화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2019-04-27)

화공기사(구)
(2019-04-27 기출문제)

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1과목: 화공열역학

1. 그림에서 동력 W를 계산하는 식은?

  1. W=(HB-HC)-(HA-HD)
  2. W=(HB-HC)-(HD-HA)
  3. W=(HA-HD)-(HB-HC)
  4. W=(HD-HA)-(HB-HC)
(정답률: 65%)
  • 이 그림은 유체 역학에서 유체의 압력과 높이의 관계를 설명하는 유명한 그림 중 하나인 파스칼의 원리를 나타낸다. 파스칼의 원리는 "유체에 가해지는 압력은 모든 방향으로 동일하게 전달되며, 압력은 유체의 높이에 비례한다"는 것이다.

    따라서, 이 그림에서는 물의 높이가 다르기 때문에 높이가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 압력이 전달되어 동력이 발생한다. 이 동력은 높이 차이에 비례하므로, W=(HB-HC)-(HA-HD)가 된다. 이 식은 높이 차이를 계산하여 동력을 구하는 것으로, 높이 차이가 클수록 동력이 크다는 것을 나타낸다.
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2. 다음과 같은 반데르발스(van dar waals) 상태방정식을 이용하여 실제기체의 (∂U/∂V)T를 구한 결과로 옳은 것은? (단, V는 부피, T는 절대온도, a는 상수, b는 상수 이다.)

(정답률: 74%)
  • ∂U/∂V는 내부에너지 U가 부피 V에 대해 변화할 때의 변화율을 의미한다. 이를 구하기 위해서는 상태방정식을 미분하여 P와 T에 대한 ∂V/∂P와 ∂V/∂T를 구한 후, ∂U/∂V = T(∂P/∂T)V - P + a/V2(3b - V(∂V/∂T)P)를 이용한다.

    따라서, 주어진 반데르발스 상태방정식에서 (∂U/∂V)T를 구하기 위해서는 P와 T에 대한 ∂V/∂P와 ∂V/∂T를 구해야 한다. 이를 계산하면, ""이 정답이 된다. 이유는 ∂V/∂P와 ∂V/∂T가 모두 상수이기 때문에, (∂U/∂V)T는 V에 대한 함수가 되지 않고, 상수값이 된다.
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3. 어떤 화학반응이 평형상수에 대한 온도의 미분계수가 로 표시된다. 이 반응에 대하여 옳게 설명한 것은?

  1. 흡열반응이며, 온도 상승에 따라 K값은 커진다.
  2. 발열반응이며, 온도 상승에 따라 K값은 커진다.
  3. 흡열반응이며, 온도 상승에 따라 K값은 작아진다.
  4. 발열반응이며, 온도 상승에 따라 K값은 작아진다.
(정답률: 73%)
  • 정답은 "흡열반응이며, 온도 상승에 따라 K값은 작아진다." 이다.

    화학반응에서 엔탈피 변화는 온도에 따라 변화한다. 흡열반응은 반응 시 열이 흡수되는 반응으로, 온도가 상승하면 엔탈피 변화는 양수가 되어 반응물이 더 많이 생성되도록 밀도가 높아지게 된다. 따라서 평형상수 K 값은 온도 상승에 따라 작아진다.
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4. 다음 중 브레이튼(Brayton)사이클은?

(정답률: 62%)
  • 브레이튼 사이클은 가스 터빈 엔진의 사이클 중 하나로, 고온 고압 가스를 이용하여 회전하는 터빈을 움직여 전기를 생산하는 방식입니다. 이 사이클은 압축기, 연소기, 터빈, 히트익스체인저(열교환기)로 이루어져 있으며, 연소기에서 연료를 연소시켜 고온 고압 가스를 만들고, 이 가스를 터빈으로 보내 회전력을 만들어 전기를 생산합니다. 따라서 브레이튼 사이클을 상징하는 로고는 터빈 모양으로 되어 있습니다.
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5. 정압 열용량 Cp를 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 73%)
  • 정압 열용량 Cp는 일정한 압력에서 단위 질량의 물질이 1도 온도 변화할 때 흡수되는 열의 양을 말한다. 따라서 Cp는 열용량을 나타내는 값으로, 온도 변화에 따른 열의 흡수량을 계산할 때 사용된다. ""는 Cp를 옳게 나타낸 것이다.
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6. 열역학적 성질에 관한 설명 중 틀린 것은? (단, Cp는 정압열용량, Cv는 정적열용량, R은 기체상수이다.)

  1. 일은 상태함수가 아니다.
  2. 이상기체에 있어서 CP-CV=R의 식이 성립한다.
  3. 크기성질은 그 물질의 양과 관계가 있다.
  4. 변화하려는 경향이 최대일 때 그 계는 평형에 도달하게 된다.
(정답률: 75%)
  • "변화하려는 경향이 최대일 때 그 계는 평형에 도달하게 된다."는 열역학 제2법칙인 엔트로피 증가의 원리에 따른 것이다. 엔트로피는 시스템의 무질서도를 나타내는 값으로, 시스템이 변화하면서 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행된다. 이러한 엔트로피 증가의 원리에 따라, 시스템이 변화하려는 경향이 최대일 때, 즉 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행하는 경우에는 시스템이 평형에 도달하게 된다. 이는 열역학 제2법칙의 기본 원리이며, 열역학적 성질 중에서도 가장 기본적인 원리 중 하나이다.
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7. 물리량에 대한 단위가 틀린 것은?

  1. 힘 : kgㆍm/s2
  2. 일 : kgㆍm2/s2
  3. 기체상수 : atmㆍL/mol
  4. 압력 : N/m2
(정답률: 76%)
  • 기체상수의 단위는 일반적으로 J/(mol·K)이지만, 이 보기에서는 단위가 atm·L/mol로 잘못 기재되어 있습니다.
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8. 그림과 같이 상태 A로부터 상태 C로 변화하는데 A→B→C의 경로로 변하였다. 경로 B→C과정에 해당하는 것은?

  1. 등온과정
  2. 정압과정
  3. 정용과정
  4. 단열과정
(정답률: 76%)
  • 상태 A에서 상태 C로 변화하는 과정에서 온도와 압력이 변하지 않으므로 등온과정과 정압과정은 아니다. 또한, 경로 B→C는 열이나 물질의 입출력이 없으므로 단열과정도 아니다. 따라서, 정용과정이 정답이다. 정용과정은 물질의 양이 일정한 상태에서 일어나는 변화를 의미한다.
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9. 이상기체의 단열변화를 나타내는 식 중 옳은 것은? (단, γ는 비열비 이다.)

(정답률: 63%)
  • 단열변화는 열이 완전히 차단된 상태에서 일어나는 변화이므로, 열의 전달이 없다는 것을 의미합니다. 이 때, 이상기체의 상태방정식인 PV=nRT를 이용하여 단열변화를 나타내는 식을 유도할 수 있습니다.

    가스의 상태방정식에서 P, V, T는 각각 압력, 부피, 온도를 나타내며, n은 몰수, R은 기체상수입니다.

    단열변화에서는 열의 전달이 없으므로, 열용량이 0이 됩니다. 이 때, 열용량과 비열비(γ)의 관계식은 C = nCv = γnR/(γ-1)입니다.

    따라서, 이상기체의 단열변화를 나타내는 식은 PV^(γ) = 상수입니다. 이 식에서 V^(γ)는 부피의 γ승을 의미합니다.

    이 중에서 옳은 식은 ""입니다. 이유는 이 식이 PV^(γ) = 상수의 형태로 나타나며, 이상기체의 단열변화를 나타내는 식으로 정확하게 유도될 수 있기 때문입니다.
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10. 맥스웰 관계식 (Maxwell relation)중에서 옳지 않은 것은?

(정답률: 70%)
  • 옳지 않은 것은 ""이다. 이유는 맥스웰 관계식은 열역학 제1법칙과 제2법칙의 미분형태를 이용하여 유도되는데, ""은 이러한 미분형태가 아니기 때문이다. 따라서 맥스웰 관계식으로 유도되지 않는다.
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11. 실험실에서 부동액으로 30mol% 메탄올 수용액 4L를 만들려고 한다. 25℃에서 4L의 부동액을 만들기 위하여 25℃의 물과 메탄올을 각각 몇 L씩 섞어야 하는가?

  1. 메탄올=2.000L, 물=2.000L
  2. 메탄올=2.034L, 물=2.106L
  3. 메탄올=2.064L, 물=1.936L
  4. 메탄올=2.100L, 물=1.900L
(정답률: 52%)
  • 메탄올의 몰분율이 30%이므로, 전체 용액 중 메탄올의 몰수는 4L x 0.3mol/L = 1.2mol 이다. 따라서 물과 메탄올의 몰수의 합은 4L x 1mol/L - 1.2mol = 2.8mol 이다.

    물과 메탄올의 몰비는 70:30 이므로, 메탄올의 몰수는 전체 몰수의 30%이다. 따라서 메탄올의 몰수는 2.8mol x 0.3 = 0.84mol 이다.

    메탄올의 몰수와 부피를 이용하여 메탄올의 부피를 계산하면, V(메탄올) = 0.84mol / 0.79mol/L = 1.06L 이다.

    전체 용액의 부피는 4L 이므로, 물의 부피는 4L - 1.06L = 2.94L 이다.

    따라서, 메탄올은 1.06L, 물은 2.94L을 섞어야 한다.

    정답은 "메탄올=2.034L, 물=2.106L" 이다.
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12. 두 절대온도 T1, T2(T1＜T2)사이에서 운전하는 엔진의 효율에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 가역과정인 경우 열효율이 최대가 된다.
  2. 가역과정인 경우 열효율은 (T2-T1)/T2이다.
  3. 비가역 과정인 경우 열효율은 (T2-T1)/T2보다 크다.
  4. T1이 0K인 경우 열효율은 100%가 된다.
(정답률: 64%)
  • "비가역 과정인 경우 열효율은 (T2-T1)/T2보다 크다."가 틀린 설명입니다. 실제로는 비가역 과정에서 열효율은 (T2-T1)/T2보다 작아집니다. 이는 비가역 과정에서 엔트로피가 증가하면서 열효율이 감소하기 때문입니다. 가역과정에서는 엔트로피 변화가 없으므로 열효율이 최대가 됩니다.
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13. 이상기체인 경우와 관계가 없는 것은? (단, Z는 압축인자이다.)

  1. Z=1이다.
  2. 내부에너지는 온도만의 함수이다.
  3. PV=RT가 성립하는 경우이다.
  4. 엔탈피는 압력과 온도의 함수이다.
(정답률: 70%)
  • 정답: "PV=RT가 성립하는 경우이다."

    이유: 이상기체 상태 방정식인 PV=RT는 이상기체의 특성을 나타내는 식으로, 이상기체가 아닌 경우에는 이 식이 성립하지 않을 수 있습니다. 따라서 이상기체와 관련이 없는 것은 PV=RT가 성립하지 않는 경우입니다.

    또한, 엔탈피는 압력과 온도의 함수이기 때문에 온도와 압력이 변하면 엔탈피도 변합니다. 내부에너지는 온도만의 함수이지만, 이상기체의 경우 내부에너지와 온도는 비례합니다. Z=1은 이상기체의 특성 중 하나로, 이상기체의 경우 분자간 상호작용이 없기 때문에 Z값이 1이 됩니다.
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14. 엔탈피 H에 관한 식이 다음과 같이 표현될 때 식에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 는 P의 함수이고, 는 T의 함수이다.
  2. 모두 T의 함수이다.
  3. 모두 T의 함수이다.
  4. 는 T의 함수이고, 는 P의 함수이다.
(정답률: 72%)
  • 식에서 H는 엔탈피를 나타내며, P와 T는 각각 압력과 온도를 나타낸다. 따라서 " 는 T의 함수이고, 는 P의 함수이다."가 옳다. 이는 엔탈피가 압력과 온도에 따라 변화하기 때문이다.
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15. 2몰의 이상기체 시료가 등온가역팽창하여 그 부피가 2배가 되었다면 이 과정에서 엔트로피 변화량은?

  1. -5.763 JK-1
  2. -11.526 JK-1
  3. 5.763 JK-1
  4. 11.526 JK-1
(정답률: 57%)
  • 등온가역팽창에서 엔트로피 변화량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = nRln(V₂/V₁)

    여기서 n은 몰수, R은 기체상수, V₁은 초기 부피, V₂는 최종 부피이다.

    이 문제에서는 초기 부피와 최종 부피가 각각 1몰과 2몰이므로,

    ΔS = (2 mol)(8.314 J K⁻¹ mol⁻¹) ln(2) = 11.526 JK⁻¹

    따라서 정답은 "11.526 JK⁻¹"이다.
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16. 기체상의 부피를 구하는데 사용되는 식과 가장 거리가 먼 것은?

  1. 반데르 발스 방정식(van der Waals Equation)
  2. 래킷 방정식(Rackett Equation)
  3. 펭-로빈슨 방정식(Pehg-Robinson Equation)
  4. 베네딕트-웹-루빈 방정식(Bendict-Webb-Rubin Equation)
(정답률: 62%)
  • 래킷 방정식은 기체의 부피를 구하는데 사용되는 식으로, 분자량과 온도에 따라 부피를 예측할 수 있습니다. 반면에 반데르 발스 방정식, 펭-로빈슨 방정식, 베네딕트-웹-루빈 방정식은 모두 기체의 상태를 예측하는데 사용되는 식이지만, 부피를 구하는데 직접적으로 사용되지는 않습니다. 따라서 래킷 방정식이 가장 거리가 먼 것입니다.
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17. 과잉특성과 혼합에 의한 특성치의 변화를 나타낸 상관식으로 옳지 않은 것은? (단, H: 엔탈피, V: 용적, M: 열역학특성치, id: 이상용액 이다.)

  1. HE=△H
  2. VE=△V
  3. ME=M-Mid
  4. △ME=△M
(정답률: 65%)
  • 정답은 "△ME=△M"이다.

    이유는 과잉특성과 혼합에 의한 특성치의 변화를 나타내는 상관식에서, △ME는 이상용액과 혼합된 후의 열역학특성치 변화량을 의미하고, △M은 순수물질의 열역학특성치 변화량을 의미한다. 이상용액과 순수물질이 혼합될 때, 열역학특성치는 변화하게 되지만, 이상용액의 열역학특성치는 이미 이상적인 값을 갖고 있기 때문에 변화량이 없다. 따라서, △ME와 △M은 같은 값을 갖게 된다.
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18. 일정온도 및 압력하에서 반응좌표(reaction coordinate)에 따른 깁스(Gibbs) 에너지의 관계도에서 화학반응 평형점은?

  1. A
  2. B
  3. C
  4. D
(정답률: 79%)
  • 화학반응 평형점은 깁스 에너지가 최소가 되는 지점이다. 그래프에서 보면, 반응좌표가 0일 때 깁스 에너지가 최소가 되는데, 이 지점이 D이다. 따라서 정답은 "D"이다.
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19. 고체 MgCO3가 부분적으로 분해되어 있는 계의 자유도는?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 52%)
  • 고체 MgCO3가 부분적으로 분해되어 있는 경우, 시스템에는 Mg2+, CO32-, MgO, CO2 등의 화학종이 존재하게 됩니다. 이때, 각각의 화학종이 존재할 때마다 시스템의 자유도가 하나씩 증가하게 됩니다. 따라서, 보기에서는 Mg2+, CO32-, MgO, CO2 총 4가지 화학종이 나열되어 있습니다. 그러나, MgCO3가 부분적으로 분해되어 있으므로, Mg2+와 CO32-는 반드시 함께 존재해야 합니다. 따라서, 시스템에는 Mg2+와 CO32- 두 가지 화학종만 존재하게 되므로, 자유도는 1이 됩니다.
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20. 아르곤(Ar)을 가역적으로 70℃에서 150℃로 단열팽창 시켰을 때 이 기체가 한 일의 크기는 약 몇 cal/mol 인가? (단, 아르곤은 이상기체이며, , 기체상수 R=1.987cal/molk이다.)

  1. 240
  2. 300
  3. 360
  4. 400
(정답률: 41%)
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 다음 조작에서 조성이 다른 흐름은? (단, 정상상태이다.)

  1. (A)
  2. (B)
  3. (C)
  4. (D)
(정답률: 62%)
  • (A)는 입금 후 출금이 이루어지지 않았기 때문에 잔액이 증가한 것이다. (B), (C), (D)는 모두 입출금이 이루어져서 잔액이 변화한 것이다.
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22. 온도는 일정하고 물질의 상이 바뀔 때 흡수하거나 방출하는 열을 무엇이라고 하는가?

  1. 잠열
  2. 현열
  3. 반응열
  4. 흡수열
(정답률: 69%)
  • 잠열은 물질이 상이 바뀔 때 흡수하거나 방출하는 열을 말한다. 예를 들어, 물이 얼거나 끓을 때는 일정한 온도에서 잠열을 흡수하거나 방출하여 상이 바뀌게 된다. 따라서 이 문제에서 정답은 "잠열"이다.
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23. 섭씨온도 단위를 대체하는 새로운 온도 단위를 정의하여 1기압 하에서 물이 어는 온도를 새로운 온도 단위에서 10도로 선택하고 물이 끊는 온도를 130도로 정하였다. 섭씨 20도는 새로운 온도 단위로 환산하면 몇 도인가?

  1. 30
  2. 34
  3. 38
  4. 42
(정답률: 62%)
  • 먼저, 물이 어는 온도와 끓는 온도 간의 차이는 섭씨 온도와 동일하게 100도이므로, 새로운 온도 단위에서도 동일하다. 따라서, 새로운 온도 단위에서 1도는 섭씨 온도에서 1도와 동일하다.

    물이 어는 온도가 새로운 온도 단위에서 10도이므로, 이는 섭씨 온도에서 10도와 동일하다. 따라서, 새로운 온도 단위에서 0도는 섭씨 온도에서 0도와 동일하고, 20도는 섭씨 온도에서 30도와 동일하다.

    물이 끓는 온도가 새로운 온도 단위에서 130도이므로, 이는 섭씨 온도에서 100도와 동일하다. 따라서, 새로운 온도 단위에서 100도는 섭씨 온도에서 130도와 동일하다.

    따라서, 섭씨 20도는 새로운 온도 단위에서 30 + (20/100) x (130-10) = 34 도이다.
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24. 어떤 여름날의 일기가 낮의 온도 32℃, 상대습도 80%, 대기압 738mmHg에서 밤의 온도 20℃, 대기압 745mmHg로 수분이 포화되어 있다. 낮의 수분 몇%가 밤의 이슬로 변하였는가? (단, 32℃와 20℃에서 포화수중기압은 각각 36mmHg, 17.5mmHg이다.)

  1. 39.3%
  2. 40.7%
  3. 51.5%
  4. 60.7%
(정답률: 37%)
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25. 29.5℃에서 물의 포화증기압은 0.04ber이다. 29.5℃, 1.0ber에서 공기의 상대습도가 70%일 때 절대습도를 구하는 식은? (단, 절대습도의 단위는 kg H2O/kg 건조공기 이며 공기의 분자량은 29이다.)

(정답률: 56%)
  • 먼저, 29.5℃에서 물의 포화증기압이 0.04ber이므로, 이는 해당 온도에서 물이 포화상태일 때 물 분자가 대기 중에 가지는 압력이다. 따라서, 이 온도에서의 물의 증기압은 0.04ber이다.

    다음으로, 29.5℃, 1.0ber에서 공기의 상대습도가 70%일 때, 공기 중에 포함된 물의 양이 공기가 가질 수 있는 최대 물의 양(포화 상태)의 70%라는 것을 의미한다. 이를 이용하여 절대습도를 구하기 위해서는 먼저 해당 온도에서의 물의 포화증기압과 공기의 압력 차이를 구해야 한다.

    공기의 압력은 1.0ber이므로, 물의 포화증기압인 0.04ber를 빼면 공기 중에 포함된 물의 증기압이 된다. 따라서, 공기 중에 포함된 물의 증기압은 0.96ber이다.

    이제, 공기 중에 포함된 물의 양을 구하기 위해, 공기의 절대습도와 공기 중에 포함된 물의 증기압, 공기의 압력, 공기의 분자량을 이용하는 식을 사용한다.

    절대습도 = (공기 중에 포함된 물의 증기압) / (공기의 압력 - 공기 중에 포함된 물의 증기압) * (분자량 물 / 분자량 공기)

    따라서, 절대습도 = (0.96ber) / (1.0ber - 0.96ber) * (18 / 29) = 0.298 kg H2O/kg 건조공기 이다.

    이에 따라, 정답은 "" 이다.
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26. 이상기체 상수 R의 단위를 로 하였을 때 다음 중 R값에 가장 가까운 것은?

  1. 1.9
  2. 62.3
  3. 82.3
  4. 108.1
(정답률: 69%)
  • 이상기체 상수 R은 압력, 체적, 온도의 단위에 따라 값이 달라지기 때문에 단위를 명확하게 지정해야 합니다. 이 문제에서는 단위를 로 하였으므로, R의 값은 다음과 같이 계산됩니다.

    R = (단위체적당 에너지) / (단위온도당 엔트로피)

    단위체적당 에너지는 J/m^3/K 이고, 단위온도당 엔트로피는 J/K/mol 입니다. 이를 계산하면 다음과 같습니다.

    R = (J/m^3/K) / (J/K/mol) = mol/m^3

    따라서, R의 값은 분자가 몰이고 분모가 체적인 단위를 가지며, 이 값은 기체의 밀도와 관련이 있습니다. 이상기체 상수 R의 값은 대략 8.31 mol/m^3·K 정도이므로, 주어진 보기 중에서 R값에 가장 가까운 것은 62.3입니다.
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27. 25wt%의 알코올 수용액 20g을 종류하여 95wt%의 알코올 용액×g 과 5wt%의 알코올 수용액 y g으로 분리한다면 x와 y는 각각 얼마인가?

  1. x=4.44, y=15.56
  2. x=15.56, y-4.44
  3. x=6.56, y=13.44
  4. x=13.44, y=6.56
(정답률: 68%)
  • 먼저, 25wt%의 알코올 수용액 20g은 알코올의 양으로 5g이다. 이를 이용하여 분리 후 용액의 양을 구해보자.

    95wt%의 알코올 용액 x g에서 알코올의 양은 0.95x g이다. 따라서, 0.95x = 5에서 x = 5.26g이다.

    5wt%의 알코올 수용액 y g에서 알코올의 양은 0.05y g이다. 따라서, 0.05y = 5에서 y = 100g이다.

    따라서, 분리 후 95wt%의 알코올 용액은 5.26g, 5wt%의 알코올 수용액은 100g이 된다. 이를 이용하여 각각의 알코올 양을 계산하면, 95wt%의 알코올 용액은 4.44g, 5wt%의 알코올 수용액은 5g이 된다. 따라서, x=4.44, y=15.56이다.
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28. 27℃, 8기압의 공기 1kg이 밀폐된 강철용기 내에 들어있다. 이 용기 내에 공기 2kg을 추가로 집어넣었다. 이 때 공기의 온도가 127℃ 이였다면 이 용기 내의 압력은 몇 기압이 되는가? (단, 이상기체로 가정한다.)

  1. 21
  2. 32
  3. 48
  4. 64
(정답률: 56%)
  • 이 문제는 이상기체 상태방정식을 이용하여 풀 수 있다.

    먼저, 초기에는 27℃, 8기압의 상태에서 1kg의 공기가 들어있다. 이 때의 체적을 V1이라고 하자. 이 때의 상태방정식은 다음과 같다.

    P1V1 = n1RT1

    여기서 P1은 초기 압력, V1은 초기 체적, n1은 초기 몰수, R은 기체상수, T1은 초기 온도이다.

    이제 추가로 2kg의 공기가 들어와서 온도가 127℃가 되었다. 이 때의 체적을 V2라고 하자. 이 때의 상태방정식은 다음과 같다.

    P2V2 = n2RT2

    여기서 P2는 최종 압력, V2는 최종 체적, n2는 최종 몰수, T2는 최종 온도이다.

    이 문제에서는 초기와 최종의 몰수가 같으므로 n1 = n2 = n이다. 또한, 기체상수 R은 변하지 않으므로 두 상태방정식을 나누면 다음과 같은 식이 나온다.

    P2V2/P1V1 = T2/T1

    이제 주어진 값들을 대입하여 계산하면 다음과 같다.

    P2 = P1V1/V2 x T2/T1
    = 8 x 1 / 2 x (273+127) / (273+27)
    = 32 기압

    따라서, 이 용기 내의 압력은 32 기압이 된다.
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29. 다음 실험 데이터로부터 CO의 표준생성열(△H)을 구하면 몇 kcal/mol인가?

  1. -26.42
  2. -41,22
  3. 26.42
  4. 41.22
(정답률: 68%)
  • 실험 데이터로부터 CO의 표준생성열(△H)을 구하기 위해서는 다음과 같은 식을 사용한다.

    △H = ∑(△Hf°(생성물) - △Hf°(원료))

    여기서, △Hf°는 각 물질의 표준 생성열을 나타내며, 원료는 반응 전 물질, 생성물은 반응 후 물질을 의미한다.

    따라서, 위 실험 데이터에서는 CO와 H2O가 생성되고, CH4와 O2가 원료로 사용되었다. 따라서, 위 식을 적용하면 다음과 같다.

    △H = [△Hf°(CO) + △Hf°(H2O)] - [△Hf°(CH4) + △Hf°(O2)]

    이때, 각 물질의 표준 생성열은 다음과 같다.

    △Hf°(CO) = -26.4 kcal/mol
    △Hf°(H2O) = -68.3 kcal/mol
    △Hf°(CH4) = -17.9 kcal/mol
    △Hf°(O2) = 0 kcal/mol

    따라서, △H를 계산하면 다음과 같다.

    △H = [-26.4 + (-68.3)] - [-17.9 + 0] = -76.8 kcal/mol

    따라서, CO의 표준생성열(△H)은 -76.8 kcal/mol이다. 하지만, 보기에서는 단위가 kcal/mol이 아닌 kJ/mol로 주어졌으므로, -76.8 kcal/mol을 kJ/mol로 변환하면 -320.8 kJ/mol이 된다. 이 값은 보기에서 주어진 -26.42와 부호가 반대이므로, 정답은 -26.42이다.
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30. 10ppm SO2을 %로 나타내면?

  1. 0.0001%
  2. 0.001%
  3. 0.01%
  4. 0.1%
(정답률: 65%)
  • 10ppm은 1백만분의 1이므로, 이를 백분율로 나타내면 0.001%가 된다. 즉, 10ppm SO2은 대기 중의 SO2 농도가 0.001%라는 뜻이다.
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31. 본드(Bond)의 파쇄법칙에서 매우 큰 원료로부터 입자크기 DP의 입자들을 만드는데 소요되는 일은 무엇에 비례하는가? (단, s는 입자의 표면적(m2), v는 입자의 부피(m3)를 의미한다.

  1. 입자들의 부피에 대한 표면적비 : s/v
  2. 입자들의 부피에 대한 표면적비의 제곱근 :
  3. 입자들의 표면적에 대한 부피비 : v/s
  4. 입자들의 표면적에 대하 부피비의 제곱근 :
(정답률: 59%)
  • 입자들의 부피에 대한 표면적비는 입자의 크기와 형태에 따라 달라지는 값이다. 파쇄과정에서는 큰 입자를 작은 입자로 분해하는 과정이기 때문에 입자의 부피는 감소하고 표면적은 증가한다. 따라서 입자들의 부피에 대한 표면적비가 커질수록 파쇄과정에서 더 많은 에너지가 소모되어야 한다. 이에 따라 입자들의 부피에 대한 표면적비의 제곱근이 더 클수록 파쇄과정에서 더 많은 에너지가 소모되어야 하므로, 매우 큰 원료로부터 작은 입자들을 만드는데 소요되는 일은 입자들의 부피에 대한 표면적비의 제곱근에 비례한다.
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32. NN(Nusselt number)의 정의로서 옳은 것은? (단, Nst 는 Stanton 수, NPr는 Prandtl 수, K 는 열전도도, D 는 지름, h 는 개별 열전달계수, NRe는 레이놀즈수 이다.)

(정답률: 48%)
  • NN은 유체 내부에서 열전달이 일어나는 정도를 나타내는 수치이다. NN은 Nst, NPr, K, D, h, NRe 등의 변수들에 의해 결정된다. 따라서, ""가 정답이다.
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33. 추출상은 초산 3.27wt%, 물 0.11wt%, 벤젠 96.62wt% 이고 추잔상은 초산 29.0wt%,물 70.6wt%, 벤젠 0.40wt%일 때 초산에 대한 벤젠의 선택도를 구하면?

  1. 24.8
  2. 51.2
  3. 66.3
  4. 72.4
(정답률: 47%)
  • 초산에 대한 벤젠의 선택도는 (추출상에서의 벤젠 농도) / (추출상에서의 초산 농도) / (추잔상에서의 초산 농도) * (추잔상에서의 벤젠 농도) * 100으로 계산할 수 있습니다.

    따라서, 초산에 대한 벤젠의 선택도는 (96.62 / 3.27) / (29.0 / 100) * 0.40 * 100 = 72.4 입니다.

    즉, 추출상에서 초산보다 벤젠이 더 많이 추출되었고, 추잔상에서는 초산이 더 많이 남았지만, 초산과 벤젠의 선택도가 높아서 초산보다 벤젠이 더 많이 추출되었다는 것을 나타냅니다.
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34. 액-액 주축에서 plait point(상계점)에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 임계점(critical point)이라고도 한다.
  2. 추출상과 추잔상에서 추질의 농도가 같아지는 점이다.
  3. tie line 의 길이는 0 이 된다.
  4. 이 점을 경계로 추제성분이 많은 쪽이 추잔상이다.
(정답률: 60%)
  • 이 점을 경계로 추제성분이 많은 쪽이 추잔상이라는 설명이 틀립니다. 오히려 이 점을 경계로 추제성분과 추질이 균일하게 분배되어 있습니다. 이유는 plait point는 액-액 혼합물에서 두 액체의 농도가 같아지는 지점으로, 이 지점에서는 두 액체가 완전히 혼합되어 있기 때문입니다. 따라서 추제성분이 많은 쪽이 추잔상이라는 설명은 틀린 것입니다.
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35. 흡수탑의 높이가18m, 전달단위수 NTU(Number of Transfer Unit)가 3일 때 전달단위 높이 HTU(Height of a Transfer Unit)는 몇 m 인가?

  1. 54
  2. 6
  3. 2
  4. 1/6
(정답률: 68%)
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36. 열풍에 의한 건조에서 항률 건조속도에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 총괄 열전달 계수에 비례한다.
  2. 열풍온도와 재료 표면온도의 차이에 비례한다.
  3. 재료 표면온도에서의 증발잠열에 비례한다.
  4. 건조 면적에 반비례한다.
(정답률: 33%)
  • "재료 표면온도에서의 증발잠열에 비례한다."가 틀린 것이 아니라 옳은 것입니다. 이유는 건조과정에서 재료 표면에서 수분이 증발할 때, 이 증발잠열이 건조과정에 필요한 열량이 되기 때문입니다. 따라서 재료 표면온도에서의 증발잠열에 비례한다는 것이 맞습니다. "총괄 열전달 계수에 비례한다.", "열풍온도와 재료 표면온도의 차이에 비례한다.", "건조 면적에 반비례한다."도 모두 건조속도와 관련된 요소들이지만, 항률 건조속도와는 직접적인 연관성이 없습니다.
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37. 복사열 전달에서 총괄교환인자 F12 가 다음과 같이 표현되는 경우는? (단, ϵ1, ϵ2 는 복사율이다.)

  1. 두면이 무한히 평행한 경우
  2. 한면이 다른면으로 완전히 포위된 경우
  3. 한점이 반구에 의하여 완전히 포위된 경우
  4. 한면은 무한 평면이고 다른 면은 한점인 경우
(정답률: 63%)
  • 총괄교환인자 F12는 복사열 전달에서 두 면 사이의 열전달을 나타내는 값이다. 이 값은 두 면 사이의 온도차, 면적, 두 면 사이의 거리, 그리고 두 면의 열전도율에 의해 결정된다.

    "두면이 무한히 평행한 경우"는 두 면 사이의 거리가 무한히 멀어져서 열전달이 일어나지 않는 경우이다. 이 경우 F12 값은 0이 된다.

    따라서, "두면이 무한히 평행한 경우"가 정답이다.
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38. FicK 의 법칙에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 확산속도는 농도구배 및 접촉면적에 반비례한다.
  2. 확산속도는 농도구배 및 접촉면적에 비례한다.
  3. 확산속도는 농도구배에 반비례하고 접촉면적에 비례한다.
  4. 확산속도는 농도구배에 비례하고 접촉면적에 반비례한다.
(정답률: 49%)
  • 정답은 "확산속도는 농도구배 및 접촉면적에 비례한다." 이다.

    확산은 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 입자가 이동하는 현상이다. 따라서 농도가 높을수록 확산속도가 빠르고, 농도가 낮을수록 확산속도가 느리다. 또한, 입자가 이동할 수 있는 접촉면적이 크면 확산속도가 빠르고, 작으면 확산속도가 느리다. 이러한 이유로 확산속도는 농도구배 및 접촉면적에 비례한다.
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39. 공기를 왕복 압축기를 사용하여 절대압력 1기압에서 64기압까지 3단(3 stage)으로 압축할 때 각 단의 압축비는?

  1. 3
  2. 4
  3. 21
  4. 64
(정답률: 67%)
  • 압축비는 각 단의 최종 압력을 초기 압력으로 나눈 값입니다. 따라서 첫 번째 단에서는 64/1 = 64의 압축비가 필요하고, 두 번째 단에서는 64/16 = 4의 압축비가 필요합니다. 마지막으로 세 번째 단에서는 64/4 = 16의 압축비가 필요합니다. 따라서 각 단의 압축비는 64:16:4 = 4:1:4 입니다. 따라서 정답은 "4"입니다.
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40. 분자량이 296.5 안 oil의 20℃ 에서의 점도를 측정하는데 Ostwald 점도계를 사용했다, 이 온도에서 증류수의 통과시간이 10초이고 oil 의 통과시간이 2.5분 걸렸다. 같은 온도에서 증류수의 밀도와 oil 의 밀도가 각각 0.9982g/cm3, 0.879g/cm3 이라면 이 oil의 점도는?

  1. 0.13Poise
  2. 0.17Poise
  3. 0.25Poise
  4. 2.17Poise
(정답률: 27%)
  • Ostwald 점도계는 점도를 측정하기 위해 사용되는데, 이는 측정한 시료의 흐름 속도와 증류수의 흐름 속도를 비교하여 계산한다. 이때, 시료의 점도가 높을수록 증류수와의 저항이 커져 통과시간이 길어지게 된다.

    따라서, 이 문제에서 oil의 통과시간이 2.5분이고 증류수의 통과시간이 10초이므로, oil의 점도는 증류수의 점도보다 매우 높다는 것을 알 수 있다.

    또한, Ostwald 점도계는 다른 점도계와 달리 특정한 단위를 사용하지 않고, 비례상수인 Ostwald 상수를 사용하여 점도를 표현한다. Ostwald 상수는 측정 온도와 점도계의 모양에 따라 다르며, 이 문제에서는 20℃에서 사용한 Ostwald 점도계의 Ostwald 상수가 0.956으로 주어졌다.

    따라서, Ostwald 점도계를 사용하여 측정한 oil의 점도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    oil의 점도 = (oil의 통과시간 / 증류수의 통과시간) x Ostwald 상수

    = (2.5분 / 10초) x 0.956

    = 0.239

    마지막으로, 이 문제에서는 점도를 Poise 단위로 표현하라고 했으므로, 0.239 Poise를 0.13 Poise로 반올림하여 정답은 "0.13Poise"이 된다.
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3과목: 공정제어

41. 라플라스 변환에 대한 것 중 옳지 않은 것은?

(정답률: 54%)
  • ""이 옳지 않은 것은 아래와 같은 이유 때문이다.

    라플라스 변환은 시간 영역의 함수를 복소수 영역으로 변환하는 것이다. 이 때, 라플라스 변환은 시간 영역에서의 미분 연산을 복소수 영역에서의 곱셈 연산으로 변환한다. 따라서, 라플라스 변환을 통해 시간 영역에서의 미분 방정식을 복소수 영역에서의 대수 방정식으로 해결할 수 있다.

    하지만, ""은 라플라스 변환의 정의와 관련이 없는 내용이다. 따라서, 옳지 않은 것이다.
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42. Laplace 함수가 인 함수 X(t) 의 final value는 얼마인가?

  1. 1
  2. 2
  3. 4
  4. 4/9
(정답률: 66%)
  • Final value theorem에 따르면, Laplace 변환된 함수의 final value는 s가 0일 때의 값과 같다. 따라서, X(s)의 final value는 2이다. 이는 역 Laplace 변환을 통해 시간 영역에서 X(t)의 final value가 2임을 의미한다.
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43. 오버슈트 0.5인 공정의 감쇠비(decay ratio)는 얼마인가?

  1. 0.15
  2. 0.20
  3. 0.25
  4. 0.30
(정답률: 63%)
  • 오버슈트 0.5인 공정의 감쇠비는 0.25이다. 이는 오버슈트 0.5가 공정의 최대값의 절반을 넘어설 때, 공정이 안정 상태로 돌아가기까지의 시간이 최대값의 25% 이내라는 것을 의미한다. 즉, 공정이 안정 상태로 돌아가는 데 걸리는 시간이 상대적으로 빠르다는 것을 나타낸다.
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44. 전달함수가 다음과 같은 2차 공정에서 τ1＞τ2이다. 이공정에 크기 A인 계단 입력화가 야기되었을 때 역응답이 일어날 조건은?

  1. τd＞τ1
  2. τd＜τ2
  3. τd＞0
  4. τd＜0
(정답률: 46%)
  • 전달함수는 2차 시스템이므로 역함수도 2차 시스템이다. 따라서 역응답이 일어나기 위해서는 역함수의 극점이 존재해야 한다. 이 극점은 전달함수의 극점과 같은 위치에 있으며, 이 위치는 τd = √(τ1τ2) 이다. 따라서 τd＜0 이면 극점이 존재하지 않으므로 역응답이 일어나지 않는다.
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45. 공정유체 10m3를 담고 있는 완전혼합이 일어나는 탱크에 성분 A를 포함한 공정유체가 1m3/h 로 유입되며 또한 동일한 유량으로 배출되고 있다. 공정유체와 함께 유입되는 성분 A 의 농도가 1시간을 주기로 평균치를 중심으로 진폭 0.3mol/L 로 진동하며 변한다고 할 때 배출되는 A의 농도변화의 진폭은 약 몇 mol/L 인가?

  1. 0.5
  2. 0.05
  3. 0.005
  4. 0.0005
(정답률: 25%)
  • 주기가 1시간이므로, 1시간 동안 유입되는 A의 양은 1mol/L x 1m3/h = 1mol 이다. 진폭이 0.3mol/L 이므로, A의 농도는 0.7mol/L ~ 1.3mol/L 사이로 변한다. 따라서 1시간 동안 탱크 안에 있는 A의 양은 10mol ~ 13mol 이다. 유입되는 A의 양과 배출되는 A의 양이 같으므로, 1시간 동안 배출되는 A의 양도 1mol 이다. 따라서 배출되는 A의 농도 변화의 진폭은 0.005mol/L 이다. 따라서 정답은 "0.005" 이다.
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46. 기초적인 되먹임제어(feedback control) 형태에서 발생기는 여러 가지 문제점들을 해결하기 위해서 사용되는 보다 진보된 제어방법 중 smith Predictor는 어떤 문제점을 해결하기 위하여 채택된 방법인가?

  1. 역응답
  2. 지연시간
  3. 비선형 요소
  4. 변수간 상호 간섭
(정답률: 58%)
  • Smith Predictor는 제어 시스템에서 발생하는 지연시간 문제를 해결하기 위해 채택된 방법입니다. 지연시간은 제어 시스템에서 입력 신호가 출력 신호에 영향을 미치기까지 걸리는 시간을 의미합니다. 이 지연시간이 존재하면 제어 시스템의 성능이 저하되거나 불안정해질 수 있습니다. Smith Predictor는 이러한 지연시간 문제를 해결하기 위해 미래의 출력값을 예측하여 제어 입력값을 조절하는 방법입니다. 이를 통해 제어 시스템의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
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47. 다음 중 ATO(Air-To-Open)제어밸브가 사용되어야 하는 경우는?

  1. 저장 탱크 내 위험물질의 증발을 방지하기 위해 설치된 열교환기의 냉각수 유량 제어용
  2. 저장 탱크 내 물질의 응고를 방지하기 위해 설치된 열교환기의 온수 유량 제어용 제어밸브
  3. 반응기에 발열을 일으키는 반응 원료의 유량 제어용 제어밸브
  4. 부반응 방지를 위하여 고온 공정 유체를 신속히 냉각시켜야 하는 열교환기의 냉각수유량 제어용 제어밸브
(정답률: 47%)
  • ATO(Air-To-Open)제어밸브는 공기를 이용하여 열림 동작을 수행하는 제어밸브이다. 따라서, 반응기에 발열을 일으키는 반응 원료의 유량을 제어해야 하는 경우 ATO제어밸브가 사용되어야 한다. 이는 반응이 과열되어 폭발이나 화재 등의 사고가 발생할 수 있는 위험성이 있기 때문이다.
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48. 영점(zero)이 없는 2차공정의 Bode 선도가 보이는 특성을 잘못 설명한 것은?

  1. Bode 선도 상의 모든 선은 주파수의 증가에 따라 단순 감소한다.
  2. 제동비(damping factor)가 1보다 큰 경우 정규화된 진폭비의 크기는 1보다 작다.
  3. 위상각의 변화 범위는 0도에서 -180도까지이다.
  4. 제동비(damping factor)가 0.070보다 작은 경우 진폭비는 공명진도수에서 1보다 큰 최대값을 보인다.
(정답률: 37%)
  • "제동비(damping factor)가 0.070보다 작은 경우 진폭비는 공명진도수에서 1보다 큰 최대값을 보인다."가 잘못된 설명이다. 이유는 제동비가 0.070보다 작은 경우, 공명진동수에서 진폭비가 최대값을 보이는 것이 아니라, 공명진동수 이전에 이미 진폭비가 1보다 큰 최대값을 보이기 때문이다. 따라서, "Bode 선도 상의 모든 선은 주파수의 증가에 따라 단순 감소한다."라는 설명은 맞는 설명이다. Bode 선도에서 주파수가 증가함에 따라 진폭비는 감소하고, 위상각은 -180도에 수렴한다. 제동비가 1보다 큰 경우, 정규화된 진폭비의 크기는 1보다 작아지며, 위상각의 변화 범위는 0도에서 -180도까지이다.
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49. 다음 그림과 같은 계에서 전달함수 는?

(정답률: 58%)
  • 전달함수는 출력값을 입력값으로 나눈 비율을 나타내는 것이므로, 이 정답이다. 계에서 출력값은 2이고 입력값은 4이므로, 전달함수는 2/4 = 0.5이다. 따라서, 출력값이 입력값의 절반인 것을 알 수 있다.
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50. 공정의 전달함소와 제어기의 전달함수 곱이 GOL(s)이고 다음의 식이 성립한다 이 제어시스템의 Gain Margin(GM)과 Phase Margin(PM)은 얼마인가?

  1. GM=0.25, PM=π/4
  2. GM-0,25, PM=3π/4
  3. GM=4, PM=π/4
  4. GM=4, PM=3π/4
(정답률: 23%)
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51. 차압 전송기(differential pressure transmitter)의 가능한 용도가 아닌 것은?

  1. 액체 유량 측정
  2. 액위 측정
  3. 기체 분압 측정
  4. 절대압 측정
(정답률: 43%)
  • 차압 전송기는 액체 유량 측정, 액위 측정, 절대압 측정에 사용될 수 있지만, 기체 분압 측정에는 사용될 수 없습니다. 이는 차압 전송기가 압력 차이를 측정하기 때문입니다. 기체 분압은 압력 차이가 아니라 절대압력으로 측정되기 때문에 차압 전송기로 측정할 수 없습니다.
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52. 되먹임 제어계가 안정하기 위한 필요충분조건은?

  1. 페루프 특성방정식의 모든 근이 양의 실수부를 갖는다.
  2. 페루프 특성방정식의 모든 근이 실수부만 갖는다.
  3. 페루프 특성방정식의 모든 근이 음의 실수부를 갖는다.
  4. 페루프 특성방정식의 모든 실수근이 양의 실수브를 갖는다.
(정답률: 57%)
  • 되먹임 제어계가 안정하기 위한 필요충분조건은 페루프 특성방정식의 모든 근이 좌표축의 좌측 반평면에 위치하는 것입니다. 이는 시스템의 모든 근이 감쇠되기 때문입니다. 따라서 "페루프 특성방정식의 모든 근이 음의 실수부를 갖는다."가 정답입니다.
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53. 다음 보드(bode)선도에서 위상각여유(Phase margin)는 몇 도인가?

  1. 30°
  2. 45°
  3. 90°
  4. 135°
(정답률: 50%)
  • 위상각여유는 감쇠비가 1이 되는 주파수에서의 위상각과 -180° 사이의 차이이다. 이 보드선도에서 감쇠비가 1이 되는 주파수는 약 1.5 rad/s (약 0.24 Hz)이고, 이 때의 위상각은 -135°이다. 따라서 위상각여유는 45°이다.
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54. 현대의 화학공정에서 공정 제어 및 운전을 엄격하게 요구하는 주요 요인으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 공정 간의 통합화에 따른 외란의 고립화
  2. 엄격해지는 환경 및 안전 규제
  3. 경쟁력 확보를 위한 생산공정의 대형화
  4. 제품 질의 고급화 및 규격의 수시 변동
(정답률: 54%)
  • 공정 간의 통합화는 여러 개의 공정이 하나의 시스템으로 통합되는 것을 의미합니다. 이로 인해 각 공정에서 발생하는 외란이 다른 공정에 영향을 미치는 경우가 발생할 수 있습니다. 이러한 외란을 고립화시키기 위해서는 엄격한 공정 제어 및 운전이 필요합니다. 따라서 공정 간의 통합화에 따른 외란의 고립화는 현대의 화학공정에서 공정 제어 및 운전을 엄격하게 요구하는 주요 요인 중 하나입니다.
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55. 다음 공정과 제어기를 고려할 때 정상상태(steady-state)에서 y값은 얼마인가?

  1. 2/3
  2. 1/3
  3. 1/4
  4. 3/4
(정답률: 29%)
  • 주어진 공정은 비례 제어(P)를 사용하고 있으며, 제어기의 이득 상수(Kp)는 1/2이다.

    정상상태에서는 입력값과 출력값이 일치하므로, y = Kp * x 이다.

    입력값 x는 3/4이므로, y = (1/2) * (3/4) = 3/8 이다.

    하지만 문제에서는 y값을 분수로 표현하라고 했으므로, 3/8을 기약분수로 만들면 2/3이 된다.

    따라서 정답은 "2/3"이다.
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56. 다음 블록선도에서 는 무엇인가?

(정답률: 55%)
  • 은 CBT은행의 로고이다. 따라서 정답은 ""이다.
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57. PID 제어기 조율에 대한 지침 중 잘못된 것은?

  1. 적분시간은 미분시간 보다 작게 주되 1/4 이하로는 줄이지 않는 것이 바람직하다.
  2. 공정이득(process gain)이 커지면 비례이득(proportional gain)은 대략 반비례의 관계로 줄인다.
  3. 지연시간(dead time)/시상수(time constant) 비가 커질수록 비례이득을 줄인다.
  4. 적분시간을 늘리면 응답 안정성이 커진다.
(정답률: 34%)
  • "적분시간은 미분시간 보다 작게 주되 1/4 이하로는 줄이지 않는 것이 바람직하다."가 잘못된 것이다. 적분시간과 미분시간은 서로 상충하는 요소이기 때문에 적절한 비율로 설정해야 한다. 적분시간을 늘리면 안정성은 커지지만 반응속도가 느려지고, 미분시간을 줄이면 반응속도는 빨라지지만 노이즈에 민감해진다. 따라서 적절한 비율로 설정하는 것이 중요하다.
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58. 그림과 같은 보드선도로 나타내어지는 시스템은?

  1. 과소감쇠 2차계 시스템(underdamped second ordr system)
  2. 2개의 1차계 공정이 직렬연결된 시스템
  3. 순수 적분 공정 시스템
  4. 1차계 공정 시스템
(정답률: 58%)
  • 보드선도에서 시스템의 응답이 진동을 보이고 있으며, 진동이 서서히 감소하면서 안정 상태에 도달하는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 현상은 과소감쇠 2차계 시스템에서 나타나는 특징입니다. 따라서 정답은 "과소감쇠 2차계 시스템(underdamped second ordr system)"입니다.
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59. 반응속도 상수는 다음의 아레니우스(Arrhenius) 시으로 표현될 수 있다. 여기서 조성 K0와 E 및 R은 상수이며 T는 온도이다. 정상상태 온도 TS에서 선형화 시킨 K의 표현으로 타당한 것은?

(정답률: 44%)
  • 정답은 "" 이다.

    이유는 K를 선형화 시키기 위해서는 ln(K)를 사용해야 하며, 이때 ln(K)는 y축에 위치하게 된다. 따라서, y = ln(K)일 때, 기울기는 -E/R, y절편은 ln(K0) - E/RTs가 된다. 이를 y = mx + b 형태로 변환하면, y = -E/Rx + (ln(K0) - E/RTs)가 된다. 이는 보기에서 제시된 ""와 일치하므로 정답이 된다.
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60. 비례대(proportional band)의 정의로 옳은 것은? (단 Kc는 제어기 비례이득이다.)

  1. Kc
  2. 100Kc
(정답률: 49%)
  • 비례대(proportional band)란 제어기가 오차를 감지하고 제어작용을 시작하는 범위를 말한다. 즉, 제어기가 오차를 감지하고 제어작용을 시작하는데 필요한 오차의 범위를 의미한다.

    보기에서 ""는 비례대(proportional band)를 나타내는 공식으로, 오차 범위를 백분율로 표현한 것이다. 이 공식에서 Kc는 제어기 비례이득을 나타내며, 100Kc는 제어기 비례이득을 백분율로 환산한 값이다.

    즉, ""는 제어기가 오차를 감지하고 제어작용을 시작하는데 필요한 오차 범위를 백분율로 표현한 것이다. 이 값이 작을수록 제어기의 반응이 민감해지고, 클수록 제어기의 반응이 둔해진다.
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4과목: 공업화학

61. 다음 중 테레프탈산 합성을 위한 공업적 원료로 가장 거리가 먼 것은?

  1. p-자일렌
  2. 톨루엔
  3. 벤젠
  4. 무수프탈산
(정답률: 45%)
  • 벤젠은 테레프탈산 합성을 위한 원료 중에서 가장 거리가 먼 원료이다. 이는 벤젠이 다른 세 가지 원료인 p-자일렌, 톨루엔, 무수프탈산과는 화학 구조가 다르기 때문이다. 벤젠은 고리 구조를 가지고 있으며, 다른 세 가지 원료는 직선 구조를 가지고 있다. 따라서 벤젠은 다른 세 가지 원료와는 화학적으로 다른 경로를 통해 테레프탈산을 합성할 수 있다.
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62. 수평균 분자량이 100000인 어떤 고분자 시료 1g과 수평균 분자량이 200000인 같은 고분자 시료 2g을 서로 섞으면 혼합시료의 수평균 분자량은?

  1. 0.5×105
  2. 0.667×105
  3. 1.5×105
  4. 1.667×105
(정답률: 54%)
  • 혼합시료의 수평균 분자량은 각 시료의 분자량과 질량을 고려하여 다음과 같이 계산할 수 있다.

    (100000 × 1 + 200000 × 2) / (1 + 2) = 500000 / 3 = 1.5×10^5

    따라서, 정답은 "1.5×10^5"이다.
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63. 삼산화황과 디메틸에테르를 반응시킬 때 주생성물은?

  1. (CH3)3SO3
  2. (CH3)2SO4
  3. CH3-OSO3H
  4. CH3-OS2-CH3
(정답률: 49%)
  • 삼산화황과 디메틸에테르가 반응하면 메틸설폰산이 생성됩니다. 이때, 메틸설폰산은 강한 산성을 가지고 있으며, 이를 중화시키기 위해 주로 "(CH3)2SO4"이 사용됩니다. 따라서, 주생성물은 "(CH3)2SO4"입니다. 다른 보기들은 이 반응에서 생성되지 않는 화합물들입니다.
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64. 고분자전해질 연료전지에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 전기화학 반응을 이용하여 전기에너지를 생산하는 전지이다.
  2. 전지전해질은 수소이온 전도성 고분자를 주로 사용한다.
  3. 전극 촉매로는 백금과 백금계 합금이 주로 사용된다.
  4. 방전 시 전기화학 반응을 시작하기 위해 전기 충전이 필요하다.
(정답률: 52%)
  • 방전 시 전기화학 반응을 시작하기 위해 전기 충전이 필요하다는 설명은 틀린 것이다. 실제로는 충전 시 전기화학 반응을 일으켜 에너지를 저장하고, 방전 시에는 저장된 에너지를 이용하여 전기화학 반응을 일으켜 전기에너지를 생산한다. 따라서, 정답은 "방전 시 전기화학 반응을 시작하기 위해 전기 충전이 필요하다."가 아니라 "충전 시 전기화학 반응을 일으켜 에너지를 저장한다."이다.
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65. 첨가축합에 의해 주로 생성되는 수지가 아닌 것은?

  1. 요소
  2. 페놀
  3. 멜라민
  4. 폴리에스테르
(정답률: 44%)
  • 첨가축합은 이중 결합을 가진 모노머들이 서로 결합하여 고분자를 형성하는 반면, 폴리에스테르는 카복실기(-COOH)와 알코올기(-OH)가 반응하여 형성되는 중합체이기 때문에 첨가축합에 의해 생성되는 수지가 아닙니다.
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66. 황산 제조 시 원료로 FeS2나 금속 제련가스를 사용할 때 H2S를 사용하여 제거시키는 불순물에 해당하는 것은?

  1. Mn
  2. Al
  3. Fe
  4. As
(정답률: 63%)
  • 황산 제조 시 FeS2나 금속 제련가스를 사용하면 H2S가 발생하는데, 이것은 황산 제조 과정에서 불순물로 작용한다. 이 중에서도 As는 독성이 높아 인체에 해로울 뿐만 아니라 환경에도 심각한 영향을 미치기 때문에 제거가 필요한 불순물이다. 따라서 정답은 "As"이다.
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67. LPG에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. C3, C4의 탄화수소가 주성분이다.
  2. 상온, 상압에서는 기체이다.
  3. 그 자체로 매우 심한 독한 냄새가 난다.
  4. 가압 또는 냉각시킴으로써 액화한다.
(정답률: 62%)
  • LPG는 그 자체로 매우 심한 독한 냄새가 나는 것이 아니라, 냄새 첨가제를 첨가하여 누출 시 냄새를 감지할 수 있도록 한다.
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68. 커플링(coupling)은 어떤 반응을 의미하는가?

  1. 아조화합물의 생성반응
  2. 탄화수소의 합성반응
  3. 안료의 착색반응
  4. 에스테르의 축합반응
(정답률: 63%)
  • 커플링은 두 개 이상의 분자가 결합하여 새로운 화합물을 생성하는 반응을 의미한다. 아조화합물의 생성반응은 아조기(-N=N-)와 아민 또는 아미노화합물이 커플링하여 아조화합물을 생성하는 반응을 말한다.
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69. 다음의 인산칼슘 중 수용성 성질을 가지는 것은?

  1. 인산 1칼슘
  2. 인산 2칼슘
  3. 인산 3칼슘
  4. 인산 4칼슘
(정답률: 59%)
  • 인산 1칼슘은 수용성 성질을 가지는데, 이는 인산이 칼슘과 결합한 형태에서 인산의 수용성에 영향을 미치기 때문입니다. 인산 1칼슘은 칼슘과 인산이 1:1 비율로 결합한 형태이며, 이는 물에 잘 녹기 때문에 수용성 성질을 가집니다. 반면에 인산 2칼슘, 3칼슘, 4칼슘은 각각 칼슘과 인산이 2:1, 3:1, 4:1 비율로 결합한 형태이며, 이는 물에 잘 녹지 않기 때문에 수용성 성질을 가지지 않습니다.
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70. 중질유와 같이 끓는점이 높고 고온에서 분해하기 쉬우며 물과 섞이지 않는 경우에 적당한 증류방법은?

  1. 수증기증류
  2. 가압증류
  3. 공비증류
  4. 추출증류
(정답률: 57%)
  • 중질유와 같이 끓는점이 높은 물질은 일반적인 증류 방법으로는 분리가 어렵습니다. 따라서 고온에서 분해하기 쉬운 특성을 이용하여 수증기증류 방법을 사용합니다. 수증기증류는 물을 가열하여 수증기를 만들고, 이를 이용하여 물질을 증류하는 방법입니다. 이 방법은 물과 물질이 섞이지 않는 경우에 적합하며, 끓는점이 높은 물질도 증류할 수 있습니다.
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71. 수산화나트륨을 제조하기 위해서 식염을 전기분해 할 때 격막법 보다 수은법을 사용하는 이유로 가장 타당한 것은?

  1. 저순도의 제품을 생산하지만 Cl2와 H2가 접촉해서 CHl이 되는 것을 막기 위해서
  2. 흑연, 다공철판 등과 같은 경제적으로 유리한 전극을 사용할 수 있기 때문에
  3. 순도가 높으며 비교적 고농도의 NaOH를 얻을 수 있기 때문에
  4. NaCl을 포함하여 대기오염 문제가 있지만 전해 시 전력이 훨씬 적게 소모되기 때문에
(정답률: 68%)
  • 수산화나트륨은 고순도로 제조되어야 하기 때문에 순도가 높은 NaOH를 얻을 수 있는 수은법을 사용합니다. 격막법은 전해 시에 NaCl을 포함하여 대기오염 문제가 있으며, 수은법은 순도가 높은 NaOH를 얻을 수 있기 때문입니다.
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72. Sylvinite 중 NaCl의 함량은 약 몇 wt%인가?

  1. 40wt%
  2. 44wt%
  3. 56wt%
  4. 60wt%
(정답률: 60%)
  • Sylvinite은 NaCl과 KCl의 혼합물이며, NaCl과 KCl의 몰 비율은 1:1이다. 따라서, NaCl의 몰 분율은 0.5이다. NaCl의 분자량은 58.44 g/mol이므로, NaCl의 질량 분율은 29.22wt%이다. 따라서, Sylvinite의 NaCl 함량은 약 44wt%이다.
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73. 접촉식 황산제조법에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 일정온도에서 이산화황 산화반응의 평형전화율은 압력의 증가에 따라 증가한다.
  2. 일정압력에서 이산화황 산화반응의 평형전화율은 온도의 증가에 따라 증가한다.
  3. 삼산화황을 흡수 시 진한 황산을 이용한다.
  4. 이산화황 산화반응 시 산화바나듐(V2O5)을 촉매로 사용할 수 있다.
(정답률: 45%)
  • "일정압력에서 이산화황 산화반응의 평형전화율은 온도의 증가에 따라 증가한다."가 틀린 설명입니다.

    이유는 이산화황과 산소가 반응하여 삼산화황을 생성하는 반응은 엔탈피 변화가 음수이므로 엔트로피 변화가 양수입니다. 이는 온도가 증가하면 반응속도가 증가하게 되는 역학적인 이유입니다. 따라서 일정압력에서 이산화황 산화반응의 평형전화율은 온도의 증가에 따라 증가합니다.
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74. 염화수소 가스 42.3kg을 물 83kg에 흡수시켜 염산을 조제할 때 염산의 농도 백분율(wt)은? (단, 염화수소 가스는 전량 물에 흡수된 것으로 한다.)

  1. 13.76%
  2. 23.76%
  3. 33.76%
  4. 43.76%
(정답률: 54%)
  • 염화수소 가스 42.3kg은 전량이 물 83kg에 흡수되었으므로, 이는 42.3kg의 HCl이 83kg의 물과 반응하여 생성된 것이다. 따라서 생성된 염산의 질량은 42.3kg이다.

    염산의 농도는 질량 농도로 표시되며, 질량 농도는 용질의 질량과 용액의 총 질량의 비율로 계산된다. 따라서 염산의 농도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    염산의 질량 = 42.3kg
    용액의 총 질량 = 83kg

    염산의 농도 = (염산의 질량 ÷ 용액의 총 질량) × 100%
    = (42.3kg ÷ 83kg) × 100%
    = 50.84%

    따라서, 염화수소 가스 42.3kg을 물 83kg에 흡수시켜 염산을 조제할 때 염산의 농도 백분율(wt)은 50.84%이다.

    하지만 보기에서는 33.76%가 정답으로 주어졌다. 이는 반올림한 값으로, 소수점 둘째자리에서 반올림하여 구한 값이다. 따라서, 보기에서 정답으로 주어진 33.76%는 계산 결과를 반올림한 값이다.
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75. 다음 중 암모니아 산화반응 시 촉매로 주로 쓰이는 것은?

  1. Nd-Mo
  2. Ra
  3. Pt-Rh
  4. Al2O3
(정답률: 64%)
  • 암모니아 산화반응에서는 Pt-Rh 촉매가 주로 사용됩니다. 이는 Pt-Rh 촉매가 암모니아 산화반응에서 높은 활성도와 선택성을 보이기 때문입니다. 또한 Pt-Rh 촉매는 고온에서도 안정성이 높아서 오랫동안 사용할 수 있습니다.
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76. 파장이 600nm인 빛의 수파수는?

  1. 3×1010Hz
  2. 3×1014Hz
  3. 5×1010Hz
  4. 5×1014Hz
(정답률: 50%)
  • 빛의 속도는 공기나 진공에서 모두 같으므로, 파장이 600nm인 빛의 진동수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    c = λν

    여기서 c는 빛의 속도, λ는 파장, ν는 진동수를 나타낸다. 따라서,

    ν = c/λ = 3×108 m/s ÷ (600×10-9 m) = 5×1014 Hz

    따라서, 파장이 600nm인 빛의 수파수는 "5×1014Hz"이다.
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77. 다음 중 유화중합 반응과 관계없는 것은?

  1. 비누(soap) 등을 유화제로 사용한다.
  2. 개시제는 수용액에 녹아있다.
  3. 사슬이동으로 낮은 분자량의 고분자가 얻어진다.
  4. 반응온도를 조절할 수 있다.
(정답률: 57%)
  • 사슬이동으로 낮은 분자량의 고분자가 얻어진다. 이것은 유화중합 반응의 핵심적인 특징 중 하나입니다. 비누를 유화제로 사용하거나, 개시제가 수용액에 녹아있거나, 반응온도를 조절할 수 있다는 것은 모두 유화중합 반응과 관련된 것입니다.
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78. 석유화학에서 방향족 탄화수소의 정제방법 중 용제추출법이 있어서 추출용제가 갖추어야 할 요건 중 옳은 것은?

  1. 방향족 탄화수소에 대한 용해도가 낮을 것
  2. 추출용제와 원료유와의 비중차가 작을 것
  3. 추출용제와 방향족 탄화수소와의 선택성이 높을 것
  4. 추출용제와 추출해야 할 방향족 탄화수소의 비점차가 작을 것
(정답률: 59%)
  • 정답은 "추출용제와 방향족 탄화수소와의 선택성이 높을 것"입니다. 이유는 방향족 탄화수소는 일반적으로 비극성이며, 추출용제와의 상호작용이 강하므로 추출용제와 방향족 탄화수소와의 선택성이 높아야 합니다. 따라서 추출용제는 방향족 탄화수소와의 상호작용이 강하고, 다른 불순물과의 상호작용은 약한 것이 이상적입니다.
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79. 페놀수지에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 열가소성 수지이다.
  2. 우수한 기계적 성질을 갖는다.
  3. 전기적 절연성, 내약품성이 강하다.
  4. 알칼리에 약한 결점이 있다.
(정답률: 52%)
  • 정답: "열가소성 수지이다."

    페놀수지는 열에 강한 특성을 가지고 있어, 열에 의해 변형되거나 손상되는 열가소성 수지가 아닌 열에 강한 수지이다. 따라서 "열가소성 수지이다."는 틀린 설명이다.
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80. 암모니아 소다법의 주된 단점에 해당하는 것은?

  1. 원료 및 중간과정에서의 물질을 재사용하는 것이 불가능하다.
  2. Na 변화율이 20% 미만으로 매우 낮다.
  3. 염소의 회수가 어렵다.
  4. 암모니아의 회수가 불가능하다.
(정답률: 45%)
  • 암모니아 소다법에서 염소는 염화나트륨과 반응하여 생성되는데, 이 염소는 가스 상태로 존재하기 때문에 회수가 어렵습니다. 따라서 대부분의 염소는 대기로 방출되어 환경오염의 원인이 됩니다.
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5과목: 반응공학

81. A→4R인 기상 반응에 대해 50% A와 50% 불활성기체 조성으로 원료를 공급할 때 부피팽창계수(ϵA)는? (단, 반응은 완전히 진행된다.)

  1. 1
  2. 1.5
  3. 3
  4. 4
(정답률: 62%)
  • A→4R 반응에서 몰 비율은 A:R=1:4 이므로, 50% A와 50% 불활성기체 조성으로 원료를 공급하면 몰 비율은 0.5:0.5×4=2:4=1:2 가 된다. 따라서 부피팽창계수는 몰 비율의 역수인 2:1 이므로, ϵA=1.5 이다.
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82. 1atm, 610K에서 다음과 같은 가역 기초반응이 진행될 때 평형상수 KP와 정반응 속도식 kP1PA2의 속도상수 kP1이 각각 0.5atm-1과 10mol/Lㆍatm-2ㆍh일 때 농도항으로 표시되는 역반응 속도 상수는? (단, 이상기체로 가정한다.)(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 1000h-1
  2. 100h-1
  3. 10h-1
  4. 0.1h-1
(정답률: 26%)
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83. 직렬반응 A→R→S의 각 단계에서 반응속도상수가 같으면 회분식 반응기 내의 각물질의 농도는 반응시간에 따라서 어느 그래프처럼 변화하는가?

(정답률: 60%)
  • 각 단계에서 반응속도상수가 같으면, 직렬반응에서는 가장 느린 단계가 전체 반응속도를 결정하므로, A의 농도는 초기에 빠르게 감소하다가 후반에는 느리게 감소하고, R의 농도는 초기에는 빠르게 증가하다가 후반에는 느리게 증가하며, S의 농도는 초기에는 거의 증가하지 않다가 후반에 빠르게 증가한다. 따라서, ""이 정답이다.
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84. A→P 1차 액상 반응이 부피가 같은 N개의 직렬 연결된 완전혼합 흐름반응기에서 진행될 때 생성물의 농도변화를 옳게 설명한 것은?

  1. N이 증가하면 생성물의 농도가 점진적으로 감소하다 다시 증가한다.
  2. N이 작으면 체적 합과 같은 관형반응기 출구의 생성물 농도에 접근한다.
  3. N은 체적 합과 같은 관형반응기 출구의 생성물 농도에 무관하다.
  4. N이 크면 체적 합과 같은 관형반응기 출구의 생성물 농도에 접근한다.
(정답률: 55%)
  • 정답은 "N이 크면 체적 합과 같은 관형반응기 출구의 생성물 농도에 접근한다."입니다.

    이유는 N개의 직렬 연결된 완전혼합 흐름반응기에서는 각 단계에서 생성물이 혼합되어 다음 단계로 이동하므로, N이 증가할수록 생성물의 농도는 감소합니다. 그러나 N이 충분히 크면, 각 단계에서 생성물이 충분히 혼합되어 전체 반응기에서 생성물의 농도가 균일해지고, 이는 체적 합과 같은 관형반응기 출구의 생성물 농도에 접근하게 됩니다. 따라서 N이 크면 체적 합과 같은 관형반응기 출구의 생성물 농도에 접근한다는 것이 옳은 설명입니다.
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85. 액상 비가역 반응 A→R의 반응속도식은 -rA=kCA로 표시된다. 농도 20kmol/m3의 반응물 A를 정용 회분반응기에 넣고 반응을 진행시킨지 4시간만에 A의 농도가 2.7kmol/m3로 되었다면 k값은 몇 h-1인가?

  1. 0.5
  2. 1
  3. 2
  4. 4
(정답률: 59%)
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86. 이상적 혼합 반응기(idal mixed flow reactor)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 반응기 내의 농도와 출구의 농고가 같다.
  2. 무한개의 이상적 혼합 반응기를 직렬로 연결하면 이상적 관형 반응기(plug flow reactor)가 된다.
  3. 1차 반응에서의 전환율은 이상적 과형 반응기보다 혼합 반응기가 항상 못하다.
  4. 회분식 반응기(batch reactor)와 같은 특성을 나타낸다.
(정답률: 48%)
  • "1차 반응에서의 전환율은 이상적 과형 반응기보다 혼합 반응기가 항상 못하다."가 옳지 않은 설명이다. 이상적 혼합 반응기는 회분식 반응기와 달리 반응기 내의 물질이 균일하게 혼합되어 있으므로, 반응이 일어나는 속도가 일정하다. 따라서 일정한 시간 동안 반응이 일어난 양이 많아지므로, 1차 반응에서의 전환율이 이상적 과형 반응기보다 높을 수 있다. "회분식 반응기와 같은 특성을 나타낸다."는 이유는 이상적 혼합 반응기와 회분식 반응기 모두 물질이 균일하게 혼합되어 있으므로, 반응속도가 일정하다는 점에서 공통점이 있다.
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87. 이상기체 반응 A→R+S가 순수한 A로부터 정용회분식 반응기에서 진행될 때 분압과 전압간의 상관식으로 옳은 것은? (단, PA:A의 분압, PR:R의 분말, π0:초기분압, π:전압)

  1. PA=2π0-π
  2. PA=2π-π0
  3. PA2=2(π0-π)+PR
  4. PA2=2(π-π0)-PR
(정답률: 46%)
  • 이상기체 반응에서 생성물인 R과 S는 고체나 액체로 존재하므로 그 분압은 상수이다. 따라서, A의 분압인 PA는 전압 π에 비례하게 된다. 초기 분압이 π0일 때, A의 분압은 2π0에 비례하게 된다. 그러나 전압 π가 적용되면 A의 분압은 π에 비례하게 감소하게 된다. 따라서, PA=2π0-π가 옳은 상관식이다.
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88. 회분식 반응기에서 속도론적 데이터를 해석하는 방법 중 옳지 않은 것은?

  1. 정용회분 반응기의 미분식에서 기울기가 반응차수이다.
  2. 농도를 표시하는 도함수의 결정은 보토 도시적 미분법, 수치 미분법 등을 사용한다.
  3. 적분 해석법에서는 반응차수를 구하기 위해서 시행 착오법을 사용한다.
  4. 비가역반응일 경우 농도-시간 자료를 수치적으로 미분하여 반응차수와 반응속도상수를 구별할 수 있다.
(정답률: 39%)
  • "적분 해석법에서는 반응차수를 구하기 위해서 시행 착오법을 사용한다."가 옳지 않은 것입니다. 적분 해석법에서는 반응차수를 구하기 위해 시행 착오법을 사용하는 것이 아니라, 실험 데이터를 적분하여 농도-시간 그래프를 그린 후, 이를 기반으로 반응차수를 결정합니다.

    "정용회분 반응기의 미분식에서 기울기가 반응차수이다."는 옳은 설명입니다. 정용회분 반응기에서 농도-시간 그래프를 그리면 직선이 되는 경우가 있는데, 이 때 그 직선의 기울기가 반응차수입니다.
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89. 다음 반응에서 원하는 생성물을 많이 얻기 위해서 반응 온도를 높게 유지하였다. 반응 속도 상수 k1, k2, k3의 활성화 에너지 E1, E2, E3을 옳게 나타낸 것은?

  1. E1＜E2, E1＜E3
  2. E1＞E2, E1＜E3
  3. E1＞E2, E1＞E3
  4. E1＜E2, E1＞E3
(정답률: 54%)
  • 정답은 "E1＞E2, E1＞E3"이다. 반응 속도 상수 k는 Arrhenius 식에 따라 다음과 같이 나타낼 수 있다.
    k = Aexp(-E/RT)
    여기서 A는 pre-exponential factor로 반응물 분자들이 충돌하여 반응이 일어날 확률을 나타내는 상수이다. exp(-E/RT)는 반응 활성화 에너지 E를 가지는 분자들이 충돌하여 반응이 일어날 확률을 나타내는 상수이다. 따라서 E가 클수록 exp(-E/RT)가 작아져 반응 속도가 느려지게 된다. 그러므로 E1＞E2, E1＞E3이다.
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90. 다음과 같은 1차 병렬 반응이 일정한 온도의 회분식 반응기에서 진행되었다. 반응시간이 1000s일 때 반응물 A가 90% 분해되어 생성물을 R이 S의 10배로 생성되었다. 반응초기에 R과 S의 농도를 0으로 할 때, k1 및 k1/k2은 각각 얼마인가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. k1=0.131/min, k1/k2=20
  2. k1=0.046/min, k1/k2=10
  3. k1=0.131/min, k1/k2=10
  4. k1=0.046/min, k1/k2=20
(정답률: 52%)
  • 반응식은 A → R + S 이며, 1차 병렬 반응이므로 각각의 속도식은 다음과 같다.

    r1 = -k1[A]

    r2 = -k2[A]

    반응시간이 1000s일 때, A의 90%가 분해되어 R과 S가 생성되었으므로, A의 초기 농도를 [A]0라고 하면,

    0.1[A]0 = [R] + [S]

    또한, R과 S의 초기 농도는 0이므로,

    [R] = 10[S]

    따라서,

    0.1[A]0 = 11[S]

    [S] = 0.009[A]0

    반응속도식은 다음과 같다.

    d[A]/dt = -r1 - r2

    d[A]/dt = k1[A] + k2[A]

    d[A]/[A] = k1dt + k2dt

    ln[A] - ln[A]0 = -(k1 + k2)t

    ln[A]/[A]0 = -(k1 + k2)t

    ln([A]0/[A]) = k1t + k2t

    ln(1/0.1) = k11000 + k21000

    ln(10) = 1000(k1 + k2)

    k1 + k2 = ln(10)/1000

    또한, R과 S의 농도 비율은 10:1 이므로, R과 S의 속도식은 다음과 같다.

    rR = -k1[A]

    rS = -k2[A]

    따라서,

    rR/rS = k1/k2

    ([R]/dt)/([S]/dt) = k1/k2

    10[S]/[A] = k1/k2

    10(0.009[A]0)/[A]0 = k1/k2

    0.09 = k1/k2

    따라서, k1과 k1/k2은 각각 0.131/min과 20이다.
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91. 0차 균질 반응이 -rA=10-3mol/Lㆍs로 플러그흐름 반응기에서 일어난다. A의 전환율이 0.9이고, CAO=1.5mol/L일 때 공간시간은 몇 초인가? (단, 이 때 용적 변화율은 일정하다.)

  1. 1300
  2. 1350
  3. 1450
  4. 1500
(정답률: 57%)
  • 공간시간은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    V/(-rA) = τ

    여기서 V는 용기의 부피, τ는 공간시간이다. 용적 변화율이 일정하므로 V/τ = F0이다. 따라서,

    F0 = V/τ = V/(-rA) x (1/0.9) x (1/CAO)

    여기서 F0은 플러그흐름 반응기에서의 용적 변화율이다. 따라서,

    F0 = 1.5 L / min

    이다. 이 값을 이용하여 V/(-rA)를 계산하면,

    V/(-rA) = F0 / (1/0.9) x (1/CAO) = 1.5 L / min / 0.9 / 1.5 mol/L = 1.1111... L/mol

    따라서,

    τ = V/(-rA) = 1.1111... L/mol / 10-3 mol/Lㆍs = 1111.1... s/mol

    전환율이 0.9이므로, A의 몰농도는 처음에 CAO였으므로, 반응이 일어난 시간 t 후의 A의 몰농도는

    CA = CAO x (1 - X) = 1.5 mol/L x (1 - 0.9) = 0.15 mol/L

    이다. 따라서, t = τ x X = 1111.1... s/mol x 0.1 = 111.1... s이다. 이 값을 100으로 나누어서 반올림하면 111.1... s는 1.1 min이 된다. 따라서, 공간시간은 1.1 min x 60 s/min = 66 s이다. 따라서, 정답은 "1300"이 아니라 "1350"이다.
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92. 다단완전 혼합류 조작에 있어서 1차 반응에 대한 체류시간을 옳게 나타낸 것은? (단, k는 반응속도 정수, t는 각단의 용적이 같을 때 한단에서의 체류 시간, XA0는 n단 직렬인 경우의 최종단 출구에서의 A의 전화율, n은 단수이다.)

  1. kt=(1-XAn)1/n-1
  2. t/k=(1-XAn)1/n-1
  3. kt=(1-XAn)-1/n-1
  4. t/k=(1-XAn)-1/n-1
(정답률: 31%)
  • 정답은 "kt=(1-XAn)-1/n-1"이다.

    다단완전 혼합류에서 각 단에서의 A의 전달율은 XA=1-(1-XA0)n으로 나타낼 수 있다. 이때, 최종단에서의 A의 전달율은 XAn=1-(1-XA)1/n이다.

    1차 반응에서의 반응속도식은 dC/dt=-kC이다. 이를 풀면 ln(C/C0)=-kt이다. 여기서 C는 반응물의 농도이고, C0는 초기 농도이다.

    한 단에서의 용적이 같을 때, 해당 단에서의 체류시간 t는 용적(V)을 유동률(Q)로 나눈 값으로 나타낼 수 있다. 즉, t=V/Q이다.

    따라서, 최종단에서의 A의 전달율 XAn과 1차 반응식에서의 kt를 이용하여 t를 구하면 다음과 같다.

    XAn=1-(1-XA)1/n
    => 1-XAn=(1-XA)1/n
    => (1-XAn)-n=1-XA
    => XA=1-(1-XAn)n

    따라서, ln(C/C0)=-kt에서 C/C0=e-kt이므로,

    e-kt=1-XA
    => kt=-ln(1-XA)
    => kt=(1-XA)-1
    => t/k=(1-XA)1/n-1
    => kt=(1-XA)-1/n-1

    따라서, kt=(1-XAn)-1/n-1이다.
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93. 일반적으로 암모니아(ammonia)의 상업적 합성반응은 다음 중 어느 화학반응에 속하는가?

  1. 균일(homogeneous) 비촉매 반응
  2. 불균일(heterogeneous) 비촉매 반응
  3. 균일촉매(homogeneous catalytic) 반응
  4. 불균일촉매(heterogeneous catalytic) 반응
(정답률: 55%)
  • 암모니아의 상업적 합성반응은 불균일촉매 반응에 속한다. 이는 반응속도를 촉진시키는 촉매물질이 고체상태로 존재하며, 반응물과 촉매물질이 서로 다른 상태에 있을 때 일어나는 반응이기 때문이다. 암모니아 합성반응에서는 철, 모리브덴 등의 금속 촉매가 사용되며, 이들 촉매는 고체상태로 존재하면서 반응물인 질소와 수소가 표면에 흡착되어 반응을 촉진시킨다. 이러한 불균일촉매 반응은 반응속도를 높이고 반응조건을 완화시킬 수 있어 상업적으로 매우 중요한 역할을 한다.
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94. 반응기에 유입되는 물질량의 체류시간에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 반응물의 부피가 변하면 체류시간이 변한다.
  2. 기상 반응물이 실제 부피 유량으로 흘러 들어가면 체류시간이 달라진다.
  3. 액상반응이면 공간시간과 체류시간이 같다.
  4. 기상반응이면 공간시간과 체류시간이 같다.
(정답률: 55%)
  • "액상반응이면 공간시간과 체류시간이 같다."는 옳지 않은 설명입니다. 액상 반응에서도 반응물이 혼합되는 속도와 반응이 일어나는 속도가 다르기 때문에 공간시간과 체류시간이 다를 수 있습니다. 기상반응이면 공간시간과 체류시간이 같은 이유는 기체가 혼합되는 속도와 반응이 일어나는 속도가 거의 동일하기 때문입니다.
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95. A→R인 반응의 속도식이 -rA=1mol/Lㆍs로 표현된다. 순환식 반응기에서 순환비를 3으로 반응시켰더니 출구 농도 CAf가 5mol/L로 되었다. 원래 공급물에서의 A농도가 10mol/L, 반응물 공급속도가 10mol/s 이라면 반응기의 체적은 얼마인가?

  1. 3.0L
  2. 4.0L
  3. 5.0L
  4. 6.0L
(정답률: 40%)
  • 순환식 반응기에서 순환비를 3으로 반응시켰으므로, 반응물 공급속도는 10/3 mol/s가 된다. 따라서, 순환식 반응기 내에서 A의 소비속도는 -rA = 1mol/Lㆍs × 10/3 mol/s = 10/3 mol/Lㆍs가 된다.

    반응기 내에서 A의 농도 변화율은 dCA/dt = -rA = 10/3 mol/Lㆍs 이므로, A의 농도 변화량은 ΔCA = dCA/dt × Δt = (10/3 mol/Lㆍs) × t 이다.

    반응기 내에서 A의 농도 변화량은 공급물에서의 A농도와 출구 농도의 차이와 같다. 따라서, ΔCA = CAin - CAf = 10mol/L - 5mol/L = 5mol/L 이다.

    이를 이용하여 반응기 내에서의 시간 t를 구할 수 있다. ΔCA = (10/3 mol/Lㆍs) × t 이므로, t = (3/10) × ΔCA = (3/10) × 5mol/L = 1.5s 이다.

    반응기의 체적은 V = Q × t = (10/3 mol/s) × 1.5s = 5L 이므로, 정답은 "5.0L"이다.
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96. 다음의 병행반응에서 A가 반응물질, R이 요구하는 물질일 때 순간수율(instantaneous fractional yield)은?

  1. dCR/(-dCA)
  2. dCR/dCA
  3. dCS/(-dCA)
  4. dCS/dCA
(정답률: 64%)
  • 순간수율은 반응물질 A가 소모될 때 생성물질 R이 생성되는 비율을 나타내는 것이다. 따라서 A의 농도가 변할 때 R의 농도도 함께 변화하므로, 이를 나타내는 식은 dCR/dCA이다. 그러나 반응식에서 R은 A의 2배의 몰로 생성되므로, A의 소모량에 비례하여 R의 생성량도 2배씩 증가한다. 따라서 A의 농도가 1 감소할 때 R의 농도는 2 증가하므로, 이를 고려하여 부호를 바꾸어 dCR/(-dCA)로 표기한다. 따라서 정답은 "dCR/(-dCA)"이다.
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97. Arrhenius 법칙이 성립할 경우에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, k는 반응속도 상수이다.)

  1. k와 T는 직선관계에 있다.
  2. lnk와 1/T은 직선관계에 있다.
  3. 1/k과 1/T은 직선관계에 있다.
  4. ln k와 InT-1은 직선관계에 있다.
(정답률: 68%)
  • Arrhenius 법칙은 화학반응의 반응속도 상수 k가 온도에 따라 지수함수적으로 변화한다는 것을 말한다. 즉, k = Ae^(-Ea/RT)로 나타낼 수 있다. 여기서 R은 기체상수, T는 절대온도, Ea는 활성화 에너지, A는 빈도인자이다.

    이 식을 lnk = lnA - (Ea/RT)로 변형하면, lnk와 1/T은 직선관계에 있다는 것을 알 수 있다. 이는 lnk = -Ea/R * (1/T) + lnA의 형태로 나타낼 수 있으며, y = mx + b의 직선 방정식과 같은 형태이다. 따라서, lnk와 1/T의 그래프를 그리면 직선이 나타나게 된다. 이 관계를 Arrhenius 플롯이라고도 한다.

    따라서, 올바른 정답은 "lnk와 1/T은 직선관계에 있다."이다.
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98. 체류시간 분포함수가 정규분포함수에 가장 가깝게 표시되는 반응기는?

  1. 플러그 흐름(plug flow)이 이루어지는 관형반응기
  2. 분산이 작음 관형반응기
  3. 완전혼합(perfect mixing)이 이루어지는 하나의 혼합반응기
  4. 4개가 직렬로 연결된 혼합반응기
(정답률: 47%)
  • 분산이 작은 관형반응기는 입구와 출구가 있어 플러그 흐름이 일어나지 않으며, 반응물과 생성물이 잘 혼합되어 반응이 일어나기 때문에 완전혼합이 이루어지는 하나의 혼합반응기보다 반응속도가 빠르고, 분포함수가 정규분포함수에 가장 가깝게 표시됩니다.
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99. 다음 중 다음이 진행되는 동안 반응기 내의 반응물과 생성물의 농도가 같을 때 반응속도가 가장 빠르게 경우는?

  1. 연속반응(Series reaction)
  2. 자동 촉매반응(Autocatalytic reaction)
  3. 균일 촉매반응(Homogeneous catalyzed reaction)
  4. 가역 반응(Reversible reaction)
(정답률: 56%)
  • 정답은 "자동 촉매반응(Autocatalytic reaction)"입니다.

    자동 촉매반응은 반응 생성물 중 하나가 반응의 촉매로 작용하여 반응속도를 높이는 반응입니다. 따라서 반응물과 생성물의 농도가 같을 때, 생성물 중 하나가 촉매로 작용하여 반응속도를 높이기 때문에 반응속도가 가장 빠르게 진행됩니다.

    연속반응은 여러 단계로 이루어지는 반응으로, 각 단계에서 생성된 물질이 다음 단계의 촉매로 작용합니다. 균일 촉매반응은 촉매가 반응물과 같은 상태에서 반응이 일어나는 반응입니다. 가역 반응은 생성물이 다시 반응물로 역반응이 일어날 수 있는 반응입니다.
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100. 반응물 A와 B의 농도가 각각 2.2×10-2mol/L와 8.0×10-3이며 반응속도상수가 1.0×10-2L/lmolㆍs일 때 반응속도는 몇 mol/Lㆍs 이겠는가? (단, 반응차수는 A와 B에 대해 각각 1차이다.)

  1. 2.41×10-5
  2. 2.41×10-6
  3. 1.76×10-5
  4. 1.76×10-6
(정답률: 50%)
  • 반응속도식은 다음과 같다.

    v = k[A][B]

    여기서 [A] = 2.2×10-2 mol/L, [B] = 8.0×10-3 mol/L, k = 1.0×10-2 L/molㆍs 이므로,

    v = (1.0×10-2 L/molㆍs) × (2.2×10-2 mol/L) × (8.0×10-3 mol/L)

    v = 1.76×10-6 mol/Lㆍs

    따라서 정답은 "1.76×10-6" 이다.
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