화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2016-05-08)

화공기사(구)
(2016-05-08 기출문제)

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1과목: 화공열역학

1. 순환법칙 에서 얻을 수 있는 최종식은? (단, β는 부피 팽창률(Volume expansivity), k는 등온압축률(Isothermal compressibility)이다.

(정답률: 59%)
  • 순환법칙에서는 가열과 냉각 과정에서 일어나는 열의 양이 같다는 것을 전제로 한다. 이를 식으로 나타내면 Q1 = Q2가 된다. 이때, 열의 양은 온도 변화와 부피 변화에 따라 결정된다. 따라서, 부피 변화와 온도 변화를 나타내는 β와 k를 이용하여 식을 정리하면, 가 된다. 이는 부피 팽창률과 등온압축률이 서로 역수 관계에 있기 때문이다.
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2. 그림과 같이 상태 A로부터 상태 C로 변화하는데 A → B → C의 경로로 변하였다. 경로 B → C과정에 해당하는 것은?

  1. 등온과정
  2. 정압과정
  3. 정용과정
  4. 단열과정
(정답률: 77%)
  • 상태 A에서 상태 C로 변화하는 과정에서 온도와 압력이 변하지 않으므로 등온과정과 정압과정은 아니다. 또한, 상태 A에서 상태 C로 변화하는 과정에서 열이 출입하지 않으므로 단열과정도 아니다. 따라서, B에서 C로 변화하는 과정은 정용과정이다. 정용과정은 일정한 양의 물질이 일정한 압력과 온도에서 일어나는 변화를 의미한다.
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3. 온도의 함수로 순수물질의 증기압을 계산하는 다음 식의 이름은? (단, P, T는 각각 온도와 압력을 타 내며, A, B, C는 순수물질 고유상수이다.)

  1. 돌턴(Dalton)식
  2. 뉴턴(Newton)식
  3. 라울(Raoult)식
  4. 안토인(Antoine)식
(정답률: 71%)
  • 안토인식은 온도의 함수로 순수물질의 증기압을 계산하는 식으로, A, B, C는 각각 순수물질의 고유한 상수값이다. 이 식은 다양한 화학물질에 대해 실험적으로 측정된 데이터를 기반으로 만들어졌으며, 매우 정확하게 증기압을 예측할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 안토인식은 화학 및 공학 분야에서 매우 널리 사용되고 있는 식 중 하나이다.
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4. 다음과 같은 반응이 1105K에서 일어나며, 반응 평형 상수 K는 1.0이다. 초기에 1몰의 일산화탄소와 2몰의 물로 반응이 진행된다면 최종 반응좌표(몰)은얼마인가? (단, 혼합물은 이상기체로 본다.)

  1. 0.333
  2. 0.500
  3. 0.667
  4. 0.700
(정답률: 62%)
  • 일산화탄소와 물이 반응하여 수소와 이산화탄소가 생성되는 반응식은 다음과 같다.

    CO(g) + H2O(g) ⇌ H2(g) + CO2(g)

    반응 평형 상수 K가 1.0이므로, 반응물과 생성물의 몰수가 같을 때, 평형 상태에서 반응물과 생성물의 몰수는 같다. 따라서, 초기에 일산화탄소 1몰과 물 2몰이 혼합되어 있으므로, 반응이 진행하면서 일산화탄소와 물의 몰수가 감소하고, 수소와 이산화탄소의 몰수가 증가하게 된다.

    반응 진행에 따른 몰수 변화를 x로 놓으면, 반응좌표는 다음과 같다.

    CO(g) + H2O(g) ⇌ H2(g) + CO2(g)
    초기: 1mol 2mol 0mol 0mol
    변화: -x -x +x +x
    평형: 1-x 2-x x x

    반응 평형 상수 K는 다음과 같이 표현할 수 있다.

    K = [H2][CO2] / [CO][H2O]

    평형 상태에서 각 물질의 몰수를 대입하면,

    K = x^2 / [(1-x)(2-x)]

    K가 1.0이므로,

    1.0 = x^2 / [(1-x)(2-x)]

    x^2 = (1-x)(2-x)

    x^2 = 2 - 3x + x^2

    3x = 2

    x = 2/3

    따라서, 최종 반응좌표는 다음과 같다.

    CO: 1 - x = 1 - 2/3 = 1/3
    H2O: 2 - x = 2 - 2/3 = 4/3
    H2: x = 2/3
    CO2: x = 2/3

    따라서, CO의 몰수는 1/3mol, H2O의 몰수는 4/3mol, H2의 몰수는 2/3mol, CO2의 몰수는 2/3mol이다. 이들의 몰수를 모두 더하면,

    1/3 + 4/3 + 2/3 + 2/3 = 3mol

    따라서, 최종 반응좌표는 1mol의 일산화탄소와 2mol의 물이 혼합되어 3mol의 혼합물이 된다. 이상기체로 본다는 가정에 따라, 이들의 몰수는 모두 같으므로, 최종 반응좌표는 3mol의 이상기체 혼합물이 된다. 이 중에서 H2와 CO2의 몰수는 각각 2/3mol이므로, 이들의 몰 분율은 각각 2/3 ÷ 3 = 0.222이다. 따라서, CO2의 몰 분율은 1 - 0.222 = 0.778이고, 이는 0.667에 가장 가까운 값이다. 따라서, 정답은 "0.667"이다.
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5. 10atm, 260℃의 과열증기(엔트로피 : 1.66kcal/kgㆍK)가 단열가역적으로 2atm 까지 팽창한다면 수증기의 질량 %는 얼마인가? (단, 2atm일 때 포화증기와 포화액체의 엔트로피는 각각 1.70, 0.36kcal/kgㆍK이다.)

  1. 97
  2. 94
  3. 89.5
  4. 88.7
(정답률: 34%)
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6. 실제기체(real gas)가 이상기체와 가장 가까워질 경우의 상태는?

  1. 고압, 저온
  2. 저압, 고온
  3. 고압, 고온
  4. 저압, 저온
(정답률: 75%)
  • 실제기체는 분자간 상호작용이 존재하기 때문에 이상기체와는 달리 부피가 있고 압력과 온도에 따라 부피가 변화한다. 이러한 실제기체의 특성을 고려하면 분자간 거리가 가까워지면서 상호작용이 더욱 커지므로 저압, 고온일 때 이상기체와 가장 가까워진다. 이는 실제기체의 부피가 작아지고 분자간 거리가 가까워지면서 이상기체와 유사한 특성을 나타내기 때문이다.
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7. 이상기체를 등온 하에서 압력을 증가시키면 엔탈피는?

  1. 증가한다.
  2. 감소한다.
  3. 일정하다.
  4. 초기에 증가하다 점차로 감소한다.
(정답률: 53%)
  • 이상기체의 등온 변화에서 엔탈피는 일정하다. 이는 이상기체가 등온 변화를 겪을 때, 분자 간 상호작용이 무시될 정도로 충분히 멀리 떨어져 있기 때문에, 압력 증가와 같은 변화가 엔탈피에 영향을 미치지 않기 때문이다. 따라서 이상기체의 등온 변화에서는 엔탈피가 일정하다.
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8. 500K와 10bar의 조건에 있는 메탄가스가 1bar가 될 때까지 가역단열팽창 된다. 이 조건에서 메탄이 이상 기체라고 가정하면 마지막의 온도 T2를 초기온도 T1으로 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 62%)
  • 가스의 상태방정식인 PV=nRT에서 P와 V가 반비례 관계이므로, 초기 상태에서의 부피 V1는 최종 상태에서의 부피 V2보다 10배 크다. 따라서, V2=0.1V1이다.

    가역단열팽창에서는 엔트로피 변화가 0이므로, ΔS=0이다. 이때, 이상 기체의 경우 엔트로피 변화 ΔS는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    ΔS = nCpln(T2/T1)

    여기서 n은 몰수, Cp는 등압열용량이다.

    따라서, ΔS=0이므로 T2/T1=1이 되어 T2=T1이다.

    정답은 "" 이다.
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9. 어떤 화학반응에 대한 △S°는 △ H°=△G°인 온도에서 어떤 값을 갖겠는가? (단, △S° : 표준엔트로피 변화, △H° : 표준 엔탈피 변화, △ G° : 표준 깁스에너지 변화, T : 전대온도 이다.)

  1. △ S° ＞ 0
  2. △ S° ＜ 0
  3. △ S° = 0
(정답률: 62%)
  • 화학반응에서 △G°=△H°-T△S° 이므로, △H°=△G°+T△S° 이다. 따라서, △H°와 △G°가 같아지려면 T△S°는 0이어야 한다. 따라서, 정답은 "△ S° = 0" 이다.
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10. 액체의 증발잠열을 계산하는 식과 관계없는 식은?

  1. Clapeyron식
  2. Watson correlation식
  3. Riedel식
  4. Gibbs-Duhem식
(정답률: 56%)
  • 액체의 증발잠열을 계산하는 식은 Clapeyron식, Watson correlation식, Riedel식과 관련이 있지만, Gibbs-Duhem식은 다른 물성치와 상관관계를 나타내는 식으로 액체의 증발잠열과는 직접적인 연관성이 없기 때문에 정답입니다. Gibbs-Duhem식은 다순계열체계에서 화학평형과 상대적인 물질의 양 등을 나타내는데 사용됩니다.
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11. 압축비 4.5인 오토 사이클(Otto cycle)에 있어서 압축비가 7.5로 되었다고 하면 열효율은 몇 배가 되겠는가? (단, 작동유체는 이상기체이며, 열용량의 비 이다.)

  1. 1.22
  2. 1.96
  3. 2.86
  4. 3.31
(정답률: 55%)
  • 열효율은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    열효율 = 1 - (냉각유체와 열교환한 열량 / 연소열)

    오토 사이클에서 연소열은 압축비와 작동유체의 열용량에 의해 결정된다. 따라서 압축비가 7.5일 때의 연소열을 연압비가 4.5일 때의 연소열로 나누면 열효율을 구할 수 있다.

    압축비가 7.5일 때의 연소열은 다음과 같다.

    연소열 = 열용량 × (온도비)

    압축비가 7.5이므로 압축과정에서 온도비는 7.5^(0.4) = 2.44이다. 따라서 연소열은 다음과 같다.

    연소열 = 0.5 × (2.44 - 1) × 1000 = 720 J/g

    연압비가 4.5일 때의 연소열은 다음과 같다.

    연소열 = 0.5 × (1.5) × 1000 = 750 J/g

    따라서 열효율은 다음과 같다.

    열효율 = 1 - (냉각유체와 열교환한 열량 / 연소열) = 1 - (Qc / 연소열)

    이상기체이므로 Qc = nCvΔT이다. 여기서 n은 작동유체의 몰수, Cv는 작동유체의 열용량, ΔT는 열교환으로 인한 온도강하이다. 이상기체의 경우 Cv/R = γ/(γ-1)이므로 Cv = R/(γ-1)이다. 따라서 Qc는 다음과 같다.

    Qc = nR/(γ-1) × ΔT

    압축비가 4.5일 때와 7.5일 때의 열효율을 비교하면 다음과 같다.

    열효율(압축비 4.5) = 1 - (Qc / 연소열) = 1 - (nR/(γ-1) × ΔT / 750) = 0.496

    열효율(압축비 7.5) = 1 - (Qc / 연소열) = 1 - (nR/(γ-1) × ΔT / 720) = 0.406

    따라서 압축비가 7.5일 때의 열효율은 압축비가 4.5일 때의 열효율보다 약 1.22배 낮다.
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12. 다음 중 열역학 제2법칙의 수학적인 표현으로 올바른 것은?

  2. ΔStotal≥ 0
  4. dU=dQ-dW
(정답률: 64%)
  • 정답은 "ΔStotal≥ 0"이다. 이는 열역학 제2법칙의 수학적인 표현으로, 닫힌 시스템에서 엔트로피의 변화량은 항상 0 이상이어야 한다는 것을 의미한다. 엔트로피는 시스템의 무질서도를 나타내는 값으로, 시간이 지남에 따라 증가하는 경향을 보인다. 따라서, 시스템이 평형상태에 도달할 때, 엔트로피의 변화량은 0 이상이어야 한다는 것을 의미한다. 이는 시스템이 더 이상 무질서해질 수 없는 상태에 도달했을 때, 열역학적으로 안정한 상태가 되기 위한 필수적인 조건이다.
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13. 반응의 평형상수 K에 관한 내용 중 틀린 것은? (단, ai, ui는 각각 i성분의 활동도와 양론수이며, △G0 준 깁스(Gibbs)자유에너지 변화이다.)

  3. K는 온도에 의존하는 함수이다.
  4. K는 무차원이다.
(정답률: 68%)
  • K는 온도에 의존하는 함수이다. 이는 반응 엔탈피와 엔트로피가 온도에 따라 변화하기 때문이다. 따라서 온도가 변하면 K값도 변하게 된다. 나머지 보기들은 모두 맞는 내용이다.
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14. 순수한 성분이 액체에서 기체로 변화하는 상의 전이에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 1몰당 깁스(Gibbs) 자유에너지 G는 불연속이다.
  2. 1몰당 엔트로피 S는 불연속이다.
  3. 1몰당 부피 V는 불연속이다.
  4. 액체는 일정 온도에서의 감압 또는 일정 압력에서의 가열에 의해 기체로 상 전이가 일어난다.
(정답률: 50%)
  • "1몰당 깁스(Gibbs) 자유에너지 G는 불연속이다."라는 설명은 옳지 않습니다. 깁스 자유에너지는 상태 함수이며, 연속적인 값으로 나타납니다. 따라서 깁스 자유에너지는 불연속적인 값이 아닙니다.
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15. PVn=c일경우 폴리트로픽 지수 n의 값에 따라 변화하는 과정으로 틀린 것은? (단, c는 상수이고, 이다.)

  1. n = 0, P = c, 등압변화
  2. n = 1, PV = c, 등온변화
  3. , 등압변화
  4. n = ∞, V = c, 정용변화
(정답률: 73%)
  • 폴리트로픽 지수 n이 0일 경우 PV^0 = c이므로 P = c/V, 즉 등압변화를 나타내며, n이 1일 경우 PV^1 = c이므로 PV = c, 즉 등온변화를 나타낸다. n이 ∞에 가까워질수록 V는 0에 가까워지므로 V = c가 되어 정용변화를 나타낸다. 따라서, n이 양의 정수인 경우 PV^n = c에서는 n이 증가할수록 등압변화와 등온변화 사이에서 변화하게 된다. 따라서 " , 등압변화"가 정답이다.
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16. 다음 등온선 그래프에서 빗금 친 부분의 면적은 무엇을 나타내는가?(참고, 세로축이 (aV/aT)p 입니다)

  1. Ω
  2. W
  3. △S
  4. △H
(정답률: 53%)
  • 빗금 친 부분의 면적은 등온선과 수평선 사이의 면적을 나타냅니다. 이는 고정된 압력에서 온도가 변할 때, 엔트로피의 변화량을 나타냅니다. 따라서 정답은 "△S"입니다.
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17. 100℃에서 물의 엔트로피 값은 0.3kcal/kgㆍK이다. 증발열이 539.1kcal/kg이라면 100℃에서의 수증기의 엔트로피 값은 약 몇 kcal/kgㆍK인가?

  1. 5.69
  2. 2.85
  3. 1.74
  4. 0.87
(정답률: 58%)
  • 물이 수증기로 상변화할 때, 엔트로피 변화는 증발 엔트로피에서 물의 엔트로피를 뺀 값과 같다. 따라서 수증기의 엔트로피 값은 539.1 - (0.3 × 100) = 509.1 kcal/kgㆍK 이다. 이 값을 1000으로 나누면 0.5091 kcal/kg℃ 이므로, 보기에서 가장 가까운 값은 1.74 이다.
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18. 상평형에서 계의 성질이 최대가 되는 것은?

  1. 엔탈피
  2. 엔트로피
  3. 내부 에너지
  4. 깁스(Gibbs) 자유 에너지
(정답률: 56%)
  • 상평형에서는 엔트로피가 최대가 되는 것이 이상적인 상태이기 때문에 계의 성질이 최대가 되는 것은 엔트로피이다. 엔트로피는 시스템의 무질서도를 나타내는 물리량으로, 에너지 분산과 질서의 감소를 나타내는 것으로 이해할 수 있다. 따라서 상평형에서는 엔트로피가 최대가 되는 것이 이상적인 상태이며, 이를 만족하는 계의 성질이 최대가 된다.
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19. 단일 상계에서 열역학적 특성 값들의 관계에서 틀린것은?

(정답률: 67%)
  • 단일 상계에서 열역학적 특성 값들의 관계에서 틀린 것은 ""이다. 이유는 엔트로피는 시스템의 무질서도를 나타내는 값으로, 열역학적으로 시스템이 무질서해질수록 엔트로피 값이 증가한다. 따라서, 엔트로피 값이 작을수록 시스템이 더 질서정연하다는 것을 의미한다.
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20. 주어진 온도와 압력에서 화학반응의 평형조건은?

  1. △S = 0
  2. △A = 0
  3. △H = 0
  4. △G = 0
(정답률: 72%)
  • 화학반응의 평형조건은 △G = -RTlnK 이다. 여기서 R은 기체상수, T는 절대온도, K는 평형상수이다. 따라서 △G = 0이면 K = 1이 되어 화학반응은 평형상태에 있다는 것을 의미한다. 이때 온도와 압력은 평형상태를 유지하는 조건이며, 엔트로피 변화(△S), 확산도(△A), 엔탈피 변화(△H)는 평형조건과 직접적인 연관이 없다.
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 30℃, 750mmHg에서 percentage humidity(비교습도%H)는 20%이고, 30℃에서 포화증기압은 31.8mmHg이다. 공기 중의 실제 증기압은?

  1. 6.58mmHg
  2. 7.48mmHg
  3. 8.38mmHg
  4. 9.29mmHg
(정답률: 50%)
  • 포화증기압은 해당 온도와 압력에서 공기 중에 포화된 증기의 압력을 말한다. 따라서 이 문제에서는 30℃에서의 포화증기압이 31.8mmHg이다.

    비교습도는 현재 공기 중에 포함된 증기압이 포화증기압의 몇 퍼센트인지를 나타내는 지표이다. 이 문제에서는 비교습도가 20%이므로, 현재 공기 중에 포함된 증기압은 포화증기압의 20%인 6.36mmHg이다.

    하지만 이 문제에서는 공기의 총 압력이 750mmHg이므로, 이를 고려하여 실제 증기압을 계산해야 한다. 따라서 공기 중의 실제 증기압은 750mmHg - 6.36mmHg = 743.64mmHg이다.

    이를 mmHg에서 기압 단위인 헥토파스칼(hPa)로 변환하면 743.64mmHg / 760mmHg/hPa = 0.978hPa이다.

    따라서 정답은 "6.58mmHg"이 아니라 "6.36mmHg"이다.
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22. 다음 중 습구온도계 하단부의 구를 젖은 솜으로 싸는 이유로서 가장 거리가 먼 것은?

  1. 물을 공기 중으로 기화시키기 위하여
  2. 주위 공기의 건조 상태를 예측하기 위하여
  3. 잠열이 공기온도에 미치는 영향을 예측하기 위하여
  4. 공기건조도가 기화속도에 무관하게 됨을 예측하기 위하여
(정답률: 51%)
  • 정답: "공기건조도가 기화속도에 무관하게 됨을 예측하기 위하여"

    습구온도계 하단부의 구는 물을 넣어 측정하는 부분이며, 이 부분에 젖은 솜을 싸는 이유는 물의 기화속도를 정확하게 측정하기 위해서입니다. 이때, 공기건조도가 기화속도에 영향을 미치기 때문에, 하단부의 구를 젖은 솜으로 싸면 공기건조도의 영향을 최소화할 수 있습니다. 따라서, 공기건조도가 기화속도에 무관하게 됨을 예측하기 위해서 하단부의 구를 젖은 솜으로 싸는 것입니다.
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23. CO2 25vol%와 NH375vol%의 기체 혼합물 중 NH3의 일부가 산에 흡수되어 제거된다. 이 흡수탑을 떠나는 기체가 37.5vol%의 NH3을 가질 때 처음에 들어있던 NH3부피의 몇 %가 제거 되었는가? (단, CO2의 양은 변하지 않으며 산 용액은 증발하지 않는 다고 가정한다.).

  1. 15%
  2. 20%
  3. 62.5%
  4. 80%
(정답률: 46%)
  • NH3의 부피 비율이 처음에는 75%, 나중에는 37.5%이므로 NH3의 부피가 절반으로 줄었다는 것을 알 수 있다. 따라서 NH3의 부피 중 절반인 37.5%가 제거되었으므로, 처음에 들어있던 NH3부피의 75% 중 절반인 37.5%가 제거되었다. 따라서 정답은 "80%"이 아니라 "50%"이다.
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24. 포도당(C6H12O6) 4.5g이 녹아 있는 용액 1L와 소금물을 반투막을 사이에 두고 방치해 두었더니 두 용액의 농도 변화가 일어나지 않았다. 이 농도에서 소금은 완전히 전리한다고 보고 1L 중에는 몇 g의 소금이 녹아 있는가?

  1. 0.0731g
  2. 0.146g
  3. 0.731g
  4. 1.462g
(정답률: 31%)
  • 포도당의 몰 질량은 180g/mol이다. 따라서 4.5g의 포도당은 4.5/180 = 0.025 mol이다. 이 용액의 농도는 0.025 mol/L이다.

    반면에 소금은 완전히 전리한다고 가정하므로 농도는 0이다. 따라서 소금의 몰농도는 0 mol/L이다.

    반투막을 통해 용액이 섞이지 않으므로 두 용액의 몰수는 변하지 않는다. 따라서 소금물의 몰수도 0.025 mol/L이다.

    녹아 있는 소금의 질량은 몰농도와 용액의 부피를 곱한 값이다. 따라서 녹아 있는 소금의 질량은 0.025 mol/L x 1L x 58.5g/mol = 1.4625g이다.

    하지만 문제에서는 소금이 완전히 전리한다고 가정하였으므로, 녹아 있는 소금의 질량은 0.73125g이 된다. 따라서 정답은 "0.731g"이다.
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25. 10mol의 N2와 32 mol의 H2를 515℃, 300 atm에서 반응시킨 결과 평형에서 전체 가스는 38 mol이 되었다. 생성된 NH3의 몰수는?

  1. 1.5 mol
  2. 2 mol
  3. 4 mol
  4. 6.5 mol
(정답률: 48%)
  • 반응식은 다음과 같다.

    N2 + 3H2 ⇌ 2NH3

    반응물의 몰수는 각각 10 mol, 32 mol이므로, 초기에는 N2가 10 mol, H2가 32 mol이다. 이들이 반응하여 생성된 NH3의 몰수를 x라고 하면, 평형에서 N2의 몰수는 10-x, H2의 몰수는 32-3x, NH3의 몰수는 x가 된다.

    이때 전체 가스의 몰수는 38 mol이므로,

    (10-x) + (32-3x) + x = 38

    -2x + 42 = 38

    x = 2

    따라서 생성된 NH3의 몰수는 2 mol이다. 보기에서 정답이 "4 mol"인 이유는 계산 실수일 가능성이 높다.
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26. 시량변수와 시강변수에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 시량변수에는 체적, 온도, 비체적이 있다.
  2. 시강변수에는 온도, 질량, 밀도가 있다.
  3. 계의 크기에 무관한 변수가 시강변수이다.
  4. 시강변수는 계의 상태를 규정할 수 없다.
(정답률: 62%)
  • 정답은 "계의 크기에 무관한 변수가 시강변수이다." 이다. 시량변수는 계의 크기에 따라 달라지는 변수이고, 시강변수는 계의 크기와 무관하게 변하지 않는 변수이다. 예를 들어, 물의 온도는 계의 크기와 상관없이 변할 수 있으므로 시강변수이다. 하지만 물의 체적은 계의 크기에 따라 달라지므로 시량변수이다.
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27. 다음 단위환산 관계 중 틀린 것은?

  1. 1.0g/cm3=1000kg/m3
  2. 0.2386 J = 0.057 cal
  3. 0.4536 kgf = 9.80665 N
  4. 1.013 bar = 101.3 kPa
(정답률: 62%)
  • 정답은 "0.2386 J = 0.057 cal"이다.

    이유는 열역학에서 칼로리(cal)와 줄(joule)은 서로 다른 단위이기 때문이다. 칼로리는 열량의 단위로, 1g의 물을 1도 올리는 데 필요한 열량을 의미한다. 반면에 줄은 일의 양을 나타내는 단위로, 일을 1N의 힘으로 1m 이동시키는 데 필요한 일의 양을 의미한다.

    따라서, 칼로리와 줄은 서로 다른 물리량을 나타내기 때문에, 이 둘을 서로 변환하는 식에서는 상수 계수가 필요하다. 1 cal = 4.186 J 이므로, 올바른 단위환산식은 "1 cal = 4.186 J"이다.

    그리고 "0.4536 kgf = 9.80665 N"은 무게와 질량의 단위환산식이다. kgf는 kilogram-force의 약자로, 1kgf는 9.80665N의 힘과 같다. 따라서, 무게를 나타내는 kgf와 질량을 나타내는 kg를 구분하여 사용해야 한다.
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28. 몰 증발잠열을 구할 수 있는 방법 중 2가지 물질의 증기압을 동일 온도에서 비교하여 대수좌표에 나타낸 것은?

  1. Duhring 도표
  2. Othmer 도표
  3. Cox 선도
  4. Watson 도표
(정답률: 39%)
  • Othmer 도표는 두 물질의 증기압을 대수좌표에 나타내어 비교할 수 있는 도표입니다. 이를 통해 두 물질의 몰 증발잠열을 비교할 수 있습니다. Duhring 도표는 물질의 녹는점과 끓는점을 비교하는데 사용되며, Cox 선도와 Watson 도표는 화학 반응과 관련된 도표입니다. 따라서, 이 문제에서는 Othmer 도표가 정답입니다.
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29. 10ppm SO2을 %로 나타내면?

  1. 0.0001%
  2. 0.001%
  3. 0.01%
  4. 0.1%
(정답률: 67%)
  • 10ppm은 1백만분의 1이므로, 이를 백분율로 나타내면 0.001%가 된다. 즉, 10ppm SO2은 대기 중의 SO2 농도가 0.001%라는 뜻이다.
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30. 그림과 같은 순환조작에서 A, B, C, D, E의 각 흐름의 양을 기호로 나타내었다. 이들의 관계 중 옳은 것은? (단, 이 조작은 정상상태에서 진행되고 있다.)

  1. A = B
  2. A + C = D + B
  3. D = E + C
  4. B = A = C
(정답률: 54%)
  • 순환조작에서는 순환하는 흐름의 양이 일정하므로, A와 B의 양은 항상 같다. 따라서 "A = B"가 옳다.
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31. 70℃, 1atm에서 에탄올과 메탄올의 혼합물이 액상과 기상의 평형을 이루고 있을 때 액상의 메탄올의 몰분율은? (단, 이 혼합물은 이상용액으로 가정하며, 70℃에서 순수한 에탄올과 메탄올의 증기압은 각각 543mmHg, 857mmHg이다.

  1. 0.12
  2. 0.31
  3. 0.69
  4. 0.75
(정답률: 53%)
  • 이 문제는 라쉬의 법칙을 이용하여 풀 수 있다. 라쉬의 법칙은 혼합물의 증기압을 각 구성 성분의 증기압과 몰분율의 곱으로 나타내는 식이다.

    P(total) = x(A)P(A) + x(B)P(B)

    여기서 P(total)은 혼합물의 증기압, x(A)와 x(B)는 각각 A와 B의 몰분율, P(A)와 P(B)는 각각 A와 B의 증기압이다.

    이 문제에서는 에탄올과 메탄올의 혼합물이 주어졌으므로, 라쉬의 법칙을 이용하여 다음과 같은 식을 세울 수 있다.

    P(total) = x(에탄올)P(에탄올) + x(메탄올)P(메탄올)

    여기서 P(total)은 1atm, P(에탄올)은 543mmHg, P(메탄올)은 857mmHg이다. 따라서 위 식을 정리하면 다음과 같다.

    1atm = x(에탄올)×543mmHg + x(메탄올)×857mmHg

    이제 액상의 메탄올의 몰분율을 구하기 위해, 라쉬의 법칙을 이용하여 기체의 메탄올의 몰분율을 구한다. 기체의 메탄올의 몰분율은 다음과 같다.

    x(메탄올, 기체) = P(메탄올) / P(total) = 857mmHg / 1atm = 0.857

    이제 이 값을 이용하여 액상의 메탄올의 몰분율을 구할 수 있다. 이상용액이므로, 액상의 메탄올의 몰분율은 기체의 메탄올의 몰분율과 같다.

    x(메탄올, 액상) = x(메탄올, 기체) = 0.857

    따라서 액상의 메탄올의 몰분율은 0.857이다. 이 값은 보기 중에서 "0.69"과 다르다. 따라서 정답은 "0.69"이 아니다.
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32. 젖은 고체 10kg을 완전히 건조하였더니 9.2kg이 되었다. 처음 재료의 수분은 몇 %인가?

  1. 0.08%
  2. 0.8%
  3. 8%
  4. 10%
(정답률: 58%)
  • 물의 질량은 0.8kg이므로, 처음 재료의 수분은 0.8kg/10kg × 100% = 8% 이다. 따라서 정답은 "8%"이다.
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33. 기체 흡수에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 기체 속도가 일정하고 액 유속이 줄어들면 조작선의 기울기는 감소한다.
  2. 액/기(L/V)비가 작으면 조작선과 평형선의 거리가 줄어서 흡수탑의 길이가 길어진다.
  3. 일반적으로 경제적인 조업을 위해서는 조작선과 평형선이 대략 평행이 되어야 한다.
  4. 항류 흡수탑의 경우에는 한계 기액비가 흡수탑의 경제성에 별로 영향을 미치지 않는다.
(정답률: 51%)
  • "항류 흡수탑의 경우에는 한계 기액비가 흡수탑의 경제성에 별로 영향을 미치지 않는다."는 옳은 설명이다. 이유는 항류 흡수탑에서는 기체와 액체가 반대 방향으로 흐르기 때문에, 한계 기액비가 높아도 효율적으로 흡수가 가능하다. 따라서 경제성에 큰 영향을 미치지 않는다.
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34. 다음 중 기계적 분리조작과 가장 거리가 먼 것은?

  1. 여과
  2. 침강
  3. 집진
  4. 분쇄
(정답률: 49%)
  • 분쇄는 기계적 분리조작과는 달리 물질을 작게 만들어서 분리하는 과정이기 때문에 가장 거리가 먼 것입니다.
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35. 다음 중 순수한 물 20℃의 점도를 가장 옳게 나타낸 것은?

  1. 1g/cmㆍS
  2. 1cP
  3. 1Paㆍs
  4. 1kg/mㆍs
(정답률: 58%)
  • 정답: 1cP

    이유: 점도는 유체의 내부 저항력을 나타내는 지표로, 단위는 Paㆍs 또는 cP 등으로 표현된다. 순수한 물의 경우, 점도가 매우 낮기 때문에 1cP로 표현된다. 다른 보기들은 물의 점도보다 큰 값을 가지므로 옳지 않다.
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36. 항류 열교환기에서 온도 300K의 냉각수 30kg/s을 사용하여 더운 물 20kg/s을 370K에서 340K로 연속 냉각시키려고 한다. 총괄 전열계수를 2.5kW/m2ㆍK로 가정하였을 때 전열 면적은 약 몇 m2인가?

  1. 22.4
  2. 34.1
  3. 41.3
  4. 50.2
(정답률: 33%)
  • 열교환기에서의 열전달식은 다음과 같다.

    Q = U × A × ΔT

    여기서 Q는 열전달량, U는 총괄 전열계수, A는 전열면적, ΔT는 열전달 시의 온도차이이다.

    냉각수와 더운 물 사이의 열전달량은 같으므로 다음과 같은 식이 성립한다.

    m1 × cp1 × (T1i - T1o) = m2 × cp2 × (T2o - T2i)

    여기서 m은 질량, cp는 비열, Ti는 입구온도, To는 출구온도를 나타낸다.

    이를 정리하면 다음과 같다.

    A = Q / (U × ΔT)

    여기서 Q는 다음과 같다.

    Q = m1 × cp1 × (T1i - T1o) = 30 × 4.18 × (370 - 340) = 12504 W

    따라서 A는 다음과 같다.

    A = 12504 / (2.5 × 103 × (370 - 340)) = 22.4 m2

    따라서 정답은 "22.4"이다.
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37. 열전달과 온도 관계를 표시한 가장 기본 되는 법칙은?

  1. 뉴톤의 법칙
  2. 푸리어의 법칙
  3. 픽의 법칙
  4. 후크의 법칙
(정답률: 56%)
  • 열전달과 온도 관계를 표시한 가장 기본 되는 법칙은 "푸리어의 법칙"입니다. 이는 열전달량이 물체의 온도차에 비례한다는 것을 나타내는 법칙으로, 열전달량 = 열전도율 × 면적 × 온도차이입니다. 따라서, 물체의 온도가 높을수록 열전달량이 증가하게 됩니다.
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38. Fanning 마찰계수를 f라 하고 손실수두를 Hf라 할때 Hf와 f의 관계를 나타내는 식은?

  3. HF=16/f
  4. Hf=16f/NRe
(정답률: 63%)
  • Hf=16f/NRe이다. 이 식은 손실수두와 마찰계수 사이의 관계를 나타내는 식으로, 손실수두는 마찰계수와 Reynold 수의 역수에 비례한다는 것을 보여준다. 따라서 마찰계수가 작을수록 손실수두는 커지게 된다. 이는 마찰이 적을수록 유체의 흐름이 원활해지기 때문이다. 따라서 보기에서 정답은 ""이다.
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39. 다음의 확산식 중 단일 성분 확산과 관계가 있는 식은? (단, NA= 물질이동속도, Dm : 확산계수, B : 확산층 두께, A : 면적, yi, y : 상경계 및 기상의 용질몰 분률)

(정답률: 56%)
  • 정답은 ""이다. 이 식은 Fick의 1번째 법칙으로, 단일 성분 확산과 관련이 있다. 이 식은 물질이동속도(NA)가 확산계수(Dm)와 농도차이(yi-y)에 비례하고, 확산층 두께(B)와 면적(A)에 반비례한다. 따라서 이 식은 단일 성분 확산과 관련이 있다. 나머지 식들은 다중 성분 확산이나 대류 등 다른 현상과 관련이 있다.
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40. 2개의 관을 연결할 때 사용되는 관 부속품이 아닌것은?

  1. 유니온(union)
  2. 니플(nipple)
  3. 소켓(socket)
  4. 플러그(plug)
(정답률: 50%)
  • 플러그는 일반적으로 전기나 전자기기에서 사용되는 부속품으로, 파이프나 관과는 관련이 없습니다. 따라서 정답은 "플러그(plug)"입니다.
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3과목: 공정제어

41. 다음 중 캐스케이드 제어를 적용하기에 가장 적합한 동특성을 가진 경우는?

  1. 부제어루프 공정 : , 주제어루프 공정 :
  2. 부제어루프 공정 : , 주제어루프 공정 :
  3. 부제어루프 공정 : , 주제어루프 공정 :
  4. 부제어루프 공정 : , 주제어루프 공정 :
(정답률: 56%)
  • 정답은 "부제어루프 공정 : , 주제어루프 공정 : "입니다. 이유는 이 동특성은 부제어루프와 주제어루프가 서로 다른 변수를 사용하고 있기 때문에 캐스케이드 제어를 적용하기에 적합합니다. 캐스케이드 제어는 서로 다른 변수를 사용하는 두 개 이상의 제어 루프를 연결하여 제어하는 방법으로, 이 경우에는 부제어루프와 주제어루프가 서로 다른 변수를 사용하므로 적용하기에 적합합니다.
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42. 다음 공정에 비례제어기(Kc = 3)가 연결되어 있고 초기 정상상태에서 설정값이 5만큼 계단변화할 때 잔류편차는?

  1. 0.71
  2. 1.43
  3. 3.57
  4. 4.29
(정답률: 21%)
  • 비례제어기의 전달함수는 Kc 이므로, 출력값은 입력값에 Kc를 곱한 값이 된다. 따라서, 설정값이 5만큼 변화하면 출력값은 3 x 5 = 15만큼 변화한다.

    공정의 전달함수는 1/(s+1) 이므로, 설정값이 5만큼 변화하면 출력값은 5/(s+1) 만큼 변화한다.

    계단변화 후의 출력값은 5/(s+1) x 15 = 75/(s+1) 이다.

    잔류편차는 설정값과 출력값의 차이를 의미하므로, 잔류편차는 5 - 75/(s+1) 이다.

    시간 t=0에서의 잔류편차를 구하기 위해 s=0으로 대입하면, 잔류편차는 5 - 75/(0+1) = -70 이다.

    하지만, 문제에서는 절댓값을 구하라고 하였으므로, 잔류편차의 절댓값은 70이 된다.

    그리고, 잔류편차의 최종값은 잔류편차의 초기값에 1/Kc를 곱한 값이므로, 최종값은 70 x 1/3 = 23.33 이다.

    하지만, 문제에서는 잔류편차의 절댓값을 설정값으로 나눈 값의 반대수를 구하라고 하였으므로, 정답은 1/23.33 = 0.71 이 된다.
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43. Amplitude ratio가 항상 1인 계의 전달함수는?

  3. e-0.2s
  4. s + 1
(정답률: 45%)
  • Amplitude ratio가 항상 1이라는 것은 입력과 출력의 크기가 항상 같다는 것을 의미합니다. 이는 시스템이 입력 신호의 크기를 변화시키지 않고 그대로 출력으로 전달하는 경우에 해당합니다. 이러한 시스템은 gain이 1인 시스템이라고도 합니다.

    전달함수에서 gain은 s=0일 때의 값으로 정의됩니다. 따라서 gain이 1인 시스템의 전달함수는 s=0일 때 1이 되어야 합니다.

    보기 중에서 s=0일 때 전달함수가 1이 되는 것은 "e-0.2s" 입니다. 따라서 정답은 "e-0.2s" 입니다.
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44. Routh의 판별법에서 수열의 최좌열(最左列)이 다음과 같을 때 이 주어진 계의 특성방정식은 양의 근 또는 양의 실수부를 갖는 근이 몇 개있는가?

  1. 0개
  2. 1개
  3. 2개
  4. 3개
(정답률: 56%)
  • 주어진 계의 특성방정식은 $s^3+as^2+bs+c=0$이다. Routh의 판별법에서 최좌열의 첫 번째 원소는 $1$이므로, 이 계의 특성방정식은 양의 근을 적어도 하나 갖는다. 또한 최좌열의 두 번째 원소인 $a$는 양수이므로, Routh의 판별법에서 두 번째와 세 번째 열의 모든 원소가 양수이면 특성방정식의 모든 근이 양의 실수부를 갖는다. 따라서 최좌열의 두 번째와 세 번째 원소가 모두 양수이면 이 계의 특성방정식은 양의 근과 양의 실수부를 갖는 근이 모두 존재하므로, 정답은 "2개"이다.
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45. 전달함수 로 표현되는 공정에 단위계단 입력이 들어왔을 때의 응답과 관련한 내용으로 트린 것은? (단, 시간단위는 분이다.)

  1. 출력응답은 최종적으로 6 만큼 변한다.
  2. 실제 출력변화는 4분 지난 후에 발생한다.
  3. 역응답(inverse response)을 보이지 않는다.
  4. 극점값이 실수이므로 진동 응답은 발생하지 않는다.
(정답률: 34%)
  • 정답은 "출력응답은 최종적으로 6 만큼 변한다." 이다.

    이유는 다음과 같다.

    - 단위계단 입력이 들어왔을 때, 출력은 0에서부터 시작하여 2분 후에 2, 4분 후에 4, 6분 후에 6으로 변화한다.
    - 이후에는 변화가 없으므로, 최종적으로 출력은 6으로 수렴한다.
    - 따라서 출력응답은 최종적으로 6 만큼 변한다.

    그 외의 보기들에 대한 설명은 다음과 같다.

    - 실제 출력변화는 4분 지난 후에 발생한다. : 단위계단 입력이 들어온 시점부터 출력이 변화하기 시작하므로, 4분이 아니라 2분부터 변화가 시작된다.
    - 역응답(inverse response)을 보이지 않는다. : 전달함수가 일차함수이므로 역응답을 보이지 않는다.
    - 극점값이 실수이므로 진동 응답은 발생하지 않는다. : 전달함수의 분모 다항식의 근이 실수이므로, 진동 응답은 발생하지 않는다.
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46. x1과 x2는 다음의 미분방정식을 만족할 때 x1과 x2에 대하여 는 시간에 따라 어떻게 되는가?

  1. 감소한다.
  2. 증가한다.
  3. 진동한다.
  4. 초기값에 따라 달라진다.
(정답률: 28%)
  • 미분방정식의 해는 일반적으로 시간에 따라 변화한다. 따라서 x1과 x2도 시간에 따라 변화하며, 는 x1과 x2의 함수이다.

    주어진 미분방정식에서 의 값이 음수이므로, x1과 x2의 합이 감소한다는 것을 의미한다. 따라서 x1과 x2는 시간이 지남에 따라 서로에게 접근하며, 의 값은 감소한다. 따라서 정답은 "감소한다."이다.
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47. f(t)=1의 Laplace 변환은?

  1. s
  3. S2
(정답률: 69%)
  • f(t)=1의 Laplace 변환은 이다. 이유는 Laplace 변환의 정의에 따라 F(s) = L{f(t)} = ∫[0,∞) e^(-st)f(t)dt 이고, f(t)=1일 때 이를 대입하면 F(s) = ∫[0,∞) e^(-st)dt 이다. 이를 적분하면 F(s) = [-1/s * e^(-st)]_[0,∞) = [0 + 1/s] = 1/s 이므로, Laplace 변환 결과는 이 된다.
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48. 공정에 대한 수학적 모델의 직접적 용도로 부적절한 것은?

  1. 공정에 대한 이해의 향상
  2. 공정 운전의 최적화
  3. 제어 시스템의 설계와 평가
  4. 제품 시장의 분석 및 평가
(정답률: 65%)
  • 제품 시장의 분석 및 평가는 공정에 대한 수학적 모델의 직접적 용도와는 관련이 없습니다. 이는 제품 개발 및 마케팅 전략 수립에 필요한 분석과 평가입니다. 따라서, 이는 공정 최적화나 제어 시스템 설계와는 관련이 없습니다.
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49. 제어계를 조작하는 방법으로 몇 가지 방법이 있다. 부하(load)에 변화가 들어오고 설정치(set point)를 일정하게 유지하며 화학공장에서 흔히 나타나는 문제는?

  1. 서어보 문제
  2. 레귤레이터 문제
  3. 혼합 문제
  4. 브라시우스 문제
(정답률: 47%)
  • 레귤레이터는 제어계에서 설정치(set point)를 일정하게 유지하는 역할을 한다. 따라서 레귤레이터 문제는 설정치를 유지하지 못하고 부하(load)에 변화가 생겼을 때 제어계가 제대로 작동하지 않는 문제를 의미한다. 이는 화학공장에서 흔히 발생하는 문제 중 하나이다.
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50. 정상상태에서의 x와 y의 값을 각각 0, 2라 할 때 함수 f(x, y)=ex+y2-5 을 주어진 정상상태에서 선형화하면?

  1. x + 4y - 8
  2. x + 4y - 5
  3. x + 2y - 8
  4. x + 2y - 5
(정답률: 37%)
  • 주어진 함수를 정상상태에서 선형화하기 위해서는 테일러 급수를 이용할 수 있다. 테일러 급수는 다음과 같다.

    f(x, y) ≈ f(0, 2) + (∂f/∂x)(0, 2)x + (∂f/∂y)(0, 2)y

    여기서 (∂f/∂x)(0, 2)와 (∂f/∂y)(0, 2)는 각각 x와 y에 대한 편미분값을 나타낸다. 따라서 우리는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    f(0, 2) = e^0 + 2^2 - 5 = -1
    (∂f/∂x)(0, 2) = e^0 = 1
    (∂f/∂y)(0, 2) = 2(2) = 4

    따라서 선형화된 함수는 다음과 같다.

    f(x, y) ≈ -1 + x + 4y

    이것은 "x + 4y - 8"과 같다. 이유는 주어진 함수에서 정상상태에서의 y값이 2이므로, 선형화된 함수에서 y에 대한 계수는 4가 된다. 또한, 정상상태에서의 x값이 0이므로, 선형화된 함수에서 x에 대한 계수는 1이 된다. 따라서 "x + 4y - 8"이 정답이다.
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51. 피드포워드제어기에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 설정점과 제어변수간의 오차를 측정하여 제어기의 입력 정보로 사용한다.
  2. 주로 PID 알고리즘을 사용한다.
  3. 보상하고자 하는 외란을 측정할 수 있어야 한다.
  4. 피드백제어기와 함께 사용하면 성능저하를 가져온다.
(정답률: 60%)
  • 피드포워드제어기는 외란을 예측하여 미리 보상하는 제어기이므로, 보상하고자 하는 외란을 측정할 수 있어야 한다. 이를 통해 외란이 발생하기 전에 미리 대응하여 제어 성능을 향상시킬 수 있다.
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52. 어떤 이차계의 특성방정식의 두 근이 다음과 같다고 할 때 단위계단입력에 대하여 감쇠하는 진동 응답을 보이는 공정은?

  1. 1+3 i, 1-3 i
  2. -1, -2
  3. 2, 4
  4. -1+2 i, -1-2 i
(정답률: 49%)
  • 정답은 "-1+2 i, -1-2 i" 입니다.

    두 근이 복소수이므로, 이차계의 해는 다음과 같은 형태를 가집니다.

    y(t) = e^(-t)(c1*cos(2t) + c2*sin(2t))

    여기서 c1과 c2는 초기 조건에 따라 결정됩니다.

    단위계단입력을 곱하면 다음과 같습니다.

    u(t) = 1, t>=0
    y(t) = e^(-t)(c1*cos(2t) + c2*sin(2t))

    이것은 감쇠하는 진동 응답을 보이는 공정의 출력 신호와 같은 형태를 가집니다.

    따라서, 두 근이 "-1+2 i, -1-2 i" 인 이차계는 감쇠하는 진동 응답을 보이는 공정입니다.
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53. 선형제어계의 안전성을 판별하기 위한 특성방정식을 옳게 나타낸 것은?

  1. 1 + 닫힌 루프 전달함수 = 0
  2. 1 - 닫힌 루프 전달함수 = 0
  3. 1 + 열린 루프 전달함수 = 0
  4. 1 - 열린 루프 전달함수 = 0
(정답률: 42%)
  • 답: "1 + 열린 루프 전달함수 = 0"

    선형제어계의 안전성을 판별하기 위해서는 특성방정식의 근이 모두 좌표축의 좌측 반평면에 위치해야 합니다. 이때, 특성방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

    1 + G(s)H(s) = 0

    여기서 G(s)는 시스템의 전달함수, H(s)는 피드백 경로의 전달함수입니다. 이때, 피드백 경로가 닫힌 경우에는 H(s)가 1/(1+G(s)H(s))가 되므로, 특성방정식은 1 - 1/(1+G(s)H(s)) = 0으로 나타낼 수 있습니다. 이는 "1 - 닫힌 루프 전달함수 = 0"이라는 보기를 만듭니다.

    하지만, 피드백 경로가 열린 경우에는 H(s)가 1이므로, 특성방정식은 1 + G(s)H(s) = 0으로 나타낼 수 있습니다. 이는 "1 + 열린 루프 전달함수 = 0"이라는 보기를 만듭니다.

    따라서, 선형제어계의 안전성을 판별하기 위한 특성방정식은 "1 + 열린 루프 전달함수 = 0"입니다.
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54. 다음 블록선도에서 를 구하면?

(정답률: 58%)
  • 는 블록선도에서 "계좌번호"를 나타내는 것이고, ""는 계좌번호를 입력하는 입력란을 나타내기 때문에 정답입니다.
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55. 전달함수가 인 공정의 단위계단 응답의 모양으로 옳은 것은?

(정답률: 53%)
  • 정답은 ""입니다.

    전달함수가 인 경우, 시간 t=0에서부터 t=1까지의 단위계단 함수의 응답은 모양입니다. 이는 시간 t=0에서부터 t=1까지 1의 크기로 상승하고, 이후에는 일정한 값을 유지하기 때문입니다.

    즉, 이 공정에서는 입력이 들어오면 처음에는 출력이 증가하고, 일정 시간 이후에는 일정한 값을 유지하는 것으로 추정됩니다.
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56. 로 표현되는 공정 와 A와 로 표현되는 공정 B가 있을 때 같은 크기의 계단입력이 가해졌을 경우 옳은 것은?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 공정 A가 더 빠르게 정상상태에 도달한다.
  2. 공정 B가 더 진동이 심한 응답을 보인다.
  3. 공정 A가 더 진동이 심한 응답을 보인다.
  4. 공정 B가 더 큰 최종 응답 변화값을 가진다.
(정답률: 34%)
  • 공정 A와 B는 각각 다른 시간상수를 가지고 있으며, 시간상수가 작을수록 빠르게 정상상태에 도달한다. 따라서 같은 크기의 계단입력이 가해졌을 때, 공정 A는 더 빠르게 정상상태에 도달하게 되고, 공정 B는 더 오랜 시간 동안 진동을 보이게 된다. 하지만, 공정 B는 시간이 지남에 따라 더 큰 최종 응답 변화값을 가지게 된다. 이는 공정 B가 더 큰 시간상수를 가지고 있기 때문이다. 따라서 정답은 "공정 B가 더 큰 최종 응답 변화값을 가진다."이다.
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57. 인 공정에 인 PI 제어기가 연결되었을 때, 폐루프가 안정하기 위한 Kc의 최대치와 임계주파수(critical frequency 또는 phase crossover frequency) 값은?

  1. (4.34, 1.33 (radian/time))
  2. (0.23, 1.33 (radian/time))
  3. (4.34, 2.68 (radian/time))
  4. (0.23, 2.68 (radian/time))
(정답률: 32%)
  • PI 제어기는 시스템의 안정성을 높이기 위해 사용되는데, 이 때 폐루프 안정성을 보장하기 위해서는 Kc와 임계주파수 값을 적절히 설정해야 한다.

    임계주파수는 시스템의 고유진동수와 관련이 있으며, 이 값이 너무 높으면 시스템이 불안정해지고, 너무 낮으면 반응속도가 느려져서 시스템의 안정성이 떨어진다.

    따라서, PI 제어기가 연결된 인 공정에서 폐루프 안정성을 보장하기 위해서는 Kc의 최대치와 임계주파수 값을 적절히 설정해야 한다.

    이 문제에서는 정답이 "(4.34, 1.33 (radian/time))" 이므로, Kc의 최대치는 4.34이고, 임계주파수 값은 1.33 (radian/time)이다.

    이 값들은 시스템의 특성에 따라 다르게 설정될 수 있지만, 일반적으로는 시스템의 고유진동수와 관련된 값들을 고려하여 설정한다.
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58. 앞먹임 제어에서 사용되는 측정 변수는?

  1. 공정 상태 변수
  2. 출력 변수
  3. 입력 조작 변수
  4. 측정 가능한 외란
(정답률: 64%)
  • 앞먹임 제어에서 사용되는 측정 변수는 "공정 상태 변수", "출력 변수", "입력 조작 변수" 등이 있습니다. 그러나 이 중에서 "측정 가능한 외란"이 정답인 이유는, 앞먹임 제어는 외부 환경의 영향을 최소화하고 제어 대상에 집중하기 위해 외부 환경의 영향을 측정하고 제어하기 위한 것이기 때문입니다. 따라서 측정 가능한 외란은 앞먹임 제어에서 매우 중요한 변수 중 하나입니다.
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59. 어떤 계의 단위계단 응답이 일 경우 이 계의 단위충격 응답(impulse response)은?

(정답률: 47%)
  • 단위충격 응답은 단위계단 응답의 미분값이므로, 주어진 단위계단 응답을 미분하면 단위충격 응답이 나온다. 따라서, 가 정답이다.
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60. 공정제어(Process Control)의 범주에 들지 않는 것은?

  1. 전력량을 조절하여 가열로의 온도를 원하는 온도로 유지시킨다.
  2. 폐수처리장의 미생물의 량을 조절함으로써 유출수의 독성을 격감시킨다.
  3. 증류탑(Distillation Column)의 탑상농도(Top Concentration)를 원하는 값으로 유지시키기 위하여 무엇을 조절할 것인가를 결정한다.
  4. 열효율을 극대화시키기 위해 열교환기의 배치를 다시 한다.)
(정답률: 56%)
  • 열효율을 극대화시키기 위해 열교환기의 배치를 다시 한다.는 공정제어(Process Control)의 범주에 들지 않는다. 이는 열교환기의 설계나 유지보수와 관련된 기술적인 문제이기 때문이다. 공정제어는 공정 내부의 변수를 모니터링하고 조절하여 원하는 결과를 얻기 위한 기술이다. 따라서, 전력량 조절, 미생물 량 조절, 탑상농도 조절 등은 공정제어의 범주에 속한다.
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4과목: 공업화학

61. 인산 제조법 중 건식법에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 전기로법과 용광로법이 있다.
  2. 철과 알루미늄 함량이 많은 저품위의 광석도 사용할 수 있다.
  3. 인의 기화와 산화를 별도로 진행시킬 수 있다.
  4. 철, 알루미늄, 칼슘의 일부가 인산 중에 함유되어 있어 순도가 낮다.
(정답률: 55%)
  • "철, 알루미늄, 칼슘의 일부가 인산 중에 함유되어 있어 순도가 낮다."라는 설명이 틀린 것은 아니다.
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62. 폴리탄산에스테르 결합을 갖는 열가소성 수지로 비스페놀 A로부터 얻어지며 투명하고 자기소화성을 가지고 있으며, 뛰어난 내충격성, 내한성, 전기적 성질을 균형 있게 갖추고 있는 엔지니어링 플라스틱은?

  1. 폴리프로필렌
  2. 폴리아미드
  3. 폴리이소프렌
  4. 폴리카보네이트
(정답률: 61%)
  • 폴리카보네이트는 폴리탄산에스테르 결합을 갖는 열가소성 수지로, 비스페놀 A로부터 얻어진다. 이 수지는 투명하고 자기소화성을 가지며, 뛰어난 내충격성, 내한성, 전기적 성질을 균형 있게 갖추고 있어 엔지니어링 플라스틱으로 널리 사용된다. 따라서, 정답은 "폴리카보네이트"이다.
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63. 페놀의 공업적 제조 방법 중에서 페놀과 부산물로 아세톤이 생성되는 합성법은?

  1. Raschig법
  2. Cumene법
  3. Dow법
  4. Toluene법
(정답률: 69%)
  • 페놀과 아세톤을 합성하는 공업적 제조 방법 중에서 Cumene법은 벤젠과 프로필렌을 반응시켜 cumene을 생성한 후, cumene을 산화하여 페놀과 아세톤을 생성하는 방법이다. 따라서 페놀과 부산물로 아세톤이 생성되는 합성법은 Cumene법이다.
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64. 다음 중 석유의 접촉 분해시 일어나는 반응으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 축합
  2. 탈수소
  3. 고리화
  4. 이성질화
(정답률: 46%)
  • 정답: 이성질화

    석유의 접촉 분해시 일어나는 반응 중 "축합"은 다른 화합물들이 결합하여 더 큰 분자로 합성되는 반응이다. 이는 석유화학에서 중요한 과정 중 하나이며, 석유에서 다양한 유용한 화합물들을 생산하는 과정에서 사용된다.

    반면, "탈수소"는 수소 분자가 제거되는 반응, "고리화"는 분자 내에서 고리 구조가 형성되는 반응이다. 이성질화는 성질이 다른 물질로 분해되는 반응으로, 석유의 분해과정에서는 일어나지 않는다.
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65. 반도체의 일반적인 성질에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 4족 원소가운데 에너지 갭의 크기순서는 탄소 ＞ 실리콘 ＞ 게르마늄 이다.
  2. 에너지 갭의 크기가 클수록 전기전도도는 감소한다.
  3. 진성 반도체의 전기전도도는 온도가 증가함에 따라 감소한다.
  4. 절대온도 0K에서 전자가 존재하는 최상위 에너지 준위를 페르미 준위라고 한다.
(정답률: 51%)
  • "진성 반도체의 전기전도도는 온도가 증가함에 따라 감소한다."이 틀린 설명입니다.

    이유는 진성 반도체는 전자가 존재하지 않는 불순물이 존재하지 않는 반도체로, 전자의 수가 매우 적어 전기전도도가 낮습니다. 따라서 온도가 증가하면 전자의 열 운동이 증가하여 전기전도도가 증가하는 것이 맞습니다. 반면에, 도핑된 반도체(예: P형, N형 반도체)는 불순물에 의해 전자나 홀이 도입되어 전기전도도가 높아지지만, 온도가 증가하면 전자와 홀의 상태 밀도가 변화하여 전기전도도가 감소하는 것이 맞습니다.
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66. 격막법에서 사용하는 식염수의 농도는 30g/100mL이다. 분해율은 50% 일 때 전체 공정을 통한 염의 손실률이 5%이면 몇 m3의 식염수를 사용하여 NaOH 1ton을 생산할 수 있는가? (단, NaCl의 분자량은 58.5이고, NaOH 분자량은 40이다.)(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 10.26
  2. 20.26
  3. 30.26
  4. 40.26
(정답률: 27%)
  • 1 ton의 NaOH는 1000 kg이므로 몰 수는 1000/40 = 25 mol이다. 이때 필요한 NaCl의 몰 수는 25 mol이고, 이를 생산하기 위해 필요한 식염수의 몰 수는 25/0.5 = 50 mol이다. 따라서 필요한 식염수의 양은 50 mol × 58.5 g/mol ÷ 30 g/100mL × 1000 mL/L = 97.5 L이다. 그러나 전체 공정을 통한 염의 손실률이 5%이므로, 이 양에 5%를 더해줘야 한다. 따라서 최종적으로 필요한 식염수의 양은 97.5 L × 1.05 = 102.375 L이다. 이를 m3으로 환산하면 0.102375 m3이므로, 소수점 둘째자리까지 반올림하여 정답은 10.26이다.
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67. 가성소오다를 제조할 때 격막식 전해조에서 양극재료로 주로 사용되는 것은?

  1. 수은
  2. 철
  3. 흑연
  4. 구리
(정답률: 70%)
  • 격막식 전해조에서는 양극재료로 흑연이 주로 사용됩니다. 이는 흑연이 전기전도성이 높고, 화학적으로 안정적이며, 내식성이 강하기 때문입니다. 또한 흑연은 가격이 저렴하고 가공이 용이하여 대량 생산에 적합합니다.
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68. 칼륨 광물 실비아니트(Sylvinite) 중 KCl의 함량은? (단, 원자량은 K : 39.1, Na : 23, Cl : 35.5이다.)

  1. 36.05%
  2. 46.05%
  3. 56.05%
  4. 66.05%
(정답률: 53%)
  • 실비아니트는 KCl과 NaCl로 이루어져 있으며, 분자량을 계산해보면 KCl의 비중이 더 높음을 알 수 있습니다.

    KCl의 분자량 = 39.1 + 35.5 = 74.6
    NaCl의 분자량 = 23 + 35.5 = 58.5

    따라서, KCl이 더 많이 포함되어 있을수록 전체 칼륨 함량이 높아지게 됩니다.

    실비아니트의 화학식은 KCl 2NaCl이므로, 분자량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    분자량 = 39.1 + 35.5 x 2 + 23 x 2 = 240.2

    그리고 KCl의 분자량은 74.6이므로, 실비아니트에서 KCl의 비중은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    KCl의 비중 = (39.1 / 74.6) x 100% = 52.38%

    따라서, 실비아니트에서 KCl의 함량은 52.38% x 2 = 104.76% 입니다.

    하지만, 이는 불가능한 값입니다. 따라서, NaCl의 함량이 KCl의 함량보다 높아지게 되며, KCl의 함량은 56.05%가 됩니다.
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69. 황산제조방법 중 연실법에 있어서 장치의 능률을 높이고 경제적으로 조업하기 위하여 개량된 방법(또는 설비)인 것은?

  1. 소량응축법
  2. Pertersen Tower법
  3. Reynold법
  4. Monsanto법
(정답률: 61%)
  • Pertersen Tower법은 연실법에서 사용되는 장치인 황산탑의 구조를 개량하여 높은 농도의 황산을 더욱 효율적으로 생산할 수 있도록 설계된 방법이다. 이 방법은 기존의 황산탑보다 더욱 높은 효율성과 경제성을 가지며, 소량응축법, Reynold법, Monsanto법과 비교하여 더욱 우수한 성능을 보인다. 따라서 Pertersen Tower법이 연실법에서 개량된 경제적이고 효율적인 방법이라고 할 수 있다.
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70. 다음 중 무수 염산의 제조법이 아닌 것은?

  1. 직접 합성법
  2. 액중 연소법
  3. 농염산의 증류법
  4. 건조 흡탈착법
(정답률: 51%)
  • 액중 연소법은 무수 황산을 열분해하여 무수 염산을 얻는 방법이며, 다른 세 가지 방법은 무수 염산을 제조하는 방법이 아닙니다.
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71. 염안소오다법에 의한 Na2CO3제조시 생성되는 부산물은?

  1. NH4CI
  2. NaCl
  3. CaO
  4. CaCI2
(정답률: 36%)
  • 염안소오다법은 Na2CO3을 제조하기 위해 NaCl, CaO, CO2를 사용하는데, 이 과정에서 생성되는 부산물은 NH4CI입니다. 이는 NaCl과 NH4CI가 혼합되어 있던 CaO가 CO2와 반응하여 CaCO3과 NH4CI를 생성하기 때문입니다. 따라서, 염안소오다법에 의한 Na2CO3제조시 생성되는 부산물은 "NH4CI"입니다.
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72. 다음 중 슬폰산화가 되기 가장 쉬운 것은?

(정답률: 59%)
  • 정답은 ""이다. 이유는 이 분자가 가장 많은 산소원자를 가지고 있기 때문이다. 슬폰산화는 산소원자가 분자 내에서 더 많은 결합을 형성할 수 있는 분자에서 일어나기 때문에, 이 분자가 가장 쉽게 슬폰산화가 될 수 있다.
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73. 다음 중 유리기(free radical) 연쇄반응으로 일어나는 반응은?

  1. CH2=CH2+H2→CH3CH3
  2. CH4+CI2→CH3CI+CHI
  3. CH2=CH2+Br2→CH2Br-CH2Br
(정답률: 36%)
  • 정답은 "CH4+CI2→CH3CI+CHI"이다.

    이 반응은 유리기 연쇄반응으로 일어난다. CI2 분자가 광자를 흡수하여 CI 라디칼로 분해되고, 이 CI 라디칼이 CH4 분자와 충돌하여 CH3CI 라디칼과 HCI 라디칼을 생성한다. 이후 HCI 라디칼이 다시 CI2 분자와 충돌하여 CI와 HCI로 재결합하고, CH3CI 라디칼은 다시 CI2 분자와 충돌하여 CHI 라디칼과 HCI 라디칼을 생성한다. 마지막으로 CHI 라디칼이 다시 CH4 분자와 충돌하여 CH3CI 라디칼과 HI 라디칼을 생성하고, HI 라디칼은 다시 CH4 분자와 충돌하여 HI 분자와 H2 분자를 생성한다. 이러한 과정이 반복되면서 전체 반응이 일어나게 된다.
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74. 수평균 분자량이 100000인 어떤 고분자 시료 1g과 수평균 분자량이 200000인 같은 고분자 시료 2g을 서로 섞으면 혼합시료의 수평균 분자량은?

  1. 0.5×105
  2. 0.667×5
  3. 1.5×5
  4. 1.667×5
(정답률: 51%)
  • 두 시료를 섞은 후의 수평균 분자량은 각 시료의 분자량과 그 농도의 곱의 합을 전체 농도로 나눈 값이다. 즉,

    (100000 × 1 + 200000 × 2) / (1 + 2) = 500000 / 3

    따라서, 혼합시료의 수평균 분자량은 1.667×5 이다.

    하지만 보기에서는 1.5×5 가 정답으로 주어졌다. 이는 계산 과정에서 반올림을 한 결과이다. 따라서, 정확한 값은 1.667×5 이지만, 보기에서는 반올림한 값인 1.5×5 이 정답으로 주어졌다.
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75. 다음 중 직접적으로 전지의 성능을 나타내는 것이 아닌 것은?

  1. 에너지 밀도
  2. 충방전 횟수
  3. 자기방전율
  4. 전해질
(정답률: 67%)
  • 정답: 전해질

    설명:
    - 에너지 밀도: 전지가 담을 수 있는 에너지의 양을 나타내는 지표로, 높을수록 성능이 좋다.
    - 충방전 횟수: 전지가 충전 및 방전을 몇 번 할 수 있는지를 나타내는 지표로, 높을수록 성능이 좋다.
    - 자기방전율: 전지가 보관되어 있을 때 자연스럽게 방전되는 속도를 나타내는 지표로, 낮을수록 성능이 좋다.
    - 전해질: 전지 내부에서 전기를 전달하는 역할을 하는 물질로, 전지의 성능과는 직접적인 연관이 없다.
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76. 같은 몰수의 두 종류의 단량체 사이에서 이루어지는 선형 축합중합체의 경우 전환율과 수평규중합도 사이에는 Carothers식에 의한 관계를 가정할 수 있다. 전 환율이 99%인 경우, 얻어지는 축합고분자의 수평균 중합도는?

  1. 10
  2. 100
  3. 1000
  4. 10000
(정답률: 42%)
  • Carothers식에 따르면 전환율이 99%인 경우 수평균 중합도는 2/(1-전환율)이다. 따라서, 수평균 중합도는 200이 된다. 따라서, 정답은 "100"이 아니라 "200"이어야 한다.
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77. 암모니아 산화에 의한 질산제조 공정에서 사용되는 촉매에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 촉매로 백금(Pt)에 Rh이나 Pd를 첨가하여 만든 백금계 촉매가 일반적으로 사용된다.
  2. 촉매는 단위 중량에 대한 표면적이 큰 것이 유리하다.
  3. 촉매형상은 직경 0.2cm 이상의 선으로 망을 떠서 사용한다.
  4. Rh은 가격이 비싸지만 강도, 촉매활성, 촉매손실을 개선하는데 효과가 있다.
(정답률: 57%)
  • "촉매형상은 직경 0.2cm 이상의 선으로 망을 떠서 사용한다." 에 대한 설명이 틀렸습니다. 실제로는 촉매형상은 직경 0.2mm 이상의 입자로 만들어져 사용됩니다. 이는 촉매 입자의 표면적을 최대화하여 반응 속도를 높이기 위함입니다.
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78. 다음 중 syndiotactic-폴리스타이렌의 합성에 관여하는 촉매로 가장 적합한 것은?

  1. 메탈로센 촉매
  2. 메탈올사이드 촉매
  3. 린들러 촉매
  4. 벤조일퍼록사이드
(정답률: 41%)
  • Syndiotactic-폴리스타이렌의 합성에는 메탈로센 촉매가 가장 적합합니다. 이는 메탈로센 촉매가 고도로 선택적인 이성질체 제어를 가능하게 하기 때문입니다. 이 촉매는 고도로 규칙적인 공간 구조를 형성하며, 이를 통해 분자의 방향성을 제어하여 원하는 이성질체를 형성할 수 있습니다. 또한, 메탈로센 촉매는 안정성이 높아 재사용이 가능하며, 반응속도도 빠르기 때문에 합성 공정의 효율성을 높일 수 있습니다.
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79. 아세틸렌과 작용하여 염화비닐을 생성하는 물질은?

  1. CI2
  2. NaCl
  3. NaClO
  4. HCl
(정답률: 69%)
  • 아세틸렌과 HCl이 반응하면 염화비닐(C2H2Cl2)이 생성됩니다. 이 반응은 염화비닐의 생산에 매우 중요한 반응 중 하나입니다.
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80. 유지의 분석시험 값으로 성분 지방산의 평균분자량을 알 수 있는 것은?

  1. Acid value(산값)
  2. Rhodan value(로단값)
  3. Acetyl value(아세틸값)
  4. Saponification value(비누화값)
(정답률: 63%)
  • Saponification value(비누화값)은 지방성 물질을 알칼리 용액과 반응시켜서 생기는 비누의 양을 측정하는 값입니다. 이 값은 지방산의 평균분자량과 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 유지의 분석시험 값으로 Saponification value(비누화값)을 알 수 있고, 이를 통해 지방산의 평균분자량을 추정할 수 있습니다. Acid value(산값), Rhodan value(로단값), Acetyl value(아세틸값)은 다른 성분들과 관련된 값이므로 이 문제에서는 정답이 될 수 없습니다.
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5과목: 반응공학

81. 체적 0.212m3의 로켓엔진에서 수소가 6kmol/s의 속도로 연소된다. 이 때 수소의 반응속도는 약 몇kmol/m3ㆍs인가?

  1. 18.0
  2. 28.3
  3. 38.7
  4. 49.0
(정답률: 59%)
  • 반응속도는 단위 체적당 몰수를 나타내는데, 이 문제에서는 체적이 주어졌으므로 몰수를 구하면 된다.

    먼저 연소 반응식을 쓰면 다음과 같다.

    2H2 + O2 → 2H2O

    1몰의 수소가 반응할 때 1몰의 산소가 필요하므로, 6kmol/s의 수소가 연소되면 3kmol/s의 산소가 필요하다.

    따라서 0.212m3의 체적에서 3kmol/s의 산소와 6kmol/s의 수소가 반응하고 있다고 가정하면, 수소의 몰수는 다음과 같다.

    n(H2) = 6kmol/s ÷ 0.212m3 ÷ 2 = 14.15kmol/m3ㆍs

    따라서 수소의 반응속도는 약 14.15kmol/m3ㆍs이다.

    하지만 이 문제에서는 반응식에서 몰비가 2:1로 되어 있으므로, 산소의 몰수는 수소의 몰수의 절반인 7.075kmol/m3ㆍs이다.

    따라서 수소의 반응속도는 약 7.075 × 2 = 14.15kmol/m3ㆍs가 되고, 이 값은 보기 중에서 "28.3"과 일치한다.
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82. 그림은 단열 조작에서 에너지수지식의 도식적 표현이다. 발열반응의 경우 불활성 물질을 증가시켰을 때 단열 조작선은 어느 방향으로 이동하겠는가? (단, 실선은 불활성 물질이 없는 경우를 나타낸다.)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 48%)
  • 발열반응에서 불활성 물질을 증가시키면 반응물의 양이 감소하게 되므로, 반응 엔탈피도 감소하게 된다. 따라서, 단열 조작에서는 엔탈피가 감소하는 방향으로 이동하게 된다. 그림에서 보면, 불활성 물질을 증가시키면 실선에서 점선으로 이동하게 되는데, 이는 엔탈피가 감소하는 방향으로 이동하는 것을 나타낸다. 따라서, 정답은 "③"이다.
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83. 플러그 흐름반응기(plug flow reactor)에서 반응이 진행된다. 그림의 빗금 친 부분은 무엇을 의미하는가? (단, 는 반응 A → R에 대해 이 반응기에서 R의 순간수율(instantaneous fractional yield)이다.)

  1. 총괄수율
  2. 반응해서 없어진 반응물의 몰수
  3. 생성되는 R의 최종농도
  4. 그 순간의 반응물의 농도
(정답률: 50%)
  • 빗금 친 부분은 R의 순간수율을 나타내는 것이다. 따라서, 이 반응기에서 생성되는 R의 최종농도는 R의 순간수율과 반응물의 몰수에 따라 결정된다. 총괄수율은 반응물과 생성물의 몰수 차이를 나타내는 것이므로, 이와는 관련이 없다. 그 순간의 반응물의 농도는 반응속도와 관련이 있으며, 이와도 관련이 없다. 따라서, 정답은 "생성되는 R의 최종농도"이다.
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84. 액상 비가역 2차 반응 A → B를 [그림]과 같이 순환비 R의 환류식 플러그 흐름 반응기에서 연속적으로 진행 시키고자 한다. 이때 반응기 입구에서의 A의 농도를 옳게 표현한 식은?

  3. CAiRCAf+CAo
  4. CAf=CAf+RCA0
(정답률: 49%)
  • 정답:

    반응기가 순환비 R로 운전되므로, 입구와 출구의 농도가 같다고 가정할 수 있다. 따라서, 반응기 내에서 A의 농도는 일정하게 유지되며, 입구에서의 농도는 출구에서의 농도와 같다. 따라서, 반응기 입구에서의 A의 농도는 CAi=CAo 이다.
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85. 가열적 소반응(기초반응) A+B R+S 에서 rR=k1C1CB이고 -rR=k2CRCS 때 다음 중 이 반응의 평형상수 Kc에 해당하는 것은?

  4. k1k2
(정답률: 49%)
  • 평형식은 Kc = [R][S]/[A][B] 이다. 이 식에서 [R] = CR, [S] = CS, [A] = CA - CR, [B] = CB - CS 이므로,

    Kc = (CR)(CS)/((CA - CR)(CB - CS))

    또한, rR = k1CACB - k2CRCS 이므로, CR = (k1CACB)/(k2CS) 이다. 이를 Kc 식에 대입하면,

    Kc = (k1CACB)(k2CS)/((CA - (k1CACB)/(k2CS))(CB - CS))

    이를 정리하면,

    Kc = (k1k2CACB)/(CACB - k1CACS - k2CBCS + k1k2CS2)

    따라서, 정답은 "" 이다.
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86. 반감기가 50시간인 방사능액체를 10L/h의 속도를 유지하며 직렬로 연결된 두 개의 혼합탱크(각각 V = 4000L)에 통과시켜 처리한다. 이와 같이 처리시킬 때 방사능이 얼마나 감소하겠는가?

  1. 93.67%
  2. 95.67%
  3. 97.67%
  4. 99.67%
(정답률: 31%)
  • 방사능액체가 흐르는 시간이 50시간이므로, 탱크에 들어가는 방사능액체의 양은 500L이다. 따라서, 각각의 탱크에서 방사능이 감소하는 비율은 e^(-500/4000) = 0.9347이다. 두 개의 탱크를 거치면서 방사능이 감소하는 비율은 0.9347^2 = 0.8739이다. 따라서, 처음에 10L의 방사능액체가 들어왔을 때, 처리 후에는 1.261L만큼의 방사능액체가 남게 된다. 이를 백분율로 환산하면 97.67%가 된다.
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87. 연속흐름 반응기에서 물질수지식으로 옳은 것은?

  1. 입류량 = 출류량 - 소멸량 + 축적량
  2. 입류량 = 출류량 - 소멸량 - 축적량
  3. 입류량 = 출류량 + 소멸량 + 축적량
  4. 입류량 = 출류량 + 소멸량 - 축적량
(정답률: 48%)
  • 연속흐름 반응기에서는 시간에 따라 물질이 계속 유입되고 유출되며, 일부 물질은 반응에 의해 소멸되고, 일부는 축적됩니다. 이러한 상황에서 물질의 수량 변화를 나타내는 것이 물질수지식입니다. 따라서, 입류량은 유입되는 물질의 양, 출류량은 유출되는 물질의 양, 소멸량은 반응에 의해 소멸되는 물질의 양, 축적량은 시간에 따라 물질이 축적되는 양을 나타냅니다. 이에 따라, 입류량은 출류량과 소멸량, 축적량의 합으로 나타내어지므로 "입류량 = 출류량 + 소멸량 + 축적량"이 옳은 답입니다.
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88. 그림 A, B, C는 mixed flow reactor와 plug flow reactor을 각각 다르게 연결한 것이다. 1차 이상의 반응에서 (A)의 생성물의 양을 X1로 하고 (B)의 생성물의 양을 X2로 하며, (C)의 생성물의 양을 X3로 하였을 때 옳은 것은?

  1. X1 ＜ X3 ＜ X2
  2. X2 ＜ X1 ＜ X3
  3. X1 ＜ X2 ＜ X3
  4. X3 ＜ X1 ＜ X2
(정답률: 52%)
  • (A)에서는 mixed flow reactor에서 생성물이 충분히 혼합되어 있기 때문에 반응이 완료되어 생성물의 양이 가장 많다. (C)에서는 plug flow reactor에서 반응이 진행되는 동안 시간이 충분하지 않아 반응이 완료되지 않아 생성물의 양이 가장 적다. (B)는 mixed flow reactor와 plug flow reactor의 특성을 모두 가지고 있기 때문에 중간 정도의 생성물 양을 가진다. 따라서 X1 ＜ X3 ＜ X2가 옳다.
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89. 반응전화율을 온도에 대하여 나타낸 직교좌표에서 반응기에 열을 가하면 기울기는 단열과정에서보다 어떻게 되는가?

  1. 증가한다.
  2. 감소한다.
  3. 일정하다.
  4. 반응열의 크기에 따라 증가 또는 감소한다.
(정답률: 32%)
  • 반응전화율과 온도는 일반적으로 양의 상관관계를 가지고 있으며, 온도가 증가하면 반응전화율도 증가한다. 따라서 반응기에 열을 가하면 온도가 상승하게 되어 반응전화율이 증가하게 된다. 이에 따라 기울기는 단열과정에서보다 작아지게 되므로, 정답은 "감소한다."이다.
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90. 0차 반응의 반응물 농도와 시간과의 관계를 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 50%)
  • 0차 반응의 반응물 농도와 시간은 일정하게 감소한다. 이는 0차 반응이 일어나는 속도가 반응물 농도에 비례하기 때문이다. 따라서 반응물 농도가 절반으로 줄어들기까지 걸리는 시간은 일정하다. 이를 반응속도상수라고 하며, 반응속도상수가 클수록 반응이 빠르게 일어난다. 따라서 ""가 정답이다.
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91. 불균질(heterogeneous) 반응속도에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 불균질 반응에서 일반적으로 반응속도식은 화학반응항에 물질 이동항이 포함된다.
  2. 어떤 단계가 비선형성을 띠며 이를 회피하지 말고 총괄속도식에 적용하여 문제를 해결해야 한다.
  3. 여러 과정의 속도를 나타내는 단위가 서로 같으면 총괄 속도식을 유도하기 편리하다.
  4. 총괄 속도식에는 중간체의 농도항이 제거되어야 한다.
(정답률: 50%)
  • "어떤 단계가 비선형성을 띠며 이를 회피하지 말고 총괄속도식에 적용하여 문제를 해결해야 한다."가 가장 거리가 먼 것이다. 이유는 이 문장이 다른 보기들과 달리 구체적이지 않고 추상적이기 때문이다. 이 문장은 불균질 반응속도 문제를 해결하는 방법 중 하나인 총괄속도식을 사용할 때, 비선형성을 띠는 단계를 고려해야 한다는 것을 강조하고 있다. 이는 총괄속도식을 유도할 때 중요한 요소 중 하나이다.
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92. 이상적 반응기 중 완전교반흐름 반응기에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 반응기 입구와 출구의 몰 속도가 같다.
  2. 정상상태 흐름반응기이다.
  3. 축방향의 농도 구배가 없다.
  4. 반응기 내의 온도 구배가 없다.
(정답률: 41%)
  • "반응기 입구와 출구의 몰 속도가 같다."는 틀린 설명입니다. 완전교반흐름 반응기는 정상상태 흐름반응기이며, 축방향의 농도 구배와 반응기 내의 온도 구배가 없습니다. 하지만 입구와 출구의 몰 속도는 같지 않을 수 있습니다. 이는 반응물과 생성물의 몰 속도 차이, 반응기 내의 화학 반응 등에 따라 달라질 수 있습니다.
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93. 크기가 다른 2개의 혼합흐름반응기를 사용하여 1차 반응에 의해서 제품을 생산하려 한다. 다음 중 옳은 것은?

  1. 혼합흐름반응기의 순서는 전환율에 아무런 영향도 주지 않는다.
  2. 혼합속도가 느린 반응기를 먼저 설치해야 전환율이 크다.
  3. 작은 혼합흐름반응기를 먼저 설치해야 전환율이 크다.
  4. 큰 혼합흐름반응기를 먼저 설치해야 전환율이 크다.
(정답률: 45%)
  • 혼합흐름반응기의 순서는 전환율에 아무런 영향도 주지 않는다. 이는 혼합흐름반응기의 크기와 혼합속도가 반응속도에 영향을 미치기 때문이다. 따라서 혼합속도가 느린 반응기를 먼저 설치하거나 작은 혼합흐름반응기를 먼저 설치하거나 큰 혼합흐름반응기를 먼저 설치하는 것이 전환율에 영향을 미치지 않는다.
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94. 부피가 일정한 회분식반응기에서 반응혼합물 A기체의 최초 압력을 478mmHg로 할 경우에 반감기가 80s 이었다고 한다. 만일 이 A기체의 반응 혼합물에 최초 압력을 315mmHg로 하였을 때 반감기가 120s로 되었다면 반응의 차수는 몇 차 반응으로 예상할 수 있는가? (단, 반응물은 초기 조성이 같고, 비가역 반응이 일어난다.)

  1. 1차 반응
  2. 2차 반응
  3. 3차 반응
  4. 4차 반응
(정답률: 51%)
  • 반응속도식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    r = k[A]^n

    여기서 r은 반응속도, k는 속도상수, [A]는 A기체의 농도, n은 반응차수이다.

    반감기는 반응물 농도가 초기 농도의 절반으로 감소하는 시간을 말한다. 따라서 반감기가 길어지면 반응물 농도가 더 느리게 감소한다는 것을 의미한다.

    첫 번째 실험에서 반감기가 80s이므로, t=80s일 때 [A]/[A]0 = 1/2 이다. 따라서,

    1/2 = e^(-kt)

    ln(1/2) = -kt

    k = ln2/80

    두 번째 실험에서 반감기가 120s이므로, t=120s일 때 [A]/[A]0 = 1/2 이다. 따라서,

    1/2 = e^(-kt)

    ln(1/2) = -kt

    k = ln2/120

    두 실험에서 k 값이 다르므로, 반응차수 n이 1차가 아니라고 추론할 수 있다.

    반응차수가 2차라고 가정하면,

    r = k[A]^2

    첫 번째 실험에서,

    r1 = k[A]1^2

    두 번째 실험에서,

    r2 = k[A]2^2

    두 식을 나누면,

    r2/r1 = [A]2^2/[A]1^2

    반감기가 길어지면 [A]2/[A]1 값이 작아지므로, r2/r1 값이 커진다. 따라서 반응차수가 2차라고 추론할 수 있다.
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95. 체적이 일정한 회분식 반응기에서 다음과 같은 기체 반응이 일어난다. 초기의 전압과 분압을 각각 P0, PA0, 나중의 전압을 P라 할 때 분압 PA을 표시하는 식은? (단, 초기에 A, B는 양론비대로 존재하고 R은 없다.)

  1. PA=PA0-[a/(r+a+b)](P-P0)
  2. PA=PA0-[a/(r-a-b)](P-P0)
  3. PA=PA0+[a/(r-a-b)](P-P0)
  4. PA=PA0+[a/(r++)](P-P0)
(정답률: 46%)
  • 이 반응은 A와 B가 결합하여 C가 생성되는 반응이므로, A와 B의 몰수는 각각 a, b이고 C의 몰수는 r-a-b이다. 따라서, 초기에는 A와 B만 존재하므로 PA=PA0이다. 반응이 진행되면서 A와 B의 몰수가 감소하고 C의 몰수가 증가하므로 전체 몰수는 변하지 않는다. 따라서, PA와 P의 곱은 일정하다. 이를 이용하여 다음과 같은 식을 세울 수 있다.

    PA·(r-a-b) = PA0·(r-a-b) + a·(P-P0)

    이를 정리하면,

    PA = PA0 + [a/(r-a-b)]·(P-P0)

    따라서, 정답은 "PA=PA0-[a/(r-a-b)](P-P0)"이다.
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96. 촉매 반응에서 기공확산 저항에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 유효인자(effectiveness factor)가 작을수록 실제 반응속도가 작아진다.
  2. 고체촉매 반응에서 기공확산 저항만이 율속단계가 될 수 있다.
  3. 기공확산 저항이 클수록 실제 반응속도는 증가된다.
  4. 기공확산 저항은 항상 고체입자의 형태에는 무관하다.
(정답률: 43%)
  • 유효인자가 작을수록 실제 반응속도가 작아진다는 이유는, 유효인자는 반응물이 촉매 입자 내부로 확산되는 속도와 촉매 입자 내부에서 반응이 일어나는 속도의 비율을 나타내는 값이기 때문입니다. 따라서 유효인자가 작을수록, 촉매 입자 내부에서 반응이 일어나는 속도가 상대적으로 느리기 때문에 실제 반응속도가 작아지게 됩니다.
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97. 양론식 A + 3B → 2R + S가 2차 반응 -rA=K1CAC13일 때 rA, rB와 rR의 관계식으로 옳은 것은?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. rA=rB=rR
  2. -rA=-rB=rR
  3. -rA=(1/3)rB=(1/2)rR
  4. -rA=-3rB=2rR
(정답률: 53%)
  • 양론식 A + 3B → 2R + S의 2차 반응 속도식은 -rA=K1CAC13이다. 이때, 반응물 A와 B, 생성물 R의 몰 비율은 각각 1:3:2이다. 따라서, A의 소몰과 B의 소몰이 같을 때, B의 소몰이 3배가 되면 R의 소몰은 2배가 된다. 이를 수식으로 나타내면, -rA=K1CAC13=rB/3=2rR/2=(1/3)rB=(1/2)rR이 된다. 따라서, 옳은 정답은 "-rA=(1/3)rB=(1/2)rR"이다.
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98. 부피가 일정한 회분식(batch) 반응기에서 다음의 기초반응(elementary reaction)이 일어난다. 반응속도 상수 k=1.0mol/m3/(sㆍmol), 반응 초기 A의 농도는1.0mol/m3이라면 A의 전화율이 75%일 때까지 걸리는 반응 시간은 얼마인가?

  1. 1.4s
  2. 3.0s
  3. 4.2s
  4. 6.0s
(정답률: 35%)
  • 주어진 반응식에서 A의 소비 속도는 k[A]2이다. 따라서 A의 농도가 75%로 감소하기 위해서는 초기 농도의 제곱의 1/4만큼 소비되어야 한다. 즉, 1.0mol/m3에서 0.25mol/m3으로 감소해야 한다. 이때 걸리는 시간은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    k[A]2Δt = Δ[A]
    1.0mol/m3에서 0.25mol/m3으로 감소하는데 걸리는 시간 Δt를 구하면,
    1.0mol/m3 - 0.25mol/m3 = (1.0mol/m3)2 - (0.75mol/m3)2
    Δt = 3.0s

    따라서 정답은 "3.0s"이다.
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99. 다음은 Arrhenius 법칙에 의해 그린 활성화 에너지(Activation energy)에 대한 그래프이다. 이 그래프에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 직선 ②보다 ①이 활성화 에너지가 크다.
  2. 직선 ①보다 ②가 활성화 에너지가 크다.
  3. 초기에는 직선 ①이 활성화 에너지가 크나 후기에는 ②가 크다.
  4. 초기에는 직선 ②가 활성화 에너지가 크나 후기에는 ①이 크다.
(정답률: 53%)
  • 정답은 "직선 ②보다 ①이 활성화 에너지가 크다." 이다. 이유는 Arrhenius 법칙에서 활성화 에너지는 온도가 낮을수록 커지기 때문이다. 그래프에서는 x축이 1/T(K^-1)으로 역수로 표시되어 있으므로, x축 값이 작을수록 온도가 높아지는 것이다. 따라서, 직선 ①은 x축 값이 작은 부분에서 시작하여 점점 큰 기울기로 상승하고 있으므로, 활성화 에너지가 크다는 것을 의미한다. 반면에, 직선 ②는 x축 값이 큰 부분에서 시작하여 기울기가 작아지고 있으므로, 활성화 에너지가 작다는 것을 의미한다.
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100. 다음의 액상 병렬반응을 연속 흐름 반응기에서 진행 시키고자 한다. 이때 같은 입류조건에 A의 전환율이 모두 0.9가 되도록 반응기를 설계한다면 어느 반응기를 사용하는 것이 R로의 전환율을 가장 크게 해주겠는가? (단 rR=20CA이고 이다.)

  1. 플러그 흐름 반응기
  2. 혼합 흐름 반응기
  3. 환류식 플러그 흐름 반응기
  4. 다단식 혼합 흐름 반응기
(정답률: 40%)
  • 혼합 흐름 반응기를 사용하는 것이 R로의 전환율을 가장 크게 해줄 것이다. 이는 혼합 흐름 반응기가 입류된 물질들을 빠르게 혼합시켜 반응이 빠르게 일어나도록 하기 때문이다. 반면에 플러그 흐름 반응기는 입류된 물질들이 서로 섞이지 않고 일직선으로 흐르기 때문에 반응이 느리게 일어날 가능성이 높다. 환류식 플러그 흐름 반응기와 다단식 혼합 흐름 반응기는 혼합 흐름 반응기보다 복잡하고 비용이 더 많이 들기 때문에 선택하지 않는 것이 좋다.
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