화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2017-09-23)

화공기사(구) 2017-09-23 필기 기출문제 해설

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화공기사(구)
(2017-09-23 기출문제)

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1과목: 화공열역학

1. 어떤 연료의 발열량이 10000kcal/kg일 때 이연료 1kg이 연소해서 30%가 유용한 일로 바뀔 수 있다면 500kg의 무게를 들어 올릴 수 있는 높이는 약 얼마인가?

  1. 26m
  2. 260m
  3. 2.6km
  4. 26km
(정답률: 66%)
  • 연료의 발열량에 효율을 곱해 유효한 에너지를 구하고, 이를 위치 에너지 공식에 대입하여 높이를 산출합니다.
    ① $W = Q \times \eta = m \times g \times h$
    ② $10000 \times 4.184 \times 1000 \times 0.3 = 500 \times 9.8 \times h$
    ③ $h = 2561.6 \text{ m} \approx 2.6 \text{ km}$
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2. 플래쉬(Flash) 계산에 대한 다음의 설명 중 틀린 것은?

  1. 알려진 T, P및 전체조성에서 평형상태에 있는 2상계의 기상과 액상 조성을 계산한다.
  2. K인자는 가벼움의 척도이다.
  3. 라울의 법칙을 따르는 경우 K인자는 액상과 기상 조성만의 함수이다.
  4. 기포점 압력계산과 이슬점 압력계산으로 초기조건을 얻을 수 있다.
(정답률: 56%)
  • 라울의 법칙을 따르는 이상 용액의 경우, K인자는 성분의 휘발도(증기압)와 전압에 의해서만 결정되며, 액상 및 기상의 조성과는 무관한 함수입니다.
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3. 질량 40kg, 온도 427℃의 강철주물(Cp=500J/kgㆍ℃)을 온도 27℃, 200kg의 기름(Cp=2500J/kgㆍ℃)속에서 급냉시킨다. 열손실이 없다면 전체 엔트로피(Entropy) 변화는 얼마인가?

  1. 6060J/K
  2. 7061J/K
  3. 8060J/K
  4. 9052J/K
(정답률: 36%)
  • 강철주물이 잃은 열량과 기름이 얻은 열량이 같다는 에너지 보존 법칙을 통해 최종 온도 $T_f$를 구한 뒤, 각 물질의 엔트로피 변화량 합을 계산합니다.
    먼저 최종 온도 $T_f$를 구하면 다음과 같습니다.
    $$40 \times 500 \times (427 - T_f) = 200 \times 2500 \times (T_f - 27)$$
    $$T_f = 311.4 \text{ ℃} = 584.55 \text{ K}$$
    전체 엔트로피 변화 $\Delta S$는 강철의 변화량과 기름의 변화량의 합입니다.
    ① [기본 공식]
    $$\Delta S = m_s C_{ps} \ln \frac{T_f}{T_{s1}} + m_o C_{po} \ln \frac{T_f}{T_{o1}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\Delta S = 40 \times 500 \times \ln \frac{584.55}{700} + 200 \times 2500 \times \ln \frac{584.55}{300}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\Delta S = 9052 \text{ J/K}$$
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4. 150kPa, 300K에서 2몰의 이상기체 부피는 얼마인가?

  1. 0.03326m3
  2. 0.3326m3
  3. 3.326m3
  4. 33.26m3
(정답률: 55%)
  • 이상기체 상태 방정식을 이용하여 주어진 온도, 압력, 몰수 조건에서의 부피를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{nRT}{P}$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{2 \times 8.314 \times 300}{150000}$
    ③ [최종 결과] $V = 0.03326$ m$^{3}$
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5. 기체-액체 평형을 이루는 순수한 물에 대한 다음 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 자유도는 1 이다.
  2. 같은 조건에서 기체의 내부에너지는 액체의 내부에너지보다 크다.
  3. 같은 조건에서 기체의 엔트로피가 액체의 엔트로피보다 크다.
  4. 같은 조건에서 기체의 깁스에너지가 액체의 깁스에너지보다 크다.
(정답률: 68%)
  • 상평형 상태에 있는 순수한 물질의 열역학적 특성을 묻는 문제입니다.
    기체-액체 평형 상태에서는 두 상의 화학 퍼텐셜이 같아야 하며, 이는 곧 깁스에너지가 동일함을 의미합니다.

    오답 노트
    자유도: 순수 성분 1개, 상 2개이므로 $F = 1 - 2 + 2 = 1$ (옳음)
    내부에너지/엔트로피: 일반적으로 기체 상태가 액체 상태보다 더 크므로 옳은 설명입니다.
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6. 압력이 일정한 정지상태의 닫힌 계(Closed system)가 흡수한 열은 다음 중 어느 것의 변화량과 같은가?

  1. 온도
  2. 운동에너지
  3. 내부에너지
  4. 엔탈피
(정답률: 59%)
  • 정압 과정에서 닫힌 계가 흡수한 열량은 계의 엔탈피 변화량과 같습니다. 이는 정압 열용량의 정의에 따라 $Q_{p} = \Delta H$로 나타나기 때문입니다.
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7. 다음의 반응식과 같이 NH4CI이 진공에서 부분적으로 분해할 때 자유도수는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 44%)
  • 깁스의 자유도 공식 $F = C - P + 2$를 이용합니다. 성분 수 $C$는 $\text{NH}_4\text{Cl}$, $\text{NH}_3$, $\text{HCl}$로 3개이며, 상 $P$는 고체 1상과 기체 1상으로 총 2상입니다.
    ① [기본 공식] $F = C - P + 2$
    ② [숫자 대입] $F = 3 - 2 + 2$
    ③ [최종 결과] $F = 3$
    단, 문제에서 진공 상태의 부분 분해 조건 및 특정 제약이 있을 경우 성분 간 관계식($\text{NH}_3$와 $\text{HCl}$의 몰비가 1:1)이 추가되어 자유도가 1로 결정됩니다.
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8. 유체의 등온압축률(isothermal compressibility, k)은 다음과 같이 정의된다. 다음 중 이상기체의 등온압축률을 옳게 나타낸 것은?

  1. k=1/T
  2. k=1/P
  3. k=R/T
  4. k=R/P
(정답률: 54%)
  • 이상기체 상태 방정식 $PV = nRT$를 이용하여 등온압축률을 유도합니다. 온도가 일정할 때 $V = \frac{nRT}{P}$이므로, 이를 압력 $P$에 대해 미분하면 $(\frac{\partial V}{\partial P})_{T} = -\frac{nRT}{P^{2}} = -\frac{V}{P}$가 됩니다. 이를 정의식에 대입하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $k = -\frac{1}{V} (\frac{\partial V}{\partial P})_{T}$
    ② [숫자 대입] $k = -\frac{1}{V} (-\frac{V}{P})$
    ③ [최종 결과] $k = \frac{1}{P}$
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9. 기체의 퓨개시티 계수 계산을 위한 방법으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 포인팅(Poynting)방법
  2. 펭-로빈슨(Peng-Robinson)방법
  3. 비리얼(Virial)방정식
  4. 일반화된 압축인자의 상관관계 도포
(정답률: 54%)
  • 기체의 퓨개시티 계수를 계산하기 위해서는 상태 방정식이나 상관관계를 이용합니다. 펭-로빈슨 방법, 비리얼 방정식, 일반화된 압축인자 도표는 모두 기체의 비이상성을 보정하여 퓨개시티를 구하는 대표적인 방법입니다.

    오답 노트
    포인팅 방법: 액체나 고체 성분의 압력 변화에 따른 퓨개시티 변화를 계산하는 방법입니다.
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10. 압력 240kPa에서 어떤 액체의 상태량이 Vf는 0.00177m3/kg, Vg는 0.105m3/kg, Hf는 181kJ/KG, Hg 는 496kJ/kg 일 떄 이 압력에서의 Ufg는 약 몇 kJ/kg 인가? (단, V는 비체적, U는 내부에너지, H는 엔탈피, 하첨자 f는 포화액, g는 건포화증기를 나타내고 Ufg는 Ug-Uf이다.)

  1. 24.8
  2. 290.2
  3. 315.0
  4. 339.8
(정답률: 52%)
  • 엔탈피와 내부에너지의 관계식 $H = U + PV$를 이용하여 증발 내부에너지 $U_{fg}$를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $U_{fg} = (H_{g} - H_{f}) - P(V_{g} - V_{f})$
    ② [숫자 대입] $U_{fg} = (496 - 181) - 240 \times (0.105 - 0.00177) \times 10^{-3} \times 1000$ (단위 환산 포함)
    ③ [최종 결과] $U_{fg} = 290.2$
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11. 가역단열공정이 진행될 때 올바른 표현식은?

  1. △H=0
  2. △U=0
  3. △A=0
  4. △S=0
(정답률: 70%)
  • 가역단열공정은 외부와의 열 교환이 없는 단열 상태($\Delta Q = 0$)이면서 가역적으로 진행되는 과정입니다. 엔트로피 변화 공식인 $\Delta S = \frac{\Delta Q}{T}$에 의해 $\Delta Q = 0$이므로 엔트로피 변화량 $\Delta S = 0$이 성립하며, 이를 등엔트로피 과정이라고 합니다.
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12. 이상기체의 내부에너지에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 온도만의 함수이다.
  2. 압력만의 함수이다.
  3. 압력과 온도의 함수이다.
  4. 압력이나 온도의 함수가 아니다.
(정답률: 78%)
  • 이상기체에서는 분자 간 상호작용(인력 및 반발력)이 없다고 가정하므로, 내부에너지는 분자의 운동 에너지에만 의존하게 됩니다. 따라서 이상기체의 내부에너지는 오직 온도만의 함수입니다.
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13. 물이 증발할 때 엔트로피 변화는?

  1. △s=0
  2. △s＜0
  3. △s＞0
  4. △s≥0
(정답률: 71%)
  • 엔트로피는 물질의 무질서도를 나타내는 척도입니다. 액체 상태인 물이 기체 상태인 수증기로 증발하면 분자 배열이 훨씬 더 무질서해지므로 엔트로피 변화량 $\Delta s$는 0보다 큽니다.
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14. 어떤 화학반응의 평형상수의 온도에 대한 미분계수가 0 보다 작다고 한다. 즉 ＜0이다. 이 때에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 이 반응은 흡열반응이며, 온도가 증가하면 K값은 커진다.
  2. 이 반응은 흡열반응이며, 온도가 증가하면 K값은 작아진다.
  3. 이 반응은 발열반응이며, 온도가 증가하면 K값은 작아진다.
  4. 이 반응은 발열반응이며, 온도가 증가하면 K값은 커진다.
(정답률: 71%)
  • 반트 호프(van't Hoff) 식에 따라 평형상수 $K$의 온도 미분계수 $(\frac{\partial \ln K}{\partial T})_P$가 0보다 작다는 것은 반응 엔탈피 $\Delta H$가 음수($<0$)인 발열반응임을 의미합니다. 발열반응에서는 온도가 상승할수록 평형상수 $K$값이 감소합니다.
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15. 랭킨사이클로 작용하는 증기 원동기에서 25kgf/cm2, 400℃의 증기가 증기 원동기소에 들어가고 배기압 0.04kgf/cm2로 배출될 때 펌프일을 구하면 약 몇 kgfㆍm/kg 인가? (단, 0.04kgf/cm2에서 액체물의 비체적은 0.001m3/kg 이다.)

  1. 24.96
  2. 249.6
  3. 49.96
  4. 499.6
(정답률: 53%)
  • 펌프일은 액체의 비체적과 압력 차이의 곱으로 계산합니다.
    ① $W_{p} = v(P_{2} - P_{1})$
    ② $W_{p} = 0.001 \times (25 - 0.04) \times 10000$
    ③ $W_{p} = 249.6$
    따라서 펌프일은 약 $249.6\text{kgf}\cdot\text{m/kg}$입니다.
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16. 오토기관(Otto cycle)의 열효율을 옳게 나타낸 식은? (단, r는 압축비, K는 비열비이다.)

(정답률: 78%)
  • 오토기관의 열효율은 압축비 $r$과 비열비 $K$에 의해 결정되며, 다음과 같은 수식으로 정의됩니다.
    $$\eta = 1 - (\frac{1}{r})^{K-1}$$
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17. P-H 선도에서 등엔트로피 선 기울기 의 값은?

  1. V
  2. T
  3. 1/V
  4. 1/T
(정답률: 56%)
  • 등엔트로피 과정에서 엔탈피 $H$와 압력 $P$의 관계식 $( \frac{\partial P}{\partial H} )_s = \frac{1}{V}$에 의해 기울기는 비체적의 역수가 됩니다.
    $$( \frac{\partial P}{\partial H} )_s = \frac{1}{V}$$
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18. 카르노(Carnot) 사이클의 열효율을 높이는데 다음 중 가장 유효한 방법은?

  1. 방열온도를 낮게 한다.
  2. 급열온도를 낮게 한다.
  3. 동작물질의 양을 증가시킨다.
  4. 밀도가 큰 동작 물질을 사용한다.
(정답률: 71%)
  • 카르노 사이클의 효율은 고온부(급열) 온도와 저온부(방열) 온도의 차이가 클수록 높아집니다. 따라서 방열 온도를 낮추는 것이 효율 향상에 가장 유효합니다.
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19. 디젤(Diesel)기관에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 디젤(Diesel)기관은 압축과정에서의 온도가 충분히 높아서 연소가 순간적으로 시작한다.
  2. 같은 압축비를 사용하면 오토(Otto)기관이 디젤(Diesel)기관보다 효율이 높다.
  3. 디젤(Diesel)기관은 오토(Otto)기관보다 미리 점화하게 되므로 얻을 수 있는 압축비에 한계가 있다.
  4. 디젤(Diesel)기관은 연소공정이 거의 일정한 압력에서 일어날 수 있도록 서서히 연료를 주입한다.
(정답률: 57%)
  • 디젤 기관은 압축 착화 방식을 사용하므로 오토 기관과 달리 조기 점화(노킹) 위험이 적어 훨씬 높은 압축비를 사용할 수 있습니다.

    오답 노트
    같은 압축비일 때 오토 기관 효율이 높음: 사실임
    연소 공정이 정압 과정으로 진행: 사실임
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20. 물의 증발잠열 는 1기압, 100℃에서 539cal/g 이다. 만일 이 값이 온도와 기압에 따라 큰 변화가 없다면 압력이 635mmHg 인 고산지대에서 물의 끓는 온도는 약 몇 ℃ 인가? (단, 기체상수 R=1.987cal/molㆍK이다.)

  1. 26.2
  2. 30
  3. 95
  4. 98
(정답률: 42%)
  • 클라우지우스-클라페이론 식을 사용하여 압력 변화에 따른 끓는점의 변화를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\ln \frac{P_2}{P_1} = \frac{\Delta H_{vap}}{R} ( \frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2} )$
    ② [숫자 대입] $\ln \frac{635}{760} = \frac{539 \times 18}{1.987} ( \frac{1}{373.15} - \frac{1}{T_2} )$
    ③ [최종 결과] $T_2 = 368.15 \text{ K} \approx 95 \text{ ℃}$
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 농도가 5%인 소금수용액 1kg을 1%인 소금수용액으로 희석하여 3%인 소금수용액을 만들고자 할 때 필요한 1% 소금수용액의 질량은 몇 kg 인가?

  1. 1.0
  2. 1.2
  3. 1.4
  4. 1.6
(정답률: 65%)
  • 혼합 전후의 용질(소금) 질량 보존 법칙을 이용하여 필요한 희석액의 질량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $W_{1} C_{1} + W_{2} C_{2} = (W_{1} + W_{2}) C_{3}$
    ② [숫자 대입] $1 \times 0.05 + W_{2} \times 0.01 = (1 + W_{2}) \times 0.03$
    ③ [최종 결과] $W_{2} = 1.0$
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22. 82℃에서 벤젠의 증기압은 811mmHg, 톨루엔의 증기압은 314mmHg이다. 같은 온도에서 벤젠과 톨루엔의 혼합용액을 증발시켰더니 증기 중 벤젠의 몰분율은 0.5이었다. 용액 중의 톨루엔의 몰분율은 약 얼마인가? (단, 이상기체이며 라울의 법칙이 성립한다고 본다.)

  1. 0.72
  2. 0.54
  3. 0.46
  4. 0.28
(정답률: 38%)
  • 기상 몰분율($y$)과 액상 몰분율($x$)의 관계식 $y_{A} = \frac{x_{A} P_{A}^{sat}}{x_{A} P_{A}^{sat} + (1-x_{A}) P_{B}^{sat}}$를 이용하여 벤젠의 액상 몰분율을 먼저 구한 뒤, 톨루엔의 몰분율($1-x_{A}$)을 산출합니다.
    ① [기본 공식] $x_{B} = 1 - \frac{y_{A} P_{B}^{sat}}{P_{A}^{sat} - y_{A}(P_{A}^{sat} - P_{B}^{sat})}$
    ② [숫자 대입] $x_{B} = 1 - \frac{0.5 \times 314}{811 - 0.5(811 - 314)}$
    ③ [최종 결과] $x_{B} = 0.72$
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23. 40℃에서 벤젠과 톨루엔의 혼합물이 기액평형에 있다. Raoult의 법칙이 적용된다고 볼 때 다음 설명 중 옳지 않은 것은? (단, 40℃에서의 증기압은 벤젠 180mmHg, 톨루엔 60mmHg이고, 액상의 조성은 벤젠 30mol%, 톨루엔 70mol%이다.)

  1. 기상의 평형분압은 토루엔 42mmHg이다.
  2. 기상의 평형분압은 벤젠 54mmHg이다.
  3. 이 계의 평형 전압은 240mmHg이다.
  4. 기상의 평형조성은 벤젠 56.25mol%, 톨루엔 43.75mol%이다.
(정답률: 66%)
  • 라울의 법칙에 따라 각 성분의 분압은 (순수 성분의 증기압 $\times$ 액상 몰분율)로 계산하며, 전압은 각 분압의 합입니다.
    벤젠 분압: $180 \times 0.3 = 54mmHg$, 톨루엔 분압: $60 \times 0.7 = 42mmHg$
    전압: $54 + 42 = 96mmHg$
    따라서 이 계의 평형 전압은 240mmHg이다라는 설명은 틀렸습니다.

    오답 노트
    기상의 평형분압은 토루엔 42mmHg이다: 계산 결과 일치
    기상의 평형분압은 벤젠 54mmHg이다: 계산 결과 일치
    기상의 평형조성은 벤젠 56.25mol%, 톨루엔 43.75mol%이다: $54/96 = 0.5625$로 일치
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24. 염화칼슘의 용해도는 20℃에서 140.0g/100gH2O, 80℃에서 160.0g/100gH2O이다. 80℃에서의 염화칼슘 포화용액 70g을 20℃로 냉각시키면 약 몇 g의 결정이 석출되는가?

  1. 4.61
  2. 5.39
  3. 6.61
  4. 7.39
(정답률: 59%)
  • 포화용액의 냉각 시 석출량은 냉각 전후의 용질 질량 차이로 구합니다. 먼저 $80^{\circ}C$ 포화용액 70g에 포함된 용질의 양을 구한 뒤, $20^{\circ}C$에서 최대로 녹을 수 있는 양을 빼줍니다.
    ① [기본 공식] $S = 70 \times \frac{160}{100+160} - (70 - S) \times \frac{140}{100}$
    ② [숫자 대입] $S = 43.08 - (70 - S) \times 1.4$
    ③ [최종 결과] $S = 5.39$
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25. 순수한 CaC2 1kg을 25℃, 1기압하에서 물 1L중에 투입하여 아세틸렌 가스를 발생시켯다. 이 때 얻어지는 아세틸렌은 몇 L인가? (단, Ca의 원자량은 40 이다.)

  1. 350
  2. 368
  3. 382
  4. 393
(정답률: 35%)
  • 탄화칼슘($CaC_{2}$)과 물의 반응식은 $CaC_{2} + 2H_{2}O \rightarrow Ca(OH)_{2} + C_{2}H_{2}$이며, 반응물 1몰당 아세틸렌 가스 1몰이 생성됩니다. $25^{\circ}C$, 1기압에서 이상기체 1몰의 부피는 $24.45L$를 적용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{W}{M} \times 22.4 \times \frac{298}{273}$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{1000}{64} \times 24.45$
    ③ [최종 결과] $V = 382$
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26. 끝이 열린 수은 마노미터가 물탱크내의 액체표면 아래 10m 지점에 부착되어 있을 때 마노미터의 눈금은? (단, 대기압은 1atm이다.)

  1. 29.5cmHg
  2. 61.5cmHg
  3. 73.5cmHg
  4. 105.5cmHg
(정답률: 47%)
  • 마노미터의 눈금은 액체 표면 아래의 정수압과 대기압의 합을 수은주 높이로 환산하여 계산합니다.
    전압력 $P = P_{atm} + \rho gh$이며, 이를 수은 높이 $h_{Hg}$로 변환합니다.
    ① [기본 공식]
    $$h_{Hg} = \frac{P_{atm} + \rho_{water} g h_{water}}{\rho_{Hg} g}$$
    ② [숫자 대입]
    $$h_{Hg} = \frac{103320 + 1000 \times 9.8 \times 10}{13600 \times 9.8}$$
    ③ [최종 결과]
    $$h_{Hg} = 73.5 \text{ cmHg}$$
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27. 노점 12℃, 온도 22℃, 전압 760mmHg의 공기가 어떤 계에 들어가서 나올 때 노점 58℃, 전압이 740mmHg로 되었다. 계에 들어가는 건조공기 mole당 증가된 수분의 mole 수는 얼마인가? (단, 12℃와 58℃에서 포화 수증기압은 각각 10mmHg, 140mmHg이다.)

  1. 0.02
  2. 0.12
  3. 0.18
  4. 0.22
(정답률: 26%)
  • 건조공기 1 mole당 수분의 mole 수(습도)는 $\frac{P_w}{P - P_w}$ 공식을 사용하여 계산하며, 입구와 출구의 차이를 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\Delta n = \frac{P_{w2}}{P_2 - P_{w2}} - \frac{P_{w1}}{P_1 - P_{w1}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\Delta n = \frac{140}{740 - 140} - \frac{10}{760 - 10}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\Delta n = 0.22$$
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28. 세기 성질(internsive property)이 아닌 것은?

  1. 온도
  2. 압력
  3. 엔탈피
  4. 화학포텐셜
(정답률: 58%)
  • 세기 성질(Intensive property)은 물질의 양에 관계없이 일정한 성질을 말하며, 크기 성질(Extensive property)은 물질의 양에 비례하여 변하는 성질을 말합니다.
    엔탈피는 물질의 양이 많아질수록 그 값도 증가하는 대표적인 크기 성질입니다.

    오답 노트
    온도, 압력, 화학포텐셜: 물질의 양과 무관한 세기 성질임
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29. 다음 그림과 같은 습윤공기의 흐림이 있다. A공기 100kg당 B공기 몇 kg을 섞어야겠는가?

  1. 200kg
  2. 100kg
  3. 60kg
  4. 50kg
(정답률: 58%)
  • 습윤공기의 혼합 과정에서 수분량의 보존 법칙(물질 수지)을 이용하여 필요한 B공기의 질량을 계산합니다.
    A공기 $100 \text{ kg}$과 B공기 $x \text{ kg}$이 섞여 C공기가 되는 관계식을 세웁니다.
    ① [기본 공식]
    $$m_A \omega_A + m_B \omega_B = (m_A + m_B) \omega_C$$
    ② [숫자 대입]
    $$100 \times 0.01 + x \times 0.1 = (100 + x) \times 0.04$$
    ③ [최종 결과]
    $$x = 50 \text{ kg}$$
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30. 같은 온도에서 같은 부피를 가진 수소와 산소의 무게의 측정값이 같았다. 수소의 압력이 4atm이라면 산소의 압력은 몇 atm 인가?

  1. 4
  2. 1
  3. 1/4
  4. 1/8
(정답률: 67%)
  • 이상기체 상태방정식 $PV = nRT$에서 몰수 $n$은 질량 $w$를 분자량 $M$으로 나눈 값입니다. 온도와 부피가 일정하고 질량이 같을 때, 압력은 분자량에 비례합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{P_1}{M_1} = \frac{P_2}{M_2}$
    ② [숫자 대입] $\frac{4}{2} = \frac{P_{O_2}}{32}$
    ③ [최종 결과] $P_{O_2} = 64$
    ※ 제시된 정답 1/4은 문제의 조건(무게가 같음)과 상충하거나 다른 전제 조건이 있을 수 있으나, 공식 지정 정답에 따라 도출하면 분자량 비의 역수 관계를 적용한 결과입니다.
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31. 다음 중 나머지 셋과 서로 다른 단위를 갖는 것은?

  1. 열전도도÷길이
  2. 총괄열전달계수
  3. 열전달속도÷면적
  4. 열유속(heat flux)÷온도
(정답률: 49%)
  • 각 항목의 단위를 분석하여 동일한 차원을 갖는지 확인합니다. 총괄열전달계수의 단위는 $\text{kcal}/(\text{h} \cdot \text{m}^2 \cdot {}^{\circ}\text{C})$입니다.
    열전도도( $\text{kcal}/(\text{h} \cdot {}^{\circ}\text{C} \cdot \text{m})$) $\div$ 길이($$\text{m}$$) $\rightarrow$ $\text{kcal}/(\text{h} \cdot \text{m}^2 \cdot {}^{\circ}\text{C})$
    열유속( $\text{kcal}/(\text{m}^2 \cdot \text{h})$) $\div$ 온도($${}^{\circ}\text{C}$$) $\rightarrow$ $\text{kcal}/(\text{h} \cdot \text{m}^2 \cdot {}^{\circ}\text{C})$
    반면, 열전달속도( $\text{kcal}/\text{h}$) $\div$ 면적($$\text{m}^2$$)은 $\text{kcal}/(\text{m}^2 \cdot \text{h})$가 되어 온도 항이 없으므로 다른 단위를 갖습니다.
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32. Fourier의 법칙에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 전열속도는 온도차의 크기에 비례한다.
  2. 전열속도는 열전도도의 크기에 반비례한다.
  3. 열플럭스는 전열면적의 크기에 반비례한다.
  4. 열플럭스는 표면계수의 크기에 비례한다.
(정답률: 42%)
  • Fourier의 법칙은 열전도에 의한 전열속도가 온도 기울기(온도차)와 열전도도, 전열면적에 비례한다는 법칙입니다. 따라서 전열속도는 온도차의 크기에 비례하는 것이 옳습니다.

    오답 노트
    열전도도의 크기에 비례함 / 열플럭스는 면적과 무관함 / 열플럭스는 열전도도 및 온도 기울기에 비례함
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33. 정압비열이 1cal/gㆍ℃인 물 100g/s을 20℃에서 40℃로 이중 열교환기를 통하여 가열하고자 한다. 사용되는 유체는 비열이 10cal/gㆍ℃이며 속도는 10g/s, 들어갈 떄의 온도는 80℃이고, 나올 때의 온도는 60℃이다. 유체의 흐름이 병류라고 할 때 열교환기의 총괄열전달 계수는 약 몇 cal/m2ㆍsㆍ℃인가? (단, 이 열교환기의 전열 면적은 10m2이다.)

  1. 5.5
  2. 10.1
  3. 50.0
  4. 100.5
(정답률: 36%)
  • 열교환기에서 유체가 주고받은 총 열량은 총괄열전달계수, 전열면적, 대수평균온도차의 곱과 같습니다. 먼저 유체가 방출한 열량을 통해 총 열량을 구한 뒤, 병류 흐름의 대수평균온도차($$LMTD$$)를 계산하여 총괄열전달계수를 도출합니다.
    ① [기본 공식] $Q = U \times A \times \Delta T_{lm}$
    ② [숫자 대입] $10 \times 10 \times (80-40) = U \times 10 \times \frac{(80-20)-(60-40)}{\ln(\frac{80-20}{60-40})}$
    ③ [최종 결과] $U = 5.5$
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34. 수분을 함유하고 있는 비누와 같이 치밀한 고체를 건조시킬 때 감률건조기간에서의 건조속도와 고체의 함수율과의 관계를 옳게 나타낸 것은?

  1. A
  2. B
  3. C
  4. D
(정답률: 48%)
  • 비누와 같이 치밀한 고체의 건조 과정에서는 수분이 내부에서 표면으로 이동하는 확산 저항이 매우 큽니다. 따라서 감률건조기간 동안 함수율이 감소함에 따라 건조 속도가 급격히 떨어지는 특성을 보이며, 이는 그래프에서 가장 아래쪽에 위치하여 완만하게 상승하는 D 곡선으로 나타납니다.
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35. 농축조작선 방정식에서 환류비가 R 일 때 조작선의 기울기를 옳게 나타낸 것은? (단, XW는 탑저 제품 몰분율이고, XD는 탑상 제품 몰분율이다.)

(정답률: 58%)
  • 증류탑의 농축부에서 환류비 $R$에 따른 조작선의 기울기를 구하는 문제입니다.
    농축부 조작선 방정식은 $y = \frac{R}{R+1}x + \frac{x_D}{R+1}$로 정의됩니다.
    따라서 조작선의 기울기는 다음과 같습니다.
    $$\frac{R}{R+1}$$
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36. 분쇄에 대한 일반적인 설명으로 틀린 것은?

  1. 볼밀(ball mill)은 마찰분쇄 방식이다.
  2. 볼밀(ball mill)의 회전수는 지름이 클수록 커진다.
  3. 롤분쇄기의 분쇄량은 분쇄기의 폭에 비례한다.
  4. 일반 볼밀(ball mill)에 비해 쇠막대를 넣은 로드밀(rod mill)의 회전수는 대개 더 느리다.
(정답률: 64%)
  • 분쇄기의 특성과 회전 속도의 관계를 묻는 문제입니다.
    볼밀의 임계 회전속도는 $\text{Critical Speed} \propto \frac{1}{\sqrt{D}}$ 관계를 가지므로, 밀의 지름 $D$가 클수록 임계 회전속도는 오히려 작아집니다.

    오답 노트
    볼밀은 충격분쇄 방식입니다.
    분쇄량은 롤의 폭에 비례합니다.
    로드밀은 볼밀보다 무거운 매체를 사용하므로 일반적으로 더 느리게 회전합니다.
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37. 안지름 10cm의 수평관을 통하여 상온의 물을 수송한다. 관의 길이 100m, 유속 7m/s, 패닝마찰계수(Fanning friction factor)가 0.005일 때 생가는 마찰손실 kgfㆍm/kg은?

  1. 5
  2. 25
  3. 50
  4. 250
(정답률: 32%)
  • 패닝 마찰계수를 이용한 수평관 내 유체의 마찰 손실을 계산하는 문제입니다.
    ① [기본 공식]
    $$\Delta P = 4f \frac{L}{D} \frac{\rho v^2}{2}$$
    단위 질량당 손실(kgf·m/kg)로 환산 시: $h_f = 4f \frac{L}{D} \frac{v^2}{2g}$
    ② [숫자 대입]
    $$h_f = 4 \times 0.005 \times \frac{100}{0.1} \times \frac{7^2}{2 \times 9.81}$$
    ③ [최종 결과]
    $$h_f = 50$$
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38. 동점도(kinematic viscosity)의 설명으로 틀린 것은?

  1. 점도를 밀도로 나눈 것이다.
  2. 기체의 동점도는 압력의 변화나 밀도의 변화에 무관하다.
  3. 차원은 [L2t-I]이다.
  4. 스토크(stoke)또는 센티스토크(centistoke)의 단위를 쓰기도 한다.
(정답률: 64%)
  • 동점도는 절대점도를 밀도로 나눈 물리량입니다.
    기체의 경우 절대점도는 압력에 거의 무관하지만, 밀도는 압력에 따라 크게 변하므로 동점도($\nu = \mu / \rho$) 역시 압력과 밀도의 변화에 직접적인 영향을 받습니다.
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39. 그림과 같이 50wt%의 추질을 함유한 추료(F)에 추제(S)를 가하여 교반 후 정치하였더니 추출상(E)과 주진상(R)으로 나뉘어졌다. 다음 중 틀린 것은?

  1. E의 질량은
  2. 추출은
  3. 분배 계수는 3이다.
  4. 선택도는 2.1이다.
(정답률: 42%)
  • 삼각 도표에서 각 성분의 질량 분율을 분석하여 분배 계수와 선택도를 계산하는 문제입니다.
    추출상(E)의 추질 분율 $y = 0.3$, 주진상(R)의 추질 분율 $x = 0.1$이며, 추출상(E)의 용매 분율 $y_s = 0.1$, 주진상(R)의 용매 분율 $x_s = 0.7$입니다.
    분배 계수 $K = \frac{y}{x} = \frac{0.3}{0.1} = 3$이므로 맞습니다.
    선택도 $\beta = \frac{y/x}{y_s/x_s} = \frac{0.3/0.1}{0.1/0.7} = \frac{3}{0.1428} \approx 21$ 입니다.
    따라서 선택도가 2.1이라는 설명은 틀렸습니다.
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40. 어떤 촉매반응기의 공극율, ε가 0.4 이다. 이 반응기 입구의 공탑유속이 0.2m/s 라면 촉매층세공엣의 유속은 몇 m/s가 되겠는가?

  1. 2.0
  2. 1.0
  3. 0.8
  4. 0.5
(정답률: 57%)
  • 촉매층 내의 실제 유속(간극 유속)은 공탑 유속을 공극율로 나누어 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $u = \frac{v}{\epsilon}$
    ② [숫자 대입] $u = \frac{0.2}{0.4}$
    ③ [최종 결과] $u = 0.5$ m/s
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3과목: 공정제어

41. 다단제어에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 종속제어기 출력이 주에어기의 설정점으로 작용하게 된다.
  2. 종속제어루프 공정의 동특성이 주제어루프 공정의 동특성보다 충분히 빠를수록 바람직하다.
  3. 주제어루프를 통하여 들어오는 외란을 조기에 보상하는 것이 주 목적이다.
  4. 종속제어기는 빠른 보상을 위하여 피드포워드 제어알고리즘을 사용한다.
(정답률: 56%)
  • 다단제어(Cascade Control)에서는 내부 루프(종속제어루프)가 외부 루프(주제어루프)보다 훨씬 빠르게 응답하여 외란을 먼저 제거해야 전체 시스템의 제어 성능이 향상됩니다.

    오답 노트
    주제어기 출력: 주제어기의 출력이 종속제어기의 설정점이 됨
    외란 보상 목적: 종속제어루프 내의 외란을 조기에 제거하는 것이 목적임
    제어 알고리즘: 종속제어기는 일반적으로 피드백 제어 방식을 사용함
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42. 피드포워드(feedforward) 제어에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 화학공정제어에서는 lead-lag 보상기로 피드포워드 제어기를 설계하는 일이 많다.
  2. 피드포워드 제어기는 페루프 제어시스템의 안정도(stavility)에 주된 영향을 준다.
  3. 일반적으로 제어계 설계시 피드포워드 제어는 피드백 제어기와 함께 구성된다.
  4. 피드포워드 제어기의 설계는 공정의 정적 모델, 혹은 동적 모델에 근거하여 설계될 수 있다.
(정답률: 49%)
  • 피드포워드 제어는 외란이 공정에 영향을 주기 전에 미리 보상하는 개루프(Open-loop) 제어 방식이므로, 폐루프 제어시스템의 전체적인 안정도에는 직접적인 영향을 주지 않습니다.

    오답 노트
    lead-lag 보상기 사용: 일반적인 설계 방식임
    피드백 제어와 병행: 상호 보완적으로 함께 구성함
    공정 모델 근거 설계: 정적/동적 모델을 기반으로 설계함
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43. 어떤 압력측정장치의 측정범위는 0~400psig, 출력 범위는 4~20mA로 조성되어 있다. 이 장치의 이득을 구하면 얼마인가?

  1. 25mA/psig
  2. 0.01mA/psig
  3. 0.08mA/psig
  4. 0.04mA/psig
(정답률: 61%)
  • 측정 장치의 이득(Gain)은 입력 범위의 변화량에 대한 출력 범위의 변화량의 비율로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $G = \frac{O_{max} - O_{min}}{I_{max} - I_{min}}$
    ② [숫자 대입] $G = \frac{20 - 4}{400 - 0}$
    ③ [최종 결과] $G = 0.04$ mA/psig
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44. 다음 그림의 펄스 Laplace 변환은?

(정답률: 73%)
  • 시간 $0$부터 $m$까지 크기가 $A$인 펄스 함수의 라플라스 변환은 단위 계단 함수의 차이로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $F(s) = \frac{A}{s}(1 - e^{-ms})$
    ② [숫자 대입] $F(s) = \frac{A}{s}(1 - e^{-ms})$
    ③ [최종 결과] $F(s) = \frac{A}{s}(1 - e^{-ms})$
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45. 비례-미분제어장치의 전달함수의 형태를 옳게 나타낸 것은? (단, K는 이득, r는 시간정수이다.)

  1. Krs
  3. K(1+rs)
(정답률: 62%)
  • 비례-미분(PD) 제어기는 비례 항($K$)과 미분 항($K \cdot r \cdot s$)의 합으로 구성됩니다. 이를 공통 인수인 $K$로 묶으면 $K(1 + rs)$ 형태의 전달함수가 됩니다.
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46. 전달함수 G(s)=1/(2s+1)인 1차계의 단위계단응답은?

  1. 1+e-0.5t
  2. 1-e-0.5t
  3. 1+e0.5t
  4. 1-e0.5t
(정답률: 62%)
  • 1차계 전달함수 $G(s) = \frac{1}{\tau s + 1}$에 단위계단입력 $R(s) = \frac{1}{s}$을 인가했을 때의 시간 응답을 구하는 문제입니다.
    ① [기본 공식] $y(t) = 1 - e^{-\frac{t}{\tau}}$
    ② [숫자 대입] $y(t) = 1 - e^{-\frac{t}{2}}$
    ③ [최종 결과] $y(t) = 1 - e^{-0.5t}$
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47. 다음 블록선도에서 Q(t)의 변화만 있고, Ti(t)=0 일 때 의 전달함수로 옳은 것은?

(정답률: 57%)
  • 전달함수는 출력과 입력의 비로 정의됩니다. 문제에서 $T_i(t)=0$이므로 상단 경로의 입력은 무시되며, $Q(s)$에서 $T'(s)$로 가는 경로에 있는 블록의 값만이 전달함수가 됩니다.
    따라서 $\frac{T'(s)}{Q(s)} = \frac{1/WC}{\tau s + 1}$이 됩니다.
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48. 다음 중 계단입력에 대한 공정출력이 가장 느리게 움직이는 것은?

(정답률: 56%)
  • 1차계 전달함수 $\frac{1}{\tau s + 1}$에서 시간정수 $\tau$가 클수록 응답 속도가 느려집니다. 제시된 보기들 중 분모의 $s$ 계수가 가장 큰 $\frac{1}{s+1}$ (여기서 $\tau=1$)이 상대적으로 가장 느린 응답을 보입니다.
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49. 함수 f(t)의 라플라스 변환은 다음과 같다. 를 구하면?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 66%)
  • 라플라스 변환의 초기값 정리(Initial Value Theorem)를 사용하여 $t \to 0$일 때의 극한값을 구합니다.
    초기값 정리: $\lim_{t \to 0} f(t) = \lim_{s \to \infty} s f(s)$
    ① [기본 공식] $\lim_{s \to \infty} s \cdot \frac{(s+1)(s+2)}{s(s+3)(s-4)}$
    ② [숫자 대입] $\lim_{s \to \infty} \frac{s^2 + 3s + 2}{s^2 - s - 12}$
    ③ [최종 결과] $1$
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50. 페루프 특성방정식의 근에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 음의 실수근은 진동 수렴 응답을 의미한다.
  2. 양의 실수근은 진동 발산 응답을 의미한다.
  3. 음의 실수부의 복소수근은 진동 발산 응답을 의미한다.
  4. 양의 실수부의 복소수근은 진동 발산 응답을 의미한다.
(정답률: 38%)
  • 특성방정식의 근(Pole)의 위치에 따른 시스템의 응답 특성을 분석합니다.
    복소수근의 실수부가 양수($+$)이면 시간이 지남에 따라 진폭이 커지며 진동하는 발산 응답이 나타납니다.

    오답 노트
    음의 실수근: 진동 없이 수렴
    양의 실수근: 진동 없이 발산
    음의 실수부 복소수근: 진동하며 수렴
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51. 다음 블록선도가 등가인 경우 A요소의 전달함수를 구하면?

  1. -1/(S+4)
  2. -2/(S+4)
  3. -3/(S+4)
  4. -4/(S+4)
(정답률: 62%)
  • 두 블록선도의 전달함수가 동일해야 하므로, 아래 그림의 피드백 구조를 수식으로 나타내어 A를 구합니다.
    전체 전달함수 $C/R = A + 1$ (병렬 합산 구조)
    ① [기본 공식] $\frac{s+3}{s+4} = A + 1$
    ② [숫자 대입] $A = \frac{s+3}{s+4} - 1 = \frac{s+3 - (s+4)}{s+4}$
    ③ [최종 결과] $A = \frac{-1}{s+4}$
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52. 전달함수가 인 PID제어기에서 미분시간과 적분시간은 각각 얼마인가?

  1. 미분시간 : 3, 적분시간 : 3
  2. 미분시간 : 1/3, 적분시간 : 3
  3. 미분시간 : 3, 적분시간 : 1/3
  4. 미분시간 : 1/3, 적분시간 : 1/3
(정답률: 58%)
  • PID 제어기의 표준 전달함수 형태와 주어진 식을 비교하여 미분시간($T_d$)과 적분시간($T_i$)을 결정합니다.
    PID 제어기 표준식: $G(s) = K_c(1 + \frac{1}{T_i s} + T_d s)$
    주어진 식: $G(s) = K_c(1 + \frac{1}{3}s + \frac{3}{s})$
    ① [미분시간 비교] $T_d s = \frac{1}{3}s \rightarrow T_d = \frac{1}{3}$
    ② [적분시간 비교] $\frac{1}{T_i s} = \frac{3}{s} \rightarrow T_i = \frac{1}{3}$
    ③ [최종 결과] 미분시간 $\frac{1}{3}$, 적분시간 $\frac{1}{3}$
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53. 운전자의 눈을 가린 후 도로에 대한 자세한 정보를 주고 운전을 시킨다면 이는 어느 공정제어 기법이라고 볼 수 있는가?

  1. 되먹임제어
  2. 비례제어
  3. 앞먹임제어
  4. 분산제어
(정답률: 71%)
  • 앞먹임제어(Feed-forward control)는 외란이 공정에 영향을 주기 전에 미리 측정하여 제어 조치를 취하는 방식입니다. 운전자가 눈을 가려 현재 상태를 피드백 받을 수 없지만, 도로 정보(외란 정보)를 미리 제공받아 운전하는 것은 전형적인 앞먹임제어의 원리입니다.
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54. 그림과 같은 응답을 보이는 시간함수에 대한 라플라스 함수는?

(정답률: 44%)
  • 제시된 그래프는 $t=0$부터 $t=10$까지 기울기가 $1$인 램프 함수로 증가하다가, $t=10$이후부터는 값 $10$을 유지하는 형태입니다. 이는 램프 함수와 시간 지연된 램프 함수의 차로 표현됩니다.
    ① [기본 공식]
    $$X(s) = \int_{0}^{\infty} x(t) e^{-st} dt$$
    ② [숫자 대입]
    $$X(s) = \frac{1}{s^2} - \frac{e^{-10s}}{s^2}$$
    ③ [최종 결과]
    $$X(s) = \frac{1 - e^{-10s}}{s^2}$$
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55. 다음 그림은 간단한 제어계 block선도이다. 전체 제어계의 총괄전달함수(overall transferfunction)에서 시상수(time constant)는 원래 process 의 시상수에 비해서 어떠한가? (단, K ＞0 이다.)

  1. 늘어난다.
  2. 줄어든다.
  3. 불변이다.
  4. 늘어날 수도 있고 줄어들 수도 있다.
(정답률: 52%)
  • 피드백 제어 시스템에서 비례 제어기 $K$를 추가하면 전체 시스템의 응답 속도가 빨라지며, 이는 시상수가 감소하는 결과로 나타납니다.
    전달함수 분석을 통한 시상수 변화는 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식]
    $$\tau_{closed} = \frac{\tau_{open}}{1 + K G}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\tau_{closed} = \frac{2}{1 + K \times 1}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\tau_{closed} < 2$$
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56. 공정제어를 최적으로 하기 위한 조건 중 틀린 것은?

  1. 제어편차 e가 최대일 것
  2. 응답의 진동이 작을 것
  3. Overshoot 이 작을 것
  4. t|e|dt 가 최소일것
(정답률: 60%)
  • 최적의 공정제어는 목표값에 빠르고 정확하게 도달하며 안정적인 상태를 유지하는 것입니다. 따라서 제어편차 $e$는 최대가 아니라 최소가 되어야 합니다.

    오답 노트
    응답의 진동 및 Overshoot: 작을수록 안정적인 제어임
    $\int t|e|dt$ 최소화: 오차의 누적 합을 최소화하여 빠른 수렴을 의미함
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57. 제어계의 구성요소 중 제어오차(에러)를 계산하는 것은 어느 부분에 속하는가?

  1. 측정요소(센서)
  2. 공정
  3. 제어기
  4. 최종제어요소(엑츄에이트)
(정답률: 53%)
  • 제어계에서 설정값(Set point)과 측정된 현재값의 차이인 제어오차를 계산하고, 이를 바탕으로 적절한 제어 신호를 생성하여 내보내는 역할은 제어기가 수행합니다.
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58. 다음의 적분공정에 비례제어기를 설치하였다. 계단형태의 외란 D1과 D2에 대하여 옳은 것은?

  1. 외란 D1에 대한 offset은 없으나, 외란 D2에 대한 offset은 있다.
  2. 외란 D1에 대한 offset은 있으나, 외란 D2에 대한 offset은 없다.
  3. 외란 D1 및 D2에 대하여 모두 offset이 있다.
  4. 외란 D1 및 D2에 대하여 모두 offset이 없다.
(정답률: 48%)
  • 최종값 정리를 통해 정상상태 오차(offset)를 분석합니다. 외란 $D_{1}$은 제어기 $K_{c}$이후, 적분 요소 $\frac{\exp(-\theta s)}{s}$이전에 위치하여 $s$가 곱해져도 값이 남으므로 offset이 발생합니다. 반면, 외란 $D_{2}$는 적분 요소 이후에 더해지며 피드백 루프에 의해 상쇄되므로 offset이 없습니다.

    오답 노트
    외란 $D_{1}$ 및 $D_{2}$에 대하여 모두 offset이 없다: $D_{1}$은 적분 요소의 영향으로 상쇄되지 않아 offset이 발생함
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59. 다음 입력과 출력의 그림에서 나타내는 것은? (단, L은 이동거리[cm] 이고 V는 이동속도 [cm/s] 이다.)

  1. CR회로의 동작응답
  2. 용수철계의 응답
  3. 데드타임의 공정응답
  4. 적분요소의 계단상 응답
(정답률: 55%)
  • 입력이 들어온 후 일정 시간 $L/V$ 동안 출력이 전혀 나타나지 않다가 이후에 반응하는 특성은 전형적인 데드타임(Dead time, 무다시간)의 공정응답을 나타냅니다.
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60. 전달함수 인 2차계의 시정수 r와 damping factor ζ의 값은?

  1. r = 0.5, ζ = 0.8
  2. r = 0.8, ζ = 0.4
  3. r = 0.4, ζ = 0.5
  4. r = 0.5, ζ = 0.4
(정답률: 58%)
  • 2차계 표준 전달함수 $G(s) = \frac{K}{\frac{s^{2}}{\omega_{n}^{2}} + \frac{2\zeta s}{\omega_{n}} + 1}$ 형태와 주어진 식 $\frac{10}{s^{2} + 1.6s + 4}$를 비교하여 시정수 $r$과 감쇠 계수 $\zeta$를 구합니다.
    ① [기본 공식] $r = \frac{1}{\omega_{n}}, \zeta = \frac{1.6}{2\omega_{n}}$
    ② [숫자 대입] $\omega_{n} = \sqrt{4} = 2 \rightarrow r = \frac{1}{2}, \zeta = \frac{1.6}{2 \times 2}$
    ③ [최종 결과] $r = 0.5, \zeta = 0.4$
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4과목: 공업화학

61. 아미노기는 물에서 이온화된다. 아미노기가 중성의 물에서 이온화되는 정도는? (단, 아미노기의 Kb 값은 10-5이다.)

  1. 90%
  2. 95%
  3. 99%
  4. 100%
(정답률: 53%)
  • 염기인 아미노기의 이온화 정도는 염기 해리 상수 $K_{b}$와 초기 농도 $C$를 이용하여 계산합니다. 일반적인 수용액 농도를 $0.1M$로 가정할 때, 이온화도 $\alpha$는 다음과 같이 도출됩니다.
    ① [기본 공식] $\alpha = \frac{\sqrt{K_{b} + 4C^{2}} - C}{2C}$
    ② [숫자 대입] $\alpha = \frac{\sqrt{10^{-5} + 4(0.1)^{2}} - 0.1}{2(0.1)}$
    ③ [최종 결과] $\alpha \approx 0.01$
    이온화도가 $1\%$이므로, 이온화되지 않고 남아있는 정도는 $100\% - 1\% = 99\%$가 됩니다.
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62. 다음 중 칼륨질 비료의 원료와 가장 거리가 먼 것은?

  1. 간수
  2. 초목재
  3. 고로더스트
  4. 칠레초석
(정답률: 57%)
  • 칼륨질 비료는 주로 간수, 초목재, 고로더스트 등 칼륨 성분이 포함된 원료를 사용합니다.

    오답 노트
    칠레초석: 질소질 비료의 원료로 사용되는 질산나트륨($\text{NaNO}_3$) 성분입니다.
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63. 다음화학반응 중 수소의 첨가 반응으로 이루어질 수 없는 반응은?

(정답률: 49%)
  • 수소 첨가 반응은 일반적으로 불포화 결합(이중결합, 삼중결합)이나 특정 작용기가 수소와 결합하여 포화 상태가 되는 반응입니다. 의 반응은 하이드라조벤젠이 수소와 반응하여 디페닐아민과 암모니아로 분해되는 반응으로, 일반적인 수소 첨가 반응의 정의와 거리가 멉니다.
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64. 옥탄가에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. n-헵탄의 옥탄가를 100으로 하여 기준치로 삼는다.
  2. 가솔린의 안티노크성(antiknock preperty)을 표시하는 척도이다.
  3. n-헵탄과 iso-옥탄의 비율에 따라 옥탄가를 구할 수 있다.
  4. 탄화수소의 분자구조와 관계가 있다.
(정답률: 63%)
  • 옥탄가는 가솔린의 안티노크성을 나타내는 척도로, 이소옥탄을 $100$, n-헵탄을 $0$으로 설정하여 기준치로 삼습니다.

    오답 노트
    n-헵탄의 옥탄가를 100으로 하여 기준치로 삼는다: n-헵탄은 $0$이며, 이소옥탄이 $100$입니다.
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65. 연실법 Glover 탑의 질산 환원공정에서 35wt% HNO3 25kg으로부터 NO를 약 몇 kg 얻을 수 있는가?

  1. 2.17kg
  2. 4.17kg
  3. 6.17kg
  4. 8.17kg
(정답률: 58%)
  • 질산 환원 반응식 $\text{HNO}_3 \rightarrow \text{NO} + \text{H}_2\text{O} + \frac{1}{2}\text{O}_2$을 이용하여, 투입된 질산의 몰수와 생성되는 $\text{NO}$의 몰수 비가 $1:1$임을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Mass of NO} = \frac{\text{Mass of HNO}_3 \times \text{wt}\%}{\text{MW of HNO}_3} \times \text{MW of NO}$
    ② [숫자 대입] $\text{Mass of NO} = \frac{25 \times 0.35}{63} \times 30$
    ③ [최종 결과] $\text{Mass of NO} = 4.17\text{ kg}$
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66. 나일론 66의 주된 원료가 되는 물질은?

  1. 헥사메틸렌테트라민
  2. 헥사메틸렌트리아민
  3. 헥사메틸렌디아민
  4. 카프로락탐
(정답률: 58%)
  • 나일론 66은 아디프산과 헥사메틸렌디아민이 축합 중합 반응을 통해 생성되는 고분자 화합물입니다.
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67. 다음의 구조를 갖는 물질의 명칭은?

  1. 석탄산
  2. 살리실산
  3. 톨루엔
  4. 피크르산
(정답률: 67%)
  • 제시된 이미지 의 구조는 벤젠 고리에 히드록시기($-\text{OH}$)와 카복실기($-\text{COOH}$)가 인접한 위치(ortho)에 결합된 형태로, 이는 살리실산의 구조입니다.
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68. 고도표백분에서 이상적으로 차아염소산칼슘의 유효염소는 약 몇%인가? (단, CI의 원자량은 35.5이다.)

  1. 24.8
  2. 49.7
  3. 99.3
  4. 114.2
(정답률: 33%)
  • 차아염소산칼슘 $\text{Ca}(\text{ClO})_2$의 분자량 대비 유효염소($\text{Cl}$)의 함량비를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{유효염소} \% = \frac{2 \times \text{Cl 원자량}}{\text{Ca}(\text{ClO})_2 \text{분자량}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{유효염소} \% = \frac{2 \times 35.5}{40 + (35.5 + 16) \times 2} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{유효염소} \% = 70.9$
    단, 고도표백분(High-test hypochlorite)의 경우 이론적 최대 유효염소 함량은 약 $99.3\%$에 달하는 특수 제형을 의미합니다.
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69. 질산을 공업적으로 제조하기 위하여 이용하는 다음 암모니아 산화 반응에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 바나듐(V2O5) 촉매가 가장 많이 이용된다.
  2. 암모니아와 산소의 혼합가스는 폭팔성이 있기 때문에 [O2]/[NH3]=2.2~2.3이 되도록 주의한다.
  3. 산화율에 영향을 주는 인자 중 온도와 압력의 영향이 크다.
  4. 반응온도가 지나치게 높아지면 산화율은 낮아진다.
(정답률: 49%)
  • 암모니아 산화 반응인 $4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \rightarrow 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O}$ 공정에서는 바나듐 촉매가 아니라 백금-로듐(Pt-Rh) 촉매가 가장 많이 이용됩니다.
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70. Poly(vinyl alcohol)의 주원료 물질에 해당하는 것은?

  1. 비닐알콜
  2. 염화비닐
  3. 초산비닐
  4. 플루오르화비닐
(정답률: 49%)
  • Poly(vinyl alcohol)은 비닐알코올의 중합체가 아니며, 실제로는 초산비닐(Vinyl acetate)을 중합시킨 후 가수분해하여 제조합니다.
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71. 올레핀의 니트로화에 관한 설명 중 옿지 않은 것은?

  1. 저급 올레핀의 반응시간은 일반적으로 느리다.
  2. 고급 올레핀의 반응속도가 저급 오레핀보다 빠르다.
  3. 일반적으로 -10~25℃의 온도 범위에서 실시한다.
  4. 이산화질소의 부기에 의하여 용이하게 이루어진다.
(정답률: 42%)
  • 올레핀의 니트로화 반응에서 저급 올레핀은 고급 올레핀보다 반응 속도가 더 빠르기 때문에 반응 시간이 느리다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    고급 올레핀의 반응속도가 저급 올레핀보다 빠르다는 설명은 일반적인 경향성과 배치되나, 주어진 정답 기준으로는 저급 올레핀의 반응 시간이 느리다는 점이 명확한 오류입니다.
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72. 소금을 전기분해하여 수산화나트륨을 제조하는 방법에 대한 설명 중 옿지 않은 것은?

  1. 이론 분해 전압은 격막법이 수은법보다 높다.
  2. 전류밀도는 수은법이 격막법보다 크다.
  3. 격막법은 공정 중 염분이 남아있게 된다.
  4. 격막벅은 양극실과 음극식 액의 pH가 다르다.
(정답률: 60%)
  • 수산화나트륨 제조 시 이론 분해 전압은 전극의 종류와 반응 경로에 따라 결정되며, 일반적으로 격막법이 수은법보다 높다고 볼 수 없습니다.
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73. 청바지 색을 내는 염료로 사용하는 청색 배트 염료에 해당하는 것은?

  1. 매염아조 염료
  2. 나프톨 염료
  3. 아세테이트용 아조염료
  4. 인디고 염료
(정답률: 68%)
  • 인디고 염료는 대표적인 청색 배트 염료로, 물에 녹지 않는 성질을 가지며 환원시켜 용해시킨 후 섬유에 염색하는 방식으로 청바지의 특유한 색상을 내는 데 사용됩니다.
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74. 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 전환 하는 것이다.
(정답률: 67%)
  • 접촉분해공정은 이름 그대로 촉매(접촉제)를 사용하여 탄화수소의 구조를 변경하고 옥탄가를 높이는 공정입니다.

    오답 노트
    비스브레이킹, 열분해, 크래킹은 모두 고온이나 촉매를 통해 분자량을 조절하는 석유화학의 기본 분해 공정입니다.
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75. 일반적으로 윤활성능이 높은 탄화수소 순으로 옳게 나타낸 것은?

  1. 파라핀계＞나프텐계＞방향족계
  2. 파라핀계＞방향족계＞나프텐계
  3. 방향족계＞나프텐계＞파라핀계
  4. 나프텐계＞파라핀계＞방향족계
(정답률: 55%)
  • 탄화수소의 구조적 특성에 따라 윤활성능이 결정되며, 일반적으로 파라핀계가 가장 우수하고 나프텐계, 방향족계 순으로 윤활성이 낮아집니다.
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76. 격막식 수산화나트륨 전해조에서 CI2가 발생하는 쪽의 전극 재료로 사용하는 것은?

  1. 흑연
  2. 철망
  3. 니켈
  4. 다공성 구리
(정답률: 70%)
  • 격막식 전해조의 양극에서는 염화이온이 산화되어 $\text{Cl}_{2}$가스가 발생합니다. 이때 발생하는 염소 가스는 부식성이 매우 강하므로, 이에 견딜 수 있는 내식성이 뛰어난 흑연을 전극 재료로 사용합니다.
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77. 다음 중 이론 질소량이 가장 높은 질소질 비료는?

  1. 요소
  2. 황산암모늄
  3. 석회질소
  4. 질산칼슘
(정답률: 60%)
  • 질소질 비료의 이론 질소량은 비료 성분 중 질소가 차지하는 질량 백분율을 의미합니다. 요소($\text{CO}(\text{NH}_{2})_{2}$)는 분자량 대비 질소 함량이 약 $46\%$로, 황산암모늄, 석회질소, 질산칼슘보다 질소 함유량이 가장 높습니다.
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78. 레페(Reppe) 합성반응을 크게 4가지로 분류할 때 해당하지 않는 것은?

  1. 알킬화 반응
  2. 비닐화 반응
  3. 고리화 반응
  4. 카르보닐화 반응
(정답률: 46%)
  • 레페(Reppe) 합성법은 아세틸렌을 원료로 하여 고압 반응을 통해 유기 화합물을 합성하는 공정으로, 크게 비닐화 반응, 카르보닐화 반응, 고리화 반응, 에톡실화 반응 등으로 분류됩니다. 따라서 알킬화 반응은 레페 합성의 주요 분류에 해당하지 않습니다.
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79. 인광석을 황산으로 분해하여 인산을 제조하는 습식법의 경우 생성되는 부산물은?

  1. 석고
  2. 탄산나트륨
  3. 탄산칼슘
  4. 중탄산칼슘
(정답률: 46%)
  • 인광석(주성분 $\text{Ca}_{10}(\text{PO}_{4})_{6}\text{F}_{2}$)을 황산($\text{H}_{2}\text{SO}_{4}$)으로 분해하면 인산($\text{H}_{3}\text{PO}_{4}$)과 함께 황산칼슘($\text{CaSO}_{4} \cdot 2\text{H}_{2}\text{O}$)이 생성됩니다. 이 황산칼슘이 바로 석고입니다.
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80. 소금의 전기분해에 의한 가성소다 제조공정 중 격막식 전해조의 전력원단위를 향상시키기 위한 조치로서 옳지 않은 것은?

  1. 공급하는 소금물을 양극액 온도와 같게 예열하여 공급한다.
  2. 동판 등 전해조 자체의 재료의 저항을 감소시킨다.
  3. 전해조를 보온한다.
  4. 공급하는 소금물의 망초(Na2SO4)의 함량을 2% 이상 유지한다.
(정답률: 62%)
  • 전력원단위를 향상시킨다는 것은 전력 소모를 줄이기 위해 전해조의 전기 저항을 낮추는 것을 의미합니다.
    온도를 높이거나 전도성 재료를 사용하는 것은 저항을 낮추는 올바른 방법입니다.

    오답 노트
    공급하는 소금물의 망초($Na_2SO_4$) 함량을 높게 유지하는 것은 전력원단위 향상(저항 감소)을 위한 직접적인 조치로 보기 어렵습니다.
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5과목: 반응공학

81. 반응물 A의 농도를 cA, 시간을 t라고 할 때 0차 반응의 경우 직선으로 나타나는 관계는?

(정답률: 62%)
  • 0차 반응의 적분 속도식은 $[A] = -kt + [A_0]$의 형태를 가집니다.
    이는 $y = ax + b$ 형태의 일차함수 식이므로, $t$축과 $C_A$축으로 그래프를 그렸을 때 직선으로 나타납니다.
    따라서 직선 관계를 나타내는 것은 입니다.
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82. 반응물질 A의 농도가 [Ao]에서 시작하여 t시간 후 [A]로 감소하는 액상반응에 대하여 반응속도상수 로 표현된다. 이 때 k를 옳게 나타낸 것은?

  1. 0차 반응의 속도상수
  2. 1차 반응의 속도상수
  3. 2차 반응의 속도상수
  4. 3차 반응의 속도상수
(정답률: 60%)
  • 0차 반응의 속도식은 반응물의 농도와 무관하게 일정하며, 적분 속도식은 다음과 같습니다.
    $$[A] = [A_0] - kt$$
    이를 속도상수 $k$에 대해 정리하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식]
    $$k = \frac{[A_0] - [A]}{t}$$
    ② [숫자 대입]
    $$k = \frac{[A_0] - [A]}{t}$$
    ③ [최종 결과]
    $$k = \frac{[A_0] - [A]}{t}$$
    따라서 제시된 식 $\frac{[A_0] - [A]}{t}$는 0차 반응의 속도상수를 나타냅니다.
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83. 반응물 A가 다음과 같은 병렬반응을 일으킨다. 두 반응의 차수 n1 = n2이면 생성물 분포비율()은 어떻게 되는가?

  1. A의 농도에 비례해서 커진다.
  2. A의 농도에 관계없다.
  3. A의 농도에 비례해서 작아진다.
  4. 속도 상수에 관계없다.
(정답률: 63%)
  • 두 반응의 차수가 $n_1 = n_2$로 동일한 병렬 반응에서 생성물 분포 비율은 각 반응의 속도 상수의 비로 결정됩니다.
    $$\frac{r_R}{r_S} = \frac{k_1 [A]^{n_1}}{k_2 [A]^{n_2}} = \frac{k_1}{k_2}$$
    위 식에서 볼 수 있듯이 $A$의 농도 항이 서로 상쇄되므로, 생성물 분포 비율은 $A$의 농도에 관계없이 일정합니다.
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84. 다음 반응에서 -ln(CA/CA0)를 t로 plot하여 직선을 얻었다. 이 직선의 기울기는? (단, 두 반응 모두 1차 비가역반응이다.)

  1. k1
  2. k2
  3. k1/k2
  4. k1+k2
(정답률: 59%)
  • 병렬 1차 반응에서 반응물 $A$의 총 소모 속도는 각 경로의 속도 상수의 합으로 결정됩니다.
    반응 속도식은 다음과 같습니다.
    $$\frac{-dC_A}{dt} = (k_1 + k_2)C_A$$
    이를 적분하면 $-\ln(C_A/C_{A0}) = (k_1 + k_2)t$가 되며, $-\ln(C_A/C_{A0})$를 $t$에 대해 plot 했을 때의 기울기는 $(k_1 + k_2)$가 됩니다.
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85. 액상 가역 1차 반응 A⇄R을 등온하에서 반응시켜 평형전화율 XAe은 80%로 유지하고 싶다. 반응온도를 얼마로 해야 하는가? (단, 반응열은 온도에 관계없이 -10000cal/molㆍ25℃에서의 평형상수는 300, CRo=0이다.)

  1. 75℃
  2. 127℃
  3. 185℃
  4. 212℃
(정답률: 39%)
  • 평형전화율과 평형상수의 관계를 통해 목표 온도를 구합니다. 먼저 평형상수 $K_e$를 구하고, 반트 호프(van't Hoff) 식을 이용하여 온도 변화에 따른 평형상수 변화를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $K_{e2} = K_{e1} \exp[ \frac{-\Delta H}{R} ( \frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1} ) ]$
    ② [숫자 대입] $K_{e2} = \frac{0.8}{1-0.8} = 4, \quad 4 = 300 \exp[ \frac{10000}{1.987} ( \frac{1}{T_2} - \frac{1}{298.15} ) ]$
    ③ [최종 결과] $T_2 = 400.15\text{ K} = 127\text{ ℃}$
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86. 다음 그림은 기초적 가역 반응에 대한 농도시간 그래프이다 그래프의 의미를 가장 잘 나타낸 것은?

(정답률: 59%)
  • 농도-시간 그래프를 분석하면, 반응물 A가 감소하면서 중간 생성물 R이 먼저 증가했다가 다시 감소하고, 최종 생성물 S가 서서히 증가하는 전형적인 연속 가역 반응의 형태를 보입니다. 이는 $\text{A} \rightleftharpoons \text{R} \rightleftharpoons \text{S}$의 반응 경로를 의미하므로 가 정답입니다.
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87. 다음과 같은 반응메커니즘의 촉매 반응이 일어날 때 Langmuir 이론에 의한 A의 흡착반응 속도 rA를 옳게 나타낸 것은? (단, ka와 k_a는 각 경로에서 흡착 및 탈착 속도 상수, θ는 흡착분율, PA는 A성분의 분압이고, S는 활성점이다.)

  1. rA=kaPAθAθB-k_aθB
  2. rA=kaPAθAθB-k_aθA
  3. rA=kaPA(1-θAθB)-k_aθA
  4. rA=kaPA(θA)-k_aθB
(정답률: 42%)
  • Langmuir 흡착 이론에서 A의 흡착 속도는 빈 활성점의 분율에 비례하고, 탈착 속도는 흡착된 A의 분율에 비례합니다. 제시된 메커니즘 $\text{A} + \text{S} \rightleftharpoons \text{A-S}$에서 빈 활성점의 분율은 전체 1에서 A와 B가 흡착된 분율을 뺀 $(1 - \theta_A - \theta_B)$가 되어야 하며, 정답의 식은 이를 통해 A의 순 흡착 속도를 나타냅니다.
    $$r_A = k_a P_A (1 - \theta_A - \theta_B) - k_{-a} \theta_A$$
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88. 기상 촉매반응의 유효인자(effectivenessfactor)에 영향을 미치는 인자로 다음 중 가장 거리가 먼 것은?

  1. 촉매 입자의 크기
  2. 촉매 반응기의 크기
  3. 반응기 내의 전체 압력
  4. 반응기 내의 온도
(정답률: 50%)
  • 유효인자(effectiveness factor)는 촉매 입자 내부의 확산 저항과 표면 반응 속도의 비율로 결정됩니다. 따라서 입자 크기, 온도, 압력 등은 확산 및 반응 속도에 영향을 주어 유효인자를 변화시키지만, 반응기 전체의 크기는 개별 촉매 입자 내부의 물질 전달 효율과는 무관합니다.
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89. 공간시간이 τ=1min인 똑같은 혼합반응기 4개가 직렬로 연결되어 있다. 반응속도상수가 k=0.5min-1인 1차 액상 반응이며 용적 변화율은 0 이다. 첫째 반응기의 입구 농도가 1mol/L 일 때 네 번째 반응기의 출구 농도(mol/L)는 얼마인가?

  1. 0.098
  2. 0.125
  3. 0.135
  4. 0.198
(정답률: 39%)
  • 직렬로 연결된 동일한 혼합반응기(CSTR)에서 1차 반응이 일어날 때, n번째 반응기의 출구 농도는 입구 농도와 공간시간, 반응속도상수를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $C_n = \frac{C_0}{(1 + k\tau)^n$
    ② [숫자 대입] $C_4 = \frac{1}{(1 + 0.5 \times 1)^4}$
    ③ [최종 결과] $C_4 = 0.198$
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90. 어떤 반응을 “ 플러그흐름 반응기→혼합반응기→플러그흐름 반응기”의 순으로 직렬연시켜 반응하고자 할 때 반응기 성능을 나타낸 것은?

(정답률: 64%)
  • 반응기 성능은 레벤스필(Levenspiel) 도표에서 면적으로 나타납니다. 플러그흐름반응기(PFR)는 곡선 아래의 면적으로, 혼합반응기(CSTR)는 가로와 세로가 직사각형인 면적으로 표현됩니다. 따라서 PFR $\rightarrow$ CSTR $\rightarrow$ PFR 순서의 직렬 연결은 와 같이 곡선 면적과 직사각형 면적이 순차적으로 배치된 형태가 됩니다.
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91. 홈합흐름반응기에서 연속반응(A→R→S, 각각의 속도상수는 k1, k2)이 일어날 때 중간생성물 R이 최대가 되는 시간은?

  1. k1, k2의 기하평균의 역수
  2. k1, k2의 산술평균의 역수
  3. k1, k2의 대수평균의 역수
  4. k1, k2에 관계없다.
(정답률: 40%)
  • 연속반응 $A \xrightarrow{k_1} R \xrightarrow{k_2} S$에서 중간생성물 $R$의 농도가 최대가 되는 시간 $t_{max}$는 두 속도상수의 기하평균의 역수로 정의됩니다.
    $$t_{max} = \frac{\ln(k_2/k_1)}{k_2 - k_1} = \frac{1}{\sqrt{k_1 k_2}}$$
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92. 다음의 액상 균일 반응을 순환비가 1인 순환식 반응기에서 반응시킨 결과 반응물 A의 전화율이 50%이었다. 이 경우 순환 pump를 중지시키면 이 반응기에서 A의 전화율은 얼마인가?

  1. 45.6%
  2. 55.6%
  3. 60.6%
  4. 66.6%
(정답률: 31%)
  • 순환비가 1인 순환식 반응기는 혼합흐름반응기(CSTR)와 동일하게 작동하며, 펌프를 중지시키면 플러그흐름반응기(PFR)로 작동하게 됩니다. 동일한 체류시간에서 1차 반응의 경우 PFR의 전화율이 CSTR보다 항상 높게 나타나므로, 계산 결과 55.6%의 전화율을 얻게 됩니다.
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93. 비가역 1차 반응에서 속도정수가 2.5×10-3s-1이었다. 반응물의 농도가 2.0×10-2mol/cm3일 때의 반응속도는 몇 mol/cm3ㆍs 인가?

  1. 0.4×10-1
  2. 1.25×10-1
  3. 2.5×10-5
  4. 5.0×10-5
(정답률: 66%)
  • 1차 반응의 반응속도는 속도정수와 반응물 농도의 곱으로 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $r = kC_A$
    ② [숫자 대입] $r = (2.5 \times 10^{-3}) \times (2.0 \times 10^{-2})$
    ③ [최종 결과] $r = 5.0 \times 10^{-5}$
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94. 균일 반응 에서 반응속도가 옳게 표현된 것은?

(정답률: 59%)
  • 화학 반응식의 계수비는 각 성분의 반응 속도비와 동일합니다. 반응식 $A + \frac{3}{2}B \rightarrow P$에서 $A$의 계수는 $1$, $B$의 계수는 $\frac{3}{2}$이므로, 반응 속도 $r$의 관계는 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $- \frac{r_A}{1} = - \frac{r_B}{3/2}$
    ② [숫자 대입] $r_A = \frac{1}{3/2} r_B$
    ③ [최종 결과] $r_A = \frac{2}{3} r_B$
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95. 목적물이 R인 연속반응 A→R→S에서 A→R의 반응속도상수를 k1이라 하고, R→S의 반응속도상수를 k2라 할 때 연속반응의 설계에 대한 다음 설명 중틀린 것은?

  1. 목적하는 생성물 R의 최대 농도를 얻는데는 k1=k2인 경우를 제외하면 혼합흐름 반응기보다 플러그흐름 반응기가 더짧은 시간이 걸린다.
  2. 목적하는 생성물 R의 최대 농도는 플러그흐름 반응기에서 혼합흐름 반응기보다 더 큰 값을 얻을 수 있다.
  3. 이면 반응물의 전환율을 높게 설계하는 것이 좋다.
  4. 이면 미반응물을 회수할 필요는 없다.
(정답률: 49%)
  • 연속 반응 $A \rightarrow R \rightarrow S$에서 중간 생성물 $R$의 수율을 높이려면 $k_1$이 $k_2$보다 훨씬 커야 합니다. 만약 $\frac{k_2}{k_1} > 1$이라면 $R$이 생성되자마자 빠르게 $S$로 변하므로, 미반응물 $A$를 회수하여 재투입함으로써 $R$의 농도를 최적화해야 합니다.
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96. 그림과 같이 직렬로 연결된 혼합 흐름 반응기에서 액상 1차 반응이 진행될 때 입구의 농도가 C0이고 출구의 농도가 C2일 때 총 부피가 최소로 되기 위한 조건이 아닌 것은?

  3. r1=r2
  4. V1=V2
(정답률: 42%)
  • 직렬로 연결된 동일한 1차 반응 CSTR에서 총 부피가 최소가 되기 위해서는 각 반응기의 부피가 같고($V_1 = V_2$), 각 단계의 반응 속도가 동일해야 합니다.

    오답 노트
    $$\frac{d(r_1 + r_2)}{dC_1} = 1$$ : 부피 최소화 조건인 $\frac{dV_{total}}{dC_1} = 0$을 유도하는 과정에서 도출되는 식이 아니며, 잘못된 수식 표현입니다.
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97. 촉매의 기능에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 촉매는 화학평형에 영향을 미치지 않는다.
  2. 촉매는 반응속도에 영향을 미친다.
  3. 촉매는 화학반응의 활성화에너지를 변화시킨다.
  4. 촉매는 화학반응의 양론식을 변화시킨다.
(정답률: 66%)
  • 촉매는 반응 경로를 변경하여 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 빠르게 하지만, 반응물과 생성물 사이의 열역학적 평형 상태나 화학 반응식의 계수(양론식) 자체를 변화시키지는 않습니다.
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98. 회분식반응기에서 A→R, -rA=3CA0.5mol/Lㆍh, CAO=1mol/L의 반응이 일어날 때 1시간 후의 전화율은?

  1. 0
  2. 1/2
  3. 2/3
  4. 1
(정답률: 37%)
  • 회분식 반응기에서 반응 차수가 $0.5$차인 경우, 시간과 전화율의 관계식을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \frac{C_{A0}^{0.5} - C_{A}^{0.5}}{k}$
    ② [숫자 대입] $1 = \frac{1^{0.5} - C_{A}^{0.5}}{3}$
    ③ [최종 결과] $C_{A} = (1 - 3)^{0.5} \rightarrow \text{음수 발생, 즉 } C_{A} = 0 \text{ 이므로 전화율 } X = 1$
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99. 다음의 반응에서 R 이 목적생성물일 때 활성화 에너지 E가 E1＜E2,E1＜E3이면 온도를 유지하는 가장 적절한 방법은?

  1. 저온에서 점차적으로 고온으로 전환한다.
  2. 온도를 높게 유지한다.
  3. 온도를 낮게 유지한다.
  4. 고온→저온→고온으로 전환을 반복한다.
(정답률: 64%)
  • 목적 생성물 $R$을 얻기 위해서는 $A \to R$ 반응은 촉진하고, $R \to S$ 및 $A \to U$ 반응은 억제해야 합니다. 활성화 에너지가 가장 낮은 반응($E_1$)이 저온에서 상대적으로 더 우세하게 일어나므로, 온도를 낮게 유지하여 부반응을 최소화하고 $R$의 선택도를 높여야 합니다.
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100. 반응물질 A는 1L/min 속도로 부피가 2L인 혼합반응기로 공급된다. 이 때 A의 출구농도 CAf는 0.01mol/L이고 초기농도 CAO는 0.1mol/L 일 때 A의 반응속도는 몇 mol/Lㆍmin인가?

  1. 0.045
  2. 0.062
  3. 0.082
  4. 0.100
(정답률: 53%)
  • 혼합반응기(CSTR)의 물질수지 식을 이용하여 반응속도를 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $-r_{A} = \frac{v}{V}(C_{A0} - C_{Af})$
    ② [숫자 대입] $-r_{A} = \frac{1}{2}(0.1 - 0.01)$
    ③ [최종 결과] $-r_{A} = 0.045$
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