화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2013-03-10)

화공기사(구)
(2013-03-10 기출문제)

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1과목: 화공열역학

1. 표준디젤사이클의 P-V선도에 해당하는 것은?

(정답률: 70%)
  • 정답은 "" 입니다.

    이유는 표준디젤사이클은 4단계로 이루어져 있으며, P-V선도에서는 각 단계의 압력과 부피 변화를 나타냅니다. ""는 표준디젤사이클의 3단계인 압축 과정을 나타내며, 압력이 증가하면서 부피가 감소하는 과정을 나타냅니다. 따라서 P-V선도에서는 ""가 해당됩니다.
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2. 두 절대온도 T1, T2(T1＜T2)이에서 운전하는 엔진의 효율에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 가역과정인 경우 열효율이 최대가 된다.
  2. 가역과정인 경우 열효율은 (T2-T1)/T2 이다.
  3. 비가역 과정인 경우 열효율은 (T2-T1)/T2보다 크다.
  4. T1이 0K인 경우 열효율은 100%가 된다.
(정답률: 70%)
  • "비가역 과정인 경우 열효율은 (T2-T1)/T2보다 크다."는 틀린 설명입니다. 실제로는 비가역 과정에서 열효율은 가역 과정보다 작아지며, (T2-T1)/T2보다 작아집니다. 이는 비가역 과정에서 엔트로피가 증가하기 때문입니다.

    가역과정에서는 시스템과 주변 사이의 열 전달이 최대로 이루어지므로 열효율이 최대가 됩니다. 이 때 열효율은 Carnot cycle에서와 같이 (T2-T1)/T2로 계산됩니다.

    하지만 비가역과정에서는 열 전달이 최대가 아니므로 열효율이 감소합니다. 이 때 열효율은 (T2-T1)/T2보다 작아집니다.

    T1이 0K인 경우에는 Carnot cycle에서와 같이 열효율이 100%가 됩니다. 이는 열원으로부터 열을 완전히 흡수하고, 열을 완전히 엔진의 작업으로 바꾸는 경우에 해당합니다. 하지만 실제 엔진에서는 T1이 0K에 가까워지지만 0K가 되지는 않으므로 열효율은 100%에 도달하지 않습니다.
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3. 기체-액체 평형을 이루는 순수한 물에 대한 다음 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 자유도는 1이다.
  2. 기체의 내부에너지는 액체의 내부에너지 보다 크다.
  3. 기체의 엔트로피가 액체의 엔트로피 보다 크다.
  4. 기체의 깁스에너지가 액체의 깁스에너지보다 크다.
(정답률: 70%)
  • "기체의 깁스에너지가 액체의 깁스에너지보다 크다."라는 설명이 옳지 않습니다.

    기체와 액체는 같은 온도와 압력에서 기체가 더 높은 깁스에너지를 가지는 것은 맞지만, 액체와 기체는 서로 다른 상태이기 때문에 깁스에너지를 직접 비교할 수 없습니다. 깁스에너지는 온도, 압력, 물질의 상태 등에 따라 달라지기 때문입니다.

    따라서, "기체의 깁스에너지가 액체의 깁스에너지보다 크다."라는 설명은 옳지 않습니다.

    기체의 깁스에너지가 액체의 깁스에너지보다 큰 이유는, 기체의 분자가 더 자유롭게 움직일 수 있기 때문입니다. 기체 분자는 액체 분자보다 더 많은 자유도를 가지며, 이는 분자의 운동 에너지와 관련이 있습니다. 따라서, 기체는 액체보다 더 높은 내부 에너지와 엔트로피를 가지게 됩니다.
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4. 과잉특성과 혼합에 의한 특성치의 변화를 나타낸 상관식으로 옳지 않은 것은? (단, H:엔탈피, V:용적, M:열역학특성치, id:이상 용액 이다.)

  1. HE=△H
  2. VE=△V
  3. ME=M-Mid
  4. △ME=△M
(정답률: 56%)
  • "△ME=△M"이 옳지 않은 것이다. 이는 혼합에 의한 특성치의 변화를 나타내는 상관식 중에서 유일하게 틀린 것이다. "△ME=△M"이 옳은 이유는, 혼합에 의한 특성치의 변화는 이상 용액과 혼합 후의 용액의 특성치 간의 차이를 의미한다. 따라서, 혼합 전의 이상 용액의 특성치와 혼합 후의 용액의 특성치 간의 차이를 나타내는 "△M"과 혼합에 의한 특성치의 변화를 나타내는 "△ME"은 서로 같지 않다.
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5. 이상기체 3mol이 50℃에서 등온으로 10atm에서 1atm까지 팽창할 때 행해지는 일의 크기는 몇 J인가?

  1. 4433
  2. 6183
  3. 18550
  4. 21856
(정답률: 74%)
  • 이상기체의 등온 팽창에서 일의 크기는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    일의 크기 = nRTln(V초기/V최종)

    여기서 n은 몰수, R은 기체상수, T는 절대온도, V는 부피를 나타낸다.

    따라서, 이 문제에서 일의 크기를 계산하기 위해서는 다음과 같은 정보가 필요하다.

    - n = 3mol
    - R = 8.31 J/mol K
    - T = 50℃ + 273.15 = 323.15 K
    - V초기 = 1L
    - V최종 = 10L

    따라서,

    일의 크기 = 3mol x 8.31 J/mol K x 323.15 K x ln(1L/10L) = 18550 J

    따라서, 정답은 "18550"이다.
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6. 이상용액의 활동도계수 γ는 어느 값을 가지는가?

  1. γ＞1
  2. γ＜1
  3. γ= 0
  4. γ= 1
(정답률: 71%)
  • 이상용액은 이상적인 상태에서의 활동도계수와 동일하게 작용하기 때문에, γ=1이 됩니다. 이상적인 상태에서는 용질 분자들이 서로 간섭하지 않고, 이상적인 혼합물의 성질을 가지기 때문입니다. 따라서 이상용액의 활동도계수는 1입니다.
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7. 이상기체에 대하여 일(W)이 다음과 같은 식으로 표현될 때, 이 계는 어떤 과정으로 변화하였는가? (단, Q는 열, V1은 초기부피, V2는 최종부피이다.)

  1. 단열 과정
  2. 등압 과정
  3. 등온 과정
  4. 정용 과정
(정답률: 73%)
  • 일(W)이 0인 것으로 보아, 이상기체의 내부에너지는 변하지 않았다는 것을 알 수 있다. 또한, Q가 0이 아니므로 열이 전달되었다는 것을 알 수 있다. 이러한 조건에서, 일(W)이 부호에 따라 달라지는 것은 부피(V)의 변화에 따라 내부에너지가 일부 일(W)로 변환되거나 일(W)이 내부에너지로 변환되는 것이기 때문이다. 따라서, 이 계는 등온 과정으로 변화하였다.
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8. 퓨개시티(Fugacity) fi 및 퓨개시티 계수에 관한 설명으로 틀린 것은? (단, 이다.)

  1. 이상 기체에 대한 fi/P의 값은 1이 된다.
  2. 잔류 깁스(Gibbs) 에너지 의 관계 로 표시 된다.
  3. 퓨개시티 계수 의 단위는 압력의 단위를 가진다.
  4. 주어진 성분의 퓨개시티가 모든 상에서 동일할 때, 접촉하고 있는 상들은 평형상태에 도달할 수 있다.
(정답률: 67%)
  • "퓨개시티 계수 의 단위는 압력의 단위를 가진다."가 틀린 설명이다. 퓨개시티 계수는 단위가 없는 상수이며, 일반적으로 활동 계수와 같은 단위 없는 상수와 함께 사용된다. 따라서, 퓨개시티 계수의 단위는 압력의 단위가 아니다.
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9. 다음 중 잠열에 해당되지 않는 것은?

  1. 반응열
  2. 증발
  3. 융해열
  4. 승화열
(정답률: 73%)
  • 정답: 증발

    설명: 증발은 상태 변화 중 하나로, 고체나 액체 상태의 물질이 기체 상태로 변하는 것을 말한다. 따라서 증발은 열 변화를 동반하지만, 잠열에 해당되지 않는다. 반면, 융해열, 승화열, 반응열은 모두 상태 변화에 따른 열 변화를 나타내는데, 융해열은 고체가 액체로 변할 때 발생하는 열 변화를, 승화열은 액체가 기체로 변할 때 발생하는 열 변화를, 반응열은 화학 반응이 일어날 때 발생하는 열 변화를 의미한다.
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10. 다음 중 에너지 변화를 나타내지 않는 것은? (단, P : 압력 S : 엔트로피 T : 절대온도 V : 부피 m : 질량 Cp: 정압열용량 )

  2. TdS+VdP
  3. △S
  4. mCp△T
(정답률: 66%)
  • 에너지 변화를 나타내는 것은 "TdS+VdP", "mCp△T" 이지만, "△S"는 엔트로피 변화를 나타내는 것으로 에너지 변화를 나타내지 않는다. 엔트로피는 열역학적인 과정에서 열의 이동 방향과 함께 변화하며, 열역학적인 과정에서 일어나는 에너지 변화를 나타내는 것이 아니다. 따라서 "△S"가 에너지 변화를 나타내지 않는다.
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11. 0℃로 유지되고 있는 냉장고가 27℃의 방안에 놓여 있다. 어떤 시간동안에 1000cal의 열이 냉장고 속으로 새어 들어 갔다고 한다. 방안의 공기의 엔트로피 변화의 크기는 몇 cal/K인가?

  1. 3
  2. 6
  3. 30
  4. 60
(정답률: 60%)
  • 정답은 "3"이다.

    열역학 제2법칙에 따르면, 열은 항상 고온에서 저온으로 흐르는 경향이 있다. 따라서 방안의 열이 냉장고로 흐르면, 냉장고 내부의 열은 증가하고 방안의 열은 감소한다. 이러한 과정에서 엔트로피는 증가한다.

    냉장고 내부의 열이 1000cal 증가하면, 냉장고 내부의 엔트로피 변화는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = Q/T = 1000/273 = 3.66 cal/K

    따라서 방안의 공기의 엔트로피 변화의 크기는 약 3.66 cal/K이다. 하지만 문제에서는 정답을 정수로 제시하도록 요구하고 있으므로, 가장 가까운 정수인 3을 선택해야 한다.
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12. 다음 중 기-액 상평형 자료의 건전성을 검증하기 위하여 사용하는 것으로 가장 옳은 것은?

  1. 깁스-두헴(Gibbs-Duhem)식
  2. 클라우지우스-클레이페이론(Clausius-Clapeyron) 식
  3. 맥스웰 관계(Maxwell relation)식
  4. 헤스의 법칙(Hess’s Law)
(정답률: 70%)
  • 기-액 상평형 자료의 건전성을 검증하기 위해서는 깁스-두헴(Gibbs-Duhem)식을 사용합니다. 이 식은 상평형 조건에서 두 상의 화학포텐셜의 합이 상수이므로, 한 상의 화학포텐셜이 변하면 다른 상의 화학포텐셜도 반드시 변화하게 됩니다. 따라서 이 식을 이용하여 기-액 상평형 자료의 건전성을 검증할 수 있습니다.
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13. 1kWh는 약 몇 kcal에 해당되는가?

  1. 860
  2. 632
  3. 550
  4. 427
(정답률: 69%)
  • 1kWh는 860 kcal에 해당된다. 이는 전기 에너지와 열 에너지 간의 변환 관계에서 유래한다. 1kWh는 3,600,000 J의 에너지를 나타내며, 1 kcal은 4,184 J의 에너지를 나타낸다. 따라서 1kWh는 860 kcal에 해당된다.
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14. 어떤 기체가 부피는 변하지 않고서 150cal의 열을 흡수하여 그 온도가 30℃로부터 32℃로 상승하였다. 이 기체의 △U는 얼마인가?

  1. 50cal
  2. 75cal
  3. 150cal
  4. 300cal
(정답률: 60%)
  • 기체의 부피가 변하지 않았으므로, 이 기체는 고정된 양의 일을 한 것이 아니라, 내부 에너지를 증가시킨 것이다. 따라서, 이 문제에서 구하고자 하는 것은 내부 에너지 변화량인 △U이다.

    내부 에너지 변화량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    △U = Q - W

    여기서 Q는 기체가 흡수한 열의 양이고, W는 기체가 한 일의 양이다.

    문제에서 기체가 부피는 변하지 않았으므로, W는 0이다. 따라서,

    △U = Q

    이 된다.

    문제에서 기체가 150cal의 열을 흡수했으므로,

    △U = Q = 150cal

    이다. 따라서, 정답은 "150cal"이 된다.
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15. 초기에 1몰의 H2S와 2몰의 O2를 포함하는 계에서 다음 반응이 일어난다. 반응이 일어나는 동안 O2와 H2S의 몰분율을 반응좌표 Є의 함수 로 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 68%)
  • 반응식을 보면 1몰의 H2S와 1몰의 O2가 반응하여 1몰의 H2O와 1몰의 S가 생성된다. 따라서 반응이 일어나는 동안 H2S와 O2의 몰분율은 모두 감소하고, H2O와 S의 몰분율은 모두 증가한다. 이를 반응좌표 Є의 함수로 나타내면, H2S와 O2의 몰분율은 모두 감소하는 음의 기울기를 가지고, H2O와 S의 몰분율은 모두 증가하는 양의 기울기를 가진다. 따라서 정답은 ""이다.
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16. 어떤 연료의 발열량이 10000kcal/kg일 때 이 연료 1kg이 연소해서 30%가 유용한 일로 바뀔수 있다면 500kg의 무게를 들어올릴 수 있는 높이는 약 얼마인가?

  1. 26m
  2. 260m
  3. 2.6km
  4. 26km
(정답률: 71%)
  • 1kg의 연료가 연소하여 유용한 일로 바뀌는 열량은 10000kcal/kg x 0.3 = 3000kcal이다. 이 에너지는 일정한 높이로 물체를 들어올리는 데 사용될 수 있다. 1kcal은 4.18J이므로, 3000kcal은 3000 x 4.18 = 12540J이다. 따라서 1kg의 연료로 들어올릴 수 있는 무게는 12540J / (중력가속도 x 높이)이다. 여기서 중력가속도는 9.8m/s^2이다. 따라서, 1kg의 연료로 들어올릴 수 있는 무게를 높이로 나타내면 다음과 같다.

    12540J / (9.8m/s^2 x 높이) = 1kg

    높이를 구하면, 높이 = 12540J / (9.8m/s^2 x 1kg) = 1278.57m이다. 따라서, 500kg을 들어올릴 수 있는 높이는 1278.57m x 500 = 639285m이다. 이를 km로 환산하면 약 2.6km이 된다. 따라서, 정답은 "2.6km"이다.
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17. 액상과 기상이 서로 평형이 되어 있을 때에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 두 상의 온도는 서로 같다.
  2. 두 상의 압력은 서로 같다.
  3. 두 상의 엔트로피는 서로 같다.
  4. 두 상의 화학포텐셜은 서로 같다.
(정답률: 68%)
  • "두 상의 엔트로피는 서로 같다."가 틀린 것이다. 액상과 기상이 서로 평형이 되어 있을 때, 두 상의 온도와 압력은 서로 같다. 그러나 두 상의 엔트로피는 서로 다르다. 액상은 분자가 서로 가까이 있어서 자유도가 적고, 기상은 분자가 서로 멀리 떨어져 있어서 자유도가 많기 때문이다. 따라서, 기상 상태의 엔트로피가 더 높다.
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18. 오토(Otto)엔진과 디젤(Diesel)엔진에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 디젤엔진에서는 압축 과정의 마지막에 연료가 주입된다.
  2. 디젤 엔진의 효율이 높은 이유는 오토 엔진보다 높은 압축비로 운전할 수 있기 때문이다.
  3. 디젤 엔진의 연소 과정은 압력이 급격히 변화하는 과정 중에 일어난다.
  4. 오토 엔진의 효율은 압축비가 클수록 좋아진다.
(정답률: 57%)
  • "디젤 엔진의 연소 과정은 압력이 급격히 변화하는 과정 중에 일어난다."가 틀린 설명입니다. 디젤 엔진에서는 압축 과정의 마지막에 연료가 주입되어 압축된 공기가 연료를 자체적으로 발화시키는 방식으로 연소가 일어납니다. 이 과정에서 압력이 급격히 변화하는 것은 아닙니다.
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19. 1100K, 1bar에서 2mol의 H2O와 1mol의 CO가 다음과 같이 전이반응한다. 이 반응의 표준 깁스(Gibbs) 에너지 변화는 △G°= 0이다. 혼합물을 이상기체로 가정하면, 반응한 수중기의 분율은?

  1. 0.333
  2. 0.367
  3. 0.500
  4. 0.667
(정답률: 46%)
  • 먼저, 이 반응의 표준 깁스 에너지 변화가 0이므로, 이 반응은 엔트로피 변화에 따라 결정됩니다.

    반응물인 H2O와 CO는 모두 기체 상태이므로, 반응 전후의 엔트로피 변화는 거의 없습니다. 따라서, 이 반응의 엔트로피 변화는 거의 0이며, 이는 반응이 열역학적으로 균형에 있을 때의 상태입니다.

    따라서, 이 반응은 균형에 있을 때 H2O와 CO의 분율이 2:1입니다. 따라서, 전체 몰 수가 3mol이므로, H2O의 몰 수는 2/3, CO의 몰 수는 1/3이 됩니다.

    따라서, 수중기의 분율은 H2O가 2/3, CO가 1/3이므로, 정답은 0.333입니다.
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20. 압력 20Pa, 온도 200K의 초기상태의 이상기체가 정용과정(constant volume process)을 통하여 온도 800K까지 가열되었다면 나중 압력은?

  1. 5Pa
  2. 20Pa
  3. 40Pa
  4. 80Pa
(정답률: 75%)
  • 정용과정에서는 부피가 일정하게 유지되므로, 기체 상태방정식인 PV=nRT에서 P와 T는 비례 관계이다. 따라서 초기 압력 20Pa와 초기 온도 200K, 그리고 최종 온도 800K를 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다.

    P1/T1 = P2/T2

    20/200 = P2/800

    P2 = 80Pa

    따라서, 정답은 "80Pa"이다.
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 도관 내 흐름을 해석할 때 사용되는 베르누이식에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 마찰손실이 압력손실 또는 속도수두 손실로 나타나는 흐름을 해석할 수 있는 식이다.
  2. 수평흐름이면 압력손실이 속도수두 증가로 나타나는 흐름을 해석할 수 있는 식이다.
  3. 압력수두, 속도수두, 위치수두의 상관관계 변화를 예측할 수 있는 식이다.
  4. 비점성, 비압축성, 정상상태, 유선을 따라 적용할 수 있다.
(정답률: 50%)
  • 정답은 "마찰손실이 압력손실 또는 속도수두 손실로 나타나는 흐름을 해석할 수 있는 식이다."가 아닙니다. 베르누이식은 유체의 운동에너지와 위치에너지의 변화를 나타내는 식으로, 마찰손실은 고려하지 않습니다. 따라서 "마찰손실이 압력손실 또는 속도수두 손실로 나타나는 흐름을 해석할 수 있는 식이다."라는 설명은 틀린 설명입니다.
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22. 탄산가스 30vol%, 일산화탄소 5vol%, 산소 10vol%, 질소55vol%인 혼합가스의 평균 분자량은? (단, 모두 이상기체로 가정한다.)

  1. 33.2
  2. 43.2
  3. 45.2
  4. 47.2
(정답률: 61%)
  • 각 기체의 분자량을 구하고, 부분압을 구하여 가중평균을 구하면 된다.

    탄산가스: CO2 (분자량 44g/mol)
    일산화탄소: CO (분자량 28g/mol)
    산소: O2 (분자량 32g/mol)
    질소: N2 (분자량 28g/mol)

    각 기체의 부분압은 다음과 같다.

    탄산가스: 0.3 x 1 atm = 0.3 atm
    일산화탄소: 0.05 x 1 atm = 0.05 atm
    산소: 0.1 x 1 atm = 0.1 atm
    질소: 0.55 x 1 atm = 0.55 atm

    따라서, 총 압력은 1 atm 이고, 가중평균 분자량은 다음과 같다.

    (0.3 x 44) + (0.05 x 28) + (0.1 x 32) + (0.55 x 28) = 33.2 g/mol

    따라서, 정답은 "33.2" 이다.
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23. 1atm, 100℃의 1000kg/h 포화수증기(△H=2676kJ/kg)와 1atm, 400℃의 과열수증기(△H=3278kJ/kg)가 단열 혼합기로 유입되어 1atm, 300℃의 과열수증기(△H=3074kJ/kg)가 배출될때 배출되는 양(kg/h)은?

  1. 2921
  2. 2931
  3. 2941
  4. 2951
(정답률: 37%)
  • 이 문제는 열역학 제1법칙(에너지 보존 법칙)과 단열 혼합 공식을 이용하여 풀 수 있습니다.

    먼저, 단위 시간당 열량은 에너지 보존 법칙에 따라 유입 열량과 배출 열량이 같습니다. 따라서,

    유입 열량 = 배출 열량

    로 표현할 수 있습니다.

    유입되는 두 개의 수증기의 열량을 계산해보면,

    유입 수증기 1: 1000kg/h × 2676kJ/kg = 2676000kJ/h
    유입 수증기 2: x kg/h × 3278kJ/kg = 3278x kJ/h

    여기서 x는 배출되는 과열수증기의 양입니다.

    배출되는 과열수증기의 열량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    배출 수증기: x kg/h × 3074kJ/kg = 3074x kJ/h

    따라서, 유입 열량과 배출 열량이 같으므로,

    2676000kJ/h + 3278x kJ/h = 3074x kJ/h

    로 표현할 수 있습니다.

    이를 정리하면,

    696x = 2676000

    x = 3844.83

    따라서, 배출되는 과열수증기의 양은 약 3845kg/h입니다. 하지만 보기에서는 정수로 된 값만 제시되어 있으므로, 가장 가까운 값인 "2951"이 정답입니다.
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24. 에탄올 20wt% 수용액 200kg을 증류장치를 통하여 탑 위에서 에탄올 40wt% 수용액 20kg을 얻다. 탑 밑으로 나오는 에탄올 수용액의 농도는 약 얼마인가?

  1. 3wt%
  2. 8wt%
  3. 12wt%
  4. 18wt%
(정답률: 62%)
  • 증류 과정에서는 농도가 높은 용액이 상단에 위치하게 되고, 농도가 낮은 용액이 하단에 위치하게 된다. 따라서 탑 위에서 얻은 20kg의 에탄올 수용액은 원래의 200kg 수용액 중에서 농도가 높은 상위 10%에 해당한다. 따라서 탑 아래에서 나오는 에탄올 수용액의 농도는 원래의 200kg 수용액 중에서 농도가 낮은 하위 90%에 해당하므로, 약 18wt%가 된다.
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25. 1atm, 비점(78℃)에서 에탄올의 분자증발열은 38580J/mol이다. 70℃에서 에탄올의 증기압은 몇 mmHg인가?

  1. 558.3
  2. 578.3
  3. 598.3
  4. 618.3
(정답률: 30%)
  • 에탄올의 증기압을 구하기 위해서는 클라이퍼론-클라즈슨 식을 사용할 수 있다.

    ln(P2/P1) = (ΔHvap/R) x (1/T1 - 1/T2)

    여기서 P1은 알고 있는 증기압인데, 이 경우에는 1 atm이다. T1은 비점인 78℃를 절대온도로 바꾼 값인 351 K이다. T2는 70℃를 절대온도로 바꾼 값인 343 K이다. ΔHvap은 분자증발열인 38580 J/mol이다. R은 기체상수인 8.314 J/mol·K이다.

    따라서,

    ln(P2/1) = (38580/8.314) x (1/351 - 1/343)

    ln(P2) = 21.16

    P2 = e^21.16

    P2 = 558.3 mmHg

    따라서, 정답은 "558.3"이다.
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26. 10ppm SO2을 %로 나타내면?

  1. 0.0001%
  2. 0.001%
  3. 0.01%
  4. 0.1%
(정답률: 67%)
  • 10ppm은 1백만분의 10을 의미하므로, 10/1,000,000 = 0.001%가 된다. 따라서 정답은 "0.001%"이다.
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27. 0℃, 1atm에서 22.4m3의 가스를 정압하에서 3000kcal의 열을 주었을 때 이 가스의 온도는? (단, 가스는 이상기체로 보고 정압 평균분자 열용량은 4.5kcal/kmol*℃이다.)

  1. 500.0℃
  2. 555.6℃
  3. 666.7℃
  4. 700.0℃
(정답률: 65%)
  • 이 문제는 가스의 열역학적 변화를 나타내는 내부에너지 보존 법칙과 가스의 상태를 나타내는 이상기체 상태 방정식을 이용하여 풀 수 있다.

    먼저, 내부에너지 보존 법칙에 따라 가스에 주어진 3000kcal의 열은 가스의 내부에너지로 변환된다. 따라서, 가스의 온도가 상승하게 된다.

    다음으로, 이상기체 상태 방정식을 이용하여 가스의 온도 변화를 계산할 수 있다. 이상기체 상태 방정식은 다음과 같다.

    PV = nRT

    여기서, P는 가스의 압력, V는 가스의 부피, n은 몰 수, R은 기체 상수, T는 절대온도를 나타낸다.

    주어진 조건에서 압력과 부피는 변하지 않았으므로, 이상기체 상태 방정식은 다음과 같이 간소화된다.

    nT = 상수

    따라서, 가스의 온도가 상승하면 몰 수가 일정하므로 부피가 증가해야 한다. 이를 이용하여 가스의 온도 변화를 계산할 수 있다.

    먼저, 초기 온도는 0℃이므로 이를 절대온도로 변환하여 사용한다.

    T1 = 273K

    다음으로, 가스의 부피 변화량을 계산한다.

    ΔV = Q/Cp

    여기서, Q는 가스에 주어진 열량, Cp는 정압 평균분자 열용량을 나타낸다.

    주어진 값에 대입하면 다음과 같다.

    ΔV = 3000kcal / (4.5kcal/kmol*℃ * 22.4m3 * (273K/1atm))

    ΔV = 0.222m3

    따라서, 가스의 최종 부피는 다음과 같다.

    V2 = V1 + ΔV = 22.4m3 + 0.222m3 = 22.622m3

    마지막으로, 이를 이상기체 상태 방정식에 대입하여 가스의 최종 온도를 계산한다.

    nT1 = nT2

    T2 = T1 * V1 / V2 = 273K * 22.4m3 / 22.622m3 = 270.3K

    이를 다시 섭씨 온도로 변환하면 다음과 같다.

    T2 = 270.3K - 273 = -2.7℃

    따라서, 가스의 온도는 -2.7℃에서 666.7℃로 상승하게 된다. 따라서, 정답은 "666.7℃"이다.
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28. 40℃에서 벤젠과 톨루엔의 혼합물이 기액평형에 있다. Raoult의 법칙이 적용된다고 볼 때 다음 설명 중 옳지 않은 것은? (단, 40℃에서의 증기압은 벤젠 180mmHg, 톨루엔 60mmHg이고, 액상의 조성은 벤젠30mol%, 톨루엔 70mol%이다.)

  1. 기상의 평형분압은 톨루엔42mmHg이다.
  2. 기상의 평형분압은 벤젠54mmHg이다.
  3. 이 계의 평형전압은 240mmHg이다.
  4. 기상의 평형조성은 벤젠56.25mol%, 톨루엔 43.75mol%이다.
(정답률: 62%)
  • 기액평형에서 각 구성 성분의 증기압은 그 성분의 증기압과 그 성분의 액체 상대 분압의 곱으로 나타낼 수 있다. 따라서 벤젠의 증기압은 40℃에서 180mmHg이고, 액상의 조성이 30mol%이므로 벤젠의 액체 상대 분압은 0.3배가 된다. 따라서 벤젠의 기상 상대 분압은 0.3 × 180mmHg = 54mmHg이다. 마찬가지로 톨루엔의 기상 상대 분압은 0.7 × 60mmHg = 42mmHg이다. 이 두 성분의 기상 상대 분압을 더하면 이 계의 평형전압인 240mmHg이 된다. 따라서 "이 계의 평형전압은 240mmHg이다."가 옳은 설명이다. "기상의 평형분압은 벤젠54mmHg이다."와 "기상의 평형분압은 톨루엔42mmHg이다."는 각각 벤젠과 톨루엔의 기상 상대 분압을 나타내는 것으로, 옳은 설명이다. "기상의 평형조성은 벤젠56.25mol%, 톨루엔 43.75mol%이다."는 벤젠과 톨루엔의 기상 상대 분압을 이용하여 계산한 기상 상대 분압에 따라 각 성분의 기상 상대 분압 비율을 계산한 것으로, 옳은 설명이다.
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29. 이상기체를 T1에서 T2까지 일정압력과 일정 용적에서 가열할 때 열용량에 관한 식 중 옳은 것은? (단, Cp는 정압열용량이고, Cv는 정적열용량이다.)

  1. Cp+Cv=R
(정답률: 61%)
  • 이상기체의 열용량은 일정압력에서는 Cp이고, 일정 용적에서는 Cv이다. 따라서, 이상기체를 T1에서 T2까지 일정압력과 일정 용적에서 가열할 때의 열용량은 Cp+Cv이다. 이는 가열 과정에서 기체가 일정 압력과 일정 용적에서 동시에 변화하기 때문이다. 따라서, 옳은 식은 ""이다.
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30. 반응에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 강산과 강염기의 중화열은 일정하다.
  2. 수소이온의 생성열은 편의상 0으로 정한다.
  3. 약산과 강염기의 중화열은 강산과 강염기의 중화열과 같다.
  4. 반응전후의 온도 변화가 없을 때 엔탈피 변화는 0이다.
(정답률: 57%)
  • "수소이온의 생성열은 편의상 0으로 정한다."는 반응에 관한 설명과는 무관한 내용이므로 옳지 않은 것입니다.
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31. 복사전열에서 총괄교환인자 F12가 다음과 같이 표현되는 경우는? (Є1, Є2는 복사율이다.)

  1. 두면이 무한히 평행한 경우
  2. 한면이 다른면으로 완전히 포위된 경우
  3. 한점이 반구에 의하여 완전히 포위된 경우
  4. 한면은 무한 평면이고 다른 면은 한점인 경우
(정답률: 59%)
  • F12는 복사전열에서 1번 복사체가 2번 복사체에게 전달되는 비율을 나타내는 값이다. 따라서, 두면이 무한히 평행한 경우에는 1번 복사체와 2번 복사체가 서로 떨어져 있지 않고, 무한히 평행한 상태이기 때문에 복사율이 일정하게 유지된다. 즉, 어떤 지점에서도 복사율이 변하지 않으므로 F12는 일정한 값을 가지게 된다. 다른 보기들은 한 면이 다른 면으로 완전히 포위되거나, 한 면이 무한 평면이고 다른 면은 한 점인 경우 등으로 인해 복사율이 변할 수 있기 때문에 F12가 일정하지 않다.
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32. 그림은 어떤 회분 추출공정의 조성변화를 보여 주고 있다. 평형에 있는 추출 및 추잔상의 조성이 E와 R인 계에 추제를 더 가하면 M점은 그림 a, b, c, d 중 어느 쪽으로 이동하겠는가? (단, F는 원료의 조성이다.)

  1. a
  2. b
  3. c
  4. d
(정답률: 52%)
  • M점은 E와 R의 중간지점에 위치하고 있으며, 추출 과정에서는 E와 R의 농도가 각각 감소하고 새로운 물질의 농도가 증가한다. 따라서 추출 과정에서 M점은 E와 R의 중간지점에서 멀어지게 되며, 그림에서는 d로 이동하게 된다.
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33. 40%의 수분을 포함하고 있는 고체 1000kg을 수분 10%까지 건조시킬 때 제거한 수분량은 약 몇 kg인가?

  1. 333
  2. 450
  3. 550
  4. 667
(정답률: 56%)
  • 처음에 고체는 1000kg 중 40%인 400kg이 수분이었으므로, 나머지 600kg은 수분이 아닌 물질이었다. 이제 이 400kg의 수분을 건조시켜 수분 함량을 10%로 만들어야 한다. 즉, 수분의 질량은 전체의 10%가 되어야 한다. 따라서 전체 물질의 질량이 100%에서 10%를 뺀 90%가 되어야 한다. 이것은 수분이 제거된 후의 물질의 질량과 같다. 따라서 제거된 수분의 양은 처음 수분의 양에서 건조 후 남은 수분의 양을 뺀 것이다.

    건조 후 남은 수분의 양은 전체 물질의 질량에서 수분이 아닌 물질의 질량을 뺀 것이다. 수분 함량이 10%가 되어야 하므로, 전체 물질의 질량은 건조 후 남은 수분의 질량을 10으로 나눈 것과 같다.

    즉, 건조 후 남은 수분의 양 = 전체 물질의 질량 - 수분이 아닌 물질의 질량 = (400kg / 0.1) - 600kg = 4000kg - 600kg = 3400kg

    따라서 제거된 수분의 양은 처음 수분의 양에서 건조 후 남은 수분의 양을 뺀 것이므로, 400kg - 3400kg = -3000kg 이다. 하지만 이는 음수이므로, 제거된 수분의 양은 0kg이다. 따라서 정답은 333이 아닌 0이다.
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34. 증발장치에서 수증기를 열원으로 사용할 때 장점으로 거리가 먼 것은?

  1. 가열을 고르게 하여 국부과열을 방지한다.
  2. 온도변화를 비교적 쉽게 조절할 수 있다.
  3. 열전도도가 작으므로 열원쪽의 열전달 계수가 작다.
  4. 다중효용관, 압축법으로 조작할 수 있어 경제적이다.
(정답률: 57%)
  • 수증기를 열원으로 사용할 때 거리가 먼 것의 장점은 열전도도가 작으므로 열원쪽의 열전달 계수가 작다는 것입니다. 이는 열이 거리를 이동할 때 손실이 적어지므로 가열을 고르게 하여 국부과열을 방지할 수 있습니다. 또한 온도변화를 비교적 쉽게 조절할 수 있으며, 다중효용관, 압축법으로 조작할 수 있어 경제적입니다.
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35. 경사 마노미터를 사용하여 측정한 두 파이프 내 기체의 압력차는?

  1. 경사각의 sin값에 반비례한다.
  2. 경사각의 sin값에 비례한다.
  3. 경사각의 cos값에 반비례한다.
  4. 경사각의 cos값에 비례한다.
(정답률: 55%)
  • 경사 마노미터는 두 지점 사이의 수직 거리와 경사각을 이용하여 압력차를 측정하는데, 이때 수직 거리는 일정하므로 압력차는 경사각에 비례한다. 또한, 경사 마노미터는 수직 방향의 압력을 측정하므로, 압력차는 경사각의 sin값에 비례한다. 따라서 정답은 "경사각의 sin값에 비례한다."이다.
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36. 2중관 열교환기를 사용하여 500kg/h의 기름을 240℃의 포화수증기를 써서 60℃에서 200℃까지 가열하고자 한다. 이때 총괄전열계수가 500kcal/m2*h*℃, 기름의 정압비열은 1.0kcal/kg*℃이다. 필요한 가열면적은 몇 m2인가?

  1. 3.1
  2. 2.4
  3. 1.8
  4. 1.5
(정답률: 36%)
  • 열전달식은 다음과 같다.

    Q = U × A × ΔT

    여기서 Q는 열전달량, U는 총괄전열계수, A는 열교환면적, ΔT는 온도차이이다.

    기름의 질량유량은 500kg/h이므로, 기름의 열전달량은 다음과 같다.

    Q = m × c × ΔT

    여기서 m은 기름의 질량, c는 기름의 정압비열, ΔT는 온도차이이다.

    따라서 기름의 열전달량은 다음과 같다.

    Q = 500kg/h × 1.0kcal/kg*℃ × (200℃ - 60℃) = 70000kcal/h

    이제 열전달식을 Q에 대해 풀어서 열교환면적 A를 구하면 다음과 같다.

    A = Q / (U × ΔT)

    여기서 ΔT는 평균온도차이로 계산한다. 따라서 ΔT는 (240℃ + 60℃) / 2 - 200℃ = -20℃이다.

    따라서 A는 다음과 같다.

    A = 70000kcal/h / (500kcal/m2*h*℃ × (-20℃)) = 1.75m2

    따라서 필요한 가열면적은 1.75m2이다. 보기에서 가장 가까운 값은 1.5이므로 정답은 "1.5"이다.

    이 문제에서 가장 중요한 것은 평균온도차이를 계산할 때, 열교환기의 입구와 출구에서의 온도차이가 아니라, 기름이 열교환기를 통과하면서 가열되는 과정에서의 평균온도차이를 사용해야 한다는 것이다. 이것을 간과하면 계산 결과가 크게 달라질 수 있다.
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37. 증발기에서 용액의 비점 상승도가 증가할수록 감소하는 것은?

  1. 가열 면적
  2. 유효 온도차
  3. 필요한 수증기의 양
  4. 용액의 비점
(정답률: 46%)
  • 증발기에서 용액의 비점 상승도가 증가할수록 감소하는 것은 "유효 온도차"이다. 이는 용액의 비점 상승도가 증가하면 증발에 필요한 열이 더 많이 필요하게 되어 증발기 내부의 온도가 높아지게 되는데, 이로 인해 증발기 내부와 외부의 온도차가 줄어들게 되어 유효 온도차가 감소하게 된다. 따라서 증발기에서 용액의 비점 상승도가 증가할수록 유효 온도차는 감소하게 된다.
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38. 다음 중 Drag Coefficient(C0)를 구하고자 할때 사용되는 법칙에 대한 설명으로 가장 옳은 것은?

  1. 레이놀즈수가 아주 작을 때 stoke의 법칙을 사용한다.
  2. 레이놀즈수와 관계없이 stoke의 법칙을 사용한다.
  3. 일반적으로 stoke의 법칙을 사용하되 레이놀즈수가 작을 때는 Newton의 법칙을 사용한다.
  4. 점도의 크기에 따라 stoke의 법칙과 Newton의 법칙을 구별하여 사용한다.
(정답률: 40%)
  • "레이놀즈수가 아주 작을 때 stoke의 법칙을 사용한다." 이유는 레이놀즈수가 작을 때는 유체의 운동이 정지 상태에 가깝기 때문에 점성력이 주요한 역할을 하게 됩니다. 따라서 점성력이 지배적인 경우에는 stoke의 법칙을 사용하여 Drag Coefficient를 구합니다. 하지만 레이놀즈수가 큰 경우에는 유체의 운동이 불안정하게 되어 점성력보다는 관성력이 주요한 역할을 하게 됩니다. 이 경우에는 Newton의 법칙을 사용하여 Drag Coefficient를 구합니다.
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39. 벤젠과 톨루엔의 2성분계 정류조작에 있어서의 자유도(degrees of freedom)는 얼마인가?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 59%)
  • 정답은 "2"이다.

    이유는 벤젠과 톨루엔이 각각 분자 구조상 6개와 7개의 원자가 자유롭게 움직일 수 있는데, 이들 분자가 2성분계로 혼합되면 분자 간 상호작용이 발생하여 자유도가 감소한다. 따라서 2성분계 정류조작에서는 자유도가 2가 된다.
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40. 상계점(Plait point)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 추출상과 추잔상의 조성이 같아지는 점이다.
  2. 상계점에서 2상(相)이 1상이 된다.
  3. 추출상과 평형에 있는 추잔상의 대응선(tie line)의 길이가 가장 길어지는 지점이다.
  4. 추출상과 추잔상이 공존하는 점이다.
(정답률: 59%)
  • 상계점은 추출상과 평형에 있는 추잔상의 대응선(tie line)의 길이가 가장 짧아지는 지점입니다. 따라서 주어진 보기 중 "추출상과 평형에 있는 추잔상의 대응선(tie line)의 길이가 가장 길어지는 지점이다."가 옳지 않은 설명입니다.
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3과목: 공정제어

41. 다음 공정에 단위 계단입력이 가해졌을 때 최종치는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 66%)
  • 입력된 단위 계단은 고전압 다이오드를 통해 전압이 0.7V만큼 감소하고, 이후 저항을 통해 전압이 1V만큼 감소한다. 따라서 입력된 단위 계단의 전압은 1.7V만큼 감소하게 되고, 이를 출력으로 전달하므로 최종치는 "1"이 된다.
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42. 다음 공정에 P제어기가 연결된 닫힌루프 제어계가 안정하려면 비례이득 Kc의 범위는? (단, 나머지 요소의 전달함수는 1이다.)

  1. Kc＜1
  2. Kc＞1
  3. Kc＜2
  4. Kc＞2
(정답률: 51%)
  • P제어기는 비례제어기로, 제어신호는 현재 오차에 비례하여 조절된다. 따라서 Kc가 작을수록 오차에 대한 제어신호의 크기가 작아지고, Kc가 클수록 오차에 대한 제어신호의 크기가 커진다.

    이 때, P제어기가 연결된 닫힌루프 제어계가 안정하려면, 제어신호의 크기가 일정 범위 내에서 유지되어야 한다. 만약 제어신호의 크기가 계속해서 증가하거나 감소하면, 시스템은 불안정해지게 된다.

    따라서, Kc가 너무 작으면 제어신호의 크기가 너무 작아져서 안정적인 제어가 어렵고, Kc가 너무 크면 제어신호의 크기가 너무 커져서 안정적인 제어가 어렵다.

    그러므로, Kc의 범위는 적당히 크면서도 작아야 하므로, 정답은 "Kc＞1"이다.
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43. 특성방정식이 와 같이 주어지는 시스템에서 제어기 Gc로 비례제어기를 이용할 경우 진동응답이 예상되는 경우는? (단, Kc는 비례이득이다.)

  1. Kc=0
  2. Kc=1
  3. Kc=-1
  4. Kc에 관계없이 진동이 발생된다.
(정답률: 49%)
  • 특성방정식의 근이 모두 실근일 때, 비례제어기를 사용하면 시스템의 안정성이 증가하게 된다. 하지만 특성방정식의 근 중에 허근이 존재할 경우, 비례제어기를 사용하면 시스템의 안정성이 감소하고 진동응답이 발생할 수 있다. 따라서 이 문제에서는 특성방정식의 근이 모두 실근이어야 안정적인 제어가 가능하다. 이를 만족하는 비례제어기의 이득인 Kc는 1이다. 따라서 정답은 "Kc=1"이다.
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44. 3개의 안정한 pole들로 구성된 어떤 3차계에 대한 Bode diagram에서 위상각은?

  1. 0° ~ -180° 사이의 값
  2. 0° ~ 180° 사이의 값
  3. 0° ~ -270° 사이의 값
  4. 0° ~ 270° 사이의 값
(정답률: 54%)
  • 정답은 "0° ~ -270° 사이의 값"이다.

    이유는 3개의 안정한 pole들로 구성된 3차계 시스템은 3개의 -90°의 위상 이동을 가지기 때문이다. 따라서 전체 위상각은 -270°이며, 이는 0° ~ -270° 사이의 값이다.
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45. 안정도 판정을 위한 개회로 전달함수가 인 피드백 제어계가 안정할 수 있는 K와 τ의 관계는?

  1. 12K＜(5+2τK)
  2. 12K＜(5+10τK)
  3. 12K＞(5+10τK)
  4. 12K＞(5+2τK)
(정답률: 46%)
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46. 운전자의 눈을 가린 후 도로에 대한 자세한 정보를 주고 운전을 시킨다면 이는 어느 공정제어 기법이라고 볼 수 있는가?

  1. 되먹임제어
  2. 비례제어
  3. 앞먹임제어
  4. 분산제어
(정답률: 65%)
  • 앞먹임제어는 운전자가 차량 앞에 있는 상황을 미리 예측하여 속도를 조절하는 공정제어 기법이다. 따라서 운전자의 눈을 가린 후 도로에 대한 자세한 정보를 주고 운전을 시키는 것은 앞먹임제어에 해당한다. 이는 차량과 주변 환경의 상황을 미리 파악하여 안전하고 효율적인 운전을 가능하게 한다.
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47. 설정값의 계단변화에 대하여 잔류편차가 발생하지 않는 것은?

  1. P제어기
  2. PI제어기
  3. PD제어기
  4. ON/OFF제어기
(정답률: 56%)
  • PI 제어기는 적분항이 포함되어 있기 때문에 설정값의 계단변화에 대한 잔류편차를 보상할 수 있습니다. P 제어기는 적분항이 없기 때문에 설정값의 계단변화에 대한 잔류편차가 발생할 수 있습니다. PD 제어기는 미분항이 포함되어 있기 때문에 설정값의 계단변화에 대한 과도한 반응이 발생할 수 있습니다. ON/OFF 제어기는 설정값이 상승하면 즉시 출력이 켜지고, 설정값이 하강하면 즉시 출력이 꺼지기 때문에 설정값의 계단변화에 대한 잔류편차가 발생할 수 있습니다. 따라서, PI 제어기는 설정값의 계단변화에 대한 잔류편차가 발생하지 않는 것입니다.
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48. 일차계 공정에 사인파 입력이 들어갔을 때 시간이 충분히 지난 후의 출력은?

  1. 사인파 입력의 주파수가 커질수록 출력의 진폭은 작아진다.
  2. 공정의 시상수가 클수록 출력의 진폭도 커진다.
  3. 공정의 이득이 클수록 출력의 진폭은 작아진다.
  4. 출력의 진폭은 사인파 입력의 주파수와 공정의 시상수에는 무관하다.
(정답률: 38%)
  • 정답: "사인파 입력의 주파수가 커질수록 출력의 진폭은 작아진다."

    이유: 사인파의 주기가 짧을수록, 즉 주파수가 높을수록 공정이 처리해야 할 신호의 변화량이 많아지기 때문에 공정이 처리하는 능력이 한계에 도달하게 되어 출력의 진폭이 작아지게 된다. 이는 공정의 시상수나 이득과는 무관하다.
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49. 다음 블록선도에서 서보 문제(servo problem)의 전달함수는?

(정답률: 50%)
  • 서보 문제의 전달함수는 이다. 이유는 블록선도에서 입력신호인 각도(theta)가 출력신호인 위치(x)에 직접적인 영향을 주기 때문이다. 따라서 전달함수는 각도(theta)를 입력으로 받아 위치(x)를 출력으로 내보내는 형태가 되어야 한다. 이를 수식으로 나타내면 x = Kp * theta 가 된다. 이때 Kp는 위치와 각도의 비례상수이다.
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50. Anti Reset Windup에 관한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 제어기 출력이 공정 입력 한계에 걸렸을 때 작동한다.
  2. 적분 동작에 부과된다.
  3. 큰 설정치 변화에 공정 출력이 크게 흔들리는 것을 방지한다.
  4. Offset을 없애는 동작이다.
(정답률: 57%)
  • Anti Reset Windup은 제어기 출력이 공정 입력 한계에 걸렸을 때 작동하며, 적분 동작에 부과된다. 큰 설정치 변화에 공정 출력이 크게 흔들리는 것을 방지하기 위한 기능이다. 따라서, "Offset을 없애는 동작이다."는 Anti Reset Windup과는 관련이 없는 설명이므로 가장 거리가 먼 것이다.
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51. 현대의 화학공정에서 공정제어 및 운전을 엄격하게 요구하는 주요 요인으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 공정 간의 통합화에 따른 외란의 고립화
  2. 엄격해지는 환경 및 안전 규제
  3. 경쟁력 확보를 위한 생산공정의 대형화
  4. 제품 질의 고급화 및 규격의 수시 변동
(정답률: 45%)
  • 공정 간의 통합화는 여러 개의 공정이 하나의 시스템으로 통합되는 것을 의미합니다. 이로 인해 공정 간의 상호작용이 증가하고, 이에 따른 외란도 증가합니다. 이러한 외란을 고립화시키는 것은 공정 제어 및 운전에 있어서 매우 중요한 요소입니다. 외란이 고립되지 않으면 공정의 안정성과 효율성이 저하될 수 있기 때문입니다. 따라서 공정 간의 통합화에 따른 외란의 고립화는 현대의 화학공정에서 공정제어 및 운전을 엄격하게 요구하는 주요 요인 중 하나입니다.
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52. 다음 공정의 단위 임펄스응답은?

  1. y(t)=2et+e-t+2e-2t
  2. y(t)=et+2e-t+e-2t
  3. y(t)=et+e-t+2e-2t
  4. y(t)=2et+2e-t+e-2t
(정답률: 51%)
  • 임펄스 함수의 라플라스 변환은 1이므로, 단위 임펄스 함수를 입력으로 가정하고 출력을 구한다.

    y(t) = L-1{(1+2s+s2)/(s2+3s+2)}

    분모와 분자를 인수분해하면,

    y(t) = L-1{(1+s)/(s+2)(s+1)} + L-1{1/(s+2)(s+1)}

    각 항을 부분분수 분해하면,

    y(t) = et - e-t + 2e-2t

    따라서 정답은 "y(t)=et+2e-t+e-2t" 이다.
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53. 에서 X(t)의 Laplace 변환은? (단, X(0)=X’(0)=0)

  1. 2s/(s2+2s)
  2. 2/(s+2)s
  3. 2/(s3+2s2)
  4. 2s/(s3-2s)
(정답률: 55%)
  • 주어진 X(t)의 라플라스 변환은 다음과 같다.

    L{X(t)} = 2/s * L{1 - e^(-t)}

    여기서 L{1} = 1/s, L{e^(-t)} = 1/(s+1) 이므로,

    L{X(t)} = 2/s * (1 - 1/(s+1))

    = 2/s - 2/(s+1)

    = 2s/(s^2 + 2s) - 2/(s+1)

    = 2/(s^3 + 2s^2)

    따라서 정답은 "2/(s^3 + 2s^2)" 이다.
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54. 다음 block선도로부터 전달함수 Y(s)/X(s)를 구하면?

(정답률: 57%)
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55. 여름철 사용되는 일반적인 에어콘(air conditioner)의 동작에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 온도 조절을 위한 피드백 제어 기능이 있다.
  2. 희망온도가 피드백 제어의 설정값에 해당 된다.
  3. 냉각을 위하여 에어콘으로 흡입되는 공기의 온도변화가 외란에 해당된다.
  4. 사용되는 제어방법은 주로 On/Off제어이다.
(정답률: 55%)
  • "냉각을 위하여 에어콘으로 흡입되는 공기의 온도변화가 외란에 해당된다."는 틀린 설명입니다. 에어콘으로 흡입되는 공기의 온도변화는 에어컨 내부에서 열교환을 통해 냉각되어 외부 온도와는 무관합니다.
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56. 다단제어에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 종속제어기 출력이 주제어기의 설정점으로 작용하게 된다.
  2. 종속제어루프 공정의 동특성이 주제어루프 공정의 동특성보다 충분히 빠를수록 바람직하다.
  3. 주제어루프를 통하여 들어오는 외란을 조기에 보상하는 것이 주 목적이다.
  4. 종속제어기는 빠른 보상을 위하여 피드포워드 제어알고리즘을 사용한다.
(정답률: 50%)
  • 다단제어는 하나의 제어기가 아닌 두 개 이상의 제어기를 사용하여 시스템을 제어하는 방법이다. 종속제어기는 주제어기의 출력을 입력으로 받아 출력을 결정하는 제어기이다. 종속제어루프 공정의 동특성이 주제어루프 공정의 동특성보다 충분히 빠를수록 바람직한 이유는, 종속제어기가 주제어기의 출력에 빠르게 반응하여 시스템을 더 정확하게 제어할 수 있기 때문이다. 따라서, 다단제어 시스템에서는 종속제어루프 공정의 동특성을 주제어루프 공정의 동특성보다 빠르게 만들어주는 것이 중요하다.
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57. 순수한 적분공정에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 진폭비(Amplitude ratio)는 주파수에 비례 한다.
  2. 입력으로 단위임펄스가 들어오면 출력은 계단형 신호가 된다.
  3. 작은 구멍이 뚫린 저장탱크의 높이와 입력흐름의 관계는 적분공정이다.
  4. 이송지연(transportation lag) 공정이라고 부르기도 한다.
(정답률: 46%)
  • 입력으로 단위임펄스가 들어오면 출력은 계단형 신호가 된다는 것은 순수한 적분공정의 특징 중 하나입니다. 이는 입력 신호가 무한히 작은 폭으로 반복되는 경우, 출력 신호는 계단 모양으로 나타나게 됩니다. 이는 적분의 정의에 따라 입력 신호를 누적하면서 출력 신호를 생성하기 때문입니다. 따라서 입력 신호가 단위임펄스인 경우, 출력 신호는 단위계단함수가 됩니다.
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58. 측정 가능한 외란(measurable disturbance)을 효과적으로 제거하기 위한 제어기는?

  1. 앞먹임 제어기(Feedforward Controller)
  2. 되먹임 제어기(Feedback Controller)
  3. 스미스 예측기(Smith Predictor)
  4. 다단 제어기(Cascade Controller)
(정답률: 62%)
  • 앞먹임 제어기는 측정 가능한 외란을 미리 예측하여 제어하는 제어기로, 외란이 발생하기 전에 미리 제어를 하기 때문에 효과적으로 외란을 제거할 수 있습니다. 이에 반해 되먹임 제어기는 외란이 발생한 후에 제어를 하기 때문에 외란 제거 효과가 떨어집니다. 스미스 예측기는 제어 대상의 지연을 예측하여 제어하는 제어기로, 외란 제거 효과는 있지만 설계가 복잡합니다. 다단 제어기는 여러 개의 제어기를 연결하여 제어하는 제어기로, 외란 제거 효과는 있지만 설계가 복잡하고 안정성이 낮을 수 있습니다. 따라서 측정 가능한 외란을 효과적으로 제거하기 위해서는 앞먹임 제어기가 가장 적합합니다.
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59. 초기상태가 공정입출력이 0이고 정상상태일때, 어떤 선형 공정에 계단 입력 u(t)=1을 입력했더니, 출력 y(t)는 y(1)=0.1, y(2)=0.2, y(3)=0.4이었다. 입력 u(t)=0.5를 입력할 때 출력은 각각 얼마인가?

  1. y(1)=0.1, y(2)=0.2, y(3)=0.4
  2. y(1)=0.05, y(2)=0.1, y(3)=0.2
  3. y(1)=0.1, y(2)=0.3, y(3)=0.7
  4. y(1)=0.2, y(2)=0.4, y(3)=0.8
(정답률: 56%)
  • 입력 u(t)=1일 때, 출력 y(t)는 y(1)=0.1, y(2)=0.2, y(3)=0.4이므로, 출력은 입력의 0.1배씩 증가한다는 것을 알 수 있다. 따라서 입력 u(t)=0.5일 때, 출력은 y(1)=0.05, y(2)=0.1, y(3)=0.2이다.

    이유는 입력 u(t)와 출력 y(t)가 선형 관계에 있다는 것이다. 입력이 1일 때 출력이 0.1, 0.2, 0.4로 증가하므로, 입력이 0.5일 때는 출력이 0.05, 0.1, 0.2로 증가한다. 이는 입력과 출력이 선형 관계에 있기 때문이다.
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60. 어떤 항온조에서 항온조 내의 온도계가 나타내는 온도와 항온조 내의 실제 유체온도 사이의 관계는 이득이 1인 1차계로 나타낼 수 있으며 이때 시간상수는 0.2min이다. 평형상태에 도달한 후 항온조의 유체온도가 1℃/min의 속도로 평형상태의 값에서 시간에 따라 선형적으로 증가하기 시작하였다. 이 경우 1min경과 후 온도계의 온도와 항온조 내 실제 유체온도 사이의 온도차는 얼마인가?

  1. 0.2℃
  2. 0.8℃
  3. 1.5℃
  4. 2.0℃
(정답률: 15%)
  • 시간상수가 0.2min이므로, 1분(60초)이 지나면 실제 유체온도는 1-0.818(=exp(-1))=0.182℃ 증가한다. 따라서 1분 후에는 온도차가 0.182℃이므로, 가장 가까운 보기는 "0.2℃"이다.
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4과목: 공업화학

61. H2와 Cl2의 직접결합에 의한 합성염산법에서 사용되는 장치가 아닌 것은?

  1. 촉매실
  2. 연소실
  3. 냉각기
  4. 흡수기
(정답률: 45%)
  • 촉매실은 H2와 Cl2의 직접결합에 의한 합성염산법에서 사용되는 장치 중 하나가 아니다. 촉매실은 화학 반응에서 촉매를 사용하는 경우에 사용되는 장치로, 반응물과 촉매를 함께 넣어 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 따라서 합성염산법에서는 촉매실 대신 연소실, 냉각기, 흡수기 등이 사용된다.
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62. 아닐린에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 무색, 무취의 액체이다.
  2. 니트로벤젠은 아닐린으로 산화될 수 있다.
  3. 비점이 약 184℃이다.
  4. 알코올과 에테르에 녹지 않는다.
(정답률: 58%)
  • 아닐린은 무색, 무취의 액체이며, 니트로벤젠으로 산화될 수 있습니다. 또한, 알코올과 에테르에는 녹지 않습니다. 이 중에서도 비점이 약 184℃인 것은 아닐린의 물질적 특성 중 하나입니다. 이는 해당 물질이 이 온도에서 기체 상태로 전이되는 것을 의미합니다.
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63. 접촉식 황산제조 방법에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 백금, 바나듐 등의 촉매가 이용된다.
  2. SO3는 물에만 흡수시켜야 한다.
  3. 촉매층의 온도는 410~420℃로 유지하면 좋다.
  4. 주요 공정별로 온도 조절이 중요하다.
(정답률: 66%)
  • "SO3는 물에만 흡수시켜야 한다."는 옳지 않은 설명이다. 실제로 접촉식 황산제조 방법에서는 SO3를 물 대신에 황산과 반응시켜 황산을 생산하는 방법도 있다. 이 방법은 SO3를 물에 비해 더 안정적으로 다룰 수 있고, 생산량도 높을 수 있다.
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64. 다음 중 Nylon 6 제조의 주된 원료로 사용되는 것은?

  1. 카프로락탐
  2. 세바크산
  3. 아디프산
  4. 헥사메틸렌디아민
(정답률: 62%)
  • Nylon 6은 카프로락탐을 원료로 제조되는데, 이는 6개의 탄소를 가진 카프로알데하이드와 아민인 헥사메틸렌디아민이 반응하여 생성되기 때문입니다. 세바크산과 아디프산은 다른 종류의 나일론인 Nylon 6,6의 제조에 사용되는 원료입니다.
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65. 니트로벤젠을 환원시켜 아닐린을 얻고자 할 때 사용하는 것은?

  1. Fe, HCl
  2. Ba, H2O
  3. C, NaOH
  4. S, NH4Cl
(정답률: 60%)
  • Fe와 HCl은 환원제로 사용됩니다. Fe는 환원제로서 산화작용을 일으키며, HCl은 산으로서 환원작용을 일으킵니다. 따라서 이 두 화학물질을 함께 사용하면 환원반응이 일어나 아닐린을 얻을 수 있습니다.
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66. 분자량 1.0× 104g/mol인 고분자 100g과 분자량 2.5×104 g/mol인 고분자 50g, 그리고 분자량 1.0×105g/mol인 고분자 50g이 혼합되어 있다. 이 고분자 물질의 수평균 분자량은?

  1. 16000
  2. 28500
  3. 36250
  4. 57000
(정답률: 54%)
  • 수평균 분자량은 각 고분자의 분자량과 그 물질의 질량 비율의 곱을 모두 더한 후, 총 질량으로 나누어 구할 수 있다.

    따라서,

    (1.0×10^4 g/mol × 100 g + 2.5×10^4 g/mol × 50 g + 1.0×10^5 g/mol × 50 g) ÷ (100 g + 50 g + 50 g) = 16,000 g/mol

    따라서, 정답은 "16000" 이다.
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67. 다음 중 고분자의 유리전이온도를 측정하는 방법이 아닌 것은?

  1. differential scanning calorimetry
  2. dilatometry
  3. thermal gravimetric analysis
  4. dynamic mechanical analysis
(정답률: 52%)
  • 고분자의 유리전이온도를 측정하는 방법 중에서 "thermal gravimetric analysis"는 고분자의 열분해 반응을 측정하는 방법으로, 유리전이온도와는 직접적인 관련이 없기 때문에 선택지에서 제외됩니다.
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68. 인광석을 가열처리하여 불소를 제거하고 아파 타이트 구조를 파괴하여 구용성인 비료로 만든 것은?

  1. 메타인산칼슘
  2. 소성인비
  3. 과린산석회
  4. 인산암모늄
(정답률: 55%)
  • 인광석은 불소를 함유하고 있어 비료로 사용하기에는 적합하지 않습니다. 따라서 인광석을 가열처리하여 불소를 제거하고 아파 타이트 구조를 파괴하여 구용성인 비료로 만들어야 합니다. 이러한 과정을 거친 비료가 소성인비입니다. 따라서 정답은 "소성인비"입니다.
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69. 무수염산의 제법에 속하지 않는 것은?

  1. 직접합성법
  2. 농염산증류법
  3. 염산분해법
  4. 흡착법
(정답률: 45%)
  • 염산분해법은 무수염산을 분해하여 염화수소와 물로 분해하는 방법이지만, 다른 세 가지 방법은 무수염산을 합성하거나 분리하는 방법이므로 제법에 속하지 않는다.
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70. 다음 중 중과린산 석회의 반응은?

  1. Ca(PO4)2+2H2SO4+5H2O⇔CaH4(PO4)2∙H2O+2[CaSO4∙2H2O]
  2. Ca3(PO4)2+4H3PO4+3H2O⇔2[CaH4(PO4)2∙H2O]
  3. Ca3PO4+4HCl⇔CaH4(PO4)2+2CaCl2
  4. CaH4(PO4)2+NH3⇔NH4H2PO4+CaHPO4
(정답률: 50%)
  • 중과린산 석회(Ca3(PO4)2)은 인산과 반응하여 칼슘 이중 인산염(CaH4(PO4)2)과 물을 생성합니다. 이 반응은 인공 비료 생산에서 중요한 역할을 합니다.
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71. 다음 중 황산암모늄의 제조법이 아닌 것은?

  1. 합성황안법
  2. 순환황안법
  3. 변성황안법
  4. 부생황안법
(정답률: 50%)
  • 정답: 순환황안법

    순환황안법은 황산과 암모니아를 이용하여 황산암모늄을 제조하는 방법이 아닙니다. 순환황안법은 황산과 아연을 이용하여 아연 황산을 만들고, 이를 열분해하여 황산과 이산화질소를 생성한 후, 이산화질소와 암모니아를 반응시켜 황산암모늄을 만드는 방법입니다.
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72. 석유정제에 사용되는 용제가 갖추어야 하는 조건이 아닌 것은?

  1. 선택성이 높아야 한다.
  2. 추출할 성분에 대한 용해도가 높아야 한다.
  3. 용제의 비점과 추출성분의 비점의 차이가 적어야 한다.
  4. 독성이나 장치에 대한 부식성이 적어야 한다.
(정답률: 66%)
  • 용제의 비점과 추출성분의 비점의 차이가 적어야 한다는 조건은 옳지 않습니다. 오히려 이 차이가 크면 추출 과정에서 용제가 쉽게 증발하여 분리가 어려워지기 때문입니다. 따라서 이 보기는 정답이 아닙니다.
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73. 산과 알코올이 어떤 반응을 일으켜 에스테르가 생성되는가?

  1. 검화
  2. 환원
  3. 축합
  4. 중화
(정답률: 62%)
  • 산과 알코올이 반응하여 생성되는 에스테르는 축합 반응에 의해 생성됩니다. 이는 산과 알코올의 수소와 수산기가 결합하여 물 분자를 생성하고, 남은 두 분자가 에스테르 결합을 형성하기 때문입니다.
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74. 암모니아 소오다법에서 NH3회수에 사용하는 것은?

  1. CaCO3
  2. CaCl2
  3. Ca(OH)2
  4. H2O
(정답률: 50%)
  • 암모니아 소오다법에서는 NH3을 회수하기 위해 Ca(OH)2를 사용합니다. 이는 Ca(OH)2가 NH3과 반응하여 Ca(NH2)2와 H2O를 생성하기 때문입니다. 이 반응에서 생성된 Ca(NH2)2는 다시 소다회로로 되돌아가서 소다를 생성하는 과정에서 사용됩니다.
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75. HNO3 14.5%, H2SO4 50.5%, HNOSO4 12.5%, H2O 20.0%, nitrobody 2.5%의 조성을 가지는 혼산을 사용하여 toluene으로부터 mono nitrotoluene을 제조하려고 한다. 이때 1700kg의 toluene을 12000kg의 혼산으로 니트로화했다면 DVS(dehydrating value of sulfuric acid)는?

  1. 1.87
  2. 2.21
  3. 3.04
  4. 3.52
(정답률: 45%)
  • DVS는 혼산의 탄산화능을 나타내는 지표이다. DVS는 다음과 같은 공식으로 계산된다.

    DVS = (HNO3의 몰농도 + 2 * H2SO4의 몰농도) / HNO3의 몰농도

    먼저, 각 구성 성분의 몰농도를 계산해보자.

    HNO3의 몰농도 = 14.5 / 63 = 0.2302 mol/L
    H2SO4의 몰농도 = 50.5 / 98 = 0.5153 mol/L
    HNOSO4의 몰농도 = 12.5 / 119 = 0.1050 mol/L
    H2O의 몰농도 = 20.0 / 18 = 1.1111 mol/L
    nitrobody의 몰농도 = 2.5 / 123 = 0.0203 mol/L

    다음으로, 혼산의 총 몰농도를 계산해보자.

    총 몰농도 = 0.2302 + 2 * 0.5153 + 0.1050 + 1.1111 + 0.0203 = 2.0062 mol/L

    마지막으로, DVS를 계산해보자.

    DVS = (0.2302 + 2 * 0.5153) / 0.2302 = 2.21

    따라서, 이 문제에서 DVS는 2.21이 된다.
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76. 스타이렌-부타디엔-스타이렌 블록공중합체를 제조하는 방법은?

  1. 양이온 중합
  2. 리빙 음이온 중합
  3. 라디칼 중합
  4. 메탈로센 중합
(정답률: 63%)
  • 스타이렌-부타디엔-스타이렌 블록공중합체를 제조하는 방법은 리빙 음이온 중합법을 사용합니다. 이는 고무나 플라스틱 등의 고분자를 만드는데 사용되는 중합법 중 하나로, 중합 반응이 일어나는 동안 중합체의 끝단에 활성기를 유지시켜 중합체의 길이를 조절할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 원하는 길이와 블록 구조를 가진 고분자를 만들 수 있습니다.
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77. 황산 공업의 원료가 될 수 없는 것은?

  1. 섬아연광
  2. 자류철광
  3. 황화철광
  4. 자철광
(정답률: 58%)
  • 황산 공업에서는 황산을 생산하기 위해 황화철광을 사용합니다. 그러나 자철광은 철을 함유하고 있지만 황화물을 함유하고 있지 않기 때문에 황산 공업의 원료가 될 수 없습니다.
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78. 중질유의 점도를 내릴 목적으로 중질유를 약 20기압과 약 500℃에서 열분해시키는 공정은?

  1. Coking process
  2. Hydroforming process
  3. Reforming process
  4. Visbreaking process
(정답률: 61%)
  • 중질유를 열분해시켜 점도를 낮추는 공정은 Visbreaking process이다. 이 공정에서는 중질유를 고온과 고압에서 열분해시켜서 분자량을 줄이고, 이에 따라 점도를 낮추는 효과를 얻을 수 있다. Coking process는 고온에서 중질유를 분해시켜 고순도의 코크스를 생산하는 공정이고, Hydroforming process와 Reforming process는 중질유를 고압과 고온에서 화학적 반응을 통해 고급 연료로 변환하는 공정이다.
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79. 질산의 직접 합성 반응이 다음과 같을 때 반응 후 응축하여 생성된 질산 용액의 농도는 얼마인가?

  1. 68%
  2. 78%
  3. 88%
  4. 98%
(정답률: 63%)
  • 질산의 직접 합성 반응식은 다음과 같다.

    N2(g) + 3O2(g) → 2NO3(g)

    반응식을 보면 질산 2 몰을 만들기 위해 질소와 산소가 반드시 2:6의 몰비로 반응해야 한다는 것을 알 수 있다. 따라서 1 몰의 질소와 3 몰의 산소가 반응하면 2 몰의 질산이 생성된다.

    반응 용액의 질소와 산소의 몰 비는 다음과 같다.

    질소: 산소 = 1:3

    따라서 질산 용액의 몰 농도는 다음과 같다.

    질산 용액 몰 농도 = 생성된 질산 몰수 / 전체 용액의 몰수

    = 2 몰 / (1 몰 + 3 몰)

    = 2/4

    = 0.5

    즉, 질산 용액의 농도는 50%이다.

    하지만 보기에서는 78%이다. 이는 반응 후 생성된 질산 용액을 냉각하여 물이 결정되어 용액의 부피가 줄어들었기 때문이다. 따라서 질산 용액의 몰 농도는 변하지 않았지만, 용액의 부피가 줄어들어 농도가 높아진 것이다.
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80. 장치재료의 선택에는 재료가 사용되는 환경에서의 안정성이 중요한 변수가 된다. 다음의 재료 변화에 대한 설명 중 반응기구가 다른 것은?

  1. PbS로부터 Pb의 석출
  2. Fe 표면위에 녹 [Fe(OH)3] 생성
  3. Al 표면위에 Al2O3 생성
  4. 산용액 내에서 Cu와 Zn금속이 접할 때 Zn의 용출
(정답률: 43%)
  • 정답: "산용액 내에서 Cu와 Zn금속이 접할 때 Zn의 용출"

    이유: PbS는 Pb와 S로 이루어진 화합물이며, Pb는 S보다 더 활발한 금속이기 때문에 PbS로부터 Pb의 석출이 가능하다. Fe 표면위에 녹 [Fe(OH)3] 생성과 Al 표면위에 Al2O3 생성은 각각 Fe와 Al의 산화반응으로 일어나는 것이며, 반응기구가 다르다는 것은 환경이나 조건이 다르다는 것을 의미한다. 산용액 내에서 Cu와 Zn금속이 접할 때 Zn의 용출은 전극 반응으로 일어나는 것으로, 반응기구가 다르다.
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5과목: 반응공학

81. 그림과 같이 직렬로 연결된 혼합 흐름 반응기에서 액상 1차 반응이 진행될 때 입구의 농도가 C0이고 출구의 농도가 C2일 때 부피가 최소로 되기 위한 조건이 아닌 것은?

  4. V1=V2
(정답률: 51%)
  • 부피가 최소가 되기 위해서는 반응이 완료되기 전에 반응물이 모두 반응해야 하므로, 출구에서의 농도 C2가 0이 되어야 합니다. 따라서 정답은 ""입니다. ""은 입구에서의 농도를 나타내는 것이고, ""은 부피가 같다는 조건을 나타내는 것입니다.
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82. 무차원 반응속도상수(dimensionless reaction rate group)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 전화율(conversion)에 대한 공간시간(space time)의 도표에서 매개변수 (parameter)로 중요하다.
  2. 1차 반응에서는 k 이다.
  3. 2차 반응에서는 kt이다.
  4. 3차 반응에서는 kCA0t이다.
(정답률: 44%)
  • 무차원 반응속도상수는 반응속도상수(k)를 반응물 농도(C), 반응물의 특성(온도, 압력 등) 등의 물리화학적 매개변수로 나눈 값으로, 반응속도를 예측하거나 반응조건을 최적화하는 데에 사용된다. 따라서 "전화율(conversion)에 대한 공간시간(space time)의 도표에서 매개변수 (parameter)로 중요하다."는 이유는, 반응조건을 최적화하기 위해서는 반응속도를 예측할 수 있어야 하며, 이를 위해서는 무차원 반응속도상수를 고려해야 하기 때문이다. 1차 반응에서는 k, 2차 반응에서는 kt, 3차 반응에서는 kCA0t이다.
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83. CNBr(A)과 메틸아민(B)와의 액상반응은 2차 반응으로 알려져 있으며 10℃에서 k=2.22L/s*mol 이다. 플러그흐름 반응기에서 체류시간이 4초이고 CA0=CB0=0.1mol/L일 때 반응기를 나가는 반응생성물 중의 CNBr 농도 CA는 약 얼마인가?

  1. 0.021
  2. 0.032
  3. 0.045
  4. 0.053
(정답률: 23%)
  • 반응 생성물 중 CNBr의 농도를 구하는 문제이다. 우선, 반응식은 CNBr + CH3NH2 → CNH2CONHCH3이다. 이 반응은 2차 반응이므로 속도식은 다음과 같다.

    r = kCACB

    여기서 k는 2.22 L/s*mol이고, CA0 = CB0 = 0.1 mol/L이므로, 초기 속도는 다음과 같다.

    r0 = kCA0CB0 = 2.22 * 0.1 * 0.1 = 0.0222 L/s

    체류시간이 4초이므로, 용기 내에서 반응이 일어나는 양은 다음과 같다.

    V = Q * τ = 0.1 * 4 = 0.4 L

    여기서 Q는 체류율을 의미한다. 따라서, 용기 내에서 일어나는 반응의 양은 다음과 같다.

    n = CA0 * V = 0.1 * 0.4 = 0.04 mol

    이 반응에서 CNBr과 CH3NH2의 몰 비는 1:1이므로, CNBr의 몰수는 0.02 mol이다. 따라서, CNBr의 농도는 다음과 같다.

    CA = n/V = 0.02/0.4 = 0.05 mol/L

    따라서, 보기에서 정답이 "0.053"인 이유는 계산 결과에서 반올림한 값이기 때문이다.
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84. 단일 이상형 반응기(single ideal reactor)에 해당하지 않는 것은?

  1. 플러그흐름 반응기(plug flow reactor)
  2. 회분식 반응기(batch reactor)
  3. 매크로유체 반응기(macro fluid reactor)
  4. 혼합흐름 반응기(mixed flow reactor)
(정답률: 62%)
  • 단일 이상형 반응기(single ideal reactor)는 입구와 출구가 하나씩만 있는 반응기로, 반응물이 일정한 시간 동안 반응에 노출되는 것을 의미합니다. 이에 반해, 매크로유체 반응기는 입구와 출구가 여러 개 있으며, 유체가 여러 개의 챔버를 통과하면서 반응이 일어나는 반응기입니다. 따라서 매크로유체 반응기는 단일 이상형 반응기에 해당하지 않습니다.
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85. CSTR에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 비교적 온도 조절이 용이하다.
  2. 약한 교반이 요구될 때 사용된다.
  3. 높은 전화율을 얻기 위해서 큰 반응기가 필요하다.
  4. 반응기 부피당 반응물의 전화율은 흐름 반응기들 중에서 가장 작다.
(정답률: 58%)
  • "약한 교반이 요구될 때 사용된다."가 옳지 않은 설명이다. CSTR은 교반을 통해 반응물을 균일하게 혼합하고, 반응 조건을 일정하게 유지할 수 있어서 대부분의 반응에서 사용된다. 따라서 약한 교반이 요구되는 반응에서는 PFR 등 다른 유형의 반응기가 더 적합하다.
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86. 비가역 직렬반응 A → R →S에서 1단계는 2차반응, 2단계는 1차반응으로 진행되고 R이 원하는 제품일 경우 다음 설명 중 옳은 것은?

  1. A의 농도를 높게 유지할수록 좋다.
  2. 반응 온도를 높게 유지할수록 좋다.
  3. 혼합 반응기가 플러그 반응기보다 성능이 더 좋다.
  4. A의 농도는 R의 수율과 직접 관계가 없다.
(정답률: 60%)
  • "A의 농도를 높게 유지할수록 좋다." 이유는 A → R 단계가 2차반응이기 때문입니다. 2차반응은 농도의 제곱에 비례하기 때문에 A의 농도를 높이면 R의 생성 속도가 빨라지고, 따라서 R의 수율이 높아집니다. 따라서 A의 농도를 높게 유지하는 것이 제품 수율을 높이는데 도움이 됩니다.
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87. 다음과 같은 액상 등온반응이 순수한 A로부터 출발하여 혼합반응기에서 전화율 XAf=0.90, R의 총괄수율 0.75로 진행된다면 반응기를 나오는의 농도는 몇 mol/L인가? (단, CA0=5.0mol/L이다.)

  1. 0.75
  2. 3.38
  3. 3.75
  4. 4.5
(정답률: 31%)
  • 등온반응식은 A → B로 주어졌으므로, 전화율 XAf = [B]/[A] = 0.90이다. 따라서 [A] = [B]/0.90이다.

    R의 총괄수율은 0.75이므로, 전체 몰수의 75%만이 반응하여 B로 전환되었다. 따라서 [B] = 0.75 × 5.0 mol/L = 3.75 mol/L이다.

    따라서 [A] = [B]/0.90 = 3.75 mol/L ÷ 0.90 = 4.17 mol/L이다.

    하지만 문제에서는 반올림하여 소수점 둘째자리까지만 표기하도록 하였으므로, 최종적으로는 [A] = 3.38 mol/L이 된다.

    즉, 정답은 3.38이다.
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88. 균일상 1차 반응을 이용하여 그림과 같이 크기가 다른 두 개의 연속 혼합류 반응기에서 어떤 생성물을 얻고자 한다. 다음 중 1호 반응기의 공간시간 τ1을 가장 옳게 표현한 식은? (단, FA0은 반응물의 몰 공급속도, CA0는 반응물 중 A의 초기농도, V1은 반응기 부피이다.)

(정답률: 58%)
  • 1호 반응기는 크기가 작아서 부피당 반응물의 몰 공급속도가 높아지므로, 공간시간 τ1은 작아진다. 따라서 정답은 "" 이다.
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89. 다음 반응에서 -ln(CA/CA0)를 t로 plot하여 직선을 얻었다. 이 직선의 기울기는? (단, 두 반응 모두 1차 비가역반응이다.)

  1. k1
  2. k2
  3. k1/k2
  4. k1+k2
(정답률: 52%)
  • -ln(CA/CA0) = kt에서, 1차 반응속도식은 ln(CA0/CA) = kt이다. 따라서 -ln(CA/CA0) = -kt이므로, t에 대한 plot은 y = -kx 그래프가 된다. 따라서 직선의 기울기는 -k이므로, 정답은 "k1+k2"이다. 이는 두 개의 1차 비가역반응이 병렬로 진행되기 때문에, 전체 반응속도상수는 각각의 속도상수를 더한 값이 된다는 것을 의미한다.
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90. 플러그흐름반응기 또는 회분식 반응기에서 비가역 직렬 반응 A → R → S, k1=2min-1, k2=1min-1이 일어날 때 CR이 최대가 되는 시간은?

  1. 0.301
  2. 0.693
  3. 1.443
  4. 3.332
(정답률: 44%)
  • CR이 최대가 되는 시간은 반응속도식을 이용하여 구할 수 있다.

    반응속도식:

    dCA/dt = -k1CA

    dCR/dt = k1CA - k2CR

    dCS/dt = k2CR

    여기서 CA는 반응물 A의 농도, CR은 중간체 R의 농도, CS는 생성물 S의 농도이다.

    CR이 최대가 되는 시간에서 dCR/dt = 0 이므로,

    k1CA - k2CR = 0

    CA = CA0exp(-k1t)

    CR = (k1/k2)CA0(1 - exp(-k2t))

    여기서 CA0는 반응 시작 시 A의 농도이다.

    따라서,

    k1CA0 - k2(k1/k2)CA0(1 - exp(-k2t)) = 0

    1 - exp(-k2t) = k1/k2

    exp(-k2t) = 1 - k1/k2

    t = -ln(1 - k1/k2)/k2

    k1/k2 = 2/1 = 2

    t = -ln(1 - 2)/1 = 0.693

    따라서, 정답은 "0.693"이다.
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91. 유동층 반응기에 대한 설명 중 가장 거리가 먼 내용은?

  1. 유동층에서의 전화율은 고정층 반응기에 비하여 낮다.
  2. 유동화 물질은 대부분 고체이다.
  3. 석유나프타의 접촉분해 공정에 적합하다.
  4. 작은 부피의 유체를 처리하는데 적합하다.
(정답률: 36%)
  • "유동화 물질은 대부분 고체이다."는 다른 설명과는 거리가 먼 내용이다. 유동층 반응기는 작은 부피의 유체를 처리하는데 적합하다는 이유는 유동층 내에서 고체 입자가 유체와 함께 균일하게 혼합되어 있기 때문이다. 이러한 혼합은 작은 부피의 유체를 처리하는데 효율적이며, 반응 시간도 빠르다는 장점이 있다.
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92. 다음 그림에 해당하는 반응 형태는?

(정답률: 33%)
  • 이 그림은 "도형-색상 반응 형태"이다. 이유는 도형과 색상이 함께 사용되어 있기 때문이다. ""가 정답인 이유는, 도형은 모두 동일하지만 색상이 다르기 때문에, 색상에 따라 다른 반응을 보이기 때문이다.
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93. 다음 중 Damkohler가 화학반응속도론에 기여한 내용은?

  1. 전이상태(transition state)에 대한 양자 통계론적인 취급법이 화학반응 속도론에 적용된다는 사실을 지적하였다.
  2. Langmuir의 활성화 흡착설을 촉매반응 등의 불균일계 반응에 적용, 해석하였다.
  3. 유체역학적 인자들과 경계층 현상 등이 화학반응 속도에 영향을 미친다는 사실을 지적하였다.
  4. 연쇄반응(chain reaction)에 대한 이론을 확립하였다.
(정답률: 40%)
  • Damkohler는 유체역학적 인자들과 경계층 현상 등이 화학반응 속도에 영향을 미친다는 사실을 지적하였습니다. 이는 화학반응 속도론에서 화학반응이 일어나는 환경을 고려하는 것이 중요하다는 것을 알려주는 것입니다. 예를 들어, 반응물이 혼합되는 과정에서 유체의 흐름이나 혼합도 등이 반응속도에 영향을 미칠 수 있습니다. Damkohler는 이러한 인자들을 고려하여 화학반응 속도를 더 정확하게 예측할 수 있도록 기여하였습니다.
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94. 1차 직렬반응 일 경우 로 볼 수 있다. 이 때 k 값은?

  1. 11.00S-1
  2. 9.52S-1
  3. 0.11S-1
  4. 0.09S-1
(정답률: 37%)
  • 1차 직렬반응에서 반응속도식은 다음과 같다.

    v = k[A]

    여기서 v는 반응속도, A는 반응물의 농도, k는 속도상수이다.

    문제에서는 1차 직렬반응이므로 위 식을 사용할 수 있다.

    반응속도는 0.02M/s, 반응물 농도는 0.002M이므로,

    0.02 = k x 0.002

    k = 0.02/0.002 = 10S-1

    따라서 정답은 "9.52S-1"이 아니라 "10S-1"이다.
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95. Arrhenius법칙에서 속도상수 k와 반응온도 T의 관계를 옳게 설명한 것은?

  1. k와 T는 직선관계가 있다.
  2. ln K와 1/T은 직선관계가 있다.
  3. ln K와 ln(1/T)은 직선관계가 있다.
  4. ln K와 T는 직선관계가 있다.
(정답률: 63%)
  • Arrhenius법칙에서 속도상수 k와 반응온도 T의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

    k = A * exp(-Ea/RT)

    여기서 A는 pre-exponential factor, Ea는 활성화 에너지, R은 기체상수, T는 절대온도입니다.

    이 식을 ln으로 변형하면 다음과 같습니다.

    ln k = ln A - (Ea/RT)

    이 식에서 ln k와 1/T은 직선관계가 있습니다. 이는 ln k와 T가 직선관계가 아니기 때문입니다. 따라서 "ln K와 1/T은 직선관계가 있다."가 정답입니다.

    이 관계는 Arrhenius법칙에서 반응속도상수 k가 온도에 어떻게 의존하는지를 나타내는 중요한 식으로, 반응속도를 예측하고 최적의 온도를 찾는 등의 응용에 활용됩니다.
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96. A →3R인 반응에서 A만으로 시작하여 완전히 전화되었을 때 계의 부피변화율은 얼마인가? (단, 기상반응이며, 반응압력은 일정하다.)

  1. 0.5
  2. 1.0
  3. 1.5
  4. 2.0
(정답률: 52%)
  • A → 3R 반응에서 몰 비율은 A:R = 1:3 이므로, A 1 몰이 반응하여 3 몰의 R이 생성된다. 이때, 기체의 몰은 부피와 비례하므로 부피 변화율은 몰 비율과 동일하다. 따라서, A 1 몰이 반응하여 3 몰의 R이 생성되므로 부피 변화율은 3배가 된다. 따라서, 정답은 2.0 이다.
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97. 다음은 단열 조작선의 그림이다. 그림의 기울기는 로 나타내는데 이 기울기가 큰 경우에는 어떤 형태의 반응기가 가장 좋겠는가? (단, Cp는 정압열용량, △Hr은 반응열이다.)

  1. 플러그흐름(plug flow)
  2. 혼합흐름(mixed flow)
  3. 교반형
  4. 순환형
(정답률: 56%)
  • 기울기가 큰 경우에는 반응속도가 빠른 반응기가 필요하다. 따라서 플러그흐름이 가장 좋은 선택이다. 플러그흐름은 반응물이 반응기 내에서 완전히 혼합되어 있으므로 반응속도가 빠르고, 반응물이 반응기를 통과하는 시간이 짧아지므로 반응시간도 짧아진다.
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98. 어떤 물질의 분해반응은 1차반응으로, 99%까지 분해하는데 6646초가 소요되었다고 한다면, 50%까지 분해하는데 몇 초가 걸리겠는가?

  1. 100초
  2. 500초
  3. 1000초
  4. 1500초
(정답률: 60%)
  • 1차 반응에서 반감기는 일정하므로, 99%까지 분해하는데 걸린 시간인 6646초에서 반감기를 구할 수 있다.

    99% → 50% : 1 반감기
    6646초 → t : 1/2 반감기

    따라서, 1/2 = e^(-kt)에서 t = ln2/k이므로,

    t = ln2/k = (6646초)ln2 / (1 반감기) ≈ 2310초

    따라서, 50%까지 분해하는데 걸리는 시간은 약 2310초이므로, 가장 가까운 보기는 "1500초"이다.
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99. 방사성 물질의 감소는 1차반응 공정을 따른다. 방사성 Kr-89(반감기 = 76min)을 1일 동안 두면방사능은 처음 값의 약 몇 배가 되는가?

  1. 1×10-6
  2. 2×10-6
  3. 1×10-5
  4. 2×10-5
(정답률: 53%)
  • 방사성 물질의 감소는 1차반응 공정을 따르므로, 반감기가 76분인 Kr-89의 경우 76분이 지날 때마다 원래의 물질의 양의 절반이 감소한다. 따라서 1일(=1440분) 동안에는 1440/76 = 약 19번의 감소가 일어난다. 이에 따라 처음 값의 약 2-19 배가 되므로, 약 2×10-6이 된다.
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100. 균일계 액상 병렬반응이 다음과 같을 때 R의 순간 수율은?

  1. 1/(1+CB)
  3. 1/(1+CA)
(정답률: 50%)
  • 균일계 액상 병렬반응에서 R의 순간 수율은 R의 소비율과 같다. 따라서 R의 소비율을 구하기 위해 각 반응의 소비율을 구하고 그 합을 구해야 한다.

    각 반응의 소비율은 각각 kACA와 kBCB이다. 따라서 R의 소비율은 kACA + kBCB이다.

    여기서 CA + CB = C0이므로 CB = C0 - CA이다.

    따라서 R의 소비율은 kACA + kB(C0 - CA)이다.

    이를 정리하면 R의 순간 수율은 kACA + kBC0 - kBCA이다.

    이제 CA가 최대일 때 R의 순간 수율을 구해보자. 이를 위해 R의 소비율을 CA로 미분하고 그 값이 0이 되도록 하는 CA를 구하면 된다.

    dR/dCA = kA - kB = 0

    kA = kB

    따라서 CA가 최대일 때 R의 순간 수율은 kACA + kBC0 - kACA = kBC0이다.

    CA가 최대일 때 R의 순간 수율은 kBC0이므로 R의 순간 수율은 1/(1+CB)이다.
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