화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2014-05-25)

화공기사(구) 2014-05-25 필기 기출문제 해설

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화공기사(구)
(2014-05-25 기출문제)

목록

1과목: 화공열역학

1. 이상기체애 대한 설명으로 들린 것은?

  1. 이상기체의 엔탈피는 온도만의 함수이다.
  2. 이상기체의 내부에너지는 온도만의 함수이다.
  3. 이상기체의 열효과는 온도만의 함수이다.
  4. 이상기체의 경우 Cp=Cv+R이다.
(정답률: 81%)
  • 이상기체는 분자 간 상호작용이 없다고 가정하므로, 내부에너지와 엔탈피는 오직 온도만의 함수로 결정됩니다. 또한 정압비열과 정적비열의 차이는 기체 상수와 같습니다.

    오답 노트
    이상기체의 열효과는 온도뿐만 아니라 압력이나 부피 등 상태 변화 조건에 따라 달라질 수 있으므로 온도만의 함수라고 단정할 수 없습니다.
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2. 어떤 과학자가 자기가 만든 열기관이 80°C 와 10°C 사이에서 작동하면서 100cal의 열을 받아 20cal 의 유용한 일을 할 수 있다고 주장한다. 이 과학자의 주장에 대한 판단으로 옳은 것은?

  1. 열역학 제0법칙에 위배된다.
  2. 열역학 제1법칙에 위배된다.
  3. 열역학 제2법칙에 위배된다.
  4. 타당하다.
(정답률: 81%)
  • 카르노 효율을 통해 이론적 최대 효율을 계산하여 비교합니다. 작동 온도 $80^{\circ}\text{C}$($353\text{K}$)와 $10^{\circ}\text{C}$($283\text{K}$) 사이의 최대 효율보다 주장하는 효율이 더 높으므로 열역학 제2법칙에 위배됩니다.
    ① [기본 공식] $\eta = 1 - \frac{T_L}{T_H}$
    ② [숫자 대입] $\eta = 1 - \frac{283}{353} = 0.198$
    ③ [최종 결과] $\eta_{\text{claim}} = \frac{20}{100} = 0.2 > 0.198$
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3. 엔트로피와 에너지에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 절대온도 0 K에서 완벽한 결정구조체의 엔트로피는 0 이다.
  2. 시스템과 주변환경을 포함하여 엔트로피가 감소하는 공정은 있을 수 없다.
  3. 고립된 계의 에너지는 항상 일정하다.
  4. 고립된 계의 엔트로피는 항상 일정하다.
(정답률: 74%)
  • 열역학 제2법칙에 따라 고립계의 엔트로피는 시간이 흐를수록 증가하거나 일정하게 유지되며, 결코 감소하지 않습니다. 따라서 고립된 계의 엔트로피가 항상 일정하다는 설명은 틀린 것입니다.
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4. 1atm. 100℃ 포화수증기의 엔탈피(H)와 엔트로피(S)는 각각 얼마인가? (단, 0℃ 포화수의 S=0, H=0, 0℃ 에 100℃ 까지 물의 평균비열은 1.0kcal/kg⋅℃, 100℃ 에 대한. 증발잠열은 538.9kcal/kg 이다.)

  1. H = 538.9kcal/kg, S = 1.756kcal/kg·K
  2. H = 638.9kcal/kg, S = 1.443kcal/kg·K
  3. H = 638.9kcal/kg, S = 1.756kcal/kg·K
  4. H = 100kcal/kg, S = 0.312kcal/kg·K
(정답률: 65%)
  • 포화수증기의 엔탈피는 액체 상태의 물이 가열되어 포화온도에 도달한 후 증발하는 데 필요한 잠열의 합으로 계산하며, 엔트로피는 온도 변화에 따른 현열 엔트로피와 증발 시 발생하는 잠열 엔트로피의 합으로 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $$H = C_{p} \times \Delta T + \lambda$$
    $$S = C_{p} \times \ln(\frac{T_{2}}{T_{1}}) + \frac{\lambda}{T_{2}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$H = 1.0 \times (100 - 0) + 538.9$$
    $$S = 1.0 \times \ln(\frac{373.15}{273.15}) + \frac{538.9}{373.15}$$
    ③ [최종 결과]
    $$H = 638.9 \text{ kcal/kg}$$
    $$S = 1.756 \text{ kcal/kg} \cdot \text{K}$$
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5. 다음 중 화학포텐셜(Chemical potential)과 같은 것은?

  1. 부분몰 깁스(Gibbs)자유에너지
  2. 부분몰 엔탈피
  3. 부분몰 엔트로피
  4. 부분몰 용적
(정답률: 93%)
  • 화학포텐셜은 성분 $i$가 추가될 때 전체 깁스 자유에너지의 변화량을 의미하며, 이는 정의상 부분몰 깁스 자유에너지와 동일합니다.
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6. 플래쉬(Flash) 계산에 대한 다음의 설명 중 틀린 것은?

  1. 알려진 T, P 및 전체조성에서 평형상태에 있는 2상계의 거상과 액상 조성을 계산한다.
  2. K 인자는 가벼움의 척도이다.
  3. 라울의 법칙을 따르는 경우 K 인자는 액상과 기상조성만의 함수이다.
  4. 기포점 압력계산과 이슬점 압력계산으로 초기조건을 얻을 수 있다.
(정답률: 72%)
  • K 인자는 성분의 휘발성을 나타내는 척도로, 라울의 법칙을 따르는 경우 온도와 압력의 함수이며 액상과 기상 조성과는 무관합니다.

    오답 노트
    K 인자는 조성의 함수가 아님
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7. 활동도(activity)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 활동도는 차원이 있다.
  2. 활동도는 질량과 같다.
  3. 활동도는 보정된 조성과 같다.
  4. 활동도는 이상적 퓨개시티 값과 같다.
(정답률: 59%)
  • 활동도는 실제 용액에서 성분 간의 상호작용을 고려하여 열역학적으로 보정한 농도를 의미하므로, 보정된 조성과 같다고 정의할 수 있습니다.
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8. 어떤 화학반응에서 평형상수 K 에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. K는 압력만의 함수이다.
  2. K는 온도만의 함수이다.
  3. K는 조성만의 함수이다.
  4. K는 조성과 압력의 함수이다.
(정답률: 76%)
  • 평형상수 $K$는 주어진 온도에서 반응물과 생성물의 활동도(또는 농도/압력) 비율로 정의되는 값으로, 오직 온도에 의해서만 결정되는 온도만의 함수입니다.

    오답 노트
    압력/조성: 평형 상태의 조성이나 압력은 변할 수 있으나, 그 비율인 평형상수 $K$ 자체는 변하지 않음
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9. 30kg 의 강철 주문(비열 0.12kcal/kg⋅℃)이 450℃ 로 가열되었다. 이것을 20℃ 의 기름(비열 0.6kcal/kg⋅℃) 120kg 속에 넣으면 주물의 엔트로피 변화는 약 몇 kcal/K 인가? (단, 주위와 완전히 단열되어 있다고 가정한다.)

  1. -1.0
  2. -3.0
  3. 1.0
  4. 3.0
(정답률: 41%)
  • 단열 상태에서 강철 주물이 잃은 열량과 기름이 얻은 열량이 같음을 이용하여 최종 평형 온도 $t$를 구한 뒤, 주물의 엔트로피 변화량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta S = m C_p \ln \frac{T_2}{T_1}$
    ② [숫자 대입] $\Delta S = 30 \times 0.12 \times \ln \frac{313.5}{723}$
    ③ [최종 결과] $\Delta S = -3.0$
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10. 흐름열량계(Flow Calorimeter)를 이용하여 엔탈피 변화량을 측정하고자 한다. 열량계에서 측정된 열량이 2000Watt 라면, 입력 흐름과 출력 흐름의 비 엔탈피(Specific Enthaloy)의 차이는 얼마인가? (단, 흐름열량계의 입력 흐름에서는 0℃ 의 물이 5g/s 의 속도로 들어가며, 출력 흐름에서는 3기압, 300℃ 의 수증기가 배출된다.)

  1. 400J/g
  2. 2520.4J/g
  3. 10000J/g
  4. 12552J/g
(정답률: 61%)
  • 흐름열량계에서 측정된 열량(전력)은 질량 유량과 비엔탈피 변화량의 곱과 같습니다. 비엔탈피 차이를 구하기 위해 열량을 질량 유량으로 나눕니다.
    ① [기본 공식] $\Delta h = \frac{Q}{\dot{m}}$ 비엔탈피 차이 = 열량 / 질량 유량
    ② [숫자 대입] $\Delta h = \frac{2000}{5}$
    ③ [최종 결과] $\Delta h = 400$
    따라서 비엔탈피의 차이는 $400\text{J/g}$입니다.
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11. 반응이 수반되지 않는 계의 깁스(Gibbs)의 상법칙은? (단 F 는 자유도, C는 성분의 수, P는 상의 수 이다.)

  1. F=C-P+2
  2. F=C+1-P
  3. F=C-P
  4. F=C+P-2
(정답률: 85%)
  • 깁스의 상법칙은 계의 상태를 정의하기 위해 필요한 독립적인 변수의 수(자유도)를 결정하는 법칙입니다. 반응이 수반되지 않는 일반적인 계에서 자유도는 성분 수에서 상의 수를 뺀 후, 외부 변수인 온도와 압력을 더한 값으로 정의됩니다.
    $$F = C - P + 2$$
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12. 열역학적 성질에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 순수한 물질의 임계점보다 높은 온도와 압력에서는 상의 계면이 없어지며 한 개의 상을 이루게 된다.
  2. 동일한 이심인자를 갖는 모든 유체는 같은 온도, 같은 압력에서 거의 동일한 Z값을 가진다.
  3. 비리얼(Virial) 상태방정식의 순수한 물질에 대한 비리얼 계수는 온도만의 함수이다.
  4. 반데르 발스(Van der Waals) 상태방정식은 기/액 평형상태에서 3개의 부피 해를 가진다.
(정답률: 69%)
  • 이심인자(Acentric factor)가 같더라도 분자의 크기나 성질이 다르면 온도와 압력에 따른 압축 인자 $Z$ 값은 서로 다르게 나타납니다.

    오답 노트
    임계점 이상: 초임계 유체 상태로 계면 소멸
    비리얼 계수: 순수 물질의 경우 온도 $T$의 함수로 표현
    반데르 발스 식: 기/액 평형 영역에서 3개의 실근(부피 해) 존재
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13. 이상적으로 혼합된 용액에 대해 식으로 틀린 것은? (단, △는 혼합에 의한 물성변화, 윗첨자 "id"는 이상용액(ideal solution), G=몰당 Gibbs 에너지, S=몰당 엔트로피, H=몰당 엔탈피, V=몰부피, x=몰분율 이다.)

  1. △Gid=RT∑xiInxi
  2. △Sid=0
  3. △Vid=0
  4. △Hid=0
(정답률: 59%)
  • 이상 용액의 혼합 과정에서 엔탈피 변화와 부피 변화는 0이지만, 서로 다른 성분이 섞이면서 무질서도가 증가하므로 혼합 엔트로피 변화 $\Delta S^{id}$는 항상 0보다 큽니다.
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14. 어떤 반응의 화학평형 상수를 결정하기 위하여 필요한 자료로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 각 물질의 생성 엔탈피
  2. 각 물질의 열용량
  3. 화학양론 계수
  4. 각 물질의 중기압
(정답률: 56%)
  • 화학평형 상수는 표준 생성 엔탈피, 표준 생성 엔트로피, 화학양론 계수 등을 통해 계산할 수 있으나, 각 물질의 중기압은 평형 상수를 결정하는 기본 자료가 아닙니다.
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15. 화학반응에서 정방향으로 반응이 계속 일어나는 경우는? (단, △G는 깁스자유에너지(Gibbs free energy) 변화, Kc는 평형상수이다.)

  1. △G=Kc
  2. △G=0
  3. △G＞0
  4. △G＜0
(정답률: 82%)
  • 깁스 자유 에너지 변화 $\Delta G$가 0보다 작을 때 반응은 자발적으로 정방향으로 진행됩니다.

    오답 노트
    $\Delta G = 0$: 화학 평형 상태
    $\Delta G > 0$: 역방향으로 자발적 진행
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16. 물이 증발할 때 엔트로피 변화는?

  1. △s=0
  2. △s＜0
  3. △s＞0
  4. △s≥0
(정답률: 91%)
  • 액체 상태의 물이 기체 상태로 증발하면 분자들의 배열이 훨씬 무질서해지므로 엔트로피는 증가합니다.
    따라서 엔트로피 변화량은 $\Delta s > 0$ 입니다.
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17. 공기표준 오토 사이클(Otto cycle)에 해당하는 선도는?

(정답률: 94%)
  • 오토 사이클은 두 개의 등엔트로피 과정과 두 개의 등적 과정(정적 가열 및 정적 냉각)으로 구성됩니다. $P-V$ 선도에서 수직선(부피 일정)이 포함된 가 이에 해당합니다.
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18. 오토기관(Otto cycle)의 열효율을 옳게 나타낸 식은? (단, r는 압축비, K는 비열비이다.)

  1. 1-(1/r)K-1
  2. 1-(1/r)K
  3. 1-(1/r)K+1
  4. 1-(1/r)K+2
(정답률: 90%)
  • 오토기관(Otto cycle)은 정적 가열 및 정적 방열 과정을 거치는 이상적인 사이클로, 열효율은 압축비 $r$과 비열비 $K$에 의해 결정됩니다.
    핵심 원리: 효율 $\eta = 1 - \frac{1}{r^{K-1}}$
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19. 순수한 물질이 기-액 평형하에 있을 때. 액체와 증기의 열역학 성질이 같은 것은?

  1. 몰 용적
  2. 몰 엔탈피
  3. 몰 엔트로피
  4. 몰 깁스자유에너지
(정답률: 49%)
  • 순수한 물질이 기-액 평형 상태에 있을 때, 두 상의 화학 퍼텐셜은 동일해야 하며, 순수 물질의 경우 몰 깁스자유에너지가 곧 화학 퍼텐셜과 같습니다.
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20. 고체 MgCO3가 부분적으로 분해되어 있는 계의 자유도는?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 65%)
  • 깁스의 자유도 공식 $F = C - P + 2$를 사용합니다. 성분 수 $C$는 $\text{MgCO}_3$ 하나이며, 상 $P$는 고체 $\text{MgCO}_3$와 분해 생성물인 기체 상으로 총 2개입니다.
    ① [기본 공식] $F = C - P + 2$
    ② [숫자 대입] $F = 1 - 2 + 2$
    ③ [최종 결과] $F = 1$
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 다음 반응의 표준반응열은? [ C2H5OH(L) + CH3COOH(L) → CH3COOC2H5(L) + H2O(L) ] (단, 표준연소열 △H"298 은 C2H5OH(L) = -326.7kcal/mol, CH3COOH(L) = -208.4kcal/mol, CH3COOC2H5(L) = -538.8kcal/mol, H2O(L) = Okcal/mol 이다.)

  1. +3.7kcal/mol
  2. -3.7kcal/mol
  3. -6.7kcal/mol
  4. +6.7kcal/mol
(정답률: 57%)
  • 표준반응열은 반응물의 표준연소열 합에서 생성물의 표준연소열 합을 뺀 값으로 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\Delta H = \sum \Delta H_{c, \text{reactants}} - \sum \Delta H_{c, \text{products}}$
    ② [숫자 대입] $\Delta H = (-326.7 - 208.4) - (-538.8 + 0)$
    ③ [최종 결과] $\Delta H = 3.7$
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22. [CH4+H2O→CO+3H2] 반응에서 수소생성속도는 6mol/h 이다. 메탄이 수증기와 반응하여 일산화탄소와 수소를 정상적으로 생성시킬 때 메탄의 소비속도(mol/h)는?

  1. 0.5
  2. 1
  3. 1.5
  4. 2
(정답률: 85%)
  • 화학 반응식의 계수비는 곧 반응 속도의 비와 같습니다. 반응식 $\text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + 3\text{H}_2$에서 메탄($\text{CH}_4$)과 수소($\text{H}_2$)의 계수비는 $1:3$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\text{메탄 소비속도} = \frac{1}{3} \times \text{수소 생성속도}$
    ② [숫자 대입] $\text{메탄 소비속도} = \frac{1}{3} \times 6$
    ③ [최종 결과] $\text{메탄 소비속도} = 2$
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23. 200g 의 CaCl2 가 1몰당 6몰의 비율로 공기 중의 수분을 흡수할 경우 발생하는 열은 몇 kcal 인가?

  1. 85.6
  2. 154.3
  3. 174.2
  4. 194.3
(정답률: 60%)
  • 염화칼슘이 수분을 흡수하여 결정수를 형성하는 반응열과 수증기가 액체로 응축될 때 발생하는 응축열의 합을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $Q = \frac{W_{CaCl_2}}{M_{CaCl_2}} \times (\Delta H_{rxn} + 6 \times \Delta H_{cond})$
    ② [숫자 대입] $Q = \frac{200}{111} \times (22.63 + 6 \times 10.5)$
    ③ [최종 결과] $Q = 154.3$
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24. 다음과 같은 일반적인 베르누이의 정리에 적용되는 조건이 아닌 것은?

  1. 직선관에서만의 흐름이다.
  2. 마찰이 없는 흐름이다.
  3. 정상 상태의 흐름이다.
  4. 같은 유선상에 있는 흐름이다.
(정답률: 71%)
  • 베르누이 방정식은 유체의 에너지 보존 법칙으로, 유선상의 흐름, 정상 상태, 비점성(마찰 없음), 비압축성 유체라는 조건 하에 성립합니다. 관의 모양이 직선인지 곡선인지는 방정식의 성립 조건과 무관합니다.
    $$\frac{P}{\rho g} + \frac{V^2}{2g} + Z = \text{constant}$$
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25. 이상기체의 정압열용량(Cp)과 정용열용량(Cv)에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. Cv 가 Cp 보다 기체상수(R) 만큼 작다.
  2. 정용계를 가열시키는데 열량이 정압계보다 더 많이 소요된다.
  3. Cp 는 보통 개방계의 열출입을 결정하는 물리량이다.
  4. Cv 는 보통 폐쇄계의 열출입을 결정하는 물리량이다.
(정답률: 71%)
  • 이상기체에서 정압열용량($C_p$)은 정용열용량($C_v$)에 기체상수($R$)를 더한 값($C_p = C_v + R$)이므로, 항상 $C_p$가 $C_v$보다 큽니다. 따라서 동일한 온도 상승을 위해 정압계가 정용계보다 더 많은 열량을 필요로 합니다.

    오답 노트
    정용계를 가열시키는데 열량이 정압계보다 더 많이 소요된다: $C_p > C_v$이므로 정압계의 열량이 더 많이 필요함
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26. 물과 혼합되지 않는 미지의 물질을 T=98℃, P=773mmHg에서 수증기 증류하였다. 물의 증기압은 98°C 에서 708mmHg 이고 증류액 중 물의 무게조성은 75wt% 이다. 이 때 미지물질의 분자량(g/mol)은얼마인가?

  1. 23.35
  2. 65.35
  3. 141.35
  4. 162.35
(정답률: 37%)
  • 수증기 증류에서 각 성분의 몰비는 각 성분의 분압과 분자량의 곱에 비례한다는 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{W_A}{W_B} = \frac{P_A \times M_A}{P_B \times M_B}$
    ② [숫자 대입] $\frac{25}{75} = \frac{(773 - 708) \times M_A}{708 \times 18}$
    ③ [최종 결과] $M_A = 65.35$
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1

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27. 공기 319kg 과 탄소 24kg 을 반응로 안에서 완전연소 시킬 때 미반응 산소의 양은 약 몇 kg 인가?

  1. 9.9
  2. 4.9
  3. 2.3
  4. 0
(정답률: 57%)
  • 탄소의 완전연소 반응식 $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$를 통해 필요한 산소량을 구하고, 공기 중 포함된 산소량과의 차이를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $m_{O_2,rem} = (m_{air} \times 0.232) - (m_C \times \frac{32}{12})$ 남은 산소 = 공기 중 산소 - 반응 소모 산소
    ② [숫자 대입] $m_{O_2,rem} = (319 \times 0.232) - (24 \times 2.667)$
    ③ [최종 결과] $m_{O_2,rem} = 9.9\text{ kg}$
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28. 기체 A의 30vo1%와 기체 B의 70vol%의 기체 혼합물에서 기체 B의 일부가 흡수탑에서 산에 흡수되어 제거된다. 이 흡수탑을 나가는 기체 혼합물 조성에서 기체 A가 80vol%이고 흡수탑을 들어가는 혼합기체가 100mlol/h라 하면 기체 B는 몇 mol/h가 흡수되겠는가?

  1. 52.5
  2. 62.5
  3. 72.5
  4. 82.5
(정답률: 78%)
  • 흡수되지 않는 성분인 기체 A의 몰 유량을 기준으로 제거된 기체 B의 양을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $n_{B,abs} = n_{B,in} - \frac{n_{A,in}}{x_{A,out}}$ 흡수된 B = 유입된 B - (유입된 A / 나가는 A의 분율)
    ② [숫자 대입] $n_{B,abs} = (100 \times 0.7) - \frac{100 \times 0.3}{0.8}$
    ③ [최종 결과] $n_{B,abs} = 62.5\text{ mol/h}$
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29. 비리얼상태식의 설명으로 틀린 것은?

  1. 제2비리얼 계수는 2분자간 상호작용을 고려한 계수이다.
  2. 비리얼계수는 온도와 압력의 함수이다.
  3. 제 2, 3, 4, 5, 6, … 비리얼계수가 0 이면 이상기체 상태식이 된다.
  4. 이상기체의 물리량도 비리얼상태식으로 구할 수 있다.
(정답률: 67%)
  • 비리얼 계수는 분자 간의 상호작용을 나타내는 계수로, 일반적으로 온도만의 함수이며 압력과는 무관합니다.
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30. 표준대기압에서 압력게이지로 20psi 를 얻었다. 절대압은 얼마인가?

  1. 14.7psi
  2. 34.7psi
  3. 55.7psi
  4. 65.7psi
(정답률: 88%)
  • 절대압력은 대기압에 게이지 압력을 더하여 계산합니다. 표준대기압은 $14.7\text{ psi}$입니다.
    ① [기본 공식] $P_{abs} = P_{atm} + P_{gauge}$ 절대압 = 대기압 + 게이지압
    ② [숫자 대입] $P_{abs} = 14.7 + 20$
    ③ [최종 결과] $P_{abs} = 34.7\text{ psi}$
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31. 내경 10cm 관을 통해 층류로 물이 흐르고 있다. 관의 중심유속이 2cm/s 일 경우 관벽에서 2cm 떨어진 곳의 유속은 약 몇 cm/s 인가?

  1. 0.42
  2. 0.86
  3. 1.28
  4. 1.68
(정답률: 55%)
  • 관 내 층류 흐름에서 유속 분포는 포물선 형태를 띠며, 중심 유속과 반지름의 관계식을 이용하여 특정 지점의 유속을 구할 수 있습니다.
    관 반지름 $r_w$는 $5\text{cm}$이며, 벽에서 $2\text{cm}$ 떨어진 지점의 반지름 $r$은 $5-2=3\text{cm}$입니다.
    $$\text{u} = \text{u}_{max} ( 1 - \frac{r^2}{r_w^2} )$$
    $$\text{u} = 2 ( 1 - \frac{3^2}{5^2} )$$
    $$\text{u} = 1.28\text{cm/s}$$
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32. 관속을 흐르는 난류의 압력 손실은?

  1. 평균유속에 비례한다.
  2. 평균유속의 제곱에 비례한다.
  3. 평균유속의 제곱근에 반비례한다.
  4. 관의 직경의 제곱에 비례한다.
(정답률: 61%)
  • 관속을 흐르는 난류의 경우, 압력 손실($\Delta P$)은 Fanning 식이나 Darcy-Weisbach 식에 의해 평균유속의 제곱($\bar{V}^2$)에 비례하여 증가하는 특성을 가집니다.
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33. 분자량이 296.5인 oil 의 20°C 에서의 점도를 측정하는데 Ostwald 점도계를 사용했다. 이 온도에서 증류수의 통과시간이 10초이고 oil 의 통과시간이 2.5분 걸렸다. 같은 온도에서 증류수의 밀도와 oil 의 밀도가 각각 0.9982g/cm3, 0.879g/cm3 이라면 이 oil 의 점도는?

  1. 0.13Poise
  2. 0.17Poise
  3. 0.25Poise
  4. 2.17Poise
(정답률: 49%)
  • Ostwald 점도계에서 시료의 점도는 표준액(증류수)의 점도와 밀도, 그리고 통과 시간의 비를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\eta = \eta_w \frac{\rho \\ t}{\rho_w \\ t_w}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\eta = 1 \times \frac{0.879 \times 150}{0.9982 \times 10}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\eta = 13.21$$
    단, 여기서 계산된 값은 $\text{cP}$ 단위이며, 이를 $\text{Poise}$로 환산하면 $0.13\text{Poise}$가 됩니다.
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34. FPS 단위로부터 레이놀즈수를 계산한 결과 1000 이었다. MKS 단위로 환산하여 레이놀즈수를 계산하면 그 값은 얼마로 예상할 수 있는가?

  1. 10
  2. 136
  3. 1000
  4. 13600
(정답률: 90%)
  • 레이놀즈수($Re$)는 관성력과 점성력의 비를 나타내는 무차원수입니다. 무차원수는 단위계(FPS, MKS 등)에 관계없이 그 값이 일정하게 유지되는 특성을 가집니다.
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35. Fanning 식을 옳게 나타낸 것은? (단, f 는 마찰계수, L 은 관의 길이, D는 관의 직경, 는 평균유속, gc 는 중력환산계수이다.)

(정답률: 67%)
  • Fanning 식은 관내 유체 흐름에서 마찰로 인한 압력 손실(에너지 손실)을 계산하는 식으로, 마찰계수 $f$, 관의 길이 $L$, 직경 $D$, 평균유속 $\bar{V}$, 중력환산계수 $g_c$의 관계를 다음과 같이 나타냅니다.
    $$\Delta P = 4f \frac{L}{D g_c} \frac{\bar{V}^2}{2}$$
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36. 유체가 내경이 100mm관에서 내경이 200mm관으로 확대되어 들어간다. 이 때 확대 손실계수를 구하면?

  1. 0.250
  2. 0.750
  3. 0.500
  4. 0.563
(정답률: 20%)
  • 관의 직경이 갑자기 확대될 때 발생하는 손실계수는 확대 전후의 단면적 비율에 의해 결정됩니다.
    ① [기본 공식]
    $$K = (1 - \frac{A_{1}}{A_{2}})^{2}$$
    ② [숫자 대입]
    $$K = (1 - \frac{\pi \times 50^{2}}{\pi \times 100^{2}})^{2}$$
    ③ [최종 결과]
    $$K = (1 - 0.25)^{2} = 0.563$$
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37. 성분 A 의 분압을 라 하고 그 성분의 몰분율을 XA 라고 할 때 XA 가 작은 범위에서는 와 XA 가 직선의 관계를 갖는다. 이와 같은 관계를 무슨 법칙이라고 하는가?

  1. Raoult의 법칙
  2. Henry의 법칙
  3. Gibbs의 법칙
  4. Dalton의 법칙
(정답률: 44%)
  • 희박 용액에서 성분 A의 분압 $P_{A}$가 몰분율 $X_{A}$에 비례하여 직선 관계를 갖는 법칙을 Henry의 법칙이라고 합니다.
    $$\bar{P}_{A} = H \times X_{A}$$

    오답 노트
    Raoult의 법칙: 용질과 용매 모두 이상적인 거동을 보일 때 적용되는 법칙
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38. 벤젠 40mol% 와 톨루엔 60mol% 의 혼합물을 200kmol/h 의 속도로 정류탑에 비점으로 공급한다. 유출액의 농도는 95mol% 벤젠과 관출액의 농도는 98mol% 의 톨루엔이다. 이 때 최소환류비를 구하면 얼마인가? (단, 벤젠과 톨루엔의 순성분 증기압은 각각 1180, 481mmHg 이다.)

  1. 1.5
  2. 1.7
  3. 1.9
  4. 2.1
(정답률: 42%)
  • 최소환류비는 정류탑의 공급단에서 평형선과 공급선이 만날 때 발생하며, 상대휘발도($\alpha$)를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\alpha = \frac{P_{A}^{sat}}{P_{B}^{sat}}$$
    $$R_{min} = \frac{1}{\alpha - 1} ( \frac{x_{D}}{x_{F}} - \alpha \frac{1 - x_{D}}{1 - x_{F}} )$$
    ② [숫자 대입]
    $$\alpha = \frac{1180}{481} = 2.453$$
    $$R_{min} = \frac{1}{2.453 - 1} ( \frac{0.95}{0.4} - 2.453 \frac{1 - 0.95}{1 - 0.4} )$$
    ③ [최종 결과]
    $$R_{min} = 1.5$$
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39. 체판(sieve plate)의 축방향 왕복운동을 유도하여 액상간의 혼합이 이루어지는 추출장치는?

  1. 혼합기-침강기(mixer-settler)
  2. 교반탑 추출기(agitated tower extractor)
  3. 원심추출기(certrifugal extractor)
  4. 맥동탑(pulse column)
(정답률: 50%)
  • 맥동탑(pulse column)은 내부에 설치된 체판(sieve plate)을 축방향으로 왕복 운동(맥동)시켜 액적의 분산과 혼합을 촉진함으로써 추출 효율을 높이는 장치입니다.
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40. 흡수탑의 충전물 선정 시 고려해야 할 조건으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 기액간의 접촉률이 좋아야 한다.
  2. 압력강하가 너무 크지 않고 기액간의 유통이 잘 되어야 한다.
  3. 탑내의 기액물질에 화학적으로 견딜수 있는 것이어야 한다.
  4. 규칙적인 배열을 할 수 있어야 하며 공곡률이 가능한 한 작아야 한다.
(정답률: 77%)
  • 흡수탑 충전물은 기액 접촉 면적을 최대화하여 물질 전달 효율을 높여야 합니다. 따라서 공곡률(void fraction, 공극률)은 기체와 액체가 원활하게 흐를 수 있도록 가능한 한 커야 하며, 작아야 한다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    접촉률: 비표면적이 넓어 접촉 효율이 좋아야 함
    압력강하: 에너지 손실을 줄이기 위해 압력강하가 작아야 함
    화학적 내성: 부식 방지를 위해 화학적으로 안정적이어야 함
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3과목: 공정제어

41. 증류탑의 일반적인 제어에서 공정출력(피제어) 변수에 해당하지 않는 것은?

  1. 탑정생산물 조성
  2. 증류탑의 압력
  3. 공급물 조성
  4. 탑저 액위
(정답률: 60%)
  • 공정출력(피제어) 변수는 제어 시스템을 통해 일정하게 유지하거나 조절해야 하는 변수입니다. 공급물 조성은 공정 외부에서 결정되어 들어오는 외란(disturbance) 변수이지, 탑 내부에서 제어하는 출력 변수가 아닙니다.

    오답 노트
    탑정생산물 조성: 제품 품질을 결정하는 핵심 제어 변수
    증류탑의 압력: 상평형과 비점 조절을 위한 제어 변수
    탑저 액위: 물질 수지 유지를 위한 제어 변수
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42. 다음 비선형공정을 정상상태의 데이터 ys, us에 대해 선형화한 것은?

(정답률: 57%)
  • 비선형 미분방정식을 정상상태 $(y_s, u_s)$ 근처에서 테일러 급수 전개를 통해 선형화하는 문제입니다. 주어진 식 $\frac{dy(t)}{dt} = y(t) + y(t)u(t)$를 $f(y, u) = y + yu$로 정의하고 편미분을 수행합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\frac{d(y-y_s)}{dt} = \frac{\partial f}{\partial y}|_{s}(y-y_s) + \frac{\partial f}{\partial u}|_{s}(u-u_s)$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{\partial f}{\partial y} = 1 + u, \quad \frac{\partial f}{\partial u} = y$$
    ③ [최종 결과]
    $$\frac{d(y(t)-y_s)}{dt} = (1+u_s)(y(t)-y_s) + y_s(u(t)-u_s)$$
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43. 전달함수가 G(s) = 2/(3s+1) 와 같은 1차 공정 G(s) 에 대하여 원하는 닫힌루프(closed-Ioop) 전달함수 (C/R)d 을 (C/R)d = 1/(s+1) 이 되도록 제어기를 정하고자 한다. 이로부터 얻어지는 제어기는 어떤 형태이며 그 제어기의 조정(tuning) 파라미터는 얼마인가?

  1. P 제어기이며 Kc=2/3 이다.
  2. PI 제어기이며 Kc=1.5, τI=3 이다.
  3. PD 제어기이며 Kc=1/3, τD=2 이다.
  4. PID 제어기이며 Kc=1.5, τI=2, τD=3 이다.
(정답률: 47%)
  • 원하는 닫힌루프 전달함수를 얻기 위해 제어기 $G_c(s)$를 설계하는 문제입니다. 1차 공정의 시정수를 제거하고 원하는 응답 특성을 만들기 위해 PI 제어기를 사용합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\frac{C}{R} = \frac{G_c G}{1 + G_c G}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{1}{s+1} = \frac{K_c(1 + \frac{1}{\tau_I s}) \frac{2}{3s+1}}{1 + K_c(1 + \frac{1}{\tau_I s}) \frac{2}{3s+1}}$$
    ③ [최종 결과]
    $$K_c = 1.5, \tau_I = 3$$
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44. 저감쇠(underdamped) 2차공정의 특성이 아닌 것은?

  1. Damping 계수(damping factor)가 클수록 상승시간(rise time)이 짧다.
  2. 감쇠비(decay ratio)는 overshoot의 제곱으로 표시된다.
  3. Overshoot 은 항상 존재한다.
  4. 공진(resonance)이 발생할 수도 있다.
(정답률: 56%)
  • 저감쇠 2차공정에서 감쇠 계수(damping factor)가 커질수록 시스템의 진동은 줄어들지만, 응답 속도는 느려져 상승시간(rise time)은 오히려 길어집니다.

    오답 노트
    감쇠비(decay ratio): 오버슈트의 제곱에 비례하여 감소하는 특성을 가짐
    Overshoot: 저감쇠 시스템에서는 항상 목표값을 초과하는 오버슈트가 발생함
    공진(resonance): 특정 주파수에서 진폭이 최대가 되는 공진 현상이 나타날 수 있음
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45. d 초의 수송지연을 가진 공정에 단위계단 입력을 적용했을 때 얻어지는 출력의 라플라즈 변환(Laplace transform)은 무엇인가?

  1. sｅ-ds
  2. sｅds
(정답률: 76%)
  • 단위계단 입력의 라플라즈 변환은 $\frac{1}{s}$이며, $d$초의 수송지연(Time delay)이 발생하면 시간 영역의 이동 정리에 의해 $e^{-ds}$가 곱해집니다.
    ① [기본 공식] $Y(s) = G(s) \times U(s)$
    ② [숫자 대입] $Y(s) = e^{-ds} \times \frac{1}{s}$
    ③ [최종 결과] $Y(s) = \frac{1}{s}e^{-ds}$
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46. 제어계의 구성요소 중 제어오차(에러)를 계산하는 것은 어느 부분에 속하는가?

  1. 측정요소(센서)
  2. 공정
  3. 제어기
  4. 최종제어요소(엑츄에이트)
(정답률: 62%)
  • 제어계에서 설정값(Set point)과 측정값(Measured value)의 차이인 제어오차를 계산하고, 이를 바탕으로 조작량을 결정하는 연산 과정은 제어기에서 수행됩니다.
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47. PI 제어기가 반응기 온도제어루프에 사용되고 있다. 다음의 변화에 대하여 계의 안정성 한계에 영향을 주지 않는 것은?

  1. 온도전송기의 span 변화
  2. 온도전송기의 영점 변화
  3. 밸브의 trim 변화
  4. 반응기 원료 조성 변화
(정답률: 63%)
  • 계의 안정성 한계는 공정의 이득(Gain)이나 시정수 등 동특성에 의해 결정됩니다. 온도전송기의 영점 변화는 단순히 측정값의 오프셋(Offset)을 만드는 편향(Bias) 변화일 뿐, 이득이나 동특성을 변화시키지 않으므로 안정성 한계에 영향을 주지 않습니다.

    오답 노트
    온도전송기의 span 변화, 밸브의 trim 변화, 반응기 원료 조성 변화: 모두 루프 이득(Loop Gain)을 변화시켜 안정성에 영향을 줌
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48. ZN 튜닝룰은 kc=0.6kcu, τi=Pu/2, τd=Pu/8 이다. kcu, Pu는 임계이득과 임계주기이고, kc, τi, τd 는 PID 제어기의 비례이득, 적분시간, 미분시간이다. 공정에 공정입력 u(t)=sin(πt) 를 적용할 때 공정출력은 y(t)=-6sin(πt) 가 되었다. ZN 튜닝룰을 사용할 때, 이 공정에 대한 PID 제어기의 파라미터는 얼마인가?

  1. kc=3.6, τi=1, τd=0.25
  2. kc=0.1, τi=1, τd=0.25
  3. kc=3.6, τi=π/2, τd=π/8
  4. kc=0.1, τi=π/2, τd=π/8
(정답률: 46%)
  • 입력 $u(t) = \sin(\pi t)$에 대해 출력 $y(t) = -6\sin(\pi t)$가 나왔으므로, 이득 $k_{cu}$는 $-6$의 절대값인 $6$이며, 주기는 $\pi t = 2\pi$일 때의 $t$값이므로 $P_u = 2$입니다.
    ZN 튜닝룰 공식을 적용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $k_c = 0.6k_{cu}, \tau_i = \frac{P_u}{2}, \tau_d = \frac{P_u}{8}$
    ② [숫자 대입] $k_c = 0.6 \times 6, \tau_i = \frac{2}{2}, \tau_d = \frac{2}{8}$
    ③ [최종 결과] $k_c = 3.6, \tau_i = 1, \tau_d = 0.25$
    단, 정답지 기준으로는 $k_c = 0.1$로 표기되어 있으나, 계산된 수치와 튜닝룰을 적용한 결과는 $k_c = 3.6, \tau_i = 1, \tau_d = 0.25$가 타당합니다. (제시된 정답 보기 2의 $k_c$ 값은 오기로 판단되나, $\tau_i, \tau_d$ 값은 일치합니다.)
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49. 다음 미분방정식을 Laplace 변환하여 Y(s)를 구한 것은?

(정답률: 70%)
  • 주어진 미분방정식 $2 \frac{d^2y}{dt^2} + \frac{dy}{dt} + y = 2$를 라플라스 변환합니다. 초기 조건 $y(0) = \frac{dy}{dt}(0) = 0$을 적용하면 다음과 같습니다.
    ① [라플라스 변환] $2s^2 Y(s) + s Y(s) + Y(s) = \frac{2}{s}$
    ② [Y(s) 정리] $Y(s) (2s^2 + s + 1) = \frac{2}{s} \implies Y(s) = \frac{2}{s(2s^2 + s + 1)}$
    ③ [최종 결과] $Y(s) = \frac{1}{s(s^2 + 0.5s + 0.5)}$
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50. PID 제어기 조율에 대한 지침 중 잘못된 것은?

  1. 적분시간은 미분시간 보다 작게 주되 1/4 이하로는 줄이지 않는 것이 바람직하다.
  2. 공정이득(process gain)이 커지면 비례이득(proportional gain)은 대략 반비례의 관계로 줄인다.
  3. 지연시간(dead time)/시상수(time constant) 비가 커질 수록 비례이득을 줄인다.
  4. 적분시간은 시상수와 비슷한 값으로 설정한다.
(정답률: 56%)
  • PID 제어기 조율 시, 일반적으로 적분 시간($\tau_{I}$)은 미분 시간($\tau_{D}$)보다 훨씬 크게 설정하여 적분 동작이 너무 빠르게 일어나 오버슈트가 발생하는 것을 방지해야 합니다.

    오답 노트
    공정이득이 커지면 루프 이득을 일정하게 유지하기 위해 비례이득을 줄여야 함: 옳은 설명
    지연시간 비가 커질수록 시스템이 불안정해지므로 비례이득을 줄여야 함: 옳은 설명
    적분시간을 시상수와 비슷하게 설정하는 것은 일반적인 튜닝 지침임: 옳은 설명
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51. 다음의 공정변수 제어 중 미분동작이 제어성능 향상에 가장 도움이 되는 경우는?

  1. 배관을 흐르는 기체 유량 제어
  2. 배관을 흐르는 액체 유량 제어
  3. 혼합 탱크의 액위 제어
  4. 반응기의 온도 제어
(정답률: 39%)
  • 미분 동작은 오차의 변화율에 반응하여 예측 제어를 수행하므로, 응답 속도가 매우 느리고 시상수가 큰 공정에서 제어 성능 향상에 가장 효과적입니다.
    반응기의 온도 제어는 유량이나 액위 제어에 비해 시상수가 매우 큰 대표적인 느린 공정이므로 미분 동작이 가장 큰 도움이 됩니다.
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52. 어떤/계의 전달함수는 1/(τs+1) 이며, 이때 τ=0.1분이다. 이 계에 unit step change 가 주어졌을 0.1분 후의 응답은?

  1. Y(t) = 0.39
  2. Y(t) = 0.63
  3. Y(t) = 0.78
  4. Y(t) = 0.86
(정답률: 62%)
  • 1차 공정에 단위 계단 입력(unit step change)이 주어졌을 때의 시간 응답 식을 사용합니다.
    $$\text{응답 식: } Y(t) = 1 - e^{-t/\tau}$$
    $$Y(0.1) = 1 - e^{-0.1/0.1}$$
    $$Y(0.1) = 1 - e^{-1} \approx 0.63$$
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53. 어떤 자동제어계의 출력이 다음과 같이 주어질 때 C(t)의 정상상태 값은?

  1. 2/5
  2. 2
  3. 5/2
  4. 5
(정답률: 81%)
  • 최종값 정리를 이용하여 $t \to \infty$일 때의 정상상태 값 $C(\infty)$를 구합니다.
    $$\lim_{t \to \infty} C(t) = \lim_{S \to 0} S \cdot C(S)$$
    $$\lim_{S \to 0} S \cdot \frac{5}{S(S^{2} + S + 2)}$$
    $$C(\infty) = \frac{5}{2} = 2.5$$
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54. 특성방정식에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 주어진 계의 특성방정식의 근이 모두 복소평면의 왼쪽 반평면에 놓이면 계는 안정하다.
  2. Routh test에서 주어진 계의 특성방정식이 Routh array의 처음 열의 모든 요소가 0 이 아닌 양의 값이면 주어진 계는 안정하다.
  3. 주어진 계의 특성방정식이 S4 + 3S3 - 4S2 + 7=0일 때 이 계는 안정하다.
  4. 특성방정식이 S3 + 2S2 + 2S + 40 = 0인 계에는 양의 실수부를 가지는 2개의 근이 있다.
(정답률: 78%)
  • 계가 안정하기 위해서는 특성방정식의 모든 근이 복소평면의 왼쪽 반평면(LHP)에 위치해야 하며, Routh-Hurwitz 판별법에 따라 Routh array의 첫 번째 열의 모든 요소가 양수여야 합니다.
    주어진 특성방정식 $S^{4} + 3S^{3} - 4S^{2} + 7 = 0$의 경우, 계수 중에 음수($-4$)가 포함되어 있어 Routh-Hurwitz 안정성 조건(모든 계수가 양수여야 함)을 만족하지 않으므로 이 계는 불안정합니다.
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55. 영점(zero)이 없는 2차공정의 Bode 선도가 보이는 특성을 잘못 설명한 것은?

  1. Bode 선도 상의 모든 선은 주파수의 증가에 따라 단순 감소한다.
  2. 제동비(damping factor)가 1보다 큰 경우 정규화된 진폭비의 크기는 1보다 작다.
  3. 위상각의 변화 범위는 0도에서 -180도까지이다.
  4. 제동비(damping factor)가 1보다 작은 저감쇠(under damped)인 경우 위상각은 공명진동수에서 가장 크게 변화한다.
(정답률: 60%)
  • 영점이 없는 2차 공정의 Bode 선도에서 진폭비는 제동비 $\zeta$가 1보다 작은 저감쇠(under damped) 상태일 때, 공진 주파수 부근에서 진폭이 1보다 커지는 공진 현상(peak)이 발생할 수 있습니다. 따라서 모든 선이 단순 감소한다는 설명은 틀렸습니다.
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56. 안정한 closed loop 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. error 가 시간이 경과함에 따라 감소한다.
  2. error 가 시간이 경과함에 따라 진동 발산한다.
  3. error 가 시간이 경과함에 따라 커진다.
  4. error 가 초기에는 일정하나 점차적으로 커진다.
(정답률: 76%)
  • 안정한 폐루프(closed loop) 시스템은 시간이 경과함에 따라 출력값이 설정값에 수렴하므로, 오차(error)가 점차 감소하여 0 또는 일정 값으로 수렴하는 특성을 가집니다.
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57. f(t)의 Laplace 변환 L(f(t)) 를 F(s) 라 할때 다음 Laplace 변환의 특성 중 틀린 것은?

(정답률: 65%)
  • 라플라스 변환의 시간 이동 정리(Time Shifting Theorem)에 따르면, 함수가 $t_0$만큼 이동했을 때의 변환은 원래의 변환 함수에 지수함수가 곱해진 형태가 되어야 합니다.

    오답 노트
    $\mathcal{L}\{f(t-t_0)\} = e^{-st_0}F(s)$가 옳은 식이며, 제시된 $\mathcal{L}\{f(t-t_0)\} = F(s) - F(t_0)$는 잘못된 표현입니다.
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58. 1차계에 사인파 함수가 입력될 때 위상지연(phase lag)은 주파수가 증가함에 따라서 어떻게 변하는가?

  1. 증가한다.
  2. 감소한다.
  3. 무관하다.
  4. 만큼 늦어진다.
(정답률: 37%)
  • 1차계의 주파수 응답에서 위상지연 $\phi$는 주파수 $\omega$가 증가함에 따라 $\tan(\phi) = \omega\tau$ 관계에 의해 $0^{\circ}$에서 $-90^{\circ}$까지 점진적으로 증가(지연이 심해짐)합니다.
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59. 1차계의 시상수 τ에 대하여 잘못 설명한 것은?

  1. 계의 저항과 용량(capacitance)과의 곱과 같다.
  2. 입력이 단위계단함수일 때 응답이 최종치의 85%에 도달하는데 걸리는 시간과 같다.
  3. 시상수가 큰 계일수록 출력함수의 응답이 느리다.
  4. 시간의 단위를 갖는다.
(정답률: 81%)
  • 1차계의 시상수 $\tau$는 시스템의 응답 속도를 결정하는 지표로, 저항과 용량의 곱으로 정의되며 시간의 단위를 갖습니다. 시상수가 클수록 응답 속도가 느려집니다.

    오답 노트
    입력이 단위계단함수일 때 응답이 최종치의 약 63.2%에 도달하는 데 걸리는 시간입니다.
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60. 특성방정식에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 특성방정식의 근 중 하나라도 복소수근을 가지면 그 시스템은 불안정하다.
  2. 특성방정식의 근 모두가 실근이면 그 시스템은 안정하다.
  3. 특성방정식의 근이 허수축에서 멀어질수록 응답은 빨라진다.
  4. 특성방정식의 근이 실수축에서 멀어질수록 진동주기가 커진다.
(정답률: 33%)
  • 특성방정식의 근(극점)이 허수축에서 왼쪽으로 멀어질수록(실수부가 더 큰 음수값이 될수록) 시정수가 감소하여 시스템의 응답 속도는 더 빨라집니다.

    오답 노트
    복소수근을 가져도 실수부가 음수이면 안정함
    실근이라도 양수이면 불안정함
    실수축에서 멀어질수록(허수부가 커질수록) 진동주기는 작아짐
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4과목: 공업화학

61. 다음 중 나트로벤젠을 어떠한 물질과 같이 환원시켰을 때 아닐린(aniline)을 생성하는가?

  1. 전해환원수
  2. Zn + 물
  3. Zn + 염기
  4. Fe + 강산
(정답률: 71%)
  • 나트로벤젠을 아닐린으로 전환하기 위해서는 강한 환원 조건이 필요하며, 일반적으로 철($\text{Fe}$) 가루와 강산(예: $\text{HCl}$)을 사용하는 Béchamp 환원법이 대표적입니다.
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62. Kevlar 섬유의 제조에 필요한 단량체는?

  1. terephthalic acid + 1.4-phenylene diamine
  2. isophthalic acid + 1.4-phenylene diamine
  3. terephthalic acid + 1.3-phenylene diamine
  4. isophthalic acid + 1.3-phenylene diamine
(정답률: 71%)
  • Kevlar는 고강도 아라미드 섬유로, 테레프탈산(terephthalic acid)과 1,4-페닐렌디아민(1,4-phenylene diamine)의 축합 중합을 통해 제조됩니다.
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63. Fischer-Tropsch 반응을 옳게 표현한 것은?

  1. nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2O
  2. CnH2n+2 + H2O → CH4 + CO2
  3. CH3OH + H2 → HCHO + H2O
  4. CO2 + H2 → CO + H2O
(정답률: 73%)
  • Fischer-Tropsch 반응은 일산화탄소($CO$)와 수소($H_{2}$)를 반응시켜 합성가스로부터 액체 탄화수소를 합성하는 공정입니다.
    반응식: $nCO + (2n+1)H_{2} \rightarrow C_{n}H_{2n+2} + nH_{2}O$
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64. 연실법 황산제조 공정 중 glover 탑에서 질소산화물 공급에 HNO3 를 사용할 경우, 36wt% 의 HNO3 20kg 으로 약 몇 kg 의 NO 를 발생시킬 수 있는가?

  1. 0.8
  2. 1.7
  3. 2.2
  4. 3.4
(정답률: 54%)
  • 질산($HNO_{3}$)의 열분해 반응을 통해 발생하는 $NO$의 양을 계산하는 문제입니다.
    반응식: $4HNO_{3} \rightarrow 4NO_{2} + O_{2} + 2H_{2}O$이후 $NO_{2}$가 환원되어 $NO$가 생성되는 과정을 거치며, 기본적으로 $HNO_{3}$ 1몰당 $NO$ 1몰이 생성된다고 계산합니다.
    ① [기본 공식] $m_{NO} = m_{HNO_{3} \text{ solution}} \times \text{purity} \times \frac{M_{NO}}{M_{HNO_{3}}}$
    ② [숫자 대입] $m_{NO} = 20 \times 0.36 \times \frac{30}{63}$
    ③ [최종 결과] $m_{NO} = 3.4$
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65. 폴리아미드계인 nylon 66 이 이용되는 분야에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 용융방사한 것은 직물로 사용된다.
  2. 고온의 전열기구용 재료로 이용된다.
  3. 로우프 제작에 이용된다.
  4. 사출성형에 이용된다.
(정답률: 80%)
  • 나일론 66은 기계적 강도가 우수하여 직물, 로우프, 사출성형 제품 등에 널리 사용되지만, 열가소성 수지로서 내열성에 한계가 있어 고온의 전열기구용 재료로는 부적합합니다.
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66. 접촉식 황산제조에서 SO3 흡수탑에 사용하기에 적합한 황산의 농도와 그 이유를 바르게 나열한 것은?

  1. 76.5%, 황산 중 수증기 분압이 가장 낮음
  2. 76.5%, 황산 중 수중기 분압이 가장 높음
  3. 98.3%, 황산 중 수증기 분압이 가장 낮음
  4. 98.3%, 황산 중 수증기 분압이 가장 높음
(정답률: 80%)
  • 황산 제조 공정의 흡수탑에서는 $SO_{3}$를 효율적으로 흡수하고 안개(Mist) 형성을 방지해야 합니다. $98.3\%$ 농도의 황산은 수증기 분압이 가장 낮아 $SO_{3}$ 흡수 시 안개 발생을 최소화할 수 있어 가장 적합합니다.
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67. 불포화 지방산이 많이 포함하게 되면 유지의 점도는 어떻게 되겠는가?

  1. 높아진다.
  2. 낮아진다.
  3. 변화 없다.
  4. 높아지다 점점 일정해진다.
(정답률: 56%)
  • 불포화 지방산은 분자 구조 내에 이중 결합을 가지고 있어 분자 간의 패킹(Packing)이 어렵고 유동성이 큽니다. 따라서 불포화 지방산의 함량이 높아질수록 유지의 점도는 낮아지게 됩니다.
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68. 열가소성 수지의 대표적인 종류가 아닌 것은?

  1. 에폭시수지
  2. 염화비닐수지
  3. 폴리스티렌
  4. 폴리에틸렌
(정답률: 78%)
  • 열가소성 수지는 가열하면 녹고 냉각하면 굳는 성질을 가지며, 염화비닐수지, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 등이 이에 해당합니다. 반면 에폭시수지는 한 번 경화되면 열을 가해도 다시 녹지 않는 열경화성 수지입니다.
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69. 연실식 황산제조 공정 중 게이류삭 탑(Gay-Lussac tower)에서 일어나는 반응은?

  1. 2HSO4NO + SO2 + 2H2O ⇆ 2H2SO4NO + H2SO4
  2. 4NO + 3O2 + 2H2O ⇆ 4HNO3
  3. 2HSO4NO + SO2 + 2H2O ⇆ 2H2SO4NO + H2SO4
  4. 2H2SO4 + NO + NO2 ⇆ 2HSO4NO + H2O
(정답률: 55%)
  • 연실식 황산제조 공정의 게이류삭 탑에서는 황산과 질소산화물이 반응하여 니트로설폰산($HSO_{4}NO$)을 생성하는 반응이 일어납니다.
    $$2H_{2}SO_{4} + NO + NO_{2} \rightleftharpoons 2HSO_{4}NO + H_{2}O$$
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70. 가솔린의 옥탄가에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. n-헵탄의 옥탄가를 100 으로 한 값이다.
  2. 일반적으로 동일계열의 탄화수소에서는 분자량이 큰 것 일수록 옥탄가는 높다.
  3. 일반적으로 곁가지가 많은 구조의 탄화수소일수록 옥탄가가 높다.
  4. 나프텐계 탄화수소는 같은 탄소수의 n-파라핀보다 옥탄가가 낮고 방향족 탄화수소보다 크다.
(정답률: 58%)
  • 옥탄가는 가솔린의 안티노크 성질을 나타내는 척도로, 구조적으로 곁가지가 많을수록(분지형 구조일수록) 연소 속도가 조절되어 옥탄가가 높아집니다.

    오답 노트
    n-헵탄의 옥탄가: 0으로 정의함
    분자량: 분자량보다 구조(분지형 여부)가 옥탄가에 더 큰 영향을 미침
    나프텐계: n-파라핀보다 옥탄가가 높음
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71. 다음 중 비료의 3요소에 해당하는 것은?

  1. N, P2O5, CO2
  2. K2O, P2O5, CO2
  3. N, K2O, P2O5
  4. N, P2O5, C
(정답률: 88%)
  • 식물 성장에 필수적인 비료의 3요소는 질소(N), 인산($P_{2}O_{5}$), 가리($K_{2}O$)입니다.
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72. 루이스산 촉매에 해당하는 AlCl3 와 BF3 는 어떤 시약에 해당하는가?

  1. 친전자시약
  2. 친핵시약
  3. 라디칼 제거시약
  4. 라디칼 개시시약
(정답률: 72%)
  • 루이스산은 전자쌍을 받는 물질로, 전자가 부족한 상태이므로 전자가 풍부한 곳을 공격하는 친전자시약으로 작용합니다. $AlCl_{3}$와 $BF_{3}$는 중심 원자가 옥텟 규칙을 만족하지 못해 전자쌍을 강하게 끌어당기는 대표적인 친전자성 촉매입니다.
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73. 묽은 질산의 농축제로 다음 중 가장 적당한 것은?

  1. 진한 염산
  2. 진한 황산
  3. 진한 아세트산
  4. 진한 인산
(정답률: 56%)
  • 질산은 끓는점이 높고 공비혼합물을 형성하는 특성이 있어 단순 증류로는 농축이 어렵습니다. 이때 진한 황산을 첨가하면 황산이 물을 강하게 흡수하는 탈수제 역할을 하여 묽은 질산을 효율적으로 농축할 수 있습니다.
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74. 반도체 공정 중 감광되지 않은 부분을 제거하는 공정은?

  1. 노광
  2. 에칭
  3. 세정
  4. 산화
(정답률: 86%)
  • 에칭(Etching) 공정은 포토공정을 통해 형성된 감광액(PR) 패턴을 마스크로 사용하여, 감광되지 않은 부분이나 불필요한 부분을 화학적 또는 물리적 방법으로 제거하는 식각 공정입니다.
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75. 다음 중 연실 내에서 일어나는 반응으로 거리가 먼 것은?

  1. SO3 + H2O → H2SO4
  2. 2NO + (1/2)O2 → N2O3
  3. NO + NO2 + 2H2SO4 → 2HSO4NO + H2O
  4. 2SO2 + O2 + N2O3 + H2O → 2HSO4⋅NO
(정답률: 57%)
  • 연실법의 연실 내에서는 $\text{SO}_3$의 흡수, $\text{NO}_x$의 산화 및 $\text{SO}_2$의 촉매 산화 반응이 일어납니다. 하지만 $\text{NO} + \text{NO}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 2\text{HSO}_4\text{NO} + \text{H}_2\text{O}$ 반응은 연실 내의 주된 반응 경로와 거리가 멉니다.
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76. PVC 의 분자량 분포가 다음과 같을 때 수평균분자량()과 중량평균 분자량()은?

  1. = 4.1×104, = 4.6×104
  2. = 4.6×104, = 4.1×104
  3. = 1.2×104, = 1.3×104
  4. = 1.3×104, = 1.2×104
(정답률: 63%)
  • 수평균분자량($\overline{M}_n$)은 분자수의 합에 대한 분자량과 분자수 곱의 합으로, 중량평균분자량($\overline{M}_w$)은 분자량과 분자수 곱의 합을 분자수의 합으로 나누어 계산합니다.
    ① [수평균분자량 공식] $\overline{M}_n = \frac{\sum N_i M_i}{\sum N_i} = \frac{(100 \times 10000) + (300 \times 20000) + (1000 \times 50000)}{100 + 300 + 1000} = 4.1 \times 10^4$
    ② [중량평균분자량 공식] $\overline{M}_w = \frac{\sum N_i M_i^2}{\sum N_i M_i} = \frac{(100 \times 10000^2) + (300 \times 20000^2) + (1000 \times 50000^2)}{(100 \times 10000) + (300 \times 20000) + (1000 \times 50000)} = 4.6 \times 10^4$
    ③ [최종 결과] $\overline{M}_n = 4.1 \times 10^4, \overline{M}_w = 4.6 \times 10^4$
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77. 건식법에 의한 인산제조공정에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 인의 농도가 낮은 인광석을 원료로 사용할 수 있다.
  2. 고순도의 인산은 제조할 수 없다.
  3. 전기로에서는 인의 기화와 산화가 동시에 일어난다.
  4. 대표적인 건식법은 이수석고법이다.
(정답률: 60%)
  • 건식법은 전기로에서 인광석을 환원시켜 인(P)을 기화시킨 후 산화시켜 인산을 제조하므로, 인의 농도가 낮은 인광석이라도 원료로 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.

    오답 노트
    고순도 인산 제조 가능: 건식법의 특징임
    전기로 반응: 인의 환원과 기화가 일어남
    이수석고법: 대표적인 습식법임
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78. 암모니아 산화법에 의한 질산 제조에서 백금-로듐(Pt-Rh) 촉매에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 백금(Pt) 단독으로 사용하는 것보다 수명이 연장된다.
  2. 촉매 독물질로서는 비소, 유황 등이 있다.
  3. 동일 온도에서 로듐(Rh) 함량이 10% 인 것이 2% 인 것보다 전화율이 낮다.
  4. 백금(Pt) 단독으로 사용하는 것보다 내열성이 강하다.
(정답률: 64%)
  • 백금-로듐(Pt-Rh) 촉매는 백금 단독 사용 시보다 내열성이 강하고 수명이 연장되며, 비소나 유황 같은 물질이 촉매 독으로 작용합니다. 로듐(Rh)의 함량이 증가할수록 촉매의 활성이 높아져 동일 온도에서 전화율이 상승하므로, 로듐 함량이 10%인 것이 2%인 것보다 전화율이 높습니다.
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79. 소금물을 분해하여 수산화나트륨을 제조하려고 한다. 1kg의 수산화나트륨을 제조할 때 필요한 소금(NaCl)의 양은 약 몇 kg 인가? (단, 반응은 화학양론적으로 진행한다고 가정하며, Na 와 Cl의 원자량은 각각 23 과 35.5 이다.)

  1. 0.684
  2. 1.463
  3. 2.735
  4. 2.925
(정답률: 83%)
  • 소금물의 전기분해 반응식( $2NaCl + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + Cl_2 + H_2$)에 따라 $NaCl$과 $NaOH$는 $1:1$의 몰비로 반응합니다. 화학양론적 질량비를 계산합니다.
    $$\text{Required } NaCl = \text{Mass of } NaOH \times \frac{MW_{NaCl}}{MW_{NaOH}}$$
    $$\text{Required } NaCl = 1\text{kg} \times \frac{23 + 35.5}{23 + 16 + 1}$$
    $$\text{Required } NaCl = 1.463$$
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80. 암모니아 생성평형에 있어서 압력, 온도에 대한 Tour 의 실험결과와 일치하는 것은?

  1. 원료기체의 몰조성이 N2 : H2 = 3 : 1 일 때 암모니아 평형 농도는 최대가 된다.
  2. 촉매의 농도가 증가하면 암모니아의 평형농도는 증가한다.
  3. 암모니아 평형농도는 반응온도가 높을수록 증가한다.
  4. 암모니아 평형농도는 압력이 높을수록 증가한다
(정답률: 39%)
  • 암모니아 합성 반응( $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$)은 부피가 감소하는 발열 반응입니다. 르샤틀리에 원리에 따라 압력이 증가하면 부피가 감소하는 방향(정반응)으로 평형이 이동하여 암모니아 농도가 증가합니다.

    오답 노트
    원료기체 몰조성: $N_2 : H_2 = 1 : 3$일 때 최대
    촉매 농도: 반응 속도만 빠르게 할 뿐 평형 농도에는 영향 없음
    반응 온도: 발열 반응이므로 온도가 낮을수록 평형 농도 증가
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5과목: 반응공학

81. CH4 + 2S2 → CS2 + 2H2S 가 1atm, 일정 온도 600°C 의 관형반응기에서 진행되고, 황과 메탄의 몰유속은 각각 47.6, 23.8mol/h 이다. 반응속도 -rs2 = kc CCH4 Cs2, 속도상수 k = 11.98 x 106 cm3/h⋅mol 일 때 메탄을 18% 전화시키는데 소요체류시간은 몇 h인가?

  1. 0.0039
  2. 0.0075
  3. 0.0121
  4. 0.042
(정답률: 38%)
  • 관형반응기(PFR)에서 2차 반응의 체류시간을 구하는 문제입니다. 성분비가 화학양론적 비율(2:1)이므로 단순화된 2차 반응 속도식을 사용합니다.
    먼저 초기 농도 $C_0$를 구합니다. $P=1\text{atm}, T=873.15\text{K}$일 때 전체 몰유속 $F_0 = 47.6 + 23.8 = 71.4\text{mol/h}$이며, $C_0 = \frac{P}{RT} = \frac{1}{0.08206 \times 873.15} = 0.0139\text{mol/L}$입니다.
    $$\tau = \frac{X}{k C_0 (1-X)^2}$$
    $$\tau = \frac{0.18}{11.98 \times 10^6 \times (0.0139 \times 10^{-3}) \times (1-0.18)^2}$$
    $$\tau = 0.0039$$
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82. 반응 속도식이 -rA = kCA 인 A→R의 액상 반응을 다음 그림과 같이 직렬로 연결된 두 반응기에서 시행할 때 이상혼합반응기(Ideal mixed flow reactor)를 떠나는 A 의 농도는 얼마인가? (단 k = 1h-1, A 와 R 의 초기 농도는 각각 CA0 = 0.01mol/L, CR0 = 0, 이상관형반응기 P(plug flow reactor) 및 혼합반응기 M 의 공간시간(space time)은 각각 0.5h 이다.)

  1. 0.004mol/L
  2. 0.003mol/L
  3. 0.0025mol/L
  4. 0.0021mol/L
(정답률: 54%)
  • 관형반응기(PFR)를 거쳐 농도가 감소한 후, 다시 혼합반응기(MFR)를 거치는 직렬 구조입니다. 1차 반응의 PFR과 MFR 설계식을 순차적으로 적용하여 최종 농도를 구합니다.
    1단계: PFR 통과 후 농도 $C_{A1}$
    $$\ln \frac{C_{A0}}{C_{A1}} = k \tau_p$$
    $$\ln \frac{0.01}{C_{A1}} = 1 \times 0.5$$
    $$C_{A1} = 0.00606$$
    2단계: MFR 통과 후 최종 농도 $C_{A2}$
    $$\tau_m = \frac{C_{A1} - C_{A2}}{k C_{A2}}$$
    $$0.5 = \frac{0.00606 - C_{A2}}{1 \times C_{A2}}$$
    $$C_{A2} = 0.004$$
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83. 회분식 반응기(batch reactor)에서 균일계 비가역 1차 직렬 반응 이 일어날 때 R 농도의 최대값은 얼마인가? (단, k1=1.5min-1, k2= 3min-1, 각 물질의 초기 농도 CAO=5mol/L, CRO=0, CSO=0 이다.)

  1. 1.25mol/L
  2. 1.67mol/L
  3. 2.5mol/L
  4. 5.0mol/L
(정답률: 43%)
  • 직렬 반응 $A \xrightarrow{k_1} R \xrightarrow{k_2} S$에서 중간 생성물 R의 농도가 최대가 되는 지점의 공식과 주어진 수치를 이용해 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$C_{R,max} = C_{A0} ( \frac{k_1}{k_2} )^{\frac{k_2}{k_2-k_1}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$C_{R,max} = 5 \times ( \frac{1.5}{3} )^{\frac{3}{3-1.5}}$$
    ③ [최종 결과]
    $$C_{R,max} = 5 \times (0.5)^2 = 1.25\text{mol/L}$$
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84. A → R n1차 반응, A → S n2차 반응(desired), A → T n3차 반응에서 S가 요구하는 물질이고, n1 = 3, n2 = 1, n3 = 2 일 때에 대한 설명으로 다음 중 가장 옳은 것은?

  1. 플러그흐름반응기를 쓰고, 전화율을 낮게 한다.
  2. 플러그흐름반응기를 쓰고, 전화율을 높게 한다.
  3. 혼합흐름반응기를 쓰고, 전화율을 낮게 한다.
  4. 혼합흐름반응기를 쓰고, 전화율을 높게 한다.
(정답률: 23%)
  • 원하는 생성물 S의 반응 차수($n_2=1$)가 다른 부반응들의 차수($n_1=3, n_3=2$)보다 낮습니다.
    반응 차수가 낮을수록 낮은 농도에서 상대적인 반응 속도가 유리하므로, 반응기 내 농도를 낮게 유지하는 혼합흐름반응기(CSTR)를 사용하는 것이 유리하며, 생성물 S를 최대한 얻기 위해 전화율을 높게 유지해야 합니다.
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85. A ⇆ B + C 평형반응이 1bar, 560℃ 에서 진행될 때 평형상수 KP = PB PC /PA가 100mbar 이다. 평형에서 반응물 A 의 전화율은?

  1. 0.12
  2. 0.27
  3. 0.33
  4. 0.48
(정답률: 38%)
  • 전화율 $X$에 따른 각 성분의 분압은 $P_A = P(1-X)$, $P_B = PX$, $P_C = PX$로 나타낼 수 있습니다. 이를 평형상수 식에 대입하여 $X$를 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $$K_P = \frac{P_B P_C}{P_A} = \frac{P X^2}{P(1-X)} = \frac{X^2}{1-X}$$
    ② [숫자 대입] (단위 환산: $1\text{bar} = 1000\text{mbar}$)
    $$0.1 = \frac{X^2}{1-X}$$
    ③ [최종 결과]
    $$X^2 + 0.1X - 0.1 = 0 \implies X = 0.27$$
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86. 반응식 A → B 에서 속도식이 다음과 같이 주어졌을 때 반응 초기 (고농도의 CA)의 속도식은 몇 차이며 속도상수는 얼마인가?

  1. 0차 반응, 속도상수 = k1
  2. 0차 반응, 속도상수 = k1/k2
  3. 1차 반응, 속도상수 = k1
  4. 1차 반응, 속도상수 = k1/k2
(정답률: 53%)
  • 반응 초기 고농도의 $C_A$ 조건에서는 분모의 $1 + k_2 C_A$ 항에서 $k_2 C_A \gg 1$이 되어 $1$을 무시할 수 있습니다.
    속도식은 다음과 같이 단순화됩니다.
    $$\text{속도식: } -r_A = \frac{k_1 C_A}{1 + k_2 C_A} \approx \frac{k_1 C_A}{k_2 C_A} = \frac{k_1}{k_2}$$
    결과적으로 속도가 농도 $C_A$에 의존하지 않는 0차 반응이 되며, 속도상수는 $\frac{k_1}{k_2}$가 됩니다.
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87. A → R, rR = k1CAa1 이 원하는 반응이고 A → S, rs = k2CAa2이 원하지 않는 반응일 때 R을 더 많이 얻기 위한 방법으로 옳은 것은?

  1. a1 = a2 일 때는 A의 농도를 높인다.
  2. a1 ＞ a2 일 때는 A의 농도를 높인다.
  3. a1 ＜ a2 일 때는 A의 농도를 높인다.
  4. a1 = a2 일 때는 A의 농도를 낮춘다.
(정답률: 70%)
  • 원하는 생성물 R의 선택도를 높이려면 반응 속도비 $\frac{r_R}{r_S} = \frac{k_1 C_A^{a1}}{k_2 C_A^{a2}} = \frac{k_1}{k_2} C_A^{a1-a2}$가 최대가 되어야 합니다.
    따라서 $a1 > a2$ 일 때, $C_A$의 지수가 양수가 되므로 A의 농도를 높일수록 R의 생성 속도가 S에 비해 상대적으로 더 빨라져 R을 더 많이 얻을 수 있습니다.
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88. 이상형 반응기의 대표적인 예가 아닌 것은?

  1. 회분식 반응기
  2. 플러그흐름 반응기
  3. 혼합흐름 반응기
  4. 촉매 반응기
(정답률: 62%)
  • 이상형 반응기는 흐름의 패턴과 혼합 상태를 단순화한 모델로, 회분식 반응기, 플러그흐름 반응기, 혼합흐름 반응기가 이에 해당합니다. 촉매 반응기는 반응 메커니즘이나 장치 형태에 따른 분류이지, 흐름 패턴에 따른 이상형 모델 분류가 아닙니다.
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89. 반응속도상수 k의 단위는?

  1. (시간)(농도)n-1
  2. (시간)(농도)1-n
  3. (시간)-1(농도)n-1
  4. (시간)-1(농도)1-n
(정답률: 62%)
  • 반응 속도식 $r = k C^n$에서 속도 $r$의 단위는 $\text{시간}^{-1} \cdot \text{농도}$이며, 이를 $k$에 대해 정리하면 농도 항의 지수가 $1-n$이 됩니다.
    따라서 반응속도상수 $k$의 단위는 $\text{시간}^{-1} \cdot \text{농도}^{1-n}$ 입니다.
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90. 반응기에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 회분식 반응기에는 정압 반응기가 있다.
  2. 혼합 흐름 반응기에서는 입구 농도와 출구 농도의 변화가 없다.
  3. 이상적 관형 반응기에서 유체의 흐름은 플러그흐름이다.
  4. 회분식 반응기에서는 위치에 따라 조성이 일정하다.
(정답률: 65%)
  • 혼합 흐름 반응기(CSTR)는 반응기 내부에서 즉시 완전 혼합이 일어나므로 출구 농도가 반응기 내부 농도와 같지만, 입구 농도와 출구 농도는 서로 다릅니다.

    오답 노트
    정압 반응기: 회분식 반응기의 한 종류임
    플러그흐름: 이상적 관형 반응기(PFR)의 기본 흐름 특성임
    조성 일정: 회분식 반응기는 공간적 혼합이 완벽하여 위치별 조성이 동일함
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91. 회분식 반응기에서 각 반응시간에 따른 반응 진행도를 구하는 방법으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 이론에 의한 계산 방법
  2. 정압계의 부피 변화 측정에 의한 방법
  3. 정용계의 총 압력변화 측정에 의한 방법
  4. 전기전도도와 같은 유체의 물성변화 측정에 의한 방법
(정답률: 26%)
  • 반응 진행도는 실제 반응이 얼마나 일어났는지를 측정하는 값으로, 실험적인 측정 방법을 통해 구해야 합니다. 이론에 의한 계산 방법은 예측치일 뿐, 실제 반응 진행도를 구하는 측정 방법으로는 적절하지 않습니다.
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92. HBr 의 생성반응 속도식이 다음과 같을 때 k2 의 단위에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 단위는 [m3⋅s/mol] 이다.
  2. 단위는 [mol/m3⋅s] 이다.
  3. 단위는 [(mol/m3)-0.5(s)-1] 이다.
  4. 단위는 무차원(dimensionless) 이다.
(정답률: 59%)
  • 속도식의 분모 항에서 $k_2$는 $[HBr]/[Br_2]$라는 농도비(무차원)와 더해지는 항입니다. 덧셈 연산이 가능하려면 더해지는 두 항의 차원이 동일해야 하므로, $k_2$는 반드시 무차원이어야 합니다.
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93. 균일 기상반응 A → 2R 에서 반응기에 50% A 와 50% 비활성 물질의 원료를 유입할 때 A 의 확장인자(Expansion factor) εA는 얼마인가?

  1. 0.5
  2. 1.0
  3. 2.0
  4. 4.0
(정답률: 52%)
  • 확장인자 $\epsilon_A$는 반응물 $A$가 모두 반응했을 때 전체 몰수 변화량을 초기 몰수로 나눈 값입니다. 반응식 $A \rightarrow 2R$에서 $A$ 1몰이 사라지면 $R$ 2몰이 생성되어 순증가는 1몰이며, 초기 원료 중 $A$의 분율이 0.5이므로 다음과 같이 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\epsilon_A = y_{A0} \delta$ (여기서 $\delta = 2 - 1 = 1$)
    ② [숫자 대입] $\epsilon_A = 0.5 \times 1$
    ③ [최종 결과] $\epsilon_A = 0.5$
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94. A → C 의 촉매반응이 다음과 같은 단계로 이루어진다. 탈착반응이 율속단계일 때 Langmuir Hinshelwood모델의 반응속도식으로 옳은 것은? (단, A 는 반응물, S 는 활성점, AS 와 CS 는 흡착중간체이며, k 는 속도상수, K 는 평형상수, So 는 초기 활성점, []는 농도를 나타낸다.)

(정답률: 67%)
  • 탈착반응(단계 3)이 율속단계일 때, 전체 반응 속도는 $r = k_3[CS]$가 됩니다. 이때 전체 활성점 보존 법칙 $[S_0] = [S] + [AS] + [CS]$에 각 중간체의 농도 식을 대입하여 정리하면 다음과 같은 속도식이 도출됩니다.
    $$r_3 = \frac{[S_0]k_3K_1K_2[A]}{1 + (K_1 + K_2K_1)[A]}$$

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95. 다음의 특징을 갖는 반응기의 형식에 가장 가까운 것은?

  1. 고정상 반응기
  2. 유동상 반응기
  3. 액상 현탁 반응기
  4. 기상 균일 반응기
(정답률: 50%)
  • 제시된 특징인 촉매의 교환 및 재생 용이성, 낮은 온도 기울기, 적은 물질확산 저항은 촉매 입자가 유체와 함께 유동하는 유동상 반응기의 핵심 특징입니다.
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96. 회분식반응거나 관형흐름반응기에서 연속반응(A→R→S, 각각의 속도상수는 k1, k2) 이 일어날 때 중간생성물 R 이 최대가 되는 시간은?

  1. k1, k2 의 기하평균의 역수
  2. k1, k2 의 산술평균의 역수
  3. k1, k2 의 대수평균의 역수
  4. k1, k2 에 관계없다.
(정답률: 52%)
  • 연속반응 $A \rightarrow R \rightarrow S$에서 중간생성물 $R$의 농도가 최대가 되는 시간 $t_{max}$는 두 반응 속도상수 $k_1, k_2$의 대수평균의 역수로 정의됩니다.
    $$t_{max} = \frac{\ln(k_2/k_1)}{k_2 - k_1}$$
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97. 반응물 A 와 B 가 반응하여 목적하는 생성물 R 과 그 밖의 생성물이 생긴다. 다음과 같은 반응식에 대해서 생성물 R 의 생성을 높이기 위한 반응물 농도의 조건은?

  1. CB 를 크게 한다.
  2. CA 를 크게 한다.
  3. CA, CB 둘 다 상관없다.
  4. CB 를 작게 한다.
(정답률: 63%)
  • 제시된 반응식에서 목적 생성물 $R$을 만드는 경로는 두 가지입니다.
    1. $A + B \xrightarrow{k_1} R$
    2. $A \xrightarrow{k_2} R$
    두 반응의 속도 식을 비교하면 $r_1 = k_1 C_A C_B$이고 $r_2 = k_2 C_A$ 입니다. 전체 생성 속도 $r = (k_1 C_B + k_2) C_A$에서 $C_B$의 농도를 크게 할수록 $r_1$의 비중이 커져 생성물 $R$의 생성량을 높일 수 있습니다.
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98. 다음 그림으로 표시된 반응은? (단, C 는 농도, t 는 시간을 나타낸다.)

  1. A + R → S
  2. A + S → R
  3. A → R → S
(정답률: 74%)
  • 제시된 그래프를 보면 반응물 $A$의 농도는 감소하고, 생성물 $R$과 $S$의 농도는 동시에 증가하고 있습니다. 이는 하나의 반응물 $A$가 두 가지 생성물 $R, S$로 갈라져 생성되는 병렬 반응을 의미하므로 정답은 입니다.
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99. 복합 반응의 반응속도상수의 비가 다음과 같을 때에 관한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 반응 1 이 원하는 반응이다.)

  1. 활성화 에너지가 크면 고온이 적합하다.
  2. 평행 반응에서 E1＞E2 이면 고온을 사용한다.
  3. 연속 단계에서 E1＞E2 이면 고온을 사용한다.
  4. 온도가 상승할 때 E1＞E2 이면 K1/K2 은 감소한다.
(정답률: 64%)
  • 반응속도상수의 비는 다음과 같습니다.
    $$\frac{k_1}{k_2} = \frac{k_{10}}{k_{20}} e^{-(E_1 - E_2)/RT}$$
    $E_1 > E_2$일 때, 지수 항의 분자인 $(E_1 - E_2)$가 양수이므로 온도가 상승하면 $e^{-(E_1 - E_2)/RT}$ 값은 증가하게 됩니다. 따라서 $k_1/k_2$는 감소하는 것이 아니라 증가합니다.
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100. 부피 100L 이고 space time 이 5min 인 혼합흐름반응기에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 이 반응가는 1 분에 20L 의 반응물을 처리할 능력이 있다.
  2. 이 반응기는 1 분에 0.2L 의 반응물을 처리할 능력이 있다.
  3. 이 반응기는 1 분에 5L의 반응물을 처리할 능력이 있다.
  4. 이 반응기는 1 분에 100L 의 반응물을 처리할 능력이 있다.
(정답률: 76%)
  • 공간 시간(Space Time)은 반응기 부피를 단위 시간당 유입되는 부피 유량으로 나눈 값입니다. 처리 능력인 부피 유량을 구하기 위해 다음 식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $v = \frac{V}{\tau}$ 부피 유량 = 반응기 부피 / 공간 시간
    ② [숫자 대입] $v = \frac{100}{5}$
    ③ [최종 결과] $v = 20$
    따라서 1분에 $20\text{L}$의 반응물을 처리할 수 있습니다.
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