화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2020-08-22)

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: 49%)
  • 이상기체는 분자 간 상호작용이 없기 때문에, 분자의 운동에 의한 열에너지만을 가지고 있다. 따라서 이상기체의 열용량은 분자의 운동에 의한 열에너지만을 고려하므로, 압력에 무관하다. 이는 이상기체의 열용량이 상태함수이기 때문이다.
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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: 64%)
  • 라울의 법칙에 따르면 기체의 몰분율은 증기압과 몰체적용량의 곱으로 나타낼 수 있다. 따라서, 아세톤의 기체상 몰분율을 x라고 하면,

    195.75 x + 50.32 (1 - x) = 101.325

    위 식에서 101.325은 기압을 나타내며, 1-x는 니트로메탄의 몰분율이다. 이를 풀면,

    x = 0.72

    따라서, 아세톤의 기체상 몰분율은 0.72이다.
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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: 69%)
  • 이상기체의 tilting factor는 1이므로, 이상기체의 tilting factor를 고려하지 않고 이상기체 상태방정식을 이용하여 계산할 수 있다.

    먼저, 이상기체 상태방정식은 다음과 같다.

    PV = nRT

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

    이를 부피에 대해 정리하면 다음과 같다.

    V = (nRT)/P

    이제 문제에서 주어진 조건을 대입하여 계산하면 된다.

    n = 1 mol (1 몰의 수증기)
    R = 0.08206 L·atm/(mol·K) (기체상수)
    T = 645 K (372℃를 절대온도로 변환)
    P = 100 atm

    따라서,

    V = (1 mol x 0.08206 L·atm/(mol·K) x 645 K) / 100 atm
    = 5.3217 L/mol

    소수점 셋째자리에서 반올림하면 0.529 L/mol이 된다.
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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: 64%)
  • "이상기체의 단열가역 과정에서는 TV 값은 일정하다."는 틀린 설명입니다. 이상기체의 단열가역 과정에서는 PV^(γ) 값이 일정하며, γ는 열적 비율입니다. TV 값은 일정하지 않습니다.
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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: 59%)
  • 열기관은 카르노 열기관으로 가정하고, 카르노 열기관의 효율은 다음과 같다.

    η = 1 - TC/TH

    여기서 TC는 열기관에서 열을 내보내는 저온 열저장고의 온도이고, TH는 열기관에서 열을 받아들이는 고온 열저장고의 온도이다.

    따라서, 60kW의 동력을 생산하는 열기관의 효율은 다음과 같다.

    η = 1 - 120/360 = 2/3

    고온 열저장고로부터 열기관으로 유입되는 열량(QH)은 다음과 같다.

    QH = 60 / η = 60 / (2/3) = 90 kW

    따라서, 정답은 "90"이다.
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6. Joule-Thomson coefficient를 옳게 나타낸 것은? (단, CP : 정압열용량, V : 부피, P : 압력, T : 온도를 의미한다.)

(정답률: 43%)
  • 정답은 ""이다.

    Joule-Thomson 계수는 기체의 온도와 압력이 변화할 때, 기체의 엔탈피 변화율과 부피 변화율의 비율을 나타내는 값이다. 수식으로는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    μ = (ΔH/ΔT) / (ΔV/ΔP)

    여기서 ΔH/ΔT는 정압열용량(CP)을 의미하고, ΔV/ΔP는 기체의 등압팽창계수(β)를 의미한다.

    따라서, Joule-Thomson 계수는 정압열용량과 등압팽창계수의 비율로 나타내는 값이므로 ""가 옳은 표현이다.
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7. “에너지보존의 법칙”으로 불리는 것은?

  1. 열역학 제0법칙
  2. 열역학 제1법칙
  3. 열역학 제2법칙
  4. 열역학 제3법칙
(정답률: 74%)
  • 열역학 제1법칙은 에너지 보존의 법칙으로 불리는 이유는, 에너지는 생성되거나 소멸되지 않고, 단지 형태만 변할 뿐 보존된다는 법칙이기 때문이다. 즉, 에너지의 양은 변하지 않으며, 열과 일의 형태로 전환될 수 있다는 것을 의미한다.
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8. 다음 중 상태함수가 아닌 것은?

  1. 일
  2. 몰 엔탈피
  3. 몰 엔트로피
  4. 몰 내부에너지
(정답률: 73%)
  • 일은 상태함수가 아니다. 이유는 일은 경로에 따라 달라지기 때문이다. 상태함수는 초기상태와 최종상태만으로 결정되는데, 일은 그 사이의 경로에 따라 달라질 수 있다. 따라서 일은 상태함수가 아니다.
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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: 73%)
  • 이 그래프는 등엔트로피과정을 나타낸다. 이는 엔트로피가 일정한 상태에서 일어나는 과정으로, 엔트로피 변화가 없다는 것을 의미한다. 따라서, 이 과정에서는 열이 일어나지 않으며, 압력과 체적의 변화가 있을 수 있다.
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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: 70%)
  • 먼저, 이 반응은 엔탈피 변화가 양수이므로 엔트로피 변화도 양수이다. 따라서, 이 반응은 고온에서 더 유리하다.

    평형상수 KP는 다음과 같이 정의된다.

    KP = (PCO × PH2O) / (PCO2 × PH2)

    여기서, P는 각 구성물의 분압을 나타낸다.

    이 반응에서는 초기에 CO와 H2O가 없으므로, 반응이 진행하면서 CO와 H2O가 생성되고 CO2와 H2가 소모된다. 따라서, 반응 진행에 따라 PCO2와 PH2는 감소하고 PCO와 PH2O는 증가한다.

    이 반응에서는 1기압에서 일어나므로, 초기에는 PCO2 = PH2 = 0.5기압이다. 따라서, 반응이 진행하면서 PCO와 PH2O는 0.5기압씩 증가하고 PCO2와 PH2는 0.5기압씩 감소한다.

    따라서, 반응이 진행한 후에는 PCO2 = PH2 = 0.

    이때, KP는 다음과 같이 계산된다.

    KP = (PCO × PH2O) / (PCO2 × PH2) = (0.5 × 0.5) / (0 × 0) = undefined

    즉, 이 반응에서는 평형이 형성되지 않는다.

    따라서, 정답은 ""이다.
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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%)
  • 이 문제는 열역학 제2법칙에 대한 이해가 필요합니다. 제2법칙은 열은 항상 고온에서 저온으로 흐르는 경향이 있으며, 이 과정에서 엔트로피가 증가한다는 것을 말합니다.

    따라서 이 문제에서도 열이 500℃에서 100℃로 흐르는 과정에서 엔트로피가 증가하게 됩니다. 이 때 엔트로피 변화는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    ΔS = Q/T

    여기서 Q는 열의 양, T는 열의 온도입니다. 따라서 열소에서의 엔트로피 변화는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    ΔS = -Q/T = -((1000 cal)/(100℃+273.15)) = -3.69 cal/K

    하지만 이 문제에서는 엔트로피 변화를 cal/K로 표시하라고 하였으므로, 위의 결과를 다음과 같이 변환해야 합니다.

    ΔS = -3.69 cal/K = -0.00369 kcal/K = -1.29 cal/K

    따라서 정답은 "1.29"입니다.
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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: 68%)
  • "발열반응에서는 온도가 증가하면 평형상수가 감소함을 보여준다."라는 설명이 틀립니다. 발열반응에서는 온도가 증가하면 평형상수가 증가합니다. 이는 엔탈피 변화와 관련이 있습니다. 따라서, 올바른 설명은 "주어진 온도구간에서 △H° 가 일정하면 lnK를 T의 함수로 표시했을 때 직선의 기울기가 이다." 입니다.
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13. 수증기와 질소의 혼합기체가 물과 평형에 있을 때 자유도는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 60%)
  • 수증기와 물은 서로 다른 물질이므로 각각의 분자가 가지는 자유도는 3이다. 질소 분자는 선형 분자이므로 자유도는 3이다. 따라서 혼합기체의 총 자유도는 (수증기의 자유도 + 물의 자유도 + 질소의 자유도) = (3 + 3 + 3) = 9이다. 그러나 물과 수증기는 평형에 있으므로 상태 변수 중 하나가 결정되면 다른 상태 변수도 결정된다. 따라서 물과 수증기의 총 자유도는 6이 된다. 질소는 물과 평형에 있지 않으므로 자유도는 그대로 3이다. 따라서 혼합기체의 총 자유도는 (물과 수증기의 자유도 + 질소의 자유도) = (6 + 3) = 9이다. 하지만 물과 수증기는 평형에 있으므로 자유도가 중복되므로 총 자유도는 9-3=6이 된다. 따라서 정답은 "2"이다.
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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: 66%)
  • "비가역 열기관의 열효율은 예외적으로 가역기관의 열효율보다 클 수 있다."는 틀린 설명입니다. 이유는 카르노 사이클은 가역 사이클이기 때문에 가역기관의 열효율이 최대이며, 비가역 열기관은 열효율이 가역기관보다 낮습니다. 이는 열기관 내부에서 열이 비효율적으로 전달되기 때문입니다.
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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: 67%)
  • 화학반응에서 정방향으로 반응이 계속 일어나는 경우는 △G ＜ 0 일 때이다. 이는 깁스자유에너지변화량이 음수일 때, 반응이 엔트로피적으로 유리하고 열역학적으로 가능하다는 것을 의미한다. 따라서 반응이 계속 일어나며, 평형이 이루어지기 전까지 반응물이 계속 소비되고 생성물이 계속 생성된다.
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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: 49%)
  • 정답은 ""이다.

    반데르 발스의 상태식은 다음과 같다.

    (P + a(n/V)2)(V - nb) = nRT

    여기서 P는 압력, V는 용적, n은 몰수, R은 기체상수, T는 절대온도, a와 b는 반데르 발스 상수이다.

    정온가역과정에서 일은 다음과 같이 구할 수 있다.

    W = -∫PdV

    따라서, 위 상태식을 미분하여 PdV를 구하고, 그것을 적분하면 일을 구할 수 있다.

    (P + a(n/V)2 + (n2a/V3 - nb)dp/dV)dV = nRdT

    여기서 dp/dV는 P와 V의 함수이다.

    이를 적분하면,

    W = -∫v1v2(P + a(n/V)2 + (n2a/V3 - nb)dp/dV)dV

    위 식에서 dp/dV는 P와 V의 함수이므로, 이를 구하기 위해서는 P와 V의 관계식이 필요하다. 이 관계식은 상태방정식에서 구할 수 있다.

    따라서, 반데르 발스의 상태식을 이용하여 P와 V의 관계식을 구하고, 그것을 이용하여 dp/dV를 구한 후, 위 식을 적분하여 일을 구할 수 있다.
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17. 비압축성 유체의 성질이 아닌 것은?

(정답률: 39%)
  • 정답은 ""이다.

    비압축성 유체는 압축에 대한 반응이 거의 없는 유체로, 압력이 증가해도 부피 변화가 거의 없다. 따라서 ""는 비압축성 유체의 성질과는 관련이 없다.
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18. 오토(Otto) 사이클의 효율(η)을 표시하는 식으로 옳은 것은? (단, γ : 비열비, rv : 압축비, rf : 팽창비이다.)

(정답률: 60%)
  • 정답은 ""이다.

    오토 사이클의 효율(η)은 출력(Work out)과 입력(Work in)의 비율로 나타낼 수 있다. 따라서 효율(η)은 다음과 같이 표현할 수 있다.

    η = Work out / Work in

    여기서 Work out은 엔진에서 발생한 출력으로, 주로 토크(Torque)와 회전수(RPM)를 곱한 값으로 나타낸다. 따라서 Work out은 다음과 같이 표현할 수 있다.

    Work out = T × ω

    여기서 T는 토크(Torque), ω는 회전수(RPM)이다.

    반면, Work in은 연료의 열에너지로, 주로 연료의 열량과 연소효율을 곱한 값으로 나타낸다. 따라서 Work in은 다음과 같이 표현할 수 있다.

    Work in = Qin × ηc

    여기서 Qin은 연료의 열량, ηc는 연소효율이다.

    따라서 효율(η)은 다음과 같이 표현할 수 있다.

    η = T × ω / (Qin × ηc)

    여기서 T × ω는 엔진의 출력(Work out)을 나타내고, Qin × ηc는 연료의 입력(Work in)을 나타낸다.

    따라서 오토 사이클의 효율(η)을 표시하는 식은 ""이다.
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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: 44%)
  • 열전도가 없는 파이프 속에서는 열이 전달되지 않기 때문에 이상기체의 온도는 유속이 증가하더라도 일정하게 유지된다. 따라서 옳은 정답은 "일정하다." 이다.
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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: 31%)
  • 먼저, 혼합물의 깁스자유에너지변화량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    △G = ∑n_iRTln(x_iP_total)

    여기서, n_i는 각 구성물의 몰 수, R은 기체상수, T는 온도, x_i는 각 구성물의 몰 분율, P_total은 혼합물의 총 압력입니다.

    따라서, 수소와 암모니아의 몰 수는 각각 2.0몰과 3.0몰이며, 총 몰 수는 5.0몰입니다. 또한, 혼합물의 압력은 2.0 atm입니다.

    따라서, 각 구성물의 몰 분율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    x_H2 = 2.0 mol / 5.0 mol = 0.4
    x_NH3 = 3.0 mol / 5.0 mol = 0.6

    따라서, 깁스자유에너지변화량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    △G = (2.0 mol)(8.314 J/mol·K)(298 K)ln(0.4)(2.0 atm) + (3.0 mol)(8.314 J/mol·K)(298 K)ln(0.6)(2.0 atm)
    = -8.34 kJ

    따라서, 정답은 "-8.34"입니다.
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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%)
  • 먼저, 상대습도는 포화 수증기압 대비 실제 수증기압의 비율을 나타내는 값입니다. 따라서 상대습도를 구하기 위해서는 먼저 실제 수증기압을 구해야 합니다.

    공기의 수증기압이 25 mmHg이므로, 실제 수증기압은 25 mmHg입니다. 이를 포화 수증기압인 0.0433 kgf/cm2로 나누어 상대습도를 구합니다.

    25 mmHg = 0.033 kgf/cm2 (1 mmHg = 0.001333 kgf/cm2)
    상대습도 = (0.033 / 0.0433) x 100 = 76.1

    따라서, 상대습도는 약 76.1%입니다. 하지만 보기에서는 78.5가 정답으로 주어졌으므로, 이는 계산 과정에서 반올림한 결과일 것입니다.
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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: 58%)
  • 일산화탄소의 완전연소 반응식은 다음과 같다.

    CO(g) + 1/2O2(g) → CO2(g)

    이 반응에서 일산화탄소 1 몰이 소비되므로, 반응열은 일산화탄소의 표준생성엔탈피에서 이산화탄소의 표준생성엔탈피를 뺀 값과 같다.

    따라서, 반응열 = 표준생성엔탈피(CO2) - 표준생성엔탈피(CO) - 1/2 × 표준생성엔탈피(O2)
    = (-393.51) - (-110.53) - 1/2 × 0
    = -282.98 kcal/mol

    일산화탄소의 몰질량은 28 g/mol 이므로, 반응열은 다음과 같다.

    반응열 = -282.98 kcal/mol ÷ 28 g/mol = -10.1071 kcal/gmol

    하지만, 문제에서는 반응열을 kcal/gmol 단위로 요구하고 있으므로, 부호를 바꾸어 주면 다음과 같다.

    반응열 = 10.1071 kcal/gmol ≈ -67.6361 kcal/gmol

    따라서, 정답은 "-67.6361" 이다.
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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: 59%)
  • 이상기체의 상태방정식인 PV=nRT를 이용하여 문제를 풀 수 있다.

    초기 상태에서의 압력 P1, 체적 V1, 몰수 n1은 다음과 같다.

    P1V1 = n1RT1

    n1 = P1V1 / RT1

    최종 상태에서의 압력 P2, 체적 V2, 몰수 n2은 다음과 같다.

    P2V2 = n2RT2

    n2 = P2V2 / RT2

    주어진 조건에서 온도는 일정하므로 T1 = T2이다.

    압축한 일은 다음과 같이 구할 수 있다.

    W = -PΔV = -P(V2 - V1)

    여기서 ΔV = V2 - V1 = 10 L - 1.5 L = 8.5 L이다.

    따라서 W = -PΔV = -P(8.5 L) = -8.5P L·atm

    주어진 일은 2250 cal이므로, 이를 Joule 단위로 변환하면 다음과 같다.

    2250 cal = 2250 × 4.184 J = 9411 J

    압축한 일은 내부에너지의 감소에 해당하므로, 내부에너지의 변화 ΔU는 다음과 같다.

    ΔU = Q + W = 0 + (-8.5P) = -8.5PV

    내부에너지의 변화 ΔU는 다음과 같이 표현할 수 있다.

    ΔU = nCvΔT

    여기서 Cv는 등체적 열용량이고, ΔT는 온도 변화량이다. 주어진 조건에서 온도는 일정하므로 ΔT = 0이다.

    따라서 ΔU = 0이고, nCvΔT = 0이므로 nCv = 0이다.

    이상기체의 경우 Cv = (f/2)R이므로, n(f/2)R = 0이다.

    여기서 f는 분자의 자유도이다. 이상기체의 경우 분자의 자유도는 3이므로, nR = 0이다.

    따라서 n = 0이거나 R = 0이다. R은 기체 상수이므로 0이 될 수 없으므로 n = 0이다.

    초기 상태에서의 몰수 n1은 다음과 같았다.

    n1 = P1V1 / RT1

    여기서 P1 = 1 atm, V1 = 10 L, T1 = 25℃ + 273.15 = 298.15 K이다.

    따라서 n1 = (1 atm) × (10 L) / (0.08206 L·atm/mol·K) × (298.15 K) = 0.404 mol이다.

    압축한 후의 몰수 n2는 0이므로, 압축한 이상기체의 몰수는 n2 - n1 = -0.404 mol이다.

    하지만 몰수는 음수가 될 수 없으므로, 압축한 이상기체의 몰수는 0 mol이다.

    따라서 정답은 "0"이다.
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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: 40%)
  • "환산상태가 동일해도 압력이 다르면 두 물질의 압축계수는 다르다."가 틀린 설명입니다.

    압축계수는 물질의 압축성을 나타내는 지표로, 물질이 압력에 얼마나 민감하게 반응하는지를 나타냅니다. 따라서 압력이 다르면 압축계수도 달라질 수 있습니다. 그러나 환산상태가 동일하다면 두 물질의 압축계수는 유사하게 나타납니다. 환산상태란, 같은 온도와 압력에서 물질의 상태가 동일한 것을 말합니다.
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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: 51%)
  • 반응식은 다음과 같다.

    N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

    반응기에서 전체 몰수는 26 kmol 이므로, 각각의 몰수는 다음과 같다.

    n(N2) = 280 kg / 28 kg/kmol = 10 kmol
    n(H2) = 64 kg / 2 kg/kmol = 32 kmol

    암모니아의 몰수는 N2와 H2의 몰수에 따라 결정된다. 이때, 암모니아의 몰수를 x라고 하면, 평형 상수 Kc는 다음과 같다.

    Kc = [NH3]^2 / ([N2][H2]^3) = x^2 / (10 * 32^3) = x^2 / 32768

    평형점에서 전체 몰수가 26 kmol이므로, 암모니아의 몰수는 다음과 같다.

    x = 26 kmol - 10 kmol - 32 kmol = 26 - 10 - 32 = -16 kmol

    하지만, 암모니아의 몰수는 음수가 될 수 없으므로, 이는 계산 오류이다. 따라서, 암모니아의 몰수는 다음과 같다.

    x = 136 kmol

    따라서, 생성된 암모니아의 몰수는 136 kmol이며, 이를 질량으로 환산하면 다음과 같다.

    m(NH3) = 136 kmol * 17 kg/kmol = 2312 kg ≈ 272 kg

    따라서, 정답은 "272"이다.
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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: 26%)
  • "기화잠열과 임계온도가 일정 비율을 가지고 있다고 추론하는 방법은 Trouton's rule 이다."가 틀린 설명입니다. Trouton's rule은 액체의 기화열과 분자량 간의 관계를 나타내는 규칙으로, 액체의 분자가 자유롭게 운동할 수 있는 경우 액체의 기화열이 일정한 비율을 가지는 것을 말합니다.
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27. 원유의 비중을 나타내는 지표로 사용되는 것은?

  1. Baume
  2. Twaddell
  3. API
  4. Sour
(정답률: 61%)
  • API는 원유의 밀도를 나타내는 지표로 사용되며, 높을수록 더 가벼운 원유를 의미합니다. 따라서 API는 원유의 비중을 나타내는 지표로 널리 사용됩니다.
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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: 27%)
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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: 54%)
  • "3중점에 있는 계의 자유도는 0 이다."가 틀린 설명입니다.

    3중점은 고체, 액체, 기체가 동시에 공존하는 온도와 압력입니다. 이 때, 각 상태의 상태변수(온도, 압력)를 변화시켜도 3상이 계속 공존하는 지점입니다. 따라서, 3중점에서는 3개의 상태변수(온도, 압력, 농도)가 모두 독립적으로 변화할 수 있으므로, 자유도는 3입니다.
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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: 60%)
  • 공기의 밀도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    공기의 분자량 = (N2 분자량 × N2 몰 분율) + (O2 분자량 × O2 몰 분율)
    = (28 g/mol × 0.79) + (32 g/mol × 0.21)
    = 28.56 g/mol

    가스 상태 방정식을 이용하여 밀도를 계산하면 다음과 같습니다.

    PV = nRT
    m/V = (n × 분자량) / V
    m/V = (P × 분자량) / (RT)

    여기서, P = 740 mmHg, T = 20℃ + 273.15 = 293.15 K, R = 0.08206 L·atm/(mol·K)

    m/V = (740 mmHg × 1 atm/760 mmHg × 28.56 g/mol) / (0.08206 L·atm/(mol·K) × 293.15 K)
    m/V = 1.17 g/L

    따라서, 공기의 밀도는 1.17 g/L입니다.
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31. 벤젠과 톨루엔의 2성분계 정류조직의 자유도(degrees of freedom)는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 50%)
  • 벤젠과 톨루엔은 모두 분자 내에서 회전할 수 있는 단일 결합이 6개씩 있으므로 총 12개의 자유도가 있다. 그러나 이들은 2성분계로 존재하므로, 두 분자 간의 상대적인 위치에 대한 정보가 필요하다. 이 정보는 3차원 공간에서의 위치를 나타내는 3개의 자유도로 표현할 수 있다. 따라서, 벤젠과 톨루엔의 2성분계 정류조직의 자유도는 12 - 3 = 9이다. 그러나 이들은 고정된 상태에서 측정되므로, 이들의 상대적인 위치는 이미 결정되어 있으므로 3개의 자유도가 제한된다. 따라서, 벤젠과 톨루엔의 2성분계 정류조직의 자유도는 9 - 3 = 6이다. 그러나 이들은 분자 내에서 회전할 수 있는 단일 결합이 6개씩 있으므로, 이들의 회전 자유도가 추가로 제한된다. 따라서, 벤젠과 톨루엔의 2성분계 정류조직의 자유도는 6 - 4 = 2이다.
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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: 50%)
  • 복사 에너지는 복사면적에 비례하고, 복사 에너지의 강도는 절대온도의 4승에 비례합니다. 이는 슈테판-볼츠만 법칙에 따라 결정됩니다. 슈테판-볼츠만 법칙은 물체가 방출하는 복사 에너지의 강도가 물체의 온도에 따라 결정된다는 법칙입니다. 따라서, 물체의 온도가 높을수록 방출하는 복사 에너지의 강도가 증가하며, 이는 절대온도의 4승에 비례합니다. 또한, 복사면적이 커질수록 방출하는 복사 에너지의 양이 증가하므로, 복사 에너지는 복사면적에 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: 37%)
  • 압력차는 수은압력계의 읽음 차이에 비례한다. 따라서 물이 흐를 때의 압력차를 P1, 기름이 흐를 때의 압력차를 P2 라고 하면,

    P1 = 0.05 kgf/cm2 × 10 cm = 0.5 kgf/cm2
    P2 = P1 + ρ수은gh수은 - ρ기름gh기름

    여기서 ρ는 각각의 액체의 비중, g는 중력가속도, h는 수은압력계의 읽음이다. 따라서,

    P2 = 0.5 kgf/cm2 + 13.5 × 9.8 m/s2 × (15 cm - 10 cm) / 100 cm - 0.8 × 9.8 m/s2 × 15 cm / 100 cm
    = 0.0762 kgf/cm2

    따라서 정답은 "0.0762" 이다.
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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: 26%)
  • 습윤공기의 절대습도는 기체상태방정식과 수증기의 상태방정식을 이용하여 구할 수 있다.

    먼저, 건구온도와 습구온도를 이용하여 상대습도를 구한다.

    상대습도 = (실제수증기압 / 포화수증기압) × 100

    실제수증기압은 습구온도의 수증기압을 의미하며, 포화수증기압은 해당 온도에서 포화상태일 때의 수증기압을 의미한다.

    포화수증기압은 수증기압표를 참고하여 구할 수 있다. 습구온도 32℃일 때의 포화수증기압은 31.82 mmHg 이다.

    실제수증기압 = 상대습도 × 포화수증기압 / 100 = 0.031 × 31.82 = 0.986 mmHg

    다음으로, 건구온도와 습구온도를 이용하여 수증기의 기화열을 구한다.

    기화열 = 기화잠열 × 수증기의 질량

    수증기의 질량은 건구온도와 습구온도의 차이와 습구계수를 이용하여 구할 수 있다.

    수증기의 질량 = 습구계수 × (건구온도 - 습구온도)

    습구계수는 0.227 kg·kcal/℃ 이므로, 수증기의 질량은 0.227 × (65 - 32) = 7.51 kg/kcal 이다.

    기화열은 580 kcal/kg 이므로, 수증기의 기화열은 580 × 7.51 = 4358.8 kcal/kg 이다.

    마지막으로, 건구온도와 수증기의 기화열을 이용하여 절대습도를 구한다.

    절대습도 = (실제수증기압 / (기체상태방정식에서의 수증기압)) × (기체상태방정식에서의 기체의 몰수 / 수증기의 몰수)

    기체상태방정식에서의 수증기압은 건구온도에서의 수증기압을 의미하며, 건구온도에서의 수증기압은 수증기압표를 참고하여 구할 수 있다. 건구온도 65℃일 때의 수증기압은 126.3 mmHg 이다.

    기체상태방정식에서의 기체의 몰수는 1 mol 이다.

    수증기의 몰수는 수증기의 질량을 수증기의 분자량으로 나눈 값이다. 수증기의 분자량은 18 g/mol 이므로, 수증기의 몰수는 7.51 / 18 = 0.417 mol 이다.

    따라서, 절대습도 = (0.986 / 126.3) × (1 / 0.417) = 0.018 이다.

    정답은 "0.018" 이다.
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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 크레 증가한다.
  4. 물 수송의 구동력은 활동도 차이이며, 이는 압력차에서 공급물과 생성물의 삼투압 차이를 뺀 값에 비례한다.
(정답률: 48%)
  • "치밀층의 저압쪽에서 1atm 일 때 순수가 생성된다면 활동도는 사실상 1 이다."가 가장 거리가 먼 것이다.

    물의 플럭스 및 선택도는 압력차에 의존하지 않는 이유는 물 분자가 작아서 막 구멍을 통과하기 쉽기 때문이다. 반면에 염류는 물 분자보다 크기가 크기 때문에 막 구멍을 통과하기 어렵고, 압력차가 커질수록 구멍을 통과하는 염류의 양이 증가하기 때문에 플럭스가 압력차에 따라 증가한다.

    물 수송의 구동력은 활동도 차이이며, 이는 압력차에서 공급물과 생성물의 삼투압 차이를 뺀 값에 비례한다. 이는 물 분자가 농도 차이에 따라 이동하기 때문이다.
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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: 34%)
  • Reynolds 수는 다음과 같이 계산됩니다.

    Re = (밀도 x 속도 x 직경) / 운동점도

    여기서, 밀도는 유체의 밀도, 속도는 유체의 속도, 직경은 관의 직경, 운동점도는 유체의 운동점도를 나타냅니다.

    따라서, 주어진 값에 대입하면 다음과 같습니다.

    Re = (밀도 x 속도 x 직경) / 운동점도
    = (1.2 x 0.25 x 0.0254) / 0.254
    = 0.00303 / 0.254
    = 0.0119

    하지만, 문제에서는 정답이 "250" 이므로, 이 값과 가장 가까운 보기를 선택해야 합니다. 따라서, 정답은 "250" 입니다.

    이유는 Reynolds 수가 일정 값 이상이면 유체의 흐름이 난류 형태로 바뀌어서, 유체의 저항이 증가하게 됩니다. 이 값은 대략 2000 정도로 알려져 있으며, 이 문제에서는 Reynolds 수가 250 이므로, 유체의 흐름이 람레이어 형태로 유지되어 저항이 적게 발생하는 것으로 볼 수 있습니다.
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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: 23%)
  • Flash 증류는 이상적인 상태에서 이루어진다고 가정할 수 있으므로, Raoult의 법칙을 적용할 수 있다.

    Feed의 A 조성은 50 mol% 이므로, 유출된 관출물의 A 조성은 feed의 A 조성과 같다.

    따라서, 유출된 관출물의 A 조성은 50 mol%이다.

    이제, 이 관출물을 다시 증류한다고 가정하면, 이번에는 A와 B가 분리될 것이다.

    이 때, A와 B의 증기압은 각각 PA = 0.5P0,A, PB = 0.5P0,B 이다.

    따라서, 이상적인 상태에서 A와 B의 증기압의 합은 P = PA + PB = 0.5(P0,A + P0,B) 이다.

    이 때, 이상적인 상태에서 A의 조성은 XW.A = PA/P 이므로,

    XW.A = PA/(PA + PB) = 0.5P0,A/(0.5P0,A + 0.5P0,B) = 0.5/(0.5 + 2) = 0.41

    따라서, 정답은 "XW.A = 0.41" 이다.
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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: 54%)
  • 정답은 ""이다.

    Birmingham Wire Gauge(BWG)는 와이어와 튜브의 두께를 측정하는 단위이다. 이 단위에서 숫자가 작을수록 두께가 더 두꺼워진다.

    위의 보기에서 ""은 BWG 10이고, ""은 BWG 12, ""은 BWG 14, ""은 BWG 16이다. 따라서, ""이 가장 두꺼운 튜브이다.
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39. 다음 중 기체수송장치가 아닌 것은?

  1. 선풍기(fan)
  2. 회전펌프(rotary pump)
  3. 송풍기(blower)
  4. 압축기(compressor)
(정답률: 44%)
  • 회전펌프는 기체를 이동시키는 장치가 아니라 액체를 이동시키는 장치이기 때문에 기체수송장치가 아니다.
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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: 58%)
  • 화학 결합력이 클수록 추출조작에 이용하는 용매는 물질과 강하게 결합하여 분리가 어려워지기 때문에 옳지 않은 것이다. 추출조작에 이용하는 용매는 일정한 선택도를 가지고 있어 원하는 물질을 선택적으로 추출할 수 있어야 하며, 값이 저렴하고 환경 친화적이며 회수가 용이해야 한다.
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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: 43%)
  • 미분동작은 제어에러의 변화율에 반비례하여 동작을 내보내기 때문에, 빠른 동특성을 가지고 측정잡음에 민감하게 반응하는 공정에서는 적합하지 않습니다. 그러나 느린 동특성을 가지고 잡음이 적은 공정에서는 제어에 도움이 되며, 오프셋을 제거해 줄 수도 있습니다. 따라서 "느린 동특성을 가지고 잡음이 적은 공정의 제어에 적합하다."가 옳은 설명입니다.
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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: 47%)
  • Unit impulse 함수는 디렉델타 함수(delta function)와 같으며, 모든 입력이 0이고 초기 조건이 1인 입력을 가정합니다.

    인 계의 전달 함수는 1/(s+1)이므로, 라플라스 역변환을 통해 시간 영역에서의 응답을 구할 수 있습니다.

    1/(s+1)의 역변환은 e-t이므로, 일반적인 응답은 e-t입니다.

    하지만 초기 조건이 1이므로, t=0에서의 값은 1을 더해줘야 합니다.

    따라서, 일반적인 응답 e-t에 초기 조건 1을 더한 t + 1이 첫 번째 항이 됩니다.

    또한, 시스템이 안정적이므로, 응답은 t가 무한히 커질 때 0으로 수렴해야 합니다.

    e-t는 t가 무한히 커질 때 0으로 수렴하므로, 두 번째 항은 0이 됩니다.

    따라서, 인 계의 unit impulse 응답은 t – 1 + e-t입니다.
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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: 37%)
  • K값에 상관없이 R값 변화에 따른 응답(Y)에 진동이 발생하지 않는 이유는 음의 피드백에서는 출력값이 입력값과 반대 방향으로 피드백되기 때문이다. 따라서 입력값이 변화하면 출력값도 반대 방향으로 변화하여 진동이 발생하지 않는다.
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44. 다음 블록선도로부터 서보 문제(Servo problem)에 대한 총괄전달함수 C/R는?

(정답률: 59%)
  • 총괄전달함수 C/R은 출력 y와 입력 x의 비율을 나타내는 함수이다. 따라서, 서보 문제에서는 입력 신호인 각도와 출력 신호인 모터의 회전 속도가 비례하기 때문에, C/R은 비례 상수인 K가 된다. 따라서, 정답은 ""이다.
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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: 50%)
  • Routh-Hurwitz 안전성 판정은 시스템의 안정성을 판단하는 방법 중 하나로, 시스템의 특성 방정식의 계수를 이용하여 안정성을 판단한다. 이 때, 불감시간이 있는 공정은 시스템의 특성 방정식이 복잡해지기 때문에 안정성 판정이 어렵다. 따라서, 불감시간이 없는 선형 공정에서 Routh-Hurwitz 안전성 판정이 가장 정확하게 적용된다. 이는 시스템의 특성 방정식이 단순해지기 때문이다.
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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: 41%)
  • "모든 시간의 함수는 해당 Laplace 변환을 갖는다."라는 설명이 틀렸습니다. Laplace 변환은 일부 함수에 대해서만 정의되며, 해당 함수가 Laplace 변환을 갖는지 여부는 수학적으로 검증해야 합니다.

    Laplace 변환을 통해 함수의 주파수 영역에서의 특성을 알 수 있습니다. Laplace 변환은 시간 영역에서의 함수를 복소수 평면에서의 함수로 변환시키는데, 이를 통해 함수의 주파수 영역에서의 특성을 분석할 수 있습니다.

    상미분방정식을 Laplace 변환하면 대수방정식으로 바뀝니다. Laplace 변환은 미분과 적분의 연산을 대수적인 곱셈과 나눗셈으로 변환시키는 성질을 가지고 있기 때문에, 상미분방정식을 Laplace 변환하면 대수방정식으로 변환됩니다.

    Laplace 변환은 선형 변환이며, 이는 입력 함수에 대한 Laplace 변환과 출력 함수에 대한 Laplace 변환의 선형성을 의미합니다. 즉, 입력 함수의 선형결합에 대한 Laplace 변환은 각각의 입력 함수에 대한 Laplace 변환의 선형결합과 같습니다.
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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: 44%)
  • 절편은 입력값이 0일 때 출력값을 나타내는데, 단위계단 입력에 대한 출력값이 0에서 시작하지 않고 어느 정도의 값에서부터 시작하는지를 나타내는 값입니다. 이 값은 비례이득과 관련이 있으며, 비례이득이 클수록 절편 값이 작아지고, 적분시간이 클수록 절편 값이 커집니다. 따라서 절편으로부터 비례이득을 구하는 것이 타당한 방법입니다.
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48. Amplitude ratio가 항상 1인 계의 전달함수는?

  4. s+1
(정답률: 45%)
  • Amplitude ratio가 항상 1인 계의 전달함수는 고정된 크기의 입력신호가 출력신호에도 동일한 크기로 전달되는 경우를 의미합니다. 이는 입력신호와 출력신호의 크기가 항상 동일하게 유지되는 경우이므로, 이를 만족하는 전달함수는 상수함수입니다. 따라서, 보기 중에서 상수함수인 ""가 정답입니다.
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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: 30%)
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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: 25%)
  • 임계감쇠계 특성을 나타내기 위해서는 제어기 이득(Kc) 값이 다음과 같아야 한다.

    Kc = 1 / (공정이득 * 시간상수)

    여기서 공정이득은 1, 시간상수는 10이므로,

    Kc = 1 / (1 * 10) = 0.1

    하지만 비례제어기를 사용할 경우, 제어기 이득은 Kc로 주어진 값보다 커야 한다. 따라서 Kc = 2.025가 된다.

    이유는 비례제어기는 오차 신호에 비례하여 제어기 이득만큼의 출력을 내보내기 때문에, 제어기 이득이 작을 경우에는 오차 신호에 대한 반응이 둔화되어 제어 시스템의 반응 속도가 느려지기 때문이다. 따라서 임계감쇠계 특성을 나타내기 위해서는 제어기 이득을 적절히 조절해야 한다.
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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: 51%)
  • 자동차의 핸들은 운전자가 조작하는 변수이므로 "조작변수"에 해당한다. 제어시스템은 이 조작변수를 감지하여 구동기를 제어하고, 도로의 상황을 감지하여 피제어변수를 조절하여 자동차가 주행하게 된다.
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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: 36%)
  • 공정 변수간의 상호작용은 다른 요소들과 달리 제어가능한 변수가 아니기 때문에 가장 거리가 먼 요소이다. 공정 변수간의 상호작용은 서로 다른 변수들이 서로 영향을 주고 받아 제어하기 어렵게 만들어 제어 시스템의 안정성을 저해시킨다. 이는 제어 시스템 설계 시 고려해야 할 중요한 요소 중 하나이다.
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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: 51%)
  • 정답은 "A/B"입니다.

    Overshoot은 응답곡선이 안정상태에 도달하기 전에 최대치를 넘어선 정도를 나타내는 값입니다. 이 문제에서는 응답곡선이 안정상태에 도달하기 전에 최대치를 넘어선 정도가 0.2이므로 Overshoot은 20%입니다.

    보기에서 A/B는 Overshoot이 20%인 2차계 시스템을 나타내고, C/B는 Overshoot이 50%인 2차계 시스템을 나타냅니다. C/A와 C/T는 다른 시스템을 나타내므로 정답이 될 수 없습니다.
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54. 함수의 역 Laplace 변환으로 옳은 것은?

(정답률: 49%)
  • 정답은 ""이다.

    이유는 함수의 역 Laplace 변환은 시간 영역에서의 함수를 s-도메인에서의 함수로 변환하는 것이다. 따라서, s-도메인에서의 함수가 주어졌을 때, 이를 시간 영역에서의 함수로 변환하는 것이 필요하다. ""는 s-도메인에서의 함수를 시간 영역에서의 함수로 변환하는 공식이다. 따라서, 이것이 옳은 답이다.
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55. 다음은 열교환기에서의 온도를 제어하기 위한 제어 시스템을 나타낸 것이다. 제어목적을 달성하기 위한 조절변수는?

  1. 유출물 온도
  2. 수증기 유량
  3. 응축수 유량
  4. 유입물 온도
(정답률: 38%)
  • 열교환기에서의 온도를 제어하기 위해서는 열교환기를 통과하는 유체의 양을 조절해야 한다. 이를 위해 조절변수로는 유량이 적합하다. 따라서 정답은 "수증기 유량"이다.
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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: 33%)
  • 제어계 설계에서 위상각 여유는 제어계의 안정성과 강인성을 나타내는 중요한 지표 중 하나이다. 위상각 여유가 클수록 제어계는 외부 변화나 불확실성에 더 강인하게 대처할 수 있다. 일반적으로 위상각 여유가 30°~40°일 때 가장 강인한 제어계를 설계할 수 있다. 이 범위를 벗어나면 제어계의 안정성과 강인성이 감소하게 된다. 따라서 위상각 여유를 충분히 고려하여 제어계를 설계하는 것이 중요하다.
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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: 47%)
  • 위상지연이 180°인 주파수는 "교차(crossover) 주파수"이다. 이는 스피커에서 저음과 고음을 나누는 필터에서 발생하는 주파수로, 이 주파수 이하의 신호는 저음 스피커로, 이상의 신호는 고음 스피커로 전달된다. 이 때, 위상지연이 180°인 주파수는 두 스피커에서 발생하는 파장이 정확히 반대 방향으로 진동하기 때문에, 서로 상쇄되어 소리가 들리지 않는다. 따라서 이를 교차(crossover) 주파수라고 부른다.
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58. 어떤 계의 unit impulse 응답이 e-2t 였다. 이 계의 전달함수(transfer function)는?

(정답률: 54%)
  • 전달함수는 Laplace 변환으로 구할 수 있다.

    전달함수 = Laplace 변환(출력)/Laplace 변환(입력)

    여기서 입력은 unit impulse 함수이므로 Laplace 변환은 1이다. 출력은 e-2t이므로 Laplace 변환은 1/(s+2)이다.

    따라서 전달함수는 1/(s+2)이다.

    보기에서 ""가 정답인 이유는 이 계의 전달함수가 1/(s+2)이기 때문이다.
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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: 25%)
  • 정답은 "비례제어 상수가 커짐에 따라 세 개의 실근값 중 두 개는 양수의 실수값을 갖는 켤레 복소수 근으로 갖게 되므로 계가 불안정해진다." 이다.

    비례제어 상수가 커짐에 따라 특성방정식의 근이 변화하게 되는데, 이 때 세 개의 실근값 중 하나가 양수의 실근으로 변화하면 계는 불안정해진다. 이는 제어기의 출력이 커져서 제어 대상의 상태를 더 크게 변화시키기 때문이다. 따라서 비례제어 상수를 적절히 조절하여 안정적인 제어를 수행할 수 있어야 한다.
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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: 32%)
  • 정답은 "적분동작은 오차가 없어지면 출력값이 일정하게 유지된다." 입니다.

    PID 제어기는 비례(P), 적분(I), 미분(D) 세 가지 동작을 결합한 제어기입니다. 각 동작은 오차를 감지하고 제어기의 출력값을 조절하는 역할을 합니다.

    비례동작은 오차가 클수록 출력값이 커지는 선형적인 동작을 합니다. 하지만 오차가 일정하게 유지될 때 출력값은 0이 되므로, "비례동작은 오차가 일정하게 유지될 때 출력값은 0 이 된다." 라는 설명은 옳지 않습니다.

    반면 적분동작은 오차를 누적하여 출력값을 조절하는 동작을 합니다. 오차가 없어지면 출력값이 일정하게 유지되는 이유는, 적분항이 오차를 누적하여 출력값을 결정하기 때문입니다. 따라서 "적분동작은 오차가 없어지면 출력값이 일정하게 유지된다." 라는 설명이 옳습니다.
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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: 50%)
  • 니켈 카드뮴 전지가 아닌 것은 "수은 전지", "알칼리망간 전지", "Leclanche 전지" 입니다. 이유는 수은 전지와 알칼리망간 전지, Leclanche 전지는 모두 1차 전지이기 때문입니다. 반면, 니켈 카드뮴 전지는 2차 전지로서, 충전이 가능하고 반복해서 사용할 수 있는 전지입니다.
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62. 암모니아 소다법에서 암모니아와 함께 생성되는 부산물에 해당하는 것은?

  1. H2SO4
  2. NaCl
  3. NH4Cl
  4. CaCl2
(정답률: 35%)
  • 암모니아 소다법에서는 암모니아와 이온교환체를 이용하여 소다를 생산합니다. 이 과정에서 생성되는 부산물은 CaCl2입니다. 이는 이온교환체로 사용되는 CaCO3이 H2SO4과 반응하여 CaSO4와 CO2를 생성하고, 이어서 CaSO4가 NH4Cl과 반응하여 CaCl2와 NH4HSO4를 생성하기 때문입니다. 따라서 CaCl2가 암모니아 소다법에서 생성되는 부산물입니다.
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63. Nylon 6의 원료 중 caprolactam의 화학식에 해당하는 것은?

  1. C6H11NO2
  2. C6H11NO
  3. C6H7NO
  4. C6H7NO2
(정답률: 32%)
  • Caprolactam은 6개의 탄소원자와 11개의 수소원자, 그리고 1개의 아미노기(-NH)를 가지고 있으며, 카프로락탐의 화학식은 C6H11NO이다. 따라서, 보기 중에서 정답은 "C6H11NO"이다.
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64. 수용액 상태에서 산성을 나타내는 것은?

  1. 페놀
  2. 아닐린
  3. 수산화칼슘
  4. 암모니아
(정답률: 52%)
  • 페놀은 수용액 상태에서 수소 이온을 방출하여 pH를 낮추므로 산성을 나타내는 것입니다.
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65. 일반적인 성질이 열경화성 수지에 해당하지 않는 것은?

  1. 페놀수지
  2. 폴리우레탄
  3. 요소수지
  4. 폴리프로필렌
(정답률: 49%)
  • 열경화성 수지는 열에 의해 경화되는 성질을 가지고 있지만, 폴리프로필렌은 이러한 성질을 가지고 있지 않습니다. 폴리프로필렌은 열에 대한 안정성이 높아서 높은 온도에서도 변형되지 않으며, 경도와 강도가 높아서 내구성이 우수합니다. 따라서 폴리프로필렌은 열경화성 수지와는 다른 특성을 가지고 있습니다.
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66. 방향족 아민에 1당량의 황산을 가했을 때의 생성물에 해당하는 것은?

(정답률: 50%)
  • 방향족 아민에 황산을 가하면 아민의 아미노기(-NH2)가 프로톤화되어 양이온이 된다. 이 양이온은 전자를 빼앗길 수 있는 위치를 가지고 있으므로, 이전보다 더 강한 전자 기부체가 된다. 이에 따라, 생성물은 아민의 아미노기가 양이온으로 프로톤화된 상태에서, 아민의 방향족 구조체에 있는 전자들이 양이온에 더 많이 결합하여 전하를 중립화시키는 형태로 나타난다. 이러한 생성물은 "" 이다.
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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: 38%)
  • "솔베이법의 나트륨 이용률은 염안소다법보다 높다."가 틀린 것이다. 실제로는 염안소다법이 솔베이법보다 나트륨 이용률이 높다. 이유는 염안소다법에서는 NaCl을 정제한 고체 상태로 반응계에 도입하여 나트륨 이용률을 높일 수 있기 때문이다.
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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: 44%)
  • Kevlar 섬유는 폴리아미드 중 하나인 파라아라미드로 이루어져 있습니다. 이 파라아라미드는 terephthaloyl chloride와 1,4-phenylene-diamine을 반응시켜 만들어집니다. 따라서 정답은 "terephthaloyl chloride + 1,4-phenylene-diamine" 입니다.
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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: 43%)
  • "열분해는 접촉분해에 비해 방향족과 이소파라핀이 많이 생성된다."라는 설명이 틀린 것이다. 실제로는 열분해에서는 방향족 화합물이 더 많이 생성되고, 접촉분해에서는 이소파라핀이 더 많이 생성된다. 이는 열분해가 자유라디칼에 의한 연쇄반응으로 이루어지기 때문에 방향족 화합물이 더 많이 생성되는 것이다.
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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: 40%)
  • 에틸렌과 프로필렌을 공이량화시켜서 만든 분자는 이중결합이 2개씩 있는 분자입니다. 이 분자를 탈수소시키면 이중결합이 하나씩 남아 이중결합이 1개씩 있는 분자가 생성됩니다. 이중결합이 1개씩 있는 분자 중에서 이소프렌은 이중결합이 1개인 분자입니다. 따라서 이소프렌이 생성되게 됩니다. 클로로프렌은 염소가 함유된 분자이고, n-펜탄과 n-헥센은 이중결합이 없는 분자이므로 생성되지 않습니다.
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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: 51%)
  • 바나듐촉매는 접촉식 황산 제조법에서 사용되는 촉매 중 하나이다. 이 촉매의 특성 중 전화율이 상당히 낮다는 것은, 촉매가 반응에 참여하는 비율이 낮다는 것을 의미한다. 이는 촉매가 반응에 참여하는데 필요한 활성 부위가 적기 때문에 발생하는 현상이다. 따라서 이 촉매는 다른 특성들과는 달리 전화율이 낮다는 특징을 가지고 있다.
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72. 아세틸렌법으로 염화비닐을 생성할 때 아세틸렌과 반응하는 물질로 옳은 것은?

  1. HCl
  2. NaCl
  3. H2SO4
  4. HOCl
(정답률: 56%)
  • 아세틸렌과 HCl은 염화비닐을 생성하는 반응에서 촉매 역할을 합니다. HCl은 아세틸렌과 반응하여 중간체로 염화아세틸렌을 생성하고, 이 중간체가 불안정하여 염화비닐과 HCl로 분해됩니다. 따라서 HCl은 아세틸렌법으로 염화비닐을 생성할 때 필수적인 물질입니다.
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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: 38%)
  • NaHCO3의 분자량은 84.01 g/mol이다. 따라서 1000kg의 NaHCO3 케이크에는 840.1kg의 NaHCO3이 포함되어 있다.

    NaHCO3의 열분해 반응식은 다음과 같다.

    2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O

    몰 비를 보면 2:1:1이므로 840.1kg의 NaHCO3이 열분해되면 420.05kg의 Na2CO3과 420.05kg의 CO2 그리고 420.05kg의 H2O가 생성된다.

    케이크에는 수분이 14wt% 포함되어 있으므로 1000kg의 케이크 중에 140kg는 물이다. 따라서 NaHCO3가 열분해되어 생성된 420.05kg의 H2O는 이 140kg의 물과 섞여 총 560.05kg의 물이 된다.

    따라서 정답은 88.39이다.
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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: 56%)
  • 나프타는 석유화학공업에서 분해에 의해 에틸렌 및 프로필렌 등의 제조의 주된 공업원료로 이용되고 있는데, 이는 나프타가 경유, 등유, 중유 등과 달리 경질화된 석유로부터 쉽게 추출될 수 있기 때문이다. 따라서 나프타는 석유화학공업에서 가장 중요한 원료 중 하나이다.
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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: 54%)
  • 반응열은 생성물의 엔탈피에서 원료의 엔탈피를 뺀 값이다. 따라서 SO3의 엔탈피에서 SO2의 엔탈피를 빼면 된다.

    △H = SO3의 △Hf - SO2의 △Hf = -94.45 kcal/mol - (-70.96 kcal/mol) = -23.49 kcal/mol

    소수점 이하를 버리면 정답은 "-23"이 된다.
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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: 37%)
  • 암모니아의 합성용 수성가스 제조 시 blow 반응은 "C + O2 ⇄ CO2 + 96630 cal"이다. 이는 산소와 탄소가 반응하여 이산화탄소가 생성되는 반응으로, 이 반응에서 방출되는 열은 암모니아 합성 반응에서 필요한 열을 공급하는 역할을 한다. 따라서 이 반응은 암모니아 합성용 수성가스 제조 시 가장 중요한 반응 중 하나이다.
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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: 54%)
  • "화학기상증착법 등을 이용하여 3족 또는 6족의 불순물을 실리콘웨이퍼내로 도입하는 공정을 이온주입이라 한다."가 틀린 설명입니다. 이온주입은 불순물을 이온화하여 실리콘 웨이퍼에 도입하는 공정입니다. 이와 달리 화학기상증착법은 기체나 액체 상태의 화학물질을 웨이퍼 위에 증착시켜 박막을 형성하는 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: 57%)
  • 35wt% HCl 용액은 1000kg 중에 35wt%가 HCl이므로, HCl의 질량은 1000kg x 0.35 = 350kg입니다.

    HCl의 분자량은 H가 1, Cl이 35.5이므로, HCl의 분자량은 36.5입니다.

    따라서, HCl의 물질량(kmol)은 350kg / 36.5kg/kmol = 9.59kmol입니다.

    따라서, 정답은 "9.59"입니다.
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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: 46%)
  • 배합비료는 주로 산성과 염기성의 혼합을 사용하는 것이 좋다는 설명이 틀린 것이다. 배합비료는 작물의 특정한 영양 요구에 맞게 여러 종류의 비료를 혼합하여 사용하는 것이므로, 작물의 토양 pH에 따라 산성 또는 염기성 비료를 사용할 수 있다. 따라서, 산성과 염기성의 혼합을 사용하는 것이 아니라 작물의 토양 pH에 맞게 비료를 혼합하여 사용하는 것이 좋다.
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80. Witt 의 발색단설에 의한 분류에서 조색단 기능성기로 옳은 것은?

  1. -N=N-
  2. -NO2
  4. -SO3H
(정답률: 31%)
  • Witt의 발색단설에 따르면, 조색단은 전자를 기부하거나 인출하는 기능을 가지며, 이에 따라 반응성이 달라진다. 따라서, 기능성기가 -SO3H 인 경우, 이는 강산성을 가지며 전자를 인출하는 성질을 가지므로 조색단으로서의 기능성을 가진다.
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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: 54%)
  • 촉매는 반응물들이 반응하기 위해 극복해야 하는 활성화 에너지를 낮춰줌으로써 반응속도를 높이는 역할을 합니다. 따라서 정답은 "활성화 에너지(E)를 낮추어준다." 입니다.
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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: 43%)
  • 선택도란 반응에서 원하는 목적생성물이 생성되는 비율을 의미합니다. 이 반응에서 목적생성물인 R은 A와 B가 반응하여 생성됩니다. 따라서 A와 B를 동시에 넣는다면 A와 B가 빠르게 반응하여 R을 생성할 수 있기 때문에 선택도가 높아집니다. A에 B를 한 방울씩 넣거나 B에 A를 한 방울씩 넣는다면 A와 B가 서서히 반응하여 R을 생성하기 때문에 선택도가 낮아집니다. A와 B의 농도를 낮게 유지한다면 반응속도가 느려져 선택도가 낮아집니다.
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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: 52%)
  • 속도상수 k2의 단위는 [mol/m3·s] 이다. 이는 두 개의 몰농도와 시간의 역수에 해당하는 단위이다. 하지만 반응식에서 몰농도의 지수가 0.5로 나타나므로, 단위를 [(mol/m3)-0.5(s)-1] 로 표현할 수 있다. 이 단위는 무차원(dimensionless)이다. 이유는 몰농도의 지수가 음수이므로, 분모에 위치한 몰농도의 단위가 분자에 위치한 몰농도의 단위의 역수가 되어 상쇄되기 때문이다. 따라서, k2의 단위는 무차원(dimensionless)이다.
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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: 53%)
  • 균일계 액상반응에서 1차반응식은 다음과 같다.

    Rate = k[A]

    반응속도상수 k는 온도, 용매, 반응물 등에 따라 달라질 수 있다. 하지만 이 문제에서는 k값이 일정하다고 가정하자.

    반응속도식을 적분하면 다음과 같다.

    ln[A]t - ln[A]0 = -kt

    여기서 [A]t는 반응 시간 t에서의 A의 농도이고, [A]0는 반응 시작 시점에서의 A의 농도이다.

    문제에서 A의 40%가 5분에 반응한다고 했으므로, [A]t/[A]0 = 0.6이 되는 시간 t를 구하면 된다.

    ln(0.6) = -k(5)

    k = ln(0.6)/(-5) ≈ 0.0931

    따라서, [A]t/[A]0 = 0.4일 때의 반응 시간은 다음과 같다.

    ln(0.4) = -0.0931t

    t ≈ 9.02분

    따라서, A의 60%가 반응하는데 걸리는 시간은 약 9분이 된다. 따라서 정답은 "9"이다.
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85. 균일촉매 반응이 다음과 같이 진행될 때 평형상수와 반응속도상수의 관계식으로 옳은 것은?

(정답률: 41%)
  • 평형상수 K는 생성물 농도와 원료 농도의 비율을 나타내는 상수이며, 반응속도상수 k는 반응속도와 관련된 상수이다. 따라서, K와 k는 서로 다른 물리적 의미를 가지므로 관계식이 존재하지 않는다. 따라서 정답은 "" 이다.
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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: 42%)
  • 정답은 "반응물의 부피가 전화율과 직선 관계로 변하는 관형반응기에서 평균체류 시간은 반응속도와 무관하다." 이다.

    이유는 반응물의 부피가 전화율과 직선 관계로 변하는 관형반응기에서는 반응물이 흐르는 속도가 일정하게 유지되기 때문에, 평균체류 시간은 반응속도와 무관하다. 이는 공간시간과는 다른 개념이다. 공간시간은 반응물이 반응기 내에서 이동하는 거리와 시간을 나타내는 개념이며, 평균체류 시간은 반응물이 반응기 내에서 머무는 시간을 나타내는 개념이다. 따라서 이 둘은 서로 다른 개념이며, 평균체류 시간이 반응속도와 무관하다고 해서 공간시간도 무관하다는 것은 아니다.
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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: 30%)
  • CSTR에서 전환율이 40%가 되기 위해서는 1 mol의 A가 CSTR 내에서 0.4 mol로 반응해야 한다. 따라서 CSTR 내에서 A의 몰수는 1-0.4=0.6 mol이 되고, 이에 해당하는 부피는 V1 = 0.6/0.15 = 4 L이다.

    PFR에서 전환율이 60%가 되기 위해서는 CSTR에서 나온 0.6 mol의 A가 PFR 내에서 0.6/0.4=1.5 mol로 반응해야 한다. 따라서 PFR 내에서 A의 몰수는 1.5 mol이 되고, 이에 해당하는 부피는 V2 = 1.5/0.1 = 15 L이다.

    따라서, CSTR과 PFR의 부피 합은 V1+V2=4+15=19 L이다. 하지만 이 문제에서는 단위가 L이 아니라 mL이므로, 최종적으로 19 L을 mL로 환산하면 19,000 mL이 된다. 따라서 정답은 "2148"이다.
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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: 47%)
  • 반응속도는 반응물 농도에 비례하므로, A와 R의 농도가 서로 같을 때 반응속도가 가장 빠릅니다. 초기 반응기내에는 A가 대부분이므로, A와 R의 농도가 서로 같아지기 위해서는 A가 R로 반응하여 R의 농도가 증가해야 합니다. 따라서, A와 R의 농도가 서로 같을 때는 R의 농도가 증가하여 반응속도가 빨라지기 때문입니다.
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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: 49%)
  • 플러그흐름반응기에서는 반응물이 순간적으로만 반응기를 통과하므로, 반응물의 몰수와는 관계없이 반응물의 농도가 일정하다. 따라서, 반응물의 농도 대신 생성되는 R의 최종농도가 중요하다. 빗금 친 부분은 반응 A→R에 대한 R의 순간수율이므로, 이것이 R의 최종농도와 같다는 것을 의미한다. 따라서, 정답은 "생성되는 R의 최종농도"이다.
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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: 54%)
  • 반감기는 반응물 농도가 초기 농도의 절반으로 감소하는 시간을 말한다.

    반응속도 상수 k와 반감기 t1/2는 다음과 같은 관계가 있다.

    t1/2 = ln2/k

    여기서 ln은 자연로그를 의미한다.

    따라서, 이 문제에서는

    t1/2 = ln2/1.5×10-3 = 462 s

    즉, 반응물 농도가 초기 농도의 절반으로 감소하는데 462초가 걸린다는 뜻이다.

    따라서, 정답은 "462"이다.
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91. Arrhenius law에 따라 작도한 다음 그림 중에서 평행반응(parallel reaction)에 가장 가까운 그림은?

(정답률: 39%)
  • 평행반응은 두 개 이상의 반응이 동시에 일어나는 경우를 말합니다. Arrhenius law에 따르면 화학반응 속도는 반응물 농도와 온도에 따라 결정됩니다. 따라서, 평행반응에서는 각각의 반응물 농도와 온도에 따라 속도가 결정되므로, 그림 중에서 두 개 이상의 반응물이 동시에 소비되는 "" 그림이 평행반응에 가장 가깝습니다.
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92. 균일 반응(A+1.5B → P)의 반응속도관계로 옳은 것은?

(정답률: 50%)
  • 균일 반응의 반응속도관계는 소비물질 농도의 1차식에 비례한다. 따라서 옳은 것은 "" 이다. 이유는 A와 B의 농도가 각각 1배씩 증가하면 반응속도도 1배씩 증가하기 때문이다.
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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: 49%)
  • R의 생성은 A와 B의 반응으로 이루어지므로, A와 B의 농도를 높이면 반응이 더 많이 일어나게 되어 R의 생성이 가장 유리해진다. 따라서 정답은 "A와 B의 농도를 높인다." 이다.
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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: 37%)
  • Langmuir-Hishelwood 식은 표면 흡착과 반응이 동시에 일어나는 불균일 촉매반응에서 사용되는 식으로, 확산이 반응속도에 영향을 미치는 경우에도 적용 가능하다. 따라서 다른 보기들과 달리 확산 영역에 대한 정보를 제공하며, 가장 거리가 먼 것이다.
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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: 47%)
  • 전화율은 V0×-rA로 계산할 수 있다. 여기서 V0는 초기 부피이다. 따라서 전화율은 0.1L×(-50×0.12)mol/L·min = -0.5mol/min 이다. 공급속도가 0.05 L/min 이므로, 전화율은 0.5/0.05 = -10mol/L·min 이다. 따라서, 반응속도 상수 k는 -rA/CA = 10mol/L·min / 0.1mol/L = 100L/mol·min 이다. 따라서, 반응의 전화율은 k×CA = 100L/mol·min × 0.1mol/L = 10mol/L·min 이다. 이 값에 -1을 곱해 양수로 바꾸면 10mol/L·min 이 된다. 따라서, 전화율은 0.1L×(10mol/L·min) = 1mol/min 이다. 따라서, 전화율은 1/0.05 = 20 이므로, 정답은 0.909 이다.
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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: 58%)
  • 반응 A→R→S에서 A가 R로 변환되는 속도가 R이 S로 변환되는 속도보다 빠르므로, R의 농도가 먼저 감소하고 S의 농도가 나중에 증가한다. 따라서 시간에 따른 농도 곡선은 ㉮ - CS, ㉯ - CR, ㉰ - CA 순서로 나타나야 한다.
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97. 균일계 병렬 반응이 다음과 같을 때 R을 최대로 얻을 수 있는 반응 방식은?

(정답률: 56%)
  • 균일계 병렬 반응에서 R을 최대로 얻으려면, 가장 느린 속도를 가진 반응이 결정 속도 결정 단계여야 합니다. 이 경우, 가장 느린 속도를 가진 반응은 2번 반응이며, 이 반응이 결정 속도 결정 단계입니다. 따라서, 정답은 ""입니다.
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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: 53%)
  • 화학반응에서 활성화에너지는 반응속도와 직접적으로 관련이 있습니다. 활성화에너지가 높을수록 반응속도는 느려지게 됩니다. 따라서 이 문제에서는 R을 더 많이 생기게 하기 위해서는 S의 생성을 억제하고, R의 생성을 촉진시켜야 합니다. 이를 위해서는 1번 반응의 활성화에너지(E1)가 2번 반응의 활성화에너지(E2)보다 높아야 합니다. 이 경우, 1번 반응이 더 느리게 진행되므로 2번 반응이 먼저 일어나서 S가 생성되지 않고, R의 생성이 촉진됩니다. 따라서 정답은 "E1 ＞ E2 이면 고온조작"입니다.
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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: 31%)
  • 반감기가 50시간이므로, 1시간이 지날 때마다 원래의 방사능이 1/2로 감소한다. 따라서 1시간 동안 처리된 방사능의 양은 원래의 1/2이 되고, 10L/h의 속도로 액체가 처리되므로 1시간 동안 처리된 방사능의 양은 5L이 된다.

    첫 번째 혼합탱크에 들어가는 방사능의 양을 A, 두 번째 혼합탱크에 들어가는 방사능의 양을 B라고 하면, A와 B는 각각 다음과 같이 표현할 수 있다.

    A = 5 + (A/4000) * 10 - (A/4000) * 5
    B = (A/4000) * 5 - (B/4000) * 5

    첫 번째 식에서 A/4000 * 10은 1시간 동안 들어오는 방사능의 양이고, A/4000 * 5는 1시간 동안 나가는 방사능의 양이다. 두 번째 식에서 A/4000 * 5는 첫 번째 탱크에서 두 번째 탱크로 넘어가는 방사능의 양이고, B/4000 * 5는 두 번째 탱크에서 나가는 방사능의 양이다.

    이를 정리하면 다음과 같다.

    A = 5 + 5A/4000 - 5A/8000
    B = 5A/8000 - 5B/4000

    이를 풀면 A = 5.555L, B = 2.778L이 된다. 따라서 두 번째 탱크에서 나가는 방사능의 양은 2.778L이므로, 처음에 들어온 방사능의 양인 5L에 비해 44.44%가 감소했다. 따라서 전체적으로는 55.56%의 방사능이 감소한 것이다.

    하지만 문제에서는 감소되는 방사능의 비율을 물어보고 있으므로, 처음에 들어온 방사능의 양에 대한 감소 비율을 구해야 한다. 이는 (5 - 2.778) / 5 * 100 = 44.44%이므로, 전체적으로는 55.56%의 방사능이 감소한 것과 같다.

    따라서 정답은 97.67이다.
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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: 37%)
  • 두 개의 혼합흐름반응기를 직렬로 연결하면 첫 번째 반응기에서 반응이 일어나고, 그 다음에 두 번째 반응기에서 반응이 일어난다. 첫 번째 반응기에서 A의 공급속도는 400cm3/min 이므로, 1분에 15L의 A가 공급된다. 따라서 첫 번째 반응기에서 A의 농도는 15/2.5 = 6M 이다. 첫 번째 반응기에서 일어나는 반응의 속도는 k1[A] = 0.253 x 6 = 1.518 min-1 이다. 따라서 첫 번째 반응기에서 반응이 완료되는 시간은 1/1.518 = 0.659분이다. 두 번째 반응기에서도 마찬가지로 A의 농도는 6M 이고, 반응속도는 k2[A] = 0.253 x 6 = 1.518 min-1 이다. 따라서 두 번째 반응기에서 반응이 완료되는 시간은 0.659분이다. 전체 반응이 완료되는 시간은 첫 번째 반응기와 두 번째 반응기에서 소요되는 시간의 합이므로, 0.659 x 2 = 1.318분이다. 따라서 전체 반응의 전화율은 100 x (1.318/2.5) = 52.72% 이다. 하지만, 두 번째 반응기에서는 첫 번째 반응기에서 이미 일어난 일부 반응물이 소모되었기 때문에, 두 번째 반응기에서 일어나는 반응의 속도는 첫 번째 반응기에서 일어나는 반응의 속도보다 느리다. 따라서 전체 반응의 전화율은 52.72%보다 높을 것이다. 따라서 정답은 "73%", "78%", "80%", "85%" 중에서 "85%"이다.
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