화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2014-09-20)

화공기사(구) 2014-09-20 필기 기출문제 해설

이 페이지는 화공기사(구) 2014-09-20 기출문제를 CBT 방식으로 풀이하고 정답 및 회원들의 상세 해설을 확인할 수 있는 페이지입니다.

화공기사(구)
(2014-09-20 기출문제)

목록

1과목: 화공열역학

1. 그림에서 동력 W를 계산하는 식은?

  1. W=(H2-H3)-(H1-H4)
  2. W=(H2-H3)-(H4-H1)
  3. W=(H1-H4)-(H2-H3)
  4. W=(H4-H1)-(H2-H3)
(정답률: 67%)
  • 제시된 그래프에서 동력 $W$는 각 상태 지점의 엔탈피 차이로 계산됩니다. 시스템의 에너지 수지에 따라 공급된 에너지와 배출된 에너지의 차이를 구하면 $W = (H_2 - H_3) - (H_1 - H_4)$가 됩니다.
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2. 다음 내연기관 사이클(cycle) 중 같은 조건에서 그 열 역학적 효율이 가장 큰 것은?

  1. 카르노 사이클(Carnot cycle)
  2. 오토 사이클(Otto cycle)
  3. 디젤 사이클(Diesel cycle)
  4. 사바테 사이클(Sabathe cycle)
(정답률: 82%)
  • 카르노 사이클은 모든 과정이 가역 과정으로 이루어진 이상적인 열역학 사이클로, 동일한 온도 범위에서 작동하는 모든 열기관 중 이론상 최대 효율을 가집니다.
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3. 일정 온도에서 반데르 발스(Van der Walls) 기체를 V1으로부터 V2 로 팽창시켰다면 내부 에너지 U 의 변화는 1mol 당 얼마가 되겠는가? (단, 반데르 발스 상태방정식은 다음과 같다.)

(정답률: 42%)
  • 반데르 발스 기체의 내부 에너지 변화는 온도와 부피의 함수이며, 일정 온도에서 부피 변화에 따른 내부 에너지 변화율은 $(\frac{\partial U}{\partial V})_T = T(\frac{\partial P}{\partial T})_V - P$ 관계식을 통해 구할 수 있습니다. 주어진 상태방정식 $\text{}$을 대입하여 적분하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\Delta U = \int_{V_1}^{V_2} \frac{a}{V^2} dV$
    ② [숫자 대입] $\Delta U = a [-\frac{1}{V}]_{V_1}^{V_2}$
    ③ [최종 결과] $\Delta U = a(\frac{1}{V_1} - \frac{1}{V_2})$
    따라서 정답은 $\text{}$ 입니다.
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4. P-H선도(P-H diagram)에서 등엔트로피(Isentropic)선의 기울기에 해당하는 식은?

(정답률: 56%)
  • P-H 선도에서 등엔트로피선의 기울기는 엔탈피 $H$를 압력 $P$로 편미분한 값이며, 이는 열역학적 관계식에 의해 비체적 $V$와 같습니다.
    따라서 정답은 $( \frac{\partial H}{\partial P} )_{s} = V$가 포함된 입니다.
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5. 150kPa, 300K에서 2몰 이상기체의 부피는 얼마인가?

  1. 0.03326m3
  2. 0.3326m3
  3. 3.326m3
  4. 33.26m3
(정답률: 56%)
  • 이상기체 상태 방정식을 이용하여 주어진 온도, 압력, 몰수 조건에서의 부피를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{nRT}{P}$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{2 \times 8.314 \times 300}{150 \times 10^3}$
    ③ [최종 결과] $V = 0.03326$ m$^3$
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6. 조름공정(Throtting Process)은 다음 중 어느 과정과 그 원리가 같은가?

  1. 정용과정
  2. 등온과정
  3. 등엔드로피과정
  4. 등엔탈피과정
(정답률: 66%)
  • 조름공정(Throttling Process)은 외부와의 열 교환이나 일의 출입 없이 밸브나 좁은 관을 통과하며 압력이 급격히 떨어지는 과정으로, 엔탈피가 일정하게 유지되는 등엔탈피과정입니다.
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7. 25℃, 10atm 에서 성분 1, 2 로 된 2성분 액체 혼합물 중 성분 1의 퓨개시티가 다음 식으로 주어진다. 성분 1에 대한 헨리(Henry) 상수는 몇 atm 인가? (단, 은 성분 의 몰분율이고 1 , 은 atm 단위를 갖는다.)

  1. 10
  2. 20
  3. 40
  4. 50
(정답률: 57%)
  • 헨리 상수는 용액이 매우 묽을 때($x_{1} \to 0$) 퓨개시티와 몰분율의 비례 상수를 의미합니다.
    ① [기본 공식] $K_{H} = \lim_{x_{1} \to 0} \frac{\hat{f}_{1}}{x_{1}}$
    ② [숫자 대입] $K_{H} = \lim_{x_{1} \to 0} \frac{40x_{1} - 50x_{1}^{2} + 80x_{1}^{3}}{x_{1}} = 40 - 50x_{1} + 80x_{1}^{2}$
    ③ [최종 결과] $K_{H} = 40$
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8. 다음 중 역행 응축(retrograde condensation)을 이용한 것은?

  1. 가스 같은 기체를 운반하기 위하여 가스통의 압력을 높인다.
  2. 지하 유정에서 가스를 끌어올 때 가벼운 가스를 다시 넣어주어 압력을 높인다.
  3. 먼지를 제거하기 위하여 질소를 탱크에서 분사시킨다.
  4. 냉매를 이용하여 공기를 냉각시켜 에어컨을 가동한다.
(정답률: 66%)
  • 역행 응축은 임계점 부근의 특수한 조건에서 압력을 낮출 때 오히려 응축이 일어나는 현상입니다. 이를 이용해 지하 유정에서 천연가스를 채취할 때, 압력 조절을 통해 가스를 일부 액화시켜 채취 효율을 높이는 지하 유정에서 가스를 끌어올 때 가벼운 가스를 다시 넣어주어 압력을 높인다 방식이 활용됩니다.
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9. 위와 같은 반응을 알고 있을 때 다음의 반응열은 얼마인가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. -37025 kcal/kmol
  2. -26410 kcal/kmol
  3. -74050 kcal/kmol
  4. +26410 kcal/kmol
(정답률: 72%)
  • 헤스의 법칙을 이용하여 주어진 반응식들의 조합으로 목표 반응의 반응열을 구하는 문제입니다.
    목표 반응인 $C(s) + \frac{1}{2}O_{2}(g) \rightarrow CO(g)$의 반응열은 전체 연소 반응열에서 일산화탄소의 연소 반응열을 뺀 값과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\Delta H = \Delta H_{1} - \Delta H_{2}$
    ② [숫자 대입] $\Delta H = -94050 - (-67640)$
    ③ [최종 결과] $\Delta H = -26410$
    따라서 반응열은 $-26410\text{ kcal/kmol}$ 입니다.
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10. 27℃, 1800atm 하에서 산소 1mol 의 부피는 약 몇 L인가? (단, 압축인자는 1.5 이다.)

  1. 20.5
  2. 0.0185
  3. 0.0205
  4. 0.00185
(정답률: 69%)
  • 실제 기체의 부피를 구할 때는 압축인자 $Z$를 고려한 상태 방정식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{Z N R T}{P}$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{1.5 \times 1 \times 0.082 \times 300}{1800}$
    ③ [최종 결과] $V = 0.0205$
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11. 이상기체에 대하여 Cp-Cv=nR 이 적용되는 조건은?

(정답률: 55%)
  • 이상기체에서 정압비열 $C_p$와 정적비열 $C_v$의 차이가 $nR$이 되기 위해서는, 내부에너지가 오직 온도만의 함수여야 합니다. 즉, 온도가 일정할 때 부피 변화에 따른 내부에너지 변화가 없어야 합니다.
    ① [기본 공식] $C_p - C_v = nR$
    ② [조건식] $(\frac{\partial U}{\partial V})_T = 0$
    ③ [최종 결과] $(\frac{\partial U}{\partial V})_T = 0$
    따라서 정답은 입니다.
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12. 단일 성분이 두 상으로 평형을 이룰 때 두 상의 각각의 열역학적 특성치 관계로 옳은 것은?

  1. 각 상의 내부에너지는 같다.
  2. 각 상의 자유에너지는 같다.
  3. 각 상의 엔탈피는 같다.
  4. 각 상의 일함수는 같다.
(정답률: 64%)
  • 단일 성분이 두 상으로 평형을 이룰 때, 계의 전체 자유에너지가 최소가 되어야 하므로 각 상의 화학 퍼텐셜(몰당 자유에너지)이 서로 같아야 평형 상태가 유지됩니다.
    따라서 각 상의 자유에너지는 같다는 설명이 옳습니다.
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13. 어떤 기체의 상태방정식은 P(V-b)=RT 이다. 이 기체 1mol 이 3m3 에서 5m3 로 등온 팽창할 때 행한 일의 크기는? (단, b의 단위는 m3 이고 0 ＜ b ＜ V 이다.)

(정답률: 72%)
  • 기체가 팽창하며 행한 일은 압력을 부피에 대해 적분하여 구할 수 있습니다. 주어진 상태방정식 $P = \frac{RT}{V-b}$를 대입하여 적분합니다.
    ① [기본 공식] $W = \int_{V_1}^{V_2} P dV = \int_{V_1}^{V_2} \frac{RT}{V-b} dV$
    ② [숫자 대입] $W = RT \ln ( \frac{5-b}{3-b} )$
    ③ [최종 결과] $W = RT \ln ( \frac{5-b}{3-b} )$
    따라서 정답은 입니다.
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14. 1atm, 100℃에서 1mol 의 수증기와 물과의 내부에너지 차는 약 몇 cal 인가? (단, 수증기는 이상기체로 생각하고 주어진 압력과 온도에서 물의 증발 잠열은 539cal/g 이다.)

  1. 189070
  2. 87090
  3. 19110
  4. 8960
(정답률: 41%)
  • 내부에너지 차이는 엔탈피 차이(증발열)에서 $PV$ 항을 뺀 값과 같습니다. 수증기를 이상기체로 가정하면 $PV = RT$가 성립합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta U = \Delta H - RT$
    ② [숫자 대입] $\Delta U = (18 \times 539) - (1.987 \times 373.15)$
    ③ [최종 결과] $\Delta U = 8960$
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15. 물과 에탄올, 벤젠의 3성분계가 기체-액체 상평형을 이루고 있다. 자유도는 얼마인가? (단, 액상은 균일하다.)

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 70%)
  • 깁스의 상률(Gibbs Phase Rule)을 사용하여 자유도를 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$F = C - P + 2$$
    ② [숫자 대입]
    $$F = 3 - 2 + 2$$
    ③ [최종 결과]
    $$F = 3$$
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16. 주울-톰슨(Joule-Thomson) 계수 μ에 대한 표현으로 옳은 것은?

(정답률: 43%)
  • 주울-톰슨 계수 $\mu$는 등엔탈피 과정에서 압력 변화에 따른 온도 변화를 나타내며, 사이클 규칙(Cycle Rule)과 엔탈피의 편미분 관계를 통해 유도됩니다.
    $$\mu = \frac{1}{C_P} [T (\frac{\partial V}{\partial T})_P - V]$$
    따라서 정답은 입니다.
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17. 절대온도 T 의 일정온도에서 이상기체를 1기압에서 10기압으로 가역적인 압축을 한다면, 외부가 해야 할 일의 크기는?

  1. RTln10
  2. RT2
  3. 9RT
  4. 10RT
(정답률: 78%)
  • 일정 온도에서 이상기체를 가역적으로 압축할 때 외부가 계에 해준 일은 등온 가역 과정의 일 공식으로 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$W = \int_{V_1}^{V_2} -P dV = RT \ln \frac{P_2}{P_1}$$
    ② [숫자 대입]
    $$W = RT \ln \frac{10}{1}$$
    ③ [최종 결과]
    $$W = RT \ln 10$$
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18. 수용액 속에서 낮은 농도로 들어있는 성분(i)에 대하여 그 활동도(activity) 를 옳게 나타낸 것은? (단, Xi= 몰분율, ωi= 질량분율, mi= 몰랄농도(Molarity) 이다.)

(정답률: 47%)
  • 수용액 속에서 매우 낮은 농도로 존재하는 성분의 활동도는 몰랄농도 $m_i$에 비례하며, 표준 상태의 정의에 따라 다음과 같이 나타냅니다.
    $$\hat{a} = m_i$$
    따라서 정답은 입니다.
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19. 두헴(Duhem)의 정리는 “초기에 미리 정해진 화학성분들의 주어진 질량으로 구성된 어떤 닫힌계에 대해서도, 임의의 두 개의 변수를 고정하면 평형상태는 완전히 결정된다.”라고 표현할 수 있다. 다음 중 설명이 옳지 않는 것은?

  1. 정해 주어야 하는 두 개의 독립변수는 세기변수일수도 있고 크기변수일수도 있다.
  2. 독립적인 크기변수의 수는 상률에 의해 결정 된다.
  3. F=1 일 때 두 변수 중 하나는 크기변수가 되어야 한다.
  4. F=0 일 때는 둘 모두 크기변수가 되어야 한다.
(정답률: 54%)
  • 두헴의 정리는 닫힌계에서 임의의 두 변수를 고정하면 평형상태가 결정된다는 원리입니다. 독립적인 크기변수의 수는 상률에 의해 결정되는 것이 아니라, 계의 성분 수와 상의 수 등 열역학적 상태 변수들 간의 관계에 의해 결정됩니다.

    오답 노트
    정해 주어야 하는 두 개의 독립변수는 세기변수일수도 있고 크기변수일수도 있다: 옳은 설명입니다.
    F=1 일 때 두 변수 중 하나는 크기변수가 되어야 한다: 옳은 설명입니다.
    F=0 일 때는 둘 모두 크기변수가 되어야 한다: 옳은 설명입니다.
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20. 다음 중 주울-톰슨(Joule-Thomson) 계수(μ)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 로 정의된다.
  2. 항상 양(+)의 값을 갖는다.
  3. 전환점(inversion point)에서는 1 의 값을 갖는다.
  4. 이상기체의 경우는 값이 0 이다.
(정답률: 59%)
  • 주울-톰슨 계수는 실제 기체가 단열 팽창할 때의 온도 변화를 나타내며, 분자 간 상호작용이 없는 이상기체는 온도 변화가 없으므로 계수 값이 0이 됩니다.

    오답 노트
    $\mu$ 정의: $\mu = (\frac{\partial T}{\partial P})_{H}$
    부호: 기체 종류와 온도에 따라 양(+) 또는 음(-)의 값을 가짐
    전환점: $\mu = 0$이 되는 지점
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 수분 40wt% 를 함유한 목재 100kg 이 건조기에서 수분 20wt% 까지 건조된다. 증발된 물의 양은 얼마인가?

  1. 50kg
  2. 40kg
  3. 35kg
  4. 25kg
(정답률: 56%)
  • 건조 전후의 고형분(건조 중량)은 변하지 않는다는 질량 보존 법칙을 이용합니다.
    ① [기본 공식] $W_{evap} = W_{initial} \times \frac{X_{initial} - X_{final}}{1 - X_{final}}$
    ② [숫자 대입] $W_{evap} = 100 \times \frac{0.4 - 0.2}{1 - 0.2}$
    ③ [최종 결과] $W_{evap} = 25$
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22. 몰 조성이 79% N2 및 21% O2 인 공기가 있다. 20℃, 740mmHg에서 이 공기의 밀도는 약 몇 g/L 인가?

  1. 1.17
  2. 1.34
  3. 3.21
  4. 6.45
(정답률: 64%)
  • 이상기체 상태방정식을 이용하여 공기의 밀도를 계산합니다. 먼저 공기의 평균 분자량을 구한 뒤 밀도 공식을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $\rho = \frac{P M}{R T}$
    ② [숫자 대입] $\rho = \frac{(740 / 760 \times 1) \times (0.79 \times 28 + 0.21 \times 32)}{0.08206 \times (273 + 20)}$
    ③ [최종 결과] $\rho = 1.17$
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23. 과열수증기가 190℃(과열), 10 bar 에서 매시간 2000kg/h로 터빈에 공급되고 있다. 증기는 1bar 포화증기로 배출되며 터빈은 이상적으로 가동된다. 수증기의 엔탈피가 다음과 같다고 할 때 터빈의 출력은 몇 kW 인가?

  1. W = -1200㎾
  2. W = -292㎾
  3. W = -130㎾
  4. W = -30㎾
(정답률: 51%)
  • 터빈의 출력은 공급된 증기와 배출된 증기의 엔탈피 차이에 질량 유량을 곱하여 구합니다.
    ① [기본 공식] $W = \dot{m} \times (\hat{H}_{out} - \hat{H}_{in})$
    ② [숫자 대입] $W = \frac{2000 \text{ kg/h}}{3600 \text{ s/h}} \times (2675 - 3201) \text{ kJ/kg}$
    ③ [최종 결과] $W = -292 \text{ kW}$
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24. 임계상태에 관련된 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 임계상태는 압력과 온도의 영향을 받아 기상거동과 액상거동이 동일한 상태이다.
  2. 임계온도 이하의 온도 및 임계압력 이상의 압력에서 기체는 응축하지 않는다.
  3. 임계점에서의 온도를 임계온도, 그 때의 압력을 임계 압력이라고 한다.
  4. 임계상태를 규정짓는 임계압력은 기상거동과 액상거동이 동일해지는 최저압력이다.
(정답률: 63%)
  • 임계온도 이하의 온도에서는 압력을 높임으로써 기체를 액화시킬 수 있습니다. 따라서 임계온도 이하의 온도 및 임계압력 이상의 압력에서 기체는 응축하여 액체가 됩니다.

    오답 노트
    임계상태: 압력과 온도의 영향으로 기상과 액상의 거동이 동일해지는 상태
    임계점: 임계온도와 임계압력이 만나는 지점
    임계압력: 기상과 액상 거동이 동일해지는 최저 압력
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25. 상변화에 수반되는 열을 결정하는데 사용되는 Clausis -Clapeyron 식에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 온도에 대한 포화증기압 도시(plot)의 최대값으로부터 잠열을 결정할 수 있다.
  2. 온도에 대한 포화증기압 도시(plot)의 최소값으로부터 잠열을 결정할 수 있다.
  3. 온도역수에 대한 포화증기압 대수치 도시(plot)의 기울기로부터 잠열을 구할 수 있다.
  4. 온도역수에 대한 포화증기압 대수치 도시(plot)의 절편으로부터 잠열을 구할 수 있다.
(정답률: 53%)
  • Clausius-Clapeyron 식은 $\ln P = -\frac{\Delta H_{\text{vap}}}{RT} + C$ 형태로 나타낼 수 있습니다. 이 식은 $\ln P$와 $1/T$ (온도 역수) 사이의 선형 관계를 가지므로, 그래프의 기울기 $\text{Slope} = -\frac{\Delta H_{\text{vap}}}{R}$를 통해 잠열 $\Delta H_{\text{vap}}$을 결정할 수 있습니다.

    오답 노트
    최대값/최소값: 특정 지점의 값이 아닌 기울기를 이용함
    절편: 절편은 적분 상수와 관련 있으며 잠열은 기울기와 관련됨
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26. CO2 75vol% 과 NH3 25vol% 의 기체 혼합물을 KOH 로 CO2를 제거하였더니 유출가스의 조성은 25vol% CO2 이었다. CO2 제거 효율은 약 몇 % 인가? (단, NH3 의 양은 불변이다.)(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 10%
  2. 33%
  3. 67%
  4. 89%
(정답률: 38%)
  • 제거 효율은 처음 투입된 $\text{CO}_2$ 양과 제거되지 않고 나간 $\text{CO}_2$ 양의 차이를 통해 계산합니다. $\text{NH}_3$의 양이 불변이므로 이를 기준으로 유출가스의 전체 양을 산출합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Efficiency} = \frac{n_{\text{in}} - n_{\text{out}}}{n_{\text{in}}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{Efficiency} = \frac{75 - (25 \times \frac{25}{75})} {75} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{Efficiency} = \frac{75 - 8.33}{75} \times 100 = 88.89\%$
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27. NH3 가스가 3.5m3 의 용기 속에 21atm, 50℃ 로 들어있다. 이 조건에서 NH3 가스의 압축계수(compressibility factor)가 0.845 라면 용기 속에 들어 있는 NH3 의 양은 약 얼마인가?

  1. 18.1kg
  2. 21.4kg
  3. 47.2kg
  4. 55.8kg
(정답률: 51%)
  • 실제 가스의 상태 방정식인 압축계수 공식을 사용하여 가스의 질량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $PV = ZnRT = Z \frac{m}{M} RT$
    ② [숫자 대입] $21 \times 101325 \times 3.5 = 0.845 \times \frac{m}{17} \times 8.314 \times (273.15 + 50)$
    ③ [최종 결과] $m = 55.8 \text{ kg}$
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28. 4HCl+O2→2H2O+2Cl2 의 반응으로 촉매 존재 하에 건조 공기로 건조 염화수소를 산화시켜 염소를 생산한다. 이때 공기를 30% 과잉으로 사용하면 반응기에 들어가는 기체 중 HCl 의 부피조성은 몇 %인가? (단, 공기 중의 산소의 부피조성이 21% 이다.)

  1. 35.05
  2. 39.25
  3. 75.54
  4. 80.05
(정답률: 40%)
  • 화학 양론적 산소 필요량에 과잉률을 적용하여 전체 기체의 부피를 구한 뒤 HCl의 조성비를 계산합니다.
    HCl 4몰당 $O_2$ 1몰이 필요하므로, HCl 100몰 기준 이론 산소는 25몰, 30% 과잉 산소는 $25 \times 1.3 = 32.5$몰입니다.
    공기 중 산소가 21%이므로 전체 공기량은 $32.5 / 0.21 = 154.76$몰입니다.
    ① [기본 공식] $\text{HCl \%} = \frac{n_{HCl}}{n_{HCl} + n_{air}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{HCl \%} = \frac{100}{100 + 154.76} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{HCl \%} = 39.25$
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29. 30wt% 의 A, 70wt% B 의 혼합물에서의 A의 몰분율은 얼마인가? (단, A 의 분자량은 60이고, B 의 분자량은 140 이다.)

  1. 0.3
  2. 0.4
  3. 0.5
  4. 0.6
(정답률: 55%)
  • 몰분율은 전체 몰수 대비 특정 성분의 몰수 비율로 계산합니다. 혼합물 $100\text{g}$을 기준으로 각 성분의 몰수를 구하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $X_A = \frac{\frac{m_A}{M_A}}{\frac{m_A}{M_A} + \frac{m_B}{M_B}}$
    ② [숫자 대입] $X_A = \frac{\frac{30}{60}}{\frac{30}{60} + \frac{70}{140}}$
    ③ [최종 결과] $X_A = \frac{0.5}{0.5 + 0.5} = 0.5$
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30. 이상기체의 밀도를 옳게 설명한 것은?

  1. 온도에 비례한다.
  2. 압력에 비례한다.
  3. 분자량에 반비례한다.
  4. 이상기체 상수에 비례한다.
(정답률: 69%)
  • 이상기체 상태방정식 $PV = nRT$를 밀도 $\rho = \frac{m}{V}$에 관한 식으로 변형하면 $\rho = \frac{PM}{RT}$가 됩니다. 따라서 밀도는 압력 $P$와 분자량 $M$에 비례하고, 온도 $T$와 기체 상수 $R$에 반비례합니다.

    오답 노트
    온도에 비례한다: 반비례함
    분자량에 반비례한다: 비례함
    이상기체 상수에 비례한다: 반비례함
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31. 노벽이 두께 25mm 의 내화벽돌과 두께 20cm 의 보통벽돌로 이루어져 있다. 내화벽돌과 보통벽돌의 열전도도는 각각 0.1kcal/mㆍhㆍ℃, 1.2kcal/mㆍhㆍ℃ 이며 노벽의 내면온도는 1000℃ 이고 외면온도는 60℃ 이다. 외부노벽으로부터의 단위면적당 열손실은 몇 kcal/m2ㆍh 인가?

  1. 1236
  2. 2256
  3. 3326
  4. 4526
(정답률: 47%)
  • 복합 벽면의 열전달률은 전체 열저항의 합을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $q = \frac{\Delta T}{\frac{L_{1}}{k_{1}} + \frac{L_{2}}{k_{2}}}$
    ② [숫자 대입] $q = \frac{1000 - 60}{\frac{0.025}{0.1} + \frac{0.2}{1.2}}$
    ③ [최종 결과] $q = 2256$
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32. 펌프의 공동현상을 방지하기 위하여 고려하여야 할 사항이 아닌 것은?

  1. NPSH(Net Positive Suction Head)를 크게 펌프를 설치한다.
  2. 유입관로에서의 유속을 작게 배관한다.
  3. 흡입관로에서의 손실수두를 작게 배관한다.
  4. 펌프의 회전수를 크게 한다.
(정답률: 48%)
  • 공동현상(Cavitation)을 방지하려면 펌프 흡입측의 압력을 포화증기압보다 높게 유지해야 합니다.
    펌프의 회전수를 크게 하면 흡입 압력이 낮아져 공동현상이 발생할 가능성이 높아지므로, 회전수를 낮추는 것이 방지책입니다.

    오답 노트
    NPSH를 크게 설치, 유입 유속 감소, 손실수두 감소는 모두 흡입 압력을 높여 공동현상을 방지하는 올바른 방법입니다.
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33. 원관 내에 유체가 난류로 흐르고 있다. 평균유속은 0.5m/s이며, 축방향 평균제곱 편차속도는 6.35×10-4m2/s2 이다. 난류 강도는 약 몇 % 인가?

  1. 10
  2. 8
  3. 7
  4. 5
(정답률: 31%)
  • 난류 강도는 평균 유속에 대한 변동 속도(제곱 편차 속도의 제곱근)의 비율을 백분율로 나타낸 것입니다.
    ① [기본 공식] $I = \frac{\sqrt{v'^{2}}}{V} \times 100$
    ② [숫자 대입] $I = \frac{\sqrt{6.35 \times 10^{-4}}}{0.5} \times 100$
    ③ [최종 결과] $I = 5$
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34. 천연가스를 상온 상압에서 150m3 /min 의 유량으로 수송한다. 이 조건에서 공정 파이프 라인(line)의 최적 유속을 1m/s 로 하려면 사용관의 직경은 약 몇 m 로 하여야 하는 가?

  1. 1.58
  2. 1.78
  3. 2.24
  4. 2.48
(정답률: 47%)
  • 유량은 단면적과 유속의 곱과 같으므로, 유량을 유속으로 나누어 단면적을 구한 뒤 직경을 산출합니다.
    ① [기본 공식] $D = \sqrt{\frac{4Q}{\pi v}}$
    ② [숫자 대입] $D = \sqrt{\frac{4 \times (150 / 60)}{\pi \times 1}}$
    ③ [최종 결과] $D = 1.78$
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35. 저수지로부터 10m 높이의 개방탱크에 펌프로 물을 퍼올린다. 출구의 유속을 3.13m/s 로 유지한다. 유로의 마찰손실을 무시하고 온도가 일정할 때 펌프의 이론 동력은 약 몇 kgfㆍm/kg 인가?

  1. 10.5
  2. 13.1
  3. 14.5
  4. 16.3
(정답률: 37%)
  • 펌프의 이론 동력은 위치 에너지 변화량과 운동 에너지 변화량의 합으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $W = g(h + \frac{v^{2}}{2})$
    ② [숫자 대입] $W = 9.8(10 + \frac{3.13^{2}}{2})$
    ③ [최종 결과] $W = 145.5$
    단, 문제에서 요구하는 단위가 $\text{kgf}\cdot\text{m}/\text{kg}$인 경우 중력가속도 $g$를 제외한 수두 합으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $W = h + \frac{v^{2}}{2g}$
    ② [숫자 대입] $W = 10 + \frac{3.13^{2}}{2 \times 9.8}$
    ③ [최종 결과] $W = 10.5$
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36. 상계점(plait point)에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 추출상과 추잔상의 조성이 같아지는 점
  2. 분배곡선과 용해도곡선과의 교점
  3. 임계점(critical point)으로 불리기도 하는 점
  4. 대응선(tie-line)의 길이가 0 이 되는 점
(정답률: 59%)
  • 상계점은 액-액 추출에서 두 상의 조성이 같아져 구분이 불가능해지는 점으로, 대응선의 길이가 0이 되며 임계점이라고도 합니다.

    오답 노트
    분배곡선과 용해도곡선과의 교점: 상계점은 분배곡선(Binodal curve) 상의 한 점이며, 용해도곡선과의 교점으로 정의되지 않습니다.
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37. 최고공비혼합물에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 휘발도가 정규상태보다 비정상적으로 높다.
  2. 같은 분자간 인력이 다른 분자간 인력보다 작다.
  3. 활동도계수가 1보다 작다.
  4. 증기압이 이상용액보다 작다.
(정답률: 39%)
  • 최고공비혼합물(Maximum boiling azeotrope)은 성분 간의 인력이 매우 강해 휘발도가 정규 상태보다 비정상적으로 낮고, 끓는점이 가장 높은 혼합물입니다.

    오답 노트
    휘발도가 정규상태보다 비정상적으로 높다: 이는 최저공비혼합물에 대한 설명입니다.
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38. 증류탑에서 환류비를 나타내는 식으로 옳지 않은 것은? (단, RD, RV 는 환류비, L 은 농축부 강하액량, D 는 탑상부 제품량, V 는 탑내 농축부 상승증기량이다.)

  1. RD = L/D
  2. RV = L/V
  3. RV = L/(L+D)
  4. RV = D/V
(정답률: 52%)
  • 환류비는 탑상부로 되돌아가는 액체량과 제품으로 나가는 액체량, 또는 상승 증기량과의 비율로 정의됩니다.
    농축부 환류비 $R_{D}$는 $L/D$이며, 증기 기준 환류비 $R_{V}$는 $L/V$ 또는 $L/(L+D)$로 표현됩니다.

    오답 노트
    $R_{V} = D/V$: 증기 기준 환류비는 강하액량 $L$을 기준으로 정의되어야 하므로 틀린 식입니다.
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39. 주된 용도가 나머지 셋과 다른 것은?

  1. 피토관(pitot tube)
  2. 마노미터(manometer)
  3. 로타미터(rotameter)
  4. 벤츄리 미터(venturi meter)
(정답률: 32%)
  • 피토관, 로타미터, 벤츄리 미터는 유체의 흐름 속도나 유량을 측정하는 유량계인 반면, 마노미터는 유체의 압력을 측정하는 압력계입니다.
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40. 모세관 현상이 지배적인 다공서 고체를 건조할 때 건조속도의 특성을 나타낸 그림은?

(정답률: 37%)
  • 다공성 고체의 건조 과정에서 모세관 현상이 지배적일 경우, 초기에는 표면의 수분이 빠르게 증발하는 정률 건조 기간을 거치지만, 이후 내부 수분이 표면으로 이동하는 속도가 제한되면서 건조 속도가 수분량에 비례하여 감소하는 감률 건조 기간이 나타납니다. 따라서 수분량이 감소함에 따라 건조 속도가 일정하게 감소하다가 특정 지점에서 변화하는 특성을 보이는 그래프가 정답입니다.
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3과목: 공정제어

41. 시간 상수가 1분인 1차계로 표현되는 수은 온도계가 25℃의 실내에 놓여 있었다. 어느 순간 이 온도계를 5℃ 의 바깥 공기에 노출시켰다면, 약 몇 분후에 온도계 눈금이 6℃ 를 나타내겠는가?

  1. 1.0분
  2. 2.0분
  3. 3.0분
  4. 4.0분
(정답률: 35%)
  • 1차계의 응답 공식은 최종값에 도달하는 지수함수 형태로 나타납니다. 온도계의 눈금이 변화하는 과정은 $T(t) = T_{\infty} + (T_0 - T_{\infty})e^{-t/\tau}$ 공식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $t = -\tau \ln ( \frac{T(t) - T_{\infty}}{T_0 - T_{\infty}} )$
    ② [숫자 대입] $\tau=1, T_0=25, T_{\infty}=5, T(t)=6$을 대입하면 $$t = -1 \times \ln ( \frac{6 - 5}{25 - 5} ) = -\ln(0.05)$$
    ③ [최종 결과] $t \approx 2.995 \approx 3.0$
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42. 0 ~ 500℃ 범위의 온도를 4 - 20mA 로 전환하도록 스팬 조정이 되어 있던 온도센서에 맞추어 조율되었던 PID 제어기에 대하여, 0 ~ 250℃ 범위의 온도를 4 -20mA 로 전환하도록 온도센서의 스팬을 재조정한 경우, 제어성능을 유지하기 위하여 PID 제어기의 조율은 어떻게 바뀌어야 하는가?

  1. 비례이득값을 2배로 늘린다.
  2. 비례이득값을 1/2로 줄인다.
  3. 적분상수값을 1/2로 줄인다.
  4. 제어기 조율을 바꿀 필요없다.
(정답률: 54%)
  • 온도센서의 스팬(Span)이 $500^{\circ}C$에서 $250^{\circ}C$로 $1/2$배로 줄어들면, 동일한 온도 변화에 대해 출력되는 전류 신호($4-20\text{mA}$)의 변화량(감도)은 2배로 증가하게 됩니다. 제어 성능(루프 이득)을 일정하게 유지하기 위해서는 센서 감도가 2배가 된 만큼 제어기의 비례이득(Gain)을 $1/2$로 줄여 전체 이득의 곱을 유지해야 합니다.
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43. 다음의 함수를 라플라스로 전환한 것으로 옳은 것은?

(정답률: 49%)
  • 지수함수와 사인함수가 곱해진 형태의 라플라스 변환은 s-평면에서의 이동 정리(s-shifting theorem)를 사용합니다. $\sin \omega t$의 라플라스 변환인 $\frac{\omega}{s^2 + \omega^2}$에서 $s$ 대신 $s-a$를 대입하면 $e^{at} \sin \omega t$의 변환이 됩니다.
    ① [기본 공식] $\mathcal{L}\{e^{at} \sin \omega t\} = \frac{\omega}{(s-a)^2 + \omega^2}$
    ② [숫자 대입] $a=2, \omega=2$를 대입하면 $$\mathcal{L}\{e^{2t} \sin 2t\} = \frac{2}{(s-2)^2 + 2^2}$$
    ③ [최종 결과] $F(s) = \frac{2}{(s-2)^2 + 4}$
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44. 다음 블록선도에서 전달함수 맞는 것은?

(정답률: 55%)
  • 블록선도의 전달함수 $\frac{Y(s)}{X(s)}$를 구하기 위해 전체 루프의 전방 경로 이득과 피드백 루프를 분석합니다. 주어진 블록선도에서 전방 경로는 $G_b$, $G_c$, $G_a$가 직렬로 연결되어 있으며, 내부 피드백과 외부 피드백이 복합적으로 작용하는 구조입니다. 이를 정리하면 분자는 전방 경로의 곱과 피드백 경로의 합으로 구성되며, 분모는 $1 + (\text{루프 이득})$의 형태가 됩니다.
    최종적으로 계산된 전달함수는 가 됩니다.
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45. 일차계 공정에 사인파 입력이 들어갔을 때 시간이 충분히 지난 후의 출력은?

  1. 입력 사인파의 진폭에 공적이득을 곱한 크기의 진폭을 가지는 사인파를 보인다.
  2. 입력 사인파와 같은 주파수를 가지는 사인파를 보인다.
  3. 입력 사인파와 같은 위상을 가지는 사인파를 보인다.
  4. 입력 사인파의 진폭에 공정이득을 나눈 크기의 진폭을 가지는 사인파를 보인다.
(정답률: 46%)
  • 선형 시불변(LTI) 시스템인 일차계 공정에 사인파 입력이 들어오면, 시간이 충분히 지난 후의 정상 상태 출력은 입력과 동일한 주파수를 가지며 진폭과 위상만 변화한 사인파가 됩니다.
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46. 비례이득을 변화시켜 공정출력을 연속적으로 진동하게 하여 제어기를 튜닝하는 방법(continuous - cycling)에 관한 다음 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 시간지연이 없는 1차 공정에 적용이 가능하다.
  2. 공정에 대한 사전 지식이 없어도 된다.
  3. 연속진동 주기와 연속진동을 가져오는 비례이득 정보를 이용하여 제어기를 튜닝한다.
  4. 시간이 많이 걸리고 진동폭이 커지면 위험할 수 있기 때문에 적용할 수 없는 경우가 있다.
(정답률: 22%)
  • 연속 진동법(Continuous-cycling)은 비례 이득을 높여 시스템을 임계 안정 상태로 만들어 진동을 유도하는 방법입니다. 시간 지연이 없는 순수 1차 공정은 비례 제어만으로는 아무리 이득을 높여도 진동이 발생하지 않으므로 이 방법을 적용할 수 없습니다.
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47. Disturbance(외부교란)가 시간에 따라 변화할 때 제어변수가 고정된 set point에 따르도록 조절변수를 제어하는 것을 무슨 제어라고 칭하는가?

  1. 조정(regulatory) 제어
  2. 서보(servo) 제어
  3. 감시제어
  4. 예측제어
(정답률: 56%)
  • 외부 교란(Disturbance)이 발생하더라도 제어변수를 설정값(Set point)으로 일정하게 유지시키는 제어를 조정(regulatory) 제어라고 합니다.

    오답 노트
    서보(servo) 제어: 설정값(Set point) 자체가 변화할 때 이를 추종하는 제어
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48. 어떤 공정이 전달함수 로 표현된다. 공정입력으로 sin(t)가 계속 들어갈 때 시간이 충분히 지난 후의 공정출력에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 공정출력은 공정입력과 비교해서 an-1(1)+tan-1(3)[radian] 만큼 지연되어서 나타나는 sin파이다.
  2. 공정출력은 진폭이 인 sin파이다.
  3. 공정이 안정하기 때문에 출력은 진동하면서 점점 0으로 수렴한다.
  4. 공정출력은 주파수(frequency)가 1인 sin파이다.
(정답률: 35%)
  • 전달함수가 $G(s) = \frac{1}{(s+1)(3s+1)}$ 인 안정적인 공정에 $\sin(t)$ 입력이 들어오면, 과도 상태가 지난 후 출력은 입력과 동일한 주파수를 가진 정상 상태 사인파로 나타납니다. 따라서 출력값이 0으로 수렴한다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    공정출력은 주파수(frequency)가 1인 sin파이다: 입력 $\sin(t)$의 주파수가 1이므로 출력 주파수도 동일함
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49. Smith predictor 는 어떠한 공정문제를 보상하기 위하여 사용되는가?

  1. 역응답
  2. 공정의 비선형
  3. 지연시간
  4. 공정의 상호간섭
(정답률: 45%)
  • Smith predictor는 공정 내에 존재하는 시간 지연(Dead time)을 보상하여 제어 성능을 향상시키기 위해 사용되는 제어 기법입니다.
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50. 화학공장에서 공정제어의 필요성에 대한 설명으로 다음 중 가장 거리가 먼 것은?

  1. 균일한 제품을 생산하여 제품의 질을 향상시키기 위해 필요하다.
  2. 온도나 압력 등의 공정변수들을 잘 관리하여 사고를 예방하기 위해 필요하다.
  3. 생산비 절감 및 생산성 향상을 위해 필요하다.
  4. 공장운전의 완전 무인화를 위해 필요하다.
(정답률: 63%)
  • 공정제어는 제품의 품질 향상, 안전사고 예방, 생산성 증대 및 비용 절감을 위해 필수적입니다. 하지만 공정제어의 목적이 공장운전의 완전 무인화를 위한 것은 아니며, 효율적인 관리와 안전 확보가 주된 목적입니다.
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51. 전달함수가 인 계에서 단위 계단응답 Y(t)는?

(정답률: 36%)
  • 전달함수가 $\frac{Y(s)}{X(s)} = \frac{\tau_1 s + 1}{\tau_2 s + 1}$ 인 계에 단위 계단입력 $X(s) = \frac{1}{s}$을 가했을 때의 시간 응답을 구하는 문제입니다.
    부분분수 전개를 통해 역라플라스 변환을 수행하면 다음과 같은 결과가 도출됩니다.
    ① [기본 공식] $Y(s) = \frac{\tau_1 s + 1}{s(\ au_2 s + 1)} = \frac{1}{s} + \frac{\tau_1 - \tau_2}{\tau_2 s + 1}$
    ② [숫자 대입] $Y(t) = \mathcal{L}^{-1} [ \frac{1}{s} + \frac{\tau_1 - \tau_2}{\tau_2 s + 1} ]$
    ③ [최종 결과]
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52. 주파수 응답해석(frequency response analysis)에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 사인파 형태의 공정입력이 가해졌을 경우, 공정출력의 형태를 해석한 것이다.
  2. 주파수 응답해석은 앞먹임 제어루프의 안정도를 해석하는 데에 주로 사용된다.
  3. G(s)를 전달함수로 가지는 공정의 진폭비는 lG(iω)l 이다.
  4. 보데선도(Bode Plot)는 주파수에 대한 공정의 진폭비와 위상각 변화를 그래프로 표시한 것이다.
(정답률: 47%)
  • 주파수 응답해석은 사인파 입력에 대한 출력의 진폭비와 위상차를 분석하여 시스템의 특성을 파악하는 방법입니다. 이는 주로 피드백 제어루프의 안정도를 해석하는 데 사용되며, 앞먹임 제어루프의 안정도 해석에 주로 사용된다는 설명은 틀린 내용입니다.
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53. 어떤 액위(liquid level) 탱크에서 유입되는 유량(m3 /min)과 탱크의 액위(h)간의 관계는 다음과 같은 전달함수로 표시된다. 탱크로 유입되는 유량에 크기 1인 계단변화가 도입되었을 때 정상상태에서 h 의 변화폭은 얼마인가?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 6
(정답률: 41%)
  • 계단 변화가 도입되었을 때의 정상상태 변화폭은 전달함수의 최종값 정리(Final Value Theorem)를 이용하거나, $s \to 0$일 때의 이득(Gain)을 통해 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $G = \lim_{s \to 0} H(s)$
    ② [숫자 대입] $G = \frac{1}{2(0) + 1}$
    ③ [최종 결과] $G = 1$
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54. 함수 f(t)의 Laplace 변환이 다음 식과 같을 때 함수 f(t)의 최종 값을 구하면?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 58%)
  • 라플라스 변환된 함수의 최종값 정리를 사용하면 시간 영역에서의 최종값을 쉽게 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $f(\infty) = \lim_{s \to 0} sF(s)$
    ② [숫자 대입] $f(\infty) = \lim_{s \to 0} s \times \frac{2s + 1}{s^4 + 2s^3 + 2s^2 + s} = \lim_{s \to 0} \frac{s(2s + 1)}{s(s^3 + 2s^2 + 2s + 1)}$
    ③ [최종 결과] $f(\infty) = \frac{0 + 1}{0 + 0 + 0 + 1} = 1$
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55. 다음 중 1차 지연시간 공정(First-Order Plus Dead Time process)으로의 근사가 가장 부적절한 공정은?

(정답률: 30%)
  • 1차 지연시간 공정(FOPDT)으로 근사하기 위해서는 시스템이 기본적으로 저역 통과 특성을 가지며, 분자의 영점이 분모의 극점과 멀리 떨어져 있거나 안정적인 형태여야 합니다.
    정답인 의 수식 $$G(s) = \frac{5(-0.2s + 1)}{(0.2s + 1)^3}$$ 은 분자에 우반평면 영점(Right Half Plane Zero)을 가지고 있어 역응답(Inverse Response) 특성을 보입니다. 이러한 특성은 일반적인 1차 지연 공정으로 근사하기에 가장 부적절합니다.
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56. 어떤 계의 단위계단 응답이 다음과 같을 경우 이 계의 단위 충격응답(impulse response)은?

(정답률: 44%)
  • 단위 충격응답은 단위 계단응답을 시간 $t$에 대해 미분하여 구할 수 있습니다.
    주어진 단위 계단응답 $Y(t) = 1 - (1 + \frac{t}{\tau})e^{-\frac{t}{\tau}}$를 미분하면 다음과 같습니다.
    $$\frac{dY(t)}{dt} = 0 - [\frac{1}{\tau}e^{-\frac{t}{\tau}} + (1 + \frac{t}{\tau})(-\frac{1}{\tau})e^{-\frac{t}{\tau}}]$$
    $$= -\frac{1}{\tau}e^{-\frac{t}{\tau}} + \frac{1}{\tau}e^{-\frac{t}{\tau}} + \frac{t}{\tau^2}e^{-\frac{t}{\tau}} = \frac{t}{\tau^2}e^{-\frac{t}{\tau}}$$
    따라서 정답은 입니다.
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57. 선형계의 제어시스템의 안정성을 판별하는 방법이 아닌 것은?

  1. Routh-Hurwitz 시험법 적용
  2. 특성방정식 근궤적 그리기
  3. Bode 나 Nyquist 선도 그리기
  4. Laplace 변환 적용
(정답률: 59%)
  • 제어시스템의 안정성 판별은 시스템의 특성방정식의 근이 좌반평면에 존재하는지를 확인하는 과정입니다. Routh-Hurwitz 시험법, 근궤적법, Bode 및 Nyquist 선도는 모두 안정성을 판별하는 직접적인 방법입니다.

    오답 노트
    Laplace 변환 적용: 시간 영역의 함수를 복소 주파수 영역으로 변환하는 수학적 도구일 뿐, 그 자체로 안정성을 판별하는 방법은 아닙니다.
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58. 어떤 압력측정장치의 측정범위는 0~400psig, 출력범위는 4~20mA 로 조정되어 있다. 이 장ㅣ의 이득을 구하면 얼마인가?

  1. 25 mA/psig
  2. 0.01 mA/psig
  3. 0.08 mA/psig
  4. 0.04 mA/psig
(정답률: 59%)
  • 측정 장치의 이득(Gain)은 입력 범위에 대한 출력 범위의 변화 비율을 의미합니다.
    ① [기본 공식] $Gain = \frac{Output_{max} - Output_{min}}{Input_{max} - Input_{min}}$
    ② [숫자 대입] $Gain = \frac{20 - 4}{400 - 0}$
    ③ [최종 결과] $Gain = 0.04\text{ mA/psig}$
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59. 다음 중 되먹임 제어계가 불안정한 경우에 나타나는 특성은?

  1. 이득여유(gain margin)가 1보다 작다.
  2. 위상여유(phase margin)가 0보다 크다.
  3. 제어계의 전달함수가 1차계로 주어진다.
  4. 교차주파수(crossover frequency)에서 갖는 개루프 전달함수의 진폭비가 1보다 작다.
(정답률: 40%)
  • 되먹임 제어계가 불안정해지기 위해서는 이득여유(Gain Margin)가 1보다 작거나, 위상여유(Phase Margin)가 0보다 작아야 합니다.

    오답 노트
    위상여유 0보다 큼: 안정 상태
    1차계: 기본적으로 항상 안정함
    진폭비 1보다 작음: 안정 상태
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60. 시간지연이 없고 안정한 1차 공정을 비례-적분 제어기로 제어하는 경우에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 비례대(proportional band)가 커질수록 폐루프(closed loop)의 응답이 느려진다.
  2. 직선적으로 증가하는 설정치 변화에 대한 잔류오차는 비례이득(proportional gain)이 증가하면 작아진다.
  3. 비례이득을 증가시키면 폐루프는 불안정해진다.
  4. 폐루프 전달함수에 영점(zero)이 나타난다.
(정답률: 28%)
  • 시간지연이 없는 안정한 1차 공정을 비례-적분(PI) 제어기로 제어할 경우, 비례이득을 증가시켜도 시스템은 여전히 안정하며 응답 속도만 빨라집니다.

    오답 노트
    비례대 증가: 비례이득과 반비례 관계이므로 응답이 느려짐
    잔류오차: 비례이득이 클수록 오차가 감소함
    영점 발생: PI 제어기의 적분항으로 인해 전달함수에 영점이 나타남
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4과목: 공업화학

61. 폴리카보네이트의 합성방법은?

  1. 비스페놀-A와 포스겐의 축합반응
  2. 비스페놀-A와 포름알데히드의 축합반응
  3. 하이드로퀴논과 포스겐의 축합반응
  4. 하이드로퀴논과 포름알데히드의 축합반응
(정답률: 54%)
  • 폴리카보네이트는 비스페놀-A와 포스겐의 축합반응을 통해 합성되는 고분자 물질입니다.
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62. H2 와 Cl2 를 직접 결합시키는 합성염화수소의 제법에서는 활성화된 분자가 연쇄를 이루기 때문에 반응이 폭발적으로 진행된다. 실제 조작에서는 폭발을 막기위해서 어떤 조치를 하는가?

  1. 염소를 다소 과잉으로 넣는다.
  2. 수소를 다소 과잉으로 넣는다.
  3. 수증기를 공급하여 준다.
  4. 반응압력을 낮추어 준다.
(정답률: 67%)
  • 합성염화수소 제법에서 반응이 폭발적으로 진행되는 것을 방지하기 위해 수소를 다소 과잉으로 공급하여 반응 속도를 조절하고 안정성을 확보합니다.
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63. 다음 중 질산 제조시 가장 널리 사용되는 촉매는?

  1. V2O5
  2. Fe-Co
  3. Pt-Rh
  4. Cr2O3
(정답률: 50%)
  • 질산 제조 공정 중 암모니아를 산화시켜 일산화질소를 만드는 단계에서는 백금-로듐($Pt-Rh$) 합금 망을 촉매로 가장 널리 사용합니다.
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64. 암모니아 소다법에서 조중조의 하소(calcination) 때 생성되는 물질은?

  1. NaHCO3
  2. Na2CO3
  3. NaOH
  4. CaCl2
(정답률: 40%)
  • 암모니아 소다법에서 조중조($NaHCO_{3}$)를 가열하는 하소 과정을 거치면 이산화탄소와 물이 빠져나가면서 탄산나트륨($Na_{2}CO_{3}$)이 생성됩니다.
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65. 200kg 의 인산(H3PO4)제조 시 필요한 인광석의 양은 약 몇 kg 인가? (단, 인광석 내에는 30% 의 P2O5 가 포함되어 있으며 P2O5 의 분자량은 142 이다.)

  1. 241.5
  2. 362.3
  3. 483.1
  4. 603.8
(정답률: 53%)
  • 인광석 내의 $P_{2}O_{5}$가 인산($H_{3}PO_{4}$)으로 전환되는 화학 양론적 관계를 이용하여 필요한 인광석의 양을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{인광석 양} = \frac{\text{인산 질량} \times \frac{\text{P}_{2}\text{O}_{5} \text{분자량}}{2 \times \text{H}_{3}\text{PO}_{4} \text{분자량}}}{\text{P}_{2}\text{O}_{5} \text{함량}}$
    ② [숫자 대입] $\text{인광석 양} = \frac{200 \times \frac{142}{2 \times 98}}{0.3}$
    ③ [최종 결과] $\text{인광석 양} = 483.1$
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66. 다음 중 국내 올레핀계탄화수소의 공급원으로 가장 많이 쓰이는 것은?

  1. 석탄가스
  2. 정유소가스
  3. 나프타의 열분해
  4. 석유유분의 분리
(정답률: 63%)
  • 국내 석유화학 산업에서 에틸렌, 프로필렌과 같은 올레핀계 탄화수소를 생산하는 가장 대표적이고 주된 방법은 나프타의 열분해(Naphtha Cracking) 공정입니다.
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67. 박막형성기체 중에서 SiO2 막에 사용되는 기체로 가장 거리가 먼 것은?

  1. SiH4
  2. O2
  3. N2O
  4. PH3
(정답률: 45%)
  • $\text{SiO}_2$ 박막을 형성하기 위해서는 실리콘 소스 기체($\text{SiH}_4$)와 산화제($\text{O}_2, \text{N}_2\text{O}$)가 필요합니다.

    오답 노트
    $\text{PH}_3$: n형 도핑을 위한 불순물 기체로 사용됩니다.
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68. 소오다회 제조법 중 거의 100% 의 식염의 이용이 가능한 것은?

  1. solvay 법
  2. Le Blanc 법
  3. 염안소다법
  4. 가성화법
(정답률: 59%)
  • 염안소다법은 소금물을 전기분해하여 가성소다, 염소, 수소를 얻는 공정으로, 원료인 식염($\text{NaCl}$)이 화학적으로 완전히 분해되어 거의 $100\%$이용되는 효율적인 방법입니다.
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69. 연실법 Glover 탑의 질산 환원공정에서 35wt% HNO3 25kg으로부터 NO 를 약 몇 kgf 얻을 수 있는가?

  1. 2.17kg
  2. 4.17kg
  3. 6.17kg
  4. 8.17kg
(정답률: 51%)
  • 질산의 환원 반응식 $\text{HNO}_3 \rightarrow \text{NO} + \text{H}_2\text{O} + \frac{1}{2}\text{O}_2$을 이용하여, 투입된 순수 질산의 양에 따른 $\text{NO}$ 생성량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{NO mass} = \text{Total mass} \times \text{wt}\% \times \frac{M_{\text{NO}}}{M_{\text{HNO}_3}}$
    ② [숫자 대입] $\text{NO mass} = 25 \times 0.35 \times \frac{30}{63}$
    ③ [최종 결과] $\text{NO mass} = 4.17$
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70. 암모니아 합성용 수성가스(water gas)의 주성분은?

  1. H2O, CO
  2. CO2, H2O
  3. CO, H2
  4. H2O, N2
(정답률: 62%)
  • 수성가스(water gas)는 수증기를 뜨거운 코크스와 반응시켜 생성하며, 주성분은 일산화탄소($CO$)와 수소($H_{2}$)입니다.
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71. 다음 중 질소질비료가 아닌 것은?

  1. 요소
  2. 질산암모늄
  3. 석회질소
  4. 용성인비
(정답률: 47%)
  • 용성인비는 인산 성분을 주원료로 하는 인산질 비료입니다.

    오답 노트
    요소, 질산암모늄, 석회질소: 질소 성분을 포함한 질소질 비료
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72. 벤조트리클로리드를 알칼리로 가수분해 시켰을 때 얻을 수 있는 주 생성물은?

  1. 벤조산
  2. 페놀
  3. 소듐페녹시드
  4. 염화벤젠
(정답률: 43%)
  • 벤조트리클로리드를 알칼리로 가수분해하면 최종적으로 카복실기가 형성되어 벤조산이 주 생성물로 얻어집니다.
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73. Ni/Cd 전지에서 음극의 수소발생을 억제하기 위해 음극에 과량으로 첨가하는 물질은?

  1. Cd(OH)2
  2. KOH
  3. MnO2
  4. Ni(OH)2
(정답률: 39%)
  • Ni/Cd 전지의 음극에서 수소 발생 반응을 억제하고 전지의 효율을 높이기 위해 $Cd(OH)_{2}$를 과량으로 첨가합니다.
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74. 다음 중 전기 전도성 고분자로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 폴리아세틸렌
  2. 폴리티오펜
  3. 폴리피롤
  4. 폴리실록산
(정답률: 47%)
  • 폴리실록산은 실리콘 기반의 고분자로, 전도성이 없는 절연성 물질입니다.

    오답 노트
    폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤: 전도성 고분자의 대표적 예시
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75. 다음 중 1차 전지가 아닌 것은?

  1. 산화은전지
  2. Ni-MH전지
  3. 망간전지
  4. 수은전지
(정답률: 64%)
  • Ni-MH전지는 충전과 방전이 가능하여 반복 사용이 가능한 2차 전지입니다.

    오답 노트
    산화은전지, 망간전지, 수은전지: 한 번 사용하면 폐기하는 1차 전지
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76. 비중이 1.84 인 황산 10m3 는 몇 kg 인가?

  1. 10000
  2. 13500
  3. 15269
  4. 18400
(정답률: 59%)
  • 비중을 이용하여 물질의 질량을 구하는 문제입니다. 비중은 물의 밀도($1000 \text{ kg/m}^{3}$)에 대한 대상 물질의 밀도 비입니다.
    ① [기본 공식] $\text{Mass} = \text{Specific Gravity} \times \rho_{\text{water}} \times \text{Volume}$
    ② [숫자 대입] $\text{Mass} = 1.84 \times 1000 \times 10$
    ③ [최종 결과] $\text{Mass} = 18400$
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77. Friedel - Craft 반응에 사용되는 촉매는?

  1. AlCl3
  2. ZnO
  3. V2O5
  4. PCl5
(정답률: 55%)
  • Friedel-Crafts 반응은 벤젠 고리에 알킬기나 아실기를 도입하는 반응으로, 루이스 산(Lewis acid)인 $AlCl_{3}$가 촉매로 작용하여 반응을 활성화시킵니다.
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78. 석유화학공업에서 분해에 의해 에틸렌 및 프로필렌 등의 제조의 주된 공업원료로 이용되고 있는 것은?

  1. 경유
  2. 등유
  3. 나프타
  4. 중유
(정답률: 63%)
  • 나프타는 원유의 증류 과정에서 얻어지는 가벼운 기름으로, 이를 열분해(Cracking)하면 에틸렌, 프로필렌과 같은 기초 유분들이 생성되어 석유화학 공업의 핵심 원료로 사용됩니다.
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79. 접촉식 황산 제조법에서 주로 사용되는 촉매는?

  1. Fe
  2. V2O5
  3. KOH
  4. Cr2O3
(정답률: 63%)
  • 접촉식 황산 제조법은 이산화황($SO_{2}$)을 삼산화황($SO_{3}$)으로 산화시키는 과정이 핵심이며, 이때 반응 속도를 높이기 위해 오산화바나듐인 $V_{2}O_{5}$를 촉매로 사용합니다.
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80. 방향족 아민에 1당량의 황산을 가했을 때의 생성물에 해당하는 것은?

(정답률: 46%)
  • 방향족 아민(아닐린)과 진한 황산이 반응하면 친전자성 방향족 치환 반응인 설폰화 반응이 일어납니다. 아미노기($-NH_{2}$)는 강력한 오르토-파라 지향기이며, 입체 장애가 적은 파라 위치에 설폰산기($-SO_{3}H$)가 결합하여 가 생성됩니다.
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5과목: 반응공학

81. 다음 중 활성화 에너지와 반응속도에 관한 내용으로 틀린것은?

  1. 주어진 반응에서 반응속도는 항상 고온일 때가 저온일 때보다 온도에 더욱 민감하다.
  2. 활성화 에너지는 Arrhenius plot 으로부터 구할 수 있다.
  3. 활성화 에너지가 커질수록 반응속도는 온도에 더욱 민감해진다.
  4. 경험법칙에 의하면 온도가 10℃ 증가함에 따라 반응 속도는 2배씩 증가하는 경우가 있다.
(정답률: 52%)
  • 반응속도의 온도 민감도는 활성화 에너지 $E$의 크기에 결정됩니다. 활성화 에너지가 클수록 온도 변화에 따른 속도 상수 $k$의 변화 폭이 커지므로 온도에 더 민감하게 반응합니다. 따라서 단순히 고온일 때가 저온일 때보다 항상 더 민감하다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    활성화 에너지는 Arrhenius plot의 기울기로부터 구할 수 있으며, 온도가 $10^{\circ}C$ 상승 시 속도가 약 2배 증가하는 것은 일반적인 경험법칙입니다.
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82. 반응속도 상수 k 는 온도 T 의 영향을 많이 받는다. In k와 사이의 관계를 옳게 나타낸 그래프는?

(정답률: 57%)
  • 아레니우스 식에 의해 $\ln k$와 $1/T$의 관계는 음의 기울기를 갖는 직선 형태로 나타납니다.
    $$\ln k = \ln A - \frac{E}{RT}$$
    따라서 $y$축이 $\ln k$, $x$축이 $1/T$일 때 우하향하는 직선 그래프인 가 정답입니다.
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83. 회분식 반응기에서 어떤 액상 비가역 1차 반응으로 1000초 동안에 반등물의 50% 가 분해되었다. 반응물이 처음 농도의 1/10 이 될 때까지의 시간은 약 얼마인가?

  1. 33초
  2. 1600초
  3. 3340초
  4. 9320초
(정답률: 55%)
  • 1차 반응의 반감기 공식과 적분 속도식을 이용하여 반응물 농도가 $1/10$이 되는 시간을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\ln \frac{C_0}{C} = k t$
    ② [숫자 대입] $\ln \frac{1}{0.5} = k \times 1000 \implies k = \frac{\ln 2}{1000}$
    $$\ln \frac{1}{0.1} = \frac{\ln 2}{1000} \times t$$
    ③ [최종 결과] $t = 1000 \times \frac{\ln 10}{\ln 2} \approx 3321.9 \text{ 초 (약 3340초)}$
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84. 비가역 연속 흡열반응 A → R → S 에서 첫 단계 반응의 활성화에너지가 둘째단계 반응의 그것보다 작다. 온도를 조절할 수 있는 플러그 흐름 반응기에서 반응 시킨다면 목표 생성물 R 을 가장 많이 얻기에 가장 적합한 온도분포는?

  1. 가능한 한 높은 온도를 유지 한다.
  2. 가능한 한 낮은 온도를 유지 한다.
  3. 반응기 입구에서는 높은 온도, 출구에서는 낮은 온도를 유지 한다.
  4. 반응기 입구에서는 낮은 온도, 출구에서는 높은 온도를 유지 한다.
(정답률: 27%)
  • 목표 생성물 $R$을 최대화하려면 $A \rightarrow R$ 반응은 빠르게 진행시키고, $R \rightarrow S$ 반응은 억제해야 합니다. 첫 단계의 활성화 에너지가 더 작으므로, 입구에서는 높은 온도로 $A$를 빠르게 $R$로 전환시키고, 출구로 갈수록 온도를 낮추어 $R$이 $S$로 분해되는 속도를 늦추는 온도 분포가 가장 적합합니다.
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85. 복합반응에서 온도에 따라 활성화에너지(activation energy, E) 변화가 달라지는 것은 반응 메커니즘의 변화 때문이다. 이에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?

  1. 고온에서 E 가 크고 저온에서 E 가 작아지는 것은 연속(직렬)반응이다.
  2. 고온에서 E 가 크고 저온에서 E 가 작아지는 것은 평행(병렬)반응이다.
  3. In k 와 의 그래프에서 오른쪽으로 갈 때 기울기의 절대치가 작아지는 것은 연속(직렬)반응이다.
  4. In k 와 의 그래프에서 2개의 직선이 나타나면 메커니즘을 결정할 수 없다.
(정답률: 22%)
  • 평행(병렬)반응에서는 여러 경로 중 활성화 에너지가 작은 경로가 저온에서 우세하고, 활성화 에너지가 큰 경로가 고온에서 우세하게 나타납니다. 따라서 고온에서 $E$가 크고 저온에서 $E$가 작아지는 특성은 평행반응의 전형적인 특징입니다.
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86. A → R, 1차 기초반응이 등온에서 일어나는 정용회분반응기에서 원료 A의 99%가 전환된다. 하루 10시간 조업으로 4752mol 의 R 이 생성되고, 반응온도로 가열시키는 시간이 0.26h 이다. 생성물을 배출시켜 다음 반응을 진행시키는 시간은 0.9h 이다. 속도상수 kc 가 0.02min-1 , 순수 A 의 몰밀도가 8mol/L 일 때 소요 반응기의 체적(L)은?

  1. 150
  2. 200
  3. 250
  4. 300
(정답률: 22%)
  • 정용 회분반응기에서 1차 반응의 반응 시간과 전체 사이클 시간을 고려하여 필요한 반응기 체적을 구하는 문제입니다.
    먼저 99% 전환에 필요한 반응 시간 $t$를 구합니다.
    ① [기본 공식] $t = \frac{-\ln(1-X)}{k_{c}}$
    ② [숫자 대입] $t = \frac{-\ln(1-0.99)}{0.02}$
    ③ [최종 결과] $t = 230.26\text{ min} \approx 3.84\text{ h}$
    전체 사이클 시간 $t_{cycle} = 3.84 + 0.26 + 0.9 = 5.00\text{ h}$ 입니다.
    하루 10시간 조업 시 총 2배치($10/5$)가 가능하며, 배치당 생성량은 $4752/2 = 2376\text{ mol}$ 입니다.
    반응기 체적 $V$는 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{n_{R}}{C_{A0} \times X}$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{2376}{8 \times 0.99}$
    ③ [최종 결과] $V = 300$
    따라서 소요 반응기의 체적은 $300\text{ L}$ 입니다.
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87. (CH3)2O→CH4+CO+H2 기상반응이 1atm, 550℃ 하에 CSTR에서 진행될 때 순수한 디메틸에테르의 전화율이 20% 될 때 까지 공간시간(s)은? (단, 반응차수는 1차이고, 속도상수는 4.50×10-3 s 이다.)

  1. 57.78
  2. 67.78
  3. 77.78
  4. 87.78
(정답률: 32%)
  • 1차 반응이 진행되는 CSTR(연속교반탱크반응기)에서 전화율과 공간시간의 관계를 이용하는 문제입니다.
    1차 반응 CSTR의 설계 방정식에 따라 공간시간 $\tau$를 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \frac{X}{k(1-X)}$
    ② [숫자 대입] $\tau = \frac{0.2}{4.50 \times 10^{-3}(1-0.2)}$
    ③ [최종 결과] $\tau = 55.56$
    단, 제시된 정답 $77.78$은 $\tau = \frac{X}{k(1-X)}$ 식에 $X=0.35$를 대입하거나 다른 조건이 적용된 결과로 보이나, 주어진 수치($X=0.2, k=4.50 \times 10^{-3}$) 기준 계산값은 $55.56$입니다. 공식 지정 정답인 $77.78$을 도출하기 위해서는 문제의 조건 확인이 필요합니다.
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88. A + R → R + R 인 자동촉매반응(autocatalytic reaction)에서 반응속도를 반응물의 농도로 플롯할 때 그래프를 옳게 설명한 것은?

  1. 단조증가한다.
  2. 단조감소한다.
  3. 최소치를 갖는다.
  4. 최대치를 갖는다.
(정답률: 42%)
  • 자동촉매반응은 생성물인 $R$이 촉매 역할을 하여 반응 속도를 가속시키는 특징이 있습니다.
    반응 초기에는 $R$의 농도가 낮아 속도가 느리지만, 반응이 진행됨에 따라 $R$이 증가하며 속도가 빨라집니다. 그러나 반응 후기에는 반응물 $A$의 농도가 고갈되어 다시 속도가 감소하게 됩니다.
    따라서 반응속도를 반응물의 농도로 플롯하면 속도가 증가했다가 감소하는 형태가 되어 최대치를 갖게 됩니다.
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89. 다음과 같은 반응속도식에서 반응속도상수 k 의 단위는?

  1. (mol/L)-1
  2. (mol/L)-1cm-2
  3. (mol/L)-1cm-1
  4. (mol/L)-1h-1
(정답률: 56%)
  • 반응속도식에서 각 항의 단위를 분석하여 속도상수 $k$의 단위를 결정하는 문제입니다.
    반응속도 $r_{A}$의 단위는 $\text{mol/L}\cdot\text{h}$이고, 농도 $C_{A}$의 단위는 $\text{mol/L}$ 입니다.
    주어진 식 $r_{A} = kC_{A}^{2}$에서 $k$에 대해 정리하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $k = \frac{r_{A}}{C_{A}^{2}}$
    ② [숫자 대입] $k = \frac{\text{mol/L}\cdot\text{h}}{(\text{mol/L})^{2}}$
    ③ [최종 결과] $k = (\text{mol/L})^{-1}\text{h}^{-1}$
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90. 정온 회분반응기(Batch reactor)에서 A 라는 액체가 일차반응에 의해서 분해된다. 5분간 60% 의 A 가 분해 된다고 하면 90% 가 분해되려면 얼마나 오래 걸리는가?

  1. 약 15.4분
  2. 약 12.6분
  3. 약 8.5분
  4. 약 20.6분
(정답률: 57%)
  • 1차 반응의 경우 반응 시간 $t$와 전화율 $X$의 관계는 $\ln(1-X) = -kt$로 나타납니다. 먼저 60% 분해 시의 속도상수 $k$를 구한 뒤, 90% 분해 시의 시간을 계산합니다.
    $$\text{1차 반응 시간 공식}$$
    ① $t = \frac{-\ln(1-X)}{k}$
    ② $t_{90} = t_{60} \times \frac{\ln(1-0.9)}{\ln(1-0.6)} = 5 \times \frac{-2.303}{-0.511}$
    ③ $t_{90} = 12.6$
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91. 직렬로 연결된 2개의 혼합반응기에서 다음과 같은 액상반응이 진행될 때 두 반응기의 체적 V1 과 V2 의 합이 최소가 되는 체적비 V1/V2 에 관한 설명으로 옳은 것은? (단, V1 은 앞에 설치된 반응기의 체적이다.)

  1. 0 ＜ n ＜ 1 이면 V1/V2 는 항상 1보다 작다.
  2. n = 1 이면 V1/V2 는 항상 1 이다.
  3. n ＞ 1 이면 V1/V2 는 항상 1 보다 크다.
  4. n ＞ 0 이면 V1/V2 는 항상 1 이다.
(정답률: 51%)
  • 직렬로 연결된 혼합반응기(CSTR)에서 전체 체적이 최소가 되기 위한 조건은 각 반응기에서의 반응 속도 변화율이 동일해야 함을 의미합니다. 특히 $n=1$인 1차 반응의 경우, 각 반응기의 크기가 동일할 때($V_1 = V_2$) 전체 체적이 최소가 됩니다.

    오답 노트
    n $\neq$ 1인 경우: 반응 차수에 따라 $V_1$과 $V_2$의 비율이 달라지므로 항상 1이 될 수 없습니다.
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92. 액상 직렬 반응 A → R → S 에서 R 이 목표 생성물이다. 이 반응을 플러그 흐름 반응기에서 진행시켜 최대의 R을 얻고자 할 때 반응기의 크기에 관한 설명을 h가장 옳은 것은?

  1. 작은 것일수록 좋다.
  2. 큰 것일수록 좋다.
  3. 반응 속도식에 따라 큰 것일수록 또는 작은 것일수록 좋을 수 있다.
  4. 항상 최적의 크기가 있다.
(정답률: 38%)
  • 액상 직렬 반응 $A \rightarrow R \rightarrow S$에서 중간 생성물 $R$의 농도는 반응 시간에 따라 증가하다가, $R$이 $S$로 분해되는 속도가 $A$가 $R$로 변하는 속도보다 빨라지는 시점에서 최대가 됩니다. 따라서 $R$을 최대화하기 위해서는 너무 짧지도, 너무 길지도 않은 최적의 체류 시간(반응기 크기)이 반드시 존재합니다.
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93. 반응물 A 는 1차 반응 A → R 에 의해 분해된다. 서로 다른 2개의 플러그 흐름 반응기에 다음과 같이 반응물의 주입량을 달리하여 분해 실험을 하였다. 두 반응기로부터 동일한 전화율 80% 를 얻었을 경우 두 반응기의 부피비 V2/V1 은 얼마인가? (단, FA0 는 공급몰 속도이고 CA0 는 초기 농도 이다.) 반응기 1 : FA0 = 1, CA0 = 1 반응기 2 : FA0 = 2, CA0 = 1

  1. 0.5
  2. 1
  3. 1.5
  4. 2
(정답률: 43%)
  • 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 1차 반응의 부피 $V$는 공급몰 속도 $F_{A0}$와 반응 속도에 비례합니다. 동일한 전화율과 초기 농도 조건에서 부피는 공급몰 속도에 정비례합니다.
    $$\text{PFR 부피 공식}$$
    ① $V = \frac{F_{A0}}{k C_{A0}} \ln\frac{1}{1-X}$
    ② $\frac{V_2}{V_1} = \frac{F_{A0,2}}{F_{A0,1}} \times \frac{C_{A0,1}}{C_{A0,2}}$
    ③ $\frac{V_2}{V_1} = \frac{2}{1} \times \frac{1}{1} = 2$
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94. 회분식 반응기에서 반응시간이 tF 일 때 CA/CA0 의 값을 F라 하면 반응차수 n 과 tF 의 관계를 옳게 표현한 식은? (단, k 는 반응속도상수 이고, n ≠ 1 이다.)

(정답률: 42%)
  • 회분식 반응기에서 $n$차 반응($n \neq 1$)의 반응시간 $t_F$는 적분 속도식을 통해 유도됩니다. 주어진 조건에서 $F = C_A/C_{A0}$이므로, 이를 대입하여 정리하면 다음과 같은 관계식이 도출됩니다.
    $$\text{반응시간 식}$$
    ① $t_F = \frac{C_{A0}^{1-n} - C_A^{1-n}}{k(n-1)}$
    ② $t_F = \frac{C_{A0}^{1-n} - (F C_{A0})^{1-n}}{k(n-1)}$
    ③ $t_F = \frac{F^{1-n}-1}{k(n-1)} C_{A0}^{1-n}$
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95. 정용 회분식 반응기에서 단분자형 0차 비가역 반응에서의 반응이 지속되는 시간 t 의 범위는? (단, CA0 는 A 성분의 초기농도, k 는 속도상수를 나타낸다.)

(정답률: 53%)
  • 0차 반응은 반응물의 농도와 관계없이 반응 속도가 일정하며, 반응물이 완전히 소모될 때까지 일정한 속도로 감소합니다.
    $$\text{속도식: } -\frac{dC_{A}}{dt} = k$$
    이를 적분하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $C_{A} = C_{A0} - kt$
    ② [숫자 대입] 반응이 지속되려면 $C_{A} \ge 0$이어야 하므로, $$0 \le C_{A0} - kt$$
    ③ [최종 결과] $t \le \frac{C_{A0}}{k}$
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96. 다음의 A 와 B 가 참여하는 기초반응에 의해서 목적 생성물 R 과 동시에 부생성물 U, V 를 생성한다. R 로의 전화를 촉진시키기 위한 각 반응물의 농도는? (단, 물질의 가격, 원하는 전화율, 순환의 가능성 등의 인자는 여기서는 고려하지 않는다.)

  1. CA, CB 모두 높게 유지 한다.
  2. CA, CB 모두 낮게 유지 한다.
  3. CA 는 높게, CB 는 낮게 유지 한다.
  4. CA 는 낮게, CB 는 높게 유지 한다.
(정답률: 41%)
  • 목적 생성물 $R$의 생성 속도는 $r_{R} = k_{1}C_{A}C_{B}$이며, 부생성물 $U$와 $V$의 생성 속도는 각각 $r_{U} = k_{2}C_{A}$, $r_{V} = k_{3}C_{B}$입니다.
    목적 생성물 $R$에 대한 선택도를 높이려면 $R$의 생성 속도를 $U$와 $V$의 생성 속도 합보다 상대적으로 크게 만들어야 합니다.
    $$\text{Selectivity} \propto \frac{k_{1}C_{A}C_{B}}{k_{2}C_{A} + k_{3}C_{B}}$$
    위 식에서 $C_{A}$와 $C_{B}$의 농도가 모두 높을수록 분자의 2차 항이 분모의 1차 항보다 빠르게 증가하여 $R$의 생성이 촉진됩니다.
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97. CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor)의 체류시간 분포를 측정하기 위해서 계단입력과 펄스입력을 이용하였다. 다음 중 틀린 것은?

  1. 계단입력과 펄스입력의 체류시간 분포는 다르다.
  2. 계단입력과 펄스입력의 평균 체류시간은 같다.
  3. 펄스입력의 출력곡선은 체류시간 분포와 같다.
  4. 평균 체류시간은 반응기내의 반응물 부피를 공급량으로 나눈 것과 같다.
(정답률: 28%)
  • 평균 체류시간( $\tau$)의 정의는 반응기 내의 유체 부피($$V$$)를 단위 시간당 유입되는 부피 유량($$v$$)으로 나눈 값입니다. 하지만 문제에서 제시한 '공급량'이라는 표현이 질량 유량이나 몰 유량으로 해석될 여지가 있으며, 정확한 정의는 '부피 유량'으로 나누는 것입니다.

    오답 노트
    계단입력과 펄스입력: 출력 곡선의 형태는 다르지만, 이를 통해 계산한 평균 체류시간은 동일합니다.
    펄스입력: 출력 곡선 $E(t)$가 곧 체류시간 분포 함수가 됩니다.
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98. 관형 반응기를 다음과 같이 연결하였을 때 A 쪽 반응기들의 전화율과 B 쪽 반응기들의 전화율이 같기 위하여 B 쪽으로의 전체 공급 속도에 대한 분율은 얼마인가?

(정답률: 48%)
  • 두 경로의 전화율이 같으려면 각 경로의 총 체류시간($$\tau = \frac{V}{v}$$)이 동일해야 합니다. A 경로의 총 부피는 $40+40=80\text{ L}$이고, B 경로의 총 부피는 $20+50+30=100\text{ L}$입니다.
    전체 공급 속도를 $v_{total}$, B 쪽으로의 분율을 $x$라고 하면, A 쪽 속도는 $v_{total}(1-x)$, B 쪽 속도는 $v_{total}x$가 됩니다.
    $$\frac{80}{v_{total}(1-x)} = \frac{100}{v_{total}x}$$
    $$80x = 100(1-x)$$
    $$180x = 100$$
    $$x = \frac{100}{180} = \frac{5}{9}$$
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99. 나프탈렌에서 산화반응에 의해 무수푸탈산이 얻어진다. 다음 중 틀린 것은?

  1. 반응은 발열반응이다.
  2. 산화촉매의 과열에 의한 열화(劣化)를 방지해야 한다.
  3. 고온이 적합하므로 액상반응이 적합하다.
  4. 반응열 제거에 의해 반응은 촉진된다.
(정답률: 53%)
  • 제시된 화학 반응식 $C_{10}H_{8} + \frac{9}{2}O_{2} \rightarrow C_{8}H_{4}O_{3} + 2H_{2}O + 2CO_{2}$의 엔탈피 변화가 $\Delta H = -428\text{ kcal/mol}$로 음수이므로, 이 반응은 열을 방출하는 발열반응입니다.
    발열반응의 경우 온도가 높아지면 평형이 역반응 쪽으로 이동하므로, 고온보다는 적절한 온도 제어가 필요하며 반응열을 효과적으로 제거해야 반응이 촉진됩니다. 따라서 고온이 적합하여 액상반응이 적합하다는 설명은 틀린 것입니다.
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100. 균일계 1차 액상반응이 회분 반응기에서 일어날 때 전화율과 반응시간의 관계를 옳게 나타낸 것은?

  1. In(1-XA)=kt
  2. -In(1-XA)=kt
  3. In[XA/(1-XA)]=kt
  4. In[1/(1-XA)]=kCAOt
(정답률: 58%)
  • 1차 반응의 속도식은 $-\frac{dC_A}{dt} = kC_A$이며, 이를 전화율 $X_A$에 대해 정리하면 $\frac{dX_A}{dt} = k(1-X_A)$가 됩니다. 이를 적분하면 다음과 같은 관계식이 도출됩니다.
    ① [기본 공식] $\int \frac{dX_A}{1-X_A} = \int k dt$
    ② [적분 결과] $-\ln(1-X_A) = kt$
    ③ [최종 결과] $-\ln(1-X_A) = kt$
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