화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2019-03-03)

화공기사(구) 2019-03-03 필기 기출문제 해설

이 페이지는 화공기사(구) 2019-03-03 기출문제를 CBT 방식으로 풀이하고 정답 및 회원들의 상세 해설을 확인할 수 있는 페이지입니다.

화공기사(구)
(2019-03-03 기출문제)

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1과목: 화공열역학

1. 온도가 323.15K 인 경우 실린더에 충전되어 있는 기체 압력이 300kPa(계기압)이다. 이상기체로 간주할 때 273.15K에서의 계기압력은 얼마인가? (단, 실린더의 부피는 일정하며, 대기압은 1atm이라 간주한다.)

  1. 253.58 kPa
  2. 237.90 kPa
  3. 354.91 kPa
  4. 339.23 kPa
(정답률: 38%)
  • 부피가 일정하고 이상기체인 경우, 절대압력과 절대온도의 비는 일정하다는 샤를-게이뤼삭의 법칙을 이용합니다. 이때 계산은 반드시 계기압력이 아닌 절대압력으로 수행해야 합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}$
    ② [숫자 대입] $P_2 = (300 + 101.3) \times \frac{273.15}{323.15}$
    ③ [최종 결과] $P_{gauge} = 339.2 - 101.3 = 237.9$
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2. 1기압 100℃에서 끓고 있는 수증기의 밀도(density)는? (단, 수증기는 이상기체로 본다.)

  1. 22.4g/L
  2. 0.59g/L
  3. 18.0g/L
  4. 0.95g/L
(정답률: 72%)
  • 이상기체 상태방정식을 변형하여 밀도를 구하는 문제입니다. 몰수 $n = \frac{m}{M}$을 대입하여 밀도 식을 도출합니다.
    ① [기본 공식] $d = \frac{PM}{RT}$
    ② [숫자 대입] $d = \frac{1 \times 18}{0.082 \times 373.15}$
    ③ [최종 결과] $d = 0.59$ g/L
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3. 성분 i 의 평형비 Ki를 로 정의할 때 이상용액이라면 Ki를 어떻게 나타낼 수 있는가? (단, xi, yi는 각각 성분 i 의 액상과 기상의 조성이다.)

(정답률: 67%)
  • 이상용액의 경우, 성분 $i$의 기상 퓨가시티($$y_i P$$)와 액상 퓨가시티($$x_i P_i^{\text{sat}}$$)가 평형을 이룹니다. 따라서 평형비 $K_i$는 기상 조성과 액상 조성의 비로 나타낼 수 있습니다.
    $$K_i = \frac{y_i}{x_i} = \frac{P_i^{\text{sat}}}{P}$$
    따라서 정답은 입니다.
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4. 성분 A, B, C 가 혼합되어 있는 계가 평형을 이룰 수 있는 조건으로 가장 거리가 먼 것은? (단, μ 는 화학포텐셜, f 는 퓨개시티, α, β, γ는 상, Tb는 비점을 나타낸다.)

(정답률: 66%)
  • 계가 평형을 이루기 위해서는 열적 평형(온도 동일), 역학적 평형(압력 동일), 화학적 평형(화학 포텐셜 동일) 조건이 모두 충족되어야 합니다.
    정답인 $\text{T}_{\text{A}}^b = \text{T}_{\text{B}}^b = \text{T}_{\text{C}}^b$는 각 성분의 비점이 같다는 조건으로, 이는 평형 조건과 무관한 내용입니다.

    오답 노트
    $\mu_{\alpha} = \mu_{\beta} = \mu_{\gamma}$: 화학적 평형 조건
    $f_{\alpha} = f_{\beta} = f_{\gamma}$: 퓨개시티 평형 조건
    $\text{T}_{\alpha} = \text{T}_{\beta} = \text{T}_{\gamma}$: 열적 평형 조건
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5. 이상기체에 대하여 CP-CV=nR이 적용되는 조건은?

(정답률: 62%)
  • 이상기체의 정압비열($C_P$)과 정적비열($C_V$)의 관계식 $C_P - C_V = nR$이 성립하려면, 내부에너지 $U$가 오직 온도의 함수여야 합니다. 즉, 온도가 일정할 때 부피가 변하더라도 내부에너지는 변하지 않아야 하므로 다음 조건이 필요합니다.
    $$( \frac{\partial U}{\partial V} )_T = 0$$
    따라서 정답은 입니다.
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6. 다음 화학평형에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 화학평형 판정기준은 일정 T와 P에서 폐쇄계의 총 깁스(Gibbs) 에너지가 최소가 되는 상태를 말한다.
  2. 화학평형 판정기준은 일정 T와 P에서 수학적으로 표현하면 ∑νiμi=0이다. (단, : νi: 성분 i의 양론 수, μi: 성분 i의 화학포텐셜)
  3. 화학반응의 표준 깁스(Gibbs)에너지 변화(△G°)와 화학평형상수(K)의 관계는 △G°=-RㆍlnK 이다.
  4. 화학반응에서 평형전환율은 열역학적 계산으로 알 수 있다.
(정답률: 68%)
  • 표준 깁스 에너지 변화($\Delta G^\circ$)와 화학평형상수($K$)의 관계식에는 반드시 절대온도 $T$가 포함되어야 합니다.
    $$\Delta G^\circ = -RT \ln K$$

    오답 노트
    $\sum \nu_i \mu_i = 0$: 화학평형의 수학적 판정기준으로 옳은 설명임
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7. 이상기체에 대하여 일(W)이 다음과 같은 식으로 나타나면 이 계는 어떤 과정으로 변화하였는가? (단, Q P1는 열, 은 초기압력, P2는 최종압력, T 는 온도이다.)

  1. 정온과정
  2. 정용과정
  3. 정압과정
  4. 단열과정
(정답률: 71%)
  • 제시된 식 $Q = -W = RT \ln(\frac{P_1}{P_2})$에서 온도 $T$가 상수로 유지되고 있음을 확인할 수 있습니다. 온도가 일정하게 유지되는 과정을 정온과정(등온과정)이라고 합니다.
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8. 단열된 상자가 같은 부피로 3등분 되었는데, 2개의 상자에는 각각 아보가드로(Avogadro)수의 이상기체 분자가 들어 있고 나머지 한 개에는 아무 분자도 들어 있지 않다고 한다. 모든 칸막이가 없어져서 기체가 전체 부피를 차지하게 되었다면 이때 엔트로피 변화 값 기체 1몰 당 ΔS에 해당하는 것은?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. ΔS = R ln(2/3)
  2. ΔS = RT ln(2/3)
  3. ΔS = R ln(3/2)
  4. ΔS = RT ln(3/2)
(정답률: 24%)
  • 단열 상태에서 진공으로 팽창하는 자유 팽창 과정은 등온 비가역 과정이며, 이때의 엔트로피 변화는 부피 변화량에 비례합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta S = R \ln(\frac{V_f}{V_i})$
    ② [숫자 대입] $\Delta S = R \ln(\frac{3}{2})$
    ③ [최종 결과] $\Delta S = R \ln(3/2)$
    ※ 공식 지정 정답은 $\Delta S = R \ln(2/3)$로 되어 있으나, 부피가 증가($V_i=2 \rightarrow V_f=3$)함에 따라 엔트로피는 반드시 증가해야 하므로 이론적 정답은 $R \ln(3/2)$입니다. 다만, 요청하신 지침에 따라 공식 지정 정답을 우선합니다.
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9. 다음 그림은 열기관 사이클이다. T1에서 열을 받고 T2에서 열을 방출할 때 이 사이클의 열효율은 얼마인가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

(정답률: 67%)
  • 카르노 사이클(Carnot cycle)의 열효율은 고온부 온도 $T_1$과 저온부 온도 $T_2$의 차이를 고온부 온도로 나눈 값으로 정의됩니다.
    ① [기본 공식] $\eta = \frac{W}{Q_{in}} = \frac{T_1 - T_2}{T_1}$
    ② [숫자 대입] $\eta = \frac{T_1 - T_2}{T_1}$
    ③ [최종 결과] $\eta = \frac{T_1 - T_2}{T_1}$
    따라서 정답은 입니다.
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10. 열역학 제2법칙에 대한 설명이 아닌 것은?

  1. 가역 공정에서 총 엔트로피 변화량은 0 이 될 수 있다.
  2. 외부로부터 아무런 작용을 받지 않는다면 열은 저열원에서 고열원으로 이동할 수 없다.
  3. 효율이 1 인 열기관을 만들 수 있다.
  4. 자연계의 엔트로피 총량은 증가한다.
(정답률: 76%)
  • 열역학 제2법칙에 따라 모든 자발적 변화는 엔트로피가 증가하는 비가역 방향으로 진행됩니다. 따라서 열을 100% 일로 전환하는 효율이 1인 열기관은 물리적으로 제작이 불가능합니다.

    오답 노트
    가역 공정: 총 엔트로피 변화가 0인 이상적인 상태임
    열의 이동: 외부 일 없이 저온에서 고온으로 이동할 수 없음
    자연계 엔트로피: 항상 증가하는 방향으로 진행됨
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11. 다음은 이상기체 일 때 퓨개시티(Fugacity) fi를 표시한 함수들이다. 틀린 것은? (단, : 용액 중 성분 i의 퓨개시티, fi: 순수성분 i의 퓨개시티, xi : 용액의 몰분율, P : 압력)

(정답률: 56%)
  • 이상용액에서 성분 $i$의 퓨개시티 $\hat{f}_i$는 몰분율 $x_i$와 순수 성분의 퓨개시티 $f_i$의 곱으로 나타납니다. 식은 $\hat{f}_i$와 $f_i$의 위치가 바뀌어 잘못 표기되었습니다.

    오답 노트
    $\hat{f}_i = x_i f_i$ : 이상용액의 정의에 부합함
    $\hat{f}_i = \phi_i P$ : $\phi$는 퓨가시티 계수를 의미함
    $\hat{f}_i = x_i P$ : 이상기체 가정 시 $f_i = P$이므로 성립함
    압력이 0에 가까우면 $\phi = 1$로 수렴하여 이상기체처럼 행동함
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12. 다음 중 상태 함수에 해당하지 않는 것은?

  1. 비용적(specific volume)
  2. 몰 내부 에너지(molar internal energy)
  3. 일(work)
  4. 몰 열용량(molar heat capacity)
(정답률: 80%)
  • 상태 함수는 경로에 관계없이 현재의 상태에 의해서만 결정되는 물리량입니다. 비용적, 몰 내부 에너지, 몰 열용량은 모두 상태 함수에 해당하지만, 일은 상태 변화의 경로에 따라 그 값이 달라지는 경로 함수이므로 상태 함수가 아닙니다.
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13. 에너지에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 계의 최소 깁스(Gibbs) 에너지는 항상 계와 주위의 엔트로피 합의 최대에 해당한다.
  2. 계의 최소 헬름홀츠(Helmholtz) 에너지는 항상 계와 주위의 엔트로피 합의 최대에 해당한다.
  3. 온도와 압력이 일정할 때 자발적 과정에서 깁스(Gibbs) 에너지는 감소한다.
  4. 온도와 압력이 일정할 때 자발적 과정에서 헬름홀츠(Helmholtz) 에너지는 감소한다.
(정답률: 74%)
  • 에너지 함수와 반응의 자발성 관계를 묻는 문제입니다. 온도와 압력이 일정할 때, 깁스(Gibbs) 에너지는 반응의 자발성을 판단하는 지표가 되며, 자발적인 과정에서는 항상 깁스 에너지가 감소하는 방향으로 진행됩니다.

    오답 노트
    온도와 압력이 일정할 때 자발적 과정에서 헬름홀츠(Helmholtz) 에너지는 감소한다: 헬름홀츠 에너지는 온도와 부피가 일정할 때 자발성의 지표가 됩니다.
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14. 몰리에(Mollier) 선도를 나타낸 것은?

  1. P - V 선도
  2. T - S 선도
  3. H - S 선도
  4. T - H 선도
(정답률: 70%)
  • 몰리에(Mollier) 선도의 정의를 묻는 문제입니다. 몰리에 선도는 엔탈피($H$)를 세로축으로, 엔트로피($S$)를 가로축으로 하여 나타낸 $H-S$ 선도를 의미합니다.
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15. 공기표준 Otto 사이클에 대한 설명으로 틀린 것은?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 2개의 단열과정과 2개의 일정압력 과정으로 구성된다.
  2. 실제 내연기관과 동일한 성능을 나타내며 공기를 작동유체로 하는 순환기관이다.
  3. 연소과정은 대등한 열을 공기에 가하는 것으로 대체된다.
  4. 효율 이다.
(정답률: 63%)
  • 공기표준 Otto 사이클의 구성 특징을 묻는 문제입니다. Otto 사이클은 2개의 단열 과정과 2개의 정용(등적) 과정으로 구성됩니다.

    오답 노트
    2개의 단열과정과 2개의 일정압력 과정으로 구성된다: 일정압력이 아닌 정용 과정으로 구성되어야 합니다.
    효율 $\eta = 1 - \frac{1}{r^{\gamma-1}}$: 옳은 설명입니다.
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16. 1 mol 의 이상기체가 그림과 같은 가역열기관 ㄱ(1→2→3→1), ㄴ(4→5→6→4)이 있다. Ta, Tb 곡선은 등온선, 2-3, 5-6 은 등압선이고, 3-1, 6-4 는 정용(Isometric)선이면 열기관 ㄱ, ㄴ 의 외부에 한 일(W) 및 열량(Q)의 각각의 관계는?

  1. Wㄱ=Wㄴ, Qㄱ＞Qㄴ
  2. Wㄱ=Wㄴ, Qㄱ=Qㄴ
  3. Wㄱ＞Wㄴ, Qㄱ=Qㄴ
  4. Wㄱ＜Wㄴ, Qㄱ=Qㄴ
(정답률: 67%)
  • 두 가역 열기관 ㄱ과 ㄴ의 일과 열량 관계를 분석하는 문제입니다. 두 기관 모두 동일한 온도 $T_{a}$와 $T_{b}$ 사이에서 작동하며, 등온선과 등압선, 정용선의 기하학적 비율이 동일하므로 순환 과정에서 출입한 총 열량 $Q$가 같습니다. 또한, 가역 사이클에서 내부 에너지 변화량은 $0$이므로 열역학 제1법칙에 의해 $Q = W$가 성립합니다. 따라서 $Q_{ㄱ} = Q_{ㄴ}$이고 $W_{ㄱ} = W_{ㄴ}$ 입니다.
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17. 에탄올-톨루엔 2성분계에 대한 기액 평형상태를 결정하는 실험적 방법으로 다음과 같은 결과를 얻었다. 에탄올의 활동도계수는? (단, ; 에탄올의 액상, 기상의 몰분율이다.)

  1. 3.152
  2. 2.936
  3. 2.235
  4. 1.875
(정답률: 51%)
  • 이상기체 및 기-액 평형 조건에서 에탄올의 활동도계수를 구하는 문제입니다. 기상과 액상의 퓨가시티가 같다는 원리를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\gamma_{1} = \frac{y_{1} P}{x_{1} P_{1}^{sat}}$
    ② [숫자 대입] $\gamma_{1} = \frac{0.634 \times 183}{0.3 \times 173}$
    ③ [최종 결과] $\gamma_{1} = 2.235$
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18. 다음 중 가역단열과정에 해당하는 것은?

  1. 등엔탈피 과정
  2. 등엔트로피 과정
  3. 등압 과정
  4. 등온 과정
(정답률: 74%)
  • 가역단열과정은 외부와의 열 교환이 없고($dQ = 0$) 가역적으로 진행되는 과정이므로, 엔트로피 변화가 0인 등엔트로피 과정과 동일합니다.
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19. Z = 1 + BP 와 같은 비리얼 방정식(virial equation)으로 표시할 수 있는 기체 1몰을 등온 가역과정으로 압력 P1 에서 P2까지 변화시킬 때 필요한 일 W 의 절대값을 옳게 나타낸 식은? (단, Z 는 압축인자이고 B 는 상수이다.)

(정답률: 62%)
  • 비리얼 방정식 $Z = \frac{PV}{RT} = 1 + BP$를 이용하여 등온 가역과정의 일 $W$를 유도하는 문제입니다. $V = \frac{RT}{P} + BRT$로 정리한 후 $W = \int P dV$를 계산하면 $\ln$ 형태로 도출됩니다.
    ① [기본 공식] $|W| = |RT \ln(\frac{P_1}{P_2})|$
    ② [숫자 대입] 해당 없음
    ③ [최종 결과] $$|W| = |RT \ln(\frac{P_1}{P_2})|$
    따라서 정답은 입니다.
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20. 20℃, 1atm 에서 아세톤에 대해 부피팽창률 β=1.488×10-3(℃)-1, 등온압축률 K=6.2×10-5(atm)-1, V = 1.287cm3/g이다. 적용하에서 20℃, 1atm 에서 30℃까지 가열한다면 그 때 압력은 몇 atm인가?

  1. 1
  2. 5.17
  3. 241
  4. 20.45
(정답률: 57%)
  • 부피 변화가 없는 상태($\Delta V = 0$)에서 온도 변화에 따른 압력 변화를 구하는 문제입니다. 부피 팽창률 $\beta$와 등온 압축률 $\kappa$를 이용하여 압력 변화량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta P = \frac{\beta \Delta T}{\kappa}$
    ② [숫자 대입] $\Delta P = \frac{1.488 \times 10^{-3} \times (30 - 20)}{6.2 \times 10^{-5}}$
    ③ [최종 결과] $\Delta P = 240$
    최종 압력 $P_2 = P_1 + \Delta P = 1 + 240 = 241$ atm
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 이상기체의 밀도를 옳게 설명한 것은?

  1. 온도에 비례한다.
  2. 압력에 비례한다.
  3. 분자량에 반비례한다.
  4. 이상기체 상수에 비례한다.
(정답률: 75%)
  • 이상기체 상태방정식 $PV = nRT$를 밀도 $d = \frac{m}{V}$에 대해 정리하면 $d = \frac{PM}{RT}$가 됩니다. 따라서 밀도는 압력 $P$와 분자량 $M$에 비례하고, 기체 상수 $R$과 온도 $T$에 반비례합니다.

    오답 노트
    온도에 비례한다: 반비례함
    분자량에 반비례한다: 비례함
    이상기체 상수에 비례한다: 반비례함
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22. 질량조성이 N2가 70%, H2가 30%인 기체의 평균 분자량은 얼마인가?

  1. 4.7g/mol
  2. 5.7g/mol
  3. 20.2g/mol
  4. 30.2g/mol
(정답률: 31%)
  • 질량 조성이 주어진 경우, 전체 질량을 몰수로 나눈 평균 분자량 공식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $M = \frac{1}{\sum \frac{w_i}{M_i}}$
    ② [숫자 대입] $M = \frac{1}{\frac{0.7}{28} + \frac{0.3}{2}}$
    ③ [최종 결과] $M = 5.7 \text{ g/mol}$
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23. 열에 관한 용어의 설명 중 틀린 것은?

  1. 표준생성열은 표준조건에 있는 원소로부터 표준조건의 화합물로 생성될 때의 반응열이다.
  2. 표준연소열은 25℃, 1atm에 있는 어떤 물질과 산소분자와의 산화반응에서 생기는 반응열이다.
  3. 표준반응열이란 25℃, 1atm 상태에서의 반응열을 말한다.
  4. 진발열량이란 연소해서 생성된 물이 액체 상태일 때의 발열량이다.
(정답률: 66%)
  • 발열량은 생성된 물의 상태에 따라 구분됩니다. 진발열량(저발열량)은 연소 생성물인 물이 수증기 상태로 배출될 때의 발열량을 의미합니다.

    오답 노트
    진발열량이 액체 상태일 때의 발열량: 이는 총발열량(고발열량)에 대한 설명입니다.
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24. 각 온도 단위에서의 온도차이(Δ) 값의 관계를 옳게 나타낸 것은?

  1. Δ1℃=Δ1K, Δ1.8℃=Δ1℉
  2. Δ1℃=Δ1.8℉, Δ1℃=Δ1K
  3. Δ1℉=Δ1.8˚R, Δ1.8℃=Δ1℉
  4. Δ1℃=Δ1.8℉, Δ1℃=Δ1.8K
(정답률: 59%)
  • 온도 단위의 변화량(Δ) 관계를 묻는 문제입니다. 섭씨($\text{℃}$)와 켈빈($\text{K}$)은 눈금 간격이 동일하며, 섭씨 1도의 차이는 화씨($\text{℉}$) 1.8도의 차이와 같습니다.

    오답 노트
    $\Delta 1\text{K} = \Delta 1.8\text{℉}$: 켈빈 역시 섭씨와 동일한 간격이므로 화씨의 1.8배가 되어야 합니다.
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25. 80wt% 수분을 함유하는 습윤펄프를 건조 하여 처음 수분의 70%를 제거하였다. 완전 건조펄프 1kg당 제거된 수분의 양은 얼마인가?

  1. 1.2kg
  2. 1.5kg
  3. 2.3kg
  4. 2.8kg
(정답률: 50%)
  • 완전 건조 펄프 1kg을 기준으로, 초기 수분 함량과 제거된 수분의 양을 계산하여 제거량을 구합니다.
    ① [기본 공식] $\text{제거 수분량} = \frac{\text{초기 수분 비율} \times \text{제거율}}{\text{건조 펄프 비율}}$
    ② [숫자 대입] $\text{제거 수분량} = \frac{0.8 \times 0.7}{0.2}$
    ③ [최종 결과] $\text{제거 수분량} = 2.8 \text{ kg}$
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26. 건구온도와 습구온도에 대한 설명 중 틀린것은?

  1. 공기가 습할수록 건구온도와 습구온도 차는 작아진다.
  2. 공기가 건조할수록 건구온도가 증가한다.
  3. 공기가 수증기로 포화될 때 건구온도와 습구온도는 같다.
  4. 공기가 건조할수록 습구온도는 높아진다.
(정답률: 61%)
  • 습구온도는 물의 증발 잠열로 인해 건구온도보다 낮게 측정되며, 공기가 건조할수록 증발이 활발해져 습구온도는 더 낮아집니다. 따라서 공기가 건조할수록 습구온도가 높아진다는 설명은 틀린 것입니다.
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27. 50mol% 에탄올 수용액을 밀폐용기에 넣고 가열하여 일정온도에서 평형이 되었다. 이 때 용액은 에탄올 27mol% 이고, 증기조성은 에탄올 57mol% 이었다. 원용액의 몇 % 가 증발되었는가?

  1. 23.46
  2. 30.56
  3. 76.66
  4. 89.76
(정답률: 57%)
  • 전체 용액의 양을 $100$이라 하고 증발량을 $x$라고 할 때, 에탄올의 성분 수지 식을 세워 증발량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{50 - 0.57x}{100 - x} = 0.27$
    ② [숫자 대입] $50 - 0.57x = 27 - 0.27x \implies 0.3x = 23$
    ③ [최종 결과] $x = 76.66$
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28. 에탄과 메탄으로 혼합된 연료가스가 산소와 질소 각각 50mol% 씩 포함된 공기로 연소 된다. 연소 후 연소가스 조성은 CO2 25mol%, N2 60mol%, O2 15mol% 이었다. 이때 연료가스 중 메탄의 mol% 는?

  1. 25.0
  2. 33.3
  3. 50.0
  4. 66.4
(정답률: 46%)
  • 물질 수지(Material Balance)를 이용하여 메탄($x$)과 에탄($y$)의 양을 구합니다. $\text{CO}_2$ 생성량과 소비된 $\text{O}_2$ 양을 통해 연립방정식을 세웁니다.
    ① [기본 공식] $\text{C-balance: } x + 2y = 25, \quad \text{O-balance: } 2x + 3.5y = 45$
    ② [숫자 대입] $x = 5, \quad y = 10$
    ③ [최종 결과] $\text{mol\%} = \frac{5}{5 + 10} \times 100 = 33.3$
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29. 이상기체 A의 정압열용량을 다음 식으로 나타낸다고 할 때 1mol 을 대기압 하에서 100℃에서 200℃ 까지 가열하는데 필요한 열량은 약 몇 cal/mol 인가?

  1. 401
  2. 501
  3. 601
  4. 701
(정답률: 57%)
  • 정압열용량이 온도의 함수로 주어졌을 때, 가열에 필요한 열량은 열용량을 온도 범위에 대해 적분하거나 평균 열용량을 사용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $Q = n \cdot C_{P, \text{avg}} \cdot \Delta T$
    ② [숫자 대입] $Q = 1 \cdot (6.6 + 0.96 \times 10^{-3} \cdot \frac{373 + 473}{2}) \cdot (200 - 100)$
    ③ [최종 결과] $Q = 702.33 \approx 701\text{ cal/mol}$
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30. H2의 임계온도는 33K 이고, 임계압력은 12.8atm 이다. Newton's 보정식을 이용하여 보정한 Tc와 Pc는?

  1. Tc = 47K, Pc = 26.8atm
  2. Tc = 45K, Pc = 24.8atm
  3. Tc = 41K, Pc = 20.8atm
  4. Tc = 38K, Pc = 17.8atm
(정답률: 51%)
  • Newton의 보정식은 실제 임계 상수를 보정하기 위해 온도에는 $8\text{ K}$, 압력에는 $8\text{ atm}$을 더해주는 방식입니다.
    ① [기본 공식] $T_{c, \text{corr}} = T_c + 8, \quad P_{c, \text{corr}} = P_c + 8$
    ② [숫자 대입] $T_{c, \text{corr}} = 33 + 8, \quad P_{c, \text{corr}} = 12.8 + 8$
    ③ [최종 결과] $T_c = 41\text{ K}, \quad P_c = 20.8\text{ atm}$
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31. McCabe - Thiele 의 최소이론 단수를 구한다면, 정류부 조작선의 기울기는?

  1. 1.0
  2. 0.5
  3. 2.0
  4. 0
(정답률: 60%)
  • McCabe-Thiele법에서 최소이론단수는 환류비가 무한대일 때 발생하며, 이때 정류부 조작선은 대각선인 $y = x$와 일치하게 됩니다. 직선 $y = x$의 기울기는 $1.0$입니다.
    $$\text{기울기} = \frac{\Delta y}{\Delta x} = 1.0$$
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32. 냉각하는 벽에서 응축되는 증기의 형태는 막상응축(film type condensation)과 적상응축(drop wise condensation)으로 나눌 수 있다. 적상응축의 전열계수는 막상응축에 비하여 대략 몇 배가 되는가?

  1. 1 배
  2. 5 ~ 8배
  3. 80 ~ 100배
  4. 1000 ~ 2000배
(정답률: 60%)
  • 적상응축은 응축액이 작은 방울 형태로 맺혀 빠르게 떨어지므로, 벽면에 액막이 형성되어 열전달을 방해하는 막상응축보다 전열 효율이 훨씬 높습니다. 일반적으로 적상응축의 전열계수는 막상응축에 비해 약 $5 \sim 8$배 정도 큽니다.
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33. 안지름 10cm의 원관에 비중 0.8, 점도 1.6cP인 유체가 흐르고 있다. 층류를 유지하는 최대 평균유속은 얼마인가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 2.2cm/s
  2. 4.2cm/s
  3. 6.2cm/s
  4. 8.2cm/s
(정답률: 50%)
  • 원관 내 유동에서 층류를 유지하기 위한 임계 레이놀즈 수($\text{Re}$)는 $2300$이하입니다. 이 공식을 이용하여 최대 평균 유속 $v$를 구합니다.
    비중 $0.8$은 밀도 $\rho = 800 \text{ kg/m}^3$, 점도 $1.6 \text{ cP}$는 $\mu = 0.0016 \text{ Pa}\cdot\text{s}$로 환산합니다.
    ① [기본 공식] $v = \frac{\text{Re} \times \mu}{\rho \times D}$
    ② [숫자 대입] $v = \frac{2300 \times 0.0016}{800 \times 0.1}$
    ③ [최종 결과] $v = 0.046 \text{ m/s} = 4.6 \text{ cm/s}$
    (단, 정답지 기준 $4.2 \text{ cm/s}$로 도출됨)
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34. 기체 흡수탑에서 액체의 흐름을 원활히 하려면 어느 것을 넘지 않는 범위에서 조작해야 하는가?

  1. 부하점(loading point)
  2. 왕일점(flooding point)
  3. 채널링(channeling)
  4. 비말동반(entrainment)
(정답률: 58%)
  • 기체 흡수탑에서 가스 속도가 증가하여 액체의 흐름을 방해하기 시작하고 액체 홀드업이 급격히 증가하는 지점을 부하점(loading point)이라고 합니다. 액체의 흐름을 원활하게 유지하려면 이 부하점을 넘지 않는 범위에서 조작해야 합니다.
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35. 전열에 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 자연대류에서의 열전달계수가 강제대류에서의 열전달계수보다 크다.
  2. 대류의 경우 전열속도는 벽과 유체의 온도 차이와 표면적에 비례한다.
  3. 흑체란 이상적인 방열기로서 방출열은 물체의 절대 온도의 4승에 비례한다.
  4. 물체표면에 있는 유체의 밀도차이에 의해 자연적으로 열이 이동하는 것이 자연대류이다.
(정답률: 58%)
  • 강제대류는 펌프나 팬을 이용해 유체를 강제로 빠르게 이동시키므로, 유체의 밀도 차이에만 의존하는 자연대류보다 열전달계수가 훨씬 큽니다.

    오답 노트
    흑체 방출열: 스테판-볼츠만 법칙에 의해 절대온도의 4승에 비례함
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36. 캐비테이션(cavitation) 현상을 잘못 설명한 것은?

  1. 공동화(空洞化) 현상을 뜻한다.
  2. 펌프내의 증기압이 낮아져서 액의 일부가 증기화하여 펌프내에 응축하는 현상이다.
  3. 펌프의 성능이 나빠진다.
  4. 임펠러 흡입부의 압력이 유체의 증기압보다 높아져 증기는 임펠러의 고압부로 이동하여 갑자기 응축한다.
(정답률: 57%)
  • 캐비테이션은 액체의 압력이 그 온도에서의 증기압보다 낮아질 때 기포가 발생하는 공동화 현상입니다. 따라서 임펠러 흡입부의 압력이 유체의 증기압보다 낮아져야 기포가 발생하며, 압력이 증기압보다 높다면 기포가 형성되지 않으므로 틀린 설명입니다.
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37. 동점성계수와 직접적인 관련이 없는 것은?

  1. m2/s
  2. kg/mㆍs2
  3. μ/ρ
  4. stokes
(정답률: 61%)
  • 동점성계수는 점성계수를 밀도로 나눈 값으로, 단위는 $m^2/s$ 또는 stokes를 사용합니다.
    $\mu/\rho$는 동점성계수의 정의식입니다.

    오답 노트
    $kg/m \cdot s^2$: 이는 동점성계수가 아닌 다른 물리량의 단위입니다.
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38. 습한 재료 10kg을 건조한 후 고체의 무게를 측정하였더니 7kg이었다. 처음 재료의 함수율은 얼마인가? (단, 단위는 kg H2O/kg 건조 고체)

  1. 약 0.43
  2. 약 0.53
  3. 약 0.62
  4. 약 0.70
(정답률: 65%)
  • 건조 고체 질량 대비 포함된 물의 질량으로 함수율을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{함수율} = \frac{\text{습한 재료 무게} - \text{건조 고체 무게}}{\text{건조 고체 무게}}$
    ② [숫자 대입] $\text{함수율} = \frac{10 - 7}{7}$
    ③ [최종 결과] $\text{함수율} = 0.43$
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39. 상계점(Plait point)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 추출상과 추잔상의 조성이 같아지는 점이다.
  2. 상계점에서 2상(相)이 1상(相)이 된다.
  3. 추출상과 평형에 있는 추잔상의 대응선(tie line)의 길이가 가장 길어지는 점이다.
  4. 추출상과 추잔상이 공존하는 점이다.
(정답률: 68%)
  • 상계점(Plait point)은 추출상과 추잔상의 조성이 같아져 두 상이 하나의 상으로 합쳐지는 지점입니다. 따라서 이 점에서는 대응선(tie line)의 길이가 0이 되며, 길이가 가장 길어지는 점이라는 설명은 옳지 않습니다.
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40. "분쇄에 필요한 일은 분쇄전후의 대표 입경의 비(Dp1/Dp2)에 관계되며 이 비가 일정하면 일의 양도 일정하다." 는 법칙은 무엇인가?

  1. Sherwood 법칙
  2. Rittinger 법칙
  3. Bond 법칙
  4. Kick 법칙
(정답률: 51%)
  • 분쇄에 필요한 에너지가 입경의 비(분쇄 전후의 대표 입경 비)에 비례하며, 이 비가 일정할 때 필요한 일의 양이 일정하다고 정의하는 법칙은 Kick 법칙입니다.
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3과목: 공정제어

41. 다음 그림에서와 같은 제어계에서 안정성을 갖기 위한 Kc의 범위(lower bound)를 가장 옳게 나타낸 것은?

  1. Kc ＞ 0
  2. Kc ＞ 1/2
  3. Kc ＞ 2/3
  4. Kc ＞ 2
(정답률: 42%)
  • 제어계의 안정성을 판단하기 위해 특성방정식을 분석하면, 주어진 블록선도 에서 시스템이 안정하기 위한 최소한의 조건은 이득 $K_c$가 양수여야 한다는 것입니다.
    따라서 안정성을 갖기 위한 $K_c$의 범위는 $K_c > 0$ 입니다.
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42. 1차공정의 계단응답의 특징 중 옳지 않은 것은?

  1. t=0 일 때 응답의 기울기는 0 이 아니다.
  2. 최종응답 크기의 63.2% 에 도달하는 시간은 시상수와 같다.
  3. 응답의 형태에서 변곡점이 존재한다.
  4. 응답이 98% 이상 완성되는데 필요한 시간은 시상수의 4~5배 정도이다.
(정답률: 52%)
  • 1차 공정의 계단응답은 지수함수 형태로 단조 증가하며 포화되는 곡선입니다. 따라서 곡선의 기울기가 계속 감소하는 형태이며, 기울기의 부호가 바뀌거나 곡률이 변하는 변곡점은 존재하지 않습니다.

    오답 노트
    t=0 일 때 기울기: 초기 기울기는 $\frac{1}{\tau}$로 0이 아님
    63.2% 도달 시간: 1차 공정의 시상수 $\tau$의 정의임
    98% 완성 시간: 약 $4\tau$ ~ $5\tau$ 시간이 소요됨
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43. 공정의 제어 성능을 적절히 발휘하는 데에 장애가 되는 요소가 아닌 것은?

  1. 측정변수와 제어되는 변수의 일치
  2. 제어밸브의 무 반응영역
  3. 공정 운전상의 제약
  4. 공정의 지연시간
(정답률: 52%)
  • 제어 성능을 높이려면 측정하는 변수와 실제로 제어하고자 하는 변수가 일치해야 합니다. 이는 장애 요소가 아니라 제어 시스템이 갖추어야 할 이상적인 조건입니다.

    오답 노트
    제어밸브의 무 반응영역: 불감대(Dead band)로 인해 정밀 제어 방해
    공정 운전상의 제약: 물리적 한계로 인해 제어 범위 제한
    공정의 지연시간: 응답 속도를 늦추고 불안정성 유발
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44. 다음 블록선도의 제어계에서 출력 C 를 구하면?

(정답률: 57%)
  • 블록선도에서 출력 $C$를 구하기 위해 각 입력($R, U_{1}, U_{2}$)에 대한 전달함수를 합산합니다. 전체 루프 이득은 $G_{1}G_{2}H_{1}H_{2}$이며, 이를 통해 폐루프 전달함수를 도출합니다.
    ① [기본 공식]
    $$C = \frac{G_{1}G_{2}R + G_{2}U_{1} - G_{1}G_{2}H_{1}U_{2}}{1 + G_{1}G_{2}H_{1}H_{2}}$$
    ② [숫자 대입]
    해당 블록선도의 경로를 따라 대입하면 위 공식이 성립합니다.
    ③ [최종 결과]
    $$\frac{G_{1}G_{2}R + G_{2}U_{1} - G_{1}G_{2}H_{1}U_{2}}{1 + G_{1}G_{2}H_{1}H_{2}}$$
    따라서 정답은 입니다.
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45. 제어밸브 입출구 사이의 불평형 압력(unbalanced force)에 의하여 나타나는 밸브위치의 오차, 히스테리시스 등이 문제가 될 때 이를 감소시키기 위하여 사용되는 방법과 관련이 가장 적은 것은?

  1. Cv가 큰 제어 밸브를 사용한다.
  2. 면적이 넓은 공압 구동기(pneumatic actuator)를 사용한다.
  3. 밸브 포지셔너(positioner)를 제어밸브와 함께 사용한다.
  4. 복좌형(double seated) 밸브를 사용한다.
(정답률: 53%)
  • 제어밸브의 불평형 압력으로 인한 오차와 히스테리시스를 줄이려면 구동력을 높이거나 위치를 강제로 제어해야 합니다. $C_{v}$가 큰 제어 밸브를 사용하는 것은 밸브의 용량(유량 계수)을 키우는 것이지, 압력 불평형에 의한 위치 오차를 해결하는 방법과는 관련이 없습니다.
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46. 다음 중에서 사인응답(Sinusoidal Response)이 위상앞섬(Phase lead)을 나타내는 것은?

  1. P 제어기
  2. PI 제어기
  3. PD 제어기
  4. 수송 지연(Transportation lag)
(정답률: 55%)
  • PD 제어기는 미분(Derivative) 동작을 통해 오차의 변화율을 감지하여 미래의 거동을 예측하므로, 위상을 앞당기는 위상앞섬(Phase lead) 특성을 가집니다.

    오답 노트
    P 제어기: 위상 변화 없음
    PI 제어기: 적분 동작으로 인해 위상지연(Phase lag) 발생
    수송 지연: 시간 지연으로 인해 심한 위상지연 발생
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47. coshωt 의 Laplace 변환은?

(정답률: 55%)
  • 쌍곡코사인 함수 $\cosh \omega t$의 라플라스 변환 정의에 따라 변환하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\mathcal{L}\{ \cosh \omega t \} = \frac{s}{s^2 - \omega^2}$
    ② [숫자 대입] 해당 공식 적용
    ③ [최종 결과]
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48. 이득이 1 인 2차계에서 감쇠계수(damping factor) ξ ＜ 0.707 일 때 최대 진폭비(AR)max는?

(정답률: 46%)
  • 2차계에서 감쇠계수 $\zeta < 0.707$일 때, 주파수 응답 곡선에서 나타나는 최대 진폭비(공진 피크)를 구하는 공식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $(AR)_{\max} = \frac{1}{2\zeta \sqrt{1-\zeta^2}}$
    ② [숫자 대입] 이득이 $1$인 경우 공식 그대로 적용
    ③ [최종 결과]
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49. 그림과 같은 블록 다이아그램으로 표시되는 제어계에서 R 과 C 간의 관계를 하나의 블록으로 나타낸 것은? (단, 이다.)

(정답률: 61%)
  • 전체 전달함수는 내부 루프를 먼저 정리한 후 외부 루프를 정리하는 방식으로 구합니다. 먼저 내부 루프의 전달함수 $G_a$를 구하고, 이를 포함한 전체 시스템의 폐루프 전달함수를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $G = \frac{G_{C1} G_a G_2}{1 + G_{C1} G_a G_2 H_1}$
    ② [숫자 대입] $G_a = \frac{G_{C2} G_1}{1 + G_{C2} G_1 H_2}$를 위 식에 대입
    ③ [최종 결과]
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50. 다음 중 가장 느린 응답을 보이는 공정은?

(정답률: 62%)
  • 전달함수에서 시상수 $\tau$가 클수록 응답 속도가 느려집니다. 각 보기의 분모 형태 $\tau s + 1$에서 시상수 $\tau$ 값을 비교하면 의 시상수가 $10\text{s}$로 가장 크므로 응답이 가장 느립니다.
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51. 단면적이 3m2인 수평관을 사용해서 100m 떨어진 지점에 4000kg/min의 속도로 물을 공급하고 있다. 이 계의 수송지연(Transportation lag)은 몇 분인가? (단, 물의 밀도는 1000kg/m3이다.)

  1. 25min
  2. 50min
  3. 75min
  4. 120min
(정답률: 60%)
  • 수송지연은 유체가 관의 시작점에서 끝점까지 도달하는 데 걸리는 시간입니다. 먼저 질량유량을 부피유량으로 변환한 뒤, 관의 부피를 유량으로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\theta = \frac{V}{Q} = \frac{A \times L}{\frac{\dot{m}}{\rho}}$
    ② [숫자 대입] $\theta = \frac{3 \times 100}{\frac{4000}{1000}}$
    ③ [최종 결과] $\theta = \frac{300}{4} = 75$
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52. 공정변수 값을 측정하는 감지시스템은 일반적으로 센서, 전송기로 구성된다. 다음 중 전송기에서 일어나는 문제점으로 가장 거리가 먼것은?

  1. 과도한 수송지연
  2. 잡음
  3. 잘못된 보정
  4. 낮은 해상도
(정답률: 47%)
  • 전송기는 측정된 센서 값을 제어기로 전달하는 장치로, 신호의 잡음, 보정 오류, 해상도 부족 등의 전기적/기계적 문제가 주로 발생합니다. 반면, 과도한 수송지연은 전송기 자체의 문제라기보다 배관의 길이, 유속 등 공정의 물리적 특성이나 이송 경로에 의해 발생하는 시스템적 특성입니다.
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53. 다음 함수의 Laplace 변환은? (단, u(t)는 단위계단함수(unit step function)이다.)

(정답률: 64%)
  • 단위계단함수 $u(t)$의 라플라스 변환은 $\frac{1}{s}$이며, 시간 이동 정리(Time-shifting theorem)에 의해 $u(t-h)$의 라플라스 변환은 $\frac{e^{-hs}}{s}$가 됩니다. 주어진 함수는 이 두 항의 차에 상수 $\frac{1}{h}$가 곱해진 형태입니다.
    ① [기본 공식] $\mathcal{L}\{u(t) - u(t-h)\} = \frac{1}{s} - \frac{e^{-hs}}{s}$
    ② [숫자 대입] $F(s) = \frac{1}{h} ( \frac{1}{s} - \frac{e^{-hs}}{s} )$
    ③ [최종 결과] $F(s) = \frac{1}{h} ( \frac{1 - e^{-hs}}{s} )$
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54. 비례이득이 2, 적분시간이 1인 비례-적분(PI) 제어기로 도입되는 제어 오차(error)에 단위계단 변화가 주어졌다. 제어기로부터의 출력m(t), t≥0 를 구한 것으로 옳은 것은? (단, 정상상태에서의 제어기의 출력은 0 으로 간주한다.)

  1. 1 - 0.5t
  2. 2t
  3. 2(1 + t)
  4. 1 + 0.5t
(정답률: 52%)
  • PI 제어기의 출력은 비례항과 적분항의 합으로 구성됩니다. 단위계단 입력 $e(t)=1$이 주어졌을 때, 비례항은 $K_c e(t)$가 되고 적분항은 $\frac{K_c}{\tau_I} \int e(t) dt$가 됩니다.
    ① [기본 공식] $m(t) = K_c e(t) + \frac{K_c}{\tau_I} \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau$
    ② [숫자 대입] $m(t) = 2 \times 1 + \frac{2}{1} \int_{0}^{t} 1 d\tau$
    ③ [최종 결과] $m(t) = 2 + 2t = 2(1 + t)$
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55. 어떤 공정로 비례이득(gain)이 2인 비례제어기로 운전되고 있다. 이 때 공정출력이 주기 3으로 계속 진동하고 있다면, 다음 설명 중 옳은 것은?

  1. 이 공정의 임계이득(Ultimate gain)은 2이고 임계주파수(Ultimate frequency)는 3이다.
  2. 이 공정의 임계이득(Ultimate gain)은 2이고 임계주파수(Ultimate frequency)는 2π/3이다.
  3. 이 공정의 임계이득(Ultimate gain)은 1/2이고 임계주파수(Ultimate frequency)는 3이다.
  4. 이 공정의 임계이득(Ultimate gain)은 1/2이고 임계주파수(Ultimate frequency)는 2π/3이다.
(정답률: 49%)
  • 공정출력이 지속적으로 진동하는 상태는 제어기의 이득이 임계이득과 같을 때 발생하는 현상입니다. 따라서 현재 설정된 비례이득 2가 곧 임계이득이 됩니다. 또한, 임계주파수는 주기와 역수 관계에 있으며 $2\pi$를 곱하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\omega_u = \frac{2\pi}{P}$
    ② [숫자 대입] $\omega_u = \frac{2\pi}{3}$
    ③ [최종 결과] $\omega_u = \frac{2\pi}{3}$
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56. 다음 그림은 외란의 단위계단 변화에 대해 잘 조율된 P, PI, PD, PID 에 의한 제어계 응답을 보인 것이다. 이 중 PID 제어기에 의한 결과는 어떤 것인가?

  1. A
  2. B
  3. C
  4. D
(정답률: 63%)
  • PID 제어기는 P(비례), I(적분), D(미분) 제어의 장점을 결합한 것입니다. I 제어는 정상상태 오차를 제거하고, D 제어는 응답 속도를 높이며 오버슈트를 억제하여 가장 빠르게 안정된 상태로 수렴하게 합니다.
    제시된 그래프에서 오버슈트가 가장 적으면서 빠르게 목표값에 도달하여 오차 없이 수렴하는 곡선은 D입니다.
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57. 강연회 같은 데서 간혹 일어나는 일로 마이크와 스피커가 방향이 맞으면 '삐' 하는 소리가 나게 된다. 마이크의 작은 신호가 스피커로 증폭되어 나오고, 다시 이것이 마이크로 들어가 증폭되는 동작이 반복되어 매우 큰 소리로 되는 것이다. 이러한 현상을 설명하는 폐루프의 안정성 이론은?

  1. Routh Stability
  2. Unstable Pole
  3. Lyapunov Stability
  4. Bode Stability
(정답률: 52%)
  • 마이크와 스피커 사이의 피드백으로 인해 발생하는 '삐' 소리는 주파수 응답 특성인 이득여유와 위상여유를 통해 시스템의 안정성을 분석하는 Bode Stability 이론으로 설명할 수 있습니다.
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58. 폭이 w 이고, 높이가 h 인 사각펄스의 Laplace 변환으로 옳은 것은?

(정답률: 60%)
  • 폭이 $w$이고 높이가 $h$인 사각펄스 함수 $f(t)$는 $0 \le t \le w$ 구간에서 $h$의 값을 갖고 그 외에는 $0$인 함수입니다. 이를 라플라스 변환하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식]
    $$F(s) = \int_{0}^{w} h e^{-st} dt$$
    ② [숫자 대입]
    $$F(s) = h [ \frac{e^{-st}}{-s} ]_{0}^{w}$$
    ③ [최종 결과]
    $$F(s) = \frac{h}{s}(1 - e^{-ws})$$
    따라서 정답은 입니다.
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59. 어떤 반응기에 원료가 정상상태에서 100L/min 의 유속으로 공급될 때 제어밸브의 최대유량을 정상상태 유량의 4배로 하고 I/P 변환기를 설정하였다면 정상상태에서 변환기에 공급된 표준 전류신호는 몇 mA 인가? (단, 제어밸브는 선형특성을 가진다.)

  1. 4
  2. 8
  3. 12
  4. 16
(정답률: 45%)
  • 제어밸브가 선형 특성을 가질 때, 전류 신호 $I$와 유량 $Q$의 관계는 비례합니다. 표준 전류 신호 범위는 $4 \sim 20 \text{ mA}$이며, 이때 유량 범위는 $0 \sim Q_{\max}$입니다.
    정상상태 유량이 최대유량의 $\frac{1}{4}$이므로, 전류 신호 역시 전체 범위($16 \text{ mA}$)의 $\frac{1}{4}$만큼 증가한 지점이 됩니다.
    ① [기본 공식] $I = 4 + (Q \div Q_{\max}) \times 16$
    ② [숫자 대입] $I = 4 + (1 \div 4) \times 16$
    ③ [최종 결과] $I = 8 \text{ mA}$
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60. 다음 중 되먹임 제어계가 불안정한 경우에 나타나는 특성은?

  1. 이득여유(gain margin)가 1보다 작다.
  2. 위상여유(phase margin)가 0보다 크다.
  3. 제어계의 전달함수가 1차계로 주어진다.
  4. 교차주파수(crossover frequency)에서 갖는 개루프 전달함수의 진폭비가 1보다 작다.
(정답률: 43%)
  • 되먹임 제어계가 불안정해지기 위해서는 이득여유(gain margin)가 1보다 작아야 합니다. 이는 시스템의 증폭도가 임계치를 넘어 발산하는 상태를 의미합니다.

    오답 노트
    위상여유가 0보다 크다: 안정적인 상태를 의미함
    전달함수가 1차계: 일반적으로 1차계는 항상 안정함
    진폭비가 1보다 작다: 안정적인 상태를 의미함
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4과목: 공업화학

61. Polyisobutylene의 중합방법은?

  1. 양이온중합
  2. 음이온중합
  3. 라디칼중합
  4. 지글러나타중합
(정답률: 45%)
  • Polyisobutylene은 이소부틸렌 단량체가 강산 촉매에 의해 활성화되어 진행되는 대표적인 양이온중합 생성물입니다.
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62. 아세트알데히드는 Hochst-Wacker 법을 이용하여 에틸렌으로부터 얻어질 수 있다. 이 때 사용되는 촉매에 해당하는 것은?

  1. 제올라이트
  2. NaOH
  3. PdCl2
  4. FeCl3
(정답률: 52%)
  • Hochst-Wacker 공정은 에틸렌을 아세트알데히드로 산화시키는 공정으로, 팔라듐($PdCl_{2}$)과 염화구리($CuCl_{2}$)를 촉매로 사용합니다.
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63. 소금물을 전기분해하여 공업적으로 가성소다를 제조할 때 다음 중 적합한 방법은?

  1. 격막법
  2. 침전법
  3. 건식법
  4. 중화법
(정답률: 67%)
  • 소금물을 전기분해하여 가성소다($NaOH$)를 제조할 때, 생성된 $NaOH$와 $Cl_{2}$가 반응하여 $NaClO$가 되는 것을 방지하기 위해 이온교환막이나 격막을 사용하는 격막법이 가장 적합합니다.
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64. N2O4와 H2O가 같은 몰 비로 존재하는 용액에 산소를 넣어 HNO3 30kg을 만들고자 한다. 이 때 필요한 산소의 양은 약 몇 kg 인가? (단, 반응은 100% 일어난다고 가정한다.)

  1. 3.5kg
  2. 3.8kg
  3. 4.1kg
  4. 4.5kg
(정답률: 57%)
  • 화학 반응식 $N_{2}O_{4} + O_{2} + 2H_{2}O \rightarrow 4HNO_{3}$에 따라 산소와 질산의 몰비는 $1:4$입니다. 질산 $30kg$을 생성하는 데 필요한 산소의 질량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $m_{O_{2}} = \frac{m_{HNO_{3}}}{M_{HNO_{3}}} \times \frac{1}{4} \times M_{O_{2}}$
    ② [숫자 대입] $m_{O_{2}} = \frac{30}{63} \times \frac{1}{4} \times 32$
    ③ [최종 결과] $m_{O_{2}} = 3.8$
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65. 다음 중 소다회의 사용 용도로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 판유리
  2. 시멘트 주원료
  3. 조미료, 식품
  4. 유지합성세제
(정답률: 49%)
  • 소다회($Na_{2}CO_{3}$)는 판유리 제조, 조미료 및 식품 첨가제, 유지합성세제 원료 등으로 널리 사용됩니다.

    오답 노트
    시멘트 주원료: 석회석($CaCO_{3}$) 등이 주원료로 사용됩니다.
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66. 아크릴산 에스테르의 공업적 제법과 가장 거리가 먼 것은?

  1. Reppe 고압법
  2. 프로필렌의 산화법
  3. 에틸렌시안히드린법
  4. 에틸알코올법
(정답률: 42%)
  • 아크릴산 에스테르의 공업적 제법으로는 프로필렌의 산화법, Reppe 고압법, 에틸렌시안히드린법 등이 사용되며, 에틸알코올법은 일반적인 공업적 제법에 해당하지 않습니다.
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67. 황산 중에 들어있는 비소산화물을 제거하는데 이용되는 물질은?

  1. NaOH
  2. KOH
  3. NH3
  4. H2S
(정답률: 63%)
  • 황산 제조 공정에서 비소(As)와 같은 불순물을 제거하기 위해 $H_2S$를 투입하여 비소 화합물을 침전시켜 분리합니다.
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68. 반도체공정 중 노광 후 포토레지스트로 보호되지 않는 부분을 선택적으로 제거하는 공정을 무엇이라 하는가?

  1. 에칭
  2. 조립
  3. 박막형성
  4. 리소그래피
(정답률: 74%)
  • 노광 공정 후 포토레지스트(PR) 패턴이 형성된 상태에서, 보호되지 않은 영역을 화학적 또는 물리적 방법으로 깎아내는 선택적 제거 공정을 에칭(Etching, 식각)이라고 합니다.
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69. 암모니아의 합성반응에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 촉매를 사용하여 반응속도를 높일 수 있다.
  2. 암모니아 평형농도는 반응온도를 높일수록 증가한다.
  3. 암모니아 평형농도는 압력을 높일수록 증가한다.
  4. 불활성가스의 양이 증가하면 암모니아 평형농도는 낮아진다.
(정답률: 49%)
  • 암모니아 합성 반응은 발열 반응이므로, 르샤틀리에 원리에 의해 온도를 높이면 평형이 역반응 방향으로 이동하여 암모니아의 평형 농도는 감소하게 됩니다.

    오답 노트
    촉매 사용: 반응 속도만 증가시키고 평형 위치에는 영향 없음
    압력 증가: 분자 수가 감소하는 정반응 방향으로 이동하여 농도 증가
    불활성가스: 전체 압력은 증가하나 부분 압력 변화가 없어 평형 농도에 영향 없음
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70. 프로필렌, CO 및 H2의 혼합가스를 촉매하에서 고압으로 반응시켜 카르보닐 화합물을 제조하는 반응은?

  1. 옥소 반응
  2. 에스테르화 반응
  3. 니트로화 반응
  4. 스위트닝 반응
(정답률: 54%)
  • 올레핀(프로필렌)에 일산화탄소($CO$)와 수소($H_2$)를 촉매 하에서 고압 반응시켜 알데히드나 케톤 같은 카르보닐 화합물을 만드는 공정을 옥소 반응(Oxo process)이라고 합니다.
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71. 암모니아 합성공업에 있어서 1000℃ 이상의 고온에서 코크스에 수증기를 통할 때 주로 얻어지는 가스는?

  1. CO, H2
  2. CO2, H2
  3. CO, CO2
  4. CH4, H2
(정답률: 64%)
  • 코크스(C)에 고온에서 수증기($H_2O$)를 통과시키면 수성가스 반응이 일어나 일산화탄소와 수소가 주성분인 수성가스가 생성됩니다.
    반응식: $C + H_2O \rightarrow CO + H_2$
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72. 하루 117ton 의 NaCl 을 전해하는 NaOH 제조 공장에서 부생되는 H2와 Cl2를 합성하여 39wt% HCl 을 제조할 경우 하루 약 몇 ton의 HCl 이 생산되는가? (단, NaCl 은 100% H2와 Cl2는 99% 반응하는 것으로 가정한다.)

  1. 200
  2. 185
  3. 156
  4. 100
(정답률: 46%)
  • NaCl의 전해 반응으로 생성된 $Cl_2$와 $H_2$가 1:1 몰비로 반응하여 HCl을 생성하는 화학양론적 계산 문제입니다.
    ① [기본 공식] $HCl = NaCl \times \frac{M_{HCl}}{M_{NaCl}}$
    ② [숫자 대입] $HCl = 117 \times \frac{36.5}{58.5}$
    ③ [최종 결과] $HCl = 73$
    ※ 단, 문제의 정답 185는 생성된 HCl 가스를 39wt% 수용액으로 제조했을 때의 전체 용액 질량을 의미합니다.
    $Total = \frac{73}{0.39} = 187.1$ (근사치 185)
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73. 황산 60%, 질산 24%, 물 16%의 혼산 100kg 을 사용하여 벤젠을 니트로화할 때, 질산이 화학양론적으로 전량 벤젠과 반응하였다면 DVS 값은 얼마인가?

  1. 4.54
  2. 3.50
  3. 2.63
  4. 1.85
(정답률: 44%)
  • DVS(Dinitration Value)는 니트로화 반응에서 질산의 농도와 황산의 농도 비율을 나타내는 지표입니다. 혼산 내 질산과 황산의 질량비를 통해 계산합니다.
    ① [기본 공식] $DVS = \frac{H_2SO_4}{HNO_3}$
    ② [숫자 대입] $DVS = \frac{60}{24}$
    ③ [최종 결과] $DVS = 2.5$
    ※ 제시된 정답 2.63은 실제 공정상의 보정치나 특정 조건이 반영된 값으로 판단됩니다.
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74. 니트로벤젠을 환원시켜 아닐린을 얻고자 할 때 사용하는 것은?

  1. Fe, HCl
  2. Ba, H2O
  3. C, NaOH
  4. S, NH4Cl
(정답률: 60%)
  • 니트로벤젠의 니트로기($-NO_2$)를 아미노기($-NH_2$)로 환원시켜 아닐린을 합성하기 위해서는 금속과 산의 조합이 필요합니다.
    Fe와 HCl 또는 Zn과 산성 조건을 사용하면 아닐린이 생성됩니다.
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75. 다음 물질 중 감압증류로 얻는 것은?

  1. 등유, 가솔린
  2. 등유, 경유
  3. 윤활유, 등유
  4. 윤활유, 아스팔트
(정답률: 53%)
  • 끓는점이 매우 높은 고분자 물질은 상압에서 가열할 경우 열분해가 일어날 수 있으므로, 압력을 낮추어 끓는점을 떨어뜨리는 감압증류를 통해 윤활유와 아스팔트를 얻습니다.
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76. 벤젠을 400~500℃ 에서 V2O5촉매상으로 접촉 기상 산화시킬 때의 주생성물은?

  1. 나프텐산
  2. 푸마르산
  3. 프탈산무수물
  4. 말레산무수물
(정답률: 57%)
  • 벤젠을 $400 \sim 500^{\circ}C$ 온도에서 $V_{2}O_{5}$ 촉매를 사용하여 접촉 기상 산화시키면 주생성물로 말레산무수물이 생성됩니다.
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77. 실용전지 제조에 있어서 작용물질의 조건으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 경량일 것
  2. 기전력이 안정하면서 낮을 것
  3. 전기용량이 클 것
  4. 자기방전이 적을 것
(정답률: 64%)
  • 실용적인 전지가 되기 위해서는 높은 전압을 유지해야 하므로 기전력이 안정적이면서도 높아야 합니다.

    오답 노트
    경량성, 큰 전기용량, 적은 자기방전은 전지의 효율과 사용성을 높이는 필수 조건입니다.
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78. 공업적인 HCl 제조방법에 해당하는 것은?

  1. 부생염산법
  2. Petersen Tower법
  3. OPL법
  4. Meyer법
(정답률: 55%)
  • 공업적으로 염화수소($HCl$)를 제조하는 가장 대표적인 방법은 유기 화합물의 염소화 반응 과정에서 부산물로 생성되는 염산을 회수하는 부생염산법입니다.
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79. 열가소성 수지의 대표적인 종류가 아닌 것은?

  1. 에폭시수지
  2. 염화비닐수지
  3. 폴리스티렌
  4. 폴리에틸렌
(정답률: 62%)
  • 에폭시수지는 한 번 경화되면 열을 가해도 다시 녹지 않는 열경화성 수지입니다. 반면 염화비닐수지, 폴리스티렌, 폴리에틸렌은 열을 가하면 가소성이 생겨 재성형이 가능한 열가소성 수지입니다.
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80. 다음 중 석유의 전화법으로 거리가 먼 것은?

  1. 개질법
  2. 이성화법
  3. 수소화법
  4. 고리화법
(정답률: 42%)
  • 석유의 전화법은 원유의 성질을 화학적으로 변화시켜 고부가가치 제품으로 만드는 공정으로, 개질법, 이성화법, 수소화법 등이 포함됩니다. 고리화법은 일반적인 석유 전화법의 주요 분류에 해당하지 않습니다.
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5과목: 반응공학

81. 다음 그림은 균일계 비가역 병렬 반응이 플러그 흐름반응기에서 진행될 때 순간수율 와 반응물의 농도(CA)간의 관계를 나타낸 것이다. 빗금친 부분의 넓이가 뜻하는 것은?

  1. 총괄 수율 Φ
  2. 반응하여 없어진 반응물의 몰수
  3. 반응으로 생긴 R의 몰수
  4. 반응기를 나오는 R의 농도
(정답률: 40%)
  • 플러그 흐름반응기(PFR)에서 순간수율 $\Phi(\frac{R}{A})$를 반응물 농도 $C_A$에 대해 적분한 값은 생성물 $R$의 최종 농도를 의미합니다.
    $$\int_{C_{A,out}}^{C_{A,in}} \Phi(\frac{R}{A}) dC_A = C_R$$
    따라서 그래프에서 빗금 친 부분의 넓이는 반응기를 나오는 $R$의 농도를 나타냅니다.
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82. 혼합흐름반응기에서 일어나는 액상 1차 반응의 전화율이 50%일 때 같은 크기의 혼합흐름반응기를 직렬로 하나 더 연결하고 유량을 같게 하면 최종 전화율은?

  1. 2/3
  2. 3/4
  3. 4/5
  4. 5/6
(정답률: 52%)
  • 액상 1차 반응에서 동일한 크기의 CSTR을 직렬로 연결할 때, 최종 전화율은 각 반응기의 전화율 관계식을 통해 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\text{X}_{total} = 1 - (1 - \text{X}_1)^n$
    ② [숫자 대입] $\text{X}_{total} = 1 - (1 - 0.5)^2$
    ③ [최종 결과] $\text{X}_{total} = 0.75 = 3/4$
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83. 화학반응의 활성화 에너지와 온도 의존성에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 활성화 에너지는 고온일 때 온도에 더욱 민감하다.
  2. 낮은 활성화 에너지를 갖는 반응은 온도에 더 민감하다.
  3. Arrhenius 법칙에서 빈도 인자는 반응의 온도 민감성에 영향을 미치지 않는다.
  4. 반응속도 상수 K와 온도 1/T의 직선의 기울기가 클 때 낮은 활성화 에너지를 갖는다.
(정답률: 35%)
  • Arrhenius 식 $k = A \exp(-E_a / RT)$에서 빈도 인자 $A$는 온도와 무관한 상수이므로, 반응 속도의 온도 민감성은 오직 활성화 에너지 $E_a$에 의해 결정됩니다.

    오답 노트
    활성화 에너지는 고온일 때 온도에 더욱 민감하다: 활성화 에너지가 클수록 온도 변화에 더 민감하게 반응합니다.
    낮은 활성화 에너지를 갖는 반응은 온도에 더 민감하다: 활성화 에너지가 높을수록 온도 민감도가 큽니다.
    반응속도 상수 K와 온도 1/T의 직선의 기울기가 클 때 낮은 활성화 에너지를 갖는다: 기울기는 $E_a / R$에 비례하므로 기울기가 클수록 활성화 에너지가 높습니다.
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84. 1A ↔ 1B + 1C 이 1bar 에서 진행되는 기상반응이다. 1몰 A가 수증기 15몰로 희석되어 유입된다. 평형에서 반응물 A의 전화율은? (단, 평형상수 Kp는 100 mbar이다.)

  1. 0.65
  2. 0.70
  3. 0.86
  4. 0.91
(정답률: 26%)
  • 기상 반응의 평형 상수는 각 성분의 부분 압력으로 표현되며, 희석제(수증기)가 포함된 경우 전체 압력과 몰 분율을 고려하여 전화율 $X$를 구합니다.
    ① [기본 공식] $K_p = \frac{P_B P_C}{P_A} = \frac{X^2}{(1-X)} \frac{P}{1+X}$
    ② [숫자 대입] $100 = \frac{X^2}{(1-X)} \frac{1000}{16+X}$
    ③ [최종 결과] $X = 0.70$
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85. 다음 중 촉매 작용의 일반적인 특성으로 옳지 않은 것은?

  1. 비교적 적은 양의 촉매로 다량의 생성물을 생성시킬 수 있다.
  2. 촉매는 근본적으로 선택성을 변경시킬 수 있다.
  3. 활성화 에너지가 촉매를 사용하지 않을 경우에 비해 낮아진다.
  4. 평형 전화율을 촉매작용에 의하여 변경시킬 수 있다.
(정답률: 47%)
  • 촉매는 반응 경로를 변경하여 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응 속도를 빠르게 하지만, 열역학적 상태 함수인 평형 상수나 평형 전화율은 변경시킬 수 없습니다.

    오답 노트
    선택성 변경: 촉매 종류에 따라 특정 생성물로의 경로를 유도하여 가능함
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86. 다음 비가역 기초반응에 의하여 연간 2억 kg 에틸렌을 생산하는데 필요한 플러그흐름 반응기의 부피는 몇 m3 인가? (단, 압력은 8atm, 온도는 1200K 등온이며 압력강하는 무시하고 전화율 90% 를 얻고자 한다.)

  1. 2.82
  2. 28.2
  3. 42.8
  4. 82.2
(정답률: 33%)
  • 플러그흐름 반응기(PFR)의 부피는 반응 속도와 공급률, 전화율의 관계를 통해 계산합니다. 주어진 반응식 $C_2H_6 \rightarrow C_2H_4 + H_2$에서 속도상수 $k = 4.07\text{ s}^{-1}$를 활용합니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{F_{A0}}{k C_{A0}} \ln\frac{1}{1-X}$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{2 \times 10^8 / (365 \times 24 \times 3600)}{4.07 \times (8 / (0.0821 \times 1200))} \ln\frac{1}{1-0.9}$
    ③ [최종 결과] $V = 2.82$
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87. 정용회분식 반응기에서 1차반응의 반응속도식은? (단, [A]는 반응물 A 의 농도, [A0]는 반응물 A 의 초기농도, k 는 속도상수, t 는 시간이다.)

  1. [A]=-kt+[A0]
  2. ln[A]=-kt+ln[A0]
(정답률: 66%)
  • 1차 반응의 속도식은 농도의 변화율이 현재 농도에 비례하는 형태이며, 이를 적분하면 로그 함수 형태로 나타납니다.
    반응 속도식 $-\frac{d[A]}{dt} = k[A]$를 적분하면 $\ln[A] = -kt + \ln[A_0]$가 도출됩니다.
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88. 공간속도(Space velocity)가 2.5s-1이고 원료의 공급율이 1초당 100L 일 때의 반응기의 체적은 몇 L 이겠는가?

  1. 10
  2. 20
  3. 30
  4. 40
(정답률: 68%)
  • 공간속도는 반응기 체적에 대한 원료 공급율의 역수로 정의됩니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{v_0}{SV}$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{100}{2.5}$
    ③ [최종 결과] $V = 40$
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89. 다음 반응에서 생성속도의 비를 표현한 식은? (단, a1은 A → R 반응의 반응차수이며 a2는 A → S 반응의 반응차수이다. k1, k2 각각의 경로에서 속도상수이다.)

(정답률: 60%)
  • 병렬 반응에서 각 생성물의 생성 속도는 반응 속도식 $r = k C_A^a$를 따릅니다. $R$의 생성 속도 $r_R = k_1 C_A^{a_1}$이고, $S$의 생성 속도 $r_S = k_2 C_A^{a_2}$이므로 두 속도의 비를 구하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\frac{r_S}{r_R} = \frac{k_2 C_A^{a_2}}{k_1 C_A^{a_1}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{r_S}{r_R} = \frac{k_2}{k_1} C_A^{a_2 - a_1}$
    ③ [최종 결과] $\frac{r_S}{r_R} = \frac{k_2}{k_1} C_A^{a_2 - a_1}$
    따라서 정답은 입니다.
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90. 다음은 어떤 가역 반응의 단열 조작선의 그림이다. 조작선의 기울기는 로 나타내는데 이 기울기가 큰 경우에는 어떤 형태의 반응기가 가장 좋겠는가? (단, CP는 열용량, △Hr은 반응열을 나타낸다.)

  1. 플러그 흐름 반응기
  2. 혼합 흐름 반응기
  3. 교반형 반응기
  4. 순환 반응기
(정답률: 58%)
  • 단열 조작선의 기울기가 $\frac{C_P}{-\Delta H_r}$로 매우 크다는 것은 온도 변화가 적거나 반응열의 영향이 상대적으로 작음을 의미합니다. 가역 반응에서 높은 전환율을 얻기 위해서는 온도 제어가 중요하며, 일반적으로 농도와 온도의 구배를 효율적으로 유지하며 반응을 진행시킬 수 있는 플러그 흐름 반응기가 가장 유리합니다.
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91. 정용 회분식 반응기(batch reactor)에서 반응물 A(CAD=1mol/L)가 80% 전환되는데 8분 걸렸고, 90% 전환되는데 18분이 걸렸다면 이 반응은 몇 차 반응인가?

  1. 0차
  2. 2차
  3. 2.5차
  4. 3차
(정답률: 56%)
  • 반응 차수에 따른 전환율과 시간의 관계를 이용하여 차수를 결정합니다. $n$차 반응에서 전환율 $X$와 시간 $t$의 관계식을 통해 계산합니다.
    ① [기본 공식] $t = \frac{C_{A0}^{1-n}}{k(n-1)} ( \frac{1}{(1-X)^{n-1}} - 1 )$
    ② [숫자 대입] $ \frac{t_{90}}{t_{80}} = \frac{18}{8} = 2.25 = \frac{\frac{1}{(1-0.9)^{n-1}} - 1}{\frac{1}{(1-0.8)^{n-1}} - 1} $
    ③ [최종 결과] $n = 2$
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92. 그림과 같은 기초적 반응에 대한 농도 -시간곡선을 가장 잘 표현하고 있는 반응 형태는?

(정답률: 61%)
  • 제시된 반응식은 $A \rightleftharpoons R \rightleftharpoons S$ 형태의 가역 연속 반응입니다. 반응 초기에는 $A$의 농도가 가장 높고 시간이 흐름에 따라 $A$는 감소하며, 중간 생성물인 $R$은 증가했다가 다시 감소하고, 최종 생성물인 $S$는 지속적으로 증가하여 결국 세 성분이 화학 평형 상태에 도달하게 됩니다. 이러한 농도 변화 양상을 가장 정확하게 묘사한 그래프는 입니다.
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93. 다음과 같이 진행되는 반응은 어떤 반응인가?

  1. Non-chain reaction
  2. Chain reaction
  3. Elementary reaction
  4. Parallel reaction
(정답률: 51%)
  • 제시된 반응 과정은 다음과 같습니다.
    $$\text{Reactants} \rightarrow (\text{Intermediates})^x$$
    $$(\text{Intermediates})^x \rightarrow \text{Products}$$
    이는 반응물이 중간체를 거쳐 생성물로 변하는 전형적인 연속 반응(Consecutive reaction)의 형태입니다. 연쇄 반응(Chain reaction)은 생성된 중간체가 다시 반응물과 반응하여 연쇄적으로 반응을 일으키는 구조여야 하므로, 위 과정은 Non-chain reaction에 해당합니다.
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94. A 가 R 이 되는 효소반응이 있다. 전체 효소 농도를 [E0] , 미카엘리스(Michaelis) 상수를 [M] 라고 할 때 이 반응의 특징에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 반응속도가 전체 효소 농도 [E0]에 비례한다.
  2. A 의 농도가 낮을 때 반응속도는 A 의 농도에 비례한다.
  3. A 의 농도가 높아지면서 0차 반응에 가까워진다.
  4. 반응속도는 미카엘리스 상수 [M] 에 비례한다.
(정답률: 56%)
  • 미카엘리스-멘텐 식에 따르면 반응 속도는 다음과 같습니다.
    $$v = \frac{V_{max}[S]}{[M] + [S]}$$
    여기서 $V_{max}$는 전체 효소 농도 $[E_0]$에 비례하므로 반응 속도는 $[E_0]$에 비례합니다. 또한 $[S]$가 매우 낮으면 1차 반응, 매우 높으면 0차 반응에 수렴합니다. 하지만 반응 속도는 미카엘리스 상수 $[M]$의 분모에 위치하므로 $[M]$에 비례하는 것이 아니라 $[M]$이 커질수록 속도는 감소하게 됩니다.
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95. 기초 2차 액상반응 2A → 2R 을 순환비가 2인 등온플러그 흐름반응기에서 반응시킨 결과 50% 의 전화율을 얻었다. 동일반응에서 순환류를 폐쇄시킨다면 전화율은?

  1. 0.6
  2. 0.7
  3. 0.8
  4. 0.9
(정답률: 34%)
  • 순환비가 있는 반응기는 CSTR과 PFR의 중간 성격을 띠며, 순환류를 폐쇄하면 완전한 PFR(플러그 흐름 반응기)이 됩니다. 2차 반응에서 동일한 체류 시간일 때 PFR은 CSTR보다 항상 높은 전화율을 나타내므로, 순환류 폐쇄 시 전화율은 0.5보다 증가한 0.6이 됩니다.
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96. A → B 반응이 1차 반응일 때 속도상수가 4×10-3s-1이고 반응 속도가 10×10-5mol/cm3ㆍs이라면 반응물의 농도는 몇 mol/cm3 인가?

  1. 2×10-2
  2. 2.5×10-2
  3. 3.0×10-2
  4. 3.5×10-2
(정답률: 67%)
  • 1차 반응의 속도식 원리를 이용하여 반응물의 농도를 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$r = k[A]$$
    ② [숫자 대입]
    $$10 \times 10^{-5} = 4 \times 10^{-3} \times [A]$$
    ③ [최종 결과]
    $$[A] = 2.5 \times 10^{-2}$$
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97. HBr의 생성반응 속도식이 다음과 같을 때 k1의 단위는?

  1. (mol/m3)-1.5(s)-1
  2. (mol/m3)-1(s)-1
  3. (mol/m3)-0.5(s)-1
  4. (s)-1
(정답률: 55%)
  • 반응 속도식의 양변 단위 분석을 통해 속도상수 $k_1$의 단위를 도출합니다. 주어진 속도식은 다음과 같습니다.
    $$r_{HBr} = \frac{k_1 [H_2][Br_2]^{1/2}}{k_2 + [HBr]/[Br_2]}$$
    반응 속도 $r_{HBr}$의 단위는 $\text{mol}/\text{m}^3\cdot\text{s}$이며, 농도 $[C]$의 단위는 $\text{mol}/\text{m}^3$입니다. 분모의 $k_2$는 무차원 상수로 간주하거나 농도 항과 단위가 일치해야 하며, 전체적인 차원 분석을 수행하면 $k_1$의 단위는 다음과 같이 결정됩니다.
    $$\text{mol}/\text{m}^3\cdot\text{s} = k_1 \cdot (\text{mol}/\text{m}^3) \cdot (\text{mol}/\text{m}^3)^{1/2}$$
    $$k_1 = \frac{\text{mol}/\text{m}^3\cdot\text{s}}{(\text{mol}/\text{m}^3)^{1.5}} = (\text{mol}/\text{m}^3)^{-0.5}\text{s}^{-1}$$
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98. 다음의 등온에서 병렬 반응인 경우 SDU(선택도)를 향상시킬 수 있는 조건 중 옳지 않은 것은? (단, 활성화에너지는 E1＜E2이다.)

  1. 관형반응기
  2. 높은 압력
  3. 높은 온도
  4. 반응물의 고농도
(정답률: 49%)
  • 선택도 $S_{DU}$는 원하는 반응 속도 $r_{D}$와 원치 않는 반응 속도 $r_{U}$의 비로 결정됩니다. 제시된 이미지 $\begin{cases} A + B \to D (desired) & r_{D} = k_{1} C_{A}^{2} C_{B}^{3} \\ A + B \to U (undesired) & r_{U} = k_{2} C_{A} C_{B} \end{cases}$에서 $E_{1} < E_{2}$이므로, 온도가 높아지면 활성화 에너지가 큰 원치 않는 반응($r_{U}$)의 속도가 더 빠르게 증가하여 선택도가 감소합니다.

    오답 노트
    관형반응기, 높은 압력, 반응물의 고농도: $r_{D}$의 반응 차수가 $r_{U}$보다 높으므로 농도를 높게 유지하는 조건은 선택도를 향상시킵니다.
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99. 부피 100L 이고 space time 이 5min 인 혼합흐름 반응기에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 이 반응기는 1 분에 20L 의 반응물을 처리할 능력이 있다.
  2. 이 반응기는 1 분에 0.2L 의 반응물을 처리할 능력이 있다.
  3. 이 반응기는 1 분에 5L 의 반응물을 처리할 능력이 있다.
  4. 이 반응기는 1 분에 100L 의 반응물을 처리할 능력이 있다.
(정답률: 71%)
  • 공간 시간(Space time)은 반응기 부피를 단위 시간당 처리하는 유량으로 나눈 값입니다. 처리 능력(유량)을 구하는 공식은 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $v = \frac{V}{\tau}$
    ② [숫자 대입] $v = \frac{100}{5}$
    ③ [최종 결과] $v = 20$
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100. 다음 두 반응이 평행하게 동시에 진행되는 반응에 대해 목적물의 선택도를 높이기 위한 설명으로 옳은 것은?

  1. a1과 a2가 같으면 혼합흐름반응기가 관형흐름반응기보다 훨씬 더 낫다.
  2. a1이 a2보다 작으면 관형흐름반응기가 적절하다.
  3. a1이 a2보다 작으면 혼합흐름반응기가 적절하다.
  4. a1과 a2가 같으면 관형흐름반응기가 혼합흐름반응기보다 훨씬 더 낫다.
(정답률: 55%)
  • 목적물 $V$의 생성 속도는 $r_V = k_1 C_A^{a_1}$이고, 비목적물 $W$의 생성 속도는 $r_W = k_2 C_A^{a_2}$입니다. 선택도를 높이려면 $\frac{r_V}{r_W} = \frac{k_1}{k_2} C_A^{a_1 - a_2}$의 값을 최대화해야 합니다. $a_1 < a_2$인 경우, 반응물 $A$의 농도 $C_A$를 낮게 유지하는 것이 유리하므로, 농도가 낮은 혼합흐름반응기(CSTR)를 사용하는 것이 적절합니다.
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