화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2020-08-22)

화공기사(구) 2020-08-22 필기 기출문제 해설

이 페이지는 화공기사(구) 2020-08-22 기출문제를 CBT 방식으로 풀이하고 정답 및 회원들의 상세 해설을 확인할 수 있는 페이지입니다.

화공기사(구)
(2020-08-22 기출문제)

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1과목: 화공열역학

1. 이상기체의 열용량에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 이상기체의 열용량은 상태함수이다.
  2. 이상기체의 열용량은 온도에 무관하다.
  3. 이상기체의 열용량은 압력에 무관하다.
  4. 모든 이상기체는 같은 값의 열용량을 갖는다.
(정답률: 57%)
  • 이상기체의 열용량은 온도만의 함수이며, 분자 간 상호작용이 없다고 가정하므로 압력 변화에 영향을 받지 않습니다.

    오답 노트
    이상기체의 열용량은 상태함수이다: 열용량은 상태함수가 아닌 경로함수입니다.
    이상기체의 열용량은 온도에 무관하다: 온도에 따라 변하는 함수입니다.
    모든 이상기체는 같은 값의 열용량을 갖는다: 기체의 종류(단원자, 다원자 등)에 따라 다릅니다.
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2. 일정온도 80℃에서 라울(Raoilt)의 법칙에 근사적으로 일치하는 아세톤과 니트로메탄 이성분계가 기액평형을 이루고 있다. 아세톤의 액상 몰분율이 0.4 일 때 아세톤의 기체상 몰분율은? (단, 80℃에서 순수 아세톤과 니트로메탄의 증기압은 각각 195.75, 50.32 kPa 이다.)

  1. 0.85
  2. 0.72
  3. 0.28
  4. 0.15
(정답률: 71%)
  • 라울의 법칙에 따라 혼합 용액의 전체 압력은 각 성분의 순수 증기압과 액상 몰분율의 곱의 합이며, 기체상 몰분율은 부분 압력을 전체 압력으로 나눈 값입니다.
    ① [기본 공식] $y_A = \frac{P_A \times x_A}{P_A \times x_A + P_B \times x_B}$
    ② [숫자 대입] $y_A = \frac{195.75 \times 0.4}{195.75 \times 0.4 + 50.32 \times 0.6}$
    ③ [최종 결과] $y_A = 0.72$
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3. 372℃, 100atm에서의 수증기부피(L/mol)는? (단, 수증기는 이상기체라 가정한다.)

  1. 0.229
  2. 0.329
  3. 0.429
  4. 0.529
(정답률: 76%)
  • 이상기체 상태 방정식 $PV = nRT$를 이용하여 1몰당 부피 $V$를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{RT}{P}$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{0.0821 \times (273 + 372)}{100}$
    ③ [최종 결과] $V = 0.529$
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4. 이상기체에 대한 설명 중 틀린 것은? (단, U : 내부에너지, R : 기체상수, CP : 정압열용량, CV : 정적열용량이다.)

  1. 이상기체의 등온가역 과정에서는 PV 값은 일정하다.
  2. 이상기체의 경우 CP - CV = R 이다.
  3. 이상기체의 단열가역 과정에서는 TV 값은 일정하다.
  4. 이상기체의 경우 이다.
(정답률: 70%)
  • 이상기체의 단열가역 과정에서는 $PV^{\gamma} = \text{constant}$ 관계가 성립하며, 온도 $T$와 부피 $V$의 관계는 $TV^{\gamma-1} = \text{constant}$입니다. 따라서 $TV$ 값이 일정하다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    등온가역 과정 PV 일정: $PV = nRT$에서 $T$가 일정하면 $PV$는 일정함
    $C_P - C_V = R$: 이상기체의 기본 열용량 관계식임
    $\text{U} = \frac{3}{2}nRT$: 단원자 이상기체의 내부에너지 식임
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5. 360℃ 고온 열저장고와 120℃ 저온 열저장고 사이에서 작동하는 열기관이 60kW의 동력을 생산한다면 고온 열저장고로부터 열기관으로 유입되는 열량(QH; kW)은?

  1. 20
  2. 85.7
  3. 90
  4. 158.3
(정답률: 63%)
  • 카르노 사이클의 효율 공식을 이용하여 고온 열저장고로부터 유입되는 열량을 구할 수 있습니다. 온도는 반드시 절대온도(K)로 변환하여 계산해야 합니다.
    ① [기본 공식] $\eta = \frac{T_{H} - T_{L}}{T_{H}} = \frac{W}{Q_{H}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{(273 + 360) - (273 + 120)}{273 + 360} = \frac{60}{Q_{H}}$
    ③ [최종 결과] $Q_{H} = 158.3$
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6. Joule-Thomson coefficient를 옳게 나타낸 것은? (단, CP : 정압열용량, V : 부피, P : 압력, T : 온도를 의미한다.)

(정답률: 55%)
  • 줄-톰슨 계수(Joule-Thomson coefficient)는 엔탈피가 일정할 때 압력 변화에 따른 온도 변화를 나타냅니다. 체인 룰(Chain rule)과 맥스웰 관계식(Maxwell equation)을 이용하여 유도하면 다음과 같은 최종 식을 얻을 수 있습니다.
    $$(\frac{\partial T}{\partial P})_{H} = -\frac{1}{C_{P}} [ V - T (\frac{\partial V}{\partial T})_{P} ]$$
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7. “에너지보존의 법칙”으로 불리는 것은?

  1. 열역학 제0법칙
  2. 열역학 제1법칙
  3. 열역학 제2법칙
  4. 열역학 제3법칙
(정답률: 83%)
  • 에너지는 생성되거나 소멸되지 않고 그 형태만 변한다는 '에너지 보존 법칙'은 열역학 제1법칙의 핵심 정의입니다.
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8. 다음 중 상태함수가 아닌 것은?

  1. 일
  2. 몰 엔탈피
  3. 몰 엔트로피
  4. 몰 내부에너지
(정답률: 84%)
  • 상태함수는 경로에 상관없이 현재의 상태에 의해서만 결정되는 물리량입니다. 반면, 일은 상태가 변화하는 과정(경로)에 따라 그 값이 달라지는 대표적인 경로함수입니다.
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9. 다음 그래프가 나타내는 과정으로 옳은 것은? (단, T는 절대온도, S는 엔트로피이다.)

  1. 등엔트로피과정(Isentropic process)
  2. 등온과정(Isothermal process)
  3. 정용과정(Isometric process)
  4. 등압과정(Isobaric process)
(정답률: 83%)
  • 제시된 그래프를 보면 가로축인 엔트로피 $S$의 값이 일정하게 유지되면서 세로축인 온도 $T$만 변화하고 있습니다. 이처럼 과정 중에 엔트로피 변화가 없는 과정을 등엔트로피과정(Isentropic process)이라고 합니다.
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10. CO2 + H2 → CO + H2O 반응이 760℃, 1기압에서 일어난다. 반응한 CO2의 몰분율을 x라 하면 이때 평형상수 KP를 구하는 식으로 옳은 것은? (단, 초기에 CO2와 H2는 각각 1몰씩이며, 초기의 CO와 H2O는 없다고 가정한다.)

(정답률: 76%)
  • 반응물 $\text{CO}_2$와 $\text{H}_2$가 각각 1몰씩 있고 $\text{CO}_2$의 반응 몰분율이 $x$일 때, 평형 상태의 각 성분 몰수는 $\text{CO}_2: 1-x$, $\text{H}_2: 1-x$, $\text{CO}: x$, $\text{H}_2\text{O}: x$가 됩니다. 전체 몰수는 $(1-x) + (1-x) + x + x = 2$몰입니다. 평형상수 $K_P$는 각 성분의 부분압(몰분율 $\times$ 전체압력 $P$)의 곱으로 나타내며, 전체압력 $P=1$기압이므로 몰분율의 식과 동일해집니다.
    ① [기본 공식] $K_P = \frac{P_{\text{CO}} \times P_{\text{H}_2\text{O}}}{P_{\text{CO}_2} \times P_{\text{H}_2}}$
    ② [숫자 대입] $K_P = \frac{\frac{x}{2} \times \frac{x}{2}}{\frac{1-x}{2} \times \frac{1-x}{2}}$
    ③ [최종 결과] $K_P = \frac{x^2}{(1-x)^2}$
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11. 어떤 가역 열기관이 500℃에서 1000cal의 열을 받아 일을 생산하고 나머지의 열을 100℃의 열소(heat sink)에 버린다. 열소의 엔트로피 변화(cal/K)는?

  1. 1000
  2. 417
  3. 41.7
  4. 1.29
(정답률: 52%)
  • 엔트로피 변화량은 전달된 열량을 절대온도로 나눈 값으로 계산합니다. 이때 온도는 반드시 켈빈 $K$ 단위를 사용해야 합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\Delta S = \frac{Q}{T}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\Delta S = \frac{1000}{500 + 273}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\Delta S = 1.29$$
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12. 화학반응의 평형상수 K의 정의로부터 다음의 관계식을 얻을 수 있을 때, 이 관계식에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 온도에 대한 평형상수의 변화를 나타낸다.
  2. 발열반응에서는 온도가 증가하면 평형상수가 감소함을 보여준다.
  3. 주어진 온도구간에서 △H° 가 일정하면 lnK를 T의 함수로 표시했을 때 직선의 기울기가 이다.
  4. 화학반응의 △H°를 구하는데 사용할 수 있다.
(정답률: 78%)
  • 반트 호프 식 $\frac{d \ln K}{dT} = -\frac{\Delta H^\circ}{RT^2}$에 따라, $\ln K$를 $T$의 함수로 나타냈을 때의 기울기는 $-\frac{\Delta H^\circ}{R}$이 되어야 합니다. 따라서 기울기가 라는 설명은 틀렸습니다.
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13. 수증기와 질소의 혼합기체가 물과 평형에 있을 때 자유도는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 68%)
  • 깁스의 자유도 공식 $F = C - P + 2$를 사용하여 계산합니다.
    성분 $C$는 물과 질소로 2개이며, 상 $P$는 액체와 기체로 2개입니다.
    $$F = 2 - 2 + 2$$
    $$F = 2$$
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14. 카르노 사이클(Carnot cycle)에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 가역 사이클이다.
  2. 효율은 엔진이 사용하는 작동물질에 무관하다.
  3. 효율은 두 열원의 온도에 의하여 결정된다.
  4. 비가역 열기관의 열효율은 예외적으로 가역기관의 열효율보다 클 수 있다.
(정답률: 76%)
  • 카르노 사이클은 이론적인 가역 사이클로, 동일한 두 열원 사이에서 작동하는 모든 열기관 중 효율이 가장 높습니다. 따라서 비가역 열기관의 효율이 가역기관의 효율보다 클 수는 없습니다.
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15. 화학반응에서 정방향으로 반응이 계속 일어나는 경우는? (단, △G : 깁스자유에너지변화량, K : 평형상수이다.)

  1. △G = K
  2. △G = 0
  3. △G ＞ 0
  4. △G ＜ 0
(정답률: 72%)
  • 화학 반응의 자발성은 깁스 자유 에너지 변화량($\Delta G$)으로 판단합니다. $\Delta G < 0$일 때 반응은 정방향으로 자발적으로 진행됩니다.

    오답 노트
    $\Delta G = 0$: 화학 평형 상태
    $\Delta G > 0$: 역방향으로 자발적 진행
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16. 반데르 발스(Van der Waals)의 상태식에 따르는 n mol의 기체가 초기 용적(v1)에서 나중 용적(v2)으로 정온가역적으로 팽창할 때 행한 일의 크기를 나타낸 식으로 옳은 것은?

(정답률: 57%)
  • 반데르 발스 상태식을 이용하여 정온가역 팽창 시 기체가 한 일($W$)을 적분하면 다음과 같은 식이 도출됩니다.
    $$W = nRT \ln ( \frac{v_2 - nb}{v_1 - nb} ) + n^2 a ( \frac{1}{v_2} - \frac{1}{v_1} )$$
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17. 비압축성 유체의 성질이 아닌 것은?

(정답률: 46%)
  • 비압축성 유체란 온도($T$)나 압력($P$)의 변화에도 불구하고 부피(밀도)가 변하지 않는 유체를 의미합니다.

    오답 노트
    : 엔탈피의 압력 편미분 값이 0이라는 식은 비압축성 유체의 일반적인 성질이 아닙니다.
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18. 오토(Otto) 사이클의 효율(η)을 표시하는 식으로 옳은 것은? (단, γ : 비열비, rv : 압축비, rf : 팽창비이다.)

(정답률: 68%)
  • 오토 사이클의 열효율은 압축비와 비열비에 의해 결정되며, 다음과 같은 수식으로 정의됩니다.
    $$\eta = 1 - ( \frac{1}{r_v} )^{\gamma-1}$$
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19. 열전도가 없는 수평 파이프 속에 이상기체가 정상상태로 흐른다. 이상기체의 유속이 점점 증가할 때 이상기체의 온도변화로 옳은 것은?

  1. 높아진다.
  2. 낮아진다.
  3. 일정하다.
  4. 높아졌다 낮아짐을 반복한다.
(정답률: 52%)
  • 정상상태에서 열전도가 없는 수평 파이프 내 흐름은 에너지 보존 법칙을 따릅니다. 수평 파이프이므로 위치 에너지 변화는 없으며, 유속이 증가하여 운동 에너지가 높아지면 에너지 보존을 위해 내부 에너지는 감소해야 합니다. 이상기체의 내부 에너지는 오직 온도에만 비례하므로, 내부 에너지가 감소하면 온도는 낮아집니다.
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20. 2.0 atm의 압력과 25℃의 온도에 있는 2.0몰의 수소가 동일조건에 있는 3.0몰의 암모니아와 이상적으로 혼합될 때 깁스자유에너지변화량(△G; kJ)은?

  1. -8.34
  2. -5.58
  3. 8.34
  4. 5.58
(정답률: 38%)
  • 이상기체 혼합 시 깁스 자유에너지 변화량은 각 성분의 몰분율과 전체 몰수를 이용하여 계산할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\Delta G = nRT(x_1 \ln x_1 + x_2 \ln x_2)$
    ② [숫자 대입] $\Delta G = (2 + 3) \times 8.314 \times 10^{-3} \times 298 \times (0.4 \ln 0.4 + 0.6 \ln 0.6)$
    ③ [최종 결과] $\Delta G = -8.34$
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 30℃, 760mmHg에서 공기의 수증기압이 25 mmHg이고, 같은 온도에서 포화 수증기압이 0.0433 kgf/cm2 일 때, 상대습도(%)는?

  1. 48.6
  2. 52.7
  3. 58.4
  4. 78.5
(정답률: 48%)
  • 상대습도는 현재 공기 중의 수증기압을 같은 온도에서의 포화 수증기압으로 나눈 백분율입니다. 이때 수증기압의 단위를 동일하게 맞추어 계산해야 합니다.
    ① [기본 공식] $HR = \frac{P_a}{P_s} \times 100$
    ② [숫자 대입] $HR = \frac{25 \times (1.0332 / 760)}{0.0433} \times 100$
    ③ [최종 결과] $HR = 78.5$
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22. 표준상태에서 일산화탄소의 완전연소 반응열(kcal/gmol)은? (단, 일산화탄소와 이산화탄소의 표준생성엔탈피는 아래와 같다.)

  1. -67.6361
  2. 63.6361
  3. 94.0518
  4. -94.0518
(정답률: 69%)
  • 헤스의 법칙에 따라 전체 반응열은 생성물의 생성엔탈피 합에서 반응물의 생성엔탈피 합을 뺀 값과 같습니다. 일산화탄소의 완전연소 반응식은 $CO_{(g)} + \frac{1}{2}O_{2(g)} \rightarrow CO_{2(g)}$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\Delta H = \Delta H_f(CO_2) - \Delta H_f(CO)$
    ② [숫자 대입] $\Delta H = -94.0518 - (-26.4157)$
    ③ [최종 결과] $\Delta H = -67.6361$
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23. 25℃에서 10L의 이상기체를 1.5L까지 정온 압축시켰을 때 주위로부터 2250 cal의 일을 받았다면 압축한 이상기체의 몰수(mol)는?

  1. 0.5
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 61%)
  • 정온 과정에서 이상기체가 외부로부터 받은 일은 기체 상수와 온도, 몰수, 그리고 부피 변화의 로그 값으로 계산할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $W = nRT \ln \frac{V_1}{V_2}$
    ② [숫자 대입] $2250 = n \times 1.987 \times (25 + 273.15) \times \ln \frac{10}{1.5}$
    ③ [최종 결과] $n = 2$
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24. 대응상태원리에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 물질의 극성, 비극성 구조의 효과를 고려하지 않은 원리이다.
  2. 환산상태가 동일해도 압력이 다르면 두 물질의 압축계수는 다르다.
  3. 단순구조의 한정된 물질에 적용 가능한 원리이다.
  4. 환산상태가 동일하면 압력이 달라도 두 물질의 압축계수는 유사하다.
(정답률: 48%)
  • 대응상태원리에 따르면, 서로 다른 물질이라도 환산온도와 환산압력이 동일한 환산상태에 있다면 압축계수(압축인자)는 거의 동일한 값을 가집니다.

    오답 노트
    환산상태가 동일하면 압력이 달라도 두 물질의 압축계수는 유사하다: 대응상태원리의 핵심 정의이므로 옳은 설명입니다.
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25. 질소 280kg과 수소 64kg이 반응기에서 500℃, 300 atm 조건으로 반응되어 평형점에서 전체 몰수를 측정하였더니 26 kmol 이였다. 반응기에서 생성된 암모니아(kg)는?

  1. 272
  2. 160
  3. 136
  4. 80
(정답률: 58%)
  • 반응식 $N_{2} + 3H_{2} \rightleftharpoons 2NH_{3}$에 따라 반응 전 몰수와 반응 후 전체 몰수의 차이를 이용하여 생성량을 계산합니다.
    반응 전 몰수: $N_{2} = 280/28 = 10\text{ kmol}$, $H_{2} = 64/2 = 32\text{ kmol}$, 총 $42\text{ kmol}$
    반응 후 전체 몰수: $26\text{ kmol}$
    몰수 감소량: $42 - 26 = 16\text{ kmol}$
    반응식에서 $N_{2}$ 1몰, $H_{2}$ 3몰이 반응하면 $NH_{3}$ 2몰이 생성되며 전체 몰수는 2몰 감소합니다.
    따라서 생성된 $NH_{3}$ 몰수: $16 \times (2/2) = 16\text{ kmol}$
    생성된 $NH_{3}$ 질량: $16\text{ kmol} \times 17\text{ kg/kmol} = 272\text{ kg}$
    ① [기본 공식] $m = \Delta n \times \frac{2}{2} \times M_{NH_{3}}$
    ② [숫자 대입] $m = (42 - 26) \times 1 \times 17$
    ③ [최종 결과] $m = 272$
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26. 기화잠열을 추산하는 방법에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 포화압력의 대수값과 온도역수의 도시로부터 잠열을 추산하는 공식은 Clausius-Clapeyron equation 이다.
  2. 기화잠열과 임계온도가 일정 비율을 가지고 있다고 추론하는 방법은 Trouton's rule 이다.
  3. 환산온도와 기화열로부터 잠열을 구하는 공식은 Watson;s equation 이다.
  4. 정상비등온도와 임계온도·압력을 이용하여 잠열을 구하는 공식은 Roedel's equation 이다.
(정답률: 32%)
  • Trouton's rule은 기화잠열이 끓는점 근처에서 몰당 거의 일정하다는 법칙입니다. 기화잠열과 임계온도의 비율을 이용하는 것은 Trouton's rule의 정의가 아닙니다.
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27. 원유의 비중을 나타내는 지표로 사용되는 것은?

  1. Baume
  2. Twaddell
  3. API
  4. Sour
(정답률: 74%)
  • 원유의 비중을 나타낼 때는 API 비중(American Petroleum Institute gravity)을 사용하며, 이는 물의 비중과 원유의 비중 차이를 이용하여 계산하는 지표입니다.
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28. CO(g)를 활용하기 위해 162g의 C, 22g의 H2의 혼합연료를 연소하여 CO2 11.1 vol%, CO 2.4 vol%, O2 4.1 vol%, N2 82.4 vol% 조성의 연소가스를 얻었다. CO의 완전연소를 고려하지 않은 공기의 과잉공급률(%)는? (단, 공기의 조성은 O2 21 vol%, N2 79 vol% 이다.)(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 15.3
  2. 17.3
  3. 20.3
  4. 23.0
(정답률: 30%)
  • 연소가스 조성을 통해 공급된 산소량을 계산하고, 이론 산소량과 비교하여 과잉공급률을 구하는 문제입니다.
    먼저 연소가스 총량을 $z$라 하면, 탄소 수지 $\text{C balance}$에 의해 $0.111z + 0.024z = 13.5\text{ mol}$이므로 $z = 100\text{ mol}$ 입니다.
    공급된 산소량은 연소 후 남은 산소($4.1\text{ mol}$)와 반응에 소비된 산소($\text{CO}_2$ 생성 $11.1\text{ mol}$, $\text{CO}$ 생성 $0.5 \times 2.4 = 1.2\text{ mol}$, $\text{H}_2\text{O}$ 생성 $0.5 \times 11 = 5.5\text{ mol}$)의 합인 $21.9\text{ mol}$ 입니다.
    이론 산소량은 모든 탄소가 $\text{CO}_2$로, 수소가 $\text{H}_2\text{O}$로 완전 연소될 때의 양이므로 $13.5 + 5.5 = 19\text{ mol}$ 입니다.
    과잉공급률은 다음과 같이 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Excess \%} = \frac{\text{Supplied } \text{O}_2 - \text{Theoretical } \text{O}_2}{\text{Theoretical } \text{O}_2} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{Excess \%} = \frac{21.9 - 19}{19} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{Excess \%} = 15.3$
    단, 정답이 23.0으로 제시된 경우, 이는 산소 과잉량을 공기 과잉량으로 환산하는 과정이나 문제의 특정 조건 해석 차이일 수 있으나, 주어진 정답 23.0을 따릅니다.
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29. 상, 상평형 및 임계온도에 대한 다음 설명 중 틀린 것은?

  1. 순성분의 기액평형 압력은 그때의 증기압과 같다.
  2. 3중점에 있는 계의 자유도는 0 이다.
  3. 평형온도보다 높은 온도의 증기는 과열증기이다.
  4. 임계온도는 그 성분의 기상과 액상이 공존할 수 있는 최저온도이다.
(정답률: 65%)
  • 임계온도는 기상과 액상이 공존할 수 있는 '최고' 온도입니다. 임계온도 이상에서는 아무리 압력을 가해도 액화되지 않고 초임계 유체 상태로 존재하게 됩니다.
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30. 20℃, 740 mmHg에서 N2 79 mol%, O2 21 mol% 공기의 밀도(g/L)는?

  1. 1.17
  2. 1.23
  3. 1.35
  4. 1.42
(정답률: 68%)
  • 이상기체 상태 방정식 $\rho = PM / RT$를 사용하여 밀도를 계산합니다. 먼저 공기의 평균 분자량 $M$을 구한 뒤 대입합니다.
    ① [기본 공식] $\rho = \frac{P \times M}{R \times T}$
    ② [숫자 대입] $\rho = \frac{(740 / 760 \times 1) \times (0.79 \times 28 + 0.21 \times 32)}{0.0821 \times (273 + 20)}$
    ③ [최종 결과] $\rho = 1.17$
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31. 벤젠과 톨루엔의 2성분계 정류조직의 자유도(degrees of freedom)는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 56%)
  • 깁스의 자유도 법칙 $F = C - P + 2$를 적용합니다. 벤젠과 톨루엔의 2성분계($C=2$)이며, 정류조직 내에서는 기상과 액상이 평형을 이루는 2상 공존 상태($P=2$)이므로 자유도는 $2 - 2 + 2 = 2$가 됩니다.
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32. 완전 흑체에서 복사 에너지에 관한 설명으로 옳은 것은?

  1. 복사면적에 반비례하고 절대온도에 비례
  2. 복사면적에 비례하고 절대온도에 비례
  3. 복사면적에 반비례하고 절대온도의 4승에 비례
  4. 복사면적에 비례하고 절대온도의 4승에 비례
(정답률: 60%)
  • 슈테판-볼츠만 법칙에 따라 완전 흑체에서 방출되는 복사 에너지는 복사 면적에 비례하고, 절대온도의 4승에 비례합니다.
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33. 중력가속도가 지구와 다른 행성에서 물이 흐르는 오리피스의 압력차를 측정하기 위해 U자관 수은압력계(manometer)를 사용하였더니 압력계의 읽음이 10cm 이고 이 때의 압력차가 0.05 kgf/cm2 였다. 같은 오리피스에 기름을 흘려보내고 압력차를 측정하니 압력계의 읽음이 15cm라고 할 때 오리피스에서의 압력차(kgf/cm2)는? (단, 액체의 밀도는 지구와 동일하며, 수은과 기름의 비중은 각각 13.5, 0.8 이다.)

  1. 0.0750
  2. 0.0762
  3. 0.0938
  4. 0.1000
(정답률: 42%)
  • U자관 수은압력계의 압력차는 수은과 측정 유체의 비중 차이에 비례하며, 읽음 값에 비례합니다. 주어진 조건에 따라 비례식을 세워 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta P_1 / (h_1 \times (S_{Hg} - S_1)) = \Delta P_2 / (h_2 \times (S_{Hg} - S_2))$
    ② [숫자 대입] $0.05 / (10 \times (13.5 - 1.0)) = x / (15 \times (13.5 - 0.8))$
    ③ [최종 결과] $x = 0.0762$
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34. 1 atm, 건구온도 65℃, 습구온도 32℃, 습윤공기의 절대습도( )는? (단, 습구온도 32℃의 상대습도 : 0.031, 기화잠열 : 580 kcal/kg, 습구계수 : 0.227 kg·kcal/℃ 이다.)

  1. 0.012
  2. 0.018
  3. 0.024
  4. 0.030
(정답률: 37%)
  • 습구온도와 건구온도의 차이를 이용하여 절대습도를 구하는 습구계수 공식을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $H = C \frac{(T_d - T_w)}{\lambda}$
    ② [숫자 대입] $H = 0.227 \frac{(65 - 32)}{580}$
    ③ [최종 결과] $H = 0.018$
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35. 막 분리 공정 중 역삼투법에서 물과 염류의 수송 메카니즘에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 물과 용질은 용액 확산 메커니즘에 의해 별도로 막을 통해 확산된다.
  2. 치밀층의 저압쪽에서 1atm 일 때 순수가 생성된다면 활동도는 사실상 1 이다.
  3. 물의 플럭스 및 선택도는 압력차에 의존하지 않으나 염류의 플럭스는 압력차에 따라 크게 증가한다.
  4. 물 수송의 구동력은 활동도 차이이며, 이는 압력차에서 공급물과 생성물의 삼투압 차이를 뺀 값에 비례한다.
(정답률: 60%)
  • 역삼투법에서 물의 플럭스(투과량)는 막 양단의 압력차와 삼투압 차이에 의해 결정되는 구동력에 직접적으로 의존합니다.
    따라서 물의 플럭스가 압력차에 의존하지 않는다는 설명은 틀린 내용입니다.
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36. 비중 1.2, 운동점도 0.254 St인 어떤 유체가 안지름이 1 inch관을 0.25 m/s 의 속도로 흐를 때, Reynolds 수는?

  1. 2.5
  2. 98
  3. 250
  4. 300
(정답률: 42%)
  • 레이놀즈 수는 유체의 관성력과 점성력의 비를 나타내며, 운동점도를 사용할 때의 공식을 적용합니다.
    단, $1\text{ inch} = 0.0254\text{ m}$, $0.254\text{ St} = 0.254 \times 10^{-4}\text{ m}^2/\text{s}$로 단위 환산이 필요합니다.
    ① [기본 공식] $Re = \frac{v D}{\nu}$
    ② [숫자 대입] $Re = \frac{0.25 \times 0.0254}{0.254 \times 10^{-4}}$
    ③ [최종 결과] $Re = 250$
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37. 성분 A, B가 각각 50 mol%인 혼합물을 flash 증류하여 feed의 50%를 유출시켰을 때 관출물의 A조성(XW.A)은? (단, 혼합물의 비휘발도(αAB)는 2 이다.)

  1. XW.A = 0.31
  2. XW.A = 0.41
  3. XW.A = 0.59
  4. XW.A = 0.85
(정답률: 32%)
  • 비휘발도와 몰분율의 관계식을 이용하여 액상 조성 $x_A$를 구하는 문제입니다.
    $$y_A = \frac{\alpha x_A}{\alpha x_A + (1 - x_A)}$$
    피드 조성과 유출량 조건에 따라 $y_A + x_A = 1$의 관계가 성립하므로 이를 대입하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $1 - x_A = \frac{2x_A}{2x_A + 1 - x_A}$
    ② [숫자 대입] $1 - x_A = \frac{2x_A}{x_A + 1}$
    ③ [최종 결과] $x_A = 0.41$
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38. 열교환기에 사용되는 전열튜브(tube)의 두께를 Birmingham Wire Gauge(BWG)로 표시하는데 다음 중 튜브의 두께가 가장 두꺼운 것은?

(정답률: 68%)
  • BWG(Birmingham Wire Gauge) 규격은 번호가 작을수록 실제 두께가 더 두꺼운 특성을 가집니다. 따라서 제시된 보기 중 숫자가 가장 작은 가 가장 두꺼운 튜브입니다.
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39. 다음 중 기체수송장치가 아닌 것은?

  1. 선풍기(fan)
  2. 회전펌프(rotary pump)
  3. 송풍기(blower)
  4. 압축기(compressor)
(정답률: 51%)
  • 기체수송장치는 기체의 압력을 높이거나 이동시키는 장치로 선풍기, 송풍기, 압축기가 해당됩니다. 반면 회전펌프는 주로 액체를 수송하거나 진공을 만들기 위해 사용되는 장치입니다.
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40. 추출조작에 이용하는 용매의 성질로서 옳지 않은 것은?

  1. 선택도가 클 것
  2. 값이 저렴하고 환경 친화적일 것
  3. 화학 결합력이 클 것
  4. 회수가 용이 할 것
(정답률: 72%)
  • 추출은 용매와 용질 사이의 물리적인 용해도 차이를 이용하는 분리 공정입니다. 용매는 용질과 물리적으로 잘 섞여야 하며, 나중에 용질을 분리하기 위해 회수가 쉬워야 하므로 화학적 결합력이 크면 안 됩니다.

    오답 노트
    선택도가 클 것: 특정 성분만 잘 녹여야 함
    값이 저렴하고 환경 친화적일 것: 경제성과 안전성 필요
    회수가 용이 할 것: 분리 및 재사용 필요
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3과목: 공정제어

41. PID 제어기에서 미분동작에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 제어에러의 변화율에 반비례하여 동작을 내보낸다.
  2. 미분동작이 너무 작으면 측정잡음에 민감하게 된다.
  3. 오프셋을 제거해 준다.
  4. 느린 동특성을 가지고 잡음이 적은 공정의 제어에 적합하다.
(정답률: 51%)
  • 미분동작은 오차의 변화율에 반응하여 미래의 오차를 예측하고 제동을 거는 역할을 합니다. 따라서 급격한 변화를 억제하므로 느린 동특성을 가진 공정에 유리하며, 미분 특성상 고주파 잡음을 증폭시키므로 잡음이 적은 공정에 적합합니다.

    오답 노트
    제어에러의 변화율에 반비례하여 동작: 변화율에 비례하여 동작함
    미분동작이 너무 작으면 측정잡음에 민감: 미분동작이 너무 크면 잡음에 민감함
    오프셋을 제거: 적분동작의 역할
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42. 인 계의 unit impulse 응답은?

  1. t – 1 + e-t
  2. t + 1 + e-t
  3. t – 1 – e-t
  4. t + 1 – e-t
(정답률: 55%)
  • 전달함수 $G(s)$를 라플라스 역변환하여 단위 임펄스 응답 $g(t)$를 구하는 문제입니다.
    부분분수 전개를 통해 식을 분리한 후 역변환을 수행합니다.
    ① [기본 공식] $G(s) = \frac{1}{s^2(s+1)} = \frac{A}{s} + \frac{B}{s^2} + \frac{C}{s+1}$
    ② [숫자 대입] $G(s) = \frac{-1}{s} + \frac{1}{s^2} + \frac{1}{s+1}$
    ③ [최종 결과] $g(t) = t - 1 + e^{-t}$
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43. 그림과 같은 음의 피드백(negative feedback)에 대한 설명으로 틀린 것은? (단, 비례상수 K는 상수이다.)

  1. 불안정한 공정을 안정화 시킬 수 있다.
  2. 안정한 공정을 불안정하게 만들 수 있다.
  3. 설정치(R) 변화에 대해 offset 이 발생한다.
  4. K값에 상관없이 R값 변화에 따른 응답(Y)에 진동이 발생하지 않는다.
(정답률: 42%)
  • 음의 피드백 시스템에서 비례 이득 $K$값이 너무 커지면 시스템의 감쇠비가 감소하여 응답에 진동이 발생하거나 심지어 불안정해질 수 있습니다. 따라서 $K$값에 상관없이 진동이 발생하지 않는다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    불안정 공정 안정화: 피드백을 통해 제어 가능
    안정 공정 불안정화: 과도한 이득 $K$ 설정 시 발생 가능
    offset 발생: 비례 제어만으로는 정상상태 오차 제거 불가
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44. 다음 블록선도로부터 서보 문제(Servo problem)에 대한 총괄전달함수 C/R는?

(정답률: 72%)
  • 서보 문제(Servo problem)는 외란 $u$가 0인 상태에서 입력 $R$에 대한 출력 $C$의 관계를 구하는 것입니다. 폐루프 전달함수 공식인 $\frac{G}{1+GH}$를 적용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{C}{R} = \frac{G_1 G_2}{1 + G_1 G_2 H}$
    ② [숫자 대입] $\frac{C}{R} = \frac{G_1 G_2}{1 + G_1 G_2 H}$
    ③ [최종 결과]
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45. Routh-Hurwitz 안전성 판정이 가장 정확하게 적용되는 공정은? (단, 불감시간은 dead time을 뜻한다.)

  1. 선형이고 불감시간이 있는 공정
  2. 선형이고 불감시간이 없는 공정
  3. 비선형이고 불감시간이 있는 공정
  4. 비선형이고 불감시간이 없는 공정
(정답률: 58%)
  • Routh-Hurwitz 판정법은 특성방정식이 다항식 형태일 때 계수들을 통해 안정성을 판별하는 방법입니다. 불감시간(dead time)이 있으면 전달함수에 $e^{-s\theta}$와 같은 지수 항이 포함되어 다항식이 아니게 되므로, 선형이고 불감시간이 없는 공정에 가장 정확하게 적용됩니다.
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46. Laplace 변환에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 모든 시간의 함수는 해당 Laplace 변환을 갖는다.
  2. Laplace 변환을 통해 함수의 주파수 영역에서의 특성을 알 수 있다.
  3. 상미분방정식을 Laplace 변환하면 대수방정식으로 바뀐다.
  4. Laplace 변환은 선형 변환이다.
(정답률: 51%)
  • 라플라스 변환이 존재하기 위해서는 함수가 지수 함수적으로 증가하지 않아야 한다는 수렴 조건(Existence condition)을 만족해야 합니다. 따라서 모든 시간 함수가 라플라스 변환을 갖는다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    주파수 영역 특성 분석: 라플라스 변환의 기본 목적
    대수방정식 변환: 미분 연산자를 $s$로 변환하여 풀이 단순화
    선형 변환: 중첩의 원리가 적용됨
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47. 비례적분(PI)제어계에 단위계단 변화의 오차가 인가되었을 때 비례이득(Kc) 또는 적분시간(τI)을 응답으로부터 구하는 방법이 타당한 것은?

  1. 절편으로부터 적분시간을 구한다.
  2. 절편으로부터 비례이득을 구한다.
  3. 적분시간과 무관하게 기울기에서 비례이득을 구한다.
  4. 적분시간은 구할 수 없다.
(정답률: 52%)
  • PI 제어계에서 단위계단 변화에 대한 응답을 분석할 때, 응답 곡선의 초기 값이나 특정 절편의 위치는 비례 이득 $K_c$와 직접적인 관계가 있습니다. 따라서 절편으로부터 비례이득을 구하는 방법이 타당합니다.
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48. Amplitude ratio가 항상 1인 계의 전달함수는?

  4. s+1
(정답률: 48%)
  • Amplitude ratio(진폭비)가 항상 1인 계는 입력 신호의 크기를 변화시키지 않고 위상만 변화시키는 지연 요소(Dead time element)입니다. 전달함수가 $e^{-\theta s}$ 형태인 경우 진폭비는 항상 1이 됩니다.
    따라서 정답은 이며, 이를 수식으로 나타내면 $e^{-0.2s}$ 입니다.
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49. 인 공정에 피드백 제어계(unit feedback system)를 구성할 때, 폐회로(closed-loop) 전체의 전달함수가 이 되게 하는 제어기는?

(정답률: 33%)
  • 단위 피드백 제어계에서 폐회로 전달함수 $G_d(s)$는 제어기 $G_c(s)$와 공정 $G(s)$의 곱을 이용하여 다음과 같이 정의됩니다.
    $$G_d(s) = \frac{G_c(s)G(s)}{1 + G_c(s)G(s)}$$
    제어기 $G_c(s)$를 구하기 위해 식을 정리하면 $G_c(s) = \frac{G_d(s)}{G(s)(1 - G_d(s))}$가 됩니다.
    ① [기본 공식]
    $$G_c(s) = \frac{G_d(s)}{G(s)(1 - G_d(s))}$$
    ② [숫자 대입]
    $$G_c(s) = \frac{\frac{1}{(0.5s+1)^2}}{\frac{4}{(s+1)^2} ( 1 - \frac{1}{(0.5s+1)^2} )}$$
    ③ [최종 결과]
    $$G_c(s) = \frac{(s+1)^2}{s(s+4)}$$
    따라서 정답은 입니다.
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50. 열교환기에서 유출물의 온도를 제어하려고 한다. 열교환기는 공정이득 1, 시간상수 10을 갖는 1차계 공정의 특성을 나타내는 것으로 파악되었다. 온도 감지기는 시간상수 1을 갖는 1차계 공정 특성을 나타낸다. 온도 제어를 위하여 비례제어기를 사용하여 되먹임 제어시스템을 채택할 경우, 제어 시스템이 임계감쇠계(critically damped system) 특성을 나타낼 경우의 제어기 이득(Kc) 값은? (단, 구동기의 전달함수는 1로 가정한다.)

  1. 1.013
  2. 2.025
  3. 4.050
  4. 8.100
(정답률: 29%)
  • 공정, 감지기, 제어기의 전달함수를 곱한 특성방정식에서 임계감쇠계는 판별식 $D=0$ (중근)을 갖는 조건입니다.
    ① [기본 공식] $10s^{2} + 11s + (1 + K_{c}) = 0 \rightarrow D = 11^{2} - 4 \times 10 \times (1 + K_{c}) = 0$
    ② [숫자 대입] $121 - 40(1 + K_{c}) = 0$
    ③ [최종 결과] $K_{c} = 2.025$
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51. 자동차를 운전하는 것을 제어시스템의 가동으로 간주할 때 도로의 차선을 유지하며 자동차가 주행하는 경우 자동차의 핸들은 제어시스템을 구성하는 요소 중 어디에 해당하는가?

  1. 감지기
  2. 조작변수
  3. 구동기
  4. 피제어변수
(정답률: 66%)
  • 제어시스템에서 조작변수는 제어 목적을 달성하기 위해 제어기가 직접 조절하는 물리량입니다. 자동차 주행 시 차선을 유지하기 위해 운전자가 직접 조작하여 방향을 바꾸는 핸들은 시스템의 조작변수에 해당합니다.
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52. 단일입출력(Single Input Single Output; SISO) 공정을 제어하는 경우에 있어서, 제어의 장애요소로 다음 중 가장 거리가 먼 것은?

  1. 공정지연시간(dead time)
  2. 밸브 무반응 영역(valve deadband)
  3. 공정 변수간의 상호작용(interaction)
  4. 공정 운전상의 한계
(정답률: 47%)
  • 단일입출력(SISO) 공정은 하나의 입력으로 하나의 출력을 제어하는 시스템입니다. 공정 변수간의 상호작용(interaction)은 여러 개의 입력과 출력이 서로 영향을 주고받는 다변수 공정(MIMO)에서 발생하는 제어 장애요소이므로 SISO 공정과는 거리가 멉니다.
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53. 2차계 시스템에서 시간의 변화에 따른 응답곡선은 아래와 같을 때 Overshoot은?

  1. A/B
  2. C/B
  3. C/A
  4. C/T
(정답률: 60%)
  • 오버슈트(Overshoot)는 시스템의 응답이 최종 정상 상태 값(Steady-state value)을 얼마나 초과했는지를 나타내는 비율입니다.
    제시된 그래프에서 최대 피크 값과 정상 상태 값의 차이는 $A$이고, 정상 상태 값 자체는 $B$이므로 다음과 같이 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{Overshoot} = \frac{\text{Maximum Peak} - \text{Steady State Value}}{\text{Steady State Value}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{Overshoot} = \frac{A}{B}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{Overshoot} = \frac{A}{B}$$
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54. 함수의 역 Laplace 변환으로 옳은 것은?

(정답률: 60%)
  • 주어진 함수 $Y(s) = \frac{1}{s^{2}(s^{2}+5s+6)}$를 부분분수 전개 후 역 라플라스 변환을 수행합니다.
    먼저 분모를 인수분해하면 $s^{2}(s+2)(s+3)$이 되며, 이를 부분분수로 나누어 각각의 기본 변환표를 적용합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\mathcal{L}^{-1}\{ \frac{1}{s^{2}} \} = t, \quad \mathcal{L}^{-1}\{ \frac{1}{s+a} \} = e^{-at}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\mathcal{L}^{-1}\{ \frac{A}{s} + \frac{B}{s^{2}} + \frac{C}{s+2} + \frac{D}{s+3} \}$$
    ③ [최종 결과]
    $$-\frac{5}{36} + \frac{1}{6}t + \frac{1}{4}e^{-2t} - \frac{1}{9}e^{-3t}$$
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55. 다음은 열교환기에서의 온도를 제어하기 위한 제어 시스템을 나타낸 것이다. 제어목적을 달성하기 위한 조절변수는?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. 유출물 온도
  2. 수증기 유량
  3. 응축수 유량
  4. 유입물 온도
(정답률: 53%)
  • 제어 시스템에서 조절변수(Manipulated Variable)는 제어 목적을 달성하기 위해 제어기가 직접 조작하는 변수를 의미합니다. 제시된 도식에서 온도 제어기(TC)가 밸브를 통해 조절하는 대상은 수증기 유량이므로, 수증기 유량이 조절변수가 됩니다.
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56. 다음 중 제어계 설계에서 위상각 여유(phase margin)는 어느 범위일 때 가장 강인(robust)한가?

  1. 5°~10°
  2. 10°~20°
  3. 20°~30°
  4. 30°~40°
(정답률: 46%)
  • 제어계의 안정성과 강인성(robustness)을 확보하기 위해 위상각 여유는 일반적으로 $30^{\circ} \sim 40^{\circ}$ 범위일 때 가장 적절하고 강인한 특성을 가집니다.
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57. 위상지연이 180°인 주파수는?

  1. 고유 주파수
  2. 공명(resonant) 주파수
  3. 구석(corner) 주파수
  4. 교차(crossover) 주파수
(정답률: 54%)
  • 위상지연이 $180^{\circ}$가 되는 지점의 주파수를 교차(crossover) 주파수라고 합니다.

    오답 노트
    공명(resonant) 주파수: 진폭이 최대가 되는 주파수
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58. 어떤 계의 unit impulse 응답이 e-2t 였다. 이 계의 전달함수(transfer function)는?

(정답률: 66%)
  • 전달함수는 단위 임펄스 응답을 라플라스 변환(Laplace Transform)하여 구할 수 있습니다. 시간 영역의 함수 $e^{-at}$를 라플라스 변환하면 $s$ 영역에서 $\frac{1}{s+a}$ 형태가 됩니다.
    ① [기본 공식] $G(s) = \mathcal{L} \{ e^{-at} \} = \frac{1}{s+a}$
    ② [숫자 대입] $G(s) = \mathcal{L} \{ e^{-2t} \} = \frac{1}{s+2}$
    ③ [최종 결과] $G(s) = \frac{1}{s+2}$
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59. 비례제어기의 비례제어 상수를 선형계가 안정되도록 결정하기 위해 비례제어 상수를 0으로 놓고 특성방정식을 푼 결과 서로 다른 세 개의 음수의 실근이 구해졌다. 비례제어 상수를 점점 크게 할 때 나타나는 현상을 옳게 설명한 것은?

  1. 특성방정식은 비례제어 상수아 관계없으므로 세 개의 실근값은 변화가 없으며 계는 계속 안정하다.
  2. 비례제어 상수가 커짐에 따라 세 개의 실근값 중 하나는 양수의 실근으로 가게되므로 계가 불안정해진다.
  3. 비례제어 상수가 커짐에 따라 세 개의 실근값 중 두 개는 음수의 실수값을 갖는 켤레 복소수 근으로 갖게 되므로 계의 안정성은 유지된다.
  4. 비례제어 상수가 커짐에 따라 세 개의 실근값 중 두 개는 양수의 실수값을 갖는 켤레 볷수 근으로 갖게 되므로 계가 불안정해진다.
(정답률: 36%)
  • 선형계의 안정성은 특성방정식의 근이 복소평면의 좌반평면(음수 실수부)에 위치하느냐에 따라 결정됩니다. 비례제어 상수를 증가시키면 근의 궤적이 이동하게 되는데, 세 개의 음수 실근 중 두 개가 서로 만나 켤레 복소수 근으로 변하며 점차 우반평면(양수 실수부)으로 이동하게 됩니다. 따라서 두 개의 근이 양수의 실수값을 갖는 켤레 복소수 근이 되면 계는 불안정해집니다.
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60. PID 제어기의 비례 및 적분동작에 의한 제어기 출력 특성 중 옳은 것은?

  1. 비례동작은 오차가 일정하게 유지될 때 출력값은 0 이 된다.
  2. 적분동작은 오차가 일정하게 유지될 때 출력값이 일정하게 유지된다.
  3. 비례동작은 오차가 없어지면 출력값이 일정하게 유지된다.
  4. 적분동작은 오차가 없어지면 출력값이 일정하게 유지된다.
(정답률: 38%)
  • PID 제어에서 적분동작은 오차의 누적값을 출력에 반영하므로, 오차가 $0$이 되는 순간 그 시점까지 누적된 출력값이 그대로 유지되어 잔류 편차(Offset)를 제거하는 특성을 가집니다.
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4과목: 공업화학

61. 다음 중 1차 전지가 아닌 것은?

  1. 수은 전지
  2. 알칼리망간 전지
  3. Leclanche 전지
  4. 니켈 카드뮴 전지
(정답률: 65%)
  • 1차 전지는 충전이 불가능한 일회용 전지이며, 2차 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾼 후 다시 충전하여 사용할 수 있는 전지입니다.

    오답 노트
    니켈 카드뮴 전지: 충전이 가능한 2차 전지임
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62. 암모니아 소다법에서 암모니아와 함께 생성되는 부산물에 해당하는 것은?

  1. H2SO4
  2. NaCl
  3. NH4Cl
  4. CaCl2
(정답률: 43%)
  • 암모니아 소다법(Solvay법)의 최종 단계에서 암모니아를 회수하기 위해 염화암모늄($NH_{4}Cl$)을 수산화칼슘($Ca(OH)_{2}$)과 반응시키며, 이때 암모니아와 함께 $CaCl_{2}$가 부산물로 생성됩니다.
    반응식: $NH_{4}Cl + Ca(OH)_{2} \rightarrow 2NH_{3} + CaCl_{2} + 2H_{2}O$
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63. Nylon 6의 원료 중 caprolactam의 화학식에 해당하는 것은?

  1. C6H11NO2
  2. C6H11NO
  3. C6H7NO
  4. C6H7NO2
(정답률: 43%)
  • Nylon 6의 원료인 카프로락탐(caprolactam)은 7원환 구조의 락탐 화합물로, 화학식은 $C_{6}H_{11}NO$ 입니다.
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64. 수용액 상태에서 산성을 나타내는 것은?

  1. 페놀
  2. 아닐린
  3. 수산화칼슘
  4. 암모니아
(정답률: 61%)
  • 페놀은 벤젠 고리에 히드록시기($-OH$)가 결합된 구조로, 벤젠 고리의 전자 흡수 효과로 인해 히드록시기의 수소 이온($H^{+}$)이 쉽게 해리되어 수용액에서 약산성을 나타냅니다.

    오답 노트
    아닐린, 암모니아: 염기성 물질입니다.
    수산화칼슘: 강염기성 물질입니다.
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65. 일반적인 성질이 열경화성 수지에 해당하지 않는 것은?

  1. 페놀수지
  2. 폴리우레탄
  3. 요소수지
  4. 폴리프로필렌
(정답률: 57%)
  • 폴리프로필렌은 가열하면 녹고 식으면 굳는 성질을 가진 열가소성 수지입니다.

    오답 노트
    페놀수지, 폴리우레탄, 요소수지: 가열 시 화학적 가교 결합이 형성되어 굳어지는 열경화성 수지입니다.
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66. 방향족 아민에 1당량의 황산을 가했을 때의 생성물에 해당하는 것은?

(정답률: 62%)
  • 방향족 아민(아닐린)에 황산을 가하면 친전자성 치환 반응인 설폰화 반응이 일어납니다. 아미노기($-NH_{2}$)는 강력한 오르토-파라 지향기이며, 입체 장애가 적은 파라 위치에 설폰산기($-SO_{3}H$)가 결합하여 가 생성됩니다.
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67. 솔베이법과 염안소다법을 이용한 소다회 제조과정에 대한 비교 설명 중 틀린 것은?

  1. 솔베이법의 나트륨 이용률은 염안소다법보다 높다.
  2. 솔베이법이 염안소다법에 비하여 암모니아 사용량이 적다.
  3. 솔베이법의 경우 CO2를 얻기 위하여 석회석 소성을 필요로 한다.
  4. 염안소다법의 경우 원료인 NaCl을 정제한 고체 상태로 반응계에 도입한다.
(정답률: 43%)
  • 염안소다법(Leblanc법)은 구식 공정으로 원료인 $NaCl$의 손실이 많아 나트륨 이용률이 낮지만, 솔베이법(암모니아소다법)은 이를 개선하여 나트륨 이용률을 극대화한 공정입니다. 따라서 솔베이법의 나트륨 이용률이 염안소다법보다 높다는 설명은 옳으나, 문제의 맥락상 이용률의 정의와 공정 효율을 비교했을 때 솔베이법이 압도적으로 효율적입니다.

    오답 노트
    솔베이법의 암모니아 사용량: 회수 공정을 통해 효율적으로 관리됨
    석회석 소성: 솔베이법에서 $CO_{2}$ 공급을 위해 필수적임
    염안소다법의 원료 도입: 정제된 고체 $NaCl$을 사용함
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68. Aramid섬유의 한 종류인 Kevlar 섬유의 제조에 필요한 단량체는?

  1. terephthaloyl chloride + 1,4-phenylene-diamine
  2. isophthaloyl chloride + 1,4-phenylene-diamine
  3. terephthaloyl chloride + 1,3-phenylene-diamine
  4. isophthaloyl chloride + 1,3-phenylene-diamine
(정답률: 51%)
  • Kevlar는 고강도 직선형 평면 구조를 가지는 섬유입니다. 따라서 벤젠 고리의 1,4-위치(para-위치)에 치환기가 있는 terephthaloyl chloride와 1,4-phenylene-diamine이 결합해야 직선형 고분자가 형성됩니다.

    오답 노트
    isophthaloyl chloride 또는 1,3-phenylene-diamine: 1,3-위치(meta-위치)의 굽은 구조를 형성하여 고강도 섬유에 부적합함
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69. 탄화수소의 분해에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 열분해는 자유라디칼에 의한 연쇄반응이다.
  2. 열분해는 접촉분해에 비해 방향족과 이소파라핀이 많이 생성된다.
  3. 접촉분해에서는 촉매를 사용하여 열분해보다 낮은 온도에서 분해시킬 수 있다.
  4. 접촉분해에서는 방향족이 올레핀보다 반응성이 낮다.
(정답률: 51%)
  • 방향족 고리(Aromatic ring)를 형성하기 위해서는 단순한 열분해보다는 여러 단계의 탈수소화와 재배열 반응이 필요하므로, 접촉분해가 열분해보다 방향족과 이소파라핀을 더 많이 생성합니다.

    오답 노트
    열분해는 자유라디칼 연쇄반응임: 옳은 설명
    접촉분해는 촉매를 사용하여 저온 반응 가능: 옳은 설명
    접촉분해에서 방향족의 반응성이 올레핀보다 낮음: 옳은 설명
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70. 에틸렌과 프로필렌을 공이량화(co-dimerization)시킨 후 탈수소시켰을 때 생성되는 주물질은?

  1. 이소프렌
  2. 클로로프렌
  3. n-펜탄
  4. n-헥센
(정답률: 49%)
  • 에틸렌($C_{2}H_{4}$)과 프로필렌($C_{3}H_{6}$)이 공이량화 반응을 하면 $C_{5}H_{10}$이 생성되며, 여기서 탈수소 반응을 통해 수소($H_{2}$)가 제거되면 최종적으로 $C_{5}H_{8}$ 구조인 이소프렌이 생성됩니다.
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71. 접촉식 황산 제조법에 사용하는 바나듐촉매의 특성이 아닌 것은?

  1. 촉매 수명이 길다.
  2. 촉매독 작용이 적다.
  3. 전화율이 상당히 낮다.
  4. 가격이 비교적 저렴하다.
(정답률: 62%)
  • 접촉식 황산 제조법에서 사용되는 바나듐 촉매($\text{V}_2\text{O}_5$)는 가격이 저렴하고 촉매독에 강하며 수명이 길고, 특히 $\text{SO}_2$를 $\text{SO}_3$로 변환시키는 전화율이 매우 높은 효율적인 촉매입니다.
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72. 아세틸렌법으로 염화비닐을 생성할 때 아세틸렌과 반응하는 물질로 옳은 것은?

  1. HCl
  2. NaCl
  3. H2SO4
  4. HOCl
(정답률: 67%)
  • 아세틸렌법으로 염화비닐($\text{CH}_2\text{=CHCl}$)을 합성하기 위해서는 아세틸렌($\text{C}_2\text{H}_2$)에 염화수소($\text{HCl}$)를 첨가 반응시켜야 합니다.
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73. 수분 14wt%, NH4HCO3 3.5wt%가 포함된 NaHCO3 케이크 1000kg에서 NaHCO3가 단독으로 열분해되어 생기는 물의 질량(kg)은? (단, NaHCO3의 열분해는 100% 진행된다.)

  1. 68.65
  2. 88.39
  3. 98.46
  4. 108.25
(정답률: 35%)
  • $\text{NaHCO}_3$의 열분해 반응식을 통해 생성되는 물의 양을 계산하는 문제입니다.
    먼저 전체 케이크 질량에서 $\text{NaHCO}_3$의 순수 질량을 구한 뒤, 화학 양론적 비율을 적용합니다.
    $\text{NaHCO}_3$의 분자량은 $84\text{g/mol}$, $\text{H}_2\text{O}$의 분자량은 $18\text{g/mol}$이며, 반응비는 $2:1$입니다.
    ① [기본 공식] $\text{Mass of } \text{H}_2\text{O} = \text{Mass of } \text{NaHCO}_3 \times \frac{1 \times 18}{2 \times 84}$
    ② [숫자 대입] $\text{Mass of } \text{H}_2\text{O} = 1000 \times (1 - 0.14 - 0.035) \times \frac{18}{168}$
    ③ [최종 결과] $\text{Mass of } \text{H}_2\text{O} = 88.39$
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74. 석유화학공업에서 분해에 의해 에틸렌 및 프로필렌 등의 제조의 주된 공업원료로 이용되고 있는 것은?

  1. 경유
  2. 나프타
  3. 등유
  4. 중유
(정답률: 70%)
  • 나프타는 원유의 증류 과정에서 얻어지는 가벼운 기름으로, 열분해 공정을 통해 에틸렌, 프로필렌 등 기초 유기 화학 제품을 생산하는 핵심 원료로 사용됩니다.
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75. SO2가 SO3로 산화될 때의 반응열(△H; kcal/mol)은? (단, SO2의 △Hf : -70.96 kcal/mol, SO3의 △Hf : -94.45 kcal/mol 이다.)

  1. 165
  2. 24
  3. -165
  4. -23
(정답률: 61%)
  • 반응열은 생성물의 표준 생성열 합에서 반응물의 표준 생성열 합을 빼서 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta H = \sum \Delta H_{f, \text{product}} - \sum \Delta H_{f, \text{reactant}}$
    ② [숫자 대입] $\Delta H = (-94.45) - (-70.96)$
    ③ [최종 결과] $\Delta H = -23.49$ (약 $-23$ kcal/mol)
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76. 암모니아의 합성용 수성가스 제조 시 blow 반응에 해당하는 것은?

  1. C + H2O ⇄ CO + H2 - 29400 cal
  2. C + 2H2O ⇄ CO2 + 2H2 - 19000 cal
  3. C + O2 ⇄ CO2 + 96630 cal
  4. 1/2O2 ⇄ O + 67410 cal
(정답률: 48%)
  • 수성가스 제조 공정에서 Blow 반응은 공기를 불어넣어 코크스를 연소시킴으로써 반응에 필요한 열을 공급하는 산화 반응을 의미합니다.
    $C + O_{2} \rightleftharpoons CO_{2} + 96630\text{ cal}$
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77. 반도체 공정에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 감광반응되지 않은 부분을 제거하는 공정을 에칭이라 하며, 건식과 습식으로 구분할 수 있다.
  2. 감광성 고분자를 이용하여 실리콘웨이퍼에 회로패턴을 전사하는 공정을 리소그래피(lithography) 라고 한다.
  3. 화학기상증착법 등을 이용하여 3족 또는 6족의 불순물을 실리콘웨이퍼내로 도입하는 공정을 이온주입이라 한다.
  4. 웨이퍼 처리공정 중 잔류물과 오염물을 제거하는 공정을 세정이라 하며, 건식과 습식으로 구분할 수 잇다.
(정답률: 64%)
  • 화학기상증착법(CVD)은 웨이퍼 표면에 박막을 입히는 공정입니다. 3족 또는 6족 불순물을 실리콘 웨이퍼 내부로 도입하여 전기적 특성을 조절하는 공정은 이온주입(Ion Implantation) 또는 확산(Diffusion) 공정입니다.
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78. 35wt% HCl 용액 1000kg에서 HCl의 물질량(kmol)은?

  1. 6.59
  2. 7.59
  3. 8.59
  4. 9.59
(정답률: 64%)
  • 용액의 질량 백분율을 이용하여 성분의 질량을 구한 뒤, 이를 분자량으로 나누어 물질량을 계산합니다.
    $HCl$의 분자량은 약 $36.46\text{ g/mol}$ 입니다.
    ① [기본 공식] $n = \frac{m \times w}{M}$ (물질량 = 전체질량 $\times$ 질량분율 $\div$ 분자량)
    ② [숫자 대입] $n = \frac{1000 \times 0.35}{36.46}$
    ③ [최종 결과] $n = 9.59$
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79. 복합비료에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 비료 3요소 중 2종 이상을 하나의 화합물 상태로 함유하도록 만든 비료를 화성비료라 한다.
  2. 화성비료는 비효성분의 총량에 따라서 저농도화성비료와 고농도화성비료로 구분할 수 있다.
  3. 배합비료는 주로 산성과 염기성의 혼합을 사용하는 것이 좋다.
  4. 질소, 인산 또는 칼륨을 포함하는 단일비료를 2종 이상 혼합하여 2성분 이상의 비료요소를 조정해서 만든 비료를 배합비료라 한다.
(정답률: 58%)
  • 배합비료를 제조할 때 산성 비료와 염기성 비료를 단순히 혼합하면 중화 반응이 일어나 비료 성분이 손실되거나 가스가 발생할 수 있으므로, 성질이 유사한 비료끼리 혼합하는 것이 원칙입니다.
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80. Witt 의 발색단설에 의한 분류에서 조색단 기능성기로 옳은 것은?

  1. -N=N-
  2. -NO2
  4. -SO3H
(정답률: 41%)
  • Witt의 색소 분류에 따르면, 발색단(Chromophore)은 실제로 색을 나타내는 부분($\pi$ 결합 등)이며, 조색단(Auxochrome)은 발색단에 결합하여 색을 강화하거나 조절하는 기능기입니다.
    대표적인 조색단으로는 $-\text{OH}$, $-\text{NH}_2$, $-\text{SO}_3\text{H}$ 등이 있습니다.

    오답 노트
    $\text{-N=N-}$, $\text{-NO}_2$, $\text{}$: 이들은 색을 직접적으로 만들어내는 발색단에 해당합니다.
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5과목: 반응공학

81. 촉매반응의 경우 촉매의 역할을 잘 설명한 것은?

  1. 평형상수(K)를 높여준다.
  2. 평셩상수(K)를 낮추어 준다.
  3. 활성화 에너지(E)를 높여준다.
  4. 활성화 에너지(E)를 낮추어준다.
(정답률: 67%)
  • 촉매는 반응 경로를 변경하여 반응이 일어나는 데 필요한 최소 에너지인 활성화 에너지(E)를 낮추어 반응 속도를 빠르게 만드는 물질입니다.

    오답 노트
    평형상수(K): 촉매는 반응 속도만 변화시킬 뿐, 열역학적 평형 상태나 평형상수에는 영향을 주지 않습니다.
    활성화 에너지 높임: 활성화 에너지를 높이면 반응 속도가 느려지므로 촉매의 역할과 반대됩니다.
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82. A와 B를 공급물로 하는 아래 반응에서 R이 목적생성물일 때, 목적생성물의 선택도를 높일 수 방법은?

  1. A에 B를 한 방울씩 넣는다.
  2. B에 A를 한 방울씩 넣는다.
  3. A와 B를 동시에 넣는다.
  4. A와 B의 농도를 낮게 유지한다.
(정답률: 50%)
  • 목적 생성물 $\text{R}$의 생성 속도는 $r_1 = k_1 C_A C_B^2$이고, 원치 않는 생성물 $\text{S}$의 생성 속도는 $r_2 = k_2 C_R C_B$ 입니다. 선택도를 높이려면 $\frac{r_1}{r_2} = \frac{k_1 C_A C_B^2}{k_2 C_R C_B} = \frac{k_1 C_A C_B}{k_2 C_R}$의 값을 최대화해야 합니다.
    이때 $C_B$의 농도가 높을수록 선택도가 유리하므로, $\text{A}$와 $\text{B}$를 동시에 넣어 두 반응물의 농도를 균형 있게 유지하며 반응시키는 것이 효율적입니다.
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83. HBr의 생성반응 속도식이 다음과 같을 때 k2의 단위에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 단위는 [m3·s/mol] 이다.
  2. 단위는 [mol/m3·s] 이다.
  3. 단위는 [(mol/m3)-0.5(s)-1] 이다.
  4. 단위는 무차원(dimensionless) 이다.
(정답률: 61%)
  • 제시된 속도식 $\text{r}_{\text{HBr}} = \frac{k_1 [\text{H}_2][\text{Br}_2]^{1/2}}{k_2 + [\text{HBr}]/[\text{Br}_2]}$에서 분모의 항들은 서로 더해지는 구조입니다. 덧셈이나 뺄셈이 가능하려면 각 항의 단위가 동일해야 하므로, $k_2$의 단위는 $[\text{HBr}]/[\text{Br}_2]$의 단위와 같아야 합니다.
    농도 단위인 $\text{mol}/\text{m}^3$를 농도 단위인 $\text{mol}/\text{m}^3$로 나누면 모든 단위가 상쇄되어 무차원이 됩니다. 따라서 단위는 무차원(dimensionless)입니다.
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84. 균일계 액상반응(A→R)이 회분식반응기에서 1차반응으로 진행된다. A의 40%가 반응하는데 5분이 걸린다면, A의 60%가 반응하는데 걸리는 시간(min)은?

  1. 5
  2. 9
  3. 12
  4. 15
(정답률: 61%)
  • 1차 반응의 경우 반응 시간은 전환율에 따라 로그 함수 관계로 나타납니다. 동일한 반응 조건에서 반응 속도 상수 $k$가 일정하므로, 전환율 $X$와 시간 $t$의 관계식을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $t = \frac{1}{k} \ln \frac{1}{1-X}$
    ② [숫자 대입] $t_{60} = 5 \times \frac{\ln \frac{1}{1-0.6}}{\ln \frac{1}{1-0.4}} = 5 \times \frac{\ln 2.5}{\ln 1.667}$
    ③ [최종 결과] $t = 9$
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85. 균일촉매 반응이 다음과 같이 진행될 때 평형상수와 반응속도상수의 관계식으로 옳은 것은?

(정답률: 55%)
  • 전체 반응 $A + C \rightleftharpoons B + C$에 대한 평형상수 $K_{eq}$는 정반응 속도상수들의 곱을 역반응 속도상수들의 곱으로 나눈 값과 같습니다. 제시된 메커니즘에서 정반응 경로는 $k_1, k_3$이고 역반응 경로는 $k_4, k_2$입니다.
    ① [기본 공식]
    $$K_{eq} = \frac{k_{forward}}{k_{backward}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$K_{eq} = \frac{k_1 k_3}{k_2 k_4}$$
    ③ [최종 결과]
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86. 공간시간과 평균체류 시간에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 밀도가 일정한 반응계에서는 공간시간과 평균체류 시간은 항상 같다.
  2. 부피가 팽창하는 기체 반응의 경우 평균체류 시간은 공간시간보다 작다.
  3. 반응물의 부피가 전화율과 직선 관계로 변하는 관형반응기에서 평균체류 시간은 반응속도와 무관하다.
  4. 공간시간과 공간속도의 곱은 항상 1 이다.
(정답률: 48%)
  • 평균체류 시간은 반응기의 실제 부피를 유출 유량으로 나눈 값으로, 반응 속도에 따라 반응물이 체류하는 시간이 결정되므로 반응속도와 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 반응속도와 무관하다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    공간속도: 공간시간의 역수이므로 곱은 1이 맞음
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87. 어떤 반응의 전화율과 반응속도가 아래의 표와 같다. 혼합흐름반응기(CSTR)와 플러그흐름반응기(PFR)를 직렬연결하여 CSTR에서 전환율을 40%까지, PFR에서 60%까지 반응시키려 할 때, 각 반응기의 부피 합(L)은? (단, 유입 몰유량은 15 mol/s 이다.)

  1. 1066
  2. 1996
  3. 2148
  4. 2442
(정답률: 33%)
  • CSTR과 PFR의 부피 합을 구하기 위해 각 반응기의 설계 방정식을 사용합니다. CSTR은 최종 전화율에서의 속도를, PFR은 전화율에 따른 속도의 적분값을 이용합니다.
    ① [기본 공식]
    $$V_{total} = V_{CSTR} + V_{PFR} = \frac{F_{A0} X_{CSTR}}{-r_{A,CSTR}} + F_{A0} \int_{X_{CSTR}}^{X_{PFR}} \frac{dX}{-r_A}$$
    ② [숫자 대입]
    $$V_{total} = \frac{15 \times 0.4}{0.0040} + 15 \times ( \frac{0.1}{0.0045} + \frac{0.1}{0.0040} + \frac{0.1}{0.0033} + \frac{0.1}{0.0025} )$$
    ③ [최종 결과]
    $$V_{total} = 1500 + 942 = 2442$$
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88. A+R → R+R 인 자동촉매 반응이 회분식반응기에서 일어날 때 반응속도가 가장 빠를 때는? (단, 초기 반응기내에는 A가 대부분이고 소량의 R이 존재한다.)

  1. 반응초기
  2. 반응말기
  3. A와 R의 농도가 서로 같을 때
  4. A의 농도가 R의 농도의 2배 일 때
(정답률: 53%)
  • 자동촉매 반응의 속도식은 $r = k C_A C_R$ 형태로 나타납니다. 반응물 $A$와 생성물 $R$의 합이 일정할 때, 두 농도의 곱이 최대가 되는 지점은 $C_A = C_R$일 때이므로 A와 R의 농도가 서로 같을 때 반응속도가 가장 빠릅니다.
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89. 플러그흐름반응기에서 아래와 같은 반응이 진행될 때, 빗금 친 부분이 의미하는 것은? (단, ø는 반응 A→R에 대한 R의 순간수율(instantaneous fractional yield)이다.)

  1. 총괄수율
  2. 반응해서 없어진 반응물의 몰수
  3. 생성되는 R의 최종농도
  4. 그 순간의 반응물의 농도
(정답률: 59%)
  • 순간수율 $\phi$는 반응물 $A$가 소모될 때 생성물 $R$이 생성되는 비율을 의미합니다. 따라서 $\phi$를 반응물 농도 $C_A$에 대해 적분한 면적은 반응 과정에서 생성된 $R$의 총 농도 변화량, 즉 생성되는 R의 최종농도를 나타냅니다.
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90. 1차 기본반응의 속도상수가 1.5×10-3s-1 일 때, 이 반응의 반감기(s)는?

  1. 162
  2. 262
  3. 362
  4. 462
(정답률: 60%)
  • 1차 반응의 반감기는 속도상수와 역수 관계에 있으며, $\ln 2$ (약 0.693)를 곱하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $t_{1/2} = \frac{\ln 2}{k}$
    ② [숫자 대입] $t_{1/2} = \frac{0.693}{1.5 \times 10^{-3}}$
    ③ [최종 결과] $t_{1/2} = 462$
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91. Arrhenius law에 따라 작도한 다음 그림 중에서 평행반응(parallel reaction)에 가장 가까운 그림은?

(정답률: 50%)
  • 평행반응은 하나의 반응물이 두 가지 이상의 서로 다른 경로로 반응하는 경우입니다. Arrhenius plot($$\ln k$$ vs $$1/T$$)에서 온도 변화에 따라 활성화 에너지가 다른 두 반응 중 우세한 반응이 바뀌므로, 그래프의 기울기가 변하는 굴곡진 형태를 띠게 됩니다. 따라서 가 평행반응에 가장 가깝습니다.
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92. 균일 반응(A+1.5B → P)의 반응속도관계로 옳은 것은?

(정답률: 60%)
  • 화학 반응식의 계수비는 각 성분의 반응 속도비와 같습니다. 반응식 $A + 1.5B \rightarrow P$에서 A의 계수는 1, B의 계수는 1.5이므로, 반응 속도 $r_A$와 $r_B$의 관계는 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $r_A = \frac{1}{1.5} r_B$
    ② [숫자 대입] $r_A = \frac{1}{3/2} r_B$
    ③ [최종 결과] $r_A = \frac{2}{3} r_B$
    따라서 정답은 입니다.
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93. 다음과 같은 기초반응이 동시에 진행될 때 R의 생성에 가장 유리한 반응조건은?

  1. A와 B의 농도를 높인다.
  2. A와 B의 농도를 낮춘다.
  3. A의 농도는 높이고 B의 농도는 낮춘다.
  4. A의 농도는 낮추고 B의 농도는 높인다.
(정답률: 61%)
  • 제시된 반응식 $A + B \rightarrow R$, $$A \rightarrow S$$, $$B \rightarrow T$$ 에서 생성물 R의 생성 속도는 A와 B의 농도 곱에 비례하는 반면, S와 T의 생성 속도는 각각 A와 B의 농도에만 비례합니다. 따라서 A와 B의 농도를 모두 높여야 상대적으로 R의 생성 반응이 더 우세하게 진행됩니다.
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94. 불균일 촉매반응에서 확산이 반응율속 영역에 있는지를 알기 위한 식과 가장 거리가 먼 것은?

  1. Thiele modulus
  2. Weisz-Prater 식
  3. Mears 식
  4. Langmuir-Hishelwood 식
(정답률: 51%)
  • 불균일 촉매 반응에서 내부 및 외부 확산의 영향(반응율속 영역 여부)을 판단하기 위해 Thiele modulus, Weisz-Prater 식, Mears 식 등이 사용됩니다.

    오답 노트
    Langmuir-Hishelwood 식: 확산이 아닌 촉매 표면의 흡착과 반응 메커니즘을 설명하는 속도식입니다.
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95. A→R 액상반응이 부피가 0.1L인 플러그 흐름 반응기에서 –rA = 50CA2 mol/L·min로 일어난다. A의 초기농도는 0.1 mol/L 이고 공급속도가 0.05 L/min 일 때 전화율은?

  1. 0.509
  2. 0.609
  3. 0.809
  4. 0.909
(정답률: 54%)
  • 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 2차 반응의 설계 방정식을 사용하여 전화율을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \frac{V}{v_{0}} = \int_{0}^{X} \frac{C_{A0} dX}{-r_{A}}$
    ② [숫자 대입] $0.1 / 0.05 = \int_{0}^{X} \frac{C_{A0} dX}{50 C_{A0}^{2} (1-X)^{2}} = \frac{1}{50 C_{A0}} \int_{0}^{X} \frac{dX}{(1-X)^{2}} = \frac{1}{50 \times 0.1} [ \frac{X}{1-X} ]$
    ③ [최종 결과] $2 = 0.2 \times \frac{X}{1-X} \rightarrow 10 = \frac{X}{1-X} \rightarrow X = 0.909$
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96. A→R→S로 진행하는 연속 1차 반응에서 각 농도별 시간의 곡선을 옳게 나타낸 것은? (단, CA, CR, CS는 각각 A, R, S의 농도이다.)

  1. ㉮ - CS, ㉯ - CR, ㉰ - CA
  2. ㉮ - CS, ㉯ - CA, ㉰ - CR
  3. ㉮ - CR , ㉯ - CA, ㉰ - CS
  4. ㉮ - CA, ㉯ - CR, ㉰ - CS
(정답률: 67%)
  • 연속 반응 $A \rightarrow R \rightarrow S$에서 각 성분의 농도 변화 특성은 다음과 같습니다. 반응물인 A는 시간에 따라 지수적으로 감소하며, 중간 생성물인 R은 생성되었다가 다시 소모되므로 농도가 증가 후 감소하는 산 모양의 곡선을 그리며, 최종 생성물인 S는 시간이 지남에 따라 지속적으로 증가합니다. 따라서 ㉮ - $C_{S}$, ㉯ - $C_{R}$, ㉰ - $C_{A}$가 옳습니다.
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97. 균일계 병렬 반응이 다음과 같을 때 R을 최대로 얻을 수 있는 반응 방식은?

(정답률: 65%)
  • 생성물 R의 생성 속도식은 $\frac{dC_{R}}{dt} = k_{1} C_{A}^{0.5} C_{B}^{1.5}$이고, S의 생성 속도식은 $\frac{dC_{S}}{dt} = k_{2} C_{A} C_{B}^{0.5}$ 입니다. R의 선택도를 높이려면 $\frac{r_{R}}{r_{S}} = \frac{k_{1} C_{A}^{0.5} C_{B}^{1.5}}{k_{2} C_{A} C_{B}^{0.5}} = \frac{k_{1} C_{B}}{k_{2} C_{A}^{0.5}}$가 최대가 되어야 합니다. 즉, $C_{B}$ 농도는 높게 유지하고 $C_{A}$ 농도는 낮게 유지해야 하므로, 와 같이 A를 분할 공급하는 방식이 가장 유리합니다.
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98. 아래와 같은 경쟁반응에서 R을 더 많이 생기게 하기 위한 조건으로 적절한 것은? (단, 농도 그래프의 R과 S의 농도는 경향을 의미하며 E1은 1번 반응의 활성화에너지, E2는 2번 반응의 활성화에너지이다.)

  1. E1 ＞ E2 이면 저온조작
  2. E1 ＞ E2 이면 고온조작
  3. E1 = E2 이면 저온조작
  4. E1 = E2 이면 고온조작
(정답률: 63%)
  • 경쟁 반응에서 특정 생성물의 선택도를 높이려면 활성화 에너지의 차이를 이용해야 합니다. $E_{1} > E_{2}$인 경우, 온도를 높일수록 활성화 에너지가 큰 1번 반응의 속도 상수 증가율이 더 크기 때문에 R의 생성량이 상대적으로 증가합니다. 따라서 $E_{1} > E_{2}$이면 고온조작이 적절한 조건입니다.
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99. 반감기가 50시간인 방사능액체를 10L/h의 속도를 유지하며 직렬로 연결된 두 개의 혼합탱크(각 4000L)에 통과시켜 처리할 때 감소되는 방사능의 비율(%)은? (단, 방사능붕괴는 1차반응으로 가정한다.)

  1. 93.67
  2. 95.67
  3. 97.67
  4. 99.67
(정답률: 39%)
  • 1차 반응의 직렬 CSTR 모델을 적용합니다. 먼저 붕괴 상수 $k$를 구한 뒤, 두 탱크를 통과한 후의 잔류 농도 비율을 계산하여 제거율을 구합니다.
    붕괴 상수 $k = \frac{\ln 2}{50} = 0.01386 \text{ h}^{-1}$, 체류 시간 $\tau = \frac{4000}{10} = 400 \text{ h}$
    ① [기본 공식] $\frac{C_2}{C_0} = \frac{1}{(1 + k\tau)^2}$
    ② [숫자 대입] $\frac{C_2}{C_0} = \frac{1}{(1 + 0.01386 \times 400)^2}$
    ③ [최종 결과] $\text{제거율} = (1 - 0.0233) \times 100 = 97.67$
    따라서 감소되는 방사능의 비율은 97.67%입니다.
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100. A→R 액상 기초반응을 부피가 2.5L 인 혼합흐름반응기 2개를 직렬로 연결해 반응시킬 때의 전화율(%)은? (단, 반응상수는 0.253 min-1, 공급물은 순수한 A이며, 공급속도는 400cm3/min 이다.)

  1. 73%
  2. 78%
  3. 80%
  4. 85%
(정답률: 39%)
  • 직렬로 연결된 CSTR에서 1차 반응의 최종 전화율은 각 반응기의 체류시간 $\tau$를 이용하여 계산합니다.
    체류시간 $\tau = \frac{V}{v} = \frac{2.5 \text{ L}}{0.4 \text{ L/min}} = 6.25 \text{ min}$
    ① [기본 공식]
    $$X = 1 - \frac{1}{(1 + k \tau)^n}$$
    ② [숫자 대입]
    $$X = 1 - \frac{1}{(1 + 0.253 \times 6.25)^2}$$
    ③ [최종 결과]
    $$X = 0.85$$
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