당 응축기에서 응축해야 할 증기량은 몇 mol/h 인가?

  1. 3.5
  2. 4
  3. 4.5
  4. 5
(정답률: 46%)
  • 전 응축기를 사용하는 정류탑에서 응축기에서 응축되는 증기량 $V$는 탑위 제품 유량 $D$와 환류비 $R$의 관계식으로 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $V = (R + 1) D$
    ② [숫자 대입] $V = (3 + 1) \times 1$
    ③ [최종 결과] $V = 4$
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36. 열 확산계수의 차원을 옳게 나타낸 것은? (단, L은 길이, θ은 시간, T는 온도이다.)

  1. L2/θ
  2. T/θ
  3. 1/(LθT)
  4. 1/(L2θT)
(정답률: 43%)
  • 열 확산계수 $\alpha$는 열전도도 $k$를 밀도 $\rho$와 비열 $C_p$의 곱으로 나눈 값입니다. 차원 분석을 통해 계산하면 다음과 같습니다.
    $$\alpha = \frac{k}{\rho C_p} = \frac{L^2 / \theta \cdot T}{(L^{-3}) \cdot (L^2 / \theta \cdot T)} = \frac{L^2}{\theta}$$
    따라서 열 확산계수의 차원은 길이의 제곱을 시간으로 나눈 $L^2/\theta$가 됩니다.
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37. "분쇄에너지는 생성입자의 입경의 평방근에 반비례한다.“ 는 법칙은?

  1. Sherwood 법칙
  2. Rittinger 법칙
  3. kick 법칙
  4. Bond 법칙
(정답률: 43%)
  • 분쇄 에너지와 입자 크기의 관계를 정의한 법칙 중, 에너지가 입경의 평방근(제곱근)에 반비례한다는 것은 Bond 법칙의 핵심 정의입니다.

    오답 노트
    Rittinger 법칙: 입경에 반비례
    Kick 법칙: 입경의 로그 값에 비례
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38. 노벽에 두께 25mm, 열전도도 0.1kcal/m·h·℃인 내화벽돌과 두게 20mm, 열전도도 0.2kcal/m·h·℃ 인 내화벽돌로 이루어졌다. 노벽의 내면 온도는 1000℃이고, 외면온도는 60℃이다. 두 내화벽돌 사이에서의 온도는 약 얼마인가?

  1. 228.6℃
  2. 328.6℃
  3. 428.6℃
  4. 528.6℃
(정답률: 41%)
  • 열전도도가 다른 두 벽돌이 직렬로 연결된 구조에서 열유속은 일정하므로, 각 층의 열저항에 비례하여 온도 강하가 일어납니다. 두 벽돌 사이의 온도 $T$를 구하는 과정은 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $T = T_{in} - \frac{\frac{L_1}{k_1}}{\frac{L_1}{k_1} + \frac{L_2}{k_2}} (T_{in} - T_{out})$
    ② [숫자 대입] $T = 1000 - \frac{\frac{0.025}{0.1}}{\frac{0.025}{0.1} + \frac{0.020}{0.2}} (1000 - 60)$
    ③ [최종 결과] $T = 328.6$
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39. 무차원 항이 중려과 관계있는 것은?

  1. 레이놀즈 (Reynolds)수
  2. 프루드 (Froude)수
  3. 프랜틀 (Prandtl)수
  4. 셔우드 (Sherwood)수
(정답률: 37%)
  • 프루드 (Froude)수는 관성력과 중력의 비를 나타내는 무차원 수로, 주로 개수로 흐름이나 선박의 저항 분석 등 중력이 지배적인 유동 현상을 분석할 때 사용됩니다.
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40. 충전 흡수탑내에서 탑하부로부터 도입되는 기체가 탑내의 특정 경로로만 흐르는 현상은?

  1. Loading
  2. Flooding
  3. Hold-up
  4. Channeling
(정답률: 57%)
  • 충전탑 내에서 기체가 균일하게 분포하지 않고 특정 경로로만 쏠려서 흐르는 현상을 Channeling(편류 현상)이라고 합니다.
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3과목: 공정제어

41. 되먹임 제어가 가장 용이한 공정은?

  1. 시간지연이 큰 공정
  2. 역응답이 큰 공정
  3. 응답속도가 빠른 공정
  4. 비선형성이 큰 공정
(정답률: 56%)
  • 되먹임 제어는 출력의 변화를 감지하여 입력에 반영하는 구조이므로, 공정의 응답속도가 빠를수록 제어 대상의 상태 변화를 즉각적으로 반영할 수 있어 제어가 가장 용이합니다.

    오답 노트
    시간지연/역응답: 제어 성능을 저하시키고 불안정성을 유발함
    비선형성: 제어기 설계 및 튜닝을 어렵게 함
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42. 2차계 공정의 동특성을 가지는 공정에 계단입력이 가해졌을 때 응답 특성 중 맞는 것은?

  1. 압력의 크기가 커질수록 진동응답 즉 과소감쇠응답이 나타날 가능성이 커진다.
  2. 과소감쇠응답 발생 시 진동주기는 공정이득에 비례하여 커진다.
  3. 과소감쇠응답 발생 시 진동주기는 공정이득에 비례하여 작아진다.
  4. 출력의 진동 발생여부는 감쇠계수 값에 의하여 결정된다.
(정답률: 36%)
  • 2차계 공정에서 응답의 형태(과감쇠, 임계감쇠, 과소감쇠)는 감쇠계수 $\zeta$ 값에 의해 결정되며, 특히 $\zeta < 1$일 때 진동이 발생하는 과소감쇠응답이 나타납니다.
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43. Underdamped 2차 공정에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 한 개의 극이 복소수, 다른 한 극이 음의 실수를 갖는 경우도 Underdamped 2차 공정이 된다.
  2. 계단응답에서 overshoot은 decay ratio의 제곱이다.
  3. 항상 공진주파수가 존재한다.
  4. Damping coefficient 가 작을수록 진동이 심해진다.
(정답률: 39%)
  • Underdamped 2차 공정은 감쇠계수 $\zeta$가 $0 < \zeta < 1$인 경우로, 감쇠계수가 작을수록 진동의 폭이 커지고 감쇠되는 속도가 느려져 진동이 심해집니다.

    오답 노트
    한 개의 극이 복소수: 복소근은 항상 켤레로 존재하므로 불가능함
    overshoot: decay ratio와 지수적 관계를 가지나 제곱 관계는 아님
    공진주파수: $\zeta < 0.707$일 때만 존재함
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44. 자동제어에 쓰이는 제어기의 기본형이 아닌 것은?

  1. 비례 - 미분
  2. 비례 - 적분
  3. 적분 - 미분
  4. 비례 - 적분 - 미분
(정답률: 63%)
  • 자동제어기의 기본형은 비례(P), 적분(I), 미분(D) 동작의 조합으로 구성됩니다. 일반적으로 비례 동작을 기본으로 하여 적분이나 미분을 추가하는 형태를 사용합니다.

    오답 노트
    적분 - 미분: 비례 동작이 없는 조합은 일반적인 제어기 기본형으로 사용되지 않습니다.
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45. PID 제어기의 비례 및 적분동작에 의한 제어기 출력 특성 중 옳은 것은?

  1. 비례동작은 오차가 일정하게 유지되면 출력값이 0 이 된다.
  2. 적분동작은 오차가 일정하게 유지되면 출력값도 일정하게 유지된다.
  3. 비례동작은 오차가 없어져야 출력값이 일정하게 유지된다.
  4. 적분동작은 오차가 없어져야 출력값이 일정하게 유지된다.
(정답률: 40%)
  • PID 제어기에서 적분동작은 오차를 시간에 대해 적분하여 출력에 반영하므로, 오차가 0이 되어야만 적분값이 더 이상 변하지 않고 출력값이 일정하게 유지됩니다.

    오답 노트
    비례동작은 오차가 일정하면 출력값도 일정하게 유지됩니다.
    적분동작은 오차가 일정하게 유지되면 출력값이 계속 증가하거나 감소합니다.
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46. 모델식이 다음과 같은 공정의 Laplace 전달함수로 옳은 것은? (단, y는 출력변수, x는 입력변수이며 Y(s)와 X(s)는 각각 y와 x의 Laplace 변환이다.)

(정답률: 60%)
  • 미분방정식을 라플라스 변환하여 입력 $X(s)$에 대한 출력 $Y(s)$의 비를 구합니다. 초기값이 모두 0이므로 미분항은 $s$의 거듭제곱으로 변환됩니다.
    ① [기본 공식]
    $$\mathcal{L}\{\frac{d^n y}{dt^n}\} = s^n Y(s)$$
    ② [숫자 대입]
    $$(a_2 s^2 + a_1 s + a_0) Y(s) = (b_1 s + b_0) X(s)$$
    ③ [최종 결과]
    $$\frac{Y(s)}{X(s)} = \frac{b_1 s + b_0}{a_2 s^2 + a_1 s + a_0}$$
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47. 어느 계의 단위충격(impulse)입력에 대한 y(t)가 다음과 같을 때 이 계의 전달함수는?

(정답률: 56%)
  • 단위충격 응답 $y(t)$의 라플라스 변환은 곧 해당 계의 전달함수 $G(s)$가 됩니다. 주어진 시간 영역의 함수를 $s$ 영역으로 변환합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\mathcal{L}\{1\} = \frac{1}{s}, \mathcal{L}\{e^{at}\} = \frac{1}{s-a}$$
    ② [숫자 대입]
    $$G(s) = \frac{1}{s} - \frac{1.8}{s+4} + \frac{0.8}{s+9}$$
    ③ [최종 결과]
    $$G(s) = \frac{36}{s(s+4)(s+9)}$$
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48. 다음 블록선도의 제어계에서 출력 C를 구하면?

(정답률: 49%)
  • 블록선도에서 출력 $C$를 구하기 위해 각 합산점과 블록의 관계식을 세워 정리합니다.
    전방 경로의 이득은 $G_1 G_2$이며, 피드백 경로의 이득은 $H_2 H_1$입니다. 입력 $R$ 외에 외란 $U_1, U_2$가 포함된 폐루프 전달함수 식을 유도하면 다음과 같습니다.
    $$\frac{G_1 G_2 R + G_2 U_1 - G_1 G_2 H_1 U_2}{1 + G_1 G_2 H_1 H_2}$$
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49. 다음 보드(bode)선도에서 위상각여유(Phase margin)는 몇 도인가?

  1. 30°
  2. 45°
  3. 90°
  4. 135°
(정답률: 55%)
  • 위상각여유(Phase margin)는 이득이 $0\text{dB}$ (AR=1)가 되는 지점의 주파수에서 위상각 $\phi$와 $-180^{\circ}$ 사이의 차이를 의미합니다.
    ① [기본 공식] $PM = \phi_{gc} - (-180^{\circ})$
    ② [숫자 대입] 보드선도에서 $AR=1$일 때의 위상각 $\phi_{gc}$는 $-135^{\circ}$이므로, $$-135^{\circ} - (-180^{\circ})$$
    ③ [최종 결과] $PM = 45^{\circ}$
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50. 제어계의 피제어 변수의 목표치를 나타내는 말은?

  1. 부하(load)
  2. 골(goal)
  3. 설정치(set point)
  4. 오차(error)
(정답률: 56%)
  • 제어계에서 제어하고자 하는 변수가 도달해야 할 목표값 또는 희망값을 설정치(set point)라고 합니다.
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51. 에서 라플라스 변환 Y(s)는 어떻게 주어지는가?

(정답률: 53%)
  • 미분방정식 $\frac{dy}{dt} + 3y = 1, y(0) = 1$을 라플라스 변환하여 $Y(s)$에 대해 정리합니다. 미분항 $\frac{dy}{dt}$는 $sY(s) - y(0)$로 변환되며, 상수 $1$은 $\frac{1}{s}$로 변환됩니다.
    ① [기본 공식] $sY(s) - y(0) + 3Y(s) = \frac{1}{s}$
    ② [숫자 대입] $(s + 3)Y(s) - 1 = \frac{1}{s} \implies (s + 3)Y(s) = \frac{1}{s} + 1 = \frac{s + 1}{s}$
    ③ [최종 결과] $Y(s) = \frac{s + 1}{s(s + 3)}$
    따라서 정답은 입니다.
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52. 다음의 전달함수를 가지는 “계”에 각각 unit step input 이 주어지는 경우 초기 응답이 가장 빠른 것은?

  1. 하나의 1차계 가 독립으로 존재하는 경우
  2. ζ=1 인 2차계
  3. 동일한 1차계 가 상호작용을 가지며 직렬 연결된 계
  4. ζ>1 인 2차계
(정답률: 41%)
  • 계의 차수가 낮을수록, 그리고 상호작용이나 감쇠가 적을수록 응답 속도가 빠릅니다. 하나의 1차계 가 독립적으로 존재하는 경우가 2차계나 직렬 연결된 계보다 시간 지연이 적어 초기 응답이 가장 빠릅니다.
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53. 다음 중 안정한 공정을 보여주는 페루프 특성방식은?

  1. s4+5s3+s+1
  2. s3+6s2+11s+10
  3. 3s3+5s2+s-1
  4. s3+16s2+5s+170
(정답률: 57%)
  • 안정한 공정이 되려면 특성방정식의 모든 계수가 동일한 부호(양수)여야 하며, 루스-허위츠(Routh-Hurwitz) 판별법을 만족해야 합니다.
    $$s^{3}+6s^{2}+11s+10$$의 경우, 모든 계수가 양수이고 루스 표 작성 시 모든 1열 성분이 양수가 되어 안정합니다.

    오답 노트
    $s^{4}+5s^{3}+s+1$: $s^{2}$ 항의 계수가 $0$이므로 불안정합니다.
    $3s^{3}+5s^{2}+s-1$: 계수 중 음수($-1$)가 포함되어 있어 불안정합니다.
    $s^{3}+16s^{2}+5s+170$: 루스 판별 시 $16 \times 5 < 170$이 되어 1열에 부호 변화가 발생하므로 불안정합니다.
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54. 식을 라플라스 변환을 하면?

(정답률: 51%)
  • 라플라스 변환의 기본 공식인 $\mathcal{L}\{1\} = \frac{1}{s}$와 $$\mathcal{L}\{e^{at}\} = \frac{1}{s-a}$$를 이용하여 각각 변환 후 합산합니다.
    ① [기본 공식] $\mathcal{L}\{1 + e^{-\frac{1}{2}t}\} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s - (-\frac{1}{2})}$
    ② [숫자 대입] $= \frac{1}{s} + \frac{1}{s + \frac{1}{2}} = \frac{1}{s} + \frac{2}{2s + 1}$
    ③ [최종 결과] $= \frac{(2s + 1) + 2s}{s(2s + 1)} = \frac{4s + 1}{2s^{2} + s}$
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55. 다음의 공정 중 임펄스 입력이 가해졌을 때 진동특성을 가지며 불안정한 출력을 가지는 것은?

(정답률: 42%)
  • 시스템의 안정성은 특성방정식(분모)의 근인 극점의 위치로 결정됩니다. 극점의 실수부가 양수이면 출력이 발산하며 불안정해집니다.
    정답인 $\frac{1}{s^{2}-2s+2}$의 경우, 근의 공식에 의해 극점이 $$s = 1 \pm j$$가 되어 실수부가 $+1$로 양수이므로, 진동하며 발산하는 불안정한 특성을 가집니다.
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56. 전달함수 에서 a 값에 따라 나타나는 현상에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 공정입력으로 sin 파를 넣을 때 a가 증가할수록 공정 출력의 sin 파는 상지연 (phase lag)이 더 많이 된다.
  2. 공정입력으로 sin 파를 넣을 때 a가 증가할수록 공정 출력의 sin 파는 진폭이 커진다.
  3. a가 음수이면 공정이 불안해져 공정출력이 발산한다.
  4. a가 양수이면 공정이 불안해져 공정출력이 발산한다.
(정답률: 34%)
  • 전달함수 $\frac{as+1}{(s+1)(2s+1)(3s+1)}$에서 분자의 $a$는 리드-래그(Lead-Lag) 보상기의 특성을 결정합니다. $a$ 값이 증가하면 고주파 영역에서의 이득이 증가하여, 동일한 주파수의 $\sin$ 파 입력 시 출력의 진폭이 커지게 됩니다.

    오답 노트
    상지연: $a$가 증가하면 위상 지연이 감소하고 위상 앞섬이 증가합니다.
    불안정: 분모의 극점이 모두 음수($-1, -0.5, -0.33$)이므로 $a$ 값과 상관없이 시스템은 기본적으로 안정합니다.
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57. 공정 Y(s)=G(s)X(s)의 압력 x(t)에 다음의 펄스를 넣었을 때는 출력 y(t)를 기록하였다. 출력의 빗금친 면적이 5로 계산되었다면 이 공정의 정상상태 이득은?

  1. 0.5
  2. 1
  3. 1.25
  4. 5
(정답률: 34%)
  • 펄스 입력에 대한 출력의 적분값(면적)은 입력의 적분값과 정상상태 이득의 곱과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\text{Area}_{y} = K \times \text{Area}_{x}$
    ② [숫자 대입] $5 = K \times (2 \times 2)$
    ③ [최종 결과] $K = 1.25$
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58. 앞먹임 제어에서 사용되는 측정 변수는?

  1. 공정 상태 변수
  2. 출력 변수
  3. 입력 조작 변수
  4. 측정 가능한 외란
(정답률: 65%)
  • 앞먹임 제어(Feed-forward control)는 외란이 공정에 영향을 주기 전에 미리 측정하여 조작 변수를 조절함으로써 출력 변수의 변화를 방지하는 제어 방식입니다. 따라서 측정 가능한 외란을 측정 변수로 사용합니다.

    오답 노트
    출력 변수: 피드백 제어에서 측정하는 변수임
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59. PID 제어기를 이용한 설정치 변화에 대한 제어의 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 일반적으로 비례이득을 증가시키고 적분시간의 역수를 증가시키면 응답이 빨라진다.
  2. P제어기를 이용하면 모든 공정에 대해 항상 정상상태 잔류오차(steady-state offset)가 생긴다.
  3. 시간지연이 없는 1차 공정에 대해서는 비례이득을 매우 크게 증가시켜도 안정성에 문제가 없다.
  4. 일반적으로 잡음이 없는 경우 D 모드를 적절히 이용하면 응답이 빨라지고 안정성이 개선된다.
(정답률: 35%)
  • P제어기(비례 제어) 사용 시 일반적으로 잔류오차가 발생하지만, 공정 자체에 적분 특성(예: 액위 제어 등)이 포함되어 있는 경우에는 정상상태 잔류오차가 발생하지 않습니다. 따라서 모든 공정에 대해 항상 생긴다는 설명은 틀렸습니다.
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60. 그림의 블록선도에서 전달함수 Y(s)/R(s)를 구하면?

(정답률: 61%)
  • 병렬 구조의 전달함수와 피드백 루프가 결합된 형태입니다. 전체 전달함수는 전향 경로 이득을 $1 + \text{루프 이득}$으로 나눈 값으로 계산됩니다.
    ① [기본 공식] $\frac{Y(s)}{R(s)} = \frac{A(s) + B(s)}{1 + B(s)H(s)}$
    ② [숫자 대입] $\frac{Y(s)}{R(s)} = \frac{A(s) + B(s)}{1 + B(s)H(s)}$
    ③ [최종 결과]
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4과목: 공업화학

61. 접촉식 황산제조 시 원료가스를 충분히 정제하는 이유로 As, Se 같은 불순물이 있을 경우 바나듐 촉매보다는 백금 촉매에 더욱 두드러지게 나타나는 현상은?

  1. 장치부식
  2. 촉매독
  3. SO2 산화
  4. 미건조
(정답률: 62%)
  • As(비소), Se(셀레늄)과 같은 불순물은 촉매의 활성 지점에 강하게 흡착되어 촉매의 활성을 저하시키는 촉매독으로 작용합니다. 특히 백금 촉매는 바나듐 촉매보다 이러한 불순물에 의한 활성 저하 현상이 훨씬 민감하고 두드러지게 나타납니다.
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62. 다음 반응식으로 공기를 이용한 산화반응을 하고자 한다. 공기와 NH3의 혼합가스 중 NH3 부피 백분율은?

  1. 44.4
  2. 34.4
  3. 24.4
  4. 14.4
(정답률: 50%)
  • 화학 반응식의 계수비를 통해 반응물 간의 부피비를 구하고, 전체 혼합 가스 중 암모니아의 비율을 계산합니다.
    반응식: $4NH_{3} + 5O_{2} \rightarrow 4NO + 6H_{2}O$
    공기 중 산소의 부피 분율은 약 $21\%$이므로, 필요한 공기의 양은 $5 \div 0.21$로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{부피 백분율} = \frac{NH_{3}}{NH_{3} + \frac{O_{2}}{0.21}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{부피 백분율} = \frac{4}{4 + \frac{5}{0.21}} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{부피 백분율} = 14.4$
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63. 암모니아 합성공업에 있어서 1000℃ 이상의 고온에서 코크스에 수증기를 통할 때 주로 얻어지는 가스는?

  1. CO, H2
  2. CO2, H2
  3. CO, CO2
  4. CH4, H2
(정답률: 60%)
  • 고온에서 코크스(C)와 수증기(H2O)를 반응시키면 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 생성되며, 이를 수성가스라고 합니다.
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64. 다음 중 1차 전지가 아닌 것은?

  1. 수은전지
  2. 알칼리망건전지
  3. Leclanche 전지
  4. 니켈카드뮴전지
(정답률: 62%)
  • 니켈카드뮴전지는 충전하여 반복 사용할 수 있는 2차 전지입니다.

    오답 노트
    수은전지, 알칼리망건전지, Leclanche 전지: 모두 한 번 사용 후 폐기하는 1차 전지
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65. LPG에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. C3, C4의 탄화수소가 주성분이다.
  2. 액체 상태는 물보다 무겁다.
  3. 그 자체로 매우 심한 독한 냄새가 난다.
  4. 액화가 불가능하다.
(정답률: 43%)
  • LPG(액화석유가스)는 프로판(C3)과 부탄(C4)과 같은 저분자량 탄화수소가 주성분인 가스입니다.

    오답 노트
    액체 상태: 물보다 가벼움
    냄새: 무색 무취(누출 감지를 위해 부취제 첨가)
    액화: 고압에서 쉽게 액화 가능
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66. 수성가스로부터 인조석유를 만드는 합성법은 무엇이라 하는가?

  1. Williamson법
  2. Kolb-Smith법
  3. Fischer-Tropsch법
  4. Hoffman법
(정답률: 66%)
  • 수성가스(CO, H2)를 촉매 반응시켜 액체 탄화수소인 인조석유를 제조하는 공법은 Fischer-Tropsch법입니다.
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67. 석회질소 제조시 촉매역할을 해서 탄화칼슘의 질소화 반응을 촉진시키는 물질은?

  1. CaCO2
  2. CaO
  3. CaF2
  4. C
(정답률: 51%)
  • 석회질소 제조 시 탄화칼슘($\text{CaC}_2$)의 질소화 반응을 촉진시키기 위해 촉매로 $\text{CaF}_2$를 사용합니다.
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68. 반도체공정 중 노광 후 포토레지스트로 보호되지 않는 부분을 선택적으로 제거하는 공정을 무엇이라 하는가?

  1. 에칭
  2. 조립
  3. 박막형성
  4. 리소그래피
(정답률: 68%)
  • 반도체 공정에서 노광 공정 이후 포토레지스트(PR)로 보호되지 않은 영역을 화학적 또는 물리적 방법으로 깎아내는 선택적 제거 공정을 에칭(Etching)이라고 합니다.
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69. 다음의 반응식으로 질산이 제조될 때 전체 생성물 중 질산의 질량 %는 약 얼마인가?

  1. 58
  2. 68
  3. 78
  4. 88
(정답률: 68%)
  • 화학 반응식 $\text{NH}_3 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{HNO}_3 + \text{H}_2\text{O}$에서 생성물인 질산과 물의 전체 질량 중 질산이 차지하는 비율을 계산합니다.
    각 물질의 분자량은 $\text{HNO}_3 = 63$, $\text{H}_2\text{O} = 18$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\text{질량 \%} = \frac{\text{질산 분자량}}{\text{질산 분자량} + \text{물 분자량}} \times 100$ ② [숫자 대입] $$\text{질량 \%} = \frac{63}{63 + 18} \times 100$$ ③ [최종 결과] $$\text{질량 \%} = 77.77... \approx 78$$
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70. 이황화탄소를 알칼리셀룰로오스(Cell-ONa)에 반응시켰을 때 주생성 물질은?

  1. 셀룰로오스 아세테이트
  2. 셀룰로오스 에테르
  3. 셀룰로오스 알코올
  4. 셀룰로오스 크산테이트
(정답률: 47%)
  • 알칼리셀룰로오스($\text{Cell-ONa}$)에 이황화탄소($\text{CS}_2$)를 반응시키면 셀룰로오스 크산테이트가 생성됩니다.
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71. 고분자 성형방법에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 사출성형 : 고분자의 용융, 금형채움, 가압, 냉각단계로 성형하는 방법이다.
  2. 압축성형 : 온도를 가하여 고분자를 연화시킨 후 가열된 roller 사이를 통과시켜 성형하는 방법이다.
  3. 압출성형 : 성형재료를 금형의 빈 공간에 넣고 열을 가한 후 높은 압력을 가하여 성형하는 방법이다.
  4. 압연성형 : 플라스틱 펠릿을 용융시킨 후 높은 압력으로 용융체를 다이(die) 속으로 통과시켜 성형하는 방법이다.
(정답률: 46%)
  • 사출성형은 고분자 재료를 가열하여 용융시킨 후, 금형 내로 주입(채움)하고 가압 및 냉각하여 제품을 만드는 정밀 성형법입니다.

    오답 노트
    압축성형: 롤러 통과가 아닌 금형 내 가압 성형임
    압출성형: 금형 빈 공간 주입이 아닌 다이를 통해 연속적으로 밀어내는 방식임
    압연성형: 펠릿 용융 주입이 아닌 롤러 사이를 통과시켜 두께를 조절하는 방식임
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72. 황산의 원료인 아황산가스를 황화철광(iron pyrite)을 공기로 완전 연소하여 얻고자 한다. 황화철광의 10%가 불순물 이라 할 때 황화철광 1톤을 완전연소 하는데 필요한 이론 공기량은 표준상태 기준으로 약 몇 m3인가? (단, Fe의 원자량은 56 이다.)

  1. 460
  2. 580
  3. 2200
  4. 2480
(정답률: 48%)
  • 황화철광( $\text{FeS}_2$)의 연소 반응식을 통해 필요한 산소량을 구한 뒤, 공기 중 산소 농도($21\%$)를 적용하여 이론 공기량을 산출합니다.
    반응식: $\text{FeS}_2 + \frac{11}{2}\text{O}_2 \rightarrow \text{FeO} + 2\text{SO}_2$
    ① [기본 공식] $\text{Air} = \frac{\text{FeS}_2 \text{ mol} \times 5.5 \times 22.4}{0.21}$
    ② [숫자 대입] $\text{Air} = \frac{\frac{1000 \times 0.9}{120} \times 5.5 \times 22.4}{0.21}$
    ③ [최종 결과] $\text{Air} = 2200$
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73. 공업적으로 수소를 제조하는 방법이 아닌 것은?

  1. 수성가스법
  2. 수증기개질법
  3. 부분산화법
  4. 공기액화분리법
(정답률: 46%)
  • 수소는 주로 천연가스나 석탄을 이용한 수증기개질법, 수성가스법, 부분산화법 등을 통해 공업적으로 제조합니다.

    오답 노트
    공기액화분리법: 공기를 액화시켜 질소, 산소, 아르곤 등을 분리하는 방법으로 수소 제조법이 아님
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74. 다음 중 암모니아소다법의 핵심공정 반응식을 옳게 나타낸 것은?

  1. 2NaCl+H2SO4→Na2SO4+2HCl
  2. 2NaCl+SO2+H2O+1/2O2→Na2SO4+2HCl
  3. NaCl+2NH3+CO2→NaCO2NH2+NH4Cl
  4. NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3+NH4Cl
(정답률: 57%)
  • 암모니아소다법(솔베이법)의 핵심은 염화나트륨, 암모니아, 이산화탄소, 물을 반응시켜 중탄산나트륨과 염화암모늄을 생성하는 공정입니다.
    반응식: $\text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NaHCO}_3 + \text{NH}_4\text{Cl}$
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75. 일산화탄소와 수소에 의한 메탄올의 공업적 제조방법에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 압력은 낮을수록 좋다.
  2. ZnO-Cr2O3를 촉매로 사용할 수 있다.
  3. CO : H2 의 사용비율은 3 : 1 일 때가 가장 좋다.
  4. 생성된 메탄올의 분해반응은 불가능하다.
(정답률: 47%)
  • 메탄올 합성 반응은 고압 조건에서 수득률이 증가하며, $\text{ZnO-Cr}_2\text{O}_3$ 또는 $\text{Cu}$ 계열의 촉매를 사용하여 반응 속도를 높입니다.

    오답 노트
    압력은 낮을수록 좋다: 고압일수록 유리함
    $\text{CO} : \text{H}_2$ 사용비율은 $3 : 1$: 이론적 화학 양론비는 $1 : 2$임
    분해반응은 불가능하다: 가역 반응이므로 분해 가능함
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76. 오산화바나듐(V2O5) 촉매하에 벤젠을 공기 중 400℃에서 산화시켰을 때 생성물은?

  1. 프탈산 무수물
  2. 스틸벤젠 무수물
  3. 말레산 무수물
  4. 푸마트산 무수물
(정답률: 52%)
  • 벤젠을 $\text{V}_2\text{O}_5$ 촉매 존재 하에 $400^{\circ}\text{C}$에서 공기 산화시키면 고리 구조가 깨지면서 말레산 무수물($\text{Maleic anhydride}$)이 주 생성물로 얻어집니다.
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77. 산화에틸렌을 수화반응(Hydration)시켜 얻어지는 물질은?

  1. Ethy alcohol
  2. Glycerol
  3. Ethylene chlorohydrin
  4. Ethylene glycl
(정답률: 54%)
  • 산화에틸렌($\text{C}_2\text{H}_4\text{O}$)에 물을 첨가하는 수화반응을 진행하면 두 개의 히드록시기가 결합된 에틸렌 글리콜($\text{Ethylene glycol}$)이 생성됩니다.
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78. 수소화 정제법에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 고온·고압 하에서 촉매를 사용한다.
  2. 황, 질소 및 산소 화합물 등을 제거하는 방법이다.
  3. 원료유를 수소와 혼합하여 이용한다.
  4. 환경오염 때문에 현재는 사용되지 않는다.
(정답률: 50%)
  • 수소화 정제법은 고온·고압 조건에서 촉매를 사용하여 원료유 속의 황, 질소, 산소 화합물을 제거하는 매우 효율적인 공정으로, 환경오염 방지 및 제품 품질 향상을 위해 현재도 널리 사용되고 있습니다.
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79. 인산비료에서 인 함량을 나타낼 때 그 기준은 통상 어느 것에 의하는가?

  1. P
  2. P2O3
  3. P2O5
  4. PO4
(정답률: 68%)
  • 인산비료의 유효 성분 함량은 관습적으로 인의 가장 안정적인 산화물 형태인 $\text{P}_2\text{O}_5$ (오산화이인)의 함량으로 표시하여 기준을 잡습니다.
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80. 황산제조에 사용되는 원료가 아닌 것은?

  1. 황화철광
  2. 자류철광
  3. 염안
  4. 금속제련폐가스
(정답률: 43%)
  • 황산 제조를 위해서는 황($S$) 성분이 포함된 원료가 필요합니다. 황화철광, 자류철광, 금속제련폐가스는 모두 황 성분을 함유하고 있어 원료로 사용 가능하지만, 염안(질산암모늄)은 질소 비료의 원료이며 황 성분이 없어 황산 제조에 사용되지 않습니다.
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5과목: 반응공학

81. 기체-고체 반응에서 율속단계에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 고체표면 반응단계가 항상 율속단계이다.
  2. 기체막에서의 물질전달 단계가 항상 율속단계이다.
  3. 저항이 작은 단계가 율속단계이다.
  4. 전체반응 속도를 지배하는 단계가 율속단계이다.
(정답률: 59%)
  • 율속단계(Rate-Determining Step)란 전체 화학 반응 과정 중 속도가 가장 느려 전체 반응 속도를 결정짓는 단계를 의미합니다.

    오답 노트
    고체표면 반응이나 기체막 물질전달 단계가 항상 율속단계인 것은 아니며, 상황에 따라 다릅니다.
    저항이 가장 큰 단계가 율속단계가 됩니다.
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82. 그림과 같은 기초적 반응에 대한 농도-시간곡선을 가장 잘 표현하고 있는 반응 형태는?

(정답률: 63%)
  • 농도-시간 곡선을 보면 반응물 $A$가 감소하면서 중간 생성물 $R$이 증가했다가 다시 감소하고, 최종 생성물 $S$가 지속적으로 증가하는 전형적인 연속 반응의 형태를 보입니다. 따라서 $A \rightleftharpoons R \rightleftharpoons S$ 형태의 가역 연속 반응이 가장 적절합니다.
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83. 액체 A가 2A→R의 2차 반응에 따라 분해하고, 정용회분식 반응기에서 A의 50%가 5분 동안에 전화하였다면 처음부터 75% 전화율에 도달하는 데는 몇 분 걸리겠는가?

  1. 5
  2. 10
  3. 15
  4. 30
(정답률: 45%)
  • 2차 반응의 정용회분식 반응기에서 전화율($X$)과 시간($t$)의 관계식을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $t = \frac{X}{k C_{A0} (1-X)}$
    ② [숫자 대입] $X=0.5$일 때 $t=5$분 이므로, $X=0.75$일 때의 시간 $t_{0.75}$는 $\frac{t_{0.75}}{5} = \frac{0.75 / (1-0.75)}{0.5 / (1-0.5)} = \frac{3}{1}$
    ③ [최종 결과] $t_{0.75} = 15$ 분
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84. 의 기초반응식에서 반응속도식을 옳게 나타낸 것은? (단, k1은 정반응 속도상수, k2는 역반응 속도상수 이다.)

(정답률: 50%)
  • 가역 반응의 반응속도식은 (정반응 속도) - (역반응 속도)로 나타냅니다. 주어진 기초반응식 $2A \rightleftharpoons B + C$에서 정반응은 $A$의 농도 제곱에 비례하고, 역반응은 생성물 $B$와 $C$의 농도 곱에 비례하므로 다음과 같이 표현됩니다.
    $$\text{반응속도식: } -r_A = k_1 C_A^2 - k_2 C_B C_C$$
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85. A→2R인 기체상 반응은 기초 반응(elementary reaction)이다. 이 반응이 순수한 A로 채워진 부피가 일정한 회분식(batch) 반응기에서 일어날 때 10분 반응 후 전화율이 80%이었다. 이 반응을 순수한를 사용하여, 공간시간A(space time)이 10분인 mixed flow 반응기에서 일으킬 경우 A의 전화율은 약 얼마인가?

  1. 91.5%
  2. 80.5%
  3. 65.5%
  4. 51.5%
(정답률: 32%)
  • 기초 반응 $A \rightarrow 2R$은 1차 반응이며, 부피가 변하는 기상 반응임을 고려하여 설계 식을 적용합니다.
    먼저 회분식 반응기(Batch)에서 10분 후 전화율 $X = 0.8$일 때의 속도 상수 $k$를 구합니다. 부피 변화 계수 $\epsilon = 2-1 = 1$이며, 1차 반응의 회분식 식은 $t = \frac{1}{k} \frac{X}{1-X}$ 입니다.
    ① [기본 공식] $t = \frac{1}{k} \frac{X}{1-X}$
    ② [숫자 대입] $10 = \frac{1}{k} \frac{0.8}{1-0.8}$
    ③ [최종 결과] $k = 0.4$
    다음으로 공간시간 $\tau = 10$분인 혼합 흐름 반응기(MFR)에서의 전화율 $X$를 구합니다. MFR의 설계 식은 $\tau = \frac{X}{k(1-X)}$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \frac{X}{k(1-X)}$
    ② [숫자 대입] $10 = \frac{X}{0.4(1-X)}$
    ③ [최종 결과] $X = 0.515$
    따라서 A의 전화율은 약 51.5%가 됩니다.
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86. 적당한 조건에서 A는 다음과 같이 분해되고 원료 A의 유압속도가 100L/h 일 때 R의 농도를 최대로 하는 플러그 흐름 반응기의 크기는? (단, k1=0.2/min, k2=0.2/min이고, CAO=1mol/L, CRO=CSO=0 이다.)

  1. 5.33L
  2. 6.33L
  3. 7.33L
  4. 8.33L
(정답률: 28%)
  • 연쇄 반응 $A \xrightarrow{k_1} R \xrightarrow{k_2} S$에서 중간 생성물 $R$의 농도가 최대가 되는 체류 시간 $\tau_{max}$를 구하는 공식과 PFR의 부피 공식을 사용합니다.
    $$\tau_{max} = \frac{\ln(k_2/k_1)}{k_2 - k_1}$$
    단, 이 문제에서는 $k_1 = k_2 = 0.2/\text{min}$으로 동일하므로, 극한값 또는 특수 공식인 $\tau_{max} = 1/k$를 적용합니다.
    $$\tau_{max} = \frac{1}{0.2} = 5\text{ min}$$
    반응기 부피 $V$는 유량 $v_0$와 체류 시간 $\tau$의 곱으로 계산합니다.
    $$V = v_0 \times \tau_{max}$$
    $$V = \frac{100\text{ L}}{60\text{ min}} \times 5\text{ min}$$
    $$V = 8.33\text{ L}$$
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87. 속도상수에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 속도상수 k의 지수함수 항 값은 같은 온도에서 활성화 에너지가 작아질수록 커진다.
  2. 속도상수 k 값은 온도가 올라갈수록 커진다.
  3. 속도상수의 활성화에너지와 온도의존성을 제안한 사람은 Arrhenius 이다.
  4. 어떤 1개소의 온도에서 속도상수 k를 측정하면 활성화 에너지를 알 수 있다.
(정답률: 39%)
  • 활성화 에너지 $E_a$를 구하기 위해서는 최소 두 가지 이상의 서로 다른 온도에서 측정된 속도상수 $k$ 값이 필요합니다. 단 하나의 온도에서 측정된 $k$ 값만으로는 온도의존성을 알 수 없으므로 활성화 에너지를 결정할 수 없습니다.
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88. 효소반응에 의해 생체 내 단백질을 합성할 때에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 실온에서 효소반응의 선택성은 일반적인 반응과 비교해서 높다.
  2. Michaelis-Menten 식이 사용될 수 있다.
  3. 효소반응은 시간에 대해 일정한 속도로 진행된다.
  4. 효소와 기질은 반응 효소-기질 복합체를 형성한다.
(정답률: 52%)
  • 효소반응은 기질의 농도가 낮을 때는 1차 반응, 농도가 매우 높을 때는 0차 반응의 특성을 보이며, 반응이 진행됨에 따라 기질 농도가 감소하므로 반응 속도는 시간에 따라 변하게 됩니다. 따라서 효소반응은 시간에 대해 일정한 속도로 진행된다는 설명은 틀린 것입니다.
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89. 반응물 A가 다음의 평행 반응으로 혼합 흐름 반응기에서 반응한다. 이 반응에서 목적하는 생성물의 순간적인 수득분율의 최대값은 얼마인가? (단, S는 목적하는 생성물, R과 T는 목적하지 않는 생성물이다.)

  1. 0.5
  2. 0.6
  3. 0.7
  4. 0.8
(정답률: 38%)
  • 목적 생성물 $S$의 순간 수득분율 $\phi_S$는 전체 반응 속도에 대한 $S$ 생성 속도의 비로 계산합니다.
    $$\phi_S = \frac{r_S}{r_R + r_S + r_T}$$
    주어진 속도식 $r_R = 1$, $r_S = 3.0C_A$, $r_T = 1.0C_A^2$를 대입하면 다음과 같습니다.
    $$\phi_S = \frac{3.0C_A}{1 + 3.0C_A + 1.0C_A^2}$$
    이 식을 $C_A$에 대해 미분하여 0이 되는 지점을 찾으면 $C_A = 1$일 때 최대가 됩니다.
    $$\phi_{S,max} = \frac{3.0(1)}{1 + 3.0(1) + 1.0(1)^2} = \frac{3}{5} = 0.6$$
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90. 액상순환반응(A→P, 1차)의 순환율이 ∞일 때 총괄 전화율은?

  1. 관형 흐름반응기의 전화율보다 크다.
  2. 완전혼합 흐름반응기의 전화율보다 크다.
  3. 완전혼합 흐름반응기의 전화율과 같다.
  4. 관형 흐름반응기의 전화율과 같다.
(정답률: 50%)
  • 순환율(Recycle ratio)이 무한대($\infty$)가 되면 반응기 내부의 조성과 출구 조성이 동일해지는 완전 혼합 상태가 됩니다.
    따라서 순환율이 무한대인 액상순환반응기는 거동이 완전혼합 흐름반응기(CSTR)와 동일해지며, 총괄 전화율 또한 완전혼합 흐름반응기의 전화율과 같게 됩니다.
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91. 정용 회분식 반응기 (batch reactor)에서 반응물A(CAO=1mol/L)가 80% 전환되는데 8분 걸렸고, 90% 전환되는데 18분이 걸렸다면 이 반응은 몇 차 반응인가?

  1. 0차
  2. 2차
  3. 2.5차
  4. 3차
(정답률: 51%)
  • 정용 회분반응기에서 반응 차수에 따른 전환율과 시간의 관계를 분석합니다. 2차 반응의 경우 시간 $t$는 $\frac{X_{A}}{C_{A0}(1-X_{A})}$에 비례합니다.
    전환율 80%일 때: $\frac{0.8}{1(1-0.8)} = 4$
    전환율 90%일 때: $\frac{0.9}{1(1-0.9)} = 9$
    시간의 비가 $8 : 18 = 4 : 9$로 일치하므로 이 반응은 2차 반응입니다.
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92. 다음과 같은 기상반응이 진행되고 있다. 처음에 A만으로 반응을 시작한 경우, 부피팽창 계수 εA는 얼마인가?

  1. 0.25
  2. 0.5
  3. 0.75
  4. 1.0
(정답률: 64%)
  • 부피팽창계수 $\epsilon_{A}$는 반응물 A가 모두 반응했을 때의 전체 몰수 변화량을 초기 몰수로 나눈 값입니다.
    반응식 $4A \rightarrow B + 6C$에서 A 4몰이 사라지면 생성물은 $1 + 6 = 7$몰이 됩니다.
    ① [기본 공식]- $\epsilon_{A} = \frac{V_{final} - V_{initial}}{V_{initial}} = \frac{(1+6)-4}{4}$
    ② [숫자 대입]- $\epsilon_{A} = \frac{3}{4}$
    ③ [최종 결과]- $\epsilon_{A} = 0.75$
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93. 어떤 2차 반응에서 60℃의 속도상수가 1.46×10-4L/mol·s이며, 활성화에너지는 60kJ/mol 일 때 빈도계수(frequency factor)를 옳게 구한 것은?

  1. 1.8×105L/mol·s
  2. 2.8×105L/mol·s
  3. 3.8×105L/mol·s
  4. 4.8×105L/mol·s
(정답률: 35%)
  • 아레니우스 식을 이용하여 빈도계수 $A$를 구합니다. 기체상수 $R = 8.314 \text{ J/mol·K}$를 사용합니다.
    ① [기본 공식] $A = k \exp ( \frac{E_{a}}{RT} )$
    ② [숫자 대입] $A = 1.46 \times 10^{-4} \exp ( \frac{60000}{8.314 \times (273.15 + 60)} )$
    ③ [최종 결과] $A = 3.8 \times 10^{5}$ L/mol·s
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94. 다음과 같은 기상반응이 30L 정용회분반응기에서 등온적으로 일어난다. 초기 A 가 30mol 이 들어있으며, 반응기는 완전 혼합된다고 할 때 1차 반응일 경우 반응기에서 A의 몰수가 0.2몰로 줄어드는데 필요한 시간은?

  1. 7.1min
  2. 8.0min
  3. 6.3min
  4. 5.8min
(정답률: 49%)
  • 정용 회분반응기에서 1차 반응의 시간-전화율 관계식을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $t = \frac{1}{k} \ln \frac{N_{A0}}{N_{A}}$
    ② [숫자 대입] $t = \frac{1}{0.865} \ln \frac{30}{0.2}$
    ③ [최종 결과] $t = 5.8$ min
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95. 연속반응 에서 Cs=CAO[1-exp(-k1t)]인 경우 반응속도상수의 관계를 가장 옳게 나타낸 것은?

  1. k2 >> k1
  2. k2 = k1
  3. k2 + k1 = 0
  4. k2<1
(정답률: 37%)
  • 연속반응 $(A \xrightarrow{k_1} R \xrightarrow{k_2} S)$에서 최종 생성물 $S$의 농도가 $C_S = C_{A0}[1 - \exp(-k_1 t)]$로 나타나려면, 중간 생성물 $R$이 생성되자마자 매우 빠르게 $S$로 변환되어야 합니다. 즉, 두 번째 단계의 속도상수가 첫 번째 단계보다 압도적으로 커야 합니다.
    따라서 $k_2 \gg k_1$ 관계가 성립합니다.
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96. 어떤 1차 비가역 반응의 반감기는 20분이다. 이 반응의 속도상수를 구하면 몇 min-1인가?

  1. 0.0347
  2. 0.1346
  3. 0.2346
  4. 0.3460
(정답률: 53%)
  • 1차 반응의 반감기와 속도상수의 관계식을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $k = \frac{0.693}{t_{1/2}}$
    ② [숫자 대입] $k = \frac{0.693}{20}$
    ③ [최종 결과] $k = 0.0347$
    따라서 속도상수는 $0.0347 \text{ min}^{-1}$ 입니다.
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97. 직렬로 연결된 같은 크기의 혼합반응기 또는 플러그 반응기에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 반응물의 농도 증가에 따라 속도가 증가하는 반응에 대해서 플러그 반응기가 혼합반응기보다 효과적이다.
  2. 최종 전환율은 혼합반응기 쪽이 유리하다.
  3. 혼합반응기에서는 순간적으로 농도가 아주 낮은 값까지 감소한다.
  4. 플러그 반응기에서는 반응물의 농도가 계(係)를 통과하면서 점차 감소한다.
(정답률: 40%)
  • 반응물의 농도가 높을수록 반응 속도가 빨라지는 양의 차수 반응에서는, 농도가 점진적으로 감소하는 플러그 반응기가 농도가 즉시 낮아지는 혼합반응기보다 반응 효율과 최종 전환율 면에서 훨씬 유리합니다.

    오답 노트
    최종 전환율은 혼합반응기 쪽이 유리하다: 플러그 반응기가 더 유리함
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98. 다음과 같이 진행되는 반응은 어떤 반응인가?

  1. Non-chain reaction
  2. Chain reaction
  3. Elementary reaction
  4. Nonelementary reaction
(정답률: 49%)
  • 제시된 이미지의 반응 과정은 다음과 같습니다.
    $\text{Reactants} \rightarrow (\text{Intermediates})^*$ \ $\text{(Intermediates)}^* \rightarrow \text{Products}$
    이처럼 중간체(Intermediates)를 거쳐 생성물로 진행되지만, 생성된 중간체가 다시 반응을 촉진하는 연쇄 반응의 특성이 없으므로 비연쇄 반응(Non-chain reaction)에 해당합니다.
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99. 이상적 반응기 중 플러그 흐름반응기에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 반응기 입구와 출구의 몰 속도가 같다.
  2. 정상상태 흐름반응기이다.
  3. 축방향의 농도 구배가 없다.
  4. 반응기내의 온도 구배가 없다.
(정답률: 40%)
  • 플러그 흐름반응기(PFR)는 반응물이 반응기를 따라 이동하며 반응이 진행되므로, 반응이 진행됨에 따라 반응물의 농도가 감소합니다. 따라서 반응기 입구와 출구의 몰 속도는 같을 수 없습니다.

    오답 노트
    축방향의 농도 구배가 없다: 이는 CSTR의 특징이며, PFR은 축방향으로 농도 변화가 존재합니다.
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100. 다음의 액상 병렬반응을 연속 흐름 반응기에서 진행시키고자 한다. 이 때 같은 입류조건에 A의 전환율이 모두 0.9가 되도록 반응기를 설계한다면 어는 반응기를 사용하는 것이 R로의 전환율을 가장 크게 해주겠는가? (단, rR=20CA 이고 이다.)

  1. 플러그 흐름 반응기
  2. 혼합 흐름 반응기
  3. 환류식 플러그 흐름 반응기
  4. 다단식 혼합 흐름 반응기
(정답률: 44%)
  • 원하는 생성물 R의 선택도를 높이려면, 원하지 않는 생성물 S의 반응 속도 대비 R의 반응 속도 비율인 $\frac{r_R}{r_S}$를 최대화해야 합니다.
    주어진 반응 속도식 $r_R = 20C_A$와 $r_S = 5C_A^2$를 통해 비율을 구하면 다음과 같습니다.
    $$\frac{r_R}{r_S} = \frac{20C_A}{5C_A^2} = \frac{4}{C_A}$$
    위 식에서 $C_A$가 작을수록 R로의 전환율이 커집니다. 혼합 흐름 반응기는 반응기 내부의 농도가 출구 농도와 동일하게 매우 낮은 상태로 유지되므로, 플러그 흐름 반응기에 비해 $C_A$를 낮게 유지하여 R의 선택도를 가장 크게 만들 수 있습니다.
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