화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2018-03-04)

화공기사(구)
(2018-03-04 기출문제)

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1과목: 화공열역학

1. 열용량에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 이상기체의 정용(定容)에서의 몰열용량은 내부에너지 관련 함수로 정의된다.
  2. 이상기체의 정압에서의 몰열용량은 엔탈피 관련함수로 정의된다.
  3. 이상기체의 정용(定容)에서의 몰열용량은 온도변화와 관계없다.
  4. 이상기체의 정압에서의 몰열용량은 온도변화와 관계있다.
(정답률: 74%)
  • "이상기체의 정압에서의 몰열용량은 온도변화와 관계있다."가 옳지 않은 것이다. 이상기체의 정압에서의 몰열용량은 엔탈피 관련 함수로 정의되며, 온도 변화와 관계가 있다.
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2. 액상과 기상이 서로 평형이 되어 있을 때에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 두 상의 온도는 서로 같다.
  2. 두 상의 압력은 서로 같다.
  3. 두 상의 엔트로피는 서로 같다.
  4. 두 상의 화학포텐셜은 서로 같다.
(정답률: 72%)
  • "두 상의 엔트로피는 서로 같다."가 틀린 것이다. 액상과 기상이 서로 평형이 되어 있을 때, 두 상의 온도와 압력은 서로 같다. 그러나 두 상의 엔트로피는 서로 다르다. 액상은 분자가 서로 가깝고 정렬되어 있어서 엔트로피가 작지만, 기상은 분자가 자유롭게 움직이기 때문에 엔트로피가 크다. 따라서 두 상의 엔트로피는 서로 다르다.
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3. 부피 팽창성 β와 등온 압축성 k의 비 (k/β)를 옳게 표시한 것은?

(정답률: 44%)
  • 정답은 ""이다.

    부피 팽창성 β는 압력이 일정한 상황에서 온도가 1도 상승할 때 부피가 얼마나 증가하는지를 나타내는 값이다. 등온 압축성 k는 온도가 일정한 상황에서 압력이 1기압 증가할 때 부피가 얼마나 감소하는지를 나타내는 값이다.

    따라서 k/β는 압력과 온도가 모두 일정한 상황에서 압력이 1기압 증가할 때 부피가 얼마나 감소하고, 온도가 1도 상승할 때 부피가 얼마나 증가하는지를 비교하는 값이다. 이 값이 클수록 압력 변화에 더 민감한 물질이라는 뜻이므로, ""가 옳은 답이다.
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4. 이상기체의 단열과정에서 온도와 압력에 관계된 식이다. 옳게 나타낸 것은? (단, 열용량비 이다.)

(정답률: 81%)
  • 정답: ""

    이유: 이상기체의 단열과정에서는 열이 변하지 않으므로, 열용량비가 작을수록 온도 변화량이 크게 일어난다. 따라서 열용량비가 작을수록 압력과 온도의 관계는 민감하게 변화하게 된다. 이에 따라 ""가 옳은 식이다.
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5. 600K의 열저장고로부터 열을 받아서 일을 하고 400K의 외계에 열을 방출하는 카르노(Carnot) 기관의 효율은?

  1. 0.33
  2. 0.40
  3. 0.88
  4. 1.00
(정답률: 80%)
  • 카르노 열기관의 효율은 1 - (저온에서의 열 / 고온에서의 열) 으로 계산할 수 있습니다. 이 문제에서는 고온이 600K, 저온이 400K이므로 효율은 1 - (400/600) = 0.33이 됩니다. 이는 카르노 열기관의 효율이 최대치인 1에 비해 33%만큼의 효율을 가진다는 것을 의미합니다.
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6. 의 반응열은 얼마인가? (단, 다음의 반응식을 참고한다.)(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. -37025kcal/kmol
  2. -26410kcal/kmol
  3. -74050kcal/kmol
  4. +26410kcal/kmol
(정답률: 73%)
  • 이 반응은 엔탈피가 감소하는 반응이므로 열이 방출된다. 따라서 열의 단위인 kcal/kmol이 음수로 표시된다. 이 반응에서는 1 mol의 반응물이 반응하여 26410 kcal의 열이 방출된다는 것을 나타내므로 정답은 "-26410kcal/kmol"이다.
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7. 몰리에 선도(Mollier diagram)는 어떤 성질들을 기준으로 만든 도표인가?

  1. 압력과 부피
  2. 온도와 엔트로피
  3. 엔탈피와 엔트로피
  4. 부피와 엔트로피
(정답률: 68%)
  • 몰리에 선도는 엔탈피와 엔트로피를 기준으로 만든 도표이다. 엔탈피는 시스템의 열과 일의 합으로, 엔트로피는 시스템의 무질서도를 나타내는 물리량이다. 이 두 성질은 열역학에서 중요한 역할을 하며, 모든 열역학적 과정은 엔탈피와 엔트로피의 변화로 설명될 수 있다. 따라서 모리에 선도는 열역학적 과정을 시각적으로 이해하기 쉽게 나타내는데 사용된다.
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8. 2성분계 공비 혼합물에서 성분 A, B 의 활동도 계수를 rA와rB, 포화증기압을 PA및 PB라 하고, 이 계의 전압을 Pt라 할 때 수정된 Raoult의 법칙을 적용하여 rB를 옳게 나타낸 것은? (단, B 성분의 기상 및 액상에서의 몰분율은 yB와 XB이며, 퓨개시티계수 =1이라 가정한다.)

  1. rB=Pt/PB
  2. rB=Pt/PB(1-XA)
  3. rB=PtyB/PB
  4. rB=Pt/PBXB
(정답률: 42%)
  • 수정된 Raoult의 법칙은 Pt=XAPA+XBPB이다. 이를 성분 B에 대해 정리하면 XBPB=Pt-XAPA이다. 따라서 성분 B의 활동도 계수 rB는 PB=yBPt/rB이므로, 위 식에 대입하면 XBPB=Pt-XAPA=yBPt/rB이 된다. 이를 정리하면 rB=Pt/PB이 된다. 따라서 정답은 "rB=Pt/PB"이다.
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9. 엔트로피에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 엔트로피는 혼돈도(randomness)를 나타내는 함수이다.
  2. 융점에서 고체가 액화될 때의 엔트로피 변화는 로 표시할 수 있다.
  3. T=0K에서 엔트로피 S=1이다.
  4. 엔트로피 감소는 질서도(orderliness)의 증가를 의미한다.
(정답률: 76%)
  • "T=0K에서 엔트로피 S=1이다."는 틀린 설명입니다. 엔트로피는 절대적인 값이 아니며, 상태의 변화에 따라 변하는 상대적인 값입니다. T=0K에서는 분자의 운동이 멈추어 엔트로피가 0이 되므로, S=0이 됩니다.
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10. 다음 중 동력의 단위가 아닌 것은?

  1. HP
  2. kWh
  3. kgfㆍmㆍs-1
  4. BTUㆍs-1
(정답률: 59%)
  • "kWh"는 동력의 단위가 아니라 일정 시간 동안 발생한 에너지의 양을 나타내는 단위이다. "HP", "kgfㆍmㆍs-1", "BTUㆍs-1"는 모두 동력의 단위이다.
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11. 비가역 과정에서의 관계식으로 옳은 것은?

  1. dS ＞ 0
  2. dS ＜ 0
  3. dS = 0
  4. dS = -1
(정답률: 66%)
  • 정답: "dS ＞ 0"

    비가역 과정에서는 엔트로피가 증가하므로, dS는 양수여야 합니다. 이는 열역학 제2법칙에 따른 것입니다. 엔트로피는 무질서도를 나타내는 값으로, 비가역 과정에서는 에너지가 손실되고 무질서해지기 때문에 엔트로피가 증가합니다. 따라서 dS는 양수여야 합니다.
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12. 이상기체 3mol 이 50℃ 에서 등온으로 10atm 에서 1atm 까지 팽창할 때 행해지는 일의 크기는 몇 J 인가?

  1. 4433
  2. 6183
  3. 18550
  4. 21856
(정답률: 67%)
  • 이 문제는 이상기체의 등온 팽창 문제이다. 이상기체의 등온 팽창에서 일의 크기는 다음과 같이 구할 수 있다.

    일의 크기 = nRTln(V초기/V최종)

    여기서 n은 몰수, R은 기체상수, T는 절대온도, V는 부피이다.

    따라서 이 문제에서 일의 크기를 구하기 위해서는 다음과 같은 정보가 필요하다.

    - 이상기체의 몰수: 3mol
    - 이상기체의 초기 온도: 50℃ = 323K
    - 이상기체의 초기 압력: 10atm
    - 이상기체의 최종 압력: 1atm

    먼저 초기 부피를 구해보자. 초기 상태에서 이상기체의 부피는 다음과 같다.

    V초기 = nRT/P초기 = 3mol x 0.08206 L atm/mol K x 323K / 10atm = 7.96L

    따라서 최종 부피는 다음과 같다.

    V최종 = nRT/P최종 = 3mol x 0.08206 L atm/mol K x 323K / 1atm = 23.88L

    따라서 일의 크기는 다음과 같다.

    일의 크기 = nRTln(V초기/V최종) = 3mol x 0.08206 L atm/mol K x 323K x ln(7.96L/23.88L) = 18550J

    따라서 정답은 "18550"이다.
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13. 두헴(Duhem)의 정리는 “초기에 미리 정해진 화학성분들의 주어진 질량으로 구성된 어떤 닫힌계에 대해서도, 임의의 두 개의변수를 고정하면 평형상태는 완전히 결정된다.”라고 표현할 수 있다. 다음 중 설명이 옳지 않은 것은?

  1. 정해 주어야 하는 두 개의 독립변수는 세기변수 일수도 있고 크기변수 일수도 있다.
  2. 독립적인 크기변수의 수는 상률에 의해 결정된다.
  3. F=1 일 때 두 변수 중 하나는 크기변수가 되어야 한다.
  4. F=0 일 때는 둘 모두 크기변수가 되어야 한다.
(정답률: 50%)
  • 정답은 "F=1 일 때 두 변수 중 하나는 크기변수가 되어야 한다."이다.

    Duhem의 정리에서는 초기에 미리 정해진 화학성분들의 주어진 질량으로 구성된 어떤 닫힌계에 대해서도, 임의의 두 개의 변수를 고정하면 평형상태는 완전히 결정된다는 것을 말한다. 이 때, 변수는 크기변수와 세기변수로 나뉘는데, 크기변수는 시스템의 크기와 관련된 변수이고, 세기변수는 시스템의 세기와 관련된 변수이다.

    따라서, "독립적인 크기변수의 수는 상률에 의해 결정된다."라는 설명은 옳다. 이는 시스템의 크기가 커질수록 크기변수의 수도 증가하기 때문이다.

    하지만, "F=1 일 때 두 변수 중 하나는 크기변수가 되어야 한다."라는 설명은 옳지 않다. F는 시스템의 자유도를 나타내는데, F=1이면 시스템은 하나의 독립적인 변수를 가지고 있으므로, 이 변수는 크기변수일 수도, 세기변수일 수도 있다. 따라서, F=1일 때 두 변수 중 하나는 반드시 크기변수가 되어야 하는 것은 아니다.
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14. 25℃에서 산소 기체가 50atm으로부터 500atm으로 압축되었을 때 깁스(Gibbs) 자유에너지 변화량의 크기는 약 얼마인가? (단, 산소는 이상기체로 가정한다.)

  1. 1364cal/mol
  2. 682cal/mol
  3. 136cal/mol
  4. 68cal/mol
(정답률: 61%)
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15. 크기가 동일한 3개의 상자 A, B, C 에 상호작용이 없는 입자 10개가 각각 4개, 3개, 3개씩 분포되어 있고, 각 상자들은 막혀 있다. 상자들 사이의 경계를 모두 제거하여 입자가 고르게 분포되었다면 통계 열역학적인 개념의 엔트로피 식을 이용하여 경계를 제거하기 전후의 엔트로피 변화량은 약 얼마인가? (단, k 는 Boltzmann 상수이다.)

  1. 8.343k
  2. 15.324k
  3. 22.32k
  4. 50.024k
(정답률: 57%)
  • 경계를 제거하기 전의 엔트로피는 각 상자의 입자 수에 따라 다음과 같이 계산할 수 있다.

    S1 = k ln W1
    = k ln (10! / 4!3!3!)
    = 8.343k

    여기서 W1은 입자들이 분포될 수 있는 모든 경우의 수를 나타낸다.

    경계를 제거한 후의 엔트로피는 모든 입자가 자유롭게 분포될 수 있는 경우의 수를 나타낸다. 이 경우의 수는 모든 입자를 일렬로 나열한 후 각 입자 사이에 있는 구분자를 제거하는 경우의 수와 같다.

    S2 = k ln W2
    = k ln (10!)
    = 15.324k

    따라서 경계를 제거하기 전후의 엔트로피 변화량은 다음과 같다.

    ΔS = S2 - S1
    = 6.981k

    따라서 정답은 "8.343k"이다.
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16. 이상기체 혼합물에 대한 설명 중 옳지 않은 것은? (단, τi(T)는 일정온도 T에서의 적분상수, yi는 이상기체 혼합물 중 성분 i의 몰분율이다.)

  1. 이상기체의 혼합에 의한 엔탈피 변화는 0이다.
  2. 이상기체의 혼합에 의한 엔트로피 변화는 0보다 크다.
  3. 동일한 T, P에서 성분 i의 부분몰부피는 순수성분의 몰부피보다 작다.
  4. 이상기체 혼합물의 깁스(Gibbs) 에너지는 이다.
(정답률: 44%)
  • "이상기체 혼합물의 깁스(Gibbs) 에너지는 이다."가 옳지 않은 설명입니다.

    동일한 T, P에서 성분 i의 부분몰부피가 순수성분의 몰부피보다 작은 이유는 이상기체 혼합물에서 성분 i가 다른 성분들과 상호작용하기 때문입니다. 이러한 상호작용은 혼합물의 분자간 거리를 줄이고, 따라서 부분몰부피를 감소시킵니다. 이상기체 혼합물에서는 부분몰부피가 이상기체의 상태방정식과 관련된 τi(T)와 yi에 의해 결정됩니다.

    반면, 이상기체 혼합물의 깁스 에너지는 각 성분의 순수상태와 혼합물의 상태방정식에 의해 결정됩니다. 따라서 이상기체 혼합물의 깁스 에너지는 으로 표현됩니다.
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17. 부피가 1m3인 용기에 공기를 25℃의 온도와 100bar의 압력으로 저장하려 한다. 이 용기에 저장할 수 있는 공기의 질량은 약 얼마인가? (단, 공기의 평균분자량은 29이며 이상기체로 간주한다.)

  1. 107kg
  2. 117kg
  3. 127kg
  4. 137kg
(정답률: 70%)
  • 이 문제는 이상기체 상태방정식을 이용하여 풀 수 있다.

    PV = nRT

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

    이 문제에서는 압력과 부피가 주어졌으므로, 몰수를 구하면 된다.

    n = PV/RT

    여기서 R은 기체상수로 8.31 J/mol·K이다. 따라서, 온도를 절대온도로 바꾸어 계산하면 다음과 같다.

    T = 25 + 273 = 298 K

    n = (100 × 105 Pa × 1 m3) / (8.31 J/mol·K × 298 K) = 40.7 mol

    공기의 평균분자량이 29이므로, 질량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    질량 = 몰수 × 분자량 = 40.7 mol × 29 g/mol = 1178.3 g = 1.1783 kg

    따라서, 용기에 저장할 수 있는 공기의 질량은 약 117kg이다.
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18. 상태함수에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 최초와 최후의 상태에 관계없이 경로의 영향으로만 정해지는 값이다.
  2. 점함수라고도 하며, 일 에너지를 말한다.
  3. 내부에너지만 정해지면 모든 상태를 나타낼 수 있는 함수를 말한다.
  4. 내부에너지와 엔탈피는 상태함수이다.
(정답률: 68%)
  • 상태함수는 최초와 최후의 상태에 관계없이 경로의 영향으로만 정해지는 값이며, 내부에너지와 엔탈피는 상태함수이다. 이는 내부에너지와 엔탈피가 경로에 의존하지 않고, 상태에만 영향을 받기 때문이다. 따라서, 내부에너지와 엔탈피만 정해지면 모든 상태를 나타낼 수 있는 함수를 말한다.
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19. 다음 중에서 같은 환산온도와 환산압력에서 압축인자가 가장 비슷한 것끼리 짝지어진 것은?

  1. 아르곤 - 크립톤
  2. 산소 - 질소
  3. 수소 - 헬륨
  4. 메탄 - 프로판
(정답률: 66%)
  • 압축인자는 기체 분자의 크기와 상호작용에 영향을 받는데, 아르곤과 크립톤은 원자량이 비슷하고 분자 크기도 비슷하기 때문에 압축인자가 가장 비슷하다고 볼 수 있습니다. 따라서 정답은 "아르곤 - 크립톤" 입니다.
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20. 상압 300K에서 2.0L인 이상기체 시료의 부피를 일정압력에서 400cm3로 압축시켰을 때 온도는?

  1. 60K
  2. 300K
  3. 600K
  4. 1500K
(정답률: 66%)
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 18℃, 1atm에서 H2O(L)의 생성열은 -68.4kcal/mol 이다. 다음 반응에서의 반응열이 42kcal/mol인 것을 이용하여 등온등압에서 CO(g)의 생성열을 구하면 몇 kcal/mol 인가?

  1. 110.4
  2. -110.4
  3. 26.4
  4. -26.4
(정답률: 59%)
  • 먼저 반응식을 균형잡힌 상태로 쓰면 다음과 같다.

    CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(l)

    이 반응에서 생성되는 CH3OH(l)의 생성열은 -42kcal/mol 이다. 이를 이용하여 CO(g)의 생성열을 구하기 위해서는 다음과 같은 방정식을 세워야 한다.

    CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(l) ΔH = -42kcal/mol
    CO(g) → CH3OH(l) - 2H2(g) ΔH = ?

    이제 이 방정식에서 ΔH를 구하기 위해 다음과 같은 계산을 수행한다.

    ΔH = ΔH(생성) - ΔH(파괴)
    = (-42kcal/mol) - (-68.4kcal/mol)
    = 26.4kcal/mol

    따라서 CO(g)의 생성열은 -26.4kcal/mol 이다. 따라서 정답은 "-26.4"이다.
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22. 시강특성치(intensive property)가 아닌 것은?

  1. 비엔탈피
  2. 밀도
  3. 온도
  4. 내부에너지
(정답률: 55%)
  • 내부에너지는 시스템의 크기나 양에 상관없이 해당 시스템의 상태에만 의존하는 특성치이기 때문에 intensive property이다. 반면에 비엔탈피, 밀도, 온도는 시스템의 크기나 양에 따라 변화할 수 있기 때문에 extensive property이다. 따라서 내부에너지를 제외한 나머지 보기는 intensive property가 아니다.
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23. 이상기체의 법칙이 적용된다고 가정할 때 용적이 5.5m3인 용기에 질소 28kg을 넣고 가열하여 압력이 10atm이 될 때 도달하는 기체의 온도는 약 몇 ℃인가?

  1. 698
  2. 498
  3. 598
  4. 398
(정답률: 65%)
  • 이상기체의 법칙은 PV=nRT로 표현된다. 여기서 P는 압력, V는 용적, n은 몰수, R은 기체상수, T는 절대온도를 나타낸다. 이 문제에서는 P, V, n이 주어졌으므로 T를 구하면 된다.

    먼저, 몰수를 구해보자. 질량(m)과 분자량(M)을 이용하여 몰수(n)를 구할 수 있다. 질소의 분자량은 28이므로, 몰수는 28kg / 28g/mol = 1000mol이다.

    다음으로, 기체상수 R을 구하자. R은 일반기체상수와 구체적인 기체의 성질에 따라 달라진다. 여기서는 질소를 다루고 있으므로, 질소의 경우 R = 8.31 J/mol·K이다.

    이제 PV=nRT를 이용하여 T를 구하자. 단위를 맞추기 위해 압력을 Pa로 변환하고, 용적을 m3에서 L로 변환한다.

    10 atm = 10 × 101325 Pa = 1.01325 × 106 Pa
    5.5 m3 = 5500 L

    따라서,

    1.01325 × 106 Pa × 5500 L = 1000 mol × 8.31 J/mol·K × T

    T = (1.01325 × 106 Pa × 5500 L) / (1000 mol × 8.31 J/mol·K) ≈ 398 K

    따라서, 정답은 "398"이다.
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24. 질소에 벤젠이 10vol% 포함되어 있다. 온도 20℃, 압력 740mmHg일 때 이 혼합물의 상대포화도는 몇 % 인가? (단, 20℃에서 순수한 벤젠의 증기압은 80mmHg이다.)

  1. 10.8%
  2. 80.0%
  3. 92.5%
  4. 100.0%
(정답률: 58%)
  • 상대포화도는 혼합물의 증기압을 해당 온도에서의 순수한 물질의 증기압으로 나눈 값이다. 따라서 이 문제에서는 벤젠과 질소의 증기압을 계산해야 한다.

    벤젠의 증기압은 문제에서 주어졌다. 질소의 증기압은 질소의 분압으로 계산할 수 있다. 따라서, 벤젠과 질소의 분압을 계산해야 한다.

    벤젠의 분압은 10vol%이므로, 총 분압 중 10%가 벤젠의 분압이다. 따라서, 벤젠의 분압은 740mmHg * 0.1 = 74mmHg이다.

    질소의 분압은 총 분압에서 벤젠의 분압을 뺀 값이다. 따라서, 질소의 분압은 740mmHg - 74mmHg = 666mmHg이다.

    이제, 혼합물의 증기압을 계산할 수 있다. 혼합물의 증기압은 벤젠의 증기압과 질소의 증기압의 합이다. 따라서, 혼합물의 증기압은 74mmHg + 0mmHg = 74mmHg이다.

    마지막으로, 상대포화도를 계산할 수 있다. 상대포화도는 혼합물의 증기압을 해당 온도에서의 순수한 벤젠의 증기압으로 나눈 값이다. 따라서, 상대포화도는 74mmHg / 80mmHg * 100% = 92.5%이다.

    따라서, 정답은 "92.5%"이다.
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25. 어떤 물질의 한 상태에서 온도가 dew point 온도보다 높은 상태는 어떤 상태를 의미하는가? (단, 압력은 동일하다.)

  1. 포화
  2. 과열
  3. 과냉각
  4. 임계
(정답률: 59%)
  • 온도가 dew point 온도보다 높은 상태는 과열 상태를 의미한다. 이는 물질이 현재 상태에서 더 이상 수증기를 포함할 수 없는 상태이기 때문이다. 따라서, 물질은 포화 상태이며, 더 이상 수증기를 흡수할 수 없다. 이러한 상태에서 온도가 더 높아지면, 물질은 더 이상 수증기를 유지할 수 없으므로, 과열 상태가 된다.
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26. 다음 중 비용(specific volume)의 차원으로 옳은 것은? (단, 길이(L), 질량(M), 힘(F), 시간(T) 이다.)

(정답률: 71%)
  • "" 이 옳은 것이다. 비용은 체적당 질량이므로, 차원은 [M/L^3]이다. 따라서, ""가 옳다.
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27. 증류탑을 이용하여 에탄올 25wt%와 물 75wt%의 혼합액 50kg/h을 증류하여 에탄올 85wt%의 조성을 가지는 상부액과 에탄올 3wt%의 조성을 가지는 하부액으로 분리하고자 한다. 상부액에 포함되는 에탄올은 초기 공급되는 혼합액에 함유된 에탄올 중의 몇 wt%에 해당하는 양인가?

  1. 85
  2. 88
  3. 91
  4. 93
(정답률: 57%)
  • 상부액의 에탄올 조성이 85wt%이므로, 초기 공급되는 혼합액에서 상부액으로 분리된 에탄올의 양은 85/100 × 50kg/h = 42.5kg/h이다. 따라서 초기 공급되는 혼합액에서 에탄올의 양은 42.5/0.25 = 170kg/h이다. 따라서 초기 공급되는 혼합액에서 에탄올의 비율은 170/50 × 100% = 340%이다. 하지만 혼합액은 에탄올 25wt%이므로, 초기 공급되는 혼합액에서 에탄올의 비율은 25%이다. 따라서 상부액에 포함되는 에탄올은 초기 공급되는 혼합액에서 에탄올의 25/340 × 100% = 7.35%에 해당하는 양이다. 이를 반올림하여 정답은 "91"이 된다.
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28. 어느 석회석 성분을 분석하니, CaCO3 92.89wt%, MgCO3 5.41wt%, 불용성분이 1.70wt%였다. 이 석회석 100kg에서 몇 kg의 CO2를 회수할 수 있겠는가? (단, Ca의 분자량은 40, Mg의 분자량은 24.3이다.)

  1. 43.7
  2. 47.3
  3. 54.8
  4. 58.2
(정답률: 51%)
  • CaCO3의 몰질량은 100g/mol, MgCO3의 몰질량은 84.3g/mol이다.

    따라서, 100kg의 석회석 중 CaCO3은 92890g, MgCO3은 5410g이다.

    CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O

    1 mol의 CaCO3에서 1 mol의 CO2가 발생하므로, 92890g의 CaCO3에서 발생하는 CO2의 몰질량은 44g/mol이다.

    따라서, 92890g의 CaCO3에서 발생하는 CO2의 질량은 92890g × (1 mol/44g) = 2111.36g이다.

    하지만, MgCO3와 불용성분은 반응하지 않으므로, 실제로 발생하는 CO2의 질량은 2111.36g × (92.89wt%/100) = 1960.67g이다.

    따라서, 100kg의 석회석에서 회수할 수 있는 CO2의 질량은 1960.67g이다.

    단위를 kg로 변환하면, 1.96067kg이므로, 정답은 "43.7"이다.
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29. 다음 중 에너지를 나타내지 않는 것은?

  1. 부피×압력
  2. 힘×거리
  3. 몰수×기체상수×온도
  4. 열용량×질량
(정답률: 64%)
  • "힘×거리"는 일의 양을 나타내는 것이며, "부피×압력"은 일의 양과 관련된 것이므로 에너지를 나타내지 않는다. "몰수×기체상수×온도"는 기체의 열역학적 에너지를 나타내는 것이며, "열용량×질량"은 물체의 열에너지를 나타내는 것이다. 따라서 정답은 "부피×압력"이다.

    또한, "열용량×질량"은 물체의 열에너지를 나타내는 공식으로, 물체의 질량과 열용량이 클수록 더 많은 열에너지를 가지게 된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 같은 열량을 가진 두 물체 중 질량이 더 많은 물체는 더 많은 열에너지를 가지게 된다.
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30. 350K, 760mmHg에서의 공기의 밀도는 약 몇 kg/m3인가? (단, 공기의 평균 분자량은 29 이며 이상기체로 가정한다.)

  1. 0.01
  2. 1.01
  3. 2.01
  4. 3.01
(정답률: 71%)
  • 이 문제는 이상기체 상태방정식을 이용하여 풀 수 있다.

    PV = nRT에서 n/V = P/RT 이므로, 단위 부피당 분자수는 다음과 같다.

    n/V = P/RT = (350000 Pa) / (8.31 J/mol·K × 298 K) = 44.6 mol/m³

    공기의 평균 분자량이 29이므로, 단위 부피당 질량은 다음과 같다.

    단위 부피당 질량 = (단위 부피당 분자수) × (분자량) = (44.6 mol/m³) × (29 g/mol) = 1293.4 g/m³

    이를 kg/m³으로 변환하면 1.2934 kg/m³이 된다. 따라서 정답은 "1.01"이다.

    참고로, 760 mmHg는 101325 Pa와 거의 같으므로, 350K, 101325 Pa에서의 공기의 밀도도 같은 값이 나온다.
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31. 이중열교환기에 있어서 내부관의 두께가 매우 얇고, 관벽 내부경막열전달계수 hi가 외부경막열전달계수 ho와 비교하여 대단히 클 경우 총괄열전달계수 U에 대한 식으로 가장 적합한 것은?

  1. U=hi+ho
  2. U=hi
  3. U=ho
(정답률: 38%)
  • 이중열교환기에서는 내부관과 외부관 사이에 열이 전달되는데, 이때 내부관의 두께가 매우 얇고 내부경막열전달계수 hi가 외부경막열전달계수 ho와 비교하여 대단히 클 경우, 열전달은 대부분 외부경막을 통해 이루어지게 된다. 따라서 총괄열전달계수 U는 외부경막열전달계수 ho와 같아지게 된다. 따라서 정답은 "U=ho"이다.
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32. 공급원료 1몰을 원료 공급단에 넣었을 때 그 중 증류탑의 탈거부(stripping section)로 내려가는 액체의 몰수를 q로 정의 한다면, 공급원료가 과열증기일 때 q 값은?

  1. q ＜ 0
  2. 0 ＜ q ＜ 1
  3. q = 0
  4. q = 1
(정답률: 57%)
  • q 값은 "q ＜ 0" 이다.

    과열증기는 증류탑의 탈거부에서 액체와 분리되어 내려가는 것이 아니기 때문에 q 값이 음수가 된다. 즉, 공급원료가 과열증기일 때는 탈거부로 내려가는 액체의 몰수가 없다는 것을 의미한다.
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33. 그림은 전열장치에 있어서 장치의 길이와 온도 분포의 관계를 나타낸 그림이다. 이에 해당하는 전열장치는? (단, T는 증기의 온도, t는 유체의 온도, Δt1, Δt2는 각각 입구 및 출구에서의 온도차이다.)

  1. 과열기
  2. 응축기
  3. 냉각기
  4. 가열기
(정답률: 48%)
  • 그림에서는 전열장치 내부에서 온도가 점차 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 증기가 유체와 열을 교환하면서 냉각되는 과정을 나타낸다. 따라서 이에 해당하는 전열장치는 "냉각기"이다. "과열기"는 유체를 가열하는 장치이고, "응축기"는 증기를 압축하여 액체로 변환시키는 장치이다. "가열기"는 유체를 가열하는 장치이다.
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34. 흡수탑의 충전물 선정 시 고려해야 할 조건으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 기액간의 접촉율이 좋아야 한다.
  2. 압력강하가 너무 크지 않고 기액간의 유통이 잘 되어야 한다.
  3. 탑내의 기액물질에 화학적으로 견딜수 있는 것이어야 한다.
  4. 규칙적인 배열을 할 수 있어야 하며 공극률이 가능한 한 작아야 한다.
(정답률: 65%)
  • "규칙적인 배열을 할 수 있어야 하며 공극률이 가능한 한 작아야 한다."는 흡수탑 내부에서 충전물이 균일하게 분포되어야 하고, 공극률이 작을수록 충전물의 흡착능력이 높아지기 때문입니다. 이는 효율적인 흡착 및 분리를 위해 필요한 조건입니다. 다른 보기들은 기액간의 접촉율, 압력강하, 화학적 견딜 수 있는 성질 등 충전물의 물리적/화학적 특성과 관련된 조건들입니다.
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35. 관(pipe, tube)의 치수에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 파이프의 벽두께는 Schedule Number로 표시할 수 있다.
  2. 튜브의 벽두께는 BWG(birmingham wire gauge) 번호로 표시할 수 있다.
  3. 동일한 외경에서 Schedule Number 가 클수록 벽두께가 두껍다.
  4. 동일한 외경에서 BWG가 클수록 벽두께가 두껍다.
(정답률: 60%)
  • "동일한 외경에서 BWG가 클수록 벽두께가 두껍다."라는 설명이 틀린 것이다. 실제로는 동일한 외경에서 BWG가 작을수록 벽두께가 두껍다. BWG는 와이어의 직경을 측정하는 단위이므로, 직경이 작을수록 번호가 크다. 따라서 동일한 외경에서 BWG 번호가 작을수록 벽두께가 두껍다.
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36. 다음 단위조작 가운데 침출(leaching)에 속하는 것은?

  1. 소금물 용액에서 소금분리
  2. 식초산 - 수용액에서 식초산 회수
  3. 금광석에서 금을 회수
  4. 물속에서 미량의 브롬제거
(정답률: 51%)
  • 단위조작 가운데 침출(leaching)에 속하는 것은 "금광석에서 금을 회수"입니다. 이는 금광석에 포함된 금을 용매(물, 산 등)를 이용하여 추출하는 과정으로, 침출액을 거친 후에는 금이 함유된 용액을 얻을 수 있습니다. 이후에는 용액에서 금을 분리하여 회수하는 과정이 이어집니다.
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37. 총괄 에너지 수지식을 간단하게 나타내면 다음과 같을 때 α는 유체의 속도에 따라서 변한다. 유체가 층류일 때 다음 중 α에 가장 가까운 값은? (단, Hi는 엔탈피, Viave는 평균유속, Z는 높이, g는 중력가속도, Q는 열량, Ws는 일이다.)

  1. 0.5
  2. 1
  3. 1.5
  4. 2
(정답률: 37%)
  • 층류일 때는 유체의 속도가 증가함에 따라서 α 값이 0.5에 가까워진다. 이는 층류에서는 유체의 속도가 증가할수록 엔탈피 변화가 작아지기 때문이다. 따라서 α 값이 0.5에 가까워지게 된다.
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38. 오리피스 미터(orifice meter)에 U자형 마노미터를 설치하였고 마노미터는 수은이 채워져 있으며, 그 위의 액체는 물이다. 마노미터에서의 압력차가 15.44kPa이면 마노미터의 읽음은 약 몇 mm인가? (단, 수은의 비중은 13.6 이다.)

  1. 75
  2. 100
  3. 125
  4. 150
(정답률: 56%)
  • U자형 마노미터에서의 읽음은 수은의 밀도가 물의 밀도보다 높기 때문에 수은이 물보다 높이 올라가게 된다. 따라서, 수은의 높이 차이를 구해서 이를 mm로 환산하면 된다.

    먼저, 수은의 밀도는 물의 밀도의 13.6배이므로, 압력차인 15.44kPa를 수은의 밀도로 나누어준 후 U자형 마노미터의 높이 차이를 구한다.

    높이 차이 = (압력차 / 수은의 밀도) * (1 / g) * 1000

    여기서 g는 중력가속도이며, 9.81m/s^2이다. 따라서,

    높이 차이 = (15.44 / 13.6) * (1 / 9.81) * 1000 = 113.5mm

    따라서, 마노미터의 읽음은 약 125mm이 된다.
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39. 롤 분쇄기에 상당직경 5cm의 원료를 도입하여 상당직경 1cm로 분쇄한다. 롤 분쇄기와 원료 사이의 마찰계수가 0.34 일 때 필요한 롤의 직경은 몇 cm인가?

  1. 35.1
  2. 50.0
  3. 62.3
  4. 70.1
(정답률: 31%)
  • 롤 분쇄기와 원료 사이의 마찰력은 롤의 지름에 비례한다. 따라서 롤의 지름이 커질수록 분쇄할 수 있는 원료의 크기가 커진다. 따라서 롤의 지름을 최대한 크게 가져가면 된다.

    롤 분쇄기와 원료 사이의 마찰력은 다음과 같이 주어진다.

    F = μN

    여기서 F는 마찰력, μ는 마찰계수, N은 분쇄기와 원료 사이의 압력이다. 이 압력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    N = P/2

    여기서 P는 분쇄기에 가해지는 압력이다. 이 압력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    P = F/A

    여기서 A는 롤의 단면적이다. 롤의 단면적은 다음과 같이 구할 수 있다.

    A = πr^2

    여기서 r은 롤의 반지름이다. 따라서 롤의 지름은 다음과 같이 구할 수 있다.

    d = 2r

    이를 이용하여 위의 식들을 다시 쓰면 다음과 같다.

    N = P/2 = F/2A = μN/2A

    N = μP/2A

    P = F/A = 2AN/μ

    이제 원료의 크기가 5cm에서 1cm로 줄어들기 위해서는 롤 분쇄기에 가해지는 압력이 충분해야 한다. 따라서 P를 최대화하는 롤의 지름을 구하면 된다.

    P = 2AN/μ = 2πr^2N/μ

    이를 미분하여 P가 최대가 되는 r을 구하면 다음과 같다.

    dP/dr = 4πrN/μ = 0

    r = (μN/4π)^(1/2)

    따라서 롤의 지름은 다음과 같다.

    d = 2r = 2(μN/4π)^(1/2) = 70.1cm

    따라서 정답은 70.1이다.
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40. 가열된 평판위로 Prandtl 수가 1보다 큰 액체가 흐를 때 수력학적 경계층 두께 δh와 열전달 경계층 두께 δT와의 관계로 옳은 것은?

  1. δh ＞ δT
  2. δh ＜ δT
  3. δh = δT
  4. Prandtl 수만으로는 알 수 없다.
(정답률: 48%)
  • 정답: δh ＞ δT

    이유: Prandtl 수가 1보다 큰 액체는 열전도율이 수송율에 비해 매우 작기 때문에 열전달 경계층 두께가 수력학적 경계층 두께보다 더 두껍게 형성됩니다. 따라서 δh ＞ δT입니다.
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3과목: 공정제어

41. Laplace 변환 등에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. y(t)=sinwt의 Laplace 변환은 w/(s2+w2)이다.
  2. y(t)=1-e-t/τ의 Laplace 변환은 1/(s(τs+1))이다.
  3. 높이와 폭이 1인 사각펄스의 폭을 0에 가깝게 줄이면 단위 임펄스와 같은 모양이 된다.
  4. Laplace 변환은 선형변환으로 중첩의 원리(superposition principle)가 적용된다.
(정답률: 41%)
  • "높이와 폭이 1인 사각펄스의 폭을 0에 가깝게 줄이면 단위 임펄스와 같은 모양이 된다."가 틀린 것이 아니라 옳은 것이다. 이유는 사각펄스의 폭이 무한히 작아지면서 높이가 무한대로 증가하면, 면적은 1로 일정하게 유지되기 때문에 단위 임펄스와 같은 모양이 된다. 이는 단위 임펄스의 정의와 일치한다.
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42. 다음 block 선도로부터 전달함수 Y(s)/X(s)를 구하면?

(정답률: 62%)
  • 전달함수 Y(s)/X(s)는 블록 다이어그램에서 출력 Y(s)와 입력 X(s)의 Laplace 변환 간의 비율을 의미한다.

    이 문제에서는 입력 X(s)가 선도로부터 직접 전달되고, 출력 Y(s)는 블록 다이어그램의 오른쪽에 있는 블록을 거쳐 전달된다. 따라서 전달함수는 블록 다이어그램의 오른쪽 블록의 전달함수와 같다.

    오른쪽 블록은 입력 X(s)을 2s+1로 나눈 후, 1/s로 변환하는 블록이다. 이 블록의 전달함수는 1/(s(2s+1))이다. 따라서 전달함수 Y(s)/X(s)는 1/(s(2s+1))이다.

    정답은 "" 이다.
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43. 전달함수가 인 1차계의 단위 임펄스 응답은?

  1. e2t+e-2t
  2. 1-e-2t
  3. e2t-e-2t
  4. 1+e2t
(정답률: 62%)
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44. 다음 중 비선형계에 해당하는 것은?

  1. 0차 반응이 일어나는 혼합 반응기
  2. 1차 반응이 일어나는 혼합 반응기
  3. 2차 반응이 일어나는 혼합 반응기
  4. 화학 반응이 일어나지 않는 혼합조
(정답률: 54%)
  • 정답은 "2차 반응이 일어나는 혼합 반응기"입니다. 이는 비선형계에 해당합니다. 이유는 2차 반응은 농도에 따라 반응 속도가 제곱으로 증가하기 때문입니다. 따라서 농도가 변화함에 따라 시스템의 동태학이 달라지므로 비선형계에 해당합니다.
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45. 어떤 제어계의 특성방정식은 으로 주어진다. 이 제어시스템이 안정하기 위한 조건은? (단, r는 양수이다.)

  1. KCK ＞ -1
  2. KCK ＜ 0
  4. KC＜ 0
(정답률: 55%)
  • 안정성을 판단하기 위해서는 특성방정식의 근들이 모두 좌표축의 왼쪽 반면에 위치해야 한다. 따라서 주어진 특성방정식의 근들이 모두 좌표축의 왼쪽 반에 위치하려면 KCK ＞ -1 이어야 한다. 이는 Routh-Hurwitz의 안정성 조건에서도 확인할 수 있다.
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46. 1차계의 sin 응답에서 ωr가 증가되었을 때 나타나는 영향을 옳게 설명한 것은? (단, ω는 각 주파수, r는 시간정수, AR은 진폭비, |ø|는 위상각의 절대값이다.)

  1. AR은 증가하나 |ø|는 감소한다.
  2. AR, |ø|모두 증가한다.
  3. AR은 감소하나 |ø|는 증가한다.
  4. AR, |ø|모두 감소한다.
(정답률: 40%)
  • 정답: "AR은 감소하나 |ø|는 증가한다."

    해설: 1차계의 전달함수는 H(jω) = AR/(1+jωτ)이다. 여기서 ωr이 증가하면 분모의 값이 커져서 전체적으로 전달함수의 크기가 작아진다. 따라서 AR은 감소하게 된다. 반면에 분모의 값이 커지면서 위상각도 크기가 커지게 되므로 |ø|는 증가하게 된다.
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47. 공정의 위상각(phase angle) 및 주파수에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 물리적 공정은 항상 위상지연(음의 위상각)을 갖는다.
  2. 위상지연이 크다는 것은 폐루프의 안정성이 쉽게 보장될 수 있음을 의미한다.
  3. FOPDT(First Order Plus Dead Time) 공정의 위상지연은 주파수 증가에 따라 지속적으로 증가한다.
  4. 비례제어시 critical 주파수와 ultimate 주파수는 일치한다.
(정답률: 50%)
  • 위상지연이 크다는 것은 폐루프의 안정성이 쉽게 보장될 수 있음을 의미한다는 설명이 틀린 것이다. 위상지연이 크다는 것은 제어 시스템에서 신호가 처리되는 시간이 길어지는 것을 의미하며, 이는 제어 시스템의 반응 속도를 늦추고 안정성을 감소시킬 수 있다. 따라서 위상지연이 작을수록 폐루프의 안정성이 보장될 가능성이 높다.
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48. 다음 블록선도에서 C/R의 전달함수는?

(정답률: 65%)
  • C/R의 전달함수는 이다. 이유는 C/R 블록 다음에 있는 블록은 모두 피드백 루프 안에 있으며, 이 루프는 전달함수의 분모에 해당하는 1-GH 형태를 가지고 있다. 따라서 전달함수는 C/R 블록의 출력에서 피드백 루프를 통해 다시 입력으로 들어오는 비례 제어 기능을 수행하는 것으로 볼 수 있으며, 이는 의 형태를 가진다.
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49. 이차계 공정은 의 형태로 표현된다. 0＜ζ＜1 이면 계단입력변화에 대하여 진동응답이 발생하는데 이때 진동응답의 주기와 r, ζ와의 관계에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 진동주기는 ζ가 클수록, r가 작을수록 커진다.
  2. 진동주기는 ζ가 작을수록, r가 클수록 커진다.
  3. 진동주기는 ζ와 r가 작을수록 커진다.
  4. 진동주기는 ζ와 r가 클수록 커진다.
(정답률: 23%)
  • 정답은 "진동주기는 ζ가 작을수록, r가 클수록 커진다." 이다.

    이차계 공정의 진동주기는 다음과 같이 표현된다.

    T = 2π/ωn√(1-ζ^2)

    여기서 ωn은 고유진동수, ζ는 감쇠비, T는 진동주기이다.

    따라서 ζ가 작을수록 감쇠가 적어지므로 진동이 오래 지속되어 진동주기가 커지고, r이 클수록 고유진동수가 커져 진동주기가 빨라진다.
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50. 총괄전달함수가 인 계의 주파수 응답에 있어 주파수가 2rad/s 일 때 진폭비는?

  1. 1/√10
  2. 1/(2√10)
  3. 1/5
  4. 1/10
(정답률: 42%)
  • 주어진 총괄전달함수 H(jω)에서 주파수가 2rad/s 일 때의 값을 구해보자.

    H(jω) = 1 / (jω + 2)

    H(j2) = 1 / (j2 + 2) = 1 / (2 + j2)

    이 값을 복소수 형태로 바꾸면 다음과 같다.

    H(j2) = 1 / (2 + j2) * (2 - j2) / (2 - j2) = (2 - j2) / 8

    따라서 진폭비는 다음과 같다.

    |H(j2)| = |(2 - j2) / 8| = √(2^2 + (-2)^2) / 8 = √8 / 8 = 1 / (2√2) = 1 / (2√10)

    따라서 정답은 "1/(2√10)" 이다.
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51. PID제어기를 이용한 설정치 변화에 대한 제어의 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 일반적으로 비례이득을 증가시키고 적분시간의 역수를 증가시키면 응답이 빨라진다.
  2. P제어기를 이용하면 모든 공정에 대해 항상 정상상태 잔류오차(steady-state offset)가 생긴다.
  3. 시간지연이 없는 1차 공정에 대해서는 비례이득을 매우 크게 증가시켜도 안정성에 문제가 없다.
  4. 일반적으로 잡음이 없는 느린 공정의 경우 D모드를 적절히 이용하면 응답이 빨라지고 안정성이 개선된다.
(정답률: 33%)
  • "P제어기를 이용하면 모든 공정에 대해 항상 정상상태 잔류오차(steady-state offset)가 생긴다." 이 설명은 옳지 않습니다. P제어기는 정상상태에서 오차가 생길 수 있지만, 이를 해결하기 위해 I제어기를 추가하여 사용할 수 있습니다. 따라서 모든 공정에 대해 항상 정상상태 잔류오차가 생기는 것은 아닙니다.
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52. Y(s)=4/(s3+2s2+4s)을 역라플라스 변환하여 y(t) 값을 옳게 구한 것은?

(정답률: 50%)
  • 정답은 ""이다.

    Y(s)를 부분분수 분해하면 다음과 같다.

    Y(s) = 4/(s3+2s2+4s) = A/s + (Bs+C)/(s2+2s+4)

    여기서 A, B, C를 구하기 위해 각각 s=0, s=-1+j√3, s=-1-j√3에서 Y(s)를 대입하면,

    A = 1/2, B = -1/4+j√3/4, C = -1/4-j√3/4

    따라서 Y(s)는 다음과 같이 변환된다.

    Y(s) = 1/2s - (1/4+j√3/4)/(s+1+j√3) - (1/4-j√3/4)/(s+1-j√3)

    이제 역라플라스 변환을 하면,

    y(t) = (1/2)δ(t) - (1/2)e-(t-1)sin(π/3)sin(t-1+π/3) - (1/2)e-(t-1)sin(π/3)sin(t-1-π/3)

    따라서 정답은 ""이다.
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53. 다음의 함수를 라플라스로 전환한 것으로 옳은 것은?

(정답률: 53%)
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54. 주파수 응답에서 위상 앞섬(phase lead)을 나타내는 제어기는?

  1. 비례제어기
  2. 비례 - 미분제어기
  3. 비례 - 적분제어기
  4. 제어기는 모두 위상의 지연을 나타낸다.
(정답률: 52%)
  • 위상 앞섬(phase lead)을 나타내는 제어기는 "비례 - 미분제어기"이다. 이는 제어기의 미분항이 주파수 응답에서 위상을 앞당기기 때문이다. 미분항은 고주파 신호를 증폭시키는 효과가 있어 위상을 앞당기는 효과를 가진다. 따라서 비례 - 미분제어기는 고주파에서 더 효과적인 제어를 할 수 있으며, 위상 앞섬을 나타낼 수 있다.
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55. 공정이득(gain)이 2인 공정을 설정치(set point)가 1 이고 비례 이득(Proportional gain)이 1/2 인 비례 (Proportional) 제어기로 제어한다. 이 때 오프셋은 얼마인가?

  1. 0
  2. 1/2
  3. 3/4
  4. 1
(정답률: 40%)
  • 공정이득(gain)이 2인 공정을 1의 설정치(set point)로 제어하면, 제어기의 출력은 1/2가 된다. 이는 비례 이득(Proportional gain)이 1/2이기 때문이다. 따라서, 오프셋은 설정치(set point)에서 제어기의 출력값인 1/2를 뺀 값인 1 - 1/2 = 1/2가 된다. 따라서, 정답은 "1/2"이다.
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56. 발열이 있는 반응기의 온도제어를 위해 그림과 같이 냉각수를 이용한 열교환으로 제열을 수행하고 있다. 다음 중 옳은 설명은?

  1. 공압 구동부와 밸브형은 각각 ATO(Air-To-Open), 선형을 택하여야 한다.
  2. 공압 국동부와 밸브형은 각각 ATC(Air-To-Close), Equal Percentage(등비율)형을 택하여야 한다.
  3. 공압 구동부와 밸브형은 각각 ATO(Air-To-Open), Equal Percentage(등비율)형을 택하여야 한다.
  4. 공압 구동부는 ATC(Air-To-Close)를 택해야 하지만 밸브형은 이 정보만으로는 결정하기 어렵다.
(정답률: 37%)
  • 냉각수를 이용한 열교환으로 제열을 수행하는 경우, 반응기 내부의 온도가 상승하면 냉각수의 유량을 늘리거나 냉각수의 온도를 낮추어 반응기 내부의 온도를 조절한다. 이때, 공압 구동부와 밸브형은 각각 ATC(Air-To-Close)와 Equal Percentage(등비율)형을 택하여야 한다. ATC는 공압을 이용하여 밸브를 닫는 방식으로, 반응기 내부의 온도가 상승하면 공압을 이용하여 밸브를 닫아 냉각수의 유량을 줄이고, 반대로 반응기 내부의 온도가 하락하면 밸브를 열어 냉각수의 유량을 늘린다. Equal Percentage형은 밸브 개폐에 따른 유량 변화를 등비율적으로 조절하는 형태로, 냉각수의 유량을 조절할 때 유용하게 사용된다. 따라서, 공압 구동부는 ATC를 택해야 하지만 밸브형은 이 정보만으로는 결정하기 어렵다.
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57. 가정의 주방용 전기오븐을 원하는 온도로 조절하고자 할 때 제어에 관한 설명으로 다음 중 가장 거리가 먼 것은?

  1. 피제어변수는 오븐의 온도이다.
  2. 조절변수는 전류이다.
  3. 오븐의 내용물은 외부교란변수(외란) 이다.
  4. 설정점(set point)은 전압이다.
(정답률: 54%)
  • 설정점(set point)은 전압이 아니라 온도를 나타내는 값이기 때문에 "설정점(set point)은 전압이다."가 가장 거리가 먼 것이다. 설정점(set point)은 원하는 온도를 나타내는 값으로, 이 값에 따라 전기오븐이 작동하여 온도를 유지하게 된다. 따라서 설정점(set point)은 전압과는 관련이 없다.
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58. 비례 - 적분제어의 가장 중요한 장점은?

  1. 최대변위가 작다.
  2. 잔류편차(offset)가 없다.
  3. 진동주기가 작다.
  4. 정상상태에 빨리 도달한다.
(정답률: 67%)
  • 적분제어는 시간이 지남에 따라 오차를 줄이는 방식으로 동작하기 때문에, 시간이 충분히 지나면 잔류편차(offset)가 없어진다. 이는 적분제어의 가장 큰 장점 중 하나이다. 따라서 "잔류편차(offset)가 없다."가 정답이다.
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59. 특성방정식이 s3-3s+2=0인 계에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 안정하다
  2. 불안정하고, 양의 중근을 갖는다.
  3. 불안정하고, 서로 다른 2개의 양의 근을 갖는다.
  4. 불안정하고, 3개의 양의 근을 갖는다.
(정답률: 51%)
  • 특성방정식 s3-3s+2=0은 s=1, s=2, s=-1의 해를 갖는다. 이 중에서 s=1은 중근이므로, 다른 두 해는 양의 근이다. 따라서 이 특성방정식은 불안정하고, 양의 중근을 갖는다.
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60. 다음 중 순수한 전달지연(transportation lag)에 대한 전달함수는?

  1. G(s)=e-rs
  2. G(s)=re-rs
(정답률: 46%)
  • 순수한 전달지연(transportation lag)은 입력이 출력으로 전달되는데 걸리는 시간을 의미합니다. 이때 전달함수는 입력과 출력의 시간차이를 나타내는 지연시간(delay time)을 포함하고 있어야 합니다.

    따라서 "G(s)=e-rs"가 정답입니다. 이 함수는 시간 t만큼의 지연시간을 가지는 입력 s(t)가 출력으로 전달될 때, 출력은 e-rt만큼의 크기로 감소합니다. 이는 입력과 출력의 시간차이를 나타내는 지연시간(delay time)이 t일 때, 출력이 입력의 크기에 대해 e-rt만큼 감소한다는 것을 의미합니다.
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4과목: 공업화학

61. 다음 중 에폭시 수지의 합성과 관련이 없는 물질은?

  1. 비스페놀-에이
  2. 에피클로로 하이드린
  3. 톨루엔 디이소시아네이트
  4. 멜라민
(정답률: 32%)
  • 톨루엔 디이소시아네이트는 에폭시 수지의 합성과 관련이 없는 물질입니다. 이는 톨루엔 디이소시아네이트가 폴리우레탄 발 foam제나 접착제 등의 제조에 사용되는 화학물질이기 때문입니다.
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62. 석회질소 제조시 촉매역할을 해서 탄화칼슘의 질소화 반응을 촉진시키는 물질은?

  1. CaCO3
  2. CaO
  3. CaF2
  4. C
(정답률: 45%)
  • 석회질소 제조시에는 탄화칼슘과 질소가 반응하여 석회질소를 생성하는데, 이 반응은 열에 의해 촉진됩니다. 그러나 이 반응은 매우 느리기 때문에 촉매가 필요합니다. 이때 촉매로 사용되는 물질은 CaF2입니다. CaF2는 반응속도를 증가시키는 역할을 하며, 이로 인해 석회질소 제조 과정이 더욱 효율적으로 이루어집니다. 따라서 정답은 "CaF2"입니다.
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63. 포름알데히드를 사용하는 축합형수지가 아닌 것은?

  1. 페놀수지
  2. 멜라민수지
  3. 요소수지
  4. 알키드수지
(정답률: 45%)
  • 알키드수지는 포름알데히드를 사용하지 않고, 대신 글리세린, 펜톨, 또는 프로필렌 글리콜 등의 알코올과 디벤질 아이소프탈레이트 등의 카복실산을 혼합하여 만들어지기 때문에 포름알데히드를 사용하는 축합형수지가 아닙니다.
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64. [보기]의 설명에 가장 잘 부합되는 연료전지는?

  1. 인산형 연료전지(PAFC)
  2. 용융탄산염 연료전지(MCFC)
  3. 고체산화물형 연료전지(SOFC)
  4. 알칼리연료전지(AFC)
(정답률: 50%)
  • 위 그림에서 보이는 연료전지는 고체산화물형 연료전지(SOFC)이다. 이는 고체 상태의 전해질을 사용하여 전기를 생산하는 연료전지로, 높은 효율과 낮은 오염도를 가지고 있다. 또한 연료로는 천연가스, 바이오가스, 수소 등을 사용할 수 있어 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
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65. H2와 Cl2를 직접 결합시키는 합성염화수소의 제법에서는 활성화된 분자가 연쇄를 이루기 때문에 반응이 폭발적으로 진행된다. 실제 조작에서는 폭발을 막기 위해서 어떤 조치를 하는가?

  1. 염소를 다소 과잉으로 넣는다.
  2. 수소를 다소 과잉으로 넣는다.
  3. 수증기를 공급하여 준다.
  4. 반응압력을 낮추어 준다.
(정답률: 63%)
  • 수소를 다소 과잉으로 넣는 이유는 수소가 과잉으로 존재하면 염소와 결합할 수 있는 자유로운 클로로라디칼의 생성을 억제할 수 있기 때문이다. 이는 반응의 폭발성을 줄이는 효과를 가지게 된다.
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66. 다음 중 석유의 성분으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. C3H8
  2. C2H4
  3. C6H6
  4. C2H5OC2H5
(정답률: 53%)
  • "C2H5OC2H5"은 에테르로, 다른 보기들은 모두 탄화수소입니다. 따라서, "C2H5OC2H5"은 석유의 성분으로는 아니지만, 다른 보기들은 모두 석유의 성분으로 포함될 수 있습니다. 따라서, "C2H5OC2H5"이 가장 거리가 먼 것입니다.
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67. 어떤 유지 2g속에 들어 있는 유리지방산을 중화시키는데 KOH가 200mg 사용되었다. 이 시료의 산가(acid value)는?

  1. 0.1
  2. 1
  3. 10
  4. 100
(정답률: 46%)
  • 산가(acid value)는 1g의 시료에서 중화시키기 위해 필요한 KOH의 양을 mg으로 표시한 것이다. 따라서 2g의 시료를 중화시키기 위해 사용된 KOH의 양인 200mg를 2로 나누면 1g의 시료를 중화시키기 위해 필요한 KOH의 양이 나온다. 따라서 산가는 100이 된다.
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68. 질산공업에서 암모니아 산화반응은 촉매 존재하에서 일어난다. 이 반응에서 주반응에 해당하는 것은?

  1. 2NH3→N2+3H2
  2. 2NO→N2+O2
  3. 4NH3+3O2→2N2+6H2O
  4. 4NH3+5O2→4NO+6H2O
(정답률: 55%)
  • 암모니아 산화반응에서 촉매 존재하에서 일어나는 주반응은 "4NH3+5O2→4NO+6H2O" 입니다. 이 반응에서 암모니아와 산소가 반응하여 질소산화물과 물이 생성되는 것이 주반응입니다. 다른 선택지들은 질소와 수소가 생성되는 부차적인 반응입니다.
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69. 다음 중 비료의 3요소에 해당하는 것은?

  1. N, P2O5, CO2
  2. K2O, P2O5, CO2
  3. N, K2O, P2O5
  4. N, P2O5, C
(정답률: 59%)
  • 비료의 3요소는 질소(N), 인(P2O5), 칼륨(K2O)입니다. 이는 작물의 성장과 생산에 중요한 영향을 미치는 요소들이며, 이들이 부족하면 작물의 성장이 저하됩니다. CO2는 이산화탄소로서, 비료의 3요소에 해당하지 않습니다. C는 탄소로서, 비료의 3요소에 해당하지 않습니다. 따라서 정답은 "N, K2O, P2O5"입니다.
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70. H2와 Cl2를 원료로 하여 염산을 제조하는 공정에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. HCl 합성반응기는 폭발의 위험성이 있으므로 강도가 높고 부식에 강한 순철 재질로 제조한다.
  2. 합성된 HCl 은 무색투명한 기체로서 염산용액의 농도는 기상 중의 HCl 농도에 영향을 받는다.
  3. 일정 온도에서 기상중의 HCl 분압과 액상중의 HCl 증기압이 같을 때 염산농도는 최대치를 갖는다.
  4. 고농도의 염산을 제조 시 HCl이 물에 대한 용해열로 인하여 온도가 상승하게 된다.
(정답률: 44%)
  • "HCl 합성반응기는 폭발의 위험성이 있으므로 강도가 높고 부식에 강한 순철 재질로 제조한다." 이 설명이 틀린 것은 아니다. 이유는 HCl 합성반응기에서 발생하는 반응 열이 매우 크기 때문에 반응기 내부의 온도와 압력이 급격하게 상승하여 폭발 위험이 있기 때문이다. 따라서 강도가 높고 부식에 강한 순철 재질로 제조하여 안전성을 확보한다.
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71. 1000ppm의 처리제를 사용하여 반도체 폐수 1000m3/day를 처리하고자 할 때 하루에 필요한 처리제는 몇 kg 인가?

  1. 1
  2. 10
  3. 100
  4. 1000
(정답률: 38%)
  • 1000ppm은 100만 분의 1이므로 1m3의 폐수에 1000/1,000,000 = 0.001kg의 처리제가 필요합니다. 하루에 처리하는 폐수 양이 1000m3이므로, 하루에 필요한 처리제 양은 1000m3 x 0.001kg/m3 = 1kg 입니다. 따라서 정답은 "1"이 아닌 "1000"입니다.
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72. 환원반응에 의해 알코올(alcohol)을 생성하지 않는 것은?

  1. 카르복시산
  2. 나프탈렌
  3. 알데히드
  4. 케톤
(정답률: 59%)
  • 환원반응은 화학 반응 중 하나로, 화학물질이 전자를 받아들이면서 화합물을 생성하는 반응을 말합니다. 이 반응에서 알코올은 환원반응에 의해 생성될 수 있습니다.

    하지만 나프탈렌은 환원반응에 의해 알코올을 생성하지 않습니다. 이는 나프탈렌이 환원반응에 참여할 때, 전자를 받아들이는 위치가 없기 때문입니다. 따라서 나프탈렌은 환원반응에 의해 다른 화합물을 생성할 수 있지만, 알코올은 생성되지 않습니다.
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73. 다음 탄화수소 중 석유의 원유 성분에 가장 적은 양이 포함되어 있는 것은?

  1. 나프텐계 탄화수소
  2. 올레핀계 탄화수소
  3. 방향족 탄화수소
  4. 파라핀계 탄화수소
(정답률: 52%)
  • 정답은 "나프텐계 탄화수소"입니다. 이는 석유의 원유 성분 중에서 가장 적은 양이 포함되어 있습니다. 이유는 나프텐계 탄화수소는 분자 내에 산소를 포함하고 있어서 안정성이 낮아서 연료로 사용하기에는 적합하지 않기 때문입니다. 반면에 올레핀계 탄화수소는 안정성이 높아서 연료로 사용하기에 적합하며, 석유의 원유 성분 중에서도 상대적으로 많은 양이 포함되어 있습니다.
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74. 다음의 O2:NH3의 비율 중 질산 제조 공정에서 암모니아 산화율이 최대로 나타나는 것은? (단, Pt 촉매를 사용하고 NH3농도가 9% 인 경우이다.)

  1. 9 : 1
  2. 2.3 : 1
  3. 1 : 9
  4. 1 : 2.3
(정답률: 62%)
  • 암모니아 산화 반응식은 다음과 같다.

    4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

    이 반응식에서 O2와 NH3의 비율이 중요하다. NH3농도가 9%인 경우, NH3의 몰농도는 0.09 mol/L이다. 이를 이용하여 O2:NH3의 몰비를 구해보면 다음과 같다.

    O2:NH3 = (5/4) × (0.09/1) = 0.1125 : 1

    따라서, 보기에서 "9 : 1"과 "1 : 9"는 NH3농도가 9%인 경우에는 적절한 비율이 아니다. "1 : 2.3"의 경우, O2:NH3의 몰비는 0.523 : 1이므로, 암모니아 산화율이 최대가 되지 않는다. 따라서, 정답은 "2.3 : 1"이다.
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75. 다음 중 접촉개질 반응으로부터 얻어지는 화합물은?

  1. 벤젠
  2. 프로필렌
  3. 가지화 C5 유분
  4. 이소뷰틸렌
(정답률: 41%)
  • 접촉개질 반응은 탄화수소 분자들이 서로 충돌하여 새로운 화합물을 생성하는 반응입니다. 이 중에서 벤젠은 탄화수소 분자들이 충돌하여 생성되는 과정에서 많이 생성되는 화합물 중 하나입니다. 따라서 접촉개질 반응으로부터 얻어지는 화합물 중에 벤젠이 포함되어 있습니다.
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76. 비닐단량체(VCM)의 중합반응으로 생성되는 중합체 PVC가 분자량 425000 으로 형성되었다. Carothers에 의한 중합도(degree of polymerization)는 얼마인가?

  1. 2500
  2. 3580
  3. 5780
  4. 6800
(정답률: 45%)
  • Carothers의 식은 DP = Mw/Mm 으로 표현된다. 여기서 DP는 degree of polymerization, Mw는 weight average molecular weight, Mm은 number average molecular weight를 의미한다. 이 문제에서 Mw는 425000이 주어졌으므로, DP를 구하기 위해서는 Mm을 알아야 한다.

    Mw와 Mm은 다음과 같은 관계가 성립한다.

    Mw = DP × Mm

    따라서 Mm = Mw/DP 이다. 이 문제에서 Mw는 425000이고, PVC의 분자량은 평균 분자량이므로 Mm은 PVC의 단위 분자량인 62 g/mol로 나누어준다.

    Mm = 425000/62 = 6854

    따라서 DP는 6854이다. 이 값은 보기 중에서 "6800"에 가장 가깝다. 따라서 정답은 "6800"이다.
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77. 벤젠을 산촉매를 이용하여 프로필렌에 의해 알킬화함으로써 얻어지는 것은?

  1. 프로필렌옥사이드
  2. 아크릴산
  3. 아크롤레인
  4. 큐멘
(정답률: 54%)
  • 벤젠과 프로필렌이 반응하여 생성되는 화합물은 큐멘이다. 이는 벤젠과 프로필렌이 알킬화 반응을 일으켜 생성되는데, 이 과정에서 산촉매가 사용된다. 따라서, 정답은 "큐멘"이다.
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78. 솔베이법의 기본공정에서 사용되는 물질로 가장 거리가 먼 것은?

  1. CaCO3
  2. NH3
  3. HNO3
  4. NaCl
(정답률: 43%)
  • 솔베이법의 기본공정에서 사용되는 물질은 용매와 용질로 구성되어 있습니다. 이 중에서도 HNO3은 용질로 사용되며, 다른 보기들은 모두 용매로 사용됩니다. 따라서 HNO3이 가장 거리가 먼 것입니다.
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79. 소금의 전기분해 공정에 있어 전해액은 양극에 도입되어 격막을 통해 음극으로 흐른다. 격막법 전해조의 양극재료로서 구비하여야 할 조건 중 옳지 않은 것은?

  1. 내식성이 우수하여야 한다.
  2. 염소과전압이 높고 산소과전압이 낮아야 한다.
  3. 재료의 순도가 높은 것이 좋다.
  4. 인조흑연을 사용하지만 금속전극도 사용할 수 있다.
(정답률: 58%)
  • "내식성이 우수하여야 한다."는 양극재료가 전해액과 반응하여 부식되지 않도록 하는 조건이다. "재료의 순도가 높은 것이 좋다."는 양극재료가 불순물을 포함하면 전해반응에 영향을 미칠 수 있기 때문에 순도가 높은 것이 좋다는 조건이다. "인조흑연을 사용하지만 금속전극도 사용할 수 있다."는 양극재료로 인조흑연 또는 금속전극을 사용할 수 있다는 조건이다. 따라서 옳지 않은 조건은 "염소과전압이 높고 산소과전압이 낮아야 한다."이다. 이 조건은 오히려 양극재료로 산소를 사용하는 경우에 해당하는 조건이다. 산소는 양극에서 전해반응을 일으키면서 양극에 산화되므로 산소과전압이 높아야 한다. 반면, 염소는 양극에서 환원반응을 일으키면서 양극에 환원되므로 염소과전압이 높아야 한다.
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80. 다음 중 석유의 성분으로 질소 화합물에 해당하는 것은?

  1. 나프텐산
  2. 피리딘
  3. 나프토티오펜
  4. 벤조티오펜
(정답률: 61%)
  • 석유는 다양한 화합물로 이루어져 있습니다. 그 중에서도 피리딘은 석유의 성분 중 하나입니다. 피리딘은 질소 화합물로, 석유에서 발견되는 다른 화합물들과 함께 존재합니다. 나프텐산, 나프토티오펜, 벤조티오펜 등도 석유의 성분 중 하나이지만, 이들은 질소 화합물이 아닙니다. 따라서 정답은 "피리딘"입니다.
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5과목: 반응공학

81. 다음과 같은 경쟁반응에서 원하는 반응을 가장 좋게 하는 접촉방식은? (단, n ＞ P, m ＜ Q)

(정답률: 63%)
  • 경쟁반응에서 원하는 반응은 상대방의 불안감을 최소화하면서 자신의 우위를 강조하는 것입니다. 따라서, 상대방의 불안감을 최소화하기 위해 직접적인 접촉보다는 간접적인 접촉이 좋습니다. 또한, 자신의 우위를 강조하기 위해 상대방보다 더 큰 권위를 가진 제3자를 이용하는 것이 효과적입니다. 따라서, ""이 가장 좋은 접촉방식입니다.
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82. 순환식 플러그흐름 반응기에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 순환비는 계를 떠난 량/환류량 으로 표현된다.
  2. 순환비 = ∞ 인 경우, 반응기 설계식은 혼합 흐름식 반응기와 같게 된다.
  3. 반응기 출구에서의 전화율과 반응기 입구에서의 전화율의 비는 용적 변화율 제곱에 비례한다.
  4. 반응기 입구에서의 농도는 용적 변화율에 무관하다.
(정답률: 52%)
  • 순환식 플러그흐름 반응기는 반응물과 촉매가 순환되면서 반응이 일어나는 반응기이다. 순환비는 계를 떠난 량/환류량으로 표현되며, 순환비가 무한대에 가까워질수록 반응물과 촉매의 농도가 균일해지게 된다. 이러한 상황에서는 혼합 흐름식 반응기와 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 반응기 설계식도 혼합 흐름식 반응기와 같게 된다. 따라서, 순환비가 무한대에 가까워질수록 혼합 흐름식 반응기와 유사한 특성을 가지게 된다.
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83. 다음 반응식과 같이 A 와 B 가 반응하여 필요한 생성물 R 과 불필요한 물질 S 가 생길 때, R 로의 전화율을 높이기 위해서 반응물질의 농도(C)를 어떻게 조정해야 하는가? (단, 반응 1은 A 및 B 에 대하여 1차 반응이고, 반응 2도 1차 반응이다.)

  1. CA의 값을 CB의 2배로 한다.
  2. CB의 값을 크게 한다.
  3. CA의 값을 크게 한다.
  4. CA와 CB의 값을 같게 한다.
(정답률: 60%)
  • 반응 1과 반응 2는 모두 1차 반응이므로, 전체 반응속도는 두 반응속도의 곱으로 나타낼 수 있다. 따라서, R 로의 전화율을 높이기 위해서는 전체 반응속도를 증가시켜야 한다. 반응속도 상수는 온도와 반응물질의 특성에 따라 일정하므로, 반응물질의 농도를 증가시키면 전체 반응속도를 증가시킬 수 있다. 따라서, CB의 값을 크게 함으로써 R 로의 전화율을 높일 수 있다.
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84. A→R인 1차 액상 반응의 속도식이 -rA=kCA로 표시된다. 이 반응을 plug flow reactor에서 진행시킬 경우 체류시간 (r)과 전화율 (XA)사이의 관계식은?

  1. kr=-ln(1-XA)
  2. kr=-CAOln(1-XA)
  3. kr=X/(1-XA)
  4. kr=CAOXA/(1-XA)
(정답률: 61%)
  • 체류시간 (r)은 V/Q로 계산할 수 있으며, 여기서 V는 반응기의 부피, Q는 체류율이다. 따라서, V/Q=r이다.

    전화율 (XA)은 CA의 변화량을 CAO에서의 CA로 나눈 값으로 정의된다. 따라서, XA=(CAO-CA)/CAO이다.

    plug flow reactor에서는 입구와 출구의 농도가 다르므로, 우리는 평균 속도를 사용해야 한다. 따라서, -rA=kCA에서 CA는 (CAO-CA)/2로 대체할 수 있다.

    따라서, -rA=k(CAO-CA)/2이다. 이를 풀어쓰면, dCA/dt=-k(CAO-CA)/2이다.

    이 식을 적분하면, ln(CAO-CA)=-kt/2+lnCAO이다.

    여기서 CA를 XA로 대체하면, ln(1-XA)=-kt/2이다.

    따라서, kr=-ln(1-XA)이다.
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85. 반응에서 R 의 농도가 최대가 되는 점은? (단, k1=k2이다.)

  1. CA＞CR
  2. CR=CS
  3. CA=CS
  4. CA=CR
(정답률: 39%)
  • R 의 생성 속도는 k1[A][B] 이고, 소멸 속도는 k2[R] 이다. 따라서 R 의 농도는 k1[A][B]/k2 이다. k1=k2 이므로, R 의 농도는 [A][B] 와 비례한다. 따라서 [A][B] 가 최대가 되는 조건에서 R 의 농도가 최대가 된다. 이는 CA=CR 일 때이다.
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86. 기상반응 A→4R 이 흐름반응기에서 일어날 때 반응기 입구에서는 A가 50%, inertgas가 50% 포함되어 있다. 전화율이 100% 일 때 반응기 입구에서 체적속도가 1이면 반응기 출구에서 체적속도는 얼마인가? (단, 반응기의 압력은 일정하다.)

  1. 0.5
  2. 1
  3. 1.5
  4. 2.5
(정답률: 32%)
  • 기상반응 A→4R은 1:4의 몰비로 일어나므로, A의 몰분율은 50%에서 25%로 감소한다. 따라서, inert gas의 몰분율은 50%에서 75%로 증가한다. 이러한 변화는 전화율이 100%일 때 체적속도에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 반응기 출구에서의 체적속도는 반응기 입구에서의 체적속도와 동일하게 1이다.

    하지만, 전화율이 100%가 아닐 경우에는 반응기 입구와 출구의 몰분율이 다르게 변화하므로 체적속도가 달라질 수 있다. 따라서, 이 문제에서는 전화율이 100%이므로 반응기 입구와 출구의 몰분율 변화가 없어 체적속도가 동일하게 유지된다.

    따라서, 정답은 "2.5"가 아닌 "1"이다.
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87. 다음과 같은 연속 반응에서 각 반응이 기초반응이라고 할 때 R의 수율을 가장 높게 할 수 있는 반응계는? (단, 각 경우 전체 반응기의 부피는 같다.)

(정답률: 46%)
  • R의 수율을 높이기 위해서는 중간 생성물의 농도를 최대한 줄여야 한다. 따라서, 농도가 가장 높은 중간 생성물인 B를 최대한 빨리 소모시키는 것이 가장 효과적이다. 이를 위해서는 B를 소모시키는 반응인 2번 반응이 기초반응이 되어야 한다. 따라서, 정답은 "" 이다.
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88. A → C 의 촉매반응이 다음과 같은 단계로 이루어진다. 탈착반응이 율속단계일 때 Langmuir Hinshelwood모델의 반응속도식으로 옳은 것은? (단, A 는 반응물, S 는 활성점, AS 와 CS 는 흡착 중간체이며, k 는 속도상수, K 는 평형상수, SO 는 초기 활성점, []는 농도를 나타낸다.)

(정답률: 41%)
  • Langmuir Hinshelwood 모델에서는 흡착 중간체인 AS와 CS의 생성과 탈착반응이 모두 속도결정단계에 영향을 미친다. 따라서, 전체 반응속도식은 다음과 같다.

    r = k1[A][S] - k-1[AS] - k2[AS][C]

    여기서, 탈착반응이 율속단계이므로 k-1[AS] 항은 k-1[AS] = Kk2[CS] 로 대체할 수 있다. 따라서, 반응속도식은 다음과 같이 간소화된다.

    r = k1[A][S] - Kk2[AS][C]
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89. 기초반응 에서 R의 순간수율 ø(R/A)를 CA에 대해 그린 결과가 그림에 곡선으로 표시되어 있다. 원하는 물질 R의 총괄수율이 직사각형으로 표시되는 경우, 어떤 반응기를 사용하였는가?

  1. plug flow reactor
  2. mixed-flow reactor 와 plug flow reactor
  3. mixed flow reactor
  4. laminar flow reactor
(정답률: 55%)
  • 총괄수율이 직사각형으로 표시되는 경우, 반응물이 균일하게 혼합되어 있는 반응기가 필요하다. 따라서, CA가 일정한 mixed flow reactor를 사용한 것으로 추정할 수 있다. mixed flow reactor는 입구와 출구가 있어 반응물이 혼합되는 과정에서 시간이 걸리기 때문에, 반응물이 균일하게 혼합되어 있는 상태를 유지할 수 있다. 반면, plug flow reactor는 입구와 출구가 없어 반응물이 일직선으로 흐르기 때문에, 반응물이 균일하게 혼합되지 않을 수 있다. 따라서, mixed flow reactor가 적합한 선택이다.
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90. 비가역 1차 액상반응 A→P를 직렬로 연결된 2개의 CSTR에서 진행시킬 때 전체 반응기 부피를 최소화하기 위한 조건에 해당하는 것은? (단, 첫 번째와 두 번째 반응기의 부피는 각각 VC1 , VC2이다.)

  1. VC1=2VC2
  2. 2VC1=VC2
  3. 3VC1=VC2
  4. VC1=VC2
(정답률: 57%)
  • 전체 반응기 부피를 최소화하기 위해서는 반응이 완료되기까지 걸리는 시간이 최소화되어야 한다. 이를 위해서는 두 개의 반응기에서 각각의 체적이 비슷해야 한다. 그렇지 않으면 첫 번째 반응기에서 반응이 끝나기 전에 이미 두 번째 반응기에서 반응이 끝나버리기 때문에 전체 반응기 부피를 최소화할 수 없다. 따라서 정답은 "VC1=VC2"이다.
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91. 비가역 0차 반응에서 전화율이 1로 반응이 완결되는데 필요한 반응 시간에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 초기 농도의 역수와 같다.
  2. 속도 상수 k의 역수와 같다.
  3. 초기 농도를 속도 상수로 나눈 값과 같다.
  4. 초기 농도에 속도 상수를 곱한 값과 같다.
(정답률: 61%)
  • 정답은 "초기 농도를 속도 상수로 나눈 값과 같다."이다.

    비가역 0차 반응에서는 반응물의 농도가 시간에 따라 지수적으로 감소한다. 이때 반응 속도는 반응물의 농도에 비례하므로, 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

    rate = -k[A]

    여기서 k는 속도 상수이고, [A]는 반응물의 농도이다. 이 식을 적분하면,

    [A] = [A]0 - kt

    여기서 [A]0는 초기 농도이다. 반응이 완결되는 시간인 t1/2는 [A]가 [A]0의 절반으로 감소하는 시간이므로,

    [A]0/2 = [A]0 - kt1/2

    t1/2 = [A]0/2k

    따라서, 반응이 완결되는 시간은 초기 농도를 속도 상수로 나눈 값과 같다.
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92. 체중 70kg, 체적 0.075m3인 사람이 포도당을 산화시키는데 하루에 12.8mol 의 산소를 소모한다고 할 때 이 사람의 반응속도를 mol O2/m3·s 로 표시하면 약 얼마인가?

  1. 2×10-4
  2. 5×10-4
  3. 1×10-3
  4. 2×10-3
(정답률: 53%)
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93. Arrhenius 법칙에서 속도상수 k와 반응온도 의 관계를 옳게 설명한 것은?

  1. k 와 T는 직선관계가 있다.
  2. ln k와 1/T은 직선관계가 있다.
  3. ln k와 ln(1/T)은 직선관계가 있다.
  4. ln k와 T는 직선관계가 있다.
(정답률: 66%)
  • Arrhenius 법칙에서 속도상수 k는 온도에 따라 변화하며, 일반적으로 온도가 증가할수록 k 값이 증가한다. 이를 수식으로 나타내면, k = A * exp(-Ea/RT)이다. 여기서 A는 pre-exponential factor, Ea는 활성화 에너지, R은 기체상수, T는 절대온도이다.

    이 식을 ln k = ln A - (Ea/RT)로 변형하면, ln k와 1/T은 직선관계가 된다. 이는 ln k와 T가 직선관계가 아니라는 것을 의미한다. 따라서 "ln k와 1/T은 직선관계가 있다."가 정답이다.

    이 관계는 Arrhenius 법칙에서 속도상수 k와 온도의 관계를 설명하는 중요한 수식이며, 이를 통해 화학반응의 속도를 예측하고 최적의 온도를 찾을 수 있다.
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94. 다음의 반응에서 반응속도 상수 간의 관계는 k1=k-1=k2=k-2이며 초기 농도는 CAO=1, CRO=CSO=0일 때 시간이 충분히 지난 뒤 농도 사이의 관계를 옳게 나타 낸 것은?

  1. CA≠CR=CS
  2. CA=CR≠CS
  3. CA=CR=CS
  4. CA≠CR≠CS
(정답률: 59%)
  • 반응속도 상수 간의 관계가 k1=k-1=k2=k-2이므로, 이는 역학적 평형 상태를 나타냅니다. 초기 농도가 CAO=1, CRO=CSO=0일 때, 시간이 충분히 지난 뒤에는 모든 물질의 농도가 균일해지며, 따라서 CA=CR=CS가 됩니다. 이는 반응속도 상수 간의 관계와 초기 농도가 균일하다는 조건에서 유도될 수 있습니다. 따라서 정답은 "CA=CR=CS"입니다.
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95. A→R인 액상 반응이 부피가 0.1L 인 플러그 흐름 반응기에서 -rA=50CA2mol/Lㆍmin로 일어난다. A 의 초기농도 CAO는 0.1mol/L 이고 공급속도가 0.05L/min 일 때 전화율은 얼마인가?

  1. 0.509
  2. 0.609
  3. 0.809
  4. 0.909
(정답률: 49%)
  • 전화율은 V0/FA0 으로 계산할 수 있다. 여기서 V0는 시간 t=0 일 때 시스템 부피이고, FA0는 A의 공급 속도이다.

    부피가 0.1L 이므로 V0=0.1L 이다. 공급속도가 0.05L/min 이므로 FA0=0.05mol/L/min 이다.

    전화율은 따라서 V0/FA0=0.1L/(0.05mol/L/min)=2min 이다.

    -rA=50CA2mol/Lㆍmin 이므로, CA의 변화율은 dCA/dt=-rA=-50CA2mol/Lㆍmin 이다.

    이 식을 적분하면 ln(CA)=-50CA+C 이다. 초기 조건 CA=CAO=0.1mol/L 에 대입하면 CA=1/(5+5e-500t) 이다.

    시간 t=2min 일 때 CA를 계산하면 CA=0.909mol/L 이다.

    따라서 정답은 "0.909" 이다.
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96. 어떤 물질의 분해반응은 비가역 1차반응으로 90% 까지 분해하는데 8123초가 소요되었다면 40% 분해하는데 걸리는 시간은 약 몇 초인가?

  1. 1802
  2. 2012
  3. 3267
  4. 4128
(정답률: 59%)
  • 비가역 1차반응에서 반응속도식은 다음과 같다.

    $$-frac{d[A]}{dt}=k[A]$$

    여기서 $[A]$는 물질의 농도이고, $k$는 반응속도상수이다. 이 식을 적분하면 다음과 같다.

    $$lnfrac{[A]}{[A]_0}=-kt$$

    여기서 $[A]_0$는 초기 농도이다. 이 식을 변형하면 다음과 같다.

    $$[A]=[A]_0e^{-kt}$$

    문제에서는 90% 분해하는데 8123초가 소요된다고 했으므로, 다음과 같은 식을 세울 수 있다.

    $$0.1[A]_0=[A]_0e^{-ktimes8123}$$

    이를 정리하면 다음과 같다.

    $$k=frac{ln10}{8123}$$

    따라서 40% 분해하는데 걸리는 시간 $t$는 다음과 같다.

    $$0.6[A]_0=[A]_0e^{-kt}$$

    $$t=-frac{ln0.6}{k}approx1802text{초}$$

    따라서 정답은 "1802"이다.
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97. A→B인 1차 반응에서 플러그 흐름 반응기의 공간시간(space time) r를 옳게 나타낸 것은? (단, 밀도는 일정하고, XA는 A 의 전화율, k는 반응속도상수이다.)

  4. r=CA+ln(1-XA)
(정답률: 58%)
  • 답은 ""이다. 이유는 플러그 흐름 반응기에서의 공간시간(r)은 CA/(-r) = k(1-XA) 이므로, 양변에 -1을 곱하고 로그를 취하면 ln(1-XA) = -k*r - ln(CA) 이다. 따라서 r = -ln(1-XA)/k - ln(CA) 이므로, ""가 정답이다.
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98. 자기촉매 반응에서 목표 전화율이 반응속도가 최대가 되는 반응 전화율보다 낮을 때 사용하기에 유리한 반응기는? (단, 반응생성물의 순환이 없는 경우이다.)

  1. 혼합 반응기
  2. 플러그 반응기
  3. 직렬 연결한 혼합 반응기와 플러그 반응기
  4. 병렬 연결한 혼합 반응기와 플러그 반응기
(정답률: 45%)
  • 자기촉매 반응에서 목표 전화율이 반응속도가 최대가 되는 반응 전화율보다 낮을 때, 반응 생성물이 순환하지 않는 경우에는 혼합 반응기가 사용하기에 유리하다. 이는 혼합 반응기가 반응물을 균일하게 혼합시켜 반응속도를 균일하게 유지할 수 있기 때문이다. 플러그 반응기는 반응물이 순차적으로 흐르기 때문에, 목표 전화율보다 낮은 전화율에서는 반응물이 충분히 혼합되지 않아 반응속도가 떨어질 수 있다. 직렬 연결한 혼합 반응기와 플러그 반응기는 반응물이 일정한 비율로 혼합되지 않아 반응속도가 불균일할 수 있고, 병렬 연결한 혼합 반응기와 플러그 반응기는 반응물이 일정한 비율로 혼합되지만, 반응 생성물이 순환하기 때문에 자기촉매 반응에서는 사용하기에 적합하지 않다.
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99. 이상형 반응기의 대표적인 예가 아닌 것은?

  1. 회분식 반응기
  2. 플러그흐름 반응기
  3. 혼합흐름 반응기
  4. 촉매 반응기
(정답률: 64%)
  • 이상형 반응기는 실험적으로 이상적인 반응조건을 만들어내는 반응기를 말하는데, 이상적인 조건은 균일한 온도, 압력, 농도 등을 유지하면서 반응물이 균일하게 혼합되고, 반응 생성물이 빠르게 제거되는 것입니다. 따라서 촉매 반응기는 이상형 반응기의 대표적인 예가 아닙니다. 촉매 반응기는 반응속도를 촉진시키는 역할을 하지만, 이상형 반응기에서는 반응속도를 촉진시키는 것이 아니라, 균일한 조건을 유지하는 것이 중요합니다.
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100. 다음의 균일계 액상 평행 반응에서 S의 순간 수율을 최대로 하는 CA의 농도는? (단, rR=CA, rs=2CA2,rT=CA3이다.)

  1. 0.25
  2. 0.5
  3. 0.75
  4. 1
(정답률: 34%)
  • 순간 수율은 rR/(rs+2rT)로 계산된다. 따라서 CA를 최대화하기 위해서는 rs+2rT를 최소화해야 한다. rs와 rT는 모두 CA의 제곱 또는 세제곱으로 표현되므로, CA가 증가하면 rs+2rT는 증가한다. 따라서 CA의 최대값은 rs+2rT의 최소값을 구하는 것과 같다. rs+2rT는 2CA2+2CA3으로 표현된다. 이 함수의 최소값은 미분을 통해 구할 수 있다. 함수를 미분하면 4CA+6CA2=0이 되고, 이를 풀면 CA=0 또는 CA=-2/3이 된다. CA는 양수이므로 CA=-2/3은 불가능하다. 따라서 CA의 최대값은 1이다.
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