화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2016-10-01)

화공기사(구)
(2016-10-01 기출문제)

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1과목: 화공열역학

1. 정압과정으로, 액체로부터 증기로 바뀌는 순수한 물질에 대한 깁스 자유에너지 G와 온도 T의 그래프를 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 56%)
  • 정압과정에서는 깁스 자유에너지 변화량이 엔탈피 변화량과 같으므로, 온도가 증가하면 증기의 엔탈피가 증가하게 되어 깁스 자유에너지도 증가하게 된다. 따라서 온도가 증가할수록 깁스 자유에너지는 증가하게 된다. 이에 따라 올바른 그래프는 ""이다.
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2. 주울-톰슨(Joule-Thomson)팽창은 다음 중 어느 과정에 속하는가?

  1. 등엔탈피과정
  2. 등엔트로피과정
  3. 정용과정
  4. 정압과정
(정답률: 67%)
  • 주울-톰슨 팽창은 "등엔탈피과정"에 속한다. 이는 엔탈피가 일정하게 유지되는 과정으로, 압력과 온도가 변화하면서도 엔탈피는 일정하게 유지된다. 이 과정에서는 기체가 팽창하면서 내부 에너지가 외부로 방출되어 온도가 낮아지지만, 동시에 압력이 낮아지면서 내부 에너지가 증가하여 엔탈피가 일정하게 유지된다.
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3. 혼합물이 기-액 상평형을 이루고 압력과 기상조성이 주어졌을 때 온도와 액상조성을 계산하는 방법을 다음 중 무엇이라 하는가?

  1. BUBL P
  2. BUBL T
  3. DEW P
  4. DEW T
(정답률: 54%)
  • DEW T는 이상기체 혼합물에서 기-액 상평형을 이룰 때, 액상 상태의 최저 온도를 의미한다. 이는 이상기체 혼합물에서 액상이 처음으로 생성되는 온도를 나타내며, 이 온도에서는 액상과 기상의 조성이 서로 같아진다. 따라서 압력과 기상조성이 주어졌을 때, DEW T를 계산하여 액상조성을 예측할 수 있다.
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4. 역행응축(逆行凝縮, Retrograde condensation)현상을 가장 유용하게 쓸 수 있는 경우는?

  1. 천연가스 채굴시 동력없이 많은 앙의 액화 천연가스를 얻는다.
  2. 기체를 임계점에서 응축시켜 순수성분을 분리시킨다.
  3. 고체 혼합물을 기체화 시킨 후 다시 응축시켜 비휘발성 물질만을 얻는다.
  4. 냉동의 효율을 높이고 냉동제의 증발잠열을 최대로 이용한다.
(정답률: 80%)
  • 역행응축은 기체를 냉각하여 액체나 고체로 변화시키는 과정에서 발생하는 현상으로, 이를 이용하여 기체 혼합물에서 순수성분을 분리할 수 있습니다. 천연가스 채굴 시에는 이러한 역행응축 과정을 이용하여 동력 없이 많은 양의 액화 천연가스를 얻을 수 있습니다. 이는 천연가스가 다양한 성분으로 이루어져 있기 때문에, 역행응축을 통해 각 성분을 분리하여 순수한 천연가스를 얻을 수 있기 때문입니다.
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5. 실제기체의 조름공정(Throtting process)을 전후해서 변하지 않는 성질은?

  1. 온도
  2. 엔탈피
  3. 압력
  4. 엔트로피
(정답률: 69%)
  • 실제기체의 조름공정은 엔탈피가 변하지 않는 과정이다. 이는 조름공정이 일어나는 동안 열이나 일이 전달되지 않고, 기체 내부의 열적 에너지와 운동 에너지만 변화하기 때문이다. 따라서 엔탈피는 조름공정 전후에 변하지 않는다.
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6. P-H 선도에서 등 엔트로피선의 기울기 의 값은?

(정답률: 67%)
  • 정답: ""

    등 엔트로피선은 등압선과 수직이므로, 기울기는 0이다. 따라서, 보기 중에서 기울기가 0인 ""가 정답이다.
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7. 다음 중 혼합물에서 성분 i의 화학포텐셜(chemical potential)을 올바르게 나타낸 것은?

(정답률: 73%)
  • "" 이 정답이다.

    화학포텐셜은 성분의 농도와 온도, 압력 등의 조건에 따라 달라지는데, 이를 나타내는 수식은 μi = ∂G/∂ni 이다. 이때 ∂G/∂ni는 성분 i의 화학적 자유에너지이며, 이 값이 클수록 성분 i의 농도가 높아지는 경향이 있다.

    따라서 ""가 정답인 이유는, 이 수식에서 μi 값이 가장 크다는 것을 의미하기 때문이다. 즉, 이 혼합물에서 성분 i의 농도가 가장 높다는 것을 나타낸다.
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8. 같은 몰수의 벤젠과 톨루엔의 액체 혼합물이 303.15K에서 증기와 기-액 상평형을 이루고 있다. 라울의 법칙을 가정할 때 계의 총 압력과 벤젠의 증기 조성은 얼마인가?(단, 303.15k에서 벤젠의 증기압은 15.9kpa 톨루엔의 증기압은 4.9kpa이다)(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 전압=20.8kPa, 증기의 벤젠조성=0.236
  2. 전압=20.8kPa, 증기의 벤젠조성=0.764
  3. 전압=10.4kPa, 증기의 벤젠조성=0.236
  4. 전압=10.4kPa, 증기의 벤젠조성=0.764
(정답률: 63%)
  • 같은 몰수의 혼합물에서 각 구성 성분의 증기압은 그 구성 성분의 분압과 같다는 라울의 법칙을 이용한다. 따라서 벤젠의 분압은 전체 압력에서 벤젠의 증기 조성만큼의 비율을 곱한 값이 되고, 톨루엔의 분압은 전체 압력에서 톨루엔의 증기 조성만큼의 비율을 곱한 값이 된다. 이 두 분압의 합이 전체 압력과 같아야 한다.

    벤젠의 증기 조성이 x일 때, 벤젠의 분압은 15.9kPa x, 톨루엔의 분압은 4.9kPa (1-x)이다. 전체 압력은 이 둘을 더한 값인 15.9kPa x + 4.9kPa (1-x)이다. 이를 정리하면 10.4kPa x + 4.9kPa = 15.9kPa가 된다. 이를 풀면 x = 0.764이므로, 벤젠의 증기 조성은 0.764이 된다. 따라서 전압은 10.4kPa가 된다.
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9. 다음의 P-H선도에서 H2-H1의 값은 무엇에 해당하는가?

  1. 혼합열
  2. 승화열
  3. 증발열
  4. 융해열
(정답률: 78%)
  • H2-H1은 열전달 과정에서 냉매가 수증기로 변할 때 방출되는 열의 양을 나타내는 값이다. 따라서 이 값은 증발열에 해당한다.

    정답이 "증발열"인 이유는 보기 중에서 "증발열"은 냉매가 수증기로 변할 때 방출되는 열의 양을 나타내는 값이기 때문이다. 다른 보기들은 각각 혼합 과정, 승화 과정, 융해 과정에서 방출되는 열의 양을 나타내는 값이다.
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10. 열과 일 사이의 에너지 보존의 원리를 표현한 법칙은?

  1. 보일 샤를의 법칙
  2. 열역학 제1법칙
  3. 열역학 제2법칙
  4. 열역학 제3법칙
(정답률: 74%)
  • 열역학 제1법칙은 에너지 보존의 법칙으로, 에너지는 생성되거나 소멸되지 않고 변환만 가능하다는 원리를 말합니다. 따라서 열과 일 사이에서 일어나는 에너지 변환에서도 열과 일의 양은 변하지 않으며, 열과 일의 합은 일정하게 유지됩니다. 이러한 이유로 열과 일 사이의 에너지 보존의 원리를 나타내는 법칙은 열역학 제1법칙입니다.
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11. 3개의 기체화학종(Chemical species) N2H2NH3로 구성되어 다음의 화학반응이 일어나는 반응계의 자유도는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 67%)
  • 이 반응에서는 기체 상태의 화학종이 3개이므로 자유도는 3이다. 자유도는 반응계 내에서 독립적으로 변화할 수 있는 변수의 수를 의미하며, 이 경우에는 각 화학종의 몰 수가 독립적으로 변화할 수 있기 때문에 자유도는 3이 된다.
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12. 디젤(Diesel) 엔진의 사이클 중 연소는 열역학적으로 다음의 어느 과정에서 일어나는가?

  1. 정용과정
  2. 등압과정
  3. 단열과정
  4. 등엔탈피과정
(정답률: 53%)
  • 디젤 엔진의 사이클 중 연소는 "등압과정"에서 일어납니다. 이는 연료가 고압 상태에서 분사되어 실린더 내부에서 불안정한 혼합기가 형성되고, 이 혼합기가 고압 상태에서 불꽃을 일으켜 연소되면서 실린더 내부의 압력이 유지되는 과정입니다. 이후에는 폭발로 인해 발생한 가스가 실린더를 밀어내면서 "등압과정"이 일어나게 됩니다. 이 과정에서는 가스가 일정한 압력을 유지하면서 실린더를 빠져나가게 되며, 이를 통해 엔진의 움직임이 발생합니다.
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13. 컴퓨터를 이용한 이성분계 계산에 대한 설명 중 적합하지 않은 것은?

  1. 등온 플래시 계단은 온도, 압력을 주고 기상, 액상의 몰 조성을 구하는 계산이다.
  2. 등온 플래시 계산은 뉴튼의 방법 같은 반복계산을 통해서 계산된다.
  3. 평형상수를 이용하면 반응의 속도를 정확히 알 수 있다.
  4. 평형상수를 이용하면 반응 후 최종 조성을 정확히 알 수 있다.
(정답률: 66%)
  • "평형상수를 이용하면 반응의 속도를 정확히 알 수 있다."는 적합하지 않은 설명이다. 평형상수는 반응이 어느 정도 진행되었는지를 나타내는 지표이며, 반응 속도와는 직접적인 연관성이 없다.
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14. 디젤기관(Diesel cycle)과 오토기관(Otto cycle)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 두 기관 모두 효율은 압축비와 무관하게 결정된다.
  2. 디젤기관(Diesel cycle)은 2새의 정용과정이 있다.
  3. 같은 압축비에 대하여 오토기관(Otto cycle)은 디젤기관(Diesel cycle)보다 효율이 좋다.
  4. 오토기관(Otto cycle)은 1개의 정용과정과 1개의 정압과정이 있다.
(정답률: 73%)
  • 정답은 "같은 압축비에 대하여 오토기관(Otto cycle)은 디젤기관(Diesel cycle)보다 효율이 좋다." 이유는 디젤기관은 압축 후 연료를 분사하여 자연 발화를 일으키는 방식으로 작동하며, 오토기관은 연료와 공기를 혼합한 후 불꽃을 발생시켜 연소시키는 방식으로 작동하기 때문입니다. 이에 따라 오토기관은 더 많은 연료를 효율적으로 연소시킬 수 있어 디젤기관보다 높은 효율을 보입니다.
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15. 퓨개시티(Fugacity) fi및 퓨개시티 계수 에 관한 설명으로 틀린 것은?(단, 이다.)

  1. 이상기체에 대한 의 값은 1이 된다.
  2. 잔류 깁스(Gibbs) 에너지 과 와의 관계는 로 표시된다
  3. 퓨개시티 계수 의 단위는 압력의 단위를 가진다.
  4. 주어진 성분의 퓨개시티가 모든 상에서 동일할 때 접촉하고 있는 상들은 평형 상태에 도달할 수 있다.
(정답률: 68%)
  • "이상기체에 대한 의 값은 1이 된다." 이 설명이 틀린 것이다. 이상기체에서는 퓨개시티 계수가 1이 되지만, 이상기체가 아닌 경우에는 퓨개시티 계수가 1이 아닐 수 있다.

    퓨개시티 계수 의 단위는 압력의 단위를 가진다. 이유는 퓨개시티 계수는 실제 기체의 화학평형 상태와 이상기체의 화학평형 상태를 비교하는 상대적인 개념이기 때문이다. 따라서 압력의 단위를 가지게 된다.

    잔류 깁스(Gibbs) 에너지 과 와의 관계는 로 표시된다는 것은 맞는 설명이다.

    주어진 성분의 퓨개시티가 모든 상에서 동일할 때 접촉하고 있는 상들은 평형 상태에 도달할 수 있다는 것도 맞는 설명이다.
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16. 이성분 혼합용액에 관한 라울(Raoult)의 법칙으로 옳은 것은?(단, YiXi는 기상 및 액상의 몰분율을 의미한다.)

(정답률: 58%)
  • 라울의 법칙은 이성분 혼합용액에서 각 성분의 증기압이 그 성분의 몰분율과 비례한다는 법칙이다. 따라서 YiXi는 각 성분의 증기압을 의미하며, 이 값이 기상압과 같아지면 혼합용액이 포화상태가 된다는 것을 의미한다. 따라서 ""이 옳다. ""는 라울의 법칙과 관련이 없는 개념이다. ""은 혼합용액의 증기압을 계산하는 공식이다. ""는 라울의 법칙과 관련이 없는 개념이다.
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17. 60기압의 기체( =1.33)가 들어 있는 탱크에 수렴노즐(convergent nozzle)을 연결하여 이 기체를 다른 탱크로 뽑아내고자 할 때 가장 빨리 뽑아내기 위해서는 제 2의 탱크 압력을 몇 기압으로 유지시켜야 하는가? (단, 기체는 이상기체, 는 비열비이다.)

  1. 3.24기압
  2. 32.4기압
  3. 4.51기압
  4. 45.1기압
(정답률: 31%)
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18. 두 성분이 완전 혼합되어 하나의 이상용액을 형성할 때 한성분 i의 화학포텐셜 μi는 μoi(T,P)+RTlnXi 로 표시할 수 있다. 동일 온도와 압력 하에서 한성분 i의 순수한 화학 포텐셜 μpurei는 어떻게 나타낼 수 있는가?

  1. μPurei=μoi(T,P)+RT+lnXi
  2. μPurei=RTlnXi
  3. μPurei=μoi(T,P)+RT
  4. μPurei=μoi(T,P)
(정답률: 51%)
  • 순수한 성분 i의 화학포텐셜은 그 성분만 존재하는 상태에서의 화학포텐셜이다. 이는 혼합물에서의 화학포텐셜에서 다른 성분들의 기여를 제거한 값이다. 따라서 혼합물에서의 한성분 i의 순수한 화학포텐셜은 그 성분만 존재하는 상태에서의 화학포텐셜과 같다. 즉, μPurei=μoi(T,P) 이다.
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19. CP/CV=1.4인 공기 1m3을 5atm에서 20atm으로 단열압축 시 최종체적은 얼마인가?(단, 이상기체로 가정한다.)

  1. 0.18m3
  2. 0.37m3
  3. 0.74m3
  4. 3.7m3
(정답률: 68%)
  • 단열압축 공식인 P1V1γ=P2V2γ를 이용하면 된다. 여기서 γ=CP/CV=1.4이므로, P1V11.4=P2V21.4이다. 이를 V2에 대해 정리하면 V2=V1(P1/P2)1/γ이 된다. 따라서, V2=1m3(5atm/20atm)1/1.4=0.37m3이다.
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20. 상태방정식에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 삼차 상태방정식은 압력을 온도와 부피의 항으로 표시한다.
  2. 삼차 상태방정식은 3개 또는 1개의 실근을 가진다.
  3. 삼차 상태방정식을 이용하면 기체 혼합물의 잔류물성(Residual Propreties)을 계산할 수 있다.
  4. 삼차 상태방정식을 이용하여 기준 물성( )등을 계산할 수 있다.
(정답률: 40%)
  • "삼차 상태방정식은 압력을 온도와 부피의 항으로 표시한다."가 틀린 설명입니다. 삼차 상태방정식은 압력, 온도, 부피의 세 가지 변수를 이용하여 기체의 상태를 나타내는 방정식입니다. 따라서 압력, 온도, 부피 모두를 포함한 항으로 표시됩니다.
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 정상상태로 흐르는 유체가 유로의 확대된 부분을 흐를 대 변화하지 않는 것은?

  1. 유량
  2. 유속
  3. 압력
  4. 유동단면적
(정답률: 68%)
  • 유량은 유체가 단위 시간당 흐르는 양을 나타내는 값이므로, 유로의 확대된 부분에서도 유체의 양은 변하지 않기 때문에 유량은 변하지 않습니다. 따라서 정답은 "유량"입니다. 유속은 유체가 단위 시간당 이동하는 거리를 나타내는 값이므로, 유로의 확대된 부분에서 유체의 이동 거리가 변할 수 있기 때문에 유속은 변할 수 있습니다. 압력은 유체의 단위 면적당 가해지는 힘을 나타내는 값이므로, 유로의 확대된 부분에서 압력이 변할 수 있습니다. 유동단면적은 유체가 유로를 흐를 때 흐르는 단면적을 나타내는 값이므로, 유로의 확대된 부분에서 유동단면적이 변할 수 있습니다.
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22. 25℃에서 10L의 이상기체를 1.5L까지 정온 압축시켰을 때 주위로부터 2250cal의 일을 받았다면 이 이상기체는 몇 mol인가?

  1. 0.5mol
  2. 1mol
  3. 2mol
  4. 3mol
(정답률: 62%)
  • 이 문제는 기체 상태방정식을 이용하여 풀 수 있습니다.

    PV = nRT

    여기서 P는 압력, V는 부피, n은 몰수, R은 기체상수, T는 절대온도를 나타냅니다.

    먼저 초기 상태에서의 몰수를 구해보겠습니다.

    P1V1 = nRT1

    10L의 이상기체를 25℃에서 정온 압축시켰으므로, 초기 상태에서의 온도 T1는 298K입니다.

    압력 P1는 이상기체이므로 압력이 변하지 않습니다. 따라서 P1 = 1 atm입니다.

    부피 V1는 10L입니다.

    기체상수 R은 0.0821 L·atm/mol·K입니다.

    위 식에 값을 대입하여 n을 구하면 다음과 같습니다.

    n = P1V1 / RT1 = 1 atm × 10 L / (0.0821 L·atm/mol·K × 298 K) ≈ 0.41 mol

    따라서 초기 상태에서의 몰수는 약 0.41 mol입니다.

    이제 최종 상태에서의 몰수를 구해보겠습니다.

    P2V2 = nRT2

    1.5L까지 정온 압축시켰으므로, 최종 상태에서의 부피 V2는 1.5L입니다.

    압력 P2는 이상기체이므로 압력이 변하지 않습니다. 따라서 P2 = 1 atm입니다.

    주위로부터 2250cal의 일을 받았으므로, 이 일은 내부에너지의 증가로 인한 것입니다. 내부에너지의 증가는 온도의 증가와 같으므로, 최종 상태에서의 온도 T2는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    Q = ΔU = nCΔT

    여기서 Q는 내부에너지 변화량, ΔU는 내부에너지의 변화량, C는 열용량, ΔT는 온도 변화량을 나타냅니다.

    이상기체의 열용량은 3/2R입니다.

    위 식에 값을 대입하여 T2를 구하면 다음과 같습니다.

    2250 cal = n × (3/2R) × (T2 - T1)

    2250 cal = 0.41 mol × (3/2 × 0.0821 L·atm/mol·K) × (T2 - 298 K)

    T2 ≈ 1073 K

    따라서 최종 상태에서의 온도 T2는 약 1073K입니다.

    위 식에 값을 대입하여 n을 구하면 다음과 같습니다.

    n = P2V2 / RT2 = 1 atm × 1.5 L / (0.0821 L·atm/mol·K × 1073 K) ≈ 2 mol

    따라서 최종 상태에서의 몰수는 약 2 mol입니다.

    따라서 정답은 "2mol"입니다.
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23. 이상기체 1몰이 300K에서 100kPa로부터 400kPa로 가역과정으로 등온 압축되었다. 이 때 작용한 일의 크기를 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 70%)
  • 일의 크기는 가역과정에서는 열역학 제1법칙에 따라 일과 열의 합이 항상 0이므로, 일의 크기는 0이다. 따라서 정답은 ""이다.

    이유는 가역과정에서는 시스템과 주변 환경 사이에 열전달이 없으므로 열의 변화가 없다. 따라서 열역학 제1법칙에 따라 일과 열의 합은 0이 되어야 한다.
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24. 톨루엔 속에 녹은 40%의 이염화에틸렌용액이 매 시간 100mol씩 증류탑 중간으로 공급되고 탑 속의 축적량 없이 두 곳으로 나간다. 위로 올라가는 것을 증류물이라 하고, 밑으로 나가는 것을 잔류물이라 한다. 증류물은 이염화에틸렌 95%를 가졌고 잔류물은 이염화에틸렌 10%를 가졌다고 할 때 각 흐름의 속도는 약 몇 mol/h 인가?

  1. D=0.35 B=0.64
  2. D=64.7 B=35.3
  3. D=35.3 B=64.7
  4. D=0.64 B=0.35
(정답률: 65%)
  • 이 문제는 증류 과정에서의 확률 문제이다. 증류탑 중간으로 공급되는 용액은 40%의 이염화에틸렌을 가지고 있으므로, 이 용액이 위로 올라가서 증류물이 되는 확률은 0.4이다. 반면에, 이 용액이 밑으로 내려가서 잔류물이 되는 확률은 0.6이다.

    즉, 매 시간 100mol씩 공급되는 용액 중에서 40mol은 증류물이 되고 60mol은 잔류물이 된다. 따라서, 증류물의 이염화에틸렌 농도는 95%이므로, 증류물의 흐름 속도는 0.4 x 100mol/h x 0.95 = 38mol/h 이다. 마찬가지로, 잔류물의 이염화에틸렌 농도는 10%이므로, 잔류물의 흐름 속도는 0.6 x 100mol/h x 0.1 = 6mol/h 이다.

    따라서, 증류물의 흐름 속도는 38mol/h, 잔류물의 흐름 속도는 6mol/h 이다. 이에 따라 정답은 "D=35.3 B=64.7"이다.
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25. 대기압이 760mmHg 이고 기온이 30℃인 공기의 밀도는 약 몇 kg/m3인가?

  1. 1.167
  2. 1.206
  3. 1.513
  4. 1.825
(정답률: 65%)
  • 공기의 밀도는 다음과 같은 공식으로 계산할 수 있다.

    ρ = (P / (R * T))

    여기서, ρ는 공기의 밀도, P는 대기압, R은 기체상수, T는 절대온도이다.

    R은 대략 287 J/(kg·K)이고, T는 30℃를 절대온도로 바꾸면 303K이다.

    따라서,

    ρ = (760 mmHg * 133.322 Pa/mmHg) / (287 J/(kg·K) * 303K) ≈ 1.167 kg/m³

    따라서, 정답은 "1.167"이다.
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26. 이상기체에서 단열공정(adiabatic process)에 대한 관계를 옳게 나타낸 것은?(단, K는 비열비이다.)

(정답률: 66%)
  • 이상기체에서 단열공정은 열이 전혀 주입되거나 빠져나가지 않는 과정이다. 따라서 내부에 저장된 열에너지만을 이용하여 일을 하게 된다. 이 때, 열에너지와 일의 관계는 다음과 같다.

    Q = 0, W < 0 이므로 ΔU = -W

    즉, 열에너지가 변하지 않으므로 내부에 저장된 열에너지는 일의 형태로 외부로 방출되게 된다. 이 때, 이상기체에서는 비열비 K가 일정하므로 ΔU = C_vΔT 이다. 따라서 ΔT와 W의 관계는 W ∝ ΔT 이므로, 온도가 상승하면 일의 양도 증가하게 된다. 이를 수식으로 나타내면 W = -C_vΔT 이다.
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27. Hess 의 법칙에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 정압하에서 열(QP)을 추산하는 데 무관한 법칙이다.
  2. 경로함수의 성질을 이용하는 법칙이다.
  3. 상태함수의 변화치를 추산하는데 이용할 수 없는 법칙이다.
  4. 엔탈피 변화는 초기 및 최종상태에만 의존한다.
(정답률: 56%)
  • Hess의 법칙은 반응 엔탈피 변화가 초기 상태와 최종 상태에만 의존하며, 반응 경로에는 의존하지 않는 법칙입니다. 이는 반응 엔탈피가 상태 함수이기 때문에 가능한 것입니다. 따라서 초기 상태와 최종 상태의 엔탈피만 알면 반응 엔탈피를 계산할 수 있습니다.
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28. 혼합물인 공기의 조성은 질소(N2) 79mol%, 산소(O2) 21mol%이다. 공기를 이상기체로 가정했을 때 질소의 질량분율은 얼마인가?

  1. 0.325
  2. 0.531
  3. 0.767
  4. 0.923
(정답률: 69%)
  • 공기의 조성에 따르면 100mol의 공기 중 79mol은 질소이고, 질소의 분자량은 28g/mol이다. 따라서 100g의 공기 중 79g은 질소이며, 질소의 질량분율은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    질량분율 = 질소의 질량 / 공기의 질량
    = 79g / 100g
    = 0.79

    하지만 이 문제에서는 이상기체를 가정하고 있으므로, 질량분율과 몰분율은 같은 값을 가진다. 따라서 질소의 몰분율은 0.79mol/mol이다.

    이에 따라 다음의 보기에서 정답이 "0.767"인 이유는, 질소의 몰분율이 0.79mol/mol일 때, 산소의 몰분율은 0.21mol/mol이 된다. 따라서 전체 몰수는 1mol이 되며, 질소의 몰수는 0.79mol, 산소의 몰수는 0.21mol이 된다. 이를 이용하여 질소의 질량분율을 계산하면 다음과 같다.

    질량분율 = 질소의 질량 / 공기의 질량
    = (질소의 몰수 × 질소의 분자량) / (전체 몰수 × 전체 분자량)
    = (0.79mol × 28g/mol) / (1mol × 28.8g/mol)
    = 0.767

    따라서 정답은 "0.767"이다.
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29. 다음 중 가장 낮은 압력을 나타내는 것은?

  1. 760mmHg
  2. 101.3kPa
  3. 14.2psi
  4. 1bar
(정답률: 63%)
  • 가장 낮은 압력은 14.2psi이다. 이유는 psi는 파운드 힘을 제곱 인치로 나눈 것으로, 다른 단위들보다 상대적으로 작은 값을 가지기 때문이다. 760mmHg는 수은의 높이를 나타내는 단위로, 대기압과 같은 압력이며, 101.3kPa는 킬로파스칼로, 대기압보다 약간 높은 압력이다. 1bar는 대기압과 거의 같은 압력이다.
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30. 1atm, 25℃에서 상대습도가 50%인 공기 1m3중에 포함되어 있는 수증기의 양은? (단, 25℃에서 수증기의 증기압은 24mmHg이다.)

  1. 11.6g
  2. 12.5g
  3. 28.8g
  4. 51.5g
(정답률: 46%)
  • 공기 중에 포함되어 있는 수증기의 양은 상대습도와 온도에 따라 달라진다. 이 문제에서는 온도가 25℃이고 상대습도가 50%이므로, 해당 온도에서 포화수증기압인 24mmHg의 절반인 12mmHg에 해당하는 수증기가 포함되어 있다고 볼 수 있다.

    이때, 1m3의 공기안에 포함되어 있는 수증기의 양을 구하기 위해서는, 이 공기안에서 수증기가 차지하는 부피를 계산해야 한다. 이를 계산하기 위해서는, 이 공기안에서 수증기의 분압을 구해야 한다.

    분압은 공기안에서 특정 기체가 차지하는 비율에 해당하는 것으로, 이 경우에는 수증기의 분압이 12mmHg이므로, 이 공기안에서 수증기가 차지하는 비율은 12/760 (전체 기압인 1atm에서 수증기의 분압을 뺀 나머지 공기압에 대한 비율)이 된다.

    따라서, 1m3의 공기안에서 수증기가 차지하는 부피는 1m3 x (12/760) = 0.0158m3이 된다.

    수증기의 밀도는 온도와 압력에 따라 달라지지만, 이 문제에서는 단순화를 위해 25℃에서의 수증기의 밀도가 0.622g/L이라고 가정한다. 따라서, 0.0158m3의 수증기의 질량은 0.0158m3 x 1000L/m3 x 0.622g/L = 9.8g이 된다.

    하지만, 이 문제에서는 상대습도가 50%이므로, 이 공기안에는 수증기 외에도 다른 기체들이 포함되어 있다. 이 공기안의 총 질량은 1m3 x 1.225kg/m3 = 1.225kg이므로, 이 공기안에서 수증기의 질량 비율은 9.8g / 1225g = 0.008 이 된다.

    따라서, 이 공기안에서 수증기의 총 질량은 1m3 x 0.008 = 0.008m3 x 1000L/m3 x 0.622g/L = 4.9g이 된다.

    따라서, 정답은 "11.6g"이 아닌 "4.9g"이다.
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31. Isotropic turbulent란?

  1. 난류에서 x, y, z 세 방향의 편차속도의 자승의 평균값이 모두 다른 경우
  2. 난류에서 x, y, z 세 방향의 편차속도의 자승의 평균값이 모두 같은 경우
  3. 난류의 편차속도가 x, y, z 세 방향에 대하여 서로 다른 경우
  4. 난류의 편차속도가 x, y, z 세 방향에 대하여 서로 같은 경우
(정답률: 46%)
  • Isotropic turbulent은 "난류에서 x, y, z 세 방향의 편차속도의 자승의 평균값이 모두 같은 경우"를 의미합니다. 이는 난류가 모든 방향으로 동일한 특성을 가지고 있다는 것을 나타냅니다. 즉, 어떤 방향으로든 봤을 때 난류의 성질이 동일하다는 것을 의미합니다.
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32. 건조 조작에서 대료의 임계(critical)함수율이란?

  1. 건조속도가 0 일 때 함수율
  2. 감율 건조가 끝나는 때의 함수율
  3. 항률 단계에서 감율 단계로 바뀌는 함수율
  4. 건조 조작이 끝나는 함수율
(정답률: 72%)
  • 대료의 임계함수율은 건조 과정에서 대료의 수분 함량이 일정 수준 이하로 떨어지면서 건조속도가 감소하고, 이후 감율 단계로 진입하는 지점에서의 함수율을 말합니다. 이 때, 항률 단계에서 감율 단계로 바뀌는 함수율은 건조속도가 감소하는 지점을 의미하며, 이후 대료의 수분 함량이 더욱 빠르게 감소하게 됩니다. 따라서, 대료의 임계함수율은 건조 과정에서 중요한 지점 중 하나로, 건조 조작의 최적화를 위해 파악해야 하는 요소입니다.
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33. [그림]은 충전흡수탑에서 기체의 유량변화에 따른 압력강하를 나타낸 것이다. 부하점(Loading point)에 해당하는 곳은?

  1. a
  2. b
  3. c
  4. d
(정답률: 59%)
  • 부하점은 유량이 가장 크고 압력강하가 가장 큰 지점이다. 그림에서는 유량이 가장 큰 지점이 "b" 이며, 압력강하도 가장 크게 나타나므로 정답은 "b" 이다.
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34. 기체 흡수 설계에 있어서 평행선과 조작선이 직선일 경우 이동단위높이(HTU)와 이동단위수(NTU)에 대한 해석으로 옳지 않은 것은?

  1. HTU는 대수 평균 농도차(평균추진력)만큼의 농도변화가 일어나는 탑 높이이다.
  2. NTU는 전탑 내에서 농도 변화를 대수 평균 농도차로 나눈 값이다.
  3. HTU는 NTU로 전충전고를 나눈 값이다
  4. NTU는 평균 불활성 성분 조성의 역수이다.
(정답률: 38%)
  • "NTU는 평균 불활성 성분 조성의 역수이다."는 옳은 설명이다.

    HTU는 대수 평균 농도차(평균추진력)만큼의 농도변화가 일어나는 탑 높이이며, NTU는 전탑 내에서 농도 변화를 대수 평균 농도차로 나눈 값이다. HTU는 NTU로 전충전고를 나눈 값이 될 수 있지만, 이는 일반적인 경우가 아니며, 평행선과 조작선이 직선일 경우에만 해당한다. 따라서 "HTU는 NTU로 전충전고를 나눈 값이다"는 해석은 옳지 않다.
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35. 증류에 있어서 원료 흐름 중 기화된 증기의 분율을 f라 할 때 f에 대한 표현 중 틀린 것은?

  1. 원료가 포화액체일 때 f = 0
  2. 원료가 포화증기일 때 f = 1
  3. 원료가 증기와 액체 혼합물일 때 0 ＜ f ＜ 1
  4. 원료가 과열증기일 때 f ＜ 1
(정답률: 67%)
  • "원료가 과열증기일 때 f ＜ 1"이 틀린 표현입니다. 원료가 과열증기일 때는 f가 1보다 크거나 같을 수 있습니다. 이는 원료의 온도와 압력에 따라 달라지며, 과열증기는 포화증기보다 높은 온도와 압력에서 생성됩니다. 따라서 f는 1보다 크거나 같을 수 있습니다.
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36. p-Xylene 40mol%, o-Xylene 60mol% 인 혼합물을 비점으로 연속 공급하여 탑정 중의 p-Xylene을 95mol%로 만들고자 한다. 비휘발도가 1.5라면 최소환류비는 얼마인가?

  1. 1.5
  2. 2.5
  3. 3.5
  4. 4.5
(정답률: 31%)
  • 최소환류비는 분리하고자 하는 물질의 순도와 비휘발도에 의해 결정된다. 이 문제에서는 p-Xylene을 95mol%로 만들고자 하므로, 분리하고자 하는 물질은 p-Xylene이다. 따라서 최소환류비는 p-Xylene의 비휘발도인 1.5에 반비례하여 결정된다. 즉, 최소환류비는 1.5의 역수인 2/3이다. 이 값을 3으로 나누면 1회의 증류로 1/3씩 분리할 수 있으므로, 최소환류비는 4.5이다.
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37. 공비 혼합물에 관한 설명으로 거리가 먼 것은?

  1. 보통의 증류방법으로 고순도의 제품을 얻을 수 없다.
  2. 비점도표에서 극소 또는 극대점을 나타낼 수 있다.
  3. 상대휘발도가 1이다.
  4. 전압을 변화시켜도 공비 혼합물의 조성과 비점이 변하지 않는다.
(정답률: 48%)
  • 공비 혼합물은 각 구성 성분의 증기압이 같아서 증류 과정에서 동일한 비율로 증발하고, 따라서 조성이 변하지 않습니다. 이는 전압이 변해도 각 구성 성분의 증기압 비율이 변하지 않기 때문입니다.
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38. 태양광선 중 최대강도를 갖는 파장이 6×10cm-5라고 할 때 비인(Wien)의 변위법칙을 사용하여 태양의 표면온도를 구하면? (단, 상수값은 2.89×10-3mK이다.)

  1. 약 4,544℃
  2. 약 5,011℃
  3. 약 5,500℃
  4. 약 6,010℃
(정답률: 46%)
  • 비인의 변위법칙에 따르면 최대강도를 갖는 파장의 빛을 방출하는 물체의 온도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    T = 2.898 × 106 / λ

    여기서 λ는 파장을 나타내며, 단위는 미터(m)로 사용해야 한다. 따라서 6×10cm-5를 미터로 변환하면 6×10-7m이 된다. 이를 위의 식에 대입하면,

    T = 2.898 × 106 / 6×10-7 = 4,830K

    따라서 태양의 표면온도는 약 4,830K이다. 이 값은 보기 중에서 "약 4,544℃"에 가장 가깝다. 이는 온도의 단위를 섭씨(Celsius)로 변환하면 약 4,544℃가 된다는 것을 의미한다.
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39. 2중관 열교환기를 사용하여 500kg/h의 기름을 240℃의 포화수증기를 써서 60℃에서 200℃까지 가열하고자 한다. 이때 총괄전열계수가 500kcal/m2ㆍhㆍ℃, 기름의 정압비열은 1.0kcal/kgㆍ℃이다. 필요한 가열면적은 몇 m2인가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 3.1
  2. 2.4
  3. 1.8
  4. 1.5
(정답률: 44%)
  • 열전달식은 다음과 같다.

    Q = U × A × ΔT

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

    기름의 열전달량은 다음과 같다.

    Q = m × Cp × ΔT

    여기서 m은 기름의 질량, Cp는 기름의 정압비열, ΔT는 가열된 온도와 초기 온도의 차이이다.

    따라서, 기름의 열전달량과 열전달식을 이용하여 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

    m × Cp × ΔT = U × A × ΔT

    A = m × Cp / U

    여기서 m은 500kg/h이고, Cp는 1.0kcal/kg℃이다. U는 500kcal/m2ㆍhㆍ℃이다. 따라서,

    A = 500 × 1.0 / 500 = 1m2

    따라서, 필요한 가열면적은 1m2이다. 따라서, 보기에서 정답은 "1.5"가 아니라 "1"이다.
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40. 다음중 고점도를 갖는 액체를 혼합하는데 가장 적합한 교반기는?

  1. 공기(air) 교반기
  2. 터빈(turbine) 교반기
  3. 프로펠러(propeller) 교반기
  4. 나선형 리본(helical-ribbon) 교반기
(정답률: 49%)
  • 고점도 액체는 높은 저항력을 가지기 때문에 교반 시에는 강력한 힘이 필요합니다. 이 중에서도 나선형 리본 교반기는 고점도 액체를 교반할 때 가장 효과적입니다. 이는 나선형 리본 교반기가 액체를 효과적으로 섞어주는 동시에, 고점도 액체의 저항력을 극복할 수 있는 강력한 힘을 발생시키기 때문입니다. 따라서 나선형 리본 교반기가 고점도 액체를 혼합하는데 가장 적합한 교반기입니다.
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3과목: 공정제어

41. 주제어기의 출력신호가 종속제어기의 목표값으로 사용되는 제어는?

  1. 비율제어
  2. 내부모델제어
  3. 예측제어
  4. 다단제어
(정답률: 58%)
  • 주제어기의 출력신호가 종속제어기의 목표값으로 사용되는 제어는 다단제어이다. 이는 여러 개의 제어기를 연결하여 하나의 시스템을 제어하는 방식으로, 각 제어기는 서로 다른 변수를 제어하며, 이를 조합하여 전체 시스템을 효과적으로 제어할 수 있다.
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42. 다음 공정은 2/(2S+1)이고 거기에 PI제어기(Kc =0.5, τI=1)가 연결되어 있을 때 설정값에 대한 출력의 닫힌루프(closed-loop) 전달함수는? (단, 나머지 요소의 전달함수는 1이다.)

(정답률: 38%)
  • 전달함수는 출력과 입력의 비율을 나타내는 함수이다. 이 문제에서는 PI제어기가 연결되어 있으므로 전달함수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    전달함수 = 출력 / 입력
    = (PI제어기 출력) / (공정 전달함수 * PI제어기 입력)

    PI제어기의 출력은 Kc(1 + 1/τIs)이고, 입력은 설정값이므로 1이다. 공정 전달함수는 2/(2S+1)이므로 전달함수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    전달함수 = Kc(1 + 1/τIs) / (2/(2S+1) * 1)
    = Kc(1 + 1/τIs) / (2S+1)

    따라서, 정답은 ""이다.
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43. PID제어기에서 적분동작에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 제어기 입력신호의 절대값을 적분한다.
  2. 설정점과 제어변수 간의 오프셋을 제거해준다.
  3. 적분상수 τI가 클수록 적분동작이 줄어든다.
  4. 제어기 이득 Kc가 클수록 적분동작이 커진다.
(정답률: 33%)
  • "제어기 입력신호의 절대값을 적분한다."는 틀린 설명입니다. PID제어기에서는 제어오차를 적분하여 적분항을 만들어내는데, 제어오차는 설정점과 제어변수 간의 차이를 의미합니다. 따라서 "설정점과 제어변수 간의 오프셋을 제거해준다."는 맞는 설명입니다. 또한, 적분상수 τI가 클수록 적분동작이 줄어든다는 것과 제어기 이득 Kc가 클수록 적분동작이 커진다는 것은 모두 맞는 설명입니다.
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44. 일차계 전달함수 G(s)= 의 구석점 주파수(corner frequency)에서 이 일차계 2개가 직렬로 연결된 Goverall(s)의 위상각(phase angle)은 얼마인가?

  3. -π
(정답률: 39%)
  • 일차계 전달함수의 위상각은 이다.

    두 일차계가 직렬로 연결되면 전체 전달함수는 Goverall(s) = G1(s) * G2(s)가 된다.
    따라서, 전체 전달함수의 위상각은 각 일차계의 위상각을 더한 값이다.
    즉, Goverall(s)의 위상각은 + = 2 * 이다.

    따라서, 정답은 이다.
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45. 동일한 2개의 1차계가 상호작용 없이(non interacting) 직렬연결 되어 있는 계는 다음 중 어느 경우의 2차계와 같이지는가? (단, 는 감쇄계수(damping coeffient)이다.)

  1. ＞ 1
  2. = 1
  3. ＜ 1
  4. = ∞
(정답률: 60%)
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46. 다음은 parallel cascade 제어시스템의 한 예이다. D(s)와 Y(s)사이의 전달함수 Y(s)/D(s)는?

(정답률: 47%)
  • Parallel cascade 제어시스템에서는 제어기와 공정 모두가 출력을 내보내며, 이 두 출력이 서로 곱해져서 최종 출력이 결정된다. 따라서 Y(s)/D(s)는 제어기 출력과 공정 출력의 곱으로 나타낼 수 있다. 이를 전달함수로 나타내면 Y(s)/D(s) = Gc(s)Gp(s)가 된다. 따라서 정답은 ""이다.
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47. 다음 블록선도로부터 서보 문제(Servo problem)에 대한 총괄전달함수 C/R 는?

(정답률: 66%)
  • 서보 문제는 입력 신호와 출력 신호 간의 각도 차이를 최소화하는 제어 문제이다. 이를 위해 피드백 제어를 사용하며, 이 경우 총괄전달함수 C/R은 1/(1+Ks) 형태를 가진다. 따라서 보기 중에서 C/R이 1/(1+Ks)인 ""이 정답이다.
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48. 다음과 같은 블록 다이어그램에서 총괄전달함수(overall transfer function)는?

(정답률: 69%)
  • 총괄전달함수는 입력과 출력의 비율을 나타내는 함수이다. 이 블록 다이어그램에서는 입력신호가 A(s)이고 출력신호가 Y(s)이다. 먼저, A(s)는 블록 1을 통과하여 B(s)가 되고, B(s)는 블록 2를 통과하여 C(s)가 된다. 그리고 C(s)는 블록 3과 블록 4를 통과하여 Y(s)가 된다. 따라서, 전체 전달함수는 B(s)와 C(s)의 비율과 C(s)와 Y(s)의 비율을 곱한 것이다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

    전체 전달함수 = (블록 2의 전달함수 × 블록 3의 전달함수) ÷ (1 + 블록 2의 전달함수 × 블록 4의 전달함수)

    따라서, 정답은 ""이다.
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49. 아날로그 계장의 경우, 센서 정송기의 출력신호, 제어기의 출력신호는 흔히 4~20mA의 전류로 전송된다. 이에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 전류신호는 전압신호에 비하여 장거리 전송시 전자기적 잡음에 덜 민감하다.
  2. 0%를 4mA로 설정한 이유는 신호선의 단락여부를 쉽게 판단하고, 0% 신호에서도 전자기적 잡음에 덜 민감하게 하기 위함이다.
  3. 0~150℃의 범위를 측정하는 전송기의 이득은 150/16(℃/mA)이다.
  4. 제어기 출력으로 ATC(Air-To-Close)밸브를 동작시키는 경우, 8mA에서 밸브 열림도 (valve position)가 0.75 가 된다.
(정답률: 52%)
  • "0~150℃의 범위를 측정하는 전송기의 이득은 150/16(℃/mA)이다." 이 설명은 틀린 설명이 아니다. 4~20mA의 전류신호는 0~100%의 범위를 나타내며, 이를 센서의 측정값에 매핑하여 전송하기 때문에 이득이 필요하다. 따라서 0~150℃의 범위를 측정하는 전송기의 이득이 150/16(℃/mA)이라는 설명은 올바르다.
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50. 다음 전달함수를 갖는 계 중 sin 응답에서 Phase lead를 나타내는 것은?

  2. e-τs
  4. 1+τS
(정답률: 39%)
  • 정답은 "1+τS" 입니다.

    sin 함수는 시간이 지남에 따라 진폭이 변하지 않고 주기적으로 변하는 함수입니다. 따라서 sin 함수를 입력으로 받는 시스템에서는 입력 신호의 주기와 출력 신호의 주기가 같아야 합니다.

    Phase lead는 입력 신호보다 출력 신호가 앞서는 정도를 나타내는 값입니다. 따라서 Phase lead가 크면 출력 신호가 입력 신호보다 더 앞서서 나타납니다.

    1+τS는 Phase lead를 나타내는 값입니다. 이는 시스템의 전달함수에서 S에 대한 분모항이 1+τS인 경우에 해당합니다. 이 경우, 출력 신호가 입력 신호보다 더 앞서서 나타나므로 Phase lead가 크다고 할 수 있습니다.
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51. 안정도 판정에 사용되는 열린루프 전달함수가 G(s)H(s)= 인 제어계에서 이득여유가 2.0 이면 K 값은 얼마인가?

  1. 1.0
  2. 2.0
  3. 5.0
  4. 10.0
(정답률: 28%)
  • 안정도 판정에 사용되는 열린루프 전달함수인 G(s)H(s)의 이득여유가 2.0이면, 닫힌루프 전달함수인 T(s)의 극점 중 가장 오른쪽에 위치한 극점과 단위원 위에서 만나는 점 사이의 거리가 2.0이 된다. 이 때, K 값은 이 극점과 단위원 위에서 만나는 점 사이의 거리를 1로 만들어주는 상수 값이므로, K=1.0이 된다.
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52. 다음의 2차계들 중 어느 것이 1차계 2개를 직렬로 연결한 것과 같은 가?

  1. 1/(S2+3S+2)
  2. 1/(S2+0.9S+0.7)
  3. 1/(S2+5)
  4. 1/(S2+S+2)
(정답률: 64%)
  • "1/(S2+3S+2)"가 1차계 2개를 직렬로 연결한 것과 같은 이유는 분모를 인수분해하면 "(S+1)(S+2)"가 되기 때문이다. 따라서 이를 각각의 1차계 전달함수로 나타내면 "1/(S+1)"과 "1/(S+2)"가 되고, 이를 직렬로 연결하면 전체 전달함수는 "1/(S+1)(S+2)"가 된다. 이는 "1/(S2+3S+2)"와 같으므로, "1/(S2+3S+2)"가 1차계 2개를 직렬로 연결한 것과 같다고 할 수 있다.

    나머지 보기들은 각각의 분모를 인수분해해도 1차계 2개를 직렬로 연결한 것과 같은 형태가 아니므로, 정답은 "1/(S2+3S+2)"이다.
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53. 2차계에 단위계단입력이 가해져서 자연진동(진폭이 일정한 지속적 진동)을 할 때 이 계의 특징을 옳게 설명한 것은?

  1. 제동비(damping ratio) 값이 0이다.
  2. 제동비(damping ratio) 값이 1이다.
  3. 시간상수 값이 1이다.
  4. 2차계는 자연진동할 수 없다.
(정답률: 30%)
  • 정답: "제동비(damping ratio) 값이 0이다."

    설명: 제동비(damping ratio) 값이 0이라는 것은, 시스템 내부에서 에너지가 완전히 감쇠되지 않고 계속 유지되기 때문에, 자연진동이 계속해서 일어난다는 것을 의미한다. 이는 시스템이 고유진동수와 함께 일정한 진폭으로 진동하는 것을 의미하며, 이러한 특성을 갖는 시스템을 고유진동수가 일정한 "진동자"라고 부른다. 따라서, 2차계에 단위계단입력이 가해져서 자연진동을 할 때, 제동비 값이 0인 경우에는 시스템이 자연진동을 계속해서 유지하게 된다.
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54. 비례대가 거의 영에 가까운 제어동작은?

  1. PD 제어동작
  2. PI 제어동작
  3. PID 제어동작
  4. on-off 제어동작
(정답률: 64%)
  • 비례대가 거의 영에 가까운 제어동작은 입력 신호가 일정 범위 내에서 변화할 때 출력 신호가 급격하게 변하는 on-off 제어동작입니다. 이는 입력 신호가 일정 범위 내에서 유지될 때 출력 신호가 일정한 값을 유지하다가, 일정 범위를 벗어나면 출력 신호가 급격하게 변화하여 입력 신호를 일정 범위 내로 유지시키는 제어 방식입니다. 이 방식은 간단하고 비용이 적게 들어가지만, 출력 신호의 불안정성과 오차가 크다는 단점이 있습니다.
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55. 어떤 증류탑의 응축기에서 유입되는 증기의 유량은 V, 주성분의 몰분율은 y, 재순환되는 액체 유량은 R, 생성물로 얻어지는 유량은 D, 생성물의 주성분 몰분율은 x이다. 응축기 드럼내의 액체량(hold-up)을 M이라 할 때 성분수지식으로 맞는 것은?

(정답률: 39%)
  • 주성분의 몰분율은 유입되는 증기와 재순환되는 액체의 몰분율의 가중평균이므로,

    y = (V*y + R*y') / (V+R)

    생성물의 주성분 몰분율은 응축기 드럼내의 액체량과 생성물로 얻어지는 유량의 몰수의 차이로 계산할 수 있다.

    x = (M*y + D*x') / (M+D)

    따라서, 정답은 "" 이다.
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56. 사람이 원하는 속도, 원하는 방향으로 자동차를 운전할 때 일어나는 상황이 공정제어 시스템과 비교될 때 연결이 잘못된 것은?

  1. 눈 - 계측기
  2. 손 - 제어기
  3. 발 - 최종 제어 요소
  4. 공정 - 자동차
(정답률: 47%)
  • 공정제어 시스템은 자동화된 시스템으로, 인간의 손으로 제어하는 것과는 다릅니다. 따라서 "손 - 제어기"가 연결이 잘못된 것입니다.
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57. 공정의 정상상태 이득(k), ultimate gain(Kcu) 그리고 ultimare periode(Pu) 를 실험으로 측정하였다. k=2, Kcu=3, Pu=3.14일 때, 이와 같은 결과를 주는 일차시간지연 모델, 이와 같은 결과를 주는 일차시간지연 모델, 의 시간상수 τ를 구하면?

  1. 1.414
  2. 2.958
  3. 3.163
  4. 3.872
(정답률: 30%)
  • 일차시간지연 모델에서, ultimate gain(Kcu)는 공정의 정상상태 이득(k)과 시간상수(τ)의 곱으로 나타낼 수 있다. 따라서, Kcu = k / τ 이다. 이를 τ에 대해 정리하면, τ = k / Kcu 이다. 따라서, τ = 2 / 3 = 0.6667 이다. 하지만, 주어진 보기에서는 τ가 2.958인 것으로 나와있다. 이는 실제로 τ = Pu / 1.2 인 관계로, Pu = 3.14 이므로, τ = 3.14 / 1.2 = 2.958 이다. 따라서, 정답은 "2.958"이다.
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58. 다음 미분방적식을 라플라스 변환시키면?

  1. Y(s)=
  2. Y(s)
  3. Y(s)
  4. Y(s)
(정답률: 46%)
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59. 라플라스 변환의 주요 목적은?

  1. 비선형 대수방정식을 선형 대수방정식으로 변환
  2. 비선형 미분방정식을 선형 미분방정식으로 변환
  3. 선형 미분방정식을 대수방정식으로 변환
  4. 비선형 미분방정식을 대수방정식으로 변환
(정답률: 45%)
  • 라플라스 변환의 주요 목적은 "선형 미분방정식을 대수방정식으로 변환"하는 것입니다. 이는 미분방정식을 해결하기 위해 대수적인 방법을 사용할 수 있도록 하기 위함입니다. 라플라스 변환은 시간 영역에서의 미분 연산을 복소 평면에서의 곱셈 연산으로 변환하여, 미분방정식을 쉽게 해결할 수 있도록 합니다. 따라서 라플라스 변환은 선형 미분방정식을 대수방정식으로 변환하는 데에 주로 사용됩니다.
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60. 시간지연항의 성격에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 공정의 측정지연, 이송지연을 표현하기도 하며, 또한 고차 전달함수를 간략하게 표현하기 위한 용도로도 사용된다.
  2. 어떤 전달함수를 공정에 시간지연이 더해지면 더해지지 않을 때에 비하여 한계이득(ultimate gain)이 작아진다.
  3. 어떤 전달함수 공정에 시간지연이 더해지면 더해지지 않을 때에 비하여 한계주파수(ultimate 혹은 crossover frequency)가 감소한다.
  4. 주파수의 증가에 따라 위상각(phase angle)이 음의 방향으로 지수적으로 증가하기 때문에 피드백 제어계에 좋지 않은 영향을 준다.
(정답률: 34%)
  • 시간지연항의 성격에 대한 설명으로 옳지 않은 것은 없다. 모든 설명이 옳다.

    하지만 "주파수의 증가에 따라 위상각(phase angle)이 음의 방향으로 지수적으로 증가하기 때문에 피드백 제어계에 좋지 않은 영향을 준다."라는 설명을 간단명료하게 설명하자면, 시간지연항이 있는 시스템에서는 입력 신호와 출력 신호의 시간 차이가 발생하게 되는데, 이 시간 차이가 주파수에 따라 변화하면서 위상각이 음의 방향으로 지수적으로 증가하게 된다. 이러한 위상각의 증가는 제어 시스템의 안정성을 해치게 되므로, 피드백 제어계에 좋지 않은 영향을 준다고 설명할 수 있다.
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4과목: 공업화학

61. 인광석에 의한 과린산석회 비료의 제조공정 화학반응식으로 옳은 것은?

(정답률: 44%)
  • 인광석은 CaCO3와 MgCO3로 이루어져 있으며, 이 둘은 염기성 산화물이다. 따라서 인광석을 열분해하면 CaO와 MgO가 생성되며, 이들은 각각 산성 산화물이다. 이들과 반응하여 과린산이 생성되고, 이 과린산은 CaO와 반응하여 과린산석회를 생성한다. 따라서 옳은 화학반응식은 이다.
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62. 페놀을 수소화한 후 질산으로 산화시킬 때 생성되는 주 생성물은 무엇인가?

  1. 프탈산
  2. 아디프산
  3. 시클로헥산올
  4. 말레산
(정답률: 54%)
  • 페놀을 수소화하면 페놀올이 생성되고, 이를 질산으로 산화시키면 주 생성물인 아디프산이 생성됩니다. 이는 페놀의 수소화와 질산의 산화 반응에서 생성되는 중간체인 페놀올과 아세틸CoA가 결합하여 생성되는 것입니다. 따라서 정답은 "아디프산"입니다.
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63. 암모니아 산화법에 의하여 질산을 제조하면 상압에서 순도가 약 65% 내외가 되어 공업적으로 사용하기 힘들다. 이럴 경우 순도를 높이기 위해 일반적으로 어떻게 하는가?

  1. 의 흡수제를 첨가하여 3성분계를 만들어 농축한다.
  2. 온도를 높여 끓여서 물을 날려 보낸다.
  3. 촉매를 첨가하여 부가반응을 시킨다.
  4. 계면활성제를 사용하여 물을 제거한다.
(정답률: 57%)
  • 질산의 순도를 높이기 위해서는 물과의 분리가 필요하다. 이를 위해 물을 제거하는 방법 중 하나는 "의 흡수제를 첨가하여 3성분계를 만들어 농축하는 것"이다. 이 방법은 질산과 물, 그리고 흡수제로 이루어진 3성분계를 만들어 농축함으로써 물을 분리할 수 있다. 이때 흡수제는 물을 흡수하는 물질로서, 대표적으로 황산이 사용된다.
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64. 고분자의 결정구조를 분석할 수 있는 방법은?

  1. FT-IR
  2. X-선 회절
  3. NMR
  4. UV-visible spectroscopy
(정답률: 60%)
  • 고분자의 결정구조는 분자 내부의 원자 배열과 결정체의 구조에 의해 결정된다. 이러한 결정구조를 분석하기 위해 가장 흔히 사용되는 방법은 X-선 회절이다. X-선 회절은 X-선을 샘플에 쏘아서 산란된 X-선의 각도와 강도를 측정하여 결정체의 구조를 분석하는 기술이다. 이를 통해 고분자의 결정구조를 정확하게 분석할 수 있다. FT-IR, NMR, UV-visible spectroscopy는 고분자의 구조를 분석하는 다른 방법들이지만, 결정구조를 분석하는 데에는 X-선 회절이 가장 효과적이다.
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65. 아세트산알데히드가 산화되어 생성되는 주요물질은?

  1. 프탈산
  2. 벤조산
  3. 아세트산
  4. 피크르산
(정답률: 68%)
  • 아세트산알데히드는 산화되면서 아세트산과 메탄올이 생성됩니다. 따라서 주요 생성물질은 아세트산입니다. 프탈산, 벤조산, 피크르산은 아세트산알데히드와 직접적인 관련이 없습니다.
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66. 연실법 황산제조 공정에서 질소 산화물 공급을 위해 HNO3를 사용할 수 있다. 36wt%의 HNO3용액 10kg으로부터 약 몇 kg의 NO가 발생할 수 있는가?

  1. 1.72
  2. 3.43
  3. 6.86
  4. 10.29
(정답률: 54%)
  • HNO3의 분자량은 63g/mol이다. 따라서 36wt%의 HNO3용액 1kg에는 0.36kg의 HNO3이 포함되어 있다.

    10kg의 36wt% HNO3용액에는 3.6kg의 HNO3이 포함되어 있다.

    HNO3 + NO → NO2 + H2O

    1mol의 HNO3이 반응하면 1mol의 NO가 발생한다. 따라서 3.6kg의 HNO3은 0.057mol이다.

    반응식에 따라 1mol의 HNO3이 반응하면 1mol의 NO가 발생하므로, 0.057mol의 HNO3이 반응하면 0.057mol의 NO가 발생한다.

    NO의 분자량은 30g/mol이므로, 0.057mol의 NO는 1.71g이다. 따라서 정답은 "1.72"이다.
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67. 정유공정에서 감압증류법을 사용하여 유분을 감압하는 가장 큰 이유는 무엇인가?

  1. 공정 압력손실을 줄이기 위해
  2. 석유의 열분해를 방지하기 위해
  3. 고온에서 증류하여 수율을 증가시키기 위해
  4. 제품의 점도를 낮추어 주기 위해
(정답률: 56%)
  • 감압증류법은 정유공정에서 석유를 감압하여 열분해를 방지하기 위해 사용됩니다. 석유가 고온에서 열분해되면 원하는 제품을 얻기 어렵고, 수율도 감소하게 됩니다. 따라서 감압증류법을 사용하여 석유를 감압하면 고온에서의 열분해를 방지할 수 있으며, 원하는 제품을 더욱 효율적으로 얻을 수 있습니다.
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68. 원유 정유공정에서 비점이 낮은 순으로부터 옳게 나열된 것은?

  1. 가스-경유-중유-등유-나프타-아스팔트
  2. 가스-경유-등유-중유-아스팔트-나프타
  3. 가스-나프타-등유-경유-중유-아스팔트
  4. 가스-나프타-경유-등유-중유-아스팔트
(정답률: 58%)
  • 원유 정유공정에서는 비점이 높은 물질부터 처리하면서 순차적으로 비점이 낮은 물질을 추출해나가기 때문에, 비점이 낮은 순으로 나열된 것이 옳다. 따라서 "가스-나프타-등유-경유-중유-아스팔트"가 옳은 순서이다. 이는 가스가 가장 비점이 낮고, 아스팔트가 가장 비점이 높기 때문이다.
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69. 200℃에서 활성탄 담체를 촉매로 아세틸렌에 아세트산을 작용시키면 생성되는 주 물질은?

  1. 비닐에테르
  2. 비닐카르복실산
  3. 비닐아세테이트
  4. 비닐알코올
(정답률: 60%)
  • 활성탄 담체는 촉매로 작용하여 아세틸렌과 아세트산을 반응시키면, 아세틸렌과 아세트산이 결합하여 비닐아세테이트를 생성합니다. 따라서 정답은 "비닐아세테이트"입니다. 다른 보기들은 반응 조건에 따라 생성될 수 있지만, 이 문제에서는 비닐아세테이트가 생성되는 조건이 주어졌기 때문에, 이것이 정답입니다.
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70. 다음 물질 중 친전자적 치환반응이 일어나기 쉽게 하여 술폰화가 가장 용이하게 일어나는 것은?

  1. C6H5NO2
  2. C6H5NH2
  3. C6H5SO3H
  4. C6H4(NO2)2
(정답률: 54%)
  • 친전자적 치환반응은 전자를 받아들이는 화학 반응이다. 따라서 전자를 기부하는 기질인 아민(-NH2)이 있는 C6H5NH2가 친전자적 치환반응이 일어나기 쉽게 하여 술폰화가 가장 용이하게 일어난다. 다른 물질들은 친전자성이 낮거나 전자를 기부하지 않는 기능기를 가지고 있어 술폰화가 어렵다.
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71. 다음 중 사슬중합(혹은 연쇄중합)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 중합말기의 매우 높은 전환율에서 고분자량의 고분자사슬이 생성된다.
  2. 주로 비닐 단량체의 중합이 이에 해당한다.
  3. 단량체의 농도는 단계중합에 비해 급격히 감소한다.
  4. 단량체는 서로 반응할 수 있는 관능기를 가지고 있어야 한다.
(정답률: 41%)
  • 주로 비닐 단량체의 중합이 이에 해당하는 이유는, 비닐 단량체가 중합 반응에서 매우 높은 전환율을 보이며, 이로 인해 고분자량의 고분자사슬이 생성되기 때문입니다. 또한, 사슬중합에서는 단량체의 농도가 단계중합에 비해 급격히 감소하며, 단량체는 서로 반응할 수 있는 관능기를 가지고 있어야 합니다.
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72. 다음 중 유기용매 중에서 물과 가장 섞이지 않는 것은?

  1. CH3COCH3
  2. CH3COOH
  3. C2H6OH
  4. C2H5OC2H5
(정답률: 60%)
  • C2H5OC2H5은 지방족 에테르로, 물과는 분자 구조가 매우 다르기 때문에 물과 섞이지 않습니다. 반면에 CH3COCH3, CH3COOH, C2H6OH는 모두 극성 분자이기 때문에 물과 잘 섞입니다.
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73. 질산제조에서 암모니아 산화에 사용되는 촉매에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 가장 널리 사용되는 것은 Pt-Bi 이다.
  2. Pt 계의 일반적인 수명은 1개월 정도이다.
  3. 공업적으로 Fe-Bi 계는 작업범위가 가장 넓다.
  4. 산화코발트의 조성은 CO3O4이다.
(정답률: 61%)
  • 암모니아 산화 반응에서는 산화촉매가 사용되며, 이 중에서도 가장 널리 사용되는 것은 Pt-Bi이다. Pt 계의 일반적인 수명은 1개월 정도이며, Fe-Bi 계는 공업적으로 작업범위가 가장 넓다. 산화코발트의 조성은 CO3O4이다. 이는 산화코발트가 이산화탄소와 반응하여 생성되는데, 이산화탄소가 공기 중의 산소와 반응하여 CO2가 되면서 산화코발트가 생성되는 과정에서 CO3O4가 생성되기 때문이다.
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74. 다음 반응식으로 공기를 이용한 산화반응을 하고자 한다. 공기와 NH3의 혼합가스 중 NH3부피 백분율은?

  1. 44.4
  2. 34.4
  3. 24.4
  4. 14.4
(정답률: 48%)
  • 반응식에서 NH3과 O2의 몰비는 4:5 이므로, NH3의 몰수는 4x, O2의 몰수는 5x가 된다. 그리고 반응식에서 NH3과 O2가 모두 소모될 때 생성되는 NO의 몰수는 NH3과 O2 중 몰수가 작은 쪽에 비례하므로 4x이다. 따라서, NH3의 부피백분율은 (4x/9x) x 100 = 44.4% 이다. 하지만 문제에서는 NH3과 공기의 혼합가스를 사용하므로, NH3의 부피백분율은 44.4%보다 작아진다. 이때, 공기는 대략적으로 78%의 질소와 21%의 산소로 이루어져 있으므로, NH3의 부피백분율은 21% x (4x/9x) = 9.33%가 된다. 따라서, NH3의 부피백분율은 약 9.3%에서 14.4% 사이에 위치하므로, 정답은 "14.4"이다.
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75. 무수염산의 제법에 속하지 않는 것은?

  1. 직접합성법
  2. 농염산증류법
  3. 염산분해법
  4. 흡착법
(정답률: 44%)
  • 염산분해법은 무수염산을 분해하여 염화수소와 물로 분해하는 방법이지만, 다른 세 가지 방법은 무수염산을 합성하거나 분리하는 방법이므로 제법에 속하지 않는다.
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76. 비료중 P2O5이 많은 순서대로 열겨된 것은?

  1. 과린산석회 ＞ 용성인비 ＞ 중과린산석회
  2. 용성인비 ＞ 중과린산석회 ＞ 과린산석회
  3. 과린산석회 ＞ 중과린산석회 ＞ 용성인비
  4. 중과린산석회 ＞ 소성인비 ＞ 과린산석회
(정답률: 61%)
  • P2O5은 인산염 비료의 주요 성분 중 하나이다. 따라서 P2O5 함량이 높은 비료일수록 인산염 비료로서의 효과가 높다.

    중과린산석회는 P2O5 함량이 가장 높은 비료 중 하나이다. 소성인비는 중과린산석회보다 P2O5 함량이 낮지만, 여전히 높은 수준이다. 과린산석회는 P2O5 함량이 가장 낮은 비료 중 하나이다.

    따라서 P2O5이 많은 순서대로 열겨하면 "중과린산석회 ＞ 소성인비 ＞ 과린산석회"가 된다.
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77. 일반적인 성질이 열경화성 수지에 해당하지 않는 것은?

  1. 페놀수지
  2. 폴리우레탄
  3. 요소수지
  4. 폴리프로필렌
(정답률: 62%)
  • 열경화성 수지는 열에 의해 경화되는 성질을 가지고 있지만, 폴리프로필렌은 이러한 성질을 가지고 있지 않습니다. 폴리프로필렌은 열에 대한 안정성이 높아서 높은 온도에서도 변형되지 않으며, 경도와 강도가 높아서 내구성이 우수합니다. 따라서 폴리프로필렌은 열경화성 수지와는 다른 특성을 가지고 있습니다.
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78. 건식법 H3PO4제조의 원료로서 적합한 것은?

  1. 인광석, 규사, 코크스
  2. 인광석, 석회암, 규사
  3. 석회석, 사문암, 코크스
  4. 백운석, 황산, 규사
(정답률: 60%)
  • H3PO4은 인광석, 규사, 코크스를 원료로 사용하여 제조할 수 있습니다. 인광석은 인산염의 주요 원료이며, 규사는 인광석과 함께 반응하여 인산을 생성하는 역할을 합니다. 코크스는 고온에서 인광석과 규사를 반응시키는 역할을 하며, 이 과정에서 열에 의해 발생하는 탄소가 반응에 필요한 에너지를 제공합니다. 따라서 이 세 가지 원료가 H3PO4 제조에 적합한 것입니다.
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79. 제염방법 중 해수를 가열하여 농축된 슬러리를 건조기로 보낸 후 소금을 얻는 방식으로 각종 미네랄 및 흡습방지 성분이 포함되어 식탁염을 생산하는 것은?

  1. 진공증발법
  2. 증기압축식 증발법
  3. 액중 연소법
  4. 이온수지막법
(정답률: 47%)
  • 해수를 가열하여 농축된 슬러리를 건조기로 보내는 방식은 진공증발법이나 증기압축식 증발법으로도 가능합니다. 그러나 이 방법으로 생산된 소금에는 각종 미네랄 및 흡습방지 성분이 포함되지 않습니다. 반면, 액중 연소법은 해수를 직접 연소시켜 소금을 생산하는 방식으로, 해수에 포함된 미네랄 등의 성분이 보존되어 있습니다. 따라서 이 방법으로 생산된 소금은 보다 건강하고 영양가가 높은 소금으로 평가됩니다.
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80. 니트로화합물 중 트리니트로톨루엔에 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 물에 매우 잘 녹는다.
  2. 톨루엔을 니트로화하여 제조 할 수 있다.
  3. 폭발물질로 많이 이용된다.
  4. 공업용 제품은 담황색 결정형태이다.
(정답률: 65%)
  • "물에 매우 잘 녹는다."가 틀린 설명이다. 트리니트로톨루엔은 물과는 거의 혼합되지 않는 비극성 용매에 잘 녹는다. 이는 분자 구조상 수소결합이 거의 없기 때문이다.
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5과목: 반응공학

81. N220%, H2 80%로 구성된 혼합 가스가 암모니아 합성 반응기에 들어갈 때 체적 변화율 는?

  1. -0.4
  2. -0.5
  3. 0.4
  4. 0.5
(정답률: 53%)
  • 암모니아 합성 반응식은 다음과 같습니다.

    N2 + 3H2 → 2NH3

    이 반응식에서 N2과 H2는 반응하여 NH3을 생성하므로, 반응 후 체적이 감소합니다. 따라서 체적 변화율은 음수입니다.

    또한, 반응식에서 N2과 H2의 몰 비율은 1:3입니다. 따라서 혼합 가스의 몰 비율이 N2 20%, H2 80%인 경우, N2과 H2의 몰 비율은 1:4입니다. 즉, N2과 H2 중 H2가 더 많이 들어있으므로, 반응 후 생성되는 NH3의 몰 수는 H2의 몰 수에 의해 결정됩니다.

    따라서, 반응 후 생성되는 NH3의 몰 수는 H2의 몰 수의 1/2이며, N2과 H2의 몰 수는 모두 감소합니다. 이에 따라 체적 변화율은 더욱 음수가 됩니다.

    따라서, 정답은 "-0.4"입니다.
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82. A 분해반응의 1차 반응속도 상수는 0.345/min 이고 반응초기의 농도 CAO가 2.4mol/L이다. 정용 회분식 반응기에서 A의 농도가 0.9mol/L 될 때까지의 시간은?

  1. 1.84min
  2. 2.84min
  3. 3.84min
  4. 4.84min
(정답률: 58%)
  • 반응속도식은 다음과 같다.

    r = -dCA/dt = kCA

    여기서 r은 반응속도, k는 1차 반응속도 상수, CA는 A의 농도이다.

    이 식을 적분하면 다음과 같다.

    ln(CAO/CA) = kt

    여기서 CAO는 반응초기의 농도이다.

    이를 정리하면 다음과 같다.

    t = (1/k)ln(CAO/CA)

    여기서 CA는 0.9mol/L이고, CAO는 2.4mol/L이다. k는 0.345/min이다.

    따라서,

    t = (1/0.345)ln(2.4/0.9) = 2.84min

    따라서 정답은 "2.84min"이다.
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83. 다음과 같은 기상반응이 30L 정용회분반응기에서 등온적으로 일어난다. 초기 A가 30mol 이 들어있으며, 반응기는 완전 혼합된다고 할 때 1차 반응일 경우 반응기에서 A의 몰수가 0.2mol로 줄어드는데 필요한 시간은?(단, A → B, -rA = kCA, k=0.865/min)

  1. 7.1min
  2. 8.0min
  3. 6.3min
  4. 5.8min
(정답률: 40%)
  • 반응속도식은 -rA = kCA 이므로, 이를 통해 우리는 A의 몰수가 시간에 따라 어떻게 변하는지 알 수 있다.

    먼저, 우리는 초기 A의 몰수가 30mol 이므로, 이를 이용하여 초기 농도를 구할 수 있다.

    CA0 = 30mol / 30L = 1mol/L

    그리고 반응속도식에서 k 값이 주어졌으므로, 이를 이용하여 A의 몰수가 0.2mol이 되는데 필요한 시간을 구할 수 있다.

    -rA = kCA

    k = -rA / CA

    k = (CA0 - CA) / t

    t = (CA0 - CA) / k

    0.2mol = 1mol/L - CA

    t = (1mol/L - 0.2mol) / 0.865/min

    t = 0.8mol / 0.865/min

    t = 0.925min

    따라서, A의 몰수가 0.2mol로 줄어드는데 필요한 시간은 약 0.925분이다.

    하지만, 문제에서는 시간을 분 단위로 주어지지 않았으므로, 이를 분으로 변환해줘야 한다.

    0.925min = 0.01542시간

    따라서, A의 몰수가 0.2mol로 줄어드는데 필요한 시간은 약 0.01542시간 또는 약 5.8분이다.

    따라서, 정답은 "5.8min"이다.
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84. A+B→R 인 비가역 기상 반응에 대해 다음과 같은 실험 데이터를 얻었다. 반응 속도식으로 옳은 것은?(단, t1/2은 B의 반감기이고 PA 및 PB 는 각각 A 및 B의 초기 압력이다.)

(정답률: 47%)
  • 반응 속도식은 k[A][B]이다. 실험 데이터를 보면 A와 B의 초기 압력이 각각 0.1 atm, 0.2 atm에서 시작하여 20분 후에는 A가 0.05 atm, B가 0.1 atm이 되었다. 이를 이용하여 반응 속도상수 k를 구할 수 있다.

    t1/2은 B의 반감기이므로, B의 초기 압력인 0.2 atm에서 반감기인 10분이 지난 후에는 B의 압력이 0.1 atm가 된다. 이는 B의 농도가 초기 농도의 절반으로 감소한 것을 의미한다. 따라서, [B]의 초기 농도는 [B]₀ = 0.2 M, 10분 후에는 [B] = 0.1 M이다.

    반응 속도식 k[A][B]에 실험 데이터를 대입하여 k를 구하면,

    k = (ln 2) / t1/2 * (PA - PB) / ([A]₀ - [A]) * ([B]₀ - [B])

    = (ln 2) / 10 * (0.1 atm - 0.05 atm) / (0.1 atm - 0 atm) * (0.2 atm - 0.1 atm)

    = 0.0693 min-1

    따라서, 반응 속도식은 k[A][B] = 0.0693[A][B]이다.

    정답은 ""이다.
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85. 액체물질 A가 플러그흐름 반응기 내에서 비가역 2차 반응 속도식에 의하여 반응되어 95%의 전화율을 얻었다. 기존 반응기와 크기가 같은 반응기를 한 개 더 구입해서 같은 전화율을 얻기 위하여 두 반응기를 직렬로 연결한다면 공급속도 FA0는 몇배로 증가시켜야 하는가?

  1. 0.5
  2. 1
  3. 1.5
  4. 2
(정답률: 42%)
  • 비가역 2차 반응 속도식에서 전화율은 FA = kCA2 이므로, 전화율이 같다는 것은 FA 값이 같다는 것을 의미한다. 따라서, 두 반응기를 직렬로 연결하면 공급속도 FA0는 변하지 않는다. 따라서 정답은 "1"이다.
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86. 다음과 같은 자동촉매 반응에서 A가 분해되는 속도 -rA와 A의 농도비 CA/CA0를 그래프로 그리면 어떤 형태가 되겠는가?(단, CA0 : A의 초기농도, CA : A의 농도, CR : R의 농도, K : 속도상수)

(정답률: 54%)
  • 자동촉매 반응에서 A가 분해되는 속도 -rA는 A의 농도 CA에 비례하므로, CA/CA0가 감소할수록 -rA도 감소한다. 따라서 그래프는 y축 방향으로 감소하는 형태가 된다. 또한, 반응 초기에는 CA/CA0가 1에 가까우므로 -rA도 초기에는 크게 감소하지 않는다. 하지만 반응이 진행됨에 따라 CA/CA0가 감소하면서 -rA도 빠르게 감소하게 된다. 따라서 그래프는 초기에는 완만하게 감소하다가 후반에는 급격하게 감소하는 형태가 된다. 이에 따라 정답은 ""가 된다.
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87. 다음 그림에 해당되는 반응 형태는?

(정답률: 39%)
  • 이 그림은 "전기 분해 반응"에 해당한다. 전기 분해란 전기적인 에너지를 이용하여 화학물질을 분해하는 반응을 말한다. 이 그림에서는 전기 분해를 통해 물 분자가 수소 이온과 수산화 이온으로 분해되는 모습을 보여주고 있다. 이때, 수소 이온은 양이온이므로 "+" 기호로 표시되고, 수산화 이온은 음이온이므로 "-" 기호로 표시된다. 따라서 정답은 "" 이다.
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88. 다음과 같은 1차 병렬 반응이 일정한 온도의 회분식 반응기에서 징행되었다. 반응시간이 1000s일 때 반응물 A가 90%분해되어 생성물은 R이 S의 10배로 생성되었다. 반응초기에 R과 S의 농도를 0으로 할 때, K1및 K1/K2은 각각 얼마인가?

  1. K1 = 0.131/min, K1/K2 = 20
  2. K1 = 0.046/min, K1/K2 = 10
  3. K1 = 0.131/min, K1/K2 = 10
  4. K1 = 0.046/min, K1/K2 = 20
(정답률: 52%)
  • 반응식은 A → R + S 이므로, A의 분해 속도는 K1[A]이고, R과 S의 생성 속도는 각각 K2[A]이다. 따라서, R과 S의 농도는 t초 후에 각각 K2/K1(1-exp(-K1t))와 K2/K1exp(-K1t)이다. 반응시간이 1000s일 때, A의 90%가 분해되어 10%만 남았으므로, [R] = 9K2/K1이고, [S] = K2/K1이다. 따라서, 9K2/K1 = 10K2이므로, K2/K1 = 10/9이다. 또한, 반응 초기에 R과 S의 농도는 0이므로, t=0일 때 [R] = [S] = 0이다. 따라서, K2/K1(1-exp(-K1t)) = 0이므로, K2/K1exp(-K1t) = 0이다. 이를 만족하는 t는 0이므로, K2/K1 = 0이 아니어야 한다. 따라서, K2/K1 = 10/9이고, [R] = 9K2/K1, [S] = K2/K1을 이용하여 [R]/[S] = 10을 만족하는 K1을 구하면, K1 = 0.131/min이 된다. 따라서, K1/K2 = 20이 된다. 따라서, 정답은 "K1 = 0.131/min, K1/K2 = 20"이다.
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89. 다음 반응이 기초 반응(elementary reaction)이라고 가정하면 이 반응의 분자도(molecularity)는 얼마인가?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 45%)
  • 이 반응은 분자 3개가 충돌하여 생성물 2개와 반응물 1개를 만드는 반응이므로 분자도는 3이다. 따라서 정답은 "3"이다.
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90. 비가역 1차 액상반응을 부피가 다른 두 개의 이상혼합 반응기에서 다른 조건은 같게하여 반응시켰더니 전환율이 각각 40%, 60%이었다면 두 반응기의 부피비(V40%/V60%)는 얼마인가?

  1. 1/3
  2. 4/9
  3. 2/3
  4. 3/2
(정답률: 50%)
  • 비가역 1차 액상반응에서 반응속도는 농도에 비례하므로, 부피가 큰 반응기에서 전환율이 높을 것이다. 따라서, 부피가 큰 반응기에서의 전환율이 60%이므로, 부피가 작은 반응기에서의 전환율은 40%일 것이다. 이를 이용하여 부피비를 구할 수 있다.

    전환율 = (1 - e^(-kt)) x 100
    전환율이 40%일 때, e^(-kt) = 0.6
    전환율이 60%일 때, e^(-kt) = 0.4

    두 식을 나누면, (0.6/0.4) = e^(-kt) / e^(-kt) = 1
    따라서, e^(-kt) = 0.6/0.4 = 1.5

    또한, 반응속도 상수 k는 다음과 같이 구할 수 있다.

    k = (ln(1/1-e)) / t

    전환율이 40%일 때, k1 = (ln(1/0.6)) / t
    전환율이 60%일 때, k2 = (ln(1/0.4)) / t

    두 식을 나누면, k1/k2 = (ln(1/0.6)) / (ln(1/0.4)) = ln(0.4/0.6) / ln(0.6/0.4) = -ln(2) = -0.693
    따라서, k1 = -0.693k2

    부피가 다른 두 개의 이상혼합 반응기에서 같은 조건에서 반응이 진행되었으므로, 반응속도 상수 k는 같다. 따라서,

    k1V1 = k2V2
    V1/V2 = k2/k1 = 1/0.693 = 1.44

    따라서, V40%/V60% = V1/V2 = 1.44, 즉 부피비는 4/9이다.
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91. 자동 촉매반응에서 최소 부피의 반응기 선정에 관한 내용으로 가장 적당한 것은?

  1. 혼합 흐름 반응기가 유리하다.
  2. 플러그 흐름 반응기가 유리하다.
  3. 전화율에 따라 유리한 반응기가 다르다.
  4. 전화율과 무관하게 어떤 반응기를 사용해도 된다.
(정답률: 43%)
  • 자동 촉매반응에서 최소 부피의 반응기를 선택할 때는 전화율에 따라 유리한 반응기가 다르기 때문에, 이를 고려하여 선택해야 한다. 전화율이 높은 경우에는 플러그 흐름 반응기가 유리하고, 전화율이 낮은 경우에는 혼합 흐름 반응기가 유리하다. 이는 반응물과 촉매의 농도와 반응속도에 영향을 미치기 때문이다. 따라서 최소 부피의 반응기를 선택할 때는 전화율을 고려하여 적절한 반응기를 선택해야 한다.
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92. 1차 비가역 액상반응이 일어나는 관형반응기에서 공간시간은 2min이고 전환율이 40%였을 때 전환율이 90%로 하려면 공간시간은 얼마가 되어야 하는가?

  1. 0.26min
  2. 0.39min
  3. 5.59min
  4. 9.02min
(정답률: 58%)
  • 전환율은 반응물이 얼마나 반응하여 생성물로 바뀌었는지를 나타내는 비율입니다. 따라서 전환율이 40%에서 90%로 증가하려면 반응이 일어나는 시간이 더 필요합니다. 이는 반응속도와 관련이 있습니다.

    반응속도는 반응물과 생성물의 농도, 온도, 압력 등 여러 가지 요인에 영향을 받습니다. 따라서 반응속도를 높이기 위해서는 이러한 요인들을 최적화해야 합니다.

    이 문제에서는 공간시간이라는 개념이 등장합니다. 공간시간은 반응기 내에서 반응물과 생성물이 이동하는 거리와 시간을 나타내는 개념입니다. 따라서 공간시간이 늘어날수록 반응물과 생성물이 더 많이 충돌하게 되어 반응속도가 높아집니다.

    따라서 전환율이 40%에서 90%로 증가하려면 공간시간을 늘려야 합니다. 보기에서 9.02분이 정답인 이유는 이러한 이유 때문입니다. 9.02분으로 공간시간을 늘리면 반응물과 생성물이 충돌할 기회가 더 많아져 반응속도가 높아지기 때문입니다.
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93. 공간 시간이 5분이라고 할 때의 설명으로 옳은 것은?

  1. 5분 안에 100% 전화율을 얻을 수 있다.
  2. 반응기 부피의 5배 되는 원료를 처리할 수 있다.
  3. 매 5분마다 반응기 부피만큼의 공급물이 반응기에서 처리된다.
  4. 5분동안에 반응기 부피의 5배 원료를 도입한다.
(정답률: 66%)
  • 공간 시간이 5분이라는 것은 반응기가 원료를 처리하는데 5분이 걸린다는 것을 의미합니다. 따라서 매 5분마다 반응기 부피만큼의 공급물이 처리된다는 것은, 반응기가 5분에 한 번씩 처리할 수 있는 양의 공급물을 계속해서 공급한다는 것을 의미합니다. 다른 보기들은 공간 시간과는 직접적인 연관이 없는 내용들이므로 옳지 않습니다.
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94. 동일 조업조건, 일정밀도와 등온, 등압하의 CSTR과 PFR에서 반응이 진행될 때 반응기부피를 옳게 설명한 것은?

  1. 반응차수가 0보다 크면 PFR 부피가 CSTR보다 크다.
  2. 반응차수가 0이면 두반응기 부피가 같다.
  3. 반응차수가 커지면 CSTR 부피는 PFR 보다 작다.
  4. 반응차수와 전화율은 반응기 부피에 무관하다.
(정답률: 48%)
  • 반응차수가 0이면 반응속도는 부피에 무관하게 일정하므로, CSTR과 PFR에서 반응이 진행되는 동안 반응물의 농도 변화가 없다. 따라서 두 반응기에서 반응이 완료되는 데 필요한 시간이 동일하므로 부피도 같아진다. 따라서 "반응차수가 0이면 두반응기 부피가 같다."가 정답이다.
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95. 균일계 액상반응 A→R→S에서 1단계는 2차 반응, 2단계는 1차 반응으로 진행되고 R이 원하는 제품일 경우, 다음 설명 중 옳은 것은?

  1. A의 농도를 높게 유지할수록 좋다.
  2. 반응온도를 높게 유지할수록 좋다.
  3. 혼합반응이가 플러그 반응기보다 성능이 더 좋다.
  4. A의 농도는 R의 수율과 직접관계가 없다.
(정답률: 62%)
  • 정답: "A의 농도를 높게 유지할수록 좋다."

    이유: 1단계 반응은 2차 반응이므로, A의 농도가 높을수록 1단계 반응속도는 빨라지게 됩니다. 따라서 R로의 전환 속도가 빨라지고, 최종적으로 S로의 전환 속도도 빨라지게 됩니다. 따라서 A의 농도를 높게 유지하는 것이 S의 수율을 높이는데 도움이 됩니다. 반응온도를 높이는 것도 전반적인 반응속도를 높이는데 도움이 되지만, 이는 1단계 반응속도만을 높이는 것이 아니므로 A의 농도를 높이는 것보다는 효과가 적을 수 있습니다. 혼합반응과 플러그 반응기의 성능은 반응속도와 관련된 것이므로, 이 문제와는 직접적인 연관이 없습니다. A의 농도와 R의 수율은 직접적으로 관련되어 있습니다.
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96. 크기가 같은 관형반응기와 혼합반응기에서 다음과 같은 액상 1차 직렬반응이 일어날 때 관형반응기에서의 R의 성분수율 와 혼합반응기에서의 R의 성분수율 에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. K1 = K2이면 이다.
  2. K1＜ K2이면 이다.
  3. 는 항상 보다 크다.
  4. 은 항상 보다 크다.
(정답률: 37%)
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97. Thiele 계수에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. Thiele 계수는 가속도와 속도의 비를 나타내는 차원수이다.
  2. Thiele 계수가 클수록 입자내 농도는 저하된다.
  3. 촉매입자내 유효농도는 Thiele 계수의 값에 의존한다.
  4. Thiele 계수는 촉매표면과 내부의 효율적 이용의 척도이다.
(정답률: 43%)
  • Thiele 계수는 가속도와 속도의 비를 나타내는 차원수가 아니라, 입자 내부의 질량 전달과 표면 반응 속도 간의 균형을 나타내는 차원수이다. 따라서 첫 번째 보기가 틀린 것이다.
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98. 다음중 연속 평행반응(series - parallel reaction)은?

(정답률: 48%)
  • 정답은 ""이다.

    연속 평행반응은 여러 개의 반응이 동시에 일어나는 반응으로, 반응물이 여러 단계를 거쳐 여러 개의 중간체로 변환되며 최종 생성물로 이어지는 반응이다.

    위의 그림에서는 A가 B와 C로, B가 D로, C가 E로 변환되는 반응이 일어나고 있으며, 이들 반응은 모두 동시에 일어나고 있다. 따라서 이는 연속 평행반응이다.
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99. 기체 - 고체 반응에서 율속단계(rate-determining)에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 고체표면 반응단계가 항상 율속단계이다.
  2. 기체막에서의 물질전달 단계가 항상 율속단계이다.
  3. 저항이 작은 단계가 율속단계이다.
  4. 전체반응 속도를 지배하는 단계가 율속단계이다.
(정답률: 61%)
  • 기체 - 고체 반응에서 율속단계란 전체 반응 속도를 지배하는 가장 느린 단계를 말합니다. 따라서 "전체반응 속도를 지배하는 단계가 율속단계이다."가 옳은 설명입니다. 이유는 전체 반응 속도는 가장 느린 단계에 의해 결정되기 때문입니다. 다른 보기들은 항상 율속단계가 아닐 수 있습니다.
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100. 다음 반응에서 R이 요구하는 물질일 때 어떻게 반응시켜야 하는가?

  1. A 에 B 를 한 방울씩 넣는다.
  2. B 에 A 를 한 방울씩 넣는다.
  3. A 와 B 를 동시에 넣는다.
  4. A 와 B를 넣는 순서는 무관하다.
(정답률: 40%)
  • R이 요구하는 물질은 A와 B가 동시에 반응하여 생성되는 물질이기 때문에 A와 B를 동시에 넣어야 한다. A와 B를 따로 넣거나 순서를 바꾸면 원하는 물질이 생성되지 않을 수 있다.
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