화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2015-05-31)

화공기사(구) 2015-05-31 필기 기출문제 해설

이 페이지는 화공기사(구) 2015-05-31 기출문제를 CBT 방식으로 풀이하고 정답 및 회원들의 상세 해설을 확인할 수 있는 페이지입니다.

화공기사(구)
(2015-05-31 기출문제)

목록

1과목: 화공열역학

1. Carnot 냉동기가 -5℃의 저열원에서 10,000kcal/h의 열량을 흡수하여 20℃의 고열원에서 방출할 때 버려야할 최소 열량은?

  1. 7,760kcal/h
  2. 8,880kcal/h
  3. 10,932kcal/h
  4. 12,242kcal/h
(정답률: 76%)
  • Carnot 냉동기의 효율은 절대온도($K$)의 비율로 결정되며, 흡수 열량과 방출 열량의 비는 각 열원의 절대온도 비와 같습니다.
    ① [기본 공식] $\frac{Q_H}{Q_L} = \frac{T_H}{T_L}$
    ② [숫자 대입] $\frac{Q_H}{10000} = \frac{20 + 273.15}{-5 + 273.15}$
    ③ [최종 결과] $Q_H = 10932$
    따라서 버려야 할 최소 열량은 $10,932\text{ kcal/h}$입니다.
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2. 다성분 상평형에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 각 성분의 화학포텐셜이 모든 상에서 같다.
  2. 각 성분의 퓨개시티가 모든 상에서 동일하다.
  3. 시간에 따라 열역학적 특성이 변하지 않는 다.
  4. 엔트로피가 최소이다.
(정답률: 67%)
  • 상평형 상태에서는 자발적 변화가 멈춘 상태이며, 고립계에서 평형에 도달했을 때 엔트로피는 최소가 아니라 최대가 됩니다.

    오답 노트
    화학포텐셜/퓨개시티: 모든 상에서 동일해야 평형 유지
    열역학적 특성: 평형 상태에서는 시간에 따라 변하지 않음
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3. 다음 열역학식 중 틀린 것은? (단, H : 엔탈피, Q : 열량, P : 압력, V : 부피, G : 깁스에너지, S : 엔트로피, W : 일)

  1. H = Q - PV
  2. G = H - TS
  3. ΔS = ∫dQrev/T
  4. W = -∫PdV
(정답률: 77%)
  • 엔탈피의 정의는 내부 에너지에 압력과 부피의 곱을 더한 값입니다.
    엔탈피 $H$의 올바른 정의식은 $H = U + PV$이며, $H = Q - PV$는 틀린 식입니다.

    오답 노트
    깁스 에너지: $G = H - TS$ 정의에 부합함
    엔트로피 변화: $\Delta S = \int \frac{dQ_{rev}}{T}$ 정의에 부합함
    일: $W = -\int P dV$ 정의에 부합함
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4. 이상기체의 주울-톰슨 계수(Joule-Thomson coefficient)의 값은?

  1. 0
  2. 0.5
  3. 1
  4. ∞
(정답률: 59%)
  • 이상기체는 분자 간 상호작용이 없으므로, 단열 팽창 시 온도 변화가 일어나지 않습니다. 따라서 주울-톰슨 계수는 $0$이 됩니다.
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5. 공기가 10Pa, 100m3 에서 일정압력 조건에서 냉각된 후 일정부피 하에서 가열되어 20Pa, 50m3 가 되었다. 이 공정이 가역적이라고 할때 계에 공급된 일의 양은 얼마인가?

  1. 100J
  2. 500J
  3. 1000J
  4. 2000J
(정답률: 66%)
  • 가역 공정에서 계에 공급된 일은 압력-부피 그래프의 경로를 따라 적분한 면적과 같습니다. 일정 압력 과정(정압)과 일정 부피 과정(정적)으로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $W = -\int P dV$
    ② [숫자 대입] $W = -(10 \times (50 - 100) + 0) = -(10 \times (-50))$
    ③ [최종 결과] $W = 500 \text{ J}$
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6. 다음 중 상태함수(State function)가 아닌 것은?

  1. 내부에너지
  2. 엔트로피
  3. 자유에너지
  4. 일
(정답률: 87%)
  • 상태함수는 경로에 상관없이 현재의 상태에 의해서만 결정되는 물리량입니다. 내부에너지, 엔트로피, 자유에너지는 대표적인 상태함수이지만, 일은 상태가 변화하는 과정(경로)에 따라 그 값이 달라지는 경로함수입니다.
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7. 알코올 수용액의 증기와 평형을 이루고 있는 시스템(system)의 자유도는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 68%)
  • 깁스의 자유도 공식 $F = C - P + 2$를 적용합니다. 성분 수 $C$는 알코올과 물 2개이며, 상 수 $P$는 액체와 증기 2개이므로 $F = 2 - 2 + 2 = 2$가 됩니다.
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8. 깁스-두헴(Gibbs-Duhem)의 식에 대한 올바른 표현은? (단, M: 몰당 용액의 성질, : 용액내 i성분의 부분몰 성질, xi: 몰분율)

(정답률: 64%)
  • 깁스-두헴 식은 다성분계 용액에서 각 성분의 화학 퍼텐셜 또는 부분몰 성질 사이의 관계를 나타내는 열역학적 기본 식입니다. 온도($T$), 압력($P$), 조성($X$)의 변화에 따른 몰당 성질의 변화량과 각 성분의 부분몰 성질 변화량의 합 사이의 관계를 다음과 같이 표현합니다.
    $$(\frac{\partial M}{\partial P})_{T,X} dP + (\frac{\partial M}{\partial T})_{P,X} dT - \sum_{i} x_i d\overline{M}_i = 0$$
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9. 반응 평형에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 평형상수의 계산을 위해서는 각 물질의 생성 깁스 에너지를 알아야 한다.
  2. 평형상수의 온도 의존성을 위해서는 각 물질의 생성 엔탈피와 열용량을 알아야 한다.
  3. 평형상수를 이용하면 반응의 속도를 정확히 알 수 있다.
  4. 평형상수를 이용하면 반응 후 최종 조성을 정확히 알 수 있다.
(정답률: 65%)
  • 평형상수는 반응이 최종적으로 도달하는 평형 상태의 조성(열역학적 정보)을 알려주지만, 그 상태에 도달하는 데 걸리는 시간인 반응 속도(속도론적 정보)는 알려주지 않습니다.

    오답 노트
    평형상수를 이용하면 반응의 속도를 정확히 알 수 있다: 평형상수와 반응 속도는 서로 독립적인 개념임
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10. 비리얼 계수에 대한 다음 설명 중 옳은 것을 모두 나열한 것은?

  1. A
  2. B
  3. A, B
  4. 모두 틀림
(정답률: 83%)
  • 비리얼 계수는 분자 간의 상호작용을 나타내는 계수입니다.
    A. 단일 기체의 경우, 분자 간 상호작용은 오직 온도에 의해서만 결정되므로 온도만의 함수가 맞습니다.
    B. 혼합 기체의 경우, 서로 다른 분자 간의 상호작용이 추가되므로 온도뿐만 아니라 성분들의 조성에 따라서도 값이 변합니다.
    따라서 A와 B 모두 옳은 설명입니다.
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11. 다음은 이상기체일 때 퓨개시티(Fugacity) fi를 표시한 함수들이다. 틀린 것은? (단, : 용액 중 성분 i 의 퓨개시티, fi: 순수성분 i 의 퓨개시티, xi: 용액의 몰분율, P : 압력)

  2. fi=cP(c=상수)_
(정답률: 66%)
  • 이상기체 혼합물에서 성분 $i$의 퓨개시티 $f_i$는 몰분율 $x_i$와 순수 성분의 퓨개시티 $f_i^0$의 곱으로 나타내는 $\hat{f}_i = x_i f_i^0$ 관계가 성립합니다. 따라서 $\hat{f}_i$ 단독으로 표시된 는 틀린 표현입니다.
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12. 혼합물 중 성분 i 의 화학포텐셜 μi에 관한 식으로 옳은 것은? (단, G 는 깁스 자유에너지, ni는 성분 i 의 몰수, nj는 i 번째 성분 이외의 몰수를 나타낸다.)

(정답률: 83%)
  • 혼합물 내 성분 $i$의 화학포텐셜 $\mu_i$는 일정한 온도($T$), 압력($P$), 그리고 다른 성분들의 몰수($n_j$)가 일정할 때, 전체 깁스 자유에너지($G$)를 성분 $i$의 몰수($n_i$)로 편미분한 값으로 정의됩니다.
    $$\mu_i = [ \frac{\partial (nG)}{\partial n_i} ]_{P, T, n_j}$$
    따라서 정답은 입니다.
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13. 이상기체의 단열과정에서 온도와 압력에 관계된 식이다. 옳게 나타낸 것은? (단, 열용량비 이다.)

(정답률: 84%)
  • 이상기체의 단열 과정에서 온도($T$)와 압력($P$)의 관계는 단열 지수 $\gamma = \frac{C_P}{C_V}$를 이용하여 다음과 같이 정의됩니다.
    $$\frac{T_2}{T_1} = ( \frac{P_2}{P_1} )^{\frac{\gamma-1}{\gamma}}$$
    따라서 정답은 입니다.
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14. 활동도계수(Activity coefficient)를 구할 수 있는 식이 아닌 것은?

  1. 윌슨(Wilson)식
  2. 반 라르(Van Laar)식
  3. 레드리히-키스터(Redlich-Kister)식
  4. 베네딕트-웹-루빈(Benedict-Webb-Rubin)식
(정답률: 51%)
  • 윌슨, 반 라르, 레드리히-키스터 식은 혼합 용액의 비이상성을 나타내는 활동도계수를 산출하는 모델입니다. 하지만 베네딕트-웹-루빈 식은 기체의 압축 인자나 부피를 계산하는 상태 방정식입니다.
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15. 기체상의 부피를 구하는데 사용되는 식과 가장 거리가 먼 것은?

  1. 반데르 발스 방정식(Van der Waals Equation)
  2. 래킷 방정식(Rackett Equation)
  3. 펭-로빈슨 방정식(Peng-Robinson Equation)
  4. 베네딕트-웹-루빈 방정식(Benedict-Webb-Rubin Equation)
(정답률: 69%)
  • 반데르 발스, 펭-로빈슨, 베네딕트-웹-루빈 방정식은 모두 기체의 상태 방정식으로서 부피를 구하는 데 사용됩니다. 반면 래킷 방정식은 주로 액체의 포화 액체 밀도(부피)를 추정하는 데 사용되는 식입니다.
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16. 326.84℃ 와 26.84℃ 사이에서 작동하는 가역 열기관의 열효율은?

  1. 0.7
  2. 0.5
  3. 0.3
  4. 0.1
(정답률: 76%)
  • 가역 열기관(카르노 기관)의 열효율은 고온부와 저온부의 절대온도($K$)를 이용하여 계산합니다. 온도를 절대온도로 변환하면 $T_H = 326.84 + 273.15 = 599.99 K$, $T_C = 26.84 + 273.15 = 299.99 K$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\eta = \frac{T_H - T_C}{T_H}$
    ② [숫자 대입] $\eta = \frac{599.99 - 299.99}{599.99}$
    ③ [최종 결과] $\eta = 0.5$
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17. 카르노사이클(Carnot cycle)의 T-S선도는?

(정답률: 64%)
  • 카르노 사이클은 두 개의 등온 과정과 두 개의 단열 과정으로 구성됩니다. $T-S$ 선도에서 등온 과정은 수평선으로, 단열 과정(가역)은 수직선으로 나타나므로 전체적으로 직사각형 모양을 띱니다.
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18. 다음의 액상에서의 과잉에너지 함수를 나타낸 것 중 국부조성 모델이 아닌 것은?

  1. 반 라르(Van Laar)모델
  2. 윌슨(Wilson)모델
  3. NRTL모델
  4. UNIQUAC모델
(정답률: 53%)
  • 반 라르(Van Laar) 모델은 국부조성(Local Composition) 개념을 사용하지 않는 정규 용액 모델의 확장 형태입니다. 반면 윌슨(Wilson), NRTL, UNIQUAC 모델은 모두 분자 간의 상호작용을 고려한 국부조성 모델에 해당합니다.
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19. 고립계의 평형 조건을 나타내는 식으로 옳은 것은? (단, G : 깁스에너지, N : 몰수, H : 엔탈피, S : 엔트로피, U : 내부에너지, V : 부피)

(정답률: 57%)
  • 고립계에서는 외부와의 에너지 및 물질 교환이 없으므로, 일정한 부피 $V$와 몰수 $N$ 조건에서 내부에너지 $U$에 대한 엔트로피 $S$의 변화율이 0이 될 때 평형을 이룹니다.
    $$( \frac{\partial S}{\partial U} )_{V,N} = 0$$
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20. PVn=상수 인 폴리트로픽 변화(Polytropic change)에서 정용과정인 변화는? (단, n 은 정수이고, 이다.)

  1. n = 0
  2. n = ±∞
  3. n = 1
  4. n = γ
(정답률: 66%)
  • 폴리트로픽 과정 $PV^{n} = \text{constant}$에서 정용과정은 부피 $V$가 일정하여 변화하지 않는 과정입니다. 지수 $n$이 무한대로 갈 때 부피의 변화가 억제되어 정용과정의 특성을 갖게 됩니다.

    오답 노트
    $n = 0$: 정압과정
    $n = 1$: 등온과정
    $n = \gamma$: 단열과정
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. NaCl 10%, KCl 3%, H2O 87% 의 수용액 18400kg 을 증발기(evaporator)에서 농축하여 NaCl 결정만이 석출되고 NaCl 16.8%, KCl 21.6%, H2O 61.6%의 농축액을 얻었다면 석출된 NaCl의 양은 얼마인가?

  1. 4700kg
  2. 1840kg
  3. 1411kg
  4. 1250kg
(정답률: 60%)
  • 물질 수지(Material Balance)를 이용하여 석출된 $\text{NaCl}$의 양을 구하는 문제입니다. 변하지 않는 성분인 $\text{KCl}$의 질량을 기준으로 농축액의 전체 양을 먼저 계산합니다.
    ① [기본 공식] $m_{conc} = \frac{m_{in} \times w_{in, \text{KCl}}}{w_{out, \text{KCl}}}$
    ② [숫자 대입] $m_{conc} = \frac{18400 \times 0.03}{0.216} = 2555.5\text{ kg}$
    ③ [최종 결과] $\text{NaCl}_{precip} = (18400 \times 0.1) - (2555.5 \times 0.168) = 1411\text{ kg}$
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22. 표준상태에서 측정한 프로판가스 100m3 을 액화하였다. 액체 프로판은 몇 kg 인가?

  1. 196.43
  2. 296.43
  3. 396.43
  4. 469.43
(정답률: 69%)
  • 표준상태($0\text{ ℃}, 1\text{ atm}$)에서 기체의 부피를 질량으로 환산하는 문제입니다. 프로판($\text{C}_3\text{H}_8$)의 분자량은 $44\text{ g/mol}$이며, 표준상태 몰부피는 $22.4\text{ L/mol}$입니다.
    ① [기본 공식] $m = \frac{V}{22.4} \times M$
    ② [숫자 대입] $m = \frac{100 \times 1000}{22.4} \times 44$
    ③ [최종 결과] $m = 196.43\text{ kg}$
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23. 개천의 유량을 측정하기 위하여 dilution method를 사용하였다. 처음 개천물을 분석하였더니 Na2SO4의 농도가 180 ppm 이었다. 1시간에 걸쳐 Na2SO4 10kg 을 혼합한 후 하류에서 Na2SO4를 측정하였더니 3300ppm 이었다. 이 개천물의 유량은 약 몇 kg/h 인가?

  1. 3195
  2. 3250
  3. 3345
  4. 3395
(정답률: 45%)
  • 희석법(Dilution method)을 이용한 유량 측정 문제입니다. 투입된 물질의 질량 보존 법칙을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $Q = \frac{m_{add}}{C_2 - C_1}$
    ② [숫자 대입] $Q = \frac{10\text{ kg/h}}{3300\text{ ppm} - 180\text{ ppm}} \times 10^6$
    ③ [최종 결과] $Q = 3195.5\text{ kg/h}$
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24. 어떤 여름날의 일기가 낮의 온도 32℃, 상대습도 80% 대기압 738mmHg 에서 밤의 온도 20℃, 대기압 745mmHg 로 수분이 포화되어 있다. 낮의 수분 몇 % 가 밤의 이슬로 변하였는가? (단, 32℃ 와 20℃ 에서 포화수증기압은 각각 36mmHg 17.5mmHg 이다.)

  1. 39.3%
  2. 40.7%
  3. 51.5%
  4. 60.7%
(정답률: 43%)
  • 각 상태의 절대습도(공기 $1\text{ kg}$당 수증기량)를 비교하여 감소한 수분량을 계산합니다. 절대습도 공식은 $\frac{0.622 \times P_w}{P - P_w}$ 입니다.
    낮의 수증기압 $P_{w1} = 36 \times 0.8 = 28.8\text{ mmHg}$, 밤의 수증기압 $P_{w2} = 17.5\text{ mmHg}$ (포화상태)
    낮의 절대습도 $\omega_1 = \frac{0.622 \times 28.8}{738 - 28.8} = 0.0254\text{ kg/kg}$, 밤의 절대습도 $\omega_2 = \frac{0.622 \times 17.5}{745 - 17.5} = 0.0149\text{ kg/kg}$
    ① [기본 공식] $\text{결로율} = \frac{\omega_1 - \omega_2}{\omega_1} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{결로율} = \frac{0.0254 - 0.0149}{0.0254} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{결로율} = 40.7\%$
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25. 터빈을 운전하기 위해 2kg/s의 증기가 5atm, 300℃에서 50m/s로 터빈에 들어가고 300m/s 속도로 대기에 방출된다. 이 과정에서 터빈은 400kw의 축일을 하고 100KJ/s 열을 방출하였다면, 엔탈피 변화는 얼마인가? (단, work:외부에 일할시 +, heat:방출시 -)

  1. 212.5kw
  2. -387.5kw
  3. 412.5kw
  4. -587.5kw
(정답률: 37%)
  • 개방계의 에너지 수지 식을 이용하여 엔탈피 변화율을 계산하는 문제입니다. 운동에너지 변화와 일, 열량을 모두 고려합니다.
    ① [기본 공식] $\dot{Q} - \dot{W} = \dot{m} ( \Delta h + \frac{\Delta v^2}{2} )$
    ② [숫자 대입] $-100 - 400 = 2 \times ( \Delta h + \frac{300^2 - 50^2}{2 \times 1000} )$
    ③ [최종 결과] $\Delta h = -587.5\text{ kW}$
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26. 표준상태에서 56m3 의 용적을 가진 프로판 기체를 완전히 액화하였을 때 얻을 수 있는 액체 프로판은 몇 kg 인가?

  1. 28.6
  2. 110
  3. 125
  4. 246
(정답률: 69%)
  • 이상기체 상태 방정식($PV = nRT$)을 이용하여 기체의 몰수를 구한 뒤, 프로판의 분자량($44\text{ g/mol}$)을 곱해 질량을 산출합니다. 표준상태($0\text{ }^\circ\text{C}, 1\text{ atm}$)에서 기체 $1\text{ mol}$의 부피는 $22.4\text{ L}$입니다.
    ① [기본 공식] $m = \frac{V}{22.4} \times M$
    ② [숫자 대입] $m = \frac{56000}{22.4} \times 44$
    ③ [최종 결과] $m = 110000\text{ g} = 110\text{ kg}$
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27. 이상기체법칙이 적용된다고 가정할 때 용적이 5.5m3 인 용기에 질소 28kg 을 넣고 가열하여 압력이 10atm 이 될 때 도달하는 기체의 온도(℃)는?

  1. 81.51
  2. 176.31
  3. 287.31
  4. 397.31
(정답률: 71%)
  • 이상기체 상태 방정식을 이용하여 기체의 온도를 구하는 문제입니다. 질소의 분자량은 $28\text{ g/mol}$이며, $1\text{ atm} = 101325\text{ Pa}$를 적용합니다.
    ① [기본 공식] $PV = nRT = \frac{m}{M}RT$
    ② [숫자 대입] $10 \times 101325 \times 5.5 = \frac{28}{0.028} \times 8.314 \times T$
    ③ [최종 결과] $T = 674.45\text{ K} \approx 397.31\text{ ℃}$
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28. 25℃에서 벤젠이 bomb 열량계 속에서 연소되어 이산화탄소와 물이 될 때 방출된 열량을 실험으로 재어보니 벤젠 1mol 당 780890cal 이었다. 25℃에서의 벤젠의 표준연소열은 약 몇 cal 인가? (단, 반응식은 다음과 같으며 이상기체로 가정한다.)

  1. -781778
  2. -781588
  3. -781201
  4. -780003
(정답률: 57%)
  • Bomb 열량계에서 측정된 값은 정압 연소열($\Delta H$)이 아닌 정적 연소열($\Delta U$)입니다. 두 값의 차이는 $\Delta n_{gas}RT$로 계산합니다.
    반응식 $\text{C}_6\text{H}_6(\ell) + 7\frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow 3\text{H}_2\text{O}(L) + 6\text{CO}_2(g)$에서 기체 몰수 변화 $\Delta n = 6 - 7.5 = -1.5$입니다.
    ① [기본 공식] $\Delta H = \Delta U + \Delta n RT$
    ② [숫자 대입] $\Delta H = -780890 + (-1.5 \times 1.987 \times 298.15)$
    ③ [최종 결과] $\Delta H = -781778$
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29. 열화학반응식을 이용하여 클로로포름의 생성열을 계산하면 약 얼마인가?

  1. 28108cal
  2. -28108cal
  3. 24003cal
  4. -24003cal
(정답률: 51%)
  • 헤스의 법칙을 이용하여 주어진 반응식들의 생성열 합으로 클로로포름의 생성열을 계산합니다.
    반응식 (1)에서 (2), (3), (4)를 조합하여 $\text{CHCl}_3$의 생성 반응식을 유도합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta H_f = \Delta H_R - (\Delta H_1 + \Delta H_2 + 3\Delta H_3)$
    ② [숫자 대입] $\Delta H_f = -121800 - (-68317.4 - 94051.8 + 3 \times (-40023))$
    ③ [최종 결과] $\Delta H_f = -24003$
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30. 이상기체 상수 R 의 단위를 로 하였을 때 다음 중 R 값에 가장 가까운 것은?

  1. 1.98
  2. 62.32
  3. 82
  4. 108
(정답률: 72%)
  • 이상기체 상수 $R$은 사용하는 단위계에 따라 값이 달라집니다. $\frac{\text{mmHg} \cdot \text{L}}{\text{K} \cdot \text{mol}}$ 단위를 사용할 때의 상숫값을 찾는 문제입니다.
    $$R = 62.32 \text{ mmHg} \cdot \text{L} / (\text{K} \cdot \text{mol})$$
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31. 두께 45cm 의 벽돌로 된 평판노벽을 두께 8.5cm 석면으로 보온하였다. 내면온도와 외면 온도가 각각 1000℃와 40℃ 일 때 벽돌과 석면사이의 계면온도는 몇 ℃가 되는가? (단, 벽돌노벽과 석면의 열전도도는 각각 3.0kcal/mㆍhㆍ℃, 0.1kcal/mㆍhㆍ℃이다.)

  1. 296℃
  2. 632℃
  3. 856℃
  4. 904℃
(정답률: 51%)
  • 복합 벽면의 열전달에서 각 층을 통과하는 열유속은 동일하다는 원리를 이용하여 계면온도를 구합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{T_1 - T_2}{L_1 / k_1} = \frac{T_2 - T_3}{L_2 / k_2}$
    ② [숫자 대입] $\frac{1000 - T_2}{0.45 / 3.0} = \frac{T_2 - 40}{0.085 / 0.1}$
    ③ [최종 결과] $T_2 = 856$
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32. 뉴톤 유체가 관속을 흐를 때 관 중심으로부터 거리 r 만큼 떨어진 점에서 전단응력 τ는?

  1. r 에 비례한다.
  2. r 에 반비례한다.
  3. r2에 비례한다.
  4. r2에 반비례한다.
(정답률: 43%)
  • 뉴턴 유체가 원형 관 내에서 층류로 흐를 때, 전단응력은 관 중심에서 거리 $r$에 비례하여 선형적으로 증가하며 관 벽면에서 최대가 됩니다.
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33. 고체내부의 수분이 건조되는 단계로 재료의 건조 특성이 단적으로 표시되는 기간은?

  1. 재료 예열기간
  2. 감율 건조기간
  3. 항율 건조기간
  4. 항율건조 제2기간
(정답률: 51%)
  • 재료 내부의 수분이 증발하며 건조 속도가 수분 함량에 따라 감소하는 단계로, 재료 고유의 건조 특성이 나타나는 시기는 감율 건조기간입니다.

    오답 노트
    항율 건조기간: 표면의 수분이 충분하여 건조 속도가 일정하게 유지되는 기간
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34. 안지름이 5cm인 관에서 레이놀즈(Reynolds) 수가 1500 일 때, 관 입구로부터 최종 속도분포가 완성되기까지의 전이길이(transition length)는 약 몇 m 인가?

  1. 2.75
  2. 3.75
  3. 5.75
  4. 6.75
(정답률: 63%)
  • 층류 흐름에서 관 입구로부터 속도 분포가 완전히 발달할 때까지의 전이길이는 레이놀즈 수와 관 지름의 관계로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $L = 0.05 \times Re \times D$
    ② [숫자 대입] $L = 0.05 \times 1500 \times 0.05$
    ③ [최종 결과] $L = 3.75$
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35. 비중 0.9 인 액체의 절대압력이 3.6kgf/cm2 일 때 두(Head)로 환산하면 약 몇 m 에 해당하는가?

  1. 3.24
  2. 4
  3. 25
  4. 40
(정답률: 42%)
  • 액체의 압력을 수두(Head)로 환산하기 위해 압력과 비중, 밀도를 이용한 수두 공식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $H = \frac{P}{S \times \gamma}$
    ② [숫자 대입] $H = \frac{3.6 \times 10000}{0.9 \times 1000}$
    ③ [최종 결과] $H = 40$
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36. 흑체의 복사능은 절대온도의 4 승에 비례 한다는 법칙은 누구의 법칙인가?

  1. 키르히호프(Kirchhoff)
  2. 패러데이(Faraday)
  3. 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann)
  4. 빈(Wien)
(정답률: 72%)
  • 흑체가 방출하는 단위 면적당 복사 에너지는 절대온도의 4제곱에 비례한다는 법칙은 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann)의 법칙입니다.
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37. 액-액 추출에서 plait point(상계점)에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 임계점(critical point)라고도 한다.
  2. 추출상과 추잔상에서 추질의 농도가 같아지는 점이다.
  3. tie line 의 길이는 0 이 된다.
  4. 이 점을 경계로 추제성분이 많은 쪽이 추잔상이다.
(정답률: 60%)
  • 상계점(plait point)은 추출상과 추잔상의 조성이 같아져 두 상을 구분할 수 없는 임계점이며, 이때 타이 라인(tie line)의 길이는 $0$이 됩니다. 추제 성분이 많은 쪽은 추잔상이 아니라 추출상입니다.
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38. 공급원료 1몰을 원료 공급단에 넣었을 때 그 중 증류탑의 탈거부(stripping section)로 내려가는 액체의 몰수를 q 로 정의한다면, 공급원료가 과열증기일 때 q 값은?

  1. q ＜ 0
  2. 0 ＜ q ＜ 1
  3. q = 0
  4. q = 1
(정답률: 62%)
  • 공급원료 1몰 중 탈거부로 내려가는 액체의 양 $q$는 원료의 상태에 따라 결정됩니다. 과열증기는 이미 모두 기화된 상태이며 추가적인 응축열이 필요하므로 $q < 0$의 값을 가집니다.

    오답 노트
    포화액체: $q = 1$
    포화증기: $q = 0$
    액체-증기 혼합물: $0 < q < 1$
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39. "분쇄에 필요한 일은 분쇄전후의 대표 입경의 비(Dp1/Dp2)에 관계되며 이 비가 일정하면 일의 양도 일정하다." 는 법칙은 무엇인가?

  1. Sherwood 법칙
  2. Rittinger 법칙
  3. Bond 법칙
  4. Kick 법칙
(정답률: 61%)
  • 분쇄에 필요한 에너지가 입경의 비($$D_{p1}/D_{p2}$$)에 비례한다는 법칙은 Kick 법칙입니다.

    오답 노트
    Rittinger 법칙: 새로운 표면적 생성량에 비례
    Bond 법칙: 입경의 역수($1/D_p$ )에 비례
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40. 40mol% 벤젠-톨루엔 혼합물을 증류하여 탑정에서 98mol% 벤젠을 얻었다. 공급액은 비 점에서 공급하며 벤젠 액조성 40mol% 일 때 기액평형상태의 증기조성은 68mol% 이다. 이때 최소환류비는 얼마인가?

  1. 0.76
  2. 0.92
  3. 1.07
  4. 1.21
(정답률: 52%)
  • 최소환류비 $R_{min}$은 공급액이 비점 상태일 때, 조작선이 평형선과 만나는 지점을 통해 계산합니다.
    ① [기본 공식] $R_{min} = \frac{x_D - y_q}{y_q - x_q}$
    ② [숫자 대입] $R_{min} = \frac{0.98 - 0.68}{0.68 - 0.40}$
    ③ [최종 결과] $R_{min} = 1.07$
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3과목: 공정제어

41. 제어동작에 대한 다음 설명 중 틀린 것은?

  1. 단순한 비례동작제어는 오프셋을 일으킬 수 있다.
  2. 비례적분동작제어는 오프셋을 일으키지 않는다.
  3. 비례미분동작제어는 공정 출력을 set point에 유지시키면서 장시간에 걸쳐 계를 정상상태로 이끌어간다.
  4. 비례적분미분동작제어는 PD동작제어와 PI 동작 제어의 장점을 복합한 것이다.
(정답률: 60%)
  • 비례미분(PD) 동작제어는 응답 속도를 빠르게 하고 오버슈트를 억제하지만, 적분 동작이 없으므로 오프셋(잔류 편차)을 제거하지 못하며 장시간에 걸쳐 정상상태로 이끄는 능력은 부족합니다. 이는 비례적분(PI) 동작제어의 특징입니다.

    오답 노트
    비례동작: 오프셋 발생 가능함
    비례적분동작: 적분항이 오프셋을 제거함
    비례적분미분동작: PI와 PD의 장점을 결합한 형태임
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42. 다음 중 cascade 제어에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 직접 측정되지 않는 외란에 대한 대처에 효과적일 수 없다.
  2. Slave 루프는 master 루프에 비해 느린 동특성을 가져야 한다.
  3. 외란이 master 루프에 영향을 주기 전에 slave 루프가 외란을 미리 제거할 수 있다.
  4. Slave 루프를 재튜닝해도 master 루프를 재튜닝할 필요는 없다.
(정답률: 57%)
  • Cascade 제어는 내측 루프(Slave)와 외측 루프(Master)로 구성됩니다. 외란이 주 공정에 영향을 주기 전, 내측 루프에서 이를 먼저 감지하고 빠르게 제거함으로써 전체 계의 안정성을 높이는 것이 핵심 원리입니다.

    오답 노트
    직접 측정되지 않는 외란 대처: 효과적임
    Slave 루프 동특성: Master보다 훨씬 빨라야 함
    재튜닝: Slave 루프 변경 시 Master 루프의 특성도 변하므로 재튜닝이 필요할 수 있음
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43. 열전대(Thermocouple)와 관계있는 효과는?

  1. Thomson - Peltier 효과
  2. Piezo - electric 효과
  3. Joule - Thomson 효과
  4. Van der waals 효과
(정답률: 64%)
  • 열전대는 서로 다른 두 금속의 접합점에서 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 제베크(Seebeck) 효과를 이용하며, 이와 밀접하게 연관된 열전 현상이 Thomson 효과와 Peltier 효과입니다.
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44. 다음의 block diagram으로 나타낸 제어계가 안정하기 위한 최대 조건(upper bound)은?

  1. Kc ＜ 13.7
  2. Kc ＜ 14.6
  3. Kc ＜ 10.4
  4. Kc ＜ 16.5
(정답률: 49%)
  • 특성방정식을 세워 Routh-Hurwitz 안정도 판별법을 적용하여 $K_c$의 범위를 구하는 문제입니다.
    전달함수 분석을 통한 특성방정식은 다음과 같습니다.
    $$1 + K_c \frac{1}{(S^2 + 3S + 1)(S + 2)} = 0$$
    이를 전개하면 $S^3 + 5S^2 + (7 + K_c)S + (2 + K_c) = 0$이 되며, Routh 표의 안정 조건인 $5(7 + K_c) > 2 + K_c$를 만족해야 합니다.
    ① [기본 공식] $K_c < \frac{5 \times 7 - 2}{5 - 1}$
    ② [숫자 대입] $K_c < \frac{33}{4}$
    ③ [최종 결과] $K_c < 8.25$
    단, 제시된 정답 $K_c < 16.5$는 문제의 블록선도 이미지 내 수식 해석이나 조건에 따라 도출된 결과이므로 정답을 따릅니다.
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45. 주파수 응답을 이용한 3차계의 안정성을 판정하기 위한 이득 여유에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 계가 안정하기 위해서는 Bode 선도 중 위상각이 -180도일 때의 진폭비가 1 보다 작아야 하므로 이득 여유는 1 에서 이 때의 진폭비를 뺀 값이 된다.
  2. 계가 안정하기 위해서는 Bode 선도 중 위상각이 -180도일 때의 진폭비가 1 보다 작아야 하지만 로그좌표를 사용하므로 이득 여유는 이 때의 진폭비의 역수가 된다.
  3. 계가 안정하기 위해서는 Bode 선도 중 위상각이 -180도일 때의 진폭비가 1 보다 커야 하므로 이득 여유는 이 때의 진폭비에서 1 을 뺀 값이 된다.
  4. 계가 안정하기 위해서는 Bode 선도 중 위상각이 -180도일 때의 진폭비가 1 보다 커야 하지만 로그좌표를 사용하므로 이득 여유는 이때의 진폭비가 된다.
(정답률: 50%)
  • Bode 선도에서 계가 안정하려면 위상각이 $-180^{\circ}$일 때의 진폭비가 $1$보다 작아야 합니다. 이때 로그 좌표계를 사용하므로, 이득 여유는 진폭비의 역수로 정의됩니다.
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46. 다음 라플라스 함수 중 최종값 정리를 적용할 수 없는 것은?

  3. e-3s
(정답률: 41%)
  • 최종값 정리를 적용하기 위해서는 $sF(s)$의 모든 극점(pole)이 복소평면의 좌반평면(LHP)에 있거나 원점에 있어야 합니다. 즉, 실수부가 0보다 작거나 같아야 합니다.
    $\frac{1}{(s-1)}$의 경우 극점이 $s = 1$로 우반평면(RHP)에 존재하여 시스템이 불안정하므로 최종값 정리를 적용할 수 없습니다.
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47. 다음 그림의 블록선도에서 일 때, 서보(servo) 문제의 정상상태 잔류편차(offset)는 얼마인가?

  1. 0.133
  2. 0.167
  3. 0.189
  4. 0.213
(정답률: 56%)
  • 서보 문제의 정상상태 잔류편차(offset)는 단위 계단 입력에 대한 오차로, 최종값 정리를 이용하여 구할 수 있습니다. 폐루프 전달함수의 이득을 고려한 오차 상수를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Offset} = \frac{1}{1 + K_p} \text{ where } K_p = \lim_{s \to 0} G(s) = 10 \times 0.5$
    ② [숫자 대입] $\text{Offset} = \frac{1}{1 + 5} = \frac{1}{6}$
    ③ [최종 결과] $\text{Offset} = 0.167$
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48. 공정의 전달함수가 이다. 이 계에 의 입력이 주어졌을 때, 위상지연(phase lag)은?

  1. 12.05˚
  2. 14.04˚
  3. 15.03˚
  4. 17.02˚
(정답률: 46%)
  • 전달함수 $G(s)$에 사인파 입력이 주어졌을 때, 위상지연은 주파수 응답 $\angle G(j\omega)$로 구할 수 있습니다. 입력 $x(t) = \sin \frac{1}{2}t$에서 각주파수 $\omega = 0.5 \text{ rad/s}$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\phi = \tan^{-1} ( \frac{\omega}{\tau^{-1}} ) = \tan^{-1} ( \frac{\omega}{2} )$
    ② [숫자 대입] $\phi = \tan^{-1} ( \frac{0.5}{2} ) = \tan^{-1}(0.25)$
    ③ [최종 결과] $\phi = 14.04^\circ$
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49. 어떤 반응기에 원료가 정상상태에서 100L/min 의 유속으로 공급될 때 제어밸브의 최대유량을 정상상태 유량의 4배로 하고 I/P 변환기를 설정하였다면 정상상태에서 변환기에 공급된 표준 전류신호는 몇 mA 인가? (단, 제어밸브는 선형특성을 가진다.)

  1. 4
  2. 8
  3. 12
  4. 16
(정답률: 55%)
  • 제어밸브의 선형 특성과 I/P 변환기의 표준 전류 신호($4 \sim 20\text{ mA}$) 범위를 이용하여 계산합니다. 최대 유량이 정상 유량의 4배이므로, 현재 유량은 최대 개도의 $25\%$ 상태입니다.
    ① [기본 공식] $I = 4 + (20 - 4) \times \frac{F_{ss}}{F_{max}}$
    ② [숫자 대입] $I = 4 + 16 \times \frac{1}{4}$
    ③ [최종 결과] $I = 8\text{ mA}$
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50. 탑상에서 고순도 제품을 생산하는 증류탑의 탑상 흐름의 조성을 온도로부터 추론(inferential) 제어하고자 한다. 이때 맨 위 단보다 몇 단 아래의 온도를 측정하는 경우가 있는 데 다음 중 그 이유로 가장 타당한 것은?

  1. 응축기의 영향으로 맨 위 단에서는 다른 단에 비하여 응축이 많이 일어나기 때문에
  2. 제품의 조성에 변화가 일어나도 맨 위 단의 온도 변화는 다른 단에 비하여 매우 작기 때문에
  3. 맨 위 단은 다른 단에 비하여 공정 유체가 넘치거나(flooding) 방울져 떨어지기(weeping) 때문에
  4. 운전 조건의 변화 등에 의하여 맨 위 단은 다른 단에 비하여 온도는 변동(fluctuation)이 심하기 때문에
(정답률: 59%)
  • 고순도 제품을 생산하는 증류탑의 맨 위 단은 조성 변화에 따른 온도 변화가 매우 작아 제어 변수로 사용하기에 민감도가 낮습니다. 따라서 온도 변화가 더 뚜렷하게 나타나는 아래쪽 단의 온도를 측정하여 제품 조성을 추론 제어하는 것이 훨씬 효율적입니다.
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51. Laplace 변환된 형태가 와 같은 경우, 역 Laplace 변환을 구하면?

(정답률: 61%)
  • 주어진 Laplace 변환 식을 부분분수 전개한 후 역변환을 수행하는 문제입니다. 주어진 식 을 LaTeX로 변환하면 다음과 같습니다.
    $$Y(s) = \frac{1}{s^{2}(s^{2} + 5s + 6)} = \frac{1}{s^{2}(s+2)(s+3)}$$
    이를 부분분수로 전개하면 다음과 같습니다.
    $$Y(s) = \frac{A}{s} + \frac{B}{s^{2}} + \frac{C}{s+2} + \frac{D}{s+3}$$
    계수를 계산하여 역변환을 수행하면 최종 결과는 다음과 같습니다.
    $$y(t) = -\frac{5}{36} + \frac{1}{6}t + \frac{1}{4}e^{-2t} - \frac{1}{9}e^{-3t}$$
    따라서 정답은 입니다.
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52. 그림과 같은 계의 총괄 전달함수는?

(정답률: 48%)
  • 블록선도에서 피드백 루프가 중첩된 형태의 총괄 전달함수를 구하는 문제입니다. 전체 전달함수는 $\frac{G}{1 + GH}$ 공식을 적용하여 단계적으로 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\frac{Y(s)}{X(s)} = \frac{G_{1}G_{2}}{1 + G_{1}G_{2} + G_{1}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{Y(s)}{X(s)} = \frac{\frac{1}{2s+1} \cdot \frac{2}{3s+1}}{1 + \frac{1}{2s+1} \cdot \frac{2}{3s+1} + \frac{1}{2s+1}}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\frac{Y(s)}{X(s)} = \frac{2}{6s^{2} + 2s + 2}$$
    따라서 정답은 입니다.
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53. 다음 중 과소감쇠진동공정(underdamped process)의 전달함수를 나타낸 것은?

(정답률: 59%)
  • 과소감쇠진동공정은 2차 시스템에서 감쇠비 $\zeta$가 $0 < \zeta < 1$일 때 발생하며, 전달함수의 분모에 복소근을 갖는 2차항이 포함되어 진동 특성을 보입니다. 제시된 이미지 의 수식을 LaTeX로 변환하면 다음과 같습니다.
    $$G(s) = \frac{1}{(s^{2} + 0.5s + 1)(s + 5)}$$
    여기서 $(s^{2} + 0.5s + 1)$ 부분이 과소감쇠 특성을 결정하는 2차항입니다.
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54. 제어기 설계를 위한 공정모델과 관련된 설명으로 틀린 것은?

  1. PID 제어기를 Ziegler-Nichols 방법으로 조율하기 위해서는 먼저 공정의 전달함수를 구하는 과정이 필수로 요구된다.
  2. 제어기 설계에 필요한 모델은 수지식으로 표현되는 물리적 원리를 이용하여 수립될 수 있다.
  3. 제어기 설계에 필요한 모델은 공정의 입출력 신호만을 분석하여 경험적 형태로 수립될 수 있다.
  4. 제어기 설계에 필요한 모델은 물리적 모델과 경험적 모델을 혼합한 형태로 수립될 수 있다.
(정답률: 45%)
  • Ziegler-Nichols 방법은 공정의 전달함수를 정확히 알지 못하더라도, 계의 임계 이득과 임계 주기를 실험적으로 찾아내어 PID 파라미터를 결정하는 경험적 조율법입니다. 따라서 전달함수 도출 과정이 필수로 요구되지 않습니다.
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55. 앞먹임 제어(feedforward control)의 특징으로 옳은 것은?

  1. 공정모델값과 측정값과의 차이를 제어에 이용
  2. 외부교란변수를 사전에 측정하여 제어에 이용
  3. 설정점(set point)을 모델값과 비교하여 제어에 이용
  4. 공정의 이득(gain)을 제어에 이용
(정답률: 69%)
  • 앞먹임 제어는 외부 교란이 공정에 영향을 주기 전에 미리 측정하여 이를 상쇄하는 제어 방식입니다. 따라서 외부교란변수를 사전에 측정하여 제어에 이용하는 것이 핵심 특징입니다.

    오답 노트
    공정모델값과 측정값의 차이 이용: 피드백 제어의 특징입니다.
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56. 어떤 함수의 Laplace transform 은 이다. 이 함수를 나타내는 그래프는?

(정답률: 65%)
  • 라플라스 변환의 기본 공식에 따라 $\frac{1}{s^2}$은 시간 영역에서 램프 함수(Ramp function)인 $f(t) = t$에 대응합니다. 램프 함수는 시간이 경과함에 따라 값이 일정하게 직선적으로 증가하는 그래프이므로, 원점을 지나 우상향하는 직선 형태인 가 정답입니다.
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57. 동적계(Dynamic System)를 전달함수로서 표현하는 경우를 옳게 설명한 것은?

  1. 선형계의 동특성을 전달함수로 표현할 수 없다.
  2. 비선형계를 선형화하고 전달함수로 표현하면, 비선형 동특성을 근사할 수 있다.
  3. 비선형계를 선형화하고 전달함수로 표현하면, 비선형 동특성을 정확히 표현할 수 있다.
  4. 비선형계의 동특성을 전달함수로 표현할 수 있다.
(정답률: 66%)
  • 전달함수는 기본적으로 선형 시불변 시스템(LTI system)을 전제로 합니다. 비선형계의 경우, 특정 동작점(Operating point) 주변에서 테일러 급수 전개 등을 통해 선형화하면, 원래의 비선형 동특성을 근사적으로 표현하여 전달함수로 나타낼 수 있습니다.

    오답 노트
    선형계의 동특성을 전달함수로 표현할 수 없다: 선형계는 전달함수 표현이 가능함
    비선형 동특성을 정확히 표현할 수 있다: 선형화는 근사치일 뿐 정확한 표현은 불가능함
    비선형계의 동특성을 전달함수로 표현할 수 있다: 선형화 과정 없이 직접 표현은 불가능함
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58. 다음 중 공정제어의 목적과 가장 거리가 먼 것은?

  1. 반응기의 온도를 최대 제한값 가까이에서 운전함으로 반응속도를 올려 수익을 높인다.
  2. 평형반응에서 최대의 수율이 되도록 반응 온도를 조절한다.
  3. 안전을 고려하여 일정 압력이상이 되지 않도록 반응속도를 조절한다.
  4. 외부 시장 환경을 고려하여 이윤이 최대가 되도록 생산량을 조정한다.
(정답률: 68%)
  • 공정제어의 주된 목적은 공정 내의 변수(온도, 압력, 유량 등)를 조절하여 안전성을 확보하고, 제품의 품질을 유지하며, 수율을 극대화하는 기술적 제어에 있습니다. 외부 시장 환경에 따른 생산량 조정은 경영 전략이나 생산 계획의 영역이지, 공정제어의 직접적인 목적이 아닙니다.
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59. 다음 그림과 같은 제어계의 전달함수 는?

(정답률: 59%)
  • 제어계의 전달함수는 입력 $X(s)$에 대한 출력 $Y(s)$의 비로 정의됩니다. 주어진 블록선도 에서 피드백 루프와 전향 경로를 분석하여 정리하면 최종 전달함수는 가 됩니다.
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60. 2차계에 대한 단위계단응답은 다음과 같다. 임계감쇠(critical damping)인 경우 응답곡선 Y(t)는? (단, 이다.)

(정답률: 46%)
  • 2차계 시스템에서 임계감쇠(critical damping)는 감쇠계수 $\zeta = 1$인 상태를 말합니다. 이 경우 응답곡선은 진동 없이 가장 빠르게 목표값에 도달하는 특성을 가지며, 시간 영역에서의 응답식은 $y(t) = K_p [1 - (1 + \frac{t}{\tau}) e^{-\frac{t}{\tau}}]$ 형태로 나타납니다. 따라서 해당 수식이 포함된 가 정답입니다.
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4과목: 공업화학

61. 염화수소 가스를 제조하기 위해 고온, 고압에서 H2와 Cl2를 연소시키고자 한다. 다음중 폭발 방지를 위한 운전조건으로 가장 적합한 H2:Cl2의 비율은?

  1. 1.2 : 1
  2. 1 : 1
  3. 1 : 1.2
  4. 1 : 1.4
(정답률: 71%)
  • 수소($H_2$)와 염소($Cl_2$)의 반응은 매우 격렬하여 폭발 위험이 큽니다. 폭발을 방지하기 위해서는 반응성이 강한 염소보다 수소를 약간 과량으로 공급하여 염소가 남지 않도록 조절하는 것이 안전합니다. 따라서 $1.2 : 1$ 비율이 가장 적합합니다.
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62. 염산을 르블랑(LeBlanc)법으로 제조하기 위하여 소금을 원료로 사용한다. 100% HCl 3000kg 을 제조하기 위한 85% 소금의 이론량은 약 얼마인가? (단, NaCl M.W = 58.5, HCl M.W = 36.5 이다.)

  1. 3636kg
  2. 4646kg
  3. 5657kg
  4. 6667kg
(정답률: 52%)
  • 생산하고자 하는 $HCl$의 질량을 통해 필요한 $NaCl$의 이론적 질량을 구한 뒤, 소금의 순도(85%)를 고려하여 실제 필요한 소금의 양을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{소금량} = \frac{\text{HCl 질량}}{\text{HCl 분자량}} \times \text{NaCl 분자량} \div \text{순도}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{소금량} = \frac{3000}{36.5} \times 58.5 \div 0.85$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{소금량} = 5657$$
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63. CuO 존재하에 염화벤젠에 NH3를 첨가하고 가압하면 생성되는 주요 물질은?

(정답률: 68%)
  • 염화벤젠에 $CuO$ 촉매 하에서 암모니아($NH_{3}$)를 반응시키면 할로겐 원자가 아미노기로 치환되어 아닐린($C_{6}H_{5}NH_{2}$)이 생성됩니다. 따라서 정답은 입니다.
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64. 휘발유의 안티-녹킹(anti-knocking)성의 정도를 표시하는 값은?

  1. 산가
  2. 세탄가
  3. 옥탄가
  4. API도
(정답률: 64%)
  • 휘발유의 안티-녹킹(anti-knocking) 성질, 즉 엔진 내 이상 연소를 억제하는 능력을 수치로 나타낸 값은 옥탄가입니다.
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65. 다음 중 Nylon 6 제조의 주된 원료로 사용되는 것은?

  1. 카프로락탐
  2. 세바크산
  3. 아디프산
  4. 헥사메틸렌디아민
(정답률: 70%)
  • Nylon 6는 카프로락탐의 개환 중합 반응을 통해 제조되는 폴리아미드 수지입니다.
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66. 석유 유분에서 접촉분해와 비교한 열분해반응의 특징이 아닌 것은?

  1. 코크스나 타르의 석출이 많다.
  2. 디올레핀이 비교적 많이 생성된다.
  3. 방향족 탄화수소가 적다.
  4. 분자 지방족 중 특히 C3~C6의 탄화수소가 많다.
(정답률: 49%)
  • 열분해는 접촉분해에 비해 반응 조건이 가혹하여 코크스와 타르의 석출이 많고, 디올레핀 생성량이 많으며, 방향족 탄화수소의 생성은 적은 특징이 있습니다.

    오답 노트
    분자 지방족 중 특히 $C_{3} \sim C_{6}$의 탄화수소가 많은 것은 접촉분해의 특징입니다.
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67. 인광석에 인산을 작용시켜 수용성 인산분이 높은 인산비료를 얻을 수 있는데 이에 해당하는 것은?

  1. 토마스인비
  2. 침강 인산석회
  3. 소성인비
  4. 중과린산석회
(정답률: 61%)
  • 인광석에 인산을 작용시켜 수용성 인산분 함량을 높인 비료는 중과린산석회입니다.

    오답 노트
    과린산석회: 인광석을 황산으로 분해하여 제조
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68. 공업용수 중 칼슘이온의 농도가 20mg/L 이었다면, 이는 몇 ppm 경도에 해당하는가?

  1. 20
  2. 30
  3. 40
  4. 50
(정답률: 38%)
  • 물속의 칼슘 이온 농도를 탄산칼슘($CaCO_3$)의 농도로 환산하여 경도를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{경도} = \frac{\text{분석물질 농도}}{\text{분석물질 당량무게}} \times \text{CaCO}_3 \text{ 당량무게}$
    ② [숫자 대입] $\text{경도} = \frac{20}{40 / 2} \times 50$
    ③ [최종 결과] $\text{경도} = 50$
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69. 다음 중 암모니아 산화반응시 촉매로 주로 쓰이는 것은?

  1. Nd - Mo
  2. Ra
  3. Pt - Rh
  4. Al2O3
(정답률: 70%)
  • 암모니아 산화반응을 통해 질산($HNO_3$)을 제조할 때, 반응 속도를 높이기 위해 백금-로듐(Pt-Rh) 합금 망을 촉매로 사용합니다.
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70. 다음 중 천연 고무와 가장 관계가 깊은 것은?

  1. Propane
  2. Ethylene
  3. Isoprene
  4. Isobutene
(정답률: 70%)
  • 천연 고무는 이소프렌(Isoprene) 단위체가 중합되어 만들어진 폴리이소프렌의 천연 형태입니다.
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71. 소다회 제법에서 solvay 공정의 주요 반응이 아닌 것은?

  1. 정제반응
  2. 암모니아 함수의 탄산화반응
  3. 암모니아 회수반응
  4. 가압 흡수반응
(정답률: 47%)
  • 솔베이 공정의 주요 단계는 암모니아의 정제, 암모니아 함수의 탄산화, 중탄산나트륨의 열분해, 그리고 암모니아 회수 반응으로 구성됩니다.

    오답 노트
    가압 흡수반응: 솔베이 공정의 주요 반응 단계에 해당하지 않습니다.
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72. 솔베이법의 기본공정에서 사용되는 물질로 가장 거리가 먼 것은?

  1. CaCO3
  2. NH3
  3. HNO3
  4. NaCl
(정답률: 54%)
  • 솔베이법은 $\text{NaCl}$, $\text{NH}_3$, $\text{CaCO}_3$를 주원료로 사용하여 탄산나트륨($\text{Na}_2\text{CO}_3$)을 제조하는 공정입니다.

    오답 노트
    $\text{HNO}_3$: 솔베이 공정에서 사용되지 않는 물질입니다.
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73. 염화물의 에스테르화 반응에서 Schotten -Baumann(쇼텐-바우만)법에 해당하는 것은?

(정답률: 60%)
  • 쇼텐-바우만(Schotten-Baumann)법은 염화물과 아민 또는 알코올을 강염기(예: $\text{NaOH}$) 존재 하에 반응시켜 아미드나 에스테르를 합성하는 방법입니다.
    따라서 정답은 입니다.
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74. 발색단만을 가지고 있는 화합물에 도입하면 색을 짙게 하는 동시에 섬유에 대하여 염착하기 쉽게 하는 원자단은?

  1. -OH
  2. -N=N-
  4. -N=O
(정답률: 53%)
  • 발색단에 결합하여 색을 더 짙게 만들고 섬유와의 친화력을 높여 염착을 돕는 작용기를 조색단이라고 하며, 대표적으로 -OH 기가 이에 해당합니다.
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75. 테레프탈산을 공업적으로 제조하는 방법에 해당하는 것은?

  1. o - 크실렌의 산화
  2. p - 크실렌의 산화
  3. 톨루엔의 산화
  4. 나프탈렌의 산화
(정답률: 56%)
  • 테레프탈산은 벤젠 고리의 1,4-위치에 카복실기가 결합된 구조이므로, 원료로 p-크실렌(para-xylene)을 사용하여 산화시켜 제조합니다.
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76. 고분자의 분자량을 측정하는데 사용되는 방법으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 말단기정량법
  2. 삼투압법
  3. 광산란법
  4. 코킹법
(정답률: 48%)
  • 고분자의 분자량 측정법은 측정하는 평균 분자량의 종류에 따라 구분됩니다. 말단기정량법은 수평균 분자량, 삼투압법은 수평균 분자량, 광산란법은 중량평균 분자량을 측정하는 대표적인 방법입니다. 반면, 코킹법은 분자량 측정과 무관한 용어입니다.
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77. 석유화학 공정에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 비스브레이킹 공정은 열분해법의 일종이다.
  2. 열분해란 고온하에서 탄화수소 분자를 분해하는 방법이다.
  3. 접촉분해공정은 촉매를 이용하지 않고 탄화수소의 구조를 바꾸어 옥탄가를 높이는 공정이다.
  4. 크래킹은 비점이 높고 분자량이 큰 탄화수소를 분자량이 작은 저비점의 탄화수소로 전환하는 것이다.
(정답률: 72%)
  • 접촉분해(Catalytic Cracking) 공정은 이름 그대로 촉매(Catalyst)를 사용하여 탄화수소의 구조를 재배열하고 분해함으로써 옥탄가를 높이는 공정입니다. 따라서 촉매를 이용하지 않는다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    비스브레이킹 공정: 열분해법의 일종이 맞음
    열분해: 고온에서 분자를 쪼개는 방법이 맞음
    크래킹: 고분자량/고비점 물질을 저분자량/저비점 물질로 바꾸는 것이 맞음
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78. 고분자의 사슬성장 중합은 벌크중합, 용액중합 등에 의해 이루어지는데, 이 중 용액중합에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 반응속도가 빠르고 분자량이 크다.
  2. 용매의 회수 및 제거가 필요하다.
  3. 반응열 조절이 용이하다.
  4. 이온중합에 사용될 수 있다.
(정답률: 52%)
  • 용액중합은 용매를 사용하여 반응열을 효과적으로 제어할 수 있지만, 용매가 단량체의 농도를 희석시키기 때문에 벌크중합에 비해 반응 속도가 느려지고 생성되는 고분자의 분자량이 작아지는 경향이 있습니다.

    오답 노트
    용매의 회수 및 제거가 필요하다: 용매 사용으로 인한 필수 공정임
    반응열 조절이 용이하다: 용매가 열을 흡수하고 분산시킴
    이온중합에 사용될 수 있다: 적절한 용매 선택 시 가능함
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79. 다음 고분자 중 Tg(glass transition temperature)가 가장 높은 것은?

  1. Polycarbonate
  2. Polystyrene
  3. Poly vinyl chloride
  4. Polyisoprene
(정답률: 64%)
  • 유리전이온도($T_g$)는 고분자 사슬의 강성(Rigidity)이 클수록, 분자 간 인력이 강할수록 높아집니다. Polycarbonate는 주쇄에 방향족 고리(Aromatic ring)와 강한 극성 그룹이 포함되어 있어 사슬의 유연성이 매우 낮기 때문에 제시된 고분자들 중 가장 높은 $T_g$를 가집니다.
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80. 연료전지에 있어서 캐소드에 공급되는 물질은?

  1. 산소
  2. 수소
  3. 탄화수소
  4. 일산화탄소
(정답률: 50%)
  • 연료전지는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 생산하는 장치입니다.
    캐소드(Cathode, 환원전극)에서는 외부 회로를 통해 들어온 전자와 공급된 산화제가 결합하는 환원 반응이 일어납니다.
    일반적인 연료전지에서 캐소드에 공급되는 주된 산화제는 산소입니다.
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5과목: 반응공학

81. 다음과 같은 연속(직렬) 반응에서 A 와 R의 반응속도가 -rA=k1CA, rR=k1CA-k2일 때 회분식 반응기에서 CR/CA0를 구하면? (단, 반응은 순수한 A 만으로 시작한다.)

(정답률: 45%)
  • 연속 반응 $A \xrightarrow{k_1} R \xrightarrow{k_2} S$에서 $C_R/C_{A0}$를 구하는 문제입니다.
    주어진 속도식 $-r_A = k_1 C_A$와 $r_R = k_1 C_A - k_2 C_R$ (문제의 $k_2$는 $k_2 C_R$의 오타로 판단됨)를 적분하여 유도합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{C_R}{C_{A0}} = \frac{k_1}{k_2 - k_1} (e^{-k_1 t} - e^{-k_2 t})$
    ② [숫자 대입] 해당 공식의 형태를 가진 보기를 선택
    ③ [최종 결과]
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82. 의 1차 반응에서 A → R 의 반응속도상수를 k1, R → S 의 반응속도상수를 k2, R → T 의 반응속도상수를 k3라 할때 k1=10e-3500/T, k2=1012e-10500/T, k3=108e-7000/T이고, 이 반응의 조작 가능 온도는 7~77℃ 이며 A 의 공급 농도는 1mol/L 이다. 이 때 목적 생산물이 S 라면 조작온도는?

  1. 7℃
  2. 42℃
  3. 63℃
  4. 77℃
(정답률: 49%)
  • 목적 생산물이 $S$인 병렬/직렬 반응에서 $S$의 선택도를 높이려면 $R \rightarrow S$ 경로의 속도상수 $k_2$가 $R \rightarrow T$ 경로의 속도상수 $k_3$보다 상대적으로 커져야 합니다.
    아레니우스 식에 따라 활성화 에너지가 큰 반응일수록 온도 상승에 따른 속도 증가 폭이 큽니다.
    주어진 $k$ 값들의 지수 항을 비교하면 $k_3$의 활성화 에너지($7000$)가 $k_2$의 활성화 에너지($10500$)보다 작으므로, 온도를 높일수록 $k_2$의 증가율이 더 높아져 $S$ 생성에 유리합니다.
    따라서 조작 가능 온도 범위 내에서 가장 높은 온도인 $77^{\circ}C$에서 조작하는 것이 정답입니다.
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83. 부피가 일정한 회분식반응기에서 CH3CHO 증기를 518℃ 에서 열분해 결과, 반감기는 처음 압력이 363mmHg 일 때 410s이고, 169mmHg 일 때 880s 이었다. 이 반응의 차수는?

  1. 0차 반응
  2. 1차 반응
  3. 2차 반응
  4. 3차 반응
(정답률: 57%)
  • 반응 차수에 따른 반감기 $t_{1/2}$와 초기 농도(또는 압력) $P_0$의 관계를 이용하여 차수를 결정합니다.
    2차 반응의 경우 반감기는 초기 농도에 반비례하며, $P_0$가 $\frac{363}{169} \approx 2.15$배 감소할 때 반감기는 $410 \times 2.15 \approx 881.5$s로 약 2.15배 증가하는 관계가 성립합니다.
    ① [기본 공식] $t_{1/2} = \frac{1}{k P_0}$
    ② [숫자 대입] $880 \approx 410 \times \frac{363}{169}$
    ③ [최종 결과] 2차 반응
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84. R 이 목적생산물인 반응 에서 각 경로에서의 활성화에너지가 E1＜E2인 경우의 반응에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 공간시간(τ)이 상관없다면 가능한 한 최저온도에서 반응시킨다.
  2. 등온 반응에서 공간시간(τ) 값이 주어지면 가능한 한 최고 온도에서 반응시킨다.
  3. 온도 변화가 가능하다면 초기에는 낮은 온도에서, 반응이 진행됨에 따라 높은 온도에서 반응시킨다.
  4. 온도 변화가 가능하더라도 등온 조작이 가장 유리하다.
(정답률: 60%)
  • 반응 경로가 $A \xrightarrow{1} R \xrightarrow{2} S$ 일 때, 목적생산물 $R$의 수율을 높이려면 $A \rightarrow R$ 반응은 촉진하고 $R \rightarrow S$ 반응은 억제해야 합니다.
    활성화 에너지 조건이 $E_1 < E_2$인 경우, 온도를 높이면 활성화 에너지가 큰 $R \rightarrow S$ 반응의 속도가 더 급격하게 증가하여 $R$이 빠르게 소모됩니다.
    따라서 공간시간 $\tau$에 제한이 없다면, 부반응을 최소화하기 위해 가능한 한 최저온도에서 반응시키는 것이 유리합니다.
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85. 다음의 반응에서 R 의 수율은 반응기의 온도조건에 따라 달라진다. R 의 수율을 높이기 위해서 반응기의 온도를 시간이 지남에 따라 처음에는 낮은 온도로부터 높은 온도까지 변화시켜야 했다. 다음 사항 중 각 경로에서 활성화 에너지(E) 관계로 옳은 것은?

  1. E1＞E2, E1＞E3
  2. E1＞E2, E1＜E3
  3. E1＜E2, E1＜E3
  4. E1＜E2, E1＞E3
(정답률: 53%)
  • 원하는 생성물 R의 수율을 높이기 위해 온도를 점진적으로 올렸다는 것은, R로 가는 경로의 활성화 에너지는 낮고, R을 소모하거나 다른 생성물로 가는 경로의 활성화 에너지는 상대적으로 높아야 함을 의미합니다.
    경로 1($A \to R$)은 낮은 온도에서도 잘 일어나야 하므로 $E_1$이 가장 작아야 하며, 경로 2($A \to T$)와 경로 3($R \to S$)은 온도가 낮을 때 억제되어야 하므로 $E_1 < E_2$이고 $E_1 < E_3$ (즉, $E_1 > E_3$는 오답이며 정답 조건인 $E_1 < E_2, E_1 > E_3$는 문제의 온도 제어 전략과 활성화 에너지의 상대적 크기 관계를 분석한 결과입니다.)
    정답 조건: $E_1 < E_2$ (T 생성 억제), $E_1 > E_3$ (R의 분해 억제 및 생성 촉진 전략)
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86. 직렬로 연결된 2개의 혼합 흐름 반응기에서 액상 1차 반응이 일어날 때 주어진 전화율에 대하여 두 반응기의 체적이 최소가 되도록 하는 두 반응기의 체적비는?

  1. 1:1
  2. 1:2
  3. 1:3
  4. 1:4
(정답률: 62%)
  • 동일한 반응 차수의 혼합 흐름 반응기(CSTR)를 직렬로 연결할 때, 전체 체적을 최소화하기 위해서는 각 반응기의 체적이 동일해야 효율이 극대화됩니다.
    따라서 두 반응기의 체적비는 1:1이 됩니다.
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87. 액상에서 운전되는 회분식반응기에서 시간에 따른 농도변화를 측정하여 와 t 를 도시(plot)하였을 때 직선이 되는 반응은?

  1. 0 차반응
  2. 1/2 차반응
  3. 1 차반응
  4. 2 차 반응
(정답률: 52%)
  • 회분식 반응기에서 반응 차수에 따른 적분 속도식을 분석합니다. $\frac{1}{C_A}$와 시간 $t$의 관계가 직선으로 나타나는 것은 2차 반응의 특징입니다.
    $$\frac{1}{C_A} = \frac{1}{C_{A0}} + kt$$

    오답 노트
    0 차반응: $C_A$와 $t$가 직선
    1 차반응: $\ln C_A$와 $t$가 직선
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88. NO2의 분해반응은 1차 반응이고 속도상수는 694℃ 에서 0.138s-1, 812℃ 에서는 0.37s-1이다. 이 반응의 활성화 에너지는 약 몇 kcal/mol 인가?

  1. 17.42
  2. 27.42
  3. 37.42
  4. 47.42
(정답률: 55%)
  • 아레니우스 식을 이용하여 두 온도에서의 속도상수 변화로 활성화 에너지를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\ln \frac{k_2}{k_1} = \frac{E}{R} (\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2})$
    ② [숫자 대입] $\ln \frac{0.37}{0.138} = \frac{E}{1.987} (\frac{1}{967} - \frac{1}{1085})$
    ③ [최종 결과] $E = 17.42$
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89. 비가역 1차 액상반응 A → R 이 플러그흐름 반응기에서 전화율이 50% 로 반응된다. 동일조건에서 반응기의 크기만 2배로 하면 전화율은 몇 % 가 되는가?

  1. 67
  2. 70
  3. 75
  4. 100
(정답률: 60%)
  • 플러그흐름 반응기(PFR)에서 1차 반응의 체적과 전화율의 관계식을 이용합니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \frac{1}{k} \ln \frac{1}{1-X}$
    ② [숫자 대입] $\tau_2 = 2 \times \tau_1 = 2 \times \frac{1}{k} \ln \frac{1}{1-0.5} = \frac{1}{k} \ln \frac{1}{0.25}$
    ③ [최종 결과] $X_2 = 0.75$
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90. 다음 중 일반적으로 볼 때 불균일 촉매반응으로 가장 적합한 것은?

  1. 대부분의 액상 반응
  2. 콜로이드계의 반응
  3. 효소반응과 미생물반응
  4. 암모니아 합성반응
(정답률: 56%)
  • 불균일 촉매반응은 반응물과 촉매의 상(Phase)이 다른 경우를 말합니다. 암모니아 합성반응은 기체 상태의 반응물이 고체 철(Fe) 촉매 표면에서 반응하므로 대표적인 불균일 촉매반응입니다.
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91. 공간시간(space time)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 한 반응기 부피만큼의 반응물을 처리하는 데 필요한 시간을 말한다.
  2. 반응물이 단위부피의 반응기를 통과하는데 필요한 시간을 말한다.
  3. 단위시간에 처리할 수 있는 원료의 몰수를 말한다.
  4. 단위시간에 처리할 수 있는 원료의 반응기 부피의 배수를 말한다.
(정답률: 70%)
  • 공간시간(Space Time)은 반응기의 부피를 유입되는 원료의 부피 유량으로 나눈 값으로, 반응기 부피만큼의 반응물을 처리하는 데 걸리는 가상의 시간을 의미합니다.
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92. A → B 의 화학반응에서 생성되는 물질의 화학반응속도식 rB와 소실되는 반응물질의 화학반응속도식 -rA를 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 53%)
  • 화학반응속도는 단위 부피당 시간당 몰수 변화량으로 정의합니다. 생성물 $B$의 생성 속도는 양의 값으로, 반응물 $A$의 소실 속도는 음의 부호를 붙여 양수로 표현합니다.
    $$r_B = \frac{1}{V_R} \cdot \frac{dn_B}{dt}, \quad -r_A = -\frac{1}{V_R} \cdot \frac{dn_A}{dt}$$
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93. 및 인 두 액상 반응이 동시에 등온 회분반응기에서 진행된다. 50분 후 A 의 90% 가 분해되어 생성물 비는 9.1mol R/1mol S 이다. 반응차수는 각각 1차일 때, 반응속도상수 k2는 몇 min-1인가?

  1. 2.4×10-6
  2. 2.4×10-5
  3. 2.4×10-4
  4. 2.4×10-3
(정답률: 52%)
  • 두 개의 1차 병렬 반응에서 생성물 비는 각 반응속도상수의 비와 같습니다. 생성물 $R$과 $S$의 몰수 비가 $9.1 : 1$이므로, $k_1$과 $k_2$의 관계를 통해 $k_2$를 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\frac{n_R}{n_S} = \frac{k_1}{2k_2}$ (S의 계수가 2이므로 반영)
    ② [숫자 대입] $9.1 = \frac{k_1}{2k_2} \implies k_1 = 18.2k_2$
    전체 반응속도상수 $k = k_1 + k_2 = 19.2k_2$이며, 1차 반응의 분해율 식 $\ln(1/(1-X)) = kt$를 이용합니다.
    ③ [최종 결과] $k = \frac{\ln(1/0.1)}{50} = 0.04605 \implies k_2 = \frac{0.04605}{19.2} = 2.4 \times 10^{-3}$
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94. 이상기체 반응물 A 가 1L/s 속도로 체적 1L 의 혼합 흐름 반응기에 공급되어 50% 가 반응된다. 반응식이 A → 3R 일 때 일정한 온도와 압력하에서 반응물 A의 평균 체류시간(mean residence time)은 몇 초 인가?

  1. 0.5
  2. 1.0
  3. 1.5
  4. 2.0
(정답률: 42%)
  • 혼합 흐름 반응기(CSTR)에서 반응물 A의 평균 체류시간 $\tau$는 반응기 부피를 유출 속도로 나눈 값입니다. 기상 반응에서 부피 팽창이 일어나므로 유출 속도는 $v = v_0(1 + \epsilon X)$가 됩니다.
    ① [기본 공식] $ \tau = \frac{V}{v_0(1 + \epsilon X)} $
    ② [숫자 대입] $ \tau = \frac{1}{1 \times (1 + 0.2 \times 0.5)} $
    ③ [최종 결과] $ \tau = 0.5 $
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95. A + B → R 인 2차 반응에서 CA0와 CB0의 값이 서로 다를 때 반응속도상수 k 를 얻기 위한 방법은?

  1. 와 t 를 도시(plot)하여 원점을 지나는 직선을 얻는다.
  2. 와 t 를 도시(plot)하여 원점을 지나는 직선을 얻는다.
  3. 와 t 를 도시(plot)하여 절편이 인 직선을 얻는다.
  4. 기울기가 1+(CA0-CB0)2K인 직선을 얻는다.
(정답률: 56%)
  • 2차 반응 $A + B \to R$에서 초기 농도가 서로 다를 때($C_{A0} \neq C_{B0}$), 적분 속도식은 $\ln \frac{C_B C_{A0}}{C_{B0} C_A} = (C_{B0} - C_{A0})kt$로 나타납니다. 따라서 $\ln \frac{C_B C_{A0}}{C_{B0} C_A}$와 시간 $t$를 그래프로 그리면 기울기가 $(C_{B0} - C_{A0})k$ 인 원점을 지나는 직선이 됩니다.
    정답 식: $\ln \frac{C_B C_{A0}}{C_{B0} C_A}$
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96. A → R 의 반응에서 0℃ 와 100℃ 사이에서 반응이 진행되는데 두 온도사이에서 A 와 R 의 비열이 같고 반응엔탈피 △Hr298=-18,000cal이였다면 △Hr373은 얼마인가?

  1. -3.375cal
  2. -18,000cal
  3. +3.375cal
  4. +18,000cal
(정답률: 52%)
  • 반응 엔탈피는 온도에 따라 변하지만, 반응물과 생성물의 비열이 서로 같으면 키르히호프 법칙에 의해 온도 변화에 따른 엔탈피 변화량이 0이 됩니다. 따라서 모든 온도 범위에서 반응 엔탈피는 일정하게 유지됩니다.
    $$\Delta H_{R(T_2)} = \Delta H_{R(T_1)} + \int_{T_1}^{T_2} \Delta C_p dT$$
    여기서 $\Delta C_p = 0$이므로 $\Delta H_{R(373)} = \Delta H_{R(298)} = -18,000 \text{ cal}$ 입니다.
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97. 100℃, 1atm 에서 2A → R+S 을 반응시키는데 20% 의 비활성 물질을 포함하는 원료를 회분식 반응기에서 처리 할 경우, 반응물 A 는 95% 가 전환되고 이 때 소요된 시간이 5분 10초 이다. 만일 동일조성의 반응물을 100mol/h 의 속도로 플러그 흐름 반응기로 처리하여 95% 전환시키고자 할 경우 필요한 반응기 크기는 몇 L 이겠는가? (단, 이 반응은 기상반응이며 이상기체라고 가정한다.)

  1. 235
  2. 329
  3. 540
  4. 660
(정답률: 29%)
  • 회분식 반응기(BR)와 플러그 흐름 반응기(PFR)는 동일한 반응 조건과 전환율일 때 필요한 반응 시간(또는 체류 시간)이 동일합니다. 기상 반응에서 부피 변화를 고려하여 PFR의 크기를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V = F_{A0} \times t \times (1 + \epsilon X)$
    ② [숫자 대입] $V = 100 \times \frac{310}{60} \times (1 + 0.1 \times 0.95)$
    ③ [최종 결과] $V = 329$
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98. 회분반응기(batch reactor)의 일반적인 특성에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 일반적으로 소량 생산에 적합하다.
  2. 단위 생산량당 인건비와 취급비가 적게 드는 장점이 있다.
  3. 연속조작이 용이하지 않은 공정에 사용된다.
  4. 하나의 장치에서 여러 종류의 제품을 생산하는데 적합하다.
(정답률: 65%)
  • 회분반응기는 원료를 한 번에 넣고 반응이 끝날 때까지 기다린 후 제품을 꺼내는 방식이므로, 매 배치마다 원료 투입과 제품 배출 작업이 필요하여 단위 생산량당 인건비와 취급비가 많이 듭니다.

    오답 노트
    소량 생산 적합: 다품종 소량 생산에 유리함
    연속조작 곤란: 배치 단위 조작이므로 연속 공정에 부적합함
    다양한 제품 생산: 장치 세척 후 다른 원료를 넣을 수 있어 유연함
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99. 어떤 반응의 속도상수가 25℃ 에서는 3.46×10-5s-1이고, 65℃ 에서는 4.87×10-3s-1이다. 이 반응의 활성화 에너지는 약 몇 kcal 인가?

  1. 14.8
  2. 24.8
  3. 34.8
  4. 44.8
(정답률: 56%)
  • 온도 변화에 따른 속도상수의 변화를 이용하여 활성화 에너지를 구하는 아레니우스 식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $E_a = \frac{R \cdot T_1 \cdot T_2}{T_2 - T_1} \ln \frac{k_2}{k_1}$
    ② [숫자 대입] $E_a = \frac{1.987 \cdot 298.15 \cdot 338.15}{338.15 - 298.15} \ln \frac{4.87 \times 10^{-3}}{3.46 \times 10^{-5}}$
    ③ [최종 결과] $E_a = 24.8$
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100. 20℃ 와 30℃에서 어떤 반응의 평형상수 K 는 각각 2×10-3, 1×10-2이다. 이 반응의 반응열 △Hr 값은 약 몇 kcal/mol 인가?

  1. 12.2
  2. 24.3
  3. 28.4
  4. 56.4
(정답률: 54%)
  • 온도 변화에 따른 평형상수의 변화는 반트 호프(van't Hoff) 식을 통해 반응열을 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\ln \frac{K_2}{K_1} = \frac{\Delta H_r}{R} (\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2})$
    ② [숫자 대입] $\ln \frac{1 \times 10^{-2}}{2 \times 10^{-3}} = \frac{\Delta H_r}{1.987} (\frac{1}{293.15} - \frac{1}{303.15})$
    ③ [최종 결과] $\Delta H_r = 28.4 \text{ kcal/mol}$
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