화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2012-05-20)

화공기사(구)
(2012-05-20 기출문제)

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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: 68%)
  • 정답은 "평형혼합물이 이상기체이다." 이다.

    평형상수 K가 vi와 같은 형태로 표시되는 경우, 이는 기체 혼합물의 화학평형을 나타내는 것이다. 이 때, 이상기체의 경우 분자간 상호작용이 무시될 정도로 거의 완전한 자유 운동을 하기 때문에, 각 성분의 화학평형 상수가 부분압력의 비로 표현될 수 있다. 따라서, 이상기체의 경우 평형혼합물의 화학평형을 나타내는 평형상수 K는 부분압력의 비로 표현될 수 있으며, 이는 이상기체의 특성이다.
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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: 81%)
  • 정답은 ""이다. 이는 깁스-도넨 방정식에서 성분 i의 화학포텐셜 μi가 다른 변수들과 어떻게 관련되어 있는지를 나타내는 식이다. 이 식에서 G는 깁스 자유에너지이며, ni는 성분 i의 몰수, nj는 i번째 성분 이외의 몰수를 나타낸다. 이 식은 성분 i의 화학포텐셜이 다른 변수들과 함께 영향을 받는다는 것을 보여준다. 따라서 이 식은 혼합물의 성질을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
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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 내부에서 열을 흡수하여 외부로 배출하기 때문에, 냉장고 문을 열어놓으면 방 안으로 열이 유입된다. 이는 방 안의 온도를 상승시키게 되므로, 온도가 상승한다.
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4. 물과 수증가와 얼음이 공존하는 삼중점에서 자유도의 수는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 70%)
  • 삼중점에서는 물, 수증기, 얼음이 공존하여 상태가 균형을 이루고 있기 때문에, 세 가지 상태의 온도와 압력은 모두 동일하다. 따라서, 이 상태에서는 자유도가 없으므로 정답은 "0"이다.
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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: 66%)
  • 오토사이클은 불꽃점화기관에서 일어나는 이상사이클로, 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 불꽃점화에 의해 폭발하면서 열에너지가 발생하고, 이를 이용하여 일어나는 사이클이다. 따라서 "불꽃점화기관의 이상사이클이다."가 정답이다.
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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: 57%)
  • 화학평형상수는 온도에 따라 변화하며, 발열반응일 경우 온도가 증가하면 엔탈피 변화량 △H0는 양수가 되어 화학평형상수 K는 증가한다. 따라서 ""이 정답이다.
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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: 70%)
  • 식에서 H는 T와 P의 함수이다. 이는 엔탈피가 온도와 압력에 따라 변화하기 때문이다. 따라서 " 는 T의 함수이고, 는 P의 함수이다."가 옳다.
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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: 67%)
  • 이 반응은 엔탈피 변화가 양수이므로 엔트로피 변화가 양수일 때 일어난다. 따라서 KP는 양수이며, CO2의 몰분율이 증가할수록 KP도 증가하므로 ""가 정답이다.
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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: 57%)
  • 조름 밸브는 유체의 유속을 제어하기 위한 장치로, 유체의 운동에너지를 일정하게 유지하면서 압력을 조절한다. 이 과정에서 열전달이 없으므로 내부 에너지의 변화가 없고, 위치 및 운동에너지도 일정하게 유지된다. 따라서 엔탈피의 변화가 없다. 엔트로피의 변화도 없다는 것은 열전달이 없으므로 자명하다. 압력의 변화가 없다는 것은 유체의 운동에너지가 일정하게 유지되기 때문이다.
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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: 46%)
  • "퓨개시티는 압력만의 함수이다."가 틀린 설명이다. 퓨개시티는 온도, 분자간 상호작용 등 다양한 변수에 영향을 받는 일종의 세기 성질이다. 따라서 압력만의 함수가 아니며, 다른 변수들도 고려해야 한다.
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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: 61%)
  • 정답은 ""이다. 이유는 활동도계수는 혼합물의 실제 농도와 이상적인 농도 사이의 비율을 나타내는데, 이 때 이상적인 농도는 모든 성분이 이상적인 상태에서의 농도를 의미한다. 따라서 이상적인 상태에서의 농도와 혼합물의 실제 농도가 같을 경우, 활동도계수는 1이 되어야 한다. 이를 고려하여 식을 세우면 ""가 옳은 식이다.
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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: 70%)
  • 가역단열 팽창에서는 엔트로피가 일정하게 유지된다는 것을 이용하여 다음과 같이 풀이할 수 있다.

    먼저, 초기의 상태에서의 엔트로피와 온도를 구한다.

    S1 = Cp * ln(T1) + R * ln(P1)
    S1 = 1.005 * ln(305K) + 8.314 * ln(1atm)
    S1 = 28.91 J/K

    다음으로, 최종 상태에서의 압력을 이용하여 첫 번째로 엔트로피 변화량을 구한다.

    ΔS1 = R * ln(P2/P1)
    ΔS1 = 8.314 * ln(0.8/1)
    ΔS1 = -0.169 J/K

    이제, 엔트로피가 일정하게 유지된다는 것을 이용하여 최종 상태에서의 온도를 구한다.

    ΔS2 = 0
    S2 = S1 + ΔS1
    Cp * ln(T2) + R * ln(P2) = Cp * ln(T1) + R * ln(P1) + R * ln(P2/P1)
    Cp * ln(T2/T1) = R * ln(P2/P1)
    T2/T1 = (P2/P1)^(R/Cp)
    T2 = T1 * (P2/P1)^(R/Cp)
    T2 = 305K * (0.8/1)^(8.314/1.005)
    T2 = 286.8K

    따라서, 최종 온도는 약 13.2℃이 된다.
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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: 55%)
  • 용매에 소량의 기체가 녹아 있을 때 나타나는 퓨개시티를 구하고자 할 경우, 가장 적절한 방법은 "헨리의 법칙(Henry's law)을 이용한다." 이다. 이유는 헨리의 법칙은 용매와 기체 사이의 상호작용을 나타내는 법칙으로, 용매에 녹아 있는 기체의 양과 용액 상에서의 기체의 분압 사이에는 일정한 비례 관계가 있기 때문이다. 따라서, 용매에 녹아 있는 기체의 양을 알면 헨리의 법칙을 이용하여 용액 상에서의 기체의 분압을 계산할 수 있다.
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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: 44%)
  • PV=일정하므로 P1V1=P2V2이다. 따라서 초기 압력 14bar, 초기 부피 0.03m3, 최종 부피 0.06m3일 때 최종 압력은 P2=P1V1/V2=14×0.03/0.06=7bar이다.

    내부 에너지 보존 법칙에 따라서, 기체가 한 일의 크기는 ΔU=PΔV=(P1-P2)ΔV=(14-7)×0.03=0.21J이다.

    따라서 정답은 ln2×42000J이다. ln2는 0.693이고, 0.21J을 얻기 위해서는 약 42000J의 일을 해야 한다. 따라서 ln2×42000J이 정답이다.
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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: 41%)
  • CaCO3(S) ↔ CaO(S) + CO2(g)

    이 반응에서는 고체 상태인 CaCO3이 분해되어 CaO(S)와 CO2(g)가 생성되므로, 상태 변수인 압력, 온도, 물질의 양 등이 변화하면서 평형이 유지되기 위해서는 CaO(S)와 CO2(g)의 양이 서로 연관되어 있어야 한다. 따라서 이 시스템은 1개의 자유도를 가진다.
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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: 49%)
  • 증기-압축 냉동사이클은 기본적으로 압축기에서 압축된 냉매가 응축기에서 냉각되어 액체 상태가 되고, 이후 팽창밸브를 통해 액체 상태에서 기화되어 증발기에서 열을 흡수하면서 기체 상태가 되고, 다시 압축기로 돌아가는 과정을 반복하는 사이클이다. 따라서, "압축기→응축기→팽창밸브→증발기→압축기"가 옳은 순서이다.
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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: 39%)
  • "압축기의 효율은 로 나타낸다."의 의미는 압축기가 입력으로 받은 엔트로피 S1과 출력으로 내보내는 엔트로피 S2의 비율로 효율을 나타낸다는 것입니다. 즉, 압축기가 입력으로 받은 가열된 공기의 엔트로피를 줄이는 정도를 나타내는 것입니다.

    다른 보기들은 각각 노즐, 터빈, 조름공정에서의 에너지 수지식을 나타내는데, 이는 압축 또는 팽창과는 직접적인 연관성이 없습니다.
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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: 23%)
  • 제2비리얼계수는 혼합물의 구성에 따라 가중평균되므로, 다음과 같은 식을 이용할 수 있다.

    B = x1B1 + x2B2

    여기서 x1과 x2는 각각 메탄과 n-헥산의 몰 분율이다. 첫 번째 혼합물에서는 x1 = 0.5, x2 = 0.5 이므로,

    -517 = 0.5(-33) + 0.5(-1512)

    위 식을 풀면, 두 번째 혼합물에서 메탄의 몰 분율이 0.25, n-헥산의 몰 분율이 0.75 일 때의 B 값을 구할 수 있다.

    B = 0.25(-33) + 0.75(-1512) = -950

    따라서 정답은 "-950" 이다.
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19. 맥스웰(Maxwell)의 관계식으로 틀린 것은?

(정답률: 70%)
  • 정답은 ""이다.

    맥스웰(Maxwell)의 관계식은 전자기장의 세 가지 법칙을 하나의 식으로 표현한 것이다. 이 식은 전자기장의 변화율과 전류 및 전하 밀도의 관계를 나타내며, 다음과 같이 표현된다.

    ∇ × E = - ∂B/∂t
    ∇ × H = J + ∂D/∂t
    ∇ · D = ρ
    ∇ · B = 0

    이 중에서 ""는 잘못된 표현이다. 올바른 표현은 ""이다.

    이유는 ""는 전자기장의 회전성(rotational)을 나타내는 벡터 연산자인 회전(curl)을 잘못 사용한 것이기 때문이다. ""은 전자기장의 발산성(divergence)을 나타내는 벡터 연산자인 발산(divergence)을 올바르게 사용한 것이다.
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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: 66%)
  • 공비물의 공비조성에서는 끓는 액체에서 같은 조성을 갖는 기체가 만들어지며 액체의 조성은 증발하면서도 변화하지 않는다는 이유는, 끓는 액체와 그 기체 사이에는 상태변화가 일어나기 때문입니다. 끓는 액체와 그 기체는 같은 조성을 갖기 때문에, 상태변화가 일어나면서도 조성은 변하지 않습니다. 이는 공비물의 공비조성에서 중요한 개념으로, 액체와 기체 사이의 상태변화를 이해하는 데 도움이 됩니다.
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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: 40%)
  • 엔트로피는 세기 성질이 아닙니다. 세기 성질은 물질의 양에 상관없이 일정한 값을 가지는 성질을 말하는데, 엔트로피는 물질의 양에 따라 변화하기 때문입니다. 예를 들어, 1몰의 물과 2몰의 물의 엔트로피는 다릅니다. 따라서 엔트로피는 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: 45%)
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23. 벤젠의 비중은 0.872, 디틀로로에탄의 비중은 1.246 이라고 할 때 벤젠 200mol%, 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: 40%)
  • 벤젠과 디클로로에탄의 비중을 더하면 0.872 + 1.246 = 2.118 이므로, 벤젠과 디클로로에탄의 용액에서 벤젠의 몰 비율은 0.872 / 2.118 = 0.412 이고, 디클로로에탄의 몰 비율은 1 - 0.412 = 0.588 이다.

    따라서, 벤젠 200mol%, 디클로로에탄 80mol% 용액을 만들기 위해서는 벤젠과 디클로로에탄의 몰 비율이 각각 2:3.55 가 되어야 한다.

    이유는 벤젠과 디클로로에탄의 몰 비율이 각각 2:3.55 이면, 벤젠과 디클로로에탄의 몰 비율을 더하면 2 + 3.55 = 5.55 가 되고, 벤젠의 몰 비율은 2 / 5.55 = 0.360 이고, 디클로로에탄의 몰 비율은 3.55 / 5.55 = 0.640 이다. 이는 벤젠의 몰 비율이 0.412 에서 0.360 으로, 디클로로에탄의 몰 비율이 0.588 에서 0.640 으로 변화하면서, 벤젠의 몰 비율은 200mol% 에서 80mol% 로, 디클로로에탄의 몰 비율은 80mol% 에서 200mol% 로 변화하기 때문이다.
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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: 57%)
  • 이 문제는 가스의 이상성을 이용하여 풀 수 있다. 이상성이란 기체 분자들이 서로 충돌하지 않고 자유롭게 움직인다는 가정을 의미한다. 이상성 가스의 평균 분자량은 각 구성 성분의 분자량을 그 성분의 몰 분율로 가중평균한 값이다.

    따라서, 질소와 수소의 분자량을 구하고, 각각의 몰 분율을 계산하여 가중평균하면 된다.

    질소의 분압이 450 기압이므로, 수소의 분압은 1000 - 450 = 550 기압이다. 이제 각각의 몰 수를 계산해보자.

    질소의 몰 수 = (450 기압 / 1000 기압) x (1 mol / 22.4 L) = 0.02 mol
    수소의 몰 수 = (550 기압 / 1000 기압) x (1 mol / 22.4 L) = 0.0245 mol

    질소의 분자량은 28 g/mol, 수소의 분자량은 2 g/mol이다. 이제 가중평균을 계산하면 된다.

    평균 분자량 = (0.02 mol x 28 g/mol) + (0.0245 mol x 2 g/mol) / (0.02 mol + 0.0245 mol) = 13.7 g/mol

    따라서, 정답은 "13.7"이다.
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25. 점도 1cp는 몇 kg/ms인가?

  1. 0.1
  2. 0.01
  3. 0.001
  4. 0.0001
(정답률: 49%)
  • 점도는 단위 면적당 단위 시간당 유체의 저항력을 나타내는 값이다. 따라서 점도의 단위는 kg/ms와 같은 형태를 가진다.

    1cp는 1mPa·s와 같은 값으로, 이는 1N의 힘으로 1m²의 면적을 가진 표면에 수직으로 작용할 때 1초 동안 유체의 속도를 1m/s로 유지하기 위해 필요한 저항력이다.

    따라서 1cp는 0.001kg/ms와 같은 값이 된다. 이는 1N의 힘으로 1m²의 면적을 가진 표면에 수직으로 작용할 때 1초 동안 유체의 속도를 0.001m/s로 유지하기 위해 필요한 저항력을 나타내는 것이다.
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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: 34%)
  • 수심 20m 지점에서의 압력은 수면에서의 압력에 물의 밀도와 중력가속도, 그리고 수심에 따른 압력 증가량을 곱한 값이다.

    물의 밀도는 1g/cm3이고 중력가속도는 9.8m/s2이므로, 수심 20m 지점에서의 압력은 1atm + (1g/cm3 × 9.8m/s2 × 20m) / (1atm = 1.033kgf/cm2이다.

    따라서 정답은 "3.033"이다.
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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: 44%)
  • 먼저, 이 문제에서 구해야 하는 것은 공기의 mol 습도이다.

    상대습도가 75%이므로, 공기 중에 포함된 수증기의 압력은 물의 증기압의 75%인 13.125mmHg이다.

    따라서, 공기 중에 포함된 수증기의 몰수는 PV = nRT를 이용하여 구할 수 있다.

    여기서 P는 수증기의 압력, V는 공기의 부피, n은 수증기의 몰수, R은 기체상수, T는 절대온도이다.

    먼저, 공기의 부피를 구해야 한다. 이를 위해서는 이상기체법칙을 이용하여 공기의 몰수를 구해야 한다.

    PV = nRT에서 n/V = P/RT 이므로, 공기의 몰수는 (730-17.5)mmHg / (0.0821 L·atm/mol·K × 293K) = 27.04 mol/m³ 이다.

    따라서, 수증기의 몰수는 (13.125mmHg × 1 atm/760mmHg) × (1 m³/1000 L) / (0.0821 L·atm/mol·K × 293K) = 0.00056 mol/m³ 이다.

    따라서, 공기의 mol 습도는 수증기의 몰수를 공기의 몰수로 나눈 값인 0.00056 mol/m³ / 27.04 mol/m³ = 0.0000207 이다.

    이 값을 소수점 넷째자리에서 반올림하여 0.0183으로 구할 수 있다.
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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: 44%)
  • 정상상태에서 순환조직에서 들어온 양과 나간 양은 같아야 합니다. 따라서 A와 B의 양은 같아야 합니다. 따라서 "A = B"가 옳은 관계입니다.
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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: 45%)
  • 드라이아이스 CO2의 전화율이 50%이므로, 500kg의 드라이아이스를 만들기 위해서는 1000kg의 CO2가 필요하다.

    헵탄(C7H16)은 CO2와 반응하여 드라이아이스를 생성하는 반응에서 탄화수소의 계수가 7이므로, CO2 1mol당 헵탄 7mol이 필요하다.

    따라서, 1000kg의 CO2를 사용하여 7 x 1000 = 7000mol의 헵탄을 생성할 수 있다.

    시간당 드라이아이스의 제조량이 500kg이므로, 시간당 생성되는 헵탄의 양은 7000mol x (500kg/1000kg) = 3500mol 이다.

    하지만, 이 반응에서 CO2와 헵탄은 1:7의 몰비로 반응하므로, CO2의 제한적인 양 때문에 헵탄의 생성량도 제한된다.

    따라서, 시간당 생성되는 헵탄의 양은 3500mol x (1/8) = 437.5mol 이다.

    헵탄의 몰량은 100g/mol 이므로, 시간당 필요한 헵탄의 양은 437.5mol x 100g/mol = 43,750g/h = 43.75kg/h 이다.

    따라서, 정답은 "325 kg/h"가 아닌 "43.75kg/h"이다.
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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: 51%)
  • "공기가 건조할수록 건구온도가 낮아진다."라는 설명이 틀린 것이다. 오히려 공기가 건조할수록 건구온도는 높아진다. 이는 공기가 건조할수록 수증기가 적어져서 열이 빠르게 방출되기 때문이다. 따라서 건구온도와 습구온도차는 커지게 된다.
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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: 44%)
  • 벤젠과 톨루엔은 증류탑에서 분리되는 과정에서 각각 농도가 높아지게 된다. 따라서, 상부에서는 벤젠의 농도가 높아지고 하부에서는 톨루엔의 농도가 높아진다. 이 문제에서는 상부에서 생성되는 벤젠의 농도와 하부에서 생성되는 톨루엔의 농도가 주어졌으므로, 이를 이용하여 상부에서 생성되는 제품의 양을 구할 수 있다.

    상부에서 생성되는 벤젠의 양은 입력되는 총 몰수의 40%이므로, 시간당 입력되는 몰수는 100mol이므로, 상부에서 생성되는 벤젠의 양은 40mol/h이다. 따라서, 정답은 "40 mol/h"이다.
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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: 26%)
  • 향료다단 추출에서 추제비는 추출용액과 원료의 비율을 의미하며, 단수는 추출을 몇 번 반복할 것인지를 의미합니다. 추제비 4와 단수 2로 조작할 경우, 추출용액과 원료의 비율이 4:1이 되므로 추출 효율이 높아지게 됩니다. 또한, 단수가 2이므로 추출을 2번 반복하게 되어 더 많은 화합물을 추출할 수 있습니다. 따라서, 추진율은 0.05가 됩니다.
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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: 33%)
  • "재료 표면온도에서의 증발장열에 비례한다."는 올바른 설명입니다. 이는 열풍에 의한 건조에서 항률 건조속도가 재료 표면에서의 증발에 의해 결정되기 때문입니다. 즉, 재료 표면에서의 증발장열이 클수록 건조속도가 빨라지게 됩니다.
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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: 46%)
  • "동일한 외경에서 BWG 가 클수록 벽두께가 두껍다."가 틀린 설명입니다. 실제로는 동일한 외경에서 schedule Number 가 클수록 벽두께가 두껍습니다. 이는 schedule Number가 파이프의 두께를 표시하는 방법이기 때문입니다. BWG는 튜브의 벽두께를 표시하는 방법입니다.
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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: 37%)
  • 환류비가 3일 때, 유출되는 탑위제품 1mol/h 중 2/3은 재유입되고 1/3은 증발하여 응축기로 들어온다. 따라서 응축기에서 응축해야 할 증기량은 유출되는 탑위제품의 1/3인 1/3mol/h 이다. 이를 소수점으로 표현하면 0.3333...mol/h 이다. 이 값은 보기에서 "3.5"와 "4" 사이에 위치하므로, 정답은 "4"이다.
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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: 46%)
  • 열 확산계수는 단위 시간당 단위 면적 내에서 열이 얼마나 확산되는지를 나타내는 값이다. 따라서 열 확산계수의 차원은 길이의 제곱을 시간으로 나눈 것이다. 즉, L2/θ가 정답이다. T는 온도이므로 차원에서는 제외된다.
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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: 40%)
  • Bond 법칙은 입경이 작을수록 분쇄에너지가 증가하는 것을 나타내는 법칙입니다. 이는 입경이 작을수록 입자의 표면적이 증가하고, 이로 인해 분쇄에너지가 증가하기 때문입니다. 따라서, 이 문제에서 주어진 법칙과 일치하는 것은 Bond 법칙입니다. Sherwood 법칙은 질량전달과 관련된 법칙이고, Rittinger 법칙은 입자의 크기와 분쇄에너지의 관계를 나타내는 법칙입니다. Kick 법칙은 충격에너지와 관련된 법칙입니다.
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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: 28%)
  • 두 벽돌 사이의 열전달은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    Q = (T1 - T2) / (1/α1 + d1/λ + d2/λ + 1/α2)

    여기서 Q는 열전달량, T1은 내벽의 온도, T2는 외벽의 온도, α1과 α2는 내벽과 외벽의 대류열전달계수, d1과 d2는 각각 내벽과 외벽의 두께, λ은 벽돌의 열전도도이다.

    내벽과 외벽의 대류열전달계수는 무시할 수 있으므로, 다음과 같이 계산할 수 있다.

    Q = (T1 - T2) / (d1/λ + d2/λ)

    내벽과 외벽의 두께와 열전도도가 주어졌으므로, Q를 계산할 수 있다.

    Q = (1000 - 60) / (0.025/0.1 + 0.02/0.2) = 328.6

    따라서, 두 내화벽돌 사이의 온도는 328.6℃이다.
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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: 35%)
  • 프루드 수는 중력과 관성력의 상대적인 크기를 나타내는 무차원 항으로, 특히 수리 경사면에서의 유체의 운동을 예측하는 데 사용됩니다. 따라서 중력과 관련된 항이므로 중력과 관련된 항이 중요한 무차원 항인 것입니다.
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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: 51%)
  • 충전 흡수탑은 일종의 필터 역할을 하며, 기체가 탑하부에서 상단으로 이동하면서 불순물을 제거합니다. 이때, 기체가 탑내의 특정 경로로만 흐르는 현상을 Channeling이라고 합니다. 이는 탑내의 채널이 형성되어 기체가 그곳으로 집중되기 때문에 발생합니다.
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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: 41%)
  • 응답속도가 빠른 공정은 제어 시스템에서 입력 신호에 대한 출력 신호의 변화가 빠르게 일어나는 공정을 말합니다. 이러한 공정은 제어 시스템에서의 되먹임 제어가 가장 용이하며, 입력 신호에 대한 적절한 제어 알고리즘을 적용하여 원하는 출력 신호를 얻을 수 있습니다. 따라서 응답속도가 빠른 공정은 되먹임 제어에 적합한 공정입니다.
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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: 32%)
  • "출력의 진동 발생여부는 감쇠계수 값에 의하여 결정된다." 이유는 감쇠계수 값이 클수록 시스템이 빠르게 안정화되기 때문에 진동이 적게 발생하고, 감쇠계수 값이 작을수록 시스템이 느리게 안정화되기 때문에 진동이 많이 발생하기 때문입니다. 따라서 감쇠계수 값이 적절하게 조절되어야 안정적인 출력이 나올 수 있습니다.
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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: 37%)
  • Underdamped 2차 공정은 damping coefficient가 0보다 크고, 공진주파수가 존재하는 경우를 말한다. 이 때, damping coefficient가 작을수록 점점 진동이 심해지는데, 이는 damping이 작아서 시스템이 진동을 계속 유지하기 때문이다. 따라서 damping coefficient가 작을수록 진동이 심해진다는 것이 옳다.
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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: 52%)
  • 정답은 "비례 - 적분 - 미분"입니다.

    자동제어에서 제어기는 입력 신호를 받아 출력 신호를 생성하는 장치입니다. 제어기의 기본형은 비례, 적분, 미분 세 가지 요소로 이루어져 있습니다. 이 중에서 적분과 미분은 각각 시간에 대한 적분과 미분 연산을 수행하므로, 시간에 대한 변화를 고려하는 제어가 가능합니다. 따라서 적분 - 미분이 제어기의 기본형입니다.

    반면에 "비례 - 적분 - 미분"은 적분과 미분 연산을 모두 수행하면서 비례 연산도 수행하는 형태로, 제어기의 기본형이 아닙니다.
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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: 31%)
  • 정답: "적분동작은 오차가 없어져야 출력값이 일정하게 유지된다."

    PID 제어기는 비례, 적분, 미분 세 가지 동작을 통해 제어 신호를 생성한다. 비례 동작은 현재 오차에 비례하여 출력을 생성하며, 적분 동작은 오차의 누적값에 비례하여 출력을 생성한다. 적분 동작은 오차가 없어져야 출력값이 일정하게 유지된다. 만약 오차가 유지된다면, 적분항이 계속해서 누적되어 출력값이 계속해서 증가하게 된다. 따라서 적분 동작은 오차를 최소화하여 출력값을 일정하게 유지하는 역할을 한다.
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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: 50%)
  • 정답은 ""이다.

    이유는 공정의 Laplace 전달함수는 출력변수 Y(s)와 입력변수 X(s)의 비율로 표현되는데, 주어진 전달함수에서는 Y(s)와 X(s)의 비율이 s+1로 주어지고, 이는 출력변수가 입력변수보다 1만큼 더 늦게 반응한다는 것을 의미한다. 따라서 이 공정은 입력변수가 변화하면 출력변수가 늦게 반응하는 시스템이다.
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47. 어느 계의 단위충격(impulse)입력에 대한 y(t)가 다음과 같을 때 이 계의 전달함수는?

(정답률: 53%)
  • 전달함수는 입력과 출력의 관계를 나타내는 함수이다. 이 문제에서 입력은 단위충격이고 출력은 y(t)이다. 따라서 전달함수는 y(t)를 단위충격으로 나눈 것이다.

    y(t)를 단위충격으로 나누면 s/(s+1)이 된다. 이는 보기 중에서 ""와 일치한다.
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48. 다음 블록선도의 제어계에서 출력 C를 구하면?

(정답률: 41%)
  • 출력 C는 AND 게이트와 OR 게이트의 출력을 입력으로 받아서 구해진다. AND 게이트의 입력은 A와 B이고, OR 게이트의 입력은 A와 NOT B이다. 따라서, A와 B가 모두 1일 때 AND 게이트의 출력은 1이 되고, A가 1이거나 NOT B가 1일 때 OR 게이트의 출력은 1이 된다. 이 두 개의 출력이 AND 게이트의 입력으로 들어가므로, A와 B가 모두 1이고, A가 1이거나 NOT B가 1일 때 출력 C는 1이 된다. 따라서, 정답은 ""이다.
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49. 다음 보드(bode)선도에서 위상각여유(Phase margin)는 몇 도인가?

  1. 30°
  2. 45°
  3. 90°
  4. 135°
(정답률: 50%)
  • 위상각여유는 180°에서 단면각을 뺀 값이므로, 위상각여유는 180° - 135° = 45° 이다.
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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: 50%)
  • 제어계에서 피제어 변수의 목표치를 나타내는 말은 "설정치(set point)"입니다. 이는 제어 시스템에서 원하는 값을 설정하는 것으로, 제어 시스템은 이 설정치와 현재 상태를 비교하여 오차를 계산하고 이를 줄이기 위해 조치를 취합니다. 따라서 설정치는 제어 시스템의 중요한 기준점이 되며, 이를 통해 제어 시스템이 원하는 목표를 달성할 수 있습니다.
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51. 에서 라플라스 변환 Y(s)는 어떻게 주어지는가?

(정답률: 49%)
  • 라플라스 변환은 시간 영역의 함수를 복소수 영역의 함수로 변환하는 것이다. 따라서, 주어진 이미지에서 Y(s)는 라플라스 변환된 함수를 나타낸 것이다. 보기 중에서 ""이 정답인 이유는, 이것이 라플라스 변환된 함수 Y(s)를 나타내기 때문이다. 이 함수는 s/(s+1)으로 주어지는데, 이는 시간 영역에서 y(t) = e^(-t)의 라플라스 변환과 같다. 따라서, Y(s)는 y(t) = e^(-t)의 라플라스 변환으로 주어진다.
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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: 32%)
  • 보기 중 초기 응답이 가장 빠른 것은 "하나의 1차계 가 독립으로 존재하는 경우"이다.

    이유는 다음과 같다.

    하나의 1차계 는 시스템의 복잡도가 가장 낮으며, 입력에 대한 출력이 바로 나타난다. 따라서 초기 응답이 가장 빠르다.

    ζ=1 인 2차계 는 과소감쇠 상태이므로 초기 응답이 빠르지만, 시스템이 진동하는 현상이 발생할 수 있다.

    동일한 1차계 가 상호작용을 가지며 직렬 연결된 계는 시스템의 복잡도가 높아 초기 응답이 느리다.

    ζ>1 인 2차계 는 과감쇠 상태이므로 초기 응답이 느리다.
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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: 41%)
  • 안정한 공정을 보여주는 페루프 특성방식은 특성방정식의 실근이 모두 음수일 때 성립한다. 따라서 주어진 네 개의 특성방정식 중에서 실근이 모두 음수인 것을 찾으면 된다.

    "s3+6s2+11s+10" 의 경우, 이를 풀어서 실근을 구하면 (-2), (-1), (-5) 이므로 모두 음수이다. 따라서 정답은 "s3+6s2+11s+10" 이다.
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54. 식을 라플라스 변환을 하면?

(정답률: 50%)
  • 식을 라플라스 변환하면 다음과 같다:



    이유는 라플라스 변환은 시간 영역의 함수를 복소수 영역으로 변환하는 것이기 때문이다. 따라서 변환된 함수는 복소수 평면에서의 함수로 해석할 수 있으며, 이 함수의 극점과 극점의 위치는 원래 함수의 특성을 나타내게 된다.
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55. 다음의 공정 중 임펄스 입력이 가해졌을 때 진동특성을 가지며 불안정한 출력을 가지는 것은?

(정답률: 34%)
  • 정답은 ""이다. 이는 피드백 제어 시스템에서의 진동특성을 가지며, 임펄스 입력이 가해지면 시스템이 과도하게 반응하여 불안정한 출력을 내게 된다. 이는 시스템의 감쇠율이 낮아서 발생하는 현상으로, 다른 보기들은 감쇠율이 높아서 이러한 문제가 발생하지 않는다.
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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: 33%)
  • 정답은 "공정입력으로 sin 파를 넣을 때 a가 증가할수록 공정 출력의 sin 파는 진폭이 커진다." 이다.

    이유는 전달함수에서 a는 진폭을 조절하는 인자이다. 따라서 a가 증가하면 출력 신호의 진폭도 커지게 된다. 이는 입력 신호의 진폭이 일정하더라도 출력 신호의 진폭이 커지므로, 공정입력으로 sin 파를 넣을 때 a가 증가할수록 공정 출력의 sin 파는 진폭이 커진다는 것이다.
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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: 27%)
  • 펄스 입력의 면적은 입력 신호의 크기와 지속 시간의 곱으로 계산된다. 이 경우 입력 펄스의 크기는 10이고 지속 시간은 0.5이므로 면적은 5이다. 이에 따라 출력의 면적도 5이다.

    공정의 정상상태 이득은 출력과 입력의 비율로 계산된다. 따라서 이 경우 정상상태 이득은 5/10 = 0.5이다.

    하지만 문제에서는 출력의 면적이 5로 주어졌으므로, 이를 이용하여 정상상태 이득을 구할 수 있다. 출력의 면적은 출력의 크기와 지속 시간의 곱으로 계산된다. 이 경우 출력의 크기는 2.5이고 지속 시간은 2이므로 면적은 5이다.

    따라서 정상상태 이득은 5/10 = 0.5의 두 배인 1.25이다.
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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: 53%)
  • 앞먹임 제어에서 사용되는 측정 변수는 "공정 상태 변수", "출력 변수", "입력 조작 변수" 등이 있습니다. 그러나 이 중에서 "측정 가능한 외란"이 정답인 이유는, 앞먹임 제어는 외부 환경의 영향을 최소화하고 제어 대상에 집중하기 위해 외부 환경의 영향을 측정하고 제어해야 하기 때문입니다. 따라서 측정 가능한 외란은 앞먹임 제어에서 매우 중요한 변수 중 하나입니다.
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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: 34%)
  • "P제어기를 이용하면 모든 공정에 대해 항상 정상상태 잔류오차(steady-state offset)가 생긴다."가 옳지 않은 것이다. P제어기는 정상상태에서 오차가 생길 수 있지만, 이를 해결하기 위해 PI 또는 PID 제어기를 사용할 수 있다.
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60. 그림의 블록선도에서 전달함수 Y(s)/R(s)를 구하면?

(정답률: 57%)
  • 전달함수 Y(s)/R(s)는 출력신호 Y(s)와 입력신호 R(s)의 Laplace 변환값의 비율이다.

    그림에서 Y(s)는 블록선도를 따라 전달되어 다음과 같이 표현할 수 있다.

    Y(s) = G1(s)G2(s)R(s) - G2(s)Y(s)

    위 식을 Y(s)/R(s)로 나누면 다음과 같다.

    Y(s)/R(s) = G1(s)G2(s) / (1 + G2(s))

    따라서 정답은 "" 이다.
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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: 57%)
  • 백금 촉매는 As, Se와 같은 불순물에 민감하게 반응하여 촉매독 현상이 발생할 수 있습니다. 이는 백금 촉매가 불순물과 반응하여 활성화되어 촉매의 효과를 감소시키거나 손상시키기 때문입니다. 따라서 원료가스를 충분히 정제하지 않으면 촉매독 현상이 발생하여 제조 공정에 영향을 미칠 수 있습니다.
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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: 47%)
  • 이 반응식은 NH3과 O2가 반응하여 NO와 H2O를 생성하는 반응이다. 이 반응식에서 NH3과 O2의 몰비는 4:5 이므로, NH3의 부피비는 4:5가 된다. 따라서, NH3 부피 백분율은 (4/9) x 100 = 44.4% 이다. 하지만, 문제에서 생성된 NO의 부피가 2배가 되어야 하므로, NH3 부피 백분율은 (4/9) x 50 = 22.2% 가 된다. 이때, NH3 부피 백분율과 NO 부피 백분율의 합은 100% 이므로, NO 부피 백분율은 77.8% 이다. 따라서, NH3 부피 백분율은 22.2%에서 7.8%을 빼면 14.4%가 된다.
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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: 54%)
  • 코크스에 수증기를 통과시키면 코크스가 열분해되어 수소와 일산화탄소를 생성합니다. 이러한 과정을 가열분해라고 합니다. 따라서 1000℃ 이상의 고온에서 코크스에 수증기를 통과시키면 CO와 H2가 주로 생성됩니다. 따라서 정답은 "CO, H2"입니다.
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64. 다음 중 1차 전지가 아닌 것은?

  1. 수은전지
  2. 알칼리망건전지
  3. Leclanche 전지
  4. 니켈카드뮴전지
(정답률: 52%)
  • 니켈카드뮴전지가 아닌 것은 "수은전지", "알칼리망건전지", "Leclanche 전지"입니다. 이유는 수은전지는 수은과 아연을 사용하여 전기를 발생시키는데, 단점으로 수은이라는 유독물질을 사용하기 때문에 환경오염과 건강에 해로울 수 있습니다. 알칼리망건전지와 Leclanche 전지는 각각 알칼리 용액과 아연과 망간산을 사용하여 전기를 발생시키는데, 이들은 모두 1차 전지입니다.
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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: 40%)
  • LPG는 액화 석유 가스(Liquefied Petroleum Gas)의 약자로, 주로 프로판과 부탄으로 구성되어 있다. 이 중 C3과 C4의 탄화수소가 주성분이다. 이는 이들 탄화수소가 가장 적합한 연료로서 사용되기 때문이다. LPG는 물보다 무겁기 때문에 땅 위에 떨어져 있을 경우에는 낮은 곳에 모이게 된다. 그 자체로 매우 심한 독한 냄새가 나기 때문에 누출 시 쉽게 감지할 수 있다. 액화가 가능하지만, 상온에서는 기체 상태로 존재한다. 따라서 액화된 LPG는 압축을 통해 저장되며, 사용 시에는 가스 레인지나 보일러 등에서 연소되어 사용된다.
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66. 수성가스로부터 인조석유를 만드는 합성법은 무엇이라 하는가?

  1. Williamson법
  2. Kolb-Smith법
  3. Fischer-Tropsch법
  4. Hoffman법
(정답률: 55%)
  • 수성가스로부터 인조석유를 만드는 합성법은 Fischer-Tropsch법이다. 이는 수성가스를 고온, 고압에서 촉매와 반응시켜 탄화수소를 합성하는 방법으로, 천연가스나 석유가 부족한 지역에서 대체 연료로 사용되고 있다.
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67. 석회질소 제조시 촉매역할을 해서 탄화칼슘의 질소화 반응을 촉진시키는 물질은?

  1. CaCO2
  2. CaO
  3. CaF2
  4. C
(정답률: 48%)
  • 석회질소 제조시에는 탄화칼슘과 질소가 반응하여 석회질소를 생성하는데, 이 반응은 촉매가 필요합니다. 이때 촉매로 사용되는 물질은 CaF2입니다. CaF2는 이 반응에서 활성화된 탄화칼슘과 질소 분자 사이의 결합을 촉진시켜 반응 속도를 높이는 역할을 합니다. 따라서, 정답은 "CaF2"입니다.
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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: 56%)
  • 에칭은 노광 후 포토레지스트로 보호되지 않은 부분을 선택적으로 제거하는 공정이다. 이는 반도체 제조 과정에서 필요한 단계 중 하나로, 반도체 칩의 회로를 형성하는 과정 중 하나이다. 따라서 정답은 "에칭"이다.
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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: 57%)
  • 질산 분자의 몰질량은 63 g/mol이다. 따라서 126 g의 질산을 만들기 위해서는 2 몰의 질산이 필요하다. 반응식에서 질산 2 몰을 만들기 위해 필요한 암모니아의 몰은 4 몰이므로, 암모니아 4 몰의 몰질량은 4 x 17 = 68 g이다. 따라서 전체 생성물의 질량은 126 g의 질산과 68 g의 암모니아로 총 194 g이다. 따라서 질산의 질량 %는 (126/194) x 100 = 64.95%이다. 하지만 반응식에서는 질산 2 몰을 만들기 위해 암모니아 4 몰이 필요하므로, 암모니아의 공급량이 질산의 공급량보다 2 배 많다. 따라서 암모니아가 반응 후에 남아있을 것이다. 이러한 이유로 질산의 질량 %는 64.95%보다 작을 것이다. 따라서 정답은 "78"이다.
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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: 37%)
  • 이황화탄소는 알칼리성을 띄고 있기 때문에 셀룰로오스의 수소 이온을 빼앗아 카르복실기로 변환시킨다. 이로 인해 셀룰로오스의 구조가 변하면서 셀룰로오스 크산테이트가 생성된다. 따라서 정답은 "셀룰로오스 크산테이트"이다.
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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: 42%)
  • 사출성형은 고분자를 용융시킨 후 금형 내부로 주입하여 가압하고 냉각하여 성형하는 방법입니다. 따라서 "사출성형 : 고분자의 용융, 금형채움, 가압, 냉각단계로 성형하는 방법이다."가 옳은 설명입니다.
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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: 29%)
  • 먼저 황화철광 1톤 중 불순물은 0.1톤이므로 순수한 황화철광의 양은 0.9톤이다. 이를 화학반응식으로 나타내면 다음과 같다.

    FeS2 + 3.5O2 → Fe2O3 + 2SO2

    이 반응식에서 1몰의 FeS2가 반응하면 3.5몰의 O2가 필요하다. 따라서 1톤(1000kg)의 FeS2를 완전 연소시키기 위해서는 다음과 같은 몰 수의 O2가 필요하다.

    1톤 FeS2 = 1000kg ÷ 120kg/mol = 8.33 몰
    필요한 O2 몰 수 = 3.5 × 8.33 = 29.2 몰

    따라서 이론 공기량은 다음과 같다.

    이론 공기량 = 필요한 O2 몰 수 × 22.4 L/mol = 29.2 × 22.4 = 653.28 L

    하지만 이론 공기량은 모든 기체가 이상 기체라는 가정하에 계산된 값으로, 실제로는 공기 중에는 다른 기체들도 포함되어 있기 때문에 이론 공기량보다는 더 많은 공기가 필요하다. 따라서 보기에서 주어진 값 중에서 가장 가까운 값인 2200이 정답이 된다.
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73. 공업적으로 수소를 제조하는 방법이 아닌 것은?

  1. 수성가스법
  2. 수증기개질법
  3. 부분산화법
  4. 공기액화분리법
(정답률: 40%)
  • 공기액화분리법은 공기를 액화시켜서 분리하는 방법으로, 수소를 제조하는 방법이 아닙니다. 다른 세 가지 방법은 모두 수소를 제조하는 방법입니다.
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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: 50%)
  • 정답은 "NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3+NH4Cl"이다.

    암모니아소다법은 수산화 암모늄과 이산화탄소를 이용하여 탄산나트륨을 생산하는 공정이다. 이 공정에서는 먼저 수산화 암모늄과 이산화탄소가 반응하여 탄산성 암모늄을 생성한다.

    NH3 + CO2 + H2O → NH4HCO3

    그리고 이 탄산성 암모늄과 염화나트륨이 반응하여 탄산나트륨과 염화수소를 생성한다.

    NH4HCO3 + NaCl → NaHCO3 + NH4Cl

    따라서 암모니아소다법의 핵심공정 반응식은 "NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3+NH4Cl"이다.
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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: 40%)
  • 일산화탄소와 수소에 의한 메탄올의 공업적 제조방법은 메탄과 물가 열분해되어 생성된 일산화탄소와 수소를 촉매와 함께 반응시켜 메탄올을 생성하는 방법이다. 이때 ZnO-Cr2O3는 촉매로 사용할 수 있는 이유는 이 촉매가 일산화탄소와 수소를 적절하게 반응시켜 메탄올을 생성하는 데 효과적이기 때문이다. 또한 압력이 낮을수록 반응속도가 느려지기 때문에 압력은 낮을수록 좋지 않다. CO : H2 의 사용비율은 3 : 1 일 때가 가장 좋은 비율이며, 생성된 메탄올은 분해반응이 불가능하다.
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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: 43%)
  • 오산화바나듐(V2O5) 촉매하에 벤젠을 공기 중 400℃에서 산화시키면 벤즈산이 생성됩니다. 이 벤즈산은 더 높은 온도에서 분해되어 말레산 무수물이 생성됩니다. 따라서 정답은 "말레산 무수물"입니다.
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77. 산화에틸렌을 수화반응(Hydration)시켜 얻어지는 물질은?

  1. Ethy alcohol
  2. Glycerol
  3. Ethylene chlorohydrin
  4. Ethylene glycl
(정답률: 53%)
  • 산화에틸렌은 수화반응을 통해 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol)로 변화합니다. 따라서 정답은 "Ethylene glycl"입니다. 다른 보기들은 산화에틸렌과는 관련이 없거나 다른 반응으로 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: 39%)
  • 수소화 정제법은 환경오염을 유발하는 이산화탄소를 배출하기 때문에 현재는 사용되지 않는다.
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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: 56%)
  • 인산비료에서 인 함량을 나타낼 때 기준은 P2O5이다. 이는 인산비료의 생산과 사용에서 일반적으로 사용되는 표준이기 때문이다. P2O5은 인산의 산화물 중 하나이며, 인산비료의 인 함량을 나타내는 데 가장 적합한 형태이다.
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80. 황산제조에 사용되는 원료가 아닌 것은?

  1. 황화철광
  2. 자류철광
  3. 염안
  4. 금속제련폐가스
(정답률: 34%)
  • 황산은 황화철광이나 자류철광과 같은 철광석에서 추출되며, 금속제련폐가스는 황산을 생산하는 과정에서 발생하는 부산물입니다. 하지만 염안은 황산제조에 사용되는 원료가 아닙니다.
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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: 51%)
  • 기체-고체 반응에서는 기체 분자가 고체 표면에 충돌하여 반응이 일어나는데, 이때 전체 반응 속도를 지배하는 단계가 율속단계이다. 이는 기체 분자가 고체 표면에 충돌하는 속도가 빠르기 때문에, 고체 표면에서의 반응 속도가 빠르게 일어나기 때문이다. 따라서, "전체반응 속도를 지배하는 단계가 율속단계이다."가 옳은 설명이다.
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82. 그림과 같은 기초적 반응에 대한 농도-시간곡선을 가장 잘 표현하고 있는 반응 형태는?

(정답률: 54%)
  • 정답은 "" 입니다. 이유는 초기에는 농도가 빠르게 증가하다가 시간이 지남에 따라 농도 증가율이 감소하는 형태이기 때문입니다. 이러한 형태는 대부분의 화학 반응에서 나타나는 일반적인 형태입니다.
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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: 40%)
  • 반응속도식은 다음과 같다.

    r = k[A]^2

    반응속도 상수 k는 다음과 같이 구할 수 있다.

    k = r/[A]^2

    반응속도 상수 k는 시간당 분해되는 양을 의미한다. 따라서, A의 반감기는 다음과 같다.

    t1/2 = ln2/k

    반감기는 반응이 절반으로 줄어드는 시간을 의미한다. 따라서, A의 전화율은 다음과 같다.

    f = 1/2^(t/t1/2)

    여기서 t는 시간이다. 문제에서 A의 50%가 5분 동안에 전화하였으므로, 다음과 같이 풀이할 수 있다.

    0.5 = 1/2^(5/t1/2)

    t1/2 = ln2/k 이므로, k = ln2/t1/2 이다. 따라서, 위 식을 k로 나타내면 다음과 같다.

    0.5 = 1/2^(5*ln2/(k*ln2))

    0.5 = 1/2^(5/k)

    2^(5/k) = 2

    5/k = 1

    k = 5

    따라서, k가 5일 때 A의 전화율은 다음과 같다.

    f = 1/2^(t/ln2/5)

    A의 전화율이 75%가 되기 위해서는 다음과 같은 식을 만족해야 한다.

    0.75 = 1/2^(t/ln2/5)

    2^(t/ln2/5) = 4/3

    t/ln2/5 = ln(4/3)/ln2

    t = ln(4/3)*ln2/ln5

    t ≈ 15

    따라서, 처음부터 75% 전화율에 도달하는 데는 약 15분이 걸린다.
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84. 의 기초반응식에서 반응속도식을 옳게 나타낸 것은? (단, k1은 정반응 속도상수, k2는 역반응 속도상수 이다.)

(정답률: 42%)
  • 반응속도식은 각 반응물 농도의 변화에 따른 반응속도를 나타내는 식이다. 이 반응에서는 A와 B가 충돌하여 C와 D로 변하는 정반응과 C와 D가 충돌하여 A와 B로 변하는 역반응이 일어난다. 따라서 반응속도식은 다음과 같다.



    이유는 정반응과 역반응이 동시에 일어나므로, 두 반응속도를 모두 고려해야 하기 때문이다.
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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%)
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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: 20%)
  • 플러그 흐름 반응기에서 R의 농도를 최대로 하기 위해서는 A의 분해 속도와 R의 생성 속도가 같아지는 지점에서 반응이 종료되어야 한다. 따라서, A의 분해 속도와 R의 생성 속도를 구해야 한다.

    A의 분해 속도는 k1[A] 이고, R의 생성 속도는 k2[B]2 이다. 여기서 [A]는 A의 농도이고, [B]는 B의 농도이다.

    A의 분해 속도와 R의 생성 속도가 같아지는 지점에서 [A]=[B] 이므로, [A]=[B]=x 라고 가정하자. 그러면, A의 분해 속도는 k1x 이고, R의 생성 속도는 k2x2 이다.

    A의 유량은 100L/h 이므로, A의 농도는 CAO=1mol/L 이다. 따라서, A의 유량은 CAO×Q 이고, A의 농도는 A의 유량/Q 이다. 여기서 Q는 플러그 흐름 반응기의 크기이다.

    A의 유량과 A의 농도를 이용하여 A의 질량 균일 법칙을 적용하면, A의 질량 유량은 A의 유량×A의 농도=100L/h×1mol/L=100mol/h 이다.

    따라서, R의 생성 속도는 0.2x2 mol/h 이고, A의 분해 속도는 0.2x mol/h 이다. A의 질량 유량과 R의 생성 속도가 같아지는 지점에서 반응이 종료되므로, 100mol/h=0.2x2 mol/h 이다. 이를 풀면 x=10mol/L 이다.

    따라서, 플러그 흐름 반응기의 크기인 Q는 A의 유량/CAO=100L/h/10mol/L=10L 이다. 따라서, 정답은 "8.33L"이 아니라 "10L"이다.
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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: 42%)
  • "어떤 1개소의 온도에서 속도상수 k를 측정하면 활성화 에너지를 알 수 있다."는 옳은 설명입니다. 이유는 Arrhenius 방정식에 따라 속도상수 k는 온도와 활성화 에너지에 의존하기 때문입니다. 따라서 같은 온도에서 속도상수 k를 측정하면 활성화 에너지를 계산할 수 있습니다. 다른 보기들은 모두 옳은 설명입니다.
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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: 45%)
  • "효소반응은 시간에 대해 일정한 속도로 진행된다."라는 설명이 틀린 것은, 실제로는 온도, pH, 기질 농도 등 여러 가지 요인에 따라 효소반응 속도가 변화할 수 있기 때문입니다. 따라서 이 설명은 수정되어야 합니다.

    효소반응은 시간에 대해 일정한 속도로 진행되지 않을 수 있지만, 일정한 조건에서는 일정한 속도로 진행될 수 있습니다. 이를 표현하는 것이 Michaelis-Menten 식입니다. 또한, 효소와 기질이 반응하여 반응 효소-기질 복합체를 형성하고, 이 복합체가 반응을 촉진하는 것도 효소반응의 특징 중 하나입니다.
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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: 34%)
  • 반응물 A가 소비되는 속도는 1.0 - x 이고, 생성물 S가 생성되는 속도는 x 이다. 따라서 순간적인 수득분율은 x / (1.0 - x) 이다. 이를 미분하여 최대값을 구하면 0.6이 나오므로, 목적하는 생성물의 순간적인 수득분율의 최대값은 0.6이다.
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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: 47%)
  • 액상순환반응에서 순환율이 ∞일 때, 반응물과 생성물이 계속해서 혼합되므로 완전혼합 흐름반응기와 같은 상황이 된다. 따라서 총괄 전화율은 완전혼합 흐름반응기의 전화율과 같다.
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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: 45%)
  • 이 반응은 2차 반응이다.

    반응속도식을 쓰면 다음과 같다.

    r = k[CA]2

    반응속도식에서 반응물 A의 농도가 2배가 되면 반응속도는 2의 제곱인 4배가 된다. 따라서, 80% 전환에 걸리는 시간과 90% 전환에 걸리는 시간의 비율은 다음과 같다.

    t90%/t80% = (0.9-0.1)/(0.8-0.2) = 1.5

    따라서, 이 반응은 2차 반응이다.
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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: 49%)
  • 주어진 반응식에서 A가 1 몰 반응할 때, 생성되는 기체의 몰 수는 2 몰이다. 이때, 부피가 2배가 되므로 부피팽창 계수는 2이다. 따라서 A만으로 반응을 시작한 경우, 부피팽창 계수 εA는 2/2.67 = 0.75이다.
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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: 30%)
  • 빈도계수는 Arrhenius 방정식에서 활성화 에너지와 속도상수를 이용하여 구할 수 있습니다.

    k = A * e^(-Ea/RT)

    여기서 k는 속도상수, A는 빈도계수, Ea는 활성화 에너지, R은 기체상수, T는 온도입니다.

    이 문제에서는 속도상수와 활성화 에너지가 주어졌으므로, 빈도계수를 구할 수 있습니다.

    A = k / e^(-Ea/RT)

    여기서 k는 1.46×10^-4 L/mol·s, Ea는 60 kJ/mol, R은 8.314 J/mol·K (기체상수를 J로 사용해야 함에 주의), T는 60 + 273 = 333 K입니다.

    A = 1.46×10^-4 / e^(-60000/(8.314*333))

    A = 3.8×10^5 L/mol·s

    따라서, 정답은 "3.8×10^5 L/mol·s"입니다.
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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: 42%)
  • 반응속도식은 $r = -frac{d[A]}{dt} = k[A]$ 이므로, $[A]$가 0.2몰이 되기까지 걸리는 시간 $t$는 다음과 같이 구할 수 있다.

    $$ln{frac{[A]}{[A]_0}} = -kt$$

    여기서 $[A]_0$는 초기 몰수이다. $[A]$가 0.2몰이 되기까지의 변화량은 $[A] - 0.2$몰이므로,

    $$ln{frac{[A]}{[A]_0}} = ln{frac{[A] - 0.2}{[A]_0}}$$

    따라서,

    $$ln{frac{[A] - 0.2}{[A]_0}} = -kt$$

    초기 몰수 $[A]_0$는 30몰이고, 등온적으로 일어나는 1차 반응에서 반응속도상수 $k$는 0.1/min이므로,

    $$ln{frac{30 - 0.2}{30}} = -0.1t$$

    $$t = frac{ln{frac{30}{29.8}}}{0.1} approx 5.8text{min}$$

    따라서, 정답은 "5.8min"이다.
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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: 31%)
  • 답: "k2 >> k1"

    이유: Cs=CAO[1-exp(-k1t)]에서 Cs는 시간 t에 따라 지속적으로 증가하며, 이는 k2에 의해 결정된다. 따라서 k2가 매우 크면 Cs는 매우 빠르게 증가하게 되고, k1은 Cs의 증가에 미치는 영향이 작아진다. 이에 따라 k2 >> k1이 되어야 Cs의 증가를 빠르게 할 수 있다.
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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: 45%)
  • 반감기는 반응물 농도가 초기 농도의 절반으로 감소하는 시간을 말한다. 따라서, 반응물 농도가 초기 농도의 1/4로 감소하는 시간은 2배 더 길어져서 40분이 된다. 이때, 반응속도상수 k는 다음과 같이 구할 수 있다.

    t1/2 = ln(2) / k

    20 = ln(2) / k

    k = ln(2) / 20

    k = 0.0347 min-1

    따라서, 정답은 "0.0347"이다.
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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: 33%)
  • "최종 전환율은 혼합반응기 쪽이 유리하다."라는 설명이 옳지 않습니다. 실제로는 혼합반응기와 플러그 반응기 모두 최종 전환율이 같을 수 있습니다.

    반응물의 농도 증가에 따라 속도가 증가하는 반응에서는 플러그 반응기가 혼합반응기보다 효과적입니다. 이는 플러그 반응기에서는 반응물이 계를 통과하면서 점차 농도가 감소하기 때문입니다. 반면에 혼합반응기에서는 반응물이 순간적으로 농도가 아주 낮은 값까지 감소하게 되므로, 이러한 반응에서는 효과적이지 않습니다.
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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: 54%)
  • 이 반응은 하나의 분자가 두 개의 분자로 분해되는 과정으로, 반응이 진행됨에 따라 생성된 분자들이 다시 반응에 참여하지 않고 더 이상 새로운 분자를 생성하지 않기 때문에 "Non-chain reaction"이다.
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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: 37%)
  • "반응기 입구와 출구의 몰 속도가 같다."가 틀린 설명입니다. 플러그 흐름반응기는 입구와 출구의 몰 속도가 다르게 유지되는 반응기입니다. 이는 반응물과 생성물의 농도가 반응기 내에서 변화하면서 발생하는 것으로, 이러한 농도 변화는 축방향으로 일어나기 때문에 축방향의 농도 구배가 존재합니다. 따라서 "축방향의 농도 구배가 없다."와 "반응기내의 온도 구배가 없다."는 플러그 흐름반응기의 특징으로 옳은 설명입니다. 또한, 플러그 흐름반응기는 정상상태 흐름반응기이기 때문에 "정상상태 흐름반응기이다."도 옳은 설명입니다.
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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: 36%)
  • 혼합 흐름 반응기를 사용해야 한다. 이유는 혼합 흐름 반응기는 입구에서부터 출구까지 반응물이 균일하게 혼합되어 있기 때문에 반응속도가 일정하게 유지되어 전환율이 균일하게 유지될 수 있기 때문이다. 따라서 A의 전환율이 모두 0.9가 되도록 반응기를 설계하려면 혼합 흐름 반응기를 사용하는 것이 가장 적합하다.
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