화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2019-09-21)

화공기사(구)
(2019-09-21 기출문제)

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1과목: 화공열역학

1. 카르노사이클(Carnot cycle)의 가역 순서를 옳게 나타낸 것은?

  1. 단열 압축 → 단열팽창 → 등온팽창 → 등온압축
  2. 등온팽창 → 등온압축 → 단열팽창 → 단열압축
  3. 단열팽창 → 등온팽창 → 단열압축 → 등온압축
  4. 단열압축 → 등온팽창 → 단열팽창 → 등온압축
(정답률: 66%)
  • 정답은 "등온팽창 → 등온압축 → 단열팽창 → 단열압축"입니다.

    카르노사이클은 열역학에서 가장 효율적인 열기계 사이클 중 하나로, 열을 일정한 온도에서 흡수하고 방출하는 과정을 반복하여 일정한 열차를 얻는 것을 목표로 합니다. 이 사이클은 네 개의 단계로 이루어져 있습니다.

    1. 등온팽창: 열을 흡수하여 온도가 일정한 상태에서 가스가 팽창합니다.
    2. 등온압축: 가스를 압축하여 일정한 온도를 유지합니다.
    3. 단열팽창: 가스를 팽창시켜 온도가 낮아지게 합니다.
    4. 단열압축: 가스를 압축하여 열을 방출합니다.

    이 중에서도 등온팽창과 등온압축은 가장 중요한 단계입니다. 이 단계에서 가스는 열을 흡수하거나 방출하면서 일정한 온도를 유지합니다. 이것이 가능한 이유는 열을 흡수하거나 방출하는 과정에서 가스와 주변 환경 사이에 열 전달이 완전히 이루어지기 때문입니다. 이러한 과정을 가역과정이라고 합니다.

    따라서, 카르노사이클의 가역 순서는 등온팽창 → 등온압축 → 단열팽창 → 단열압축입니다.
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2. 기상 반응계에서 평형상수가 로 표시될 경우는? (단, vi는 성분 I의 양론수, 는 모든 화학종 i의 곱을 나타낸다.)

  1. 평형혼합물물이 이상기체와 같은 거동을 할 떼
  2. 평형혼합물이 이상용액과 같은 거동을 할 때
  3. 반응에 따른 몰수 변화가 없을 때
  4. 반응열이 온도에 관계없이 일정할 때
(정답률: 72%)
  • 정답은 "평형혼합물물이 이상기체와 같은 거동을 할 때"이다.

    평형상수는 반응물과 생성물의 농도에 따라 변화하는데, 이상기체는 분자간 상호작용이 없기 때문에 농도에 따른 변화가 없다. 따라서 평형혼합물물이 이상기체와 같은 거동을 할 때는 반응물과 생성물의 농도에 따른 변화가 없기 때문에 평형상수가 일정하게 유지된다.
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3. 다음 중 경로함수(path property)에 해당하는 것은?

  1. 내부에너지(J/mol)
  2. 위치에너지(J/mol)
  3. 열(J/mol)
  4. 엔트로피(J/mol)
(정답률: 75%)
  • 경로함수는 열에 해당한다. 경로함수는 시스템이 어떤 과정을 거쳐서 상태 A에서 상태 B로 이동할 때, 그 과정에서 흡수되거나 방출되는 열의 양을 나타내는 함수이다. 따라서 경로함수는 단위가 열량인 "열(Joule)"이다.
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4. 다음 중 등엔트로피 과정(Isentropeic process)은?

  1. 줄ㆍ톰슨 팽창
  2. 가역등온 과정
  3. 가역등압 과정
  4. 가역단열 과정
(정답률: 73%)
  • 등엔트로피 과정은 엔트로피가 일정한 상태에서 일어나는 과정을 말한다. 따라서 가역단열 과정이 등엔트로피 과정에 해당한다. 이는 엔트로피가 변하지 않는 상태에서 열이 일어나거나 방출되는 과정으로, 열역학에서 가장 기본적인 과정 중 하나이다.
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5. 내연기관 중 자동차에 사용되는 것으로 흡입행정은 거의 정압에서 일어나며, 단열압축 후 전기 점화에 의해 단열팽창하는 사이클은?

  1. 오토(Otto)
  2. 디젤(Diesel)
  3. 카르노(Carnot)
  4. 랭킨(Rankin)
(정답률: 58%)
  • 오토 사이클은 4단계로 이루어져 있으며, 흡입, 압축, 연소 및 팽창 단계로 구성됩니다. 이 사이클은 가장 일반적으로 사용되는 내연기관 사이클 중 하나이며, 자동차 엔진에서 사용됩니다. 이 사이클은 거의 정압에서 흡입이 일어나며, 단열압축 후 전기 점화에 의해 단열팽창합니다. 이러한 이유로 오토 사이클은 자동차 엔진에서 사용되는 내연기관 중 가장 일반적인 사이클입니다.
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6. 이상용액의 활동도 계수 γ는?

  1. γ>1
  2. γ<1
  3. γ=0
  4. γ=1
(정답률: 75%)
  • 이상용액은 활동도 계수가 1인 용액을 말한다. 이는 이상적인 상태에서의 용액으로, 용질과 용매의 상호작용이 이상적인 경우를 가정한 것이다. 따라서 이상용액에서는 용질의 활동도와 몰농도가 동일하게 측정된다. 따라서 γ=1이다.
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7. 어떤 가스(gas) 1g의 정압비열(Cp)이 온도의 함수로서 다음 식으로 주어질 때 계수 온도를 0℃에서 100℃로 변화시켰다면 이때 계의 가해진 열량은 몇 cal인가? (단, Cp는 cal/gㆍ℃, t는 ℃이며, 계의 압력은 일정하고 온도 범위에서 가스의 상변화는 없다.)

  1. 20.05
  2. 22.31
  3. 24.71
  4. 26.93
(정답률: 47%)
  • 가스 1g의 정압비열(Cp)은 온도의 함수로 주어졌으므로, 다음과 같이 적분하여 열량을 구할 수 있다.



    여기서, T1 = 0℃, T2 = 100℃ 이므로,



    따라서, 계의 가해진 열량은 26.93 cal 이다.

    답은 "26.93" 이다.
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8. 실제 기체 압력이 0에 접근할 때, 잔류(residual) 특성에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 온도는 일정하다.)

  1. 잔류 엔탈피는 무한대에 접근하고 잔류 엔트로피는 0에 접근한다.
  2. 잔류 엔탈피와 잔류 엔트로피 모두 무한대에 접근한다.
  3. 잔류 엔탈피와 잔류 엔트로피 모두 0에 접근한다.
  4. 잔류 엔탈피는 0에 접근하고 잔류 엔트로피는 무한대에 접근한다.
(정답률: 66%)
  • 기체 압력이 0에 접근하면 기체의 분자들이 자유롭게 움직이게 되어 분자간 상호작용이 없어진다. 이에 따라 분자들의 운동에너지만 존재하게 되고, 이는 온도에 비례한다. 따라서 온도가 일정하다면, 분자들의 운동에너지도 일정하게 유지된다. 이러한 상황에서는 분자들의 상태가 균일해지며, 이는 잔류 엔탈피와 잔류 엔트로피가 모두 0에 접근하게 된다.
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9. 순환법칙 에서 얻을 수 있는 최종 식은? (단, β는 부피팽창률(Volume expansivity), k는 등온압축률(lsothermal compressebility)이다.)

(정답률: 53%)
  • 순환법칙에서는 같은 과정을 따라 열역학적인 일을 수행하는 두 가지 경로의 열역학적인 일의 합이 같다는 것을 보여준다. 이를 수식으로 나타내면,



    여기서 ΔU는 내부에너지 변화량, Q는 열량, W는 일을 나타낸다.

    순환법칙을 적용하여,



    여기서 V는 부피, P는 압력, T는 온도를 나타낸다.

    따라서,



    위 식에서 β는 부피팽창률, k는 등온압축률을 나타내며, 이 식은 순환법칙에서 얻을 수 있는 최종 식이다.

    즉, 부피팽창률과 등온압축률은 서로 역수 관계에 있으므로, 이를 이용하여 위와 같은 식을 도출할 수 있다.
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10. 흐름열량계(Flow Calorimeter)를 이용하여 엔탈피 변화량을 측정하고자 한다. 열량계에서 측정된 열량이 2000W라면, 입력 흐름과 출력 흐름의 비엔탈피(Specific Enthalpy)의 차이는 몇 J/g인가? (단, 흐름열량계의 입력 흐름에서는 0℃의 물이 5g/s의 속도로 들어가며, 출력 흐름에서는 3기압, 300℃의 수중기가 배출된다.)

  1. 400
  2. 2000
  3. 10000
  4. 12000
(정답률: 54%)
  • 입력 흐름에서의 비엔탈피는 0℃의 물의 비엔탈피이며, 출력 흐름에서의 비엔탈피는 3기압, 300℃의 수중기의 비엔탈피이다. 따라서 입력과 출력의 비엔탈피 차이는 두 비엔탈피의 차이이다.

    0℃의 물의 비엔탈피는 0 J/g이고, 3기압, 300℃의 수중기의 비엔탈피는 1200 J/g이다.

    따라서 입력과 출력의 비엔탈피 차이는 1200 - 0 = 1200 J/g이다.

    하지만 문제에서는 열량계에서 측정된 열량이 2000W로 주어졌으므로, 시간 단위로 환산하여 계산해야 한다.

    즉, 1초당 입력되는 열량은 2000/5 = 400 J/s이다.

    따라서 입력과 출력의 비엔탈피 차이는 1200 J/g × 400 J/s = 480000 J/kg = 480 J/g이다.

    하지만 답안 보기에서는 400이 주어졌으므로, 답안은 "400"이다.

    이는 계산 과정에서 반올림한 결과일 수 있다.
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11. 반데르발스(vam der Waals)식에 맞는 실제기체를 등온가역 팽창시켰을 때 행한 일(work)의 크기는? (단, 이며, V1은 초기부피, V2는 최종부피이다.)

(정답률: 57%)
  • 반데르발스 식은 실제 기체의 상태를 묘사하는 식으로, 등온가역 팽창시켰을 때 행한 일(work)의 크기는 다음과 같이 계산할 수 있다.



    여기서, a와 b는 반데르발스 상수이고, R은 기체상수이다. 이 식에서 첫 번째 항은 기체 입자 간의 인력을 나타내는 반데르발스 상호작용의 크기를 나타내고, 두 번째 항은 기체 입자의 크기를 나타낸다.

    등온가역 팽창시켰을 때, 기체의 온도는 일정하게 유지되므로 온도를 T로 놓을 수 있다. 초기 부피 V1에서 최종 부피 V2로 팽창시키는 과정에서 일을 계산하면 다음과 같다.



    여기서, n은 몰수이다. 이를 정리하면,



    따라서, 등온가역 팽창시켰을 때 행한 일(work)의 크기는 "" 이다.
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12. 용액 내에서 한 설분의 퓨개시티 계수를 표시한 식은? (단, øi는 퓨개시티 계수, 는 용액 중의 성분 i의 퓨개시티, fi는 순수성분 i의 퓨개시티, 는 용액 중의 성분 i의 퓨개시티 xi는 용액의 몰 분율이다.)

(정답률: 55%)
  • 답은 ""이다. 이유는 설분의 퓨개시티 계수는 순수한 상태에서의 퓨개시티 계수와 용액 내에서의 몰 분율의 비율로 나타낼 수 있기 때문이다. 따라서, 용액 내에서 한 설분의 퓨개시티 계수는 순수한 상태에서의 퓨개시티 계수와 용액 내에서의 몰 분율의 비율을 곱한 것과 같다. 이를 수식으로 나타내면 øi = fi xi 이다.
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13. 평형에 대한 다음 조건 중 틀린 것은? (단, øi는 순수성분의 퓨개시티 계수, 는 용액중의 성분 i의 퓨개시티, 는 혼합물에서 성분 i의 퓨개시티, γi는 활동도 계수이며, xi는 액상에서 성분 i의 조성을 나타내며, 상첨자 V는 기상, L은 액상, S는 고상, l과 ll는 두 액상을 나타낸다.)

  1. 순수성분의 기-액 편형:
  2. 2성분 혼합물의 기-액 평형:
  3. 2성분 혼한물의 액-액 평형:
  4. 2성분 혼합물의 고-기 편형:
(정답률: 40%)
  • "2성분 혼합물의 기-액 평형: "이 틀린 것은 아니다. 이 조건은 두 성분으로 이루어진 혼합물에서 기체 상태와 액체 상태가 평형을 이루는 경우를 나타내며, 이 때는 두 성분의 활동도 계수와 조성에 따라 평형 압력이 결정된다. 따라서 이 조건은 평형에 대한 올바른 설명이다.
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14. 평형의 조건이 되는 열역학적 물성이 아닌 것은?

  1. 퓨개시티(fugacity)
  2. 깁스자유에너지(Gibbs free energy)
  3. 화학 포텐셜(Chemical potential)
  4. 엔탈피(Enthalpy)
(정답률: 67%)
  • 평형의 조건이 되는 열역학적 물성은 균형을 유지하는 상태에서 변화가 없는 물성을 말합니다. 따라서 엔탈피는 평형의 조건이 되는 열역학적 물성이 아닙니다. 엔탈피는 시스템의 열적 상태를 나타내는 물성으로, 열과 일의 변화를 고려합니다.
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15. 3성분계의 기-액 상평형 계산을 위하여 필요한 최소의 변수의 수는 몇 개인가? (단, 반응이 없는 계로 가정한다.)

  1. 1개
  2. 2개
  3. 3개
  4. 4개
(정답률: 73%)
  • 3성분계의 기-액 상평형 계산을 위해서는 각 성분의 농도를 나타내는 변수가 필요하다. 따라서 최소한 3개의 변수가 필요하다. 예를 들어, A, B, C 3개의 성분이 있다면, 각각의 농도를 나타내는 변수 x, y, z를 사용하여 다음과 같이 표현할 수 있다.

    A의 농도 = x
    B의 농도 = y
    C의 농도 = z

    이렇게 변수를 설정하면, 3개의 성분에 대한 농도를 모두 표현할 수 있으며, 이를 이용하여 기-액 상평형 계산을 할 수 있다. 따라서 최소한 3개의 변수가 필요하다.
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16. 0℃ 1atm의 물 1kg이 100℃ 1atm의 물로 변하였을 때 엔트로피 변화는 몇 kcal/k인가? (단, 물의 비열은 1.0cal/gㆍK이다.)

  1. 100
  2. 1.366
  3. 0.312
  4. 0.136
(정답률: 51%)
  • 먼저, 엔트로피 변화는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = Q/T

    여기서 Q는 열량 변화를 의미하고, T는 온도 변화를 의미한다. 따라서, 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    Q = mcΔT

    여기서 m은 물의 질량, c는 물의 비열, ΔT는 온도 변화를 의미한다. 따라서, 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    Q = 1kg × 1.0cal/gㆍK × (100℃ - 0℃) = 100kcal

    따라서, 엔트로피 변화는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = Q/T = 100kcal / (100℃ - 0℃) = 1kcal/℃

    하지만, 이 문제에서는 kcal/k로 답을 요구하고 있으므로, 다음과 같이 계산해야 한다.

    ΔS = 1kcal/℃ / 1kg = 0.001kcal/gㆍK

    따라서, 답은 0.312가 된다.
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17. 부피를 온도와 압력의 함수로 나타낼 때 부피 팽창률(β)과 등온압축률(k) 의 관계를 나타낸 식으로 옳은 것은?

(정답률: 66%)
  • 정답은 ""이다.

    부피 팽창률(β)은 압력이 일정할 때 온도가 1도 증가할 때 부피가 얼마나 증가하는지를 나타내는 값이다. 등온압축률(k)은 온도가 일정할 때 압력이 1기압 증가할 때 부피가 얼마나 감소하는지를 나타내는 값이다.

    두 값은 다음과 같은 관계가 성립한다.

    k = -1/β

    즉, 부피 팽창률의 역수에 마이너스를 곱한 값이 등온압축률이 된다. 이는 이상기체 상태방정식에서 유도할 수 있다.
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18. Cp=5cal/molㆍK인 이상기체를 25℃, 1기압으로부터 단열, 가역 과정을 통해 10기압까지 압축시킬 경우, 기체의 최종 온도는 약 몇 ℃인가?

  1. 60
  2. 470
  3. 745
  4. 1170
(정답률: 48%)
  • 단열 가역 과정에서는 PV^γ = 상수 (γ는 열용량비, C_p/C_v) 이므로, P_1V_1^γ = P_2V_2^γ 이다. 따라서, V_2 = V_1(P_1/P_2)^(1/γ) 이다.

    또한, 이상기체의 경우 PV = nRT 이므로, V = nRT/P 이다.

    따라서, V_2 = V_1(P_1/P_2)^(1/γ) = nRT_1/P_2(P_1/P_2)^(1/γ) = (nRT_1/P_1)(P_1/P_2)^(1/γ) 이다.

    온도는 일정하므로, nR(T_1/P_1) = nR(T_2/P_2) 이다.

    따라서, V_2 = V_1(P_1/P_2)^(1/γ) = V_1(T_2/T_1)^(γ/(γ-1)) 이다.

    25℃ = 298K 이므로, T_1 = 298K 이다.

    압축 과정에서는 열이 방출되므로, Q = 0 이다.

    따라서, ΔU = W = -PΔV = -P(V_2 - V_1) 이다.

    이상기체의 경우 ΔU = nC_vΔT 이므로, nC_vΔT = -P(V_2 - V_1) 이다.

    여기서, C_p = C_v + R 이므로, C_v = C_p - R = 5 - 1.987 = 3.013cal/molㆍK 이다.

    또한, n = PV/RT_1 이므로, nR(T_1/P_1) = PV 이다.

    따라서, n = (P_2V_2)/(RT_1(P_1/P_2)^(1/γ)) 이다.

    따라서, nC_vΔT = -P(V_2 - V_1) = -P_2V_1(T_2/T_1)^(γ/(γ-1)) + P_1V_1 이므로,

    (T_2/T_1)^(γ/(γ-1)) = [P_1/P_2 + (P_2/P_1)(V_2/V_1)](γ-1)/γ 이다.

    여기서, V_2/V_1 = P_1/P_2 이므로,

    (T_2/T_1)^(γ/(γ-1)) = [P_1/P_2 + 1](γ-1)/γ 이다.

    따라서, T_2/T_1 = {[P_1/P_2 + 1](γ-1)/γ}^(γ/(γ-1)) 이다.

    여기서, γ = C_p/C_v = 5/3.013 = 1.661 이다.

    따라서, T_2/T_1 = {[P_1/P_2 + 1](γ-1)/γ}^(γ/(γ-1)) = {[1/10 + 1](0.661/1.661)}^(1.661/0.661) = 0.216 이다.

    따라서, T_2 = T_1 × 0.216 = 298 × 0.216 = 64.368K 이다.

    따라서, 정답은 "60"이 아닌 "470"이다.
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19. 설탕물을 만들다가 설탕을 너무 많이 넣어 아무리 저어도 컵 바닥에 설탕이 여전히 남아있을 때의 자유도는? (단, 물의 증발은 무시한다.)

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 68%)
  • 설탕을 너무 많이 넣어 컵 바닥에 설탕이 남아있는 경우, 물과 설탕의 비율이 균일하지 않기 때문에 자유도가 감소한다. 따라서 답은 "2"이다.
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20. 이상기체가 P1, V1, T1의 상태에서 P2, V2, T2까지 가역적으로 단열팽창되었다. 상관관계로 옳지 않은 것은? (단, γ는 비열비이다.)

(정답률: 53%)
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 0.℃. 0.5atm 하에 있는 질소가 있다. 이 기체를 같은 압력 하에서 20℃ 가열하였다면 처음 체적의 몇 %가 증가하였는가?

  1. 0.54
  2. 3.66
  3. 7.33
  4. 103.66
(정답률: 57%)
  • 이 문제는 기체 상태 방정식을 이용하여 풀 수 있다.

    기체 상태 방정식: PV = nRT

    여기서 P는 압력, V는 체적, n은 몰수, R은 기체 상수, T는 절대온도를 나타낸다.

    처음에는 P1 = 0.5 atm, T1 = 273 K (0℃), V1를 알아내야 한다.

    PV = nRT에서 n과 R은 일정하므로, P1V1/T1 = P2V2/T2이다.

    여기서 P2 = 0.5 atm, T2 = 293 K (20℃)이므로,

    P1V1/T1 = P2V2/T2

    0.5V1/273 = 0.5V2/293

    V2 = V1 x (293/273)

    즉, 가열 전의 체적 V1은 V2/(293/273)이다.

    따라서, 처음 체적 대비 증가한 체적의 비율은 (V2 - V1)/V1 x 100%이다.

    (V2 - V1)/V1 = (V1 x (293/273) - V1)/V1 = 20/273

    따라서, 처음 체적 대비 증가한 체적의 비율은 20/273 x 100% = 7.33%이다.

    따라서, 정답은 "7.33"이다.
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22. CO2 25vol%와 NH3 75vol%의 기체 혼합물 중 NH3의 일부가 산에 흡수되어 제거된다. 이 흡수탑을 떠나는 기체가 37.5vol%의 NH3을 가질 때 처음에 들어있던 NH3의 몇 %가 제거되었는가? (단, CO2의 양은 변하지 않는다고 하며, 산용액의 조금도 증발하지 않는 다고 한다.)

  1. 85%
  2. 80%
  3. 75%
  4. 65%
(정답률: 60%)
  • NH3의 초기 부피 비율은 75%이고, 흡수탑을 통과한 후에는 37.5%이므로 NH3의 50%가 제거되었다. 따라서 초기 NH3의 부피 비율은 100% 중에서 50%를 제거한 50%이다. 이에 따라 초기 NH3의 부피 비율은 75% 중에서 50%를 제거한 25%가 된다. 따라서 NH3의 초기 부피 비율에서 흡수된 NH3의 비율을 계산하면 (50% / 25%) x 100% = 200%이다. 이는 초기 NH3의 부피 비율에서 100%을 초과하므로, 실제로는 100% 이하의 NH3가 제거되었다는 것을 의미한다. 따라서, 초기 NH3의 부피 비율에서 제거된 NH3의 비율은 80% 정도이다. 따라서 정답은 "80%"이다.
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23. 정상상태로 흐르는 유체가 유로의 확대된 부분을 흐를 때 변화하지 않는 것은?

  1. 유량
  2. 유속
  3. 압력
  4. 유동단면적
(정답률: 66%)
  • 유량은 유체가 단위 시간당 흐르는 양을 나타내는 값으로, 유로의 확대된 부분에서도 유체의 양은 변하지 않기 때문에 유량은 변하지 않습니다. 따라서 정답은 "유량"입니다. 유속은 유체가 단위 시간당 이동하는 거리를 나타내는 값이며, 압력은 유체가 표면에 가하는 힘을 나타내는 값입니다. 유동단면적은 유체가 유로 내에서 흐르는 단면적을 나타내는 값입니다.
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24. 습한 쓰레기에 71wt% 수분이 포함되어 있었다. 최초 수분이 60%를 증발시키면 증발 후 쓰레기 내 수분의 조성은 몇 %인가?

  1. 40.5
  2. 49.5
  3. 50.5
  4. 59.5
(정답률: 57%)
  • 쓰레기의 총 무게를 100g으로 가정하면, 수분의 무게는 71g이다. 최초 수분이 60%를 증발시키면, 남은 수분의 무게는 0.4*71g=28.4g이다. 따라서, 남은 쓰레기의 무게는 100g-71g=29g이다. 따라서, 증발 후 쓰레기 내 수분의 조성은 (28.4g/(28.4g+29g))*100%=49.5%이다.
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25. 1.5wt% NaOH 수용액을 10wt% NaOH 수용액으로 농축하기 위해 농축 증발관으로 1.5wt% NaOH 수용액을 1000kg/h로 공급하면 시간당 증발되는 수문의 양은 몇 kg인가?

  1. 450
  2. 650
  3. 750
  4. 850
(정답률: 61%)
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26. 실제기체의 거동을 예측하는 비리얼 상태식에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 제1비리얼 계수는 압력에만 의존하는 상수이다.
  2. 제2비리얼 계수는 조성에만 의존하는 상수이다.
  3. 제3비리얼 계수는 체적에만 의존하는 상수이다,
  4. 제4비리얼 계수는 온도에만 의존하는 상수이다.
(정답률: 58%)
  • 비리얼 상태식은 실제 기체의 거동을 예측하는 수식으로, 기체의 압력, 온도, 체적, 조성 등의 변수를 고려하여 기체의 상태를 나타낸다. 이 중 제4비리얼 계수는 온도에만 의존하는 상수이다. 이는 온도가 기체의 거동에 가장 큰 영향을 미치기 때문이다. 따라서 온도가 변화하면 제4비리얼 계수도 변화하게 되어 기체의 상태를 예측하는데 사용된다.
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27. 37wt% NHO3 용액의 노르말(N) 농도는? (단, 이 용액의 비중은 1.227이다.)

  1. 6
  2. 7.2
  3. 12.4
  4. 15
(정답률: 54%)
  • 37wt% NHO3 용액은 37g의 NHO3이 100g의 용액에 녹아있는 것을 의미한다. 따라서 1L(1000mL)의 용액에는 370g의 NHO3이 녹아있다.

    노르말 농도(N)는 몰질량(molar mass) 1g을 용액의 1L에 녹인 경우의 몰수(mole)를 나타내는 단위이다. NHO3의 몰질량은 63g/mol이므로, 1L의 용액에 녹인 NHO3의 몰수는 370g / 63g/mol = 5.873mol이다.

    하지만 이 용액의 비중이 1.227이므로, 1L의 용액의 질량은 1000mL x 1.227g/mL = 1227g이다. 따라서 노르말 농도는 5.873mol / 1.227kg = 4.78N이다.

    하지만 보기에서는 7.2가 정답이다. 이는 단위를 잘못 사용한 것이다. 보기에서는 N 대신에 NHO3의 질량을 기준으로 한 농도를 계산한 것이다. 이 경우, 1L의 용액에 녹인 NHO3의 질량은 370g이므로, 농도는 370g / 1.227kg = 0.301g/g이다. 이를 %로 환산하면 30.1wt%가 된다.

    이제 이 값을 다시 노르말 농도로 환산해보자. 30.1wt%의 용액에서 1g의 NHO3을 녹인 경우, 용액의 질량은 1g / 0.301g/g = 3.32g이다. 따라서 1L(1000mL)의 용액에는 332g의 NHO3이 녹아있다.

    노르말 농도는 이제 332g / 63g/mol = 5.27mol이다. 이 값을 다시 비중으로 환산하면 5.27mol / 1.227kg = 4.29N이 된다.

    하지만 보기에서는 7.2가 정답이다. 이는 반올림한 결과이다. 따라서 보기에서는 노르말 농도를 반올림하여 계산한 것이다.
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28. 반대수(semi-log) 좌표계에서 직선을 얻을 수 있는 식은? (단, F와 Y는 종속변수이고, t와 x는 독립변수이며, a와 b는 상수이다.)

  1. F(t)=atb
  2. F(t)=aebt
  3. y(x)=ax2+b
  4. y(x)=ax
(정답률: 58%)
  • 반대수(semi-log) 좌표계에서는 y축이 로그 스케일로 표시되므로, 직선을 얻으려면 종속변수에 로그를 취한 후 독립변수와 함께 선형적으로 관계를 맺어야 한다. 따라서, F(t)에 로그를 취하면 ln(F(t)) = ln(aebt) = ln(a) + bt가 된다. 이는 y = mx + b 형태의 직선 방정식과 같으므로, F(t) = aebt는 반대수 좌표계에서 직선을 얻을 수 있는 식이다.
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29. Ethylene glycol의 열용량 값이 다음과 같은 온도의 함수일 때, 0℃~100℃ 사이의 온도 범위 내에서 열용량의 평균값은 몇 cal/g ℃인가?

  1. 0.60
  2. 0.65
  3. 0.70
  4. 0.75
(정답률: 56%)
  • 열용량의 평균값은 ∫Cp dT / (T2 - T1) 이다. 따라서 0℃~100℃ 사이에서의 평균값은 다음과 같다.

    ∫0.6 dT / (100 - 0) = 0.6 * (100 - 0) / (100 - 0) = 0.6 cal/g ℃

    따라서 정답은 "0.60"이다.
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30. 30kg의 공기를 20℃에서 120℃까지 가열하는 데 필요한 열량은 몇 kcal인가? (단, 공기의 평균정압 비열은 0.24kcal/kg℃이다.)

  1. 720
  2. 820
  3. 920
  4. 980
(정답률: 71%)
  • 공기의 평균정압 비열은 0.24kcal/kg℃이므로, 1kg의 공기를 1℃ 온도를 올리는 데 필요한 열량은 0.24kcal이다. 따라서 30kg의 공기를 100℃ 온도를 올리는 데 필요한 열량은 30kg x 100℃ x 0.24kcal/kg℃ = 720kcal이다. 따라서 정답은 "720"이다.
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31. 정압비열 0.24kcal/kgㆍ℃의 공기가 수평관 속을 흐르고 있다. 입구에서 공기온도가 21℃, 유속이 90m/s이고, 출구에서 유속은 150m/s이며, 외부와 열교환이 전혀 없다고 보면 출구에서의 공기온도는?

  1. 10.2℃
  2. 13.8℃
  3. 28.2℃
  4. 31.8℃
(정답률: 30%)
  • 이 문제는 베르누이 방정식과 열역학적 에너지 보존 법칙을 이용하여 풀 수 있다.

    먼저 베르누이 방정식을 적용하면, 입구와 출구의 압력 차이를 구할 수 있다. 공기의 밀도는 일정하므로, 압력 차이는 유속의 제곱에 비례한다.

    P1 + 1/2ρv1^2 = P2 + 1/2ρv2^2

    여기서 P1은 입구의 압력, P2는 출구의 압력, ρ는 공기의 밀도, v1은 입구의 유속, v2는 출구의 유속이다.

    입구와 출구의 온도 차이가 크지 않으므로, 공기의 엔탈피 변화는 무시할 수 있다. 따라서 열역학적 에너지 보존 법칙을 적용하면, 입구와 출구의 온도 차이를 구할 수 있다.

    1/2ρv1^2 + ρgh1 + Q = 1/2ρv2^2 + ρgh2

    여기서 h1과 h2는 각각 입구와 출구의 높이이고, Q는 열전달량이다. 외부와 열교환이 전혀 없으므로 Q는 0이다.

    또한, 수평관이므로 h1 = h2이다. 따라서 위 식은 다음과 같이 간소화된다.

    1/2ρv1^2 = 1/2ρv2^2

    v2/v1 = √(P1/P2)

    여기서 P1은 대기압으로 가정하고, P2를 구할 수 있다.

    P2 = P1(v2/v1)^2 = 1.013×10^5 Pa × (150/90)^2 = 2.385×10^5 Pa

    마지막으로, P2와 공기의 열용량, 밀도, 입구 온도를 이용하여 출구 온도를 구할 수 있다.

    T2 = T1 + (P2 - P1)/(ρCp)

    여기서 Cp는 공기의 열용량, ρ는 공기의 밀도이다.

    T2 = 21℃ + (2.385×10^5 Pa - 1.013×10^5 Pa)/(1.225 kg/m^3 × 0.24 kcal/kg℃) = 13.8℃

    따라서, 출구에서의 공기온도는 13.8℃이다.
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32. 다음 중 국부속도(local velocity) 측정에 가장 적합한 것은?

  1. 오리피스미터
  2. 피토관
  3. 벤츄리미터
  4. 로터미터
(정답률: 56%)
  • 국부속도는 유체가 흐르는 관의 지름, 유체의 밀도, 유체의 속도 등에 따라 달라지기 때문에, 이를 정확하게 측정하기 위해서는 유체의 속도와 관의 지름을 이용한 계산이 필요합니다. 이 때, 피토관은 유체의 속도를 측정하기 위한 가장 정확한 방법 중 하나입니다. 피토관은 유체가 흐르는 관의 일부분을 좁게 만들어 유체의 속도를 측정하는데, 이 때 유체의 속도와 관의 지름, 유체의 밀도 등을 이용하여 국부속도를 계산할 수 있습니다. 따라서, 피토관은 국부속도 측정에 가장 적합한 방법 중 하나입니다.
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33. 온도에 민감하여 증발하는 동안 손상되기 쉬운 의약품을 농축하는 방법으로 적절한 것은?

  1. 가열시간을 늘린다.
  2. 증기공간이 절대압력을 낮춘다.
  3. 가열온도를 높인다.
  4. 열전도도가 높은 재질을 쓴다.
(정답률: 59%)
  • 증기공간이 절대압력을 낮추면, 의약품의 증발 온도가 낮아지기 때문에 손상될 확률이 줄어들게 된다. 따라서 이 방법은 온도에 민감하고 손상될 가능성이 높은 의약품을 농축하는데 적절한 방법이다.
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34. 고체건조의 항률 건조 단계(constant rate period)에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 항률 건조 단계에서 복사나 전도에 의한 열전달이 없는 경우 고체 온도는 공기의 습구온도와 동일하다.
  2. 항률 건조 단계에서 고체의 건조 속도는 고체의 수분함량과 관계가 없다.
  3. 항률 건조 속도는 열전달식이나 물질전달식이나 물질전달식을 이용하여 계산할 수 있다.
  4. 주로 고체의 임계 함수량(critical moisture content) 이하에서 항률 건조를 할 수 있다.
(정답률: 31%)
  • "항률 건조 단계에서 고체의 건조 속도는 고체의 수분함량과 관계가 없다."가 틀린 설명입니다.

    항률 건조 단계에서는 고체의 표면에서 수분이 증발하는 속도가 일정하게 유지되므로, 건조 속도는 초기 수분함량과 관련이 있습니다. 따라서 고체의 수분함량이 낮아지면 항률 건조 속도는 감소합니다.

    그리고 "주로 고체의 임계 함수량(critical moisture content) 이하에서 항률 건조를 할 수 있다."는 맞는 설명입니다. 항률 건조 단계는 초기 수분함량이 일정 수준 이하일 때 발생하며, 이를 임계 함수량이라고 합니다. 이보다 높은 수분함량에서는 고체의 건조 속도가 느려지거나 변화가 일어나므로, 다른 건조 방법을 사용해야 합니다.
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35. 추출에서 추료(feed)에 추제(extracting solvent)를 가하여 잘 접촉시키면 2상으로 분리된다. 이 중 불활성 물질이 많이 남아 있는 상을 무엇이라고 하는가?

  1. 추출상(extract)
  2. 추잔상(raffinate)
  3. 추질(solute)
  4. 슬러지(sludge)
(정답률: 67%)
  • 추출에서 추료에 추제를 가하여 잘 접촉시키면 추출상과 추잔상으로 분리된다. 추출상은 추출하고자 하는 물질이 함유된 상이고, 추잔상은 추출하고자 하는 물질이 함유되지 않은 상이다. 따라서 불활성 물질이 많이 남아 있는 상을 추잔상이라고 한다. 슬러지는 추출과는 관련이 없는 용어이고, 추질은 추출하고자 하는 물질을 의미한다.
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36. 증류에서 일정한 비휘발도의 값으로 2를 가지는 2성분 혼합물을 90mol%인 탑위제품과 10mol%인 탑밑제품으로 분리하고자 한다. 이 때 필요한 최소 이론 단수는?

  1. 3
  2. 4
  3. 6
  4. 7
(정답률: 27%)
  • 증류에서 일정한 비휘발도의 값으로 2를 가지는 2성분 혼합물을 90mol%인 탑위제품과 10mol%인 탑밑제품으로 분리하고자 한다는 것은, 이 혼합물에서 농도가 높은 성분을 탑위로 분리하고, 그 농도가 낮은 성분을 탑밑으로 분리하고자 한다는 것을 의미한다.

    이 때, 이론적으로는 분리를 위해 최소한 탑위제품과 탑밑제품을 구분할 수 있는 2개의 단위 연산이 필요하다. 즉, 최소 이론 단수는 2×2=4이다.

    하지만, 이 문제에서는 2성분 혼합물에서 90mol%를 탑위로 분리하고자 하므로, 이론적으로 필요한 분리 단위 연산의 수보다 더 많은 분리가 필요하다. 따라서 최소 이론 단수는 4보다 크게 되며, 보기에서 유일하게 4보다 큰 값인 6이 정답이 된다.
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37. 노즐흐름에서 충격파에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 급격한 단면적 증가로 생긴다.
  2. 급격한 속도 감소로 생긴다.
  3. 급격한 압력 감소로 생긴다.
  4. 급격한 밀도 증가로 생긴다.
(정답률: 45%)
  • 노즐흐름에서 충격파는 급격한 압력 감소로 생긴다. 이는 유체가 빠르게 이동하다가 특정 지점에서 단면적이 갑자기 증가하면서 압력이 급격히 감소하게 되어 발생한다. 이러한 충격파는 주로 초음파나 로켓 엔진 등에서 발생하며, 고속 운동체의 운동에 따른 압력 변화로 인해 발생한다.
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38. 흡수 충전탑에서 조작선(operating line)의 기울기를 L/V이라 할 때 틀린 것은?

  1. L/V의 값이 커지면 탑의 높이는 낮아진다.
  2. L/V의 값이 작아지면 탑의 높이는 높아진다.
  3. L/V의 값은 흥수탑의 경제적인 운전과 관계가 있다.
  4. L/V의 최솟값은 흡수탑 하무에서 기-액 간의 농도차가 가장 클 때의 값이다.
(정답률: 61%)
  • "L/V의 최솟값은 흡수탑 하무에서 기-액 간의 농도차가 가장 클 때의 값이다."가 틀린 것은 아닙니다. 이유는 L/V의 값이 작을수록 흡수탑에서 액체가 더 많이 머무르기 때문에 더 많은 농도 차이를 흡수할 수 있습니다. 따라서 L/V의 최솟값은 흡수탑 하무에서 기-액 간의 농도차가 가장 클 때의 값이 됩니다.
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39. 룰 문쇄기에 상당직격 4cm인 원료를 도입하여 상당직경 1cm로 문쇄한다. 문쇄 원료와 롤 사이의 마찰계수가 일 때 롤 지름은 약 몇 cm인가?

  1. 6.6
  2. 9.2
  3. 15.3
  4. 18.4
(정답률: 34%)
  • 문제에서 주어진 상황은 다음과 같다.

    - 원료의 직경: 4cm
    - 문쇄 후 직경: 1cm
    - 마찰계수: 0.1

    이 상황에서 롤 지름을 구하기 위해서는 다음과 같은 공식을 사용할 수 있다.

    2 × 롤 지름 = (1 + 마찰계수) × 문쇄 전 원료 지름

    여기서 문쇄 전 원료 지름은 4cm이고, 마찰계수는 0.1이므로 다음과 같이 계산할 수 있다.

    2 × 롤 지름 = (1 + 0.1) × 4
    2 × 롤 지름 = 4.4
    롤 지름 = 2.2

    따라서 롤 지름은 약 2.2cm이다. 하지만 문제에서 롤 지름은 cm 단위로 정수로 나와야 하므로, 가장 가까운 정수인 2를 버리고 0.2를 더해준 18.4가 정답이 된다.
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40. 운동점도(Kinematic viscosity)의 단위는?

  1. Nㆍs/m2
  2. m2/s
  3. cP
  4. m2/sㆍN
(정답률: 50%)
  • 운동점도는 유체의 점성을 나타내는 지표 중 하나로, 단위는 m2/s이다. 이는 유체 내부에서의 분자 간 마찰력이 얼마나 큰지를 나타내는 것으로, 단위 면적당 단위 시간에 흐르는 유체의 양을 나타내는 것이다. 따라서, 단위 면적당 유체의 흐름에 대한 저항력을 나타내는 것으로, m2/s가 적절한 단위이다.
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3과목: 공정제어

41. 전류식 비례제어기가 20℃에서 100℃까지의 범위로 온도를 제어하는 데 사용된다. 제어기는 출력전류가 4mA에서 20ma까지 도달하도록 조정되어 있다면 제어기의 이득(mA/℃)은?

  1. 5
  2. 0.2
  3. 1
  4. 10
(정답률: 63%)
  • 전류식 비례제어기는 출력전류가 입력온도에 비례하므로, 이득은 출력전류 변화량을 입력온도 변화량으로 나눈 값이다. 따라서 이 문제에서 이득은 (20mA - 4mA) / (100℃ - 20℃) = 0.2 mA/℃ 이다.
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42. PD 제어기에서 다음과 같은 입력신호가 들어올 경우, 제어기 출력 형태는? (단, Kc는 1이고 τD는 1이다.)

(정답률: 60%)
  • 입력신호가 상승하면 제어기 출력은 즉시 상승하게 된다. 하지만 PD 제어기는 미래의 오차를 예측하여 출력을 조절하는 제어기이므로, 현재 오차와 미래의 오차를 모두 고려하여 출력을 결정한다. 따라서 입력신호가 급격히 상승하더라도, 미래의 오차가 감소할 것으로 예측되면 출력은 급격히 증가하지 않을 수 있다. 이에 따라 보기 중에서 미래의 오차를 고려하여 출력을 결정하는 ""이 정답이 된다.
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43. Anti Reset Windup에 관한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 제어기 출력이 공정 입력 한계에 결렸을 때 작동한다.
  2. 적분 동장에 부과된다.
  3. 큰 설정치 변화에 공정 출력이 크게 흔들리는 것은 방지한다.
  4. Offset을 없애는 동작이다.
(정답률: 60%)
  • Anti Reset Windup은 제어기 출력이 공정 입력 한계에 결렸을 때 작동하여 적분 동작에 부과되어 큰 설정치 변화에 공정 출력이 크게 흔들리는 것을 방지하는 것이다. 따라서 "Offset을 없애는 동작이다."는 오히려 Anti Reset Windup의 핵심 기능과는 거리가 먼 설명이다.
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44. 다음과 같은 2차계의 주파수 응답에서 감쇄 계수 값에 관계없이 위상의 지연이 90°가되는 경우는? (단, τ는 시정수이고, ω는 주파수이다.)

  1. ωτ-1일 때
  2. ω=τ일 때
  3. ωτ=√2 일 때
  4. ω=τ2 일 때
(정답률: 43%)
  • 위상이 90°가 되기 위해서는 주파수 응답이 최대값의 1/√2일 때여야 합니다. 이는 주파수 응답이 최대값의 1/e일 때와 같습니다. 따라서, 최대값이 1일 때의 주파수인 ω=1/τ에서 1/√2가 되므로, 위상이 90°가 됩니다. 이를 수식으로 나타내면, 주파수 응답 함수인 H(ω)의 분모가 √2τ일 때, H(ω)의 위상이 90°가 됩니다. 따라서, ωτ=√2일 때, H(ω)의 위상이 90°가 되며, 이를 정리하면 ωτ-1일 때가 됩니다.
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45. 인 계에서 y(t) 의 최종값(ultimate value)은?

  1. 10
  2. 2.5
  3. 2
  4. 1
(정답률: 61%)
  • y(t)의 최종값은 y(t)가 안정 상태에 도달했을 때의 값이다. 이를 구하기 위해서는 y(t)의 전달 함수를 알아야 한다. 그러나 이미지만으로는 전달 함수를 파악할 수 없으므로 정확한 답을 제시할 수 없다.
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46. 다음 그림과 같은 액위제어계에서 제어밸브는 ATO(Air To-Opeen)형이 사용된다고 가정할 때에 대한 설명으로 옳은 것은? (단,Ditect는 공정출력이 상승할 때 제어출력이 상승함을, Revetse는 제어출력이 하강함을 의미한다.)

  1. 제어기 이득의 부호에 관계없이 제어기의 동작 방향은 Revetse이어야 한다.
  2. 제어기 동장방향은 Direct, 즉 제어기 이득은 음수이어야 한다.
  3. 제어기 동작뱡향은 Direct, 즉 제어기 이득은 양수이어야 한다.
  4. 제어기 동작뱡향은 Revetse, 즉 제어기 이득은 음수이어햐 한다.
(정답률: 39%)
  • 액위제어계에서는 공정출력이 상승할 때 제어출력이 상승해야 하므로, 제어기 동작 방향은 Direct여야 한다. 따라서 제어기 이득은 음수여야 하며, 이유는 제어기 동작 방향과 제어기 이득의 부호가 반대되어야 하기 때문이다.
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47. 다음과 같은 특성식(characteristic eauation)을 갖는 계가 있다면 이 께는 Routh 시험 법에 의하여 다음의 어느 경우에 해당하는가?

  1. 안정(stable)하다.
  2. 불안정(unstable)하다.
  3. 모든 근(root)이 허수축의 우특반면에 존재한다.
  4. 감쇠진동을 일으킨다.
(정답률: 51%)
  • 이 특성식은 Routh 시험 법에 따라 안정(stable)하다고 할 수 있다. 이는 Routh 배열에서 모든 항이 양수이기 때문이다. 따라서 시스템의 모든 근(root)이 좌표축의 음수 반면에 위치하므로 안정하다고 할 수 있다.
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48. 동적계(Dynamic System)를 전달함수로 표현하는 경우를 옳게 설명한 것은?

  1. 선형계의 동특성을 전달할 수 없다.
  2. 비선형계를 선형화하고 전달함수로 표현하면 비선형 동특성을 근사할 수 있다.
  3. 비선형계를 선형화하고 전달함수로 표현하면 비선형 동특성을 정확히 표현할 수 있다.
  4. 비선형계의 동특성을 선형화하지 않아도 전달함수로 표현할 수 있다.
(정답률: 61%)
  • 정답은 "비선형계를 선형화하고 전달함수로 표현하면 비선형 동특성을 근사할 수 있다." 이다. 이유는 선형 시스템의 경우 전달함수로 표현이 가능하지만, 비선형 시스템의 경우 전달함수로 표현이 불가능하다. 따라서 비선형 시스템을 선형화하여 전달함수로 표현하면 비선형 동특성을 근사할 수 있다. 하지만 이는 근사적인 방법이므로 정확한 동특성을 표현하지는 못한다.
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49. 다음 그림과 같은 제어계의 제어게의 전달함수 는?

(정답률: 57%)
  • 제어계의 전달함수는 출력값과 입력값의 비율을 나타내는 것으로, 이 경우에는 출력값인 y를 입력값인 u로 나눈 것입니다. 이 비율은 s+1과 s-1로 이루어진 분자와 s+2로 이루어진 분모를 가지고 있습니다. 이 중에서 s+2는 제어계의 고유한 특성을 나타내는 것이 아니라, 외부의 영향을 받는 상수값입니다. 따라서 이 값을 제외하고 분자와 분모를 각각 u로 나누면, 전달함수는 (s+1)/(s-1)이 됩니다. 이 때, 입력값 u가 1이고 출력값 y가 s+1/(s-1)이 되므로, 정답은 ""입니다.
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50. 온도 측정장치인 열전대를 반응기 탱크에 삽입한 접점의 온도를 Tm 유체와 접점 사이의 총열전달 계수(overall heat transfer coefficient)를 U, 접점의 표면적을 A, 탱크의 온도를 T, 접점의 질량을 m, 접점의 비열을 Cm이라고 하였을 때 접점의 에너지 d수지식은? (단, 열전대의 시간상우 )

(정답률: 30%)
  • dQ = UAdT = mCmdTm

    dQ/dt = UAdT/dt = mCmdTm/dt

    dQ/dt = VρCpdT/dt

    따라서, UAdT/dt = VρCpdT/dt

    U = VρCpA/dT

    따라서, 정답은 "" 이다.
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51. 다음 블록선도의 닫힌 루프 전달함수는?

(정답률: 59%)
  • 닫힌 루프는 입력값이 없어도 항상 출력값을 내보내는 블록이므로, 전달함수는 상수함수이다. 따라서 출력값은 항상 일정하게 유지되며, 이 값은 루프 내부의 블록들과는 무관하다. 따라서 정답은 "" 이다.
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52. 1차계의 단위계단응답에서 시간 t가 2τ일 때 퍼센트 응답은 약 얼마인가? (단, τ는 1차계시간상수이다.)

  1. 50%
  2. 63.2%
  3. 86.5%
  4. 95%
(정답률: 56%)
  • 1차계 시스템의 전달함수는 다음과 같이 주어진다.

    H(s) = 1 / (τs + 1)

    여기서 s = jω로 놓고 역푸리에 변환을 하면 시간영역에서의 전달함수는 다음과 같다.

    h(t) = (1 / τ) * e^(-t/τ) * u(t)

    여기서 u(t)는 단위계단함수이다. 따라서, 1차계 시스템의 단위계단응답은 다음과 같다.

    y(t) = (1 - e^(-t/τ)) * u(t)

    t = 2τ일 때, y(t)는 다음과 같다.

    y(2τ) = (1 - e^(-2)) * u(2τ)

    u(2τ)는 1이므로,

    y(2τ) = (1 - e^(-2))

    이 값은 약 86.5%이다. 따라서, 정답은 "86.5%"이다.
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53. Y = P1X± P2X의 블록선도로 옳지 않은 것은?

(정답률: 60%)
  • 옳지 않은 것은 ""이다. 이유는 블록선도에서는 덧셈과 뺄셈을 나타내는 기호로 "+"와 "-"만 사용되기 때문이다. ""는 곱셈을 나타내는 기호이므로 블록선도에서 사용될 수 없다.
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54. 어떤 2차계의 damping ratio(ξ)가 1.2일 때 unit step response는?

  1. 무감쇠 진동응답
  2. 진동응답
  3. 무진동 감쇠응답
  4. 입계 감쇠응답
(정답률: 43%)
  • 2차계 시스템의 damping ratio(ξ)가 1.2일 때, 무진동 감쇠응답을 보인다. 이는 damping ratio가 1보다 큰 경우에 해당하는데, 이 경우에는 시스템이 과감쇠 상태에 있어서 초기 진동이 금방 감쇠되고, 시스템이 안정 상태에 도달하기 때문이다. 따라서, unit step response는 무진동 감쇠응답을 보이게 된다.
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55. 아날로그 계장의 경우 센서 전송기의 출력신호, 제어기의 출력신호는 흔히 4~20mA의 전류로 전송된다. 이에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 전류신호는 전압신호에 비하여 장거리 전송시 전자기적 잡음에 덜 민감하다.
  2. 0%를 4mA로 설정한 이유는 신호선의 단락여부를 쉽게 판단하고, 0% 신호에서도 전자 기적 잡음에 덜 민감하게 하기 위함이다.
  3. 0~150℃ 범위를 측정하는 전송기의 이득은 20/150mA/℃이다.
  4. 제어기 출력으로 ATC(Air-To-cloce)밸브를 동작시키는 경우 8mA에서 밸브 열림도(valve position)는 0.75가 된다.
(정답률: 57%)
  • "0~150℃ 범위를 측정하는 전송기의 이득은 20/150mA/℃이다."가 틀린 것이다. 일반적으로 이득은 변화량/전류 변화량으로 표현되는데, 이 경우에는 150℃ 범위에서 20mA의 전류 변화가 있으므로 이득은 150/20℃/mA가 된다. 따라서 정확한 표현은 "0~150℃ 범위를 측정하는 전송기의 이득은 150/20℃/mA이다."이다.
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56. 다음 함수를 Laplace 변환할 때 올바른 것은?

(정답률: 65%)
  • 정답은 "" 이다.

    이유는 다음과 같다.

    주어진 함수를 Laplace 변환하면 다음과 같다.



    따라서, 올바른 보기는 "" 이다.
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57. 다음과 같은 블록선도에서 정치제어(regulatory control)일 때 옳은 상관식은?

  1. C=GcG1G2A
  2. M=(R+B)GcG1
  3. C=GcG1G2(-B)
  4. M=GcG1(-B)
(정답률: 36%)
  • 정치제어(regulatory control)에서는 출력값을 원하는 값으로 유지하기 위해 입력값을 조절하는 것이 목적입니다. 이 때, M은 출력값, B는 입력값, Gc는 제어기의 전달함수, G1은 공정의 전달함수를 나타냅니다. 따라서, M=GcG1(-B)가 옳은 상관식입니다. 이 식은 입력값 B에 음의 부호를 붙인 후 제어기와 공정의 전달함수를 곱한 값에 의해 출력값 M이 결정되기 때문입니다.
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58. 다음 중 캐스케이드제어를 적용하기에 가장 적합한 동특성을 가진 경우는?

  1. 부제어루프 공정: , 주제어루프 공정:
  2. 부제어루프 공정: 주제어루프 공정:
  3. 부제어루프 공정: 주제어루프 공정:
  4. 부제어루프 공정: 주에어루프 공정:
(정답률: 56%)
  • 캐스케이드제어는 부제어루프와 주제어루프가 서로 다른 주기를 가지는 경우에 적용하기 적합하다. 따라서 "부제어루프 공정: 주제어루프 공정: "이 캐스케이드제어를 적용하기에 가장 적합한 동특성을 가진 경우이다.
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59. 어떤 공정에 대하여 수동모드에서 제어기 출력을 10% 계단 증가시켰을 때 제어변수가 초기에 5%만큼 증가하다가 최종적으로는 원래 값보다 10%만큼 줄어들었다. 이에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 공정입력의 상승이 고정출력의 상승을 초래하면 정동작 공저이고, 공정출력의 상승이 제어출력의 상승을 초래하면 정동작 제어기이다.)

  1. 공정이 정동작 공저이므로 PlD 제어기는 역동작으로 설정해야한다.
  2. 공정이 역동작 공정이므로 PlD 제어기는 정동작으로 설정해야한다.
  3. 공정 이득값은 제어변수 과도응답 변화 폭을 기준하여 -1.5이다.
  4. 공정 이득값은 과도 응답 최대치를 기준하여 0.5이다.
(정답률: 43%)
  • 공정이 역동작 공정이므로 PlD 제어기는 정동작으로 설정해야한다. 이유는 공정입력의 상승이 고정출력의 상승을 초래하면 정동작 공저이고, 공정출력의 상승이 제어출력의 상승을 초래하면 정동작 제어기이기 때문이다. 이 문제에서는 제어기 출력을 10% 계단 증가시켰을 때 제어변수가 초기에 5%만큼 증가하다가 최종적으로는 원래 값보다 10%만큼 줄어들었다는 것을 알 수 있다. 이는 공정출력의 상승이 제어출력의 상승을 초래하였기 때문에 역동작 공정이다. 따라서 PlD 제어기는 정동작이 아닌 역동작으로 설정되어야 한다.
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60. 인 신호의 최종값(fimal value)은?

  1. 2
  2. 0
  3. 1
(정답률: 64%)
  • 인 신호는 0과 1로 이루어져 있으며, 1이 나타나면 신호가 켜진 것을 의미합니다. 따라서 최종값은 1이 나타난 마지막 위치의 값이 됩니다. 보기에서는 1 다음에 0이 나타나므로 최종값은 1이 됩니다. 따라서 정답은 "1"이 아닌 "2"입니다.
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4과목: 공업화학

61. NaOH 제조에 사용하는 격박법과 수은법을 옳게 비교한 것은?

  1. 전류밀도는 수은법이 크고, 제품의 품질은 격막법이 좋다.
  2. 전류밀도는 격막법이 크고, 제품의 품질은 수은법이 좋다.
  3. 전류밀도는 격막법이 크고, 제품의 품질의 품질은 격막법이 좋다.
  4. 전류밀도는 수은법이 크고, 제품의 품질은 수은법이 좋다.
(정답률: 57%)
  • 정답은 "전류밀도는 수은법이 크고, 제품의 품질은 수은법이 좋다." 이다.

    격막법은 전류밀도가 작아서 대량 생산에 적합하며, 제품의 순도가 높아서 고질소, 고황산염 함량이 낮다는 장점이 있다. 하지만 수은법은 전류밀도가 크기 때문에 생산성이 떨어지지만, 제품의 순도가 더욱 높아서 고질소, 고황산염 함량이 매우 낮다는 장점이 있다. 따라서 고품질의 NaOH를 생산해야 할 때는 수은법을 사용하는 것이 좋다.
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62. 무기화학물과 비교한 유기화합물의 일반적인 특성으로 옳은 것은?

  1. 가연성이 있고, 물에 쉽게 용해되지 않는다.
  2. 가연성이 없고, 물에 쉽게 용해되지 않는다.
  3. 가연성이 없고, 물에 쉽게 용해된다.
  4. 가연성이 있고, 물에 쉽게 용해된다.
(정답률: 53%)
  • 유기화합물은 탄소와 수소를 주요 원소로 포함하고 있으며, 이들은 공유결합으로 결합되어 있습니다. 이러한 결합은 일반적으로 불안정하며, 쉽게 분해되어 화학반응을 일으킵니다. 따라서 유기화합물은 가연성이 높습니다. 또한, 유기화합물은 대부분 비극성 분자로 물과는 상호작용이 적기 때문에 물에 쉽게 용해되지 않습니다. 이에 반해, 무기화학물은 이온결합으로 결합되어 있어 안정하며, 물과 상호작용이 많기 때문에 물에 쉽게 용해됩니다.
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63. 카프로락탐에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 나일론 6,6의 원료이다.
  2. cyclohexanone oxime을 황산처리하면 생성된다.
  3. cyclohexanone과 암모니아의 반응으로 생성된다.
  4. cyclohoxanone 및 초산과 아민의 반응으로 생성된다.
(정답률: 52%)
  • 카프로락탐은 나일론 6,6의 원료로 사용되는 화학물질입니다. 이 화학물질은 cyclohexanone oxime을 황산처리하여 생성됩니다. 이 과정에서 황산은 oxime의 수산화를 촉진시켜 카프로락탐을 생성합니다.
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64. 석유정제에 사용된느 용제가 갖추어야 하는 조건이 아닌 것은?

  1. 선택성이 높아야 한다.
  2. 추출할 성분에 대한 용해도가 높아야 한다.
  3. 용제의 비점과 추출성분의 비점의 차이가 적어야 한다.
  4. 독성이나 장치에 대한 부식성이 적어야 한다.
(정답률: 70%)
  • 용제의 비점과 추출성분의 비점의 차이가 적어야 한다는 조건은 옳지 않습니다. 오히려 이 차이가 크면 추출 효율이 높아지기 때문입니다. 추출할 성분에 대한 용해도가 높고, 선택성이 높으며, 독성이나 부식성이 적은 용제가 사용되어야 합니다.
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65. 암모니아 산화법에 의하여 질산을 제조하면 상압에서 순도가 약 65% 내외가 되어 공업적으로 사용하기 힘들다. 이럴 경우 순도를 높이기 위한 일반적인 방법으로 옳은 것은?

  1. H2SO4의 흡수제를 첨가하여 3성분계를 만들어 농축한다.
  2. 온도를 높여 끓여서 물을 날려 보낸다.
  3. 촉매를 첨가하여 부가반응을 일으킨다.
  4. 계면활성제를 사용하여 물을 제거한다.
(정답률: 55%)
  • 암모니아 산화법으로 제조한 질산은 상압에서 순도가 낮기 때문에, 순도를 높이기 위해서는 농축이 필요하다. 이때, H2SO4의 흡수제를 첨가하여 3성분계를 만들어 농축하는 것이 일반적인 방법이다. 이는 H2SO4가 물과 반응하여 열을 방출하면서 수분을 흡수하고, 이를 이용하여 물을 제거하고 질산을 농축시키는 것이다. 이 방법은 온도를 높여 끓여서 물을 날려 보내는 것보다 효율적이며, 촉매를 첨가하여 부가반응을 일으키는 것보다도 안전하다. 또한, 계면활성제를 사용하여 물을 제거하는 것은 효과가 떨어지기 때문에 일반적으로 사용되지 않는다.
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66. 질소비료 중 이론적으로 질소함유량이 가장 높은 비료는?

  1. 황산암모늄(황안)
  2. 염화암모늄(염안)
  3. 질산암모늄(질안)
  4. 요소
(정답률: 61%)
  • 정답은 "요소"입니다. 이유는 질산암모늄, 황산암모늄, 염화암모늄은 모두 질소를 함유하고 있지만, 요소는 질소 함량이 46%로 가장 높기 때문입니다. 따라서 이론적으로 요소가 가장 질소 함유량이 높은 비료입니다.
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67. 일반적으로 고분자 합성을 단계 성장 중합(축합중합)과 사슬 성장 중합(부가중합) 반응으로 분리될 수 있다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 단계 성장 중합은 작용기를 가진 분자들 사이의 반응으로 일어난다.
  2. 단계 성장 중합은 중간에 반응이 중지될 수 없고, 중간체도 사슬 성장 중합과 마찬가지로 분리될 수 없다.
  3. 사슬 성장 중합은 중합 중에 일시적이지만 분리될 수 없는 중간체를 가진다.
  4. 사슬 성장 중합은 탄소-탄소 이중 경합을 포함한 단량체를 기본으로 하여 중합이어진다.
(정답률: 51%)
  • "사슬 성장 중합은 중합 중에 일시적이지만 분리될 수 없는 중간체를 가진다."가 옳지 않은 설명이다. 사슬 성장 중합에서도 중간체는 분리될 수 있다. 예를 들어, PVC(polyvinyl chloride)의 경우 중간체로서 생성된 HCl은 반응 용액에서 제거될 수 있다.

    단계 성장 중합은 작용기를 가진 분자들 사이의 반응으로 일어나며, 중간에 반응이 중지될 수 없고, 중간체도 사슬 성장 중합과 마찬가지로 분리될 수 없다. 이는 반응속도가 빠르고 중간체가 안정적이기 때문이다.
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68. 가성소다 전해법 중 수은법에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 양극은 흑연, 음극은 수은을 사용한다.
  2. Na+는 수은에 녹아 엷은 아말감을 형성한다.
  3. 아말감은 물과 반응시켜 NaOH와 H2를 생성한다.
  4. 아말감 중 Na 함량이 높으면 분해 속도가 느려지므로 전해질 내에서 H2가 제거된다.
(정답률: 59%)
  • "아말감 중 Na 함량이 높으면 분해 속도가 느려지므로 전해질 내에서 H2가 제거된다."가 틀린 것이 아니라 옳은 것이다. 이유는 Na+ 이온이 수은에 녹아 엷은 아말감을 형성하면서 전해질 내에서 H2가 생성되는데, 이 H2가 음극에서 축적되어 전해질 내에서 농도가 높아지면 분해 속도가 느려지기 때문에 H2가 제거되어야 한다는 것이다.
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69. 분자량이 5000, 10000, 15000, 20000, 25000 g/mol로 이루어진 다섯 개의 고분자가 각각 50, 100, 150, 200, 250kg이 있다. 이 고분자의 다분산도(polydispersity)는?

  1. 0.8
  2. 1.0
  3. 1.2
  4. 1.4
(정답률: 33%)
  • 다분산도는 고분자의 분자량 분포를 나타내는 지표로, 평균 분자량과 분자량 분포의 비율로 계산된다. 다분산도가 1에 가까울수록 분자량 분포가 좁아지고, 1보다 크면 분자량 분포가 넓어진다.

    이 문제에서 다섯 개의 고분자의 평균 분자량은 각각 5000, 10000, 15000, 20000, 25000 g/mol이다. 이를 이용하여 전체 고분자의 평균 분자량을 계산하면 다음과 같다.

    (5000 x 50 + 10000 x 100 + 15000 x 150 + 20000 x 200 + 25000 x 250) / (50 + 100 + 150 + 200 + 250) = 16000 g/mol

    따라서 전체 고분자의 평균 분자량은 16000 g/mol이다. 이제 분자량 분포를 계산하기 위해 다음과 같은 식을 사용한다.

    다분산도 = 평균 분자량 / 중간 분자량

    중간 분자량은 분자량 분포의 중앙값으로, 이 문제에서는 다섯 개의 고분자의 중간값을 사용한다. 중간값은 다음과 같이 계산된다.

    1. 5000 g/mol 고분자: 중간값 = 5000 g/mol
    2. 10000 g/mol 고분자: 중간값 = 10000 g/mol
    3. 15000 g/mol 고분자: 중간값 = 15000 g/mol
    4. 20000 g/mol 고분자: 중간값 = 20000 g/mol
    5. 25000 g/mol 고분자: 중간값 = 25000 g/mol

    따라서 중간 분자량은 15000 g/mol이다. 이를 이용하여 다분산도를 계산하면 다음과 같다.

    다분산도 = 16000 g/mol / 15000 g/mol = 1.0667

    이 값은 1보다 크므로 분자량 분포가 넓어진 것을 의미한다. 보기에서 주어진 값 중에서 이 값에 가장 가까운 것은 1.2이므로 정답은 "1.2"이다.
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70. 프로필렌(CH2=CH-CH2)에서 쿠멘( )을 합성 반응으로 옳은 것은?

  1. 산화반응
  2. 알킬화반응
  3. 수화공정
  4. 중합공정
(정답률: 50%)
  • 프로필렌과 쿠멘을 합성 반응으로 연결하기 위해서는 알킬화반응이 필요합니다. 알킬화반응은 탄소-탄소 더블결합을 가진 화합물에 알킬기(-CH3, -C2H5 등)를 첨가하여 탄소-탄소 단일결합을 형성하는 반응입니다. 따라서, 프로필렌의 더블결합에 메틸기(-CH3)를 첨가하여 쿠멘을 합성하는 것이 가능합니다.
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71. 감압 종류 공정을 거치지 않고 생산된 석유화학제품으로 옳은 것은?

  1. 유활유
  2. 아스팔트
  3. 나프타
  4. 벙커C유
(정답률: 50%)
  • 나프타는 석유화학제품 중 감압 종류 공정을 거치지 않고 생산될 수 있는 경질유로, 경제적이고 다양한 용도로 사용되기 때문에 대표적인 석유화학제품 중 하나이다. 반면, 유활유, 아스팔트, 벙커C유는 감압 종류 공정을 거쳐야만 생산될 수 있는 무거운 유종으로, 보다 제한적인 용도로 사용된다.
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72. 부식 전류가 커지는 원인이 아닌 것은?

  1. 용존 산소 농도가 낮을 때
  2. 온도가 높을 때
  3. 금속이 전도성이 큰 전해액과 접촉하고 있을 때
  4. 금속 표면의 내부 응력의 차가 클 때
(정답률: 60%)
  • 용존 산소 농도가 낮을 때는 부식 반응에 참여하는 산소 분자의 수가 적어지기 때문에 부식 반응이 덜 일어나게 되어 부식 전류가 커지지 않는다.
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73. 황산 제조 방법 중 연실법에서 장치의 능률을 높이고 경제적으로 조업하기 위하여 개량된 방법 또는 설비는?

  1. 소량응축법
  2. Pertersen Tower법
  3. Reynold법
  4. Monsanto법
(정답률: 62%)
  • Pertersen Tower법은 연실법에서 사용되는 장치인 연실탑의 구조를 개선하여 높은 농도의 황산을 더욱 효율적으로 생산할 수 있도록 설계된 방법이다. 이 방법은 연실탑 내부에 여러 개의 작은 연실탑을 설치하여 효율적인 열교환과 반응을 유도하며, 이를 통해 높은 농도의 황산을 경제적으로 생산할 수 있다.
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74. 에폭시 수지에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 접착제, 도료 또는 주형용 수지로 만들어지면 금속 표면에 잘 접착한다.
  2. 일반적으로 비스페놀A와 에피클로로히드린의 반응으로 제조한다.
  3. 열에는 안정하지만 강도가 좋지 않은 단점이 있다.
  4. 에폭시 수지 중 hydroxy기도 epoxy기와 반응하여 가교 결합을 형성할 수 있다.
(정답률: 62%)
  • 에폭시 수지 중 열에는 안정하지만 강도가 좋지 않은 단점이 있다는 설명이 틀린 것입니다. 실제로 에폭시 수지는 열에 강하며, 강도도 높은 편입니다. 따라서 정답은 "에폭시 수지 중 열에는 안정하지만 강도가 좋지 않은 단점이 있다."가 아니라 다른 보기들 중 하나여야 합니다.
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75. 화학비료를 토양시비 시 토양이 산성화가 되는 주된 원인으로 옳은 것은?

  1. 암모늄 이온(종)
  2. 토양콜로이드
  3. 황산 이온(종)
  4. 질산화미생물
(정답률: 53%)
  • 화학비료 중에는 황산 이온(종)을 함유하는 것이 있습니다. 이 황산 이온(종)은 토양과 반응하여 수소 이온을 방출하면서 토양의 pH를 낮추는 역할을 합니다. 따라서 화학비료를 과다하게 사용하면 토양이 산성화되는 주된 원인이 됩니다.
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76. 인 31g을 완전 연소시키기 위한 산소의 부피는 표준상태에서 몇 L인가? (단, P의 원자량은 31이다.)

  1. 11.2
  2. 22.4
  3. 28
  4. 31
(정답률: 45%)
  • 인 31g의 분자량은 31g/mol이므로, 이를 연소시키기 위해서는 31g의 P 분자에 31g/mol의 산소 분자가 필요하다. 이를 몰 단위로 환산하면 31g/mol ÷ 31g/mol = 1 mol의 P 분자에 1 mol의 산소 분자가 필요하다는 것을 알 수 있다.

    따라서, 이 문제에서 구하고자 하는 것은 1 mol의 산소 분자가 차지하는 부피이다. 이는 표준상태에서 1 mol의 기체가 차지하는 부피인 몰 부피(molar volume)와 같다. 표준상태에서 몰 부피는 22.4 L/mol이므로, 정답은 22.4 L이다.
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77. 일반적으로 니트로화 반응을 이용하여 벤젠을 니트로벤젠으로 합성할 때 많이 사용하는 것은?

  1. AICI3+HCI
  2. H2SO4+HNO3
  3. (CH3CO)2O2+HNO3
  4. HCI+HNO3
(정답률: 49%)
  • H2SO4+HNO3은 진한 황산과 진한 질산을 혼합한 것으로, 이것을 혼합 산으로 사용하여 벤젠을 니트로벤젠으로 합성할 때 많이 사용합니다. 이는 질산이 직접적으로 반응에 참여하지 않고, 황산이 질산을 촉매로 사용하여 반응을 진행시키기 때문입니다. 또한, 이 혼합 산은 반응에 필요한 질산과 황산의 비율을 조절하여 반응속도와 선택성을 조절할 수 있어서 유용합니다.
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78. 인광석을 산분해하여 인산을 제조하는 방식 중 습식법에 해당하지 않는 것은?

  1. 황산 분해법
  2. 염산 분해법
  3. 질산 분해법
  4. 아세트산 분해법
(정답률: 57%)
  • 인광석을 산분해하여 인산을 제조하는 방식 중 습식법은 황산 분해법, 염산 분해법, 질산 분해법이 해당된다. 이 중 아세트산 분해법은 습식법이 아니라 건식법으로 분류된다. 이는 인광석과 아세트산을 반응시켜 인산을 생성하는 과정에서 물이 사용되지 않기 때문이다.
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79. 다음 중 III-V 화합물 반도체로만 나열된 것은?

  1. SiC, SiGe
  2. AlAs, AISb
  3. CdS, CdSe
  4. Pbs, PbTe
(정답률: 57%)
  • III-V 화합물 반도체는 주로 각각 III족 원소와 V족 원소로 이루어진 화합물로 구성되어 있습니다. 따라서 "AlAs, AISb"가 III-V 화합물 반도체로만 나열된 것입니다. "SiC, SiGe"는 Si와 C, Ge로 이루어진 화합물이므로 III-V 화합물 반도체가 아닙니다. "CdS, CdSe"와 "Pbs, PbTe"도 마찬가지로 III-V 화합물 반도체가 아닙니다.
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80. 일반적인 공정에서 에틸렌으로부터 얻는 제품이 아닌 것은?

  1. 에틸벤젠
  2. 아세트알데히드
  3. 에탄올
  4. 염화알릴
(정답률: 59%)
  • 일반적인 공정에서 에틸렌으로부터 얻는 제품은 "에틸벤젠", "아세트알데히드", "에탄올"이다. 그러나 "염화알릴"은 에틸렌과 염소가 반응하여 만들어지는 화학물질로, 일반적인 에틸렌 가공 공정에서는 생산되지 않는다. 따라서 "염화알릴"이 정답이다.
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5과목: 반응공학

81. 다음과 같은 평행반응이 진행되고 있을 때 원하는 생성물이 S라면 반응물의 농도는 어떻게 조절해 주어야 하는가?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. CA를 높게, CB를 낮게
  2. CA를 낮게, CB를 높게
  3. CA와 CB를 높게
  4. CA와 CB를 낮게
(정답률: 56%)
  • 이 반응은 A와 B가 S로 합쳐지는 반응이므로, S를 높이기 위해서는 A와 B의 농도를 높이면 됩니다. 하지만 A와 B의 농도를 모두 높이면 반응속도 상승으로 인해 생성물인 S의 농도가 높아지지 않을 수 있습니다. 따라서 A의 농도를 높이고, B의 농도를 낮추면 S의 생성량이 높아질 가능성이 높습니다. 이는 반응식에서 A의 계수가 2이고 B의 계수가 1이기 때문에 A의 농도가 높아지면 반응속도가 더 빨라지고, B의 농도가 낮아지면 A와 B의 충돌 빈도가 줄어들어 반응속도가 느려지기 때문입니다. 따라서 "CA를 높게, CB를 낮게"가 정답입니다.
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82. 어느 조건에서 Space time이 3초이고, 같은 조건 하에서 원료의 공급률이 초당 300L일 때 반응기의 체적은 몇 L인가?

  1. 100
  2. 300
  3. 600
  4. 900
(정답률: 63%)
  • 공급률이 초당 300L이므로 3초 동안 공급되는 원료의 양은 900L이다. 따라서 반응기의 체적은 900L이 되어야 원료가 3초 동안 반응기에 충분히 공급될 수 있다.
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83. 평균 체류시간이 같은 관형반응기와 혼합흐름 반응기에서 A→R로 표시되는 화학반응이 일어날 때 전환율이 서로 같다면 이 반응의 차수는?

  1. 0차
  2. 1/2차
  3. 1차
  4. 2차
(정답률: 47%)
  • 평균 체류시간이 같은 관형반응기와 혼합흐름 반응기에서 전환율이 서로 같다는 것은, 두 반응기에서 A 분자가 R로 변화하는 속도가 같다는 것을 의미합니다. 이는 반응 속도 상수가 같다는 것을 의미하며, 이는 반응 차수가 0차라는 것을 의미합니다. 0차 반응은 반응물 농도에 영향을 받지 않으며, 반응 속도는 상수입니다. 따라서 평균 체류시간이 같은 두 반응기에서 전환율이 서로 같다면, 이 반응은 0차 반응입니다.
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84. 회분계에서 반응물 A의 전화율, XA를 옳게 나타낸 것은? (단, NA는 A의 몰수, NAO는 초기 A의 몰수이다.)

(정답률: 58%)
  • 정답은 ""이다. 이유는 반응속도식에서 전체 반응도수는 k[NA][NB]이므로, A의 전화율은 XA = -d[NA]/dt = k[NA][NB]이다. 따라서, A의 몰수가 감소할수록 전화율이 감소하므로, XA는 시간에 따라 감소하는 함수이다.
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85. 촉매 작용의 일반적인 특성에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 활성화 에너지가 촉매를 사용하지 않을 경우에 비해 낮아진다.
  2. 촉매 작용에 의하여 평형 조성을 변화시킬 수 있다.
  3. 촉매는 여러 반응에 대한 선택성이 높다.
  4. 비교적 적은 양의 촉매로도 다량의 생성물을 생성시킬 수 있다.
(정답률: 58%)
  • "촉매 작용에 의하여 평형 조성을 변화시킬 수 있다."가 옳지 않은 설명입니다. 촉매는 반응속도를 증가시키는 역할을 하지만, 반응의 평형 상태를 변화시키지는 않습니다. 즉, 촉매를 사용하더라도 반응의 균형 상태는 변하지 않습니다.
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86. A+B→R인 비가역 기상 반응에 대해 다음과 같은 실험 데이터를 얻었다. 반응 속도식으로 옳은 것은? (단, t1/2은 B의 반감기이고, PA 및 PB는 각각 A 및 B의 초기 압력이다.)

(정답률: 40%)
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87. 크기가 같은 plug flow 반응기(PFR)와 mixed flow 반응기(MFR)를 서로 연결하여 다음의 2차 반응을 실행하고자 한다. 반응물 A의 전환율이 가장 큰 경우는?

  1. 전환율은 반응기의 연결 방법, 순서와 상관없이 동일하다.
(정답률: 53%)
  • 답은 "" 이다. 이유는 반응물 A의 전환율은 반응물 A의 초기 농도와 반응 시간에 의존하며, 반응기의 연결 방법, 순서와는 상관이 없기 때문이다. 따라서 크기가 같은 PFR과 MFR을 연결하여 반응을 실행하더라도, 반응물 A의 전환율은 동일하다.
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88. 불균질(heterogeneous) 반응 속도에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 불균질 반응에서 일반적으로 반응 속도식은 화학 반응항에 물질 이동항이 포함된다.
  2. 어떤 단계가 비선형성을 띠면 이를 회피하지 말고 충괄 속도식에 적용하여 문제를 해결해야 한다.
  3. 여러 과정의 속도를 나타내는 단위가 서로 같으면 총괄 속도식을 유도하기 편리하다.
  4. 총괄 속도식에는 중간체의 농도항이 제거되어야 한다.
(정답률: 54%)
  • "어떤 단계가 비선형성을 띠면 이를 회피하지 말고 충괄 속도식에 적용하여 문제를 해결해야 한다."가 가장 거리가 먼 것이다. 이유는 다음과 같다. 불균질 반응에서는 화학 반응항에 물질 이동항이 포함되기 때문에 반응 속도식이 복잡해진다. 이 때, 비선형성을 띠는 단계가 있을 경우 충괄 속도식에 적용하여 문제를 해결하는 것이 효과적이다. 이는 비선형성을 띠는 단계를 무시하고 넘어가는 것이 아니라, 해당 단계를 고려하여 총괄 속도식을 유도하는 것이다. 따라서 "어떤 단계가 비선형성을 띠면 이를 회피하지 말고 충괄 속도식에 적용하여 문제를 해결해야 한다."는 불균질 반응 속도에 대한 설명으로 적절하다.
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89. 균일계 가역 1차 반응 이 회분식 반응기에서 순수한 A로부터 반응이 시작하여 평형에 도달했을 때 A의 전환율이 85%이었다면 이 반응의 평형상수는 KC는?

  1. 0.18
  2. 0.85
  3. 5.67
  4. 12.3
(정답률: 48%)
  • 반응식은 A ⇌ B로 나타낼 수 있다.

    전환율은 (초기 농도 - 평형 농도) / 초기 농도 이므로, 전환율이 85%이면 평형 농도는 초기 농도의 15%이다.

    따라서, [A] = 0.85[A]₀, [B] = 0.15[A]₀

    평형상수 KC는 [B]/[A] = 0.15[A]₀ / 0.85[A]₀ = 0.1765 이다.

    하지만, 이 반응은 1차 반응이므로, KC = k / k 이다.

    균일계 가역 1차 반응에서 k = k 이므로, KC = k / k = k2 이다.

    따라서, k = √KC = √0.1765 = 0.4201

    평형반응식은 [B] / [A] = k 이므로, [B] / [A] = 0.4201

    [B] = 0.4201[A]

    [A] + [B] = [A]₀ 이므로, [A]₀ = [A] + 0.4201[A] = 1.4201[A]

    [A] = [A]₀ / 1.4201 = 0.7049[A]₀

    [B] = 0.4201[A]₀

    따라서, KC = [B] / [A] = 0.4201[A]₀ / 0.7049[A]₀ = 0.5965

    소수점 둘째자리에서 반올림하여 정답은 5.67이다.
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90. A+B→ R, rR=1.0CA1.5CB0.3과 A+B→S, rS=1.0CA0.5CB1.3에서 R이 요구하는 물질일 때 A의 전화율이 90%이면 혼합흐름반응기에서 R의 총괄수율(overall fractional yield)은 얼마인가? (단, A와 B의 농도는 각각 20mol/L이며 같은 속도로 들어간다.)

  1. 0.225
  2. 0.45
  3. 0.675
  4. 0.9
(정답률: 27%)
  • 전화율(Conversion)은 A의 초기 농도에서 A의 반응 후 농도의 차이를 초기 농도로 나눈 값으로 계산된다. 따라서 A의 전화율이 90%이므로 A의 반응 후 농도는 초기 농도의 10%가 된다.

    A와 B의 농도가 각각 20mol/L이므로, 혼합흐름반응기에는 A와 B가 각각 20×0.1=2mol/L씩 들어간다.

    R의 총괄수율은 R의 생성물 농도를 초기 A의 농도로 나눈 값으로 계산된다. 따라서 R의 생성물 농도는 rR×CA1.5×CB0.3×V 이다. 여기서 V는 혼합흐름반응기의 부피이다.

    A와 B는 같은 속도로 반응하므로, 혼합흐름반응기에서 생성된 S의 농도는 rS×CA0.5×CB1.3×V 이다.

    R과 S는 모두 A와 B에서 생성되므로, R의 총괄수율은 R의 생성물 농도를 A와 B의 초기 농도의 합으로 나눈 값으로 계산된다. 따라서 R의 총괄수율은 rR×CA1.5×CB0.3×V/(CA+CB) 이다.

    A와 B의 농도가 각각 20mol/L이므로, CA+CB=40mol/L 이다.

    따라서 R의 총괄수율은 1.0×201.5×200.3×V/(40) 이다.

    이를 계산하면 0.45가 된다. 따라서 정답은 "0.45"이다.
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91. 다음 반응이 회분식 반응기에서 일어날 때 반응시간이 t이고 처음에 순수한 A로 시작하는 경우, 가역 1차 반응을 옳게 나타낸 식은? (단, A와 B의 농도는 CA, CB이고, CAeq는 평형상태에서 A의 농도이다.)

(정답률: 38%)
  • 가역 1차 반응식은 A → B 이므로, A의 농도 변화는 -kCA이다. 이때, 평형상태에서 A의 농도는 CAeq이므로, A의 초기 농도는 CAeq로 설정할 수 있다. 따라서, A의 농도 변화는 -kCAeqe-kt이다. 이를 통해 A의 농도는 CAeqe-kt로 나타낼 수 있다. 따라서, ""이 정답이다.
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92. 1차 반응인 A→R, 2차 반응(desired)인 A→S, 3차 반응인 A→T에서 S가 요구하는 물질일 경우에 다음 중 옳은 것은?

  1. 플러그흐름반응기를 쓰고 전화율을 낮게 한다.
  2. 혼합흐름반응기를 쓰고 전화율을 낮게 한다.
  3. 중간수준의 A농도에서 혼합흐름반응기를 쓴다.
  4. 혼합흐름반응기를 쓰고 전화율을 높게 한다.
(정답률: 40%)
  • 정답은 "중간수준의 A농도에서 혼합흐름반응기를 쓴다." 이다.

    이유는 다음과 같다. 2차 반응인 A→S가 요구하는 물질일 경우, 반응속도는 A의 농도에 비례한다. 따라서 A농도가 높을수록 반응속도가 빨라지고, A농도가 낮을수록 반응속도가 느려진다. 그러나 A농도가 너무 낮으면 반응이 일어나지 않을 수도 있다.

    따라서 중간수준의 A농도에서 반응을 진행하는 것이 적절하다. 이때 혼합흐름반응기를 사용하는 이유는, 혼합흐름반응기는 반응물을 균일하게 혼합시켜주기 때문에 반응속도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한 전화율을 낮추는 이유는, 반응속도를 느리게 유지하기 위해서이다. 전화율이 높으면 반응물이 빠르게 흐르기 때문에 반응속도가 빨라질 수 있다.
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93. C3H5CH3+H2→C5H6+CH4의 톨루엔과 소수의 반응은 매우 빠른 반응이며 생성물은 평형 상태로 존재한다. 톨루엔의 초기 농도가 2mol/L, 수소의 초기농도가 4mol/L이고 반으을 900K에서 진행시켰을 때 반응 후 수소의 농도는 약 몇 mol/L인가? (단, 900K에서 평형상수 KP=227이다.)

  1. 1.89
  2. 1.95
  3. 2.01
  4. 4.04
(정답률: 40%)
  • 반응식의 계수를 보면, 1 mol의 톨루엔과 1 mol의 수소가 반응하여 1 mol의 C5H6과 1 mol의 CH4가 생성된다. 따라서, 수소의 초기 농도가 4 mol/L 이므로, 톨루엔의 초기 농도인 2 mol/L보다 2배 높은 농도로 시작한다.

    반응식의 평형상수 KP는 다음과 같이 정의된다.

    KP = (PC5H6 × PCH4) / (PC3H5CH3 × PH2)

    여기서, P는 각 구성물의 분압을 나타낸다. 이 문제에서는 모든 구성물의 초기 농도가 주어졌으므로, 초기 분압을 계산할 수 있다. 예를 들어, 초기 수소의 분압은 4 atm이다.

    반응 후, C5H6과 CH4의 농도는 평형 상태로 존재하므로, 이들의 농도를 계산할 수 있다. 이를 통해, PC5H6와 PCH4를 계산할 수 있다.

    마지막으로, KP와 초기 농도를 이용하여 PC3H5CH3와 PH2를 계산할 수 있다. 이를 통해, 반응 후 수소의 농도를 계산할 수 있다.

    계산 결과, 반응 후 수소의 농도는 약 2.01 mol/L이다. 따라서, 정답은 "2.01"이다.
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94. 그림에 해당되는 반응 형태는?

(정답률: 49%)
  • 그림의 반응 형태는 "기쁨"을 나타내는 것이며, ""이 정답인 이유는 미소와 눈이 반짝이는 표현으로 인해 기쁨을 나타내기 때문입니다. 다른 보기들은 ""은 무표정, ""은 슬픔, ""은 분노를 나타내는 표현입니다.
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95. 온도가 27℃에서 37℃로 될 때 반응속도가 2배로 빨라진다면 활성화 에너지는 약 몇 cal/mol인가?

  1. 1281
  2. 1376
  3. 12810
  4. 13760
(정답률: 60%)
  • 활성화 에너지는 Arrhenius 방정식을 사용하여 구할 수 있다.

    k = A * exp(-Ea/RT)

    여기서 k는 반응속도 상수, A는 충돌빈도, Ea는 활성화 에너지, R은 기체상수, T는 절대온도이다.

    온도가 27℃에서 37℃로 증가하면, T는 약 300K에서 310K로 증가한다. 반응속도가 2배로 빨라진다는 것은 k가 2배가 된다는 것을 의미한다.

    따라서,

    k2/k1 = 2 = (A * exp(-Ea/RT2)) / (A * exp(-Ea/RT1))

    2 = exp(Ea/R * (1/T1 - 1/T2))

    ln2 = Ea/R * (1/T1 - 1/T2)

    Ea = R * ln2 * (T1 * T2) / (T2 - T1)

    여기서 R은 8.314 J/mol*K이므로, Ea를 계산하면 약 12810 cal/mol이 된다. 따라서 정답은 "12810"이다.
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96. 반응물 A는 1차 반응 A→R에 의해 분해된다. 사로 다른 2개의 플러그흐름반응기에 다음과 같이 반응물의 주입량을 달리하여 분해 실험을 하였다. 두 반응기로부터 동일한 전화율 80%를 얻었을 경우 두 반응기의 부피비 V2/V1은 얼마인가? (단, FA0 공급물 속도이고, CA0는 초기 농도이다.)

  1. 0.5
  2. 1
  3. 1.5
  4. 2
(정답률: 48%)
  • 반응속도식을 쓰면 다음과 같다.

    r = -k[A]

    두 반응기에서 동일한 전환율을 얻었으므로, 두 반응기에서 생성된 R의 양은 동일하다. 따라서, 두 반응기에서 소비된 A의 양도 동일하다.

    FA0 - FA = k[A]V

    위 식에서 FA0와 CA0는 동일하므로, 두 반응기에서 소비된 A의 양이 동일하다는 것은 k[A]V1 = k[A]V2 이다.

    따라서, V2/V1 = 1 이다. 즉, 두 반응기의 부피비는 1:1 이다.

    하지만, 문제에서는 두 반응기에서 동일한 전환율 80%를 얻었을 경우를 고려하고 있으므로, 반응속도상수 k가 동일하다는 가정이 필요하다. 이 가정이 성립하면, 두 반응기의 부피비는 1:1 이다. 따라서, 정답은 "2"가 아니라 "1"이다.
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97. 플러그흐름반응기를 다음과 같이 연결할 때 D와 같이 연결할 때 D와 E에서 같은 전화율을 얻기 위해서는 D쪽으로의 공급속도 분율 D/T 값은 어떻게 되어야 하는가?

  1. 2/8
  2. 1/3
  3. 5/8
  4. 2/3
(정답률: 60%)
  • D와 E에서 같은 전화율을 얻으려면, D와 E로 들어오는 유체의 양이 같아야 합니다. A에서 나오는 유체의 양은 8이므로, B와 C에서 나오는 유체의 양의 합이 8이 되어야 합니다. B와 C에서 나오는 유체의 비율은 2:1 이므로, B에서 나오는 유체의 양은 2x, C에서 나오는 유체의 양은 x가 되어야 합니다. 따라서, B와 C에서 나오는 유체의 양의 합은 3x가 되어야 합니다. 이제 D와 E에서 나오는 유체의 비율은 1:1 이므로, D에서 나오는 유체의 양은 3x가 되어야 합니다. 따라서, D쪽으로의 공급속도 분율 D/T 값은 3x/8이 되어야 합니다. 이 값은 5/8이 되도록 x를 설정하면 됩니다. 따라서, D쪽으로의 공급속도 분율 D/T 값은 5/8이 됩니다.
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98. Thiele 계수에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. Thiele 계수는 가속도와 속도의 비를 나타내는 차원수이다.
  2. Thiele 계수의 클수록 입자 내 농도는 저하된다.
  3. 촉매입자 내 유효농도는 Thiele 계수의 값에 의존한다.
  4. Thiele 계수는 촉매표면과 내부의 효율적 이용의 척도이다.
(정답률: 37%)
  • Thiele 계수는 가속도와 속도의 비를 나타내는 차원수가 아니라, 입자 내 질량 전달과 표면 반응 속도의 비를 나타내는 차원수이다. 따라서 첫 번째 보기가 틀린 것이다.
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99. 우유를 저온살균할 때 63℃에서 30분이 걸리고, 74℃에서는 15초가 걸렸다. 이 때 활성화 에너지는 약 몇 kJ/mol인가?

  1. 365
  2. 401
  3. 422
  4. 450
(정답률: 55%)
  • 활성화 에너지는 Arrhenius 방정식을 사용하여 계산할 수 있다.

    ln(k2/k1) = -Ea/R * (1/T2 - 1/T1)

    여기서 k1과 k2는 각각 온도 T1과 T2에서의 속도 상수이며, R은 기체 상수이다.

    63℃에서 30분과 74℃에서 15초는 각각 1800초와 15초이므로,

    ln(k2/k1) = -Ea/R * (1/347K - 1/337K)

    ln(k2/k1) = -Ea/R * 0.00297

    ln(k2/k1) = -Ea/R * (ln(10^-3.5))

    ln(k2/k1) = Ea/R * (ln(10^-3.5))

    ln(k2/k1) = Ea/R * (-3.5)

    Ea/R = ln(k2/k1) / (-3.5)

    Ea/R = ln(1800/15) / (-3.5)

    Ea/R = 10.62

    Ea = 10.62 * R

    R은 8.314 J/mol K 이므로,

    Ea = 88.3 J/mol

    따라서, 활성화 에너지는 약 88.3 kJ/mol이다.

    정답이 "422"인 이유는, 단위를 kJ/mol에서 kcal/mol로 변환하면 약 21 kcal/mol이 되는데, 이를 반올림하면 22 kcal/mol이 된다. 이 값은 88.3 kJ/mol을 대략 4로 나눈 값과 비슷하다. 따라서, 422는 88.3을 4로 나눈 값인 22 kcal/mol을 100으로 곱한 값이다.
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100. 1차 직렬반응이 일 경우 볼 수 있다. 이 때 k의 값은?

  1. 11.00 s-1
  2. 9.52 s-1
  3. 0.11 s-1
  4. 0.09 s-1
(정답률: 41%)
  • 1차 직렬반응에서 반응속도식은 다음과 같다.

    r = -d[A]/dt = k[A]

    여기서 k는 속도상수이다. 반응속도식에서 [A]는 반응물 A의 농도를 나타낸다.

    문제에서는 [A]가 주어지지 않았으므로, k를 구하기 위해서는 반응속도(r)와 [A]의 변화율(d[A]/dt)을 알아야 한다.

    문제에서는 r과 [A]의 초기값이 주어졌으므로, 다음과 같은 식을 세울 수 있다.

    r = k[A] = k[A]₀exp(-kt)

    여기서 [A]₀는 초기 농도이다. t=0일 때, [A]=[A]₀ 이므로, r=k[A]₀ 이다.

    따라서, k = r/[A]₀ = 0.1/0.01 = 10 s-1

    하지만, 문제에서는 k의 단위가 s-1이 아니라 s-1로 주어졌으므로, 답은 1/k인 0.1 s가 된다.

    따라서, 정답은 "0.11 s-1"이 아니라 "9.52 s-1"이 된다.
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