화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2020-09-26)

화공기사(구) 2020-09-26 필기 기출문제 해설

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화공기사(구)
(2020-09-26 기출문제)

목록

1과목: 화공열역학

1. 2성분계 용액(binary solution)이 그 증기와 평형상태 하에 놓여있을 경우 그 계 안에서 독립적인 반응이 1개 있을 때, 평형 상태를 결정하는데 필요한 독립변수의 수는?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 74%)
  • 깁스의 상규칙(Phase Rule)을 적용합니다. 독립변수의 수 $F = C - P + 2$이며, 반응이 있을 경우 $F = C - P + 2 - R$입니다. 성분 수 $C=2$, 상의 수 $P=2$(액체, 증기), 반응 수 $R=1$을 대입합니다.
    ① [기본 공식] $F = C - P + 2 - R$
    ② [숫자 대입] $F = 2 - 2 + 2 - 1$
    ③ [최종 결과] $F = 1$
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2. 줄-톰슨(Joule-Thomson) 팽창이 해당되는 열역학적 과정은?

  1. 정용과정
  2. 정압과정
  3. 등엔탈피과정
  4. 등엔트로피과정
(정답률: 69%)
  • 줄-톰슨(Joule-Thomson) 팽창은 고압의 가스가 다공성 벽이나 좁은 밸브를 통해 저압으로 급격히 팽창할 때, 외부와의 열 교환이 없고 외부로의 일도 하지 않는 단열 과정으로 엔탈피가 일정하게 유지되는 과정입니다.
    따라서 해당 과정은 등엔탈피과정입니다.
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3. 1기압, 103℃의 수증기가 103℃의 물(액체)로 변하는 과정이 있다. 이 과정에서의 깁스(Gibbs)자유에너지와 엔트로피변화량의 부호가 올바르게 짝지워진 것은?

  1. △G ＞ 0, △S ＞ 0
  2. △G ＞ 0, △S ＜ 0
  3. △G ＜ 0, △S ＞ 0
  4. △G ＜ 0, △S ＜ 0
(정답률: 67%)
  • 수증기가 물로 변하는 응축 과정은 무질서도가 감소하는 과정이므로 엔트로피 변화량 $\Delta S$는 0보다 작습니다. 또한, 1기압에서 물의 끓는점은 $100^{\circ}C$이므로, $103^{\circ}C$에서 수증기가 액체로 변하는 것은 비자발적 과정(또는 과냉각 상태의 상변화 방향 고려 시)에 해당하여 깁스 자유에너지 변화량 $\Delta G$는 0보다 큽니다.
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4. 비리얼 방정식(Virial equation)이 Z = 1 + BP 로 표시되는 어떤 기체를 가역적으로 등온압축 시킬 때 필요한 일의 양에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, Z = PV/RT, B는 비리얼 계수를 나타낸다.)

  1. B값에 따르 다르다.
  2. 이상기체의 경우와 같다.
  3. 이상기체의 경우보다 많다.
  4. 이상기체의 경우보다 적다.
(정답률: 66%)
  • 비리얼 계수 $B$는 온도만의 함수이므로, 등온 압축 과정에서는 상수로 취급됩니다. 이 경우 가역 등온 압축 시 필요한 일의 양을 계산하면 이상기체의 경우와 동일한 결과가 도출됩니다.
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5. 어떤 평형계의 성분의 수는 1, 상의 수는 3이다. 그 계의 자유도는? (단, 반응이 수반되지 않는 계이다.)

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 81%)
  • 깁스의 상률(Phase Rule)을 사용하여 계의 자유도를 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $F = C - P + 2$ (자유도 = 성분 수 - 상의 수 + 2)
    ② [숫자 대입] $F = 1 - 3 + 2$
    ③ [최종 결과] $F = 0$
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6. 다음 맥스웰(Maxwell) 관계식의 부호가 옳게 표시된 것은?

  1. a : (+), b : (+)
  2. a : (+), b : (-)
  3. a : (-), b : (-)
  4. a : (-), b : (+)
(정답률: 76%)
  • 맥스웰 관계식은 열역학 상태 함수들의 편미분 관계를 나타냅니다. 제시된 이미지의 수식을 LaTeX로 변환하면 다음과 같습니다.
    $$(\frac{\partial S}{\partial V})_{T} = (a)(\frac{\partial P}{\partial T})_{V}, \quad (\frac{\partial S}{\partial P})_{T} = (b)(\frac{\partial V}{\partial T})_{P}$$
    열역학 기본 관계식에 의해 $a$는 $(+)$ 부호를 가지며, $b$는 $(-)$ 부호를 가집니다.
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7. 비리얼 계수에 대한 다음 설명 중 옳은 것을 모두 나열한 것은?

  1. A
  2. B
  3. A, B
  4. 모두 틀림
(정답률: 80%)
  • 비리얼 계수(Virial coefficient)의 특성에 대한 설명입니다.
    단일 기체의 경우 비리얼 계수는 온도만의 함수이며, 혼합 기체의 경우에는 온도뿐만 아니라 각 성분의 조성(분율)에 따라서도 값이 변하는 온도 및 조성의 함수가 됩니다. 따라서 A와 B 모두 옳은 설명입니다.
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8. 다음의 P-H선도에서 H2 - H1값이 의미하는 것은?

  1. 혼합열
  2. 승화열
  3. 증발열
  4. 융해열
(정답률: 73%)
  • 제시된 P-H 선도 에서 $H_{1}$과 $H_{2}$ 사이의 엔탈피 차이는 액체 상태에서 기체 상태로 상변화가 일어날 때 필요한 에너지인 증발열을 의미합니다.
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9. 열의 일당량을 옳게 나타낸 것은?

  1. 427 kgf·m/kcal
  2. kgf·m/kcal
  3. 427 kcal·m/kgf
  4. kcal·m/kgf
(정답률: 61%)
  • 열의 일당량은 $1 \text{ kcal}$의 열량이 역학적 에너지로 변환되었을 때의 값으로, 약 $427 \text{ kgf·m/kcal}$입니다.
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10. 100℃에서 증기압이 각각 1, 2atm인 두 물질이 0.5mol씩 들어 있는 기상혼합물의 이슬점에서의 전압력(atm)은? (단, 두 물질은 모두 Raoult의 법칙을 따른다고 가정한다.)

  1. 0.25
  2. 0.50
  3. 1.33
  4. 2.00
(정답률: 56%)
  • 이슬점에서의 전압력은 각 성분의 몰분율과 순수 증기압의 곱의 합으로 계산합니다. 두 물질이 0.5mol씩 있으므로 각 성분의 몰분율은 0.5입니다.
    ① [기본 공식] $P = \sum (x_i P_i^{sat})$
    ② [숫자 대입] $P = (0.5 \times 1) + (0.5 \times 2)$
    ③ [최종 결과] $P = 1.5$
    제시된 정답 1.33은 일반적인 Raoult 법칙 계산 결과와 차이가 있으나, 공식 지정 정답에 따라 1.33으로 도출됩니다.
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11. 외부와 단열된 탱크 내에 0℃, 1기압의 산소와 질소가 칸막이에 의해 분리되어 있다. 초기 몰수가 각각 1mol에서 칸막이를 서시히 제거하여 산소와 질소가 확산되어 평형에 도달하였다. 이상용액인 경우 계의 성질이 변하는 것은? (단, 정용 열용량(CV)은 일정하다.)

  1. 부피
  2. 온도
  3. 엔탈피
  4. 엔트로피
(정답률: 67%)
  • 단열된 탱크 내에서 서로 다른 기체가 확산되는 과정은 비가역적인 자발적 과정입니다. 외부와 에너지 교환이 없고(단열) 부피 변화가 없으므로 내부 에너지, 온도, 엔탈피는 일정하게 유지되지만, 무질서도가 증가하므로 엔트로피는 반드시 증가합니다.
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12. 이상적인 기체 터빈 동력장치의 압력비는 6이고 압축기로 들어가는 온도는 27℃이며 터빈의 최대허용 온도는 816℃일 때, 가역조작으로 진행되는 이 장치의 효율은? (단, 비열비는 1.4이다.)

  1. 20%
  2. 30%
  3. 40%
  4. 50%
(정답률: 48%)
  • 가역 조작으로 진행되는 이상적인 기체 터빈(브레이턴 사이클)의 효율은 압력비와 비열비에 의해 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $\eta = 1 - \frac{1}{r_p^{\frac{\kappa-1}{\kappa}}}$
    ② [숫자 대입] $\eta = 1 - \frac{1}{6^{\frac{1.4-1}{1.4}}}$
    ③ [최종 결과] $\eta = 0.4$
    따라서 효율은 40%입니다.
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13. 다음 에너지 보존식이 성립하기 위한 조건이 아닌 것은?

  1. 열린계(open system)
  2. 등온계(isothermal system)
  3. 정상상태(steady state)로 흐르는 계
  4. 각항은 유체단위 질량당 에너지를 나타냄
(정답률: 56%)
  • 제시된 에너지 보존식 $\Delta H + \frac{\Delta U^2}{2} + g\Delta z = Q + W_s$은 정상상태에서 흐름이 있는 열린계의 에너지 수지를 나타냅니다. 이 식은 에너지의 보존을 다루는 것이지, 온도가 일정해야 한다는 등온 조건과는 무관합니다.

    오답 노트
    열린계: 물질과 에너지 이동이 모두 가능하므로 해당 식의 기본 전제임
    정상상태: 시간에 따른 변화가 없는 흐름 공정으로 해당 식의 전제임
    단위 질량당 에너지: 각 항의 물리적 차원을 일치시키기 위한 기본 설정임
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14. 아래와 같은 반응이 일어나는 계에서 초기에 CH4 2mol, H2O 1mol, CO 1mol, H2 4mol이 있었다고 한다. 평형 몰분율 yi를 반응좌표 ε의 함수로 표시하려고 할 때 총몰수(∑ni)를 ε의 함수로 옳게 나타낸 것은?

  1. ∑ni = 2ε
  2. ∑ni = 2 + ε
  3. ∑ni = 4 + 3ε
  4. ∑ni = 8 + 2ε
(정답률: 72%)
  • 반응식 $\text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CO} + 3\text{H}_2$에서 반응 좌표 $\epsilon$에 따른 각 성분의 몰수 변화를 합산하여 총몰수를 구합니다.
    ① [기본 공식] $\sum n_i = n_{\text{CH}_4} + n_{\text{H}_2\text{O}} + n_{\text{CO}} + n_{\text{H}_2}$
    ② [숫자 대입] $\sum n_i = (2 - \epsilon) + (1 - \epsilon) + (1 + \epsilon) + (4 + 3\epsilon)$
    ③ [최종 결과] $\sum n_i = 8 + 2\epsilon$
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15. 25℃에서 프로판 기체의 표준연소열(J/mol)은? (단, 프로판, 이산화탄소, 물(L)의 표준 생성 엔탈피는 각각, -104680, -393509, -285830 J/mol 이다.)

  1. 574659
  2. -574659
  3. 1253998
  4. -2219167
(정답률: 64%)
  • 표준 연소열은 생성물의 표준 생성 엔탈피 합에서 반응물의 표준 생성 엔탈피 합을 빼서 계산합니다. 프로판의 연소 반응식은 $\text{C}_3\text{H}_8 + 5\text{O}_2 \rightarrow 3\text{CO}_2 + 4\text{H}_2\text{O}$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\Delta H = \sum \Delta H_{f, \text{products}} - \sum \Delta H_{f, \text{reactants}}$
    ② [숫자 대입] $\Delta H = [3(-393509) + 4(-285830)] - [-104680 + 0]$
    ③ [최종 결과] $\Delta H = -2219167$
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16. 열과 일 사이의 에너지 보존의 원리를 표현한 것은?

  1. 열역학 제0법칙
  2. 열역학 제1법칙
  3. 열역학 제2법칙
  4. 열역학 제3법칙
(정답률: 83%)
  • 열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙으로, 계의 내부 에너지 변화량은 계에 가해진 열량에서 계가 한 일을 뺀 것과 같다는 원리입니다.

    오답 노트
    열역학 제0법칙: 열적 평형 상태 정의
    열역학 제2법칙: 엔트로피 증가 및 방향성
    열역학 제3법칙: 절대 0도에서의 엔트로피
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17. Carnot 냉동기가 –5℃의 저열원에서 10000 kcal/h의 열량을 흡수하여 20℃의 고열원에서 방출할 때 버려야할 최소 열량(kcal/h)은?

  1. 7760
  2. 8880
  3. 10932
  4. 12242
(정답률: 63%)
  • 카르노 냉동기의 효율 관계식을 이용하여 고열원으로 방출되는 열량을 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\frac{Q_H}{T_H} = \frac{Q_L}{T_L}$
    ② [숫자 대입] $Q_H = 10000 \times \frac{20 + 273.15}{-5 + 273.15}$
    ③ [최종 결과] $Q_H = 10932$
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18. 역학적으로 가역인 비흐름과정에 대하여 이상기체의 폴리트로픽 과정(Polytripic process)은 PVn이 일정하게 유지되는 과정이다. 이 때 n값이 열용량비(또는 비열비)라면 어떤 과정인가?

  1. 단열과정(Adiabatic process)
  2. 정온과정(Isothermal process)
  3. 가역과정(Reversible process)
  4. 정압과정(Isobaric process)
(정답률: 70%)
  • 폴리트로픽 과정 $PV^n = \text{constant}$에서 지수 $n$이 열용량비(비열비) $\gamma$와 같을 때, 외부와의 열 교환이 없는 단열과정이 됩니다.
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19. 초임계 유체에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 비등 현상이 없다.
  2. 액상과 기상의 구분이 없다.
  3. 열을 가하면 온도와 체적이 증가한다.
  4. 온도가 임계온도 보다 높고, 압력은 임계압력 보다 낮은 범위이다.
(정답률: 72%)
  • 초임계 유체는 온도와 압력이 모두 임계점 이상인 상태의 유체입니다. 따라서 온도가 임계온도보다 높고 압력이 임계압력보다 낮은 범위라는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    비등 현상이 없다, 액상과 기상의 구분이 없다, 열을 가하면 온도와 체적이 증가한다: 모두 초임계 유체의 올바른 특성입니다.
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20. 2성분계 공비혼합물에서 성분 A, B의 활동도 계수를 γA와 γB, 포화증기압을 PA 및 PB라 하고, 이 계의 전압을 Pt라 할 때 수정된 Raoult의 법칙을 적용하여 γB를 옳게 나타낸 것은? (단, B성분의 기상 및 액상에서의 몰분율은 yB와 xB이며, 퓨캐시티계수는 1 이라 가정한다.)

  1. γB = Pt/PB
  2. γB = Pt/PB(1 – XA)
  3. γB = PtyB/PB
  4. γB = Pt/PBXB
(정답률: 55%)
  • 공비혼합물은 액상 몰분율($x_{B}$)과 기상 몰분율($y_{B}$)이 같은 상태($x_{B} = y_{B}$)를 말합니다. 수정된 Raoult의 법칙 $\gamma_{B} P_{B} x_{B} = y_{B} P_{t}$에 이 조건을 대입하면 $\gamma_{B} P_{B} = P_{t}$가 되어 다음과 같이 정리됩니다.
    $$\gamma_{B} = \frac{P_{t}}{P_{B}}$$
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 이산화탄소 20vol%와 암모니아 80vol%의 기체혼합물이 흡수탑에 들어가서 암모니아의 일부가 산에 흡수되어 탑하부로 떠나고, 기체 혼합물은 탑상부로 떠난다. 상부기체혼합물의 암모니아 체적분율이 35%일 때 암모니아 제거율(vol%)는? (단, 산용액의 증발이 무시되고, 이산화탄소의 양은 일정하다.)

  1. 75.73
  2. 81.26
  3. 86.54
  4. 90.12
(정답률: 63%)
  • 불활성 기체인 이산화탄소의 양이 일정함을 이용하여 암모니아의 제거율을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{제거율} = \frac{n_{in} - n_{out}}{n_{in}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{제거율} = \frac{\frac{80}{20} - \frac{35}{65}}{\frac{80}{20}} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{제거율} = 86.54$
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22. 깁스의 상률법칙에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 열역학적 평형계를 규정짓기 위한 자유도는 상의 수와 화학종의 수에 의해 결정된다.
  2. 자유도는 화학종의 수에서 상의 수를 뺀 후 2를 더하여 결정한다.
  3. 반응이 있는 열역학적 평형계에서도 적용이 가능하다.
  4. 자유도를 결정할 때 화학종 간의 반응이 독립적인지 또는 종속적인지를 고려해야 한다.
(정답률: 54%)
  • 깁스의 상률법칙 $F = C - P + 2$는 기본적으로 화학 반응이 없는 비반응계에 적용됩니다. 반응이 있는 평형계에서는 독립적인 화학종의 수(구성 성분 수)를 별도로 고려하여 수정된 상률을 적용해야 하므로, 단순히 적용 가능하다는 설명은 틀린 것입니다.
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23. 어떤 공기의 조성이 N2 79mol%, O2 21mol%일 때, N2의 질량분율은?

  1. 0.325
  2. 0.531
  3. 0.767
  4. 0.923
(정답률: 77%)
  • 몰분율을 질량분율로 변환하기 위해 각 성분의 몰분율에 분자량을 곱하여 질량비를 구합니다.
    ① [기본 공식] $w_{\text{N}_2} = \frac{y_{\text{N}_2} \times M_{\text{N}_2}}{(y_{\text{N}_2} \times M_{\text{N}_2}) + (y_{\text{O}_2} \times M_{\text{O}_2})}$
    ② [숫자 대입] $w_{\text{N}_2} = \frac{0.79 \times 28}{(0.79 \times 28) + (0.21 \times 32)}$
    ③ [최종 결과] $w_{\text{N}_2} = 0.767$
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24. 탄소 70mol%, 수소 15mol% 및 기타 회분 등의 연소할 수 없는 물질로 구성된 석탄을 연소하여 얻은 연소가스의 조성이 CO2 15mol%, O2 4mol% 및 N2 81mol%일 때 과잉공기의 백분율은? (단, 공급되는 공기의 조성은 N2 79mol%, O2 21mol% 이다.)

  1. 4.9%
  2. 9.3%
  3. 16.2%
  4. 22.8%
(정답률: 39%)
  • 연소가스 중의 $N_{2}$를 기준으로 공급된 공기량과 이론 공기량을 계산하여 과잉공기율을 구하는 문제입니다.
    ① [기본 공식] $\text{과잉공기 \%} = ( \frac{\text{공급공기량}}{\text{이론공기량}} - 1 ) \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{과잉공기 \%} = ( \frac{81 / 79}{ (15 / 21) \times (1 / 0.7) } - 1 ) \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{과잉공기 \%} = 22.8\%$
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25. 25℃에서 용액 3L에 500g의 NaCl을 포함한 수용액에서 NaCl의 몰분율은? (단, 25℃ 수용액의 밀도는 1.15g/cm3이다.)

  1. 0.050
  2. 0.070
  3. 0.090
  4. 0.110
(정답률: 58%)
  • 용액의 밀도를 이용해 전체 질량을 구하고, 용질과 용매의 각각의 몰수를 계산하여 몰분율을 구합니다.
    ① [기본 공식] $X_{\text{NaCl}} = \frac{n_{\text{NaCl}}}{n_{\text{NaCl}} + n_{\text{H}_2\text{O}}}$
    ② [숫자 대입] $X_{\text{NaCl}} = \frac{\frac{500}{58.5}}{\frac{500}{58.5} + \frac{3000 \times 1.15 - 500}{18}}$
    ③ [최종 결과] $X_{\text{NaCl}} = 0.050$
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1

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26. 20 wt% NaCl 수용액을 mol%로 옳게 나타낸 것은?

  1. 1
  2. 3
  3. 5
  4. 7
(정답률: 60%)
  • 질량 백분율을 몰 백분율로 변환하기 위해 각 성분의 질량을 분자량으로 나누어 몰수를 구한 뒤, 전체 몰수 대비 성분 몰수의 비율을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{mol\%} = \frac{\frac{w_1}{M_1}}{\frac{w_1}{M_1} + \frac{w_2}{M_2}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{mol\%} = \frac{\frac{0.2}{58.5}}{\frac{0.2}{58.5} + \frac{0.8}{18}} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{mol\%} = 7.1$
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27. 0℃, 1atm에서 22.4m3의 혼합가스에 3000kcal의 열을 정압하에서 가열하였을 때, 가열 후 가스의 온도(℃)는? (단, 혼합가스는 이상기체로 가정하고, 혼합가스의 평균분자 열용량은 4.5kcal/kmol·℃이다.)

  1. 500.0
  2. 555.6
  3. 666.7
  4. 700.0
(정답률: 69%)
  • 정압 과정에서 가해진 열량은 몰수, 정압 몰열용량, 온도 변화의 곱으로 계산합니다. 표준 상태($0\text{℃}, 1\text{atm}$)에서 이상기체 $22.4\text{m}^3$는 $1\text{kmol}$에 해당합니다.
    ① [기본 공식] $q = n \times C_p \times \Delta T$
    ② [숫자 대입] $3000 = 1 \times 4.5 \times \Delta T$
    ③ [최종 결과] $\Delta T = 666.7$
    가열 후 온도는 초기 온도 $0\text{℃}$에 온도 변화량 $666.7\text{℃}$를 더한 $666.7\text{℃}$가 됩니다.
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28. 100℃에서 내부 에너지 100kcal/kg을 가진 공기 2kg이 밀폐된 용기 속에 있다. 이 공기를 가열하여 내부 에너지가 130kcal/kg이 되었을 때 공기에 전달되는 열량(kcal)은?

  1. 55
  2. 60
  3. 75
  4. 80
(정답률: 61%)
  • 밀폐된 용기 내에서 외부로 하는 일이 없으므로, 가해준 열량은 모두 내부 에너지의 증가량과 같습니다.
    ① [기본 공식] $Q = m \Delta U = m (U_{2} - U_{1})$
    ② [숫자 대입] $Q = 2 \times (130 - 100)$
    ③ [최종 결과] $Q = 60$
    따라서 전달되는 열량은 $60\text{ kcal}$ 입니다.
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29. 다음 중 증기압을 추산(推算)하는 식은?

  1. Clausius-Clapeyron 식
  2. Bernoulli 식
  3. Redlich-Kwong 식
  4. Kirchhoff 식
(정답률: 73%)
  • 온도에 따른 증기압의 변화를 설명하고 추산하는 데 사용되는 식은 Clausius-Clapeyron 식입니다.

    오답 노트
    Bernoulli 식: 유체의 에너지 보존 법칙
    Redlich-Kwong 식: 실제 기체의 상태 방정식
    Kirchhoff 식: 온도 변화에 따른 반응 엔탈피 계산
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30. 특정 성분의 질량분율이 XA인 수용액 L[kg]과 XB인 수용액 N[kg]을 혼합하여 XM의 질량분율을 갖는 수용액을 얻으려고 한다. L과 N의 비를 옳게 나타낸 것은?

(정답률: 58%)
  • 두 수용액을 혼합할 때 성분 A의 총 질량 보존 법칙을 이용하여 혼합비 $L/N$을 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $L X_{A} + N X_{B} = (L + N) X_{M}$
    ② [숫자 대입] $L (X_{A} - X_{M}) = N (X_{M} - X_{B})$
    ③ [최종 결과] $\frac{L}{N} = \frac{X_{M} - X_{B}}{X_{A} - X_{M}}$
    따라서 정답은 입니다.
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31. 상접점(plait point)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 추출상과 평형에 있는 추잔상의 점을 잇는 선의 중간점을 말한다.
  2. 상접점에서는 추출상과 추잔상의 조성이 같다.
  3. 추출상과 추잔상 사이에 유일한 상접점이 존재한다.
  4. 상접점은 추출을 할 수 있는 최적의 조건이다.
(정답률: 63%)
  • 상접점(Plait point)은 추출상과 추잔상의 조성이 일치하여 두 상의 구분이 없어지는 임계점을 의미합니다. 따라서 상접점에서는 추출상과 추잔상의 조성이 같으며, 대응선의 길이가 0이 됩니다.
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32. 기체흡수에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 기체속도가 일정하고 액 유속이 줄어드면 조작선의 기울기는 증가한다.
  2. 액체와 기체의 물 유량비(L/V)가 크면 조작선과 평형곡선의 거리가 줄어들어 흡수탑의 길이를 길게 하여야 한다.
  3. 액체와 기체의 몰 유량비(L/V)는 맞흐름 탑에서 흡수의 경제성에 미치는 영향이 크다.
  4. 물질전달에 대한 구동력은 조작선과 평형선 간의 수직거리에 반비례한다.
(정답률: 54%)
  • 액체와 기체의 몰 유량비(L/V)는 흡수탑의 높이와 효율, 즉 경제성에 결정적인 영향을 미치는 핵심 변수입니다.

    오답 노트
    기체속도 일정 시 액 유속 감소: 조작선 기울기(L/V)는 감소함
    L/V가 클 때: 조작선과 평형곡선의 거리가 멀어져 탑의 길이가 짧아짐
    구동력: 조작선과 평형선 간의 수직거리에 비례함
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33. 20℃, 1atm 공기 중 수증기 분압이 20mmHg일 때, 이 공기의 습도(kg수증기/kg건조공기)는? (단, 공기의 분자량은 30g/mol로 한다.)

  1. 0.016
  2. 0.032
  3. 0.048
  4. 0.064
(정답률: 63%)
  • 습도는 건조공기 1kg당 포함된 수증기의 질량으로 계산하며, 분압과 분자량의 비를 이용하여 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $H = \frac{M_{w}}{M_{a}} \times \frac{P_{w}}{P - P_{w}}$
    ② [숫자 대입] $H = \frac{18}{30} \times \frac{20}{760 - 20}$
    ③ [최종 결과] $H = 0.016$
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34. 같은 용적, 같은 압력하에서 있는 같은 온도의 두 이상기체 A와 B의 몰수 관계로 옳은 것은? (단, 분자량은 A＞B이다.)

  1. 주어진 조건으로는 알 수 없다.
  2. A ＞ B
  3. A ＜ B
  4. A = B
(정답률: 63%)
  • 아보가드로의 법칙에 따라 온도, 압력, 부피가 동일한 모든 이상기체는 분자량과 관계없이 동일한 수의 분자(몰수)를 포함합니다. 따라서 A와 B의 몰수는 같습니다.
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35. 다중효용관에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 마지막 효용관의 증기 공간 압력이 가장 높다.
  2. 첫 번째 효용관에는 생수증기(raw steam)가 공급된다.
  3. 수증기와 응축기 사이의 압력차는 다중효용관에서 두 개 또는 그 이상의 효용관에 걸쳐 분산된다.
  4. 다중효용관 설계에 있어서 보통 원하는 결과는 소모된 수증기량, 소요 가열 면적, 여러 효용관에서 근사적 온도, 마지막 효용관을 떠나는 증기량 등이다.
(정답률: 59%)
  • 다중효용관은 앞 증발관에서 발생한 증기를 다음 증발관의 가열원으로 재사용하여 효율을 높이는 장치입니다.
    이 과정에서 증기가 원활하게 흐르기 위해서는 다음 효용관의 압력이 이전보다 낮아야 합니다. 따라서 최종 증발관으로 갈수록 압력이 낮아지며, 마지막 효용관의 증기 공간 압력이 가장 낮습니다.
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36. 2중효용간 증발기에서 비점상승이 무시되는 액체를 농축하고 있다. 제1증발관에 들어가는 수증기의 온도는 110℃이고 제2증발관에서 용액 비점은 82℃이다. 제1, 2증발관의 총괄열전달계수는 각각 300, 100W/m2·℃일 경우 제1증발관 액체의 비점(℃)은?

  1. 110
  2. 103
  3. 96
  4. 89
(정답률: 45%)
  • 2중효용 증발기에서 각 증발관의 열전달률($Q$)이 동일하다고 가정하여 액체의 비점을 구할 수 있습니다.
    $$Q = U \times A \times \Delta T$$
    $$\text{제1관 } U_1 \Delta T_1 = \text{제2관 } U_2 \Delta T_2$$
    $$\text{제1관 } 300 \times (110 - T_1) = \text{제2관 } 100 \times (T_1 - 82)$$
    $$33000 - 300T_1 = 100T_1 - 8200$$
    $$400T_1 = 41200$$
    $$T_1 = 103$$
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37. 다음 중 왕복식 펌프는?

  1. 기어 펌프(gear pump)
  2. 볼류트 펌프(volute pump)
  3. 플런저 펌프(plunger pump)
  4. 터빈 펌프(turbine pump)
(정답률: 55%)
  • 플런저 펌프는 피스톤이나 플런저의 왕복 운동을 통해 유체를 이송하는 대표적인 왕복식 펌프입니다.

    오답 노트
    기어 펌프: 회전 펌프
    볼류트 펌프, 터빈 펌프: 원심 펌프
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38. 초미분쇄기(ultrafine grinder)인 유체-에너지 밀(mill)의 분쇄 원리로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 입자 간 마멸
  2. 입자와 기벽 간 충돌
  3. 입자와 기벽 간 마찰
  4. 입자와 기벽 간 열전달
(정답률: 63%)
  • 유체-에너지 밀은 고속의 유체 흐름을 이용하여 입자 간의 마멸, 입자와 기벽 간의 충돌 및 마찰을 통해 분쇄가 이루어지는 장치입니다. 열전달은 분쇄의 물리적 원리가 아닙니다.
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39. 압력용기에 연결된 지름이 일정한 관(pipe)을 통하여 대기로 기체가 흐를 경우에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 무제한 빠른 속도로 흐를 수 있다.
  2. 빛의 속도에 근접한 속도로 흐를 수 있다.
  3. 초음속으로 흐를 수 없다.
  4. 종류에 따라서 초음속으로 흐를 수 있다.
(정답률: 56%)
  • 단면적이 일정한 관을 통해 기체가 흐를 때, 유속은 출구에서 최대 음속($M=1$)까지만 도달할 수 있습니다. 따라서 관 내부에서 음속보다 빠른 초음속으로 흐르는 것은 불가능합니다.
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40. 원통관 내에서 레이놀즈(Reynolds) 수가 1600인 상태로 흐르는 유체의 Fanning 마찰계수는?

  1. 0.01
  2. 0.02
  3. 0.03
  4. 0.04
(정답률: 57%)
  • 층류 영역에서 원통관 내 유체의 Fanning 마찰계수는 레이놀즈 수에 반비례하는 관계를 가집니다.
    ① [기본 공식] $f = \frac{16}{Re}$
    ② [숫자 대입] $f = \frac{16}{1600}$
    ③ [최종 결과] $f = 0.01$
  • 16(층류에선 16 고정) / Re = 16 / 1600 = 0.01
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3과목: 공정제어

41. 유체가 유입부를 통하여 유입되고 있고, 펌프가 설치된 유출부를 통하여 유출되고 있는 드럼이 있다. 이 때 드럼의 액위를 유출부에 설치된 제어밸브의 개폐정도를 조절하여 제어하고자 할 때, 다음 설명 중 옳은 것은?

  1. 유입유량의 변화가 없다면 비례동작만으로도 설정점 변화에 대하여 오프셋 없는 제어가 가능하다.
  2. 설정점 변화가 없다면 유입유량의 변화에 대하여 비례동작만으로도 오프셋 없는 제어가 가능하다.
  3. 유입유량이 일정할 때 유출유량을 계단으로 변화시키면 액위는 시간이 지난 다음 어느 일정수준을 유지하게 된다.
  4. 유출유량이 일정할 때 유입유량이 계단으로 변화되면 액위는 시간이 지난 다음 어느 일정수준을 유지하게 된다.
(정답률: 33%)
  • 비례 제어에서 설정점(Set-point)이 변할 때, 외란(유입유량 변화)이 없다면 제어 밸브의 조작량 변화만으로 새로운 평형점에 도달하여 오프셋 없이 제어가 가능합니다.

    오답 노트
    유입유량 변화 시: 외란이 발생한 경우 비례동작만으로는 반드시 오프셋이 발생함
    유입/유출량 계단 변화 시: 적분 제어가 없다면 액위는 일정 수준에서 유지되나 설정점과는 차이가 있는 오프셋 상태가 됨
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42. 편차(offset)는 제거할 수 있으나 미래의 에러(error)를 반영할 수 없어 제어성능향상에 한계를 가지는 제어기는? (단, 모든 제어기들이 튜닝이 잘 되었을 경우로 가정한다.)

  1. P형
  2. PD형
  3. PI형
  4. PID형
(정답률: 67%)
  • PI 제어기는 적분(I) 동작을 통해 정상 상태 오차인 편차(offset)를 완전히 제거할 수 있습니다. 하지만 미분(D) 동작이 없기 때문에 미래의 에러를 예측하여 제어하는 능력이 부족하여 제어 성능 향상에 한계가 있습니다.

    오답 노트
    P형: 편차(offset)가 잔류함
    PD형: 편차 제거 불가, 응답 속도 개선
    PID형: 편차 제거 및 미래 에러 반영 가능
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43. 다음 블록선도에서 서보 문제(servo problem)의 전달함수는?

(정답률: 71%)
  • 피드백 제어 시스템에서 폐루프 전달함수는 전향 경로 이득을 $1 +$ (루프 이득)으로 나눈 값으로 계산합니다. 주어진 블록선도에서 전향 경로 이득은 $G_C G_I$이며, 루프 이득 또한 $G_C G_I$입니다.
    $$\text{전달함수} = \frac{\text{전향 경로 이득}}{1 + \text{루프 이득}}$$
    $$\text{전달함수} = \frac{G_C G_I}{1 + G_C G_I}$$
    $$\text{결과} = \frac{G_C G_I}{1 + G_C G_I}$$
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44. 다음 전달함수를 갖는 계(system) 중 sin 응답에서 phase lead를 나타내는 것은?

(정답률: 45%)
  • 위상 리드(Phase Lead)는 출력 신호가 입력 신호보다 위상이 앞서는 것을 의미하며, 전달함수에서 분모가 아닌 분자에 미분 성분($$s$$)이 포함된 형태일 때 나타납니다. 제시된 보기 중 는 $$1 + \tau s$$ 형태의 분자 항을 가져 위상을 앞당기는 특성을 가집니다.
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45. 다음 중 가능한 한 커야 하는 계측기의 특성은?

  1. 감도(sensitivity)
  2. 시간상수(time constant)
  3. 응답시간(response time)
  4. 수송지연(transportation lag)
(정답률: 65%)
  • 감도는 입력 변화에 대해 출력 변화가 얼마나 민감하게 나타나는지를 나타내는 척도입니다. 계측기는 작은 변화도 정확하게 감지하여 출력해야 하므로 감도가 클수록 성능이 우수한 계측기입니다.

    오답 노트
    시간상수, 응답시간, 수송지연: 모두 응답 속도와 관련된 지표로, 값이 작을수록 빠르게 반응하므로 작아야 유리합니다.
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46. 어떤 계의 단위계단 응답이 다음과 같을 경우 이 계의 단위충격 응답(impulse response)은?

(정답률: 62%)
  • 단위충격 응답은 단위계단 응답을 시간에 대해 미분하여 구할 수 있습니다.
    주어진 단위계단 응답 $Y(t) = 1 - (1 + \frac{t}{\tau})e^{-\frac{t}{\tau}}$를 미분하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $y_{impulse}(t) = \frac{d}{dt} Y(t)$
    ② [숫자 대입] $y_{impulse}(t) = \frac{d}{dt} [1 - (1 + \frac{t}{\tau})e^{-\frac{t}{\tau}}]$
    ③ [최종 결과]
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47. 다음 블록선도의 총괄전달함수(C/R)로 옳은 것은?

(정답률: 78%)
  • 피드백 루프가 있는 블록선도의 총괄전달함수는 $\frac{\text{전향경로 이득}}{1 + (\text{전향경로 이득} \times \text{피드백 경로 이득})}$ 공식을 사용하여 구합니다.
    전향경로 이득은 $G_1, G_2, G_3$의 곱이며, 피드백 경로 이득은 $G_m$입니다.
    ① [기본 공식] $\frac{G_1 G_2 G_3}{1 + G_1 G_2 G_3 G_m}$
    ② [숫자 대입] (이미지 수식과 동일)
    ③ [최종 결과]
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48. 1차계의 시간상수에 대한 설명이 아닌 것은?

  1. 시간의 단위를 갖는 계의 특정상수이다.
  2. 그 계의 용량가 저항의 곱과 같은 값을 갖는다.
  3. 직선관계로 나타나는 입력함수와 출력함수 사이의 비례상수이다.
  4. 단위계단 변화시 최종치의 63%에 도달하는데 소요되는 시간과 같다.
(정답률: 51%)
  • 1차계의 시간상수는 계의 응답 속도를 나타내는 지표로, 입력 변화 후 최종값의 63.2%에 도달하는 시간을 의미합니다.

    오답 노트
    비례상수: 시간상수는 시간의 단위를 가지며, 입력과 출력 사이의 비례 관계를 나타내는 이득(Gain)과는 다른 개념임
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49. 전달함수의 극(pole)과 영(zero)에 관한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 순수한 허수 pole은 일정한 진폭을 가지고 진동이 지속되는 응답 모드에 대응된다.
  2. 양의 zero는 전달함수가 불안정함을 의미한다.
  3. 양의 zero는 계단입력에 대해 역응답을 유발할 수 있다.
  4. 물리적 공정에서는 pole의 수가 zero의 수보다 항상 같거나 많다.
(정답률: 39%)
  • 전달함수의 안정성은 분모의 근인 극(pole)의 위치에 의해 결정되며, 분자의 근인 영(zero)의 위치는 응답의 형태(역응답 등)에 영향을 줄 뿐 계의 안정성 자체를 결정하지 않습니다.

    오답 노트
    순수한 허수 pole: 진폭이 일정한 지속 진동 발생
    양의 zero: 계단 입력 시 초기 방향이 반대로 나타나는 역응답 유발 가능
    물리적 공정: 인과성 원리에 의해 pole의 수가 zero의 수보다 많거나 같음
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50. 사람이 원하는 속도, 원하는 방향으로 자동차를 운전할대 일어나는 상황이 공정제어 시스템과 비교될 때 연결이 잘못된 것은?

  1. 눈 - 계측기
  2. 손 - 제어기
  3. 발 – 최종 제어 요소
  4. 자동차 – 공정
(정답률: 57%)
  • 자동차 운전 시스템에서 운전자의 '뇌'가 현재 상태를 판단하고 조작량을 결정하는 제어기 역할을 수행하며, '손'은 결정된 명령을 전달하는 조작 수단에 해당합니다.

    오답 노트
    손 - 제어기: 제어기는 판단을 내리는 뇌에 해당함
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51. 제어계가 안정하려면 특성방정식의 모든 근이 S평면상의 어느 영역에 있어야 하는가?

  1. 실수부(+), 허수부(-)
  2. 실수부(-)
  3. 허수부(-)
  4. 근이 존재하지 않아야 함
(정답률: 64%)
  • 제어계의 응답이 시간이 지남에 따라 감쇠하여 수렴(안정)하려면, 특성방정식의 근(극점)의 실수부가 반드시 음수여야 합니다. 실수부가 양수이면 지수함수적으로 발산하여 불안정해집니다.
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52. 되먹임 제어(feedback control)가 가장 용이한 공정은?

  1. 시간지연이 큰 공정
  2. 역응답이 큰 공정
  3. 응답속도가 빠른 공정
  4. 비선형성이 큰 공정
(정답률: 60%)
  • 되먹임 제어는 출력값을 측정하여 입력에 반영하는 구조이므로, 공정의 응답속도가 빨라야 제어기가 적절한 시점에 보정 동작을 수행하여 시스템을 안정적으로 유지할 수 있습니다.

    오답 노트
    시간지연이 큰 공정: 제어 시점이 늦어져 진동이나 불안정 발생
    역응답이 큰 공정: 초기 반응이 반대로 나타나 제어 어려움
    비선형성이 큰 공정: 선형 제어기 적용이 어렵고 복잡함
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53. 전달함수가 인 2차계의 단위계단응답은?

  1. 1 – e-t(cos t + sin t)
  2. 1 + e-t(cos t + sin t)
  3. 1 – e-t(cos t - sin t)
  4. 1 – et(cos t + sin t)
(정답률: 41%)
  • 전달함수 $G(s) = \frac{2}{s^2 + 2s + 2}$에 단위계단입력 $$R(s) = \frac{1}{s}$$ 을 곱한 후 역라플라스 변환을 수행합니다.
    $$y(s) = \frac{2}{s(s^2 + 2s + 2)} = \frac{1}{s} - \frac{s+2}{s^2 + 2s + 2} = \frac{1}{s} - \frac{(s+1)+1}{(s+1)^2 + 1}$$
    이를 시간 영역으로 변환하면 $y(t) = 1 - e^{-t}(\cos t + \sin t)$가 됩니다.
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54. 폐회로의 응답이 다음 식과 같이 주어진 제어계의 설정점(set point)에 단위계단변화(unit step change)가 일어났을 때, 잔류편차(offset)는? (단, y(s) : 출력, R(s) : 설정점이다.)

  1. -0.8
  2. -0.2
  3. 0.2
  4. 0.8
(정답률: 49%)
  • 최종값 정리를 이용하여 단위계단입력($$R(s) = \frac{1}{s}$$)에 대한 정상상태 출력값을 구한 뒤, 설정점과의 차이인 잔류편차를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $Offset = R(s)_{final} - y(s)_{final} = 1 - \lim_{s \to 0} s \cdot y(s)$
    ② [숫자 대입] $Offset = 1 - \lim_{s \to 0} s \cdot \frac{0.2}{3s+1} \cdot \frac{1}{s} = 1 - 0.2$
    ③ [최종 결과] $Offset = 0.8$
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55. 어떤 공정의 전달함수가 G(s)이고 G(2i) = -1 – i 일때, 공정입력으로 u(t) = 2sin(2t)를 입력하면 시간이 많이 지난 후에 y(t)로 옳은 것은?(오류 신고가 접수된 문제입니다. 반드시 정답과 해설을 확인하시기 바랍니다.)

  1. y(t) = √2 sin(2t)
  2. y(t) = -√2 sin(2t + π/4)
  3. y(t) = 2√2 sin(2t - π/4)
  4. y(t) = 2√2 sin(2t – 3π/4)
(정답률: 24%)
  • 정현파 입력에 대한 정상 상태 응답은 입력 진폭에 전달함수의 크기를 곱하고, 위상에 전달함수의 각도를 더하여 구합니다.
    전달함수 $G(2i) = -1 - i$의 크기와 위상을 구하면 다음과 같습니다.
    크기: $|G(2i)| = \sqrt{(-1)^{2} + (-1)^{2}} = \sqrt{2}$
    위상: $\angle G(2i) = \tan^{-1}(\frac{-1}{-1})$이며 3사분면 각도이므로 $-135^{\circ}$ 또는 $-\frac{3\pi}{4}$ rad 입니다.
    최종 응답 $y(t)$는 입력 진폭 $2$에 크기 $\sqrt{2}$를 곱하고 위상 $-\frac{3\pi}{4}$를 더한 형태가 됩니다.
    ① [기본 공식] $y(t) = A \cdot |G(j\omega)| \sin(\omega t + \angle G(j\omega))$
    ② [숫자 대입] $y(t) = 2 \cdot \sqrt{2} \sin(2t - \frac{3\pi}{4})$ )
    ③ [최종 결과] $y(t) = 2\sqrt{2} \sin(2t - \frac{3\pi}{4})$
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56. 연속 입출력 흐름과 내부 전기 가열기가 있는 저장조의 온도를 설정값으로 유지하기 위해 들어오는 입력흐름의 유량과 내부 가열기에 공급 전력을 조작하여 출력흐름의 온도와 유량을 제어하고자 하는 시스템의 분류로 적절한 것은?

  1. 다중 입력 – 다중 출력 시스템
  2. 다중 입력 – 단일 출력 시스템
  3. 단일 입력 – 단일 출력 시스템
  4. 단일 입력 – 다중 출력 시스템
(정답률: 67%)
  • 시스템의 입력(조작 변수)은 '입력흐름의 유량'과 '내부 가열기 공급 전력'으로 2개이며, 출력(제어 변수)은 '출력흐름의 온도'와 '유량'으로 2개입니다. 따라서 입력과 출력이 모두 여러 개인 다중 입력 – 다중 출력 시스템(MIMO)으로 분류됩니다.
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57. 다음과 같은 보드 선도(Bode plot)로 표시되는 제어기는?

  1. 비례 제어기
  2. 비례 – 적분 제어기
  3. 비례 – 미분 제어기
  4. 적분 – 미분 제어기
(정답률: 54%)
  • 제시된 보드 선도 를 보면, 저주파 영역에서는 이득이 일정하다가 특정 주파수 이후로 이득이 $+20\text{dB/dec}$의 기울기로 증가하는 특성을 보입니다. 이는 비례 제어(상수 이득)와 미분 제어(주파수에 비례하여 이득 증가)가 결합된 비례-미분 제어기의 전형적인 특징입니다.
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58. 함수 f(t)(t≧0)의 라플라스 변환(Laplace transtorm)을 F(s)라 할 때, 다음 설명 중 틀린 것은?

  1. 모든 연속함수 f(t)가 이에 대응하는 F(s)를 가즌 것은 아니다.
  2. g(t)(t≧0)의 라플라스 변환을 G(s)라 할 때, f(t)g(t)의 라플라스 변환은 F(s)G(s)이다.
  3. g(t)(t≧0)의 라플라스 변환을 G(s)라 할 때, f(t)+g(t)의 라플라스 변환은 F(s)+G(s)이다.
  4. d2f(t)/dt2의 라플라스 변환을 s2F(s) - sf(0) - df(0)/dt 이다.
(정답률: 59%)
  • 라플라스 변환은 선형 연산자이므로 합의 변환은 각각의 변환의 합과 같지만, 시간 영역에서의 곱 $f(t)g(t)$의 라플라스 변환은 단순히 $F(s)G(s)$가 되지 않습니다. 시간 영역의 곱은 복소 영역에서 컨볼루션(Convolution) 연산으로 나타납니다.

    오답 노트
    모든 연속함수: 지수적으로 증가하는 함수 등은 라플라스 변환이 존재하지 않을 수 있음
    합의 변환: 라플라스 변환의 선형성에 의해 성립함
    2계 미분 변환: 미분 법칙에 의해 $s^{2}F(s) - sf(0) - f'(0)$으로 변환됨
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59. Routh array에 의한 안정성 판별법 중 옳지 않은 것은?

  1. 특성방정식의 계수가 다른 부호를 가지면 불안정하다.
  2. Routh array의 첫 번째 컬럼의 부호가 바뀌면 불안정하다.
  3. Routh array test를 통해 불안정한 Pole의 개수도 알 수 있다.
  4. Routh array의 첫 번째 컬럼에 0이 존재하면 불안정하다.
(정답률: 50%)
  • Routh array의 첫 번째 열에 0이 존재한다고 해서 무조건 불안정한 것은 아닙니다. 첫 번째 열에 0이 나타나면 특수 경우(Special Case)로 처리하여 분석을 계속 진행해야 하며, 실제 불안정 여부는 부호 변화의 횟수로 판별합니다.

    오답 노트
    특성방정식 계수 부호 다름: 계수 중 하나라도 부호가 다르면 우반평면에 근이 존재하여 불안정함
    첫 번째 컬럼 부호 변화: 부호 변화 횟수만큼 우반평면에 극점이 존재하여 불안정함
    불안정한 Pole 개수: 첫 번째 열의 부호 변화 횟수가 곧 불안정한 극점의 개수임
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60. PID 제어기의 조율방법에 대한 설명으로 가장 올바른 것은?

  1. 공정의 이득이 클수록 제어기 이득 값도 크게 설정해 준다.
  2. 공정의 시상수가 클수록 적분시간 값을 크게 설정해 준다.
  3. 안정성을 위해 공정의 시간지연이 클수록 제어기 이득 값을 크게 설정해 준다.
  4. 빠른 폐루프 응답을 위하여 제어기 이득값을 작게 설정해 준다.
(정답률: 34%)
  • PID 제어기 조율 시, 공정의 시상수(Time Constant)는 시스템의 응답 속도를 결정합니다. 공정의 시상수가 클수록 시스템의 반응이 느리므로, 이에 맞춰 적분시간 값을 크게 설정하여 오버슈트를 방지하고 안정적인 제어를 수행해야 합니다.
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4과목: 공업화학

61. 암모니아 합성방법과 사용되는 압력(atm)을 짝지어 놓은 것 중 옳은 것은?

  1. Casale법 – 약 300atm
  2. Fauser법 – 약 600atm
  3. Claude법 – 약 1000atm
  4. Haber-Bosch법 – 약 500atm
(정답률: 51%)
  • 암모니아 합성법은 공법에 따라 운전 압력이 다릅니다. Claude법은 약 $1000\text{ atm}$의 고압에서 운전되는 것이 특징입니다.

    오답 노트
    Haber-Bosch법: 약 $300\text{ atm}$
    Casale법: 약 $700\sim800\text{ atm}$
    Fauser법: 약 $200\sim300\text{ atm}$
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62. 니트로벤젠을 환원시켜 아닐린을 얻을 때 다음 중 가장 적합한 환원제는?

  1. Zn + Water
  2. Zn + Acid
  3. Alkaline Sulfide
  4. Zn + Alkali
(정답률: 69%)
  • 니트로벤젠($C_{6}H_{5}NO_{2}$)을 아닐린($C_{6}H_{5}NH_{2}$)으로 환원시키기 위해서는 강한 환원 환경이 필요합니다. 일반적으로 아연($Zn$)과 산(Acid)의 조합을 사용하여 니트로기를 아미노기로 환원시키는 것이 가장 적합합니다.
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63. Leblanc법 소다회 제조공정이 오늘날 전적으로 폐기된 이유로 옳은 것은?

  1. 수동적인 공정(batch process)
  2. 원료인 Na2SO4의 공급난
  3. 고순도 석탄의 수요증가
  4. NaS 등 부산물의 수요감소
(정답률: 57%)
  • Leblanc법은 소금을 황산분해하여 황산나트륨을 만들고, 이를 다시 석회석, 석탄과 혼합 가열하여 소다회를 얻는 복잡한 공정입니다. 이 방식은 연속 공정이 아닌 수동적인 공정(batch process)으로 운영되어 효율성이 매우 낮기 때문에 현대 공정에서는 전적으로 폐기되었습니다.
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64. 다음 원유 및 석유 성분 중 질소 화합물에 해당하는 것은?

  1. 나프텐산
  2. 피리딘
  3. 나프토티오펜
  4. 벤조티오펜
(정답률: 73%)
  • 피리딘, 퀴놀린, 카르바졸, 인돌, 피롤 유도체는 대표적인 원유 내 질소 화합물입니다.

    오답 노트
    나프텐산: 카르복실산 계열
    나프토티오펜, 벤조티오펜: 황 화합물
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65. 염화수소 가스의 직접 합성 시 화학반응식이 다음과 같을 때 표준상태 기준으로 200L의 수소가스를 연소시킬 때 발생되는 열량(kcal)은?

  1. 365
  2. 394
  3. 407
  4. 603
(정답률: 68%)
  • 표준 상태에서 수소 가스의 몰수를 구한 뒤, 반응 엔탈피를 이용하여 발생 열량을 계산하는 문제입니다.
    표준 상태($0^{\circ}C, 1\text{atm}$)에서 기체 1 mol의 부피는 $22.4$ L임을 이용합니다.
    ① [기본 공식] $Q = \frac{V}{22.4} \times \Delta H$
    ② [숫자 대입] $Q = \frac{200}{22.4} \times 44.12$
    ③ [최종 결과] $Q = 394$ kcal
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66. 전화 공정 중 아래의 설명에 부합하는 것은?

  1. 열분해법
  2. 이성화법
  3. 접촉분해법
  4. 수소화분해법
(정답률: 54%)
  • 제시된 이미지 의 설명처럼 수소화/탈수소화 및 탄소양이온 형성 촉진 이원기능 촉매를 사용하고, Platforming이나 Ultraforming 공정을 통해 가솔린의 옥탄가를 높이는 공정은 접촉분해법(접촉개질)의 특징입니다.
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67. 디메틸텔레프탈레이트와 에틸렌글리콜을 축중합하여 얻어지는 것은?

  1. 아크릴 섬유
  2. 폴리아미드 섬유
  3. 폴리에스테르 섬유
  4. 폴리비닐알코올 섬유
(정답률: 59%)
  • 디메틸텔레프탈레이트(DMT) 또는 테레프탈산(TPA)과 에틸렌글리콜이 축중합 반응을 일으키면 에스테르 결합이 형성되어 폴리에스테르 섬유가 생성됩니다.

    오답 노트
    아크릴 섬유: 아크릴로니트릴의 현탁중합
    폴리아미드 섬유: 헥사메틸렌디아민과 아디프산의 축합중합 또는 카프로락탐의 개환중합
    폴리비닐알코올 섬유: 비닐아세테이트의 중합
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68. 정상상태의 라디칼 중합에서 모노머가 2000개 소모되었다. 이 반응은 2개의 라디칼에 의하여 개시·성장되었고, 재결합에 의하여 정지반응이 이루어졌을 때, 생성된 고분자의 동역학적 사슬 길이ⓐ와 중합도ⓑ는?

  1. ⓐ : 1000, ⓑ : 1000
  2. ⓐ : 1000, ⓑ : 2000
  3. ⓐ : 1000, ⓑ : 4000
  4. ⓐ : 2000, ⓑ : 4000
(정답률: 59%)
  • 동역학적 사슬 길이는 소모된 모노머 수를 개시된 라디칼 수로 나눈 값이며, 재결합 정지 시 중합도는 사슬 길이의 2배가 됩니다.
    ① [기본 공식]
    $a = \frac{M}{R}$
    $b = 2 \times a$
    ② [숫자 대입]
    $a = \frac{2000}{2}$
    $b = 2 \times 1000$
    ③ [최종 결과]
    $a = 1000, b = 2000$
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69. 소금물의 전기분해에 의한 가성소다 제조공정 중 격막식 전해조의 전력원단위를 향상시키기 위한 조치로서 옳지 않은 것은?

  1. 공급하는 소금물을 양극액 온도와 같게 예열하여 공급한다.
  2. 동판 등 전해조 자체의 재료의 저항을 감소시킨다.
  3. 전해조를 보온한다.
  4. 공급하는 소금물의 망초(Na2SO4) 함량을 2% 이상 유지한다.
(정답률: 66%)
  • 전력원단위를 향상시키기 위해서는 전해조의 전체 저항을 낮추어 전압 강하를 줄여야 합니다. 소금물의 예열, 전해조 재료의 저항 감소, 보온 조치는 모두 전도도를 높이거나 열 손실을 막아 효율을 높이는 방법입니다. 하지만 망초($Na_{2}SO_{4}$) 함량을 높게 유지하는 것은 오히려 불순물 농도를 높여 공정 효율을 저해하므로 옳지 않은 조치입니다.
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70. 다음 중 설폰화 반응이 가장 일어나기 쉬운 화합물은?

(정답률: 60%)
  • 설폰화 반응은 친전자성 치환반응으로, 벤젠 고리에 전자를 공급하는 활성기가 붙어 있을수록 반응이 더 쉽게 일어납니다.
    제시된 보기 중 의 아미노기($-NH_2$)는 매우 강력한 전자 공여체로 작용하여 벤젠 고리의 전자 밀도를 높여주므로 설폰화 반응이 가장 일어나기 쉽습니다.
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71. 부식반응에 대한 구동력(electromotive force) E는? (단, △G는 깁스자유에너지, n는 금속 1몰당 전자의 몰수, F는 패러데이 상수이다.)

  1. E = -nF
  2. E = -nF/△G
  3. E = -nF△G
  4. E = -△G/nF
(정답률: 65%)
  • 깁스 자유 에너지 변화량($\Delta G$)과 전기화학적 전위(구동력, $E$) 사이의 관계식을 통해 구할 수 있습니다.
    $$\Delta G = -nFE$$
    위 식을 $E$에 대해 정리하면 다음과 같습니다.
    $$E = -\frac{\Delta G}{nF}$$
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72. 양이온 중합에서 공개시제(coinitiator)로 사용되는 것은?

  1. Lewis 산
  2. Lewis 염기
  3. 유기금속염기
  4. sodium amide
(정답률: 62%)
  • 양이온 중합의 개시 단계에서는 단량체(monomer)를 양이온 상태로 만들기 위해 전자를 받는 성질이 강한 Lewis 산이 공개시제로 사용됩니다.
    대표적인 예로 $AlCl_{3}$와 같은 Lewis 산이 initiator와 반응하여 $R^{+}$이온을 생성함으로써 중합을 시작시킵니다.
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73. 반도체에서 Si의 건식식각에 사용하는 기체가 아닌 것은?

  1. CF4
  2. HBr
  3. C6H6
  4. CClF
(정답률: 68%)
  • Si(실리콘)의 건식 식각에는 주로 불소(F)나 염소(Cl) 계열의 할로겐 가스가 사용됩니다. $C_{6}H_{6}$(벤젠)은 방향족 탄화수소로 식각 가스로 사용되지 않습니다.
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74. Friedel – Crafts 반응에 사용하지 않는 것은?

  1. CH3COCH3
  2. (CH3CO)2O
  3. CH3Ch = CH2
  4. CH3CH2Cl
(정답률: 39%)
  • Friedel-Crafts 반응은 루이스 산 촉매를 이용해 벤젠 고리에 알킬기($-R$)나 아실기($-COR$)를 도입하는 반응입니다. 아세톤($CH_{3}COCH_{3}$)은 이미 케톤 구조를 가지고 있어 루이스 산이 반응할 수 있는 적절한 이탈기나 활성 지점이 없으므로 이 반응에 사용할 수 없습니다.

    오답 노트
    $(CH_{3}CO)_{2}O$: 산무수물로서 아실화 반응에 사용됨
    $CH_{3}CH=CH_{2}$: 불포화 탄화수소로서 알킬화 반응에 사용됨
    $CH_{3}CH_{2}Cl$: 할로겐화 알킬로서 알킬화 반응에 사용됨
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75. 석유 정제공정에서 사용되는 증류법 중 중질유의 비점이 강하되어 가장 낮은 온도에서 고비점 유분을 유출시키는 증류법은?

  1. 가압증류법
  2. 상압증류
  3. 공비증류법
  4. 수증기증류법
(정답률: 54%)
  • 수증기증류법은 물(수증기)을 함께 가하여 혼합물의 전체 증기압을 높임으로써, 성분 물질의 단독 비점보다 훨씬 낮은 온도에서 고비점 유분을 유출시킬 수 있는 방법입니다.
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76. 인산 제조법 중 건식법에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 전기로법과 용광로법이 있다.
  2. 철과 알루미늄 함량이 많은 저품위의 광석도 사용할 수 있다.
  3. 인의 기화와 산화를 별도로 진행시킬 수 있다.
  4. 철, 알루미늄, 칼슘의 일부가 인산 중에 함유되어 있어 순도가 낮다.
(정답률: 62%)
  • 건식법은 인광석을 고온 처리하여 $P_{2}O_{5}$가스를 생성한 후 물과 반응시키는 방식으로, 불순물을 분리하여 고순도의 인산을 얻을 수 있는 공정입니다. 따라서 철, 알루미늄, 칼슘의 일부가 인산 중에 함유되어 있어 순도가 낮다는 설명은 틀린 내용입니다.

    오답 노트
    전기로법과 용광로법이 있다: 건식법의 대표적 방식임
    저품위 광석 사용 가능: 고온 처리 공정 특성상 가능함
    기화와 산화 별도 진행: 공정 제어를 통해 가능함
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77. 접촉식 황산 제조 공정에서 이산화황이 산화되어 삼산화황으로 전환하여 평형상태에 도달한다. 삼산화황 1kmol을 생산하기 위해 필요한 공기의 최소량(Sm3)은?

  1. 53.3
  2. 40.8
  3. 22.4
  4. 11.2
(정답률: 40%)
  • 삼산화황($SO_{3}$) 1 kmol을 생산하기 위해 필요한 산소의 양과 공기의 부피를 계산하는 문제입니다.
    반응식 $SO_{2} + 0.5O_{2} \rightarrow SO_{3}$에 따라 $SO_{3}$ 1 kmol당 $0.5$ kmol의 $O_{2}$가 필요하며, 공기 중 산소 농도 $21\%$를 적용하여 전체 공기량을 구합니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{0.5}{0.21} \times 22.4$
    ② [숫자 대입] $V = 2.38 \times 22.4$
    ③ [최종 결과] $V = 53.3$ Sm$^{3}$
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78. 모노글리세라이드에 대한 설명으로 가장 옳은 것은?

  1. 양쪽성 계면활성제이다.
  2. 비이온 계면활성제이다.
  3. 양이온 계면활성제이다.
  4. 음이온 계면활성제이다.
(정답률: 52%)
  • 모노글리세라이드는 글리세롤의 세 가지 히드록시기 중 하나에만 지방산이 결합한 구조로, 전하를 띠지 않는 친수성 머리와 소수성 꼬리를 가진 비이온 계면활성제입니다.
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79. 암모니아와 산소를 이용하여 질산을 합성할 때, 생성되는 질산 용액의 농도(wt%)는?

  1. 68
  2. 78
  3. 88
  4. 98
(정답률: 71%)
  • 해당 문제는 주어진 조건이 부족하여 정답 도출 과정의 증명이 불가능하므로 스킵합니다.
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80. 다음 중 칼륨비료의 원료가 아닌 것은?

  1. 칼륨광물
  2. 초목재
  3. 간수
  4. 골분
(정답률: 56%)
  • 칼륨비료의 원료로는 칼륨광물, 초목재, 간수, 해초, 볏집재 등이 사용됩니다.

    오답 노트
    골분: 인산비료의 원료
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5과목: 반응공학

81. 다음 그림은 이상적 반응기의 설계 방정식의 반응시간을 결정하는 그림이다. 회분 반응기의 반응시간에 해당하는 면적으로 옳은 것은? (단, 그림에서 점 D의 CA 값은 반응 끝 시간의 값을 나타낸다.)

  1. ABCD
  2. ABE
  3. BCDE
  4. ABCD
(정답률: 65%)
  • 회분 반응기(Batch Reactor)의 반응 시간은 $\frac{1}{-r_{A}}$ 대 $C_{A}$ 그래프에서 초기 농도부터 최종 농도까지의 적분 면적으로 결정됩니다. 따라서 $C_{A}$ 축의 범위가 $D$에서 $C$까지이고, 곡선 아래의 면적인 BCDE 영역이 반응 시간에 해당합니다.
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82. 자동촉매반응에서 낮은 전화율의 생성물을 원할 때 옳은 것은?

  1. 플러그흐름반응기로 반응시키는 것이 더 효과적이다.
  2. 혼합흐름반응기로 반응시키는 것이 더 효과적이다.
  3. 반응기의 종류와 상관없이 동일하다.
  4. 온도에 따라 효과적인 반응기가 다르다.
(정답률: 65%)
  • 자동촉매반응은 반응 초기에는 속도가 느리다가 생성물이 축적되면서 속도가 증가하는 특성을 가집니다. 그래프와 같이 낮은 전화율(높은 $C_{A}$) 영역에서는 반응 속도가 낮으므로, 이미 생성물이 혼합되어 반응 속도를 높여줄 수 있는 혼합흐름반응기(CSTR)를 사용하는 것이 더 효과적입니다.
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83. 플러그흐름반응기에서 0차 반응(A→R)이 반응속도가 10mol/L·h 로 반응하고 있을 때, 요구되는 반응기의 부피(L)는? (단, 반응물의 초기공급속도 : 1000 mol/h, 반응물의 초기농도 : 10 mol/L, 반응물의 출구농도 : 5mol/L 이다.)

  1. 10
  2. 50
  3. 100
  4. 150
(정답률: 51%)
  • 플러그흐름반응기(PFR)에서 0차 반응의 부피는 반응속도와 농도 변화량, 그리고 공급속도의 관계를 통해 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V = \frac{F_{A0} (C_{A0} - C_{A})}{-r_{A}}$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{1000 \times (10 - 5)}{10}$
    ③ [최종 결과] $V = 50$
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84. R이 목적생산물인 반응( )의 활성화 에너지가 E1＜E2일 경우, 반응에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 공간시간(τ)이 상관없다면 가능한 한 최저온도에서 반응시킨다.
  2. 등온 반응에서 공간시간(τ) 값이 주어지면 가능한 한 최고 온도에서 반응시킨다.
  3. 온도 변화가 가능하다면 초기에는 낮은 온도에서, 반응이 진행됨에 따라 높은 온도에서 반응시킨다.
  4. 온도 변화가 가능하더라도 등온 조작이 가장 유리하다.
(정답률: 58%)
  • 반응 경로가 $A \xrightarrow{1} R \xrightarrow{2} S$이고 활성화 에너지가 $E_1 < E_2$ 인 경우, 온도를 높이면 속도 상수 $k_1$보다 $k_2$가 더 급격히 증가합니다. 목적 생성물 $R$의 수율을 높이려면 $R$이 $S$로 분해되는 부반응을 억제해야 하므로, 공간시간에 제약이 없다면 가능한 한 최저 온도에서 반응시키는 것이 유리합니다.
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85. CH3CHO 증기를 정용 회분식반응기에서 518℃로 열분해한 결과 반감기는 초기압력이 363 mmHg일 때 410s, 169 mmHg일 때 880s 이였다면, 이 반응의 반응차수는?

  1. 0차
  2. 1차
  3. 2차
  4. 3차
(정답률: 53%)
  • 반감기($t_{1/2}$)와 초기 농도($C_0$)의 관계를 통해 반응 차수를 결정합니다. 2차 반응의 경우 반감기는 초기 농도에 반비례합니다.
    ① [기본 공식] $t_{1/2} = \frac{1}{k C_0}$
    ② [숫자 대입] $\frac{t_{1/2, 1}}{t_{1/2, 2}} = \frac{C_{0, 2}}{C_{0, 1}} \rightarrow \frac{410}{880} \approx \frac{169}{363}$
    ③ [최종 결과] $n = 2$
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86. 반응 전환율을 온도에 대하여 나타낸 직교좌표에서 반응기에 열을 가하면 기울기는 다열과정보다 어떻게 되는가?

  1. 반응열의 크기에 따라 증가하거나 감소한다.
  2. 증가한다.
  3. 일정하다.
  4. 감소한다.
(정답률: 37%)
  • 반응기에 열을 가하는 가열 과정은 다열 과정(Adiabatic)에 비해 온도 상승 폭이 더 큽니다. 온도가 상승하면 반응 속도 상수가 증가하여 반응 속도가 빨라지므로, 전환율-온도 곡선에서 동일 온도 변화 대비 전환율의 증가 폭이 커지며 결과적으로 기울기는 감소하게 됩니다.
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87. 메탄의 열분해반응(CH4 → 2H2 + C(s))의 활성화 에너지는 7500 cal/mol이다. 위의 열분해반응이 546℃에서 일어날 때 273℃ 보다 몇 배 빠른가?

  1. 2.3
  2. 5.0
  3. 7.5
  4. 10.0
(정답률: 52%)
  • 아레니우스 식을 이용하여 두 온도에서의 반응 속도 상수 비율을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{k_2}{k_1} = \exp(\frac{E}{R} (\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2}))$
    ② [숫자 대입] $\frac{k_2}{k_1} = \exp(\frac{7500}{1.987} (\frac{1}{546.15} - \frac{1}{819.15}))$
    ③ [최종 결과] $\frac{k_2}{k_1} = 10.0$
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88. 기체반응물 A가 2L/s의 속도로 부피 1L인 반응기에 유입될 때, 공간시간(s)은? (단, 반응은 A → 3B 이며, 전화율(X)은 50% 이다.)

  1. 0.5
  2. 1
  3. 1.5
  4. 2
(정답률: 55%)
  • 공간시간은 반응기의 부피를 유입되는 원료의 부피 유량으로 나눈 값입니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \frac{V}{v_0}$
    ② [숫자 대입] $\tau = \frac{1}{2}$
    ③ [최종 결과] $\tau = 0.5$ s
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89. 어떤 반응을 '플러그흐름반응기→혼합흐름반응기→플러그흐름반응기'의 순으로 직렬 연결시켜 반응하고자 할 때 반응기 성능을 나타낸 것으로 옳은 것은?

(정답률: 70%)
  • 반응기 성능 곡선(Levenspiel plot)에서 플러그흐름반응기(PFR)는 곡선 아래의 면적으로, 혼합흐름반응기(CSTR)는 가로 $\times$ 세로의 직사각형 면적으로 부피를 나타냅니다. 따라서 'PFR $\rightarrow$ CSTR $\rightarrow$ PFR' 순서의 연결은 면적 $\rightarrow$ 직사각형 $\rightarrow$ 면적 순으로 표시된 가 정답입니다.
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90. A의 3가지 병렬반응이 아래와 같을 때, S의 수율(S/A)을 최대로 하기 위한 조치로 옳은 것은? (단, 각각의 반응속도상수는 동일하다.)

  1. 혼합흐름반응기를 쓰고 전화율을 낮게 한다.
  2. 혼합흐름반응기를 쓰고 전화율을 높게 한다.
  3. 플러그흐름반응기를 쓰고 전화율을 낮게 한다.
  4. 플러그흐름반응기를 쓰고 전화율을 높게 한다.
(정답률: 33%)
  • 원하는 생성물 S의 반응 차수(3차)가 다른 반응들(1차, 2차)보다 높으므로, 반응물의 농도를 최대한 높게 유지해야 수율이 증가합니다. 따라서 농도 감소가 적은 플러그흐름반응기를 사용하고, 농도가 급격히 낮아지기 전인 낮은 전화율에서 반응을 종료해야 합니다.
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91. 효소발효반응(A→R)이 플러그흐름반응기에서 일어날 때, 95%의 전화율을 얻기 위한 반응기의 부피(m3)는? (단, A의 초기 농도(CA0) : 2mol/L, 유량(ν) : 25L/min 이며, 효소발효반응의 속도식은 [mol/L·min] 이다.)

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 38%)
  • 플러그흐름반응기(PFR)의 부피는 유량과 반응 속도의 역수를 전화율에 대해 적분하여 구합니다.
    ① [기본 공식] $V = \nu \int_{0}^{X} \frac{dX}{-r_A}$
    ② [숫자 대입] $V = 25 \int_{0}^{0.95} \frac{1 + 0.5(2(1-X))}{0.1(2(1-X))} dX$
    ③ [최종 결과] $V = 1$
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92. 물리적 흡착에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 다분자층 흡착이 가능하다.
  2. 활성화 에너지가 작다.
  3. 가역성이 낮다.
  4. 고체표면에서 일어난다.
(정답률: 59%)
  • 물리적 흡착은 반데르발스 힘에 의한 약한 결합이므로 활성화 에너지가 매우 작고, 쉽게 탈착될 수 있는 가역성이 매우 높은 것이 특징입니다.

    오답 노트
    가역성이 낮다: 물리적 흡착은 가역성이 매우 높습니다.
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93. 플러그흐름반응기에서의 반응이 아래와 같을 때, 반응시간에 따른 CB의 관계식으로 옳은 것은? (단, 반응초기에는 A만 존재하며, 각각의 기호는 CA0 : A의 초기농도, t : 시간, k : 속도상수이며, k2 = k1 + k3을 만족한다.)

(정답률: 40%)
  • 제시된 반응 경로 에서 성분 B의 농도 변화율은 생성 속도($k_1 C_A$)에서 소멸 속도($k_2 C_B$)를 뺀 값입니다. $C_A = C_{A0} e^{-(k_1+k_3)t}$이고 $k_2 = k_1 + k_3$ 조건이 주어졌을 때, 미분방정식을 풀면 $C_B$는 시간 $t$에 비례하고 지수적으로 감소하는 형태가 됩니다.
    따라서 관계식은 가 됩니다.
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94. 어떤 반응의 속도상수가 25℃에서 3.46×10-5s-1이며 65℃에서는 4.91×10-3s-1 이였다면, 이 반응의 활성화 에너지(kcal/mol)는?

  1. 49.6
  2. 37.2
  3. 24.8
  4. 12.4
(정답률: 61%)
  • 두 온도에서의 속도상수 비를 통해 활성화 에너지 $E_a$를 구하는 아레니우스 식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $\ln \frac{k_2}{k_1} = \frac{E_a}{R} ( \frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2} )$
    ② [숫자 대입] $\ln \frac{4.91 \times 10^{-3}}{3.46 \times 10^{-5}} = \frac{E_a}{1.987} ( \frac{1}{298} - \frac{1}{338} )$
    ③ [최종 결과] $E_a = 24.8\text{ kcal/mol}$
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95. 반응기로 A와 C 기체 5:5 혼합물이 공급되어 A→4B 기상반응이 일어날 때, 부피팽창계수 εA는?

  1. 0
  2. 0.5
  3. 1.0
  4. 1.5
(정답률: 64%)
  • 부피팽창계수 $\epsilon_A$는 반응물 A가 완전히 반응했을 때 전체 몰수 변화량을 초기 전체 몰수로 나눈 값입니다.
    반응식 $A \rightarrow 4B$에서 A 1몰이 사라지면 B 4몰이 생성되므로 몰수 변화량 $\delta = 4 - 1 = 3$입니다. 초기 공급물은 A와 C가 5:5로 혼합되었으므로 A의 분율 $y_{A0} = 0.5$입니다.
    ① [기본 공식] $\epsilon_A = y_{A0} \times \delta$
    ② [숫자 대입] $\epsilon_A = 0.5 \times 3$
    ③ [최종 결과] $\epsilon_A = 1.5$
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96. 성분 A의 비가역 반응에 대한 혼합흐름반응기의 설계식으로 옳은 것은? (단, NA : A 성분의 몰수, V : 반응기 부피, t : 시간, FA0 : A의 초기유입유량, FA : A의 출구 몰유량, rA : 반응속도를 의미한다.)

(정답률: 61%)
  • 혼합흐름반응기(CSTR)의 설계식은 반응기 내의 물질수지(입력 - 출력 + 생성 = 축적)를 바탕으로 유도됩니다. 정상 상태에서 축적항은 0이며, 반응기 부피 $V$는 유입 몰유량과 유출 몰유량의 차이를 반응속도로 나눈 값과 같습니다.
    따라서 설계식은 가 됩니다.
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97. 혼합흐름반응기에 3L/h로 반응물을 유입시켜서 75%가 전환될 때의 반응기 부피(L)는? (단, 반응은 비가역적이며, 반응속도상수(k)는 0.0207/min, 용적변화율(ε)은 0이다.)

  1. 7.25
  2. 12.7
  3. 32.7
  4. 42.7
(정답률: 48%)
  • 혼합흐름반응기(CSTR)에서 체류시간 $\tau$와 전화율 $X_A$의 관계식을 이용하여 부피를 산출합니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \frac{X_A}{k(1-X_A)}$
    ② [숫자 대입] $\tau = \frac{0.75}{0.0207 \times (1-0.75)}$
    ③ [최종 결과] $\tau = 145\text{ min}$
    반응기 부피 $V$는 유량 $v_0$와 체류시간 $\tau$의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V = v_0 \times \tau$
    ② [숫자 대입] $V = \frac{3\text{ L/h}}{60\text{ min/h}} \times 145\text{ min}$
    ③ [최종 결과] $V = 7.25\text{ L}$
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98. 기상 1차 촉매반응 A→R에서 유효인자가 0.8 이면 촉매기공내의 평균농도 와 촉매표면농도 CAS의 농도비( )로 옳은 것은?

  1. tanh(1.25)
  2. 1.25
  3. tanh(0.2)
  4. 0.8
(정답률: 39%)
  • 1차 촉매 반응에서 유효인자(Effectiveness factor, $\eta$)의 정의는 촉매 내부의 실제 반응 속도와 표면 농도 기준의 반응 속도 비로 나타내며, 이는 평균 농도와 표면 농도의 비와 같습니다.
    따라서 유효인자 $\eta = \frac{\overline{C_A}}{C_{AS}}$가 성립하므로, 유효인자가 $0.8$일 때 농도비 또한 $0.8$이 됩니다.
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99. 액상 1차 가역반응(A⇄R)을 등온반응시켜 80%의 평형전화율(XAe)을 얻으려 할 때, 적절한 반응온도(℃)는? (단, 반응열은 온도에 관계없이 –10000 cal/mol로 일정하고, 25℃에서의 평형상수는 300, R의 초기농도는 0 이다.)

  1. 75
  2. 127
  3. 185
  4. 212
(정답률: 44%)
  • 반응 온도에 따른 평형상수의 변화는 Van't Hoff 식을 이용하며, 평형상수 $K$는 평형전화율 $X_{Ae}$와 초기 농도 관계로 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $\ln \frac{K_2}{K_1} = \frac{-\Delta H}{R} (\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1})$
    ② [숫자 대입] $\ln \frac{4}{300} = \frac{10000}{1.987} (\frac{1}{T_2} - \frac{1}{298})$
    ③ [최종 결과] $T_2 = 400\text{ K} = 127\text{ ℃}$
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100. 균질계 비가역 1차 직렬반응, 이 회분식반응기에서 일어날 때, 반응시간에 따르는 A의 농도 변화를 바르게 나타낸 식은?

(정답률: 37%)
  • 직렬반응 $A \xrightarrow{k_1} R \xrightarrow{k_2} S$에서 성분 $A$의 농도 변화는 오직 첫 번째 반응 속도에만 의존하는 1차 반응의 형태를 띱니다.
    따라서 $A$의 농도는 시간에 따라 지수함수적으로 감소하며, 그 관계식은 가 됩니다.
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