화공기사(구) 필기 기출문제복원 (2021-03-07)

화공기사(구)
(2021-03-07 기출문제)

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1과목: 화공열역학

1. 온도와 증기압의 관계를 나타내는 식은?

  1. Gibbs-Duhem equation
  2. Antoine equation
  3. Van Laar equation
  4. Van der Waals equation
(정답률: 51%)
  • Antoine equation은 온도와 증기압의 관계를 나타내는 식으로, 특정 물질의 증기압을 예측하는 데 사용된다. 이 식은 온도에 따른 증기압의 변화를 설명하기 위해 Antoine 상수를 사용하며, 이는 특정 물질에 대해 실험적으로 결정된 값이다. 따라서 Antoine equation은 온도와 증기압의 관계를 정확하게 나타내기 위한 식으로 널리 사용된다.
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2. 460K, 15 atm n-Butane 기체의 퓨가시티 계수는? (단, n-Butane의 환산온도(Tr)는 1.08, 환산압력(Pr)은 0.40, 제1, 2 비리얼 계수는 각각 -0.29, 0.014, 이심인자(Acentric factor; ω)는 0.193이다.)

  1. 0.9
  2. 0.8
  3. 0.7
  4. 0.6
(정답률: 18%)
  • 퓨가시티 계수는 기체의 비압축성을 나타내는 지표이다. 이 값이 1에 가까울수록 기체는 비압축성에 가깝다는 것을 의미한다. 따라서, n-Butane의 퓨가시티 계수를 계산하기 위해서는 다음의 식을 이용한다.

    Z = P * V / (R * T)

    여기서, P는 압력, V는 몰부피, R은 기체상수, T는 절대온도이다. n-Butane의 경우, 제1, 2 비리얼 계수와 이심인자를 이용하여 실제 압력과 온도를 환산한 값을 사용해야 한다.

    n-Butane의 환산온도(Tr)는 1.08, 환산압력(Pr)은 0.40이므로, 실제 온도와 압력은 다음과 같다.

    T = Tr * Tc = 1.08 * 425.2 K = 459.3 K
    P = Pr * Pc = 0.40 * 38.0 atm = 15.2 atm

    여기서, Tc는 n-Butane의 critical temperature, Pc는 n-Butane의 critical pressure이다.

    n-Butane의 이심인자는 ω = 0.193이다. 따라서, n-Butane의 제1, 2 비리얼 계수는 각각 -0.29, 0.014이다.

    이 값을 이용하여 n-Butane의 몰부피를 계산하면 다음과 같다.

    V = (1 - B) * (R * T) / P

    여기서, B는 n-Butane의 비리얼 계수이다. 따라서,

    B = B1 * (P / (R * T)) + B2 * (P / (R * T))2

    여기서, B1과 B2는 n-Butane의 제1, 2 비리얼 계수이다.

    B1 = -0.29
    B2 = 0.014

    따라서,

    B = -0.29 * (15 atm / (0.08206 L atm / (mol K) * 459.3 K)) + 0.014 * (15 atm / (0.08206 L atm / (mol K) * 459.3 K))2 = 0.032

    따라서,

    V = (1 - 0.032) * (0.08206 L atm / (mol K) * 459.3 K) / 15 atm = 0.024 L/mol

    마지막으로, n-Butane의 퓨가시티 계수를 계산하면 다음과 같다.

    Z = P * V / (R * T) = 15 atm * 0.024 L/mol / (0.08206 L atm / (mol K) * 459.3 K) = 0.91

    따라서, 정답은 "0.9"이다.
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3. 두 성분이 완전 혼합되어 하나의 이상용액을 형성할 때 i성분의 화학포텐션(μi)은 아래와 같이 표현된다. 동일 온도와 압력 하에서 I성분의 순수한 화학포텐(μpurei)의 표현으로 옳은 것은? (단, xi는 i성분의 몰분율, μ(T,P)는 해당 온도와 압력에서의 화학포텐셜을 의미한다.)

  4. RTlnxi
(정답률: 58%)
  • 정답은 "" 이다.

    화학포텐션은 해당 물질이 다른 물질과 상호작용할 때 발생하는 에너지 변화를 나타내는 개념이다. 따라서 이상용액에서 i성분의 화학포텐션은 i성분이 다른 성분과 상호작용할 때 발생하는 에너지 변화를 나타낸다.

    반면에 순수한 i성분의 화학포텐은 i성분이 다른 물질과 상호작용하지 않을 때의 에너지 상태를 나타낸다. 따라서 이상용액에서 i성분의 화학포텐을 순수한 i성분의 화학포텐으로 표현하려면, i성분이 다른 성분과 상호작용할 때 발생하는 에너지 변화를 제거해야 한다.

    이를 위해 이상용액에서 i성분의 화학포텐을 xiμpurei로 표현하고, 이를 식에 대입하여 정리하면 ""가 된다.
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4. Cp가 3.5R(R; ideal gas constant)인 1몰의 이상기체가 10bar, 0.005 m3에서 1bar로 가역정용과정을 거쳐 변화할 때, 내부에너지 변화(△U; J)와 엔탈피 변화(△H; J)는?

  1. △U= -11250, △H= -15750
  2. △U= -11250, △H= -9750
  3. △U= -7250, △H= -15750
  4. △U= -7250, △H= -9750
(정답률: 45%)
  • 가역정용과정에서는 열이 완전히 온도 차이로 인해 일어나므로, 내부에너지 변화는 열의 양과 같습니다. 따라서, 내부에너지 변화는 Q 값과 같습니다.

    Q = nCp△T

    여기서, n = 1mol, Cp = 3.5R, △T = -273.15K 입니다.

    Q = (1mol)(3.5R)(-273.15K) = -9622.25 J

    내부에너지 변화는 -9622.25 J 입니다.

    엔탈피 변화는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    △H = △U + P△V

    여기서, P는 상수 압력이므로, P△V는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    P△V = nR△T

    여기서, n = 1mol, R은 이상기체 상수이므로, R = 8.314 J/mol·K 입니다.

    P△V = (1mol)(8.314 J/mol·K)(-273.15K) = -227.52 J

    따라서, 엔탈피 변화는 다음과 같습니다.

    △H = -9622.25 J - 227.52 J = -9850.77 J

    하지만, 이 문제에서는 가역정용과정을 거쳤으므로, 엔탈피 변화는 실제로는 작아집니다. 가역정용과정에서 엔탈피 변화는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    △H = nCp△T

    여기서, n = 1mol, Cp = 3.5R, △T = -273.15K 입니다.

    △H = (1mol)(3.5R)(-273.15K) = -9622.25 J

    따라서, 정답은 "△U= -11250, △H= -15750" 입니다.
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5. 100000kW를 생산하는 발전소에서 600K에서 스팀을 생산하여 발전기를 작동시킨 후 잔열을 300K에서 방출한다. 이 발전소의 발전효율이 이론적 최대효율의 60%라고 할 때, 300K에 방출하는 열량(kW)은?

  1. 100000
  2. 166667
  3. 233333
  4. 333333
(정답률: 36%)
  • 발전소에서 생산한 열량은 100000kW이고, 이론적 최대효율의 60%를 이용하여 실제로 생산된 전력은 60000kW이다. 따라서, 발전소에서 방출되는 열량은 생산된 전력과 발전효율을 이용하여 계산할 수 있다.

    생산된 전력 = 발전효율 x 입력열량 - 방출열량

    60000kW = 0.6 x 입력열량 - 방출열량

    방출열량 = 입력열량 x 0.6 - 60000kW

    입력열량은 스팀을 생산하는 과정에서 소모된 열량과 발전기에서 생산된 전력을 합한 값이다. 이 값은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    입력열량 = 생산된 전력 / 발전효율 + 방출열량

    입력열량 = 60000kW / 0.6 + 방출열량

    입력열량 = 100000kW + 방출열량

    따라서, 방출열량 = 입력열량 - 100000kW

    방출열량 = (60000kW / 0.6) - 100000kW

    방출열량 = 100000kW - 100000kW

    방출열량 = 0kW

    즉, 발전소에서 방출되는 열량은 0kW이므로, 정답은 233333이 아닌 0이다.
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6. 주위(Surrounding)가 매우 큰 전체 계에서 일손실(lost work)의 열역학적 표현으로 옳은 것은? (단, 하첨자 total, sys, sur, 0는 각각 전체, 계, 주위, 초기를 의미한다.)

  1. T0△Ssys
  2. T0△Stotal
  3. Tsur△Ssur
  4. Tsvs△Ssvs
(정답률: 45%)
  • 전체 계에서의 일손실은 전체 계의 엔트로피 변화량으로 나타낼 수 있다. 이때, 엔트로피 변화량은 주위와 시스템 간 열의 이동으로 인해 발생하는 것이므로, 주위와 시스템의 엔트로피 변화량을 모두 고려해야 한다. 따라서, 옳은 표현은 "T0△Stotal"이다.
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7. 상태함수(State function)가 아닌 것은?

  1. 내부에너지
  2. 자유에너지
  3. 엔트로피
  4. 일
(정답률: 68%)
  • 일은 경로에 의존하기 때문에 상태함수가 아니다. 다른 세 가지는 상태함수이다.
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8. 화학반응의 평형상수(K)에 관한 내용 중 틀린 것은? (단, ai, vi는 각각 I성분의 활동도와 양론수이며 △G0는 표준 깁스(Gibbs) 자유에너지 변화량이다.)

  3. K는 무차원이다.
  4. K는 온도에 의존하는 함수이다.
(정답률: 59%)
  • ""가 틀린 이유는 K는 온도에 의존하는 함수가 아니라는 것이다. K는 반응물과 생성물의 활도의 비율에 대한 상수이므로 온도에 따라 변하지 않는다. 따라서 K는 온도가 변해도 변하지 않는 무차원 상수이다.
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9. 압력이 매우 작은 상태의 계에서 제2 비리얼 계수에 관한 식으로 옳은 것은? (단, B는 제2비리얼계수, Z는 압축인자를 의미한다.)

(정답률: 55%)
  • 압력이 매우 작은 상태의 계에서 제2 비리얼 계수에 관한 식은 B = (Z-1)/(Z+1)이다. 이 식에서 압력이 매우 작은 상태라는 것은 Z가 매우 큰 값을 가지므로, Z-1은 Z에 비해 매우 작은 값이 된다. 따라서 B는 (Z-1)/(Z+1) ≈ 1 - 2/Z로 근사할 수 있다. 이 때, Z가 매우 큰 값이므로 B는 1에 매우 가까운 값이 되며, ""이 옳은 답이 된다.
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10. 어떤 실제기체의 부피를 이상기체로 가정하여 계산하였을 때는 100cm3/mol이고 잔류부피가 10cm3/mol일 때, 실제기체의 압축인자는?

  1. 0.1
  2. 0.9
  3. 1.0
  4. 1.1
(정답률: 39%)
  • 이상기체 상태방정식은 PV = nRT로 표현된다. 이를 실제기체에 적용하면 PV = (n실제 - n잔류)RT가 된다. 부피는 n과 비례하므로, 부피를 n으로 나누어 상태방정식을 다시 쓰면 V/n = RT/P - b가 된다. 여기서 b는 잔류부피이다. 따라서, 이상기체 상태방정식에서는 b = 0이므로 V/n = RT/P가 된다. 이를 이용하여 실제기체의 압축인자를 계산하면 P실제V실제/n실제RT = (V실제/n실제)/(V실제/n이상) × P이상 = (1 + bV이상/n이상) × P이상 = (1 + 10/100) × P이상 = 1.1P이상가 된다. 따라서 정답은 "1.1"이다.
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11. 어떤 가역 열기관이 300℃에서 400kcal의 열을 흡수하여 일을 하고 50℃에서 열을 방출한다. 이 때 낮은 열원의 엔트로피 변화량(kcal/K)의 절대값은?

  1. 0.698
  2. 0.798
  3. 0.898
  4. 0.998
(정답률: 47%)
  • 열기관의 열효율은 (1 - T2/T1)로 계산할 수 있다. 여기서 T1은 높은 열원의 온도, T2는 낮은 열원의 온도이다. 따라서 이 문제에서 열효율은 (1 - 50/300) = 0.8333이다. 열효율은 일과 열의 관계를 나타내는 값으로, 일과 열의 관계는 엔트로피 변화량으로 나타낼 수 있다. 엔트로피 변화량은 Q/T로 계산할 수 있는데, 여기서 Q는 열이고 T는 열을 받는 체의 온도이다. 따라서 열기관이 받은 열의 엔트로피 변화량은 400/300 = 1.3333이고, 방출한 열의 엔트로피 변화량은 -400/50 = -8이다. 따라서 전체 엔트로피 변화량은 -6.6667이다. 열효율과 엔트로피 변화량의 관계식인 열효율 = 1 - |열원의 엔트로피 변화량|/|열기관의 엔트로피 변화량|을 이용하여 계산하면, |열원의 엔트로피 변화량| = 0.698이다. 따라서 정답은 "0.698"이다.
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12. SI단위계의 유도단위와 차원의 연결이 틀린 것은? (단, 차원의 표기법은 시간: t, 길이: L, 질량: M, 온도: T, 전류: I이다.)

  1. Hz(hertz): t-1
  2. C(coulomb): I×t-1
  3. J(joule): M×L2×t-2
  4. rad(radian): -(무차원)
(정답률: 47%)
  • SI 단위계에서 전하의 단위는 쿨롱(Coulomb)이며, 전류의 단위는 암페어(Ampere)이다. 전류는 단위 시간당 전하의 양이므로, 전류의 차원은 I×t-1이 된다. 따라서 "C(coulomb): I×t-1"은 올바른 유도단위와 차원의 연결이다.
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13. 0℃, 1 atm 이상기체 1 mol을 10 atm으로 가역 등온 압축할 때, 계가 받은 일(cal)은? (단, Cp와 CV는 각각 5, 3 cal/mol·K이다.)

  1. 1.987
  2. 22.40
  3. 273
  4. 1249
(정답률: 55%)
  • 등온 압축에서는 내부에너지 변화가 없으므로, 계가 받은 일은 엔탈피 변화와 같다.

    ΔH = nCpΔT

    여기서 ΔT는 온도 변화가 없으므로 0이다. 따라서 ΔH는 0이다.

    그러나, 가역 등온 압축에서는 엔트로피 변화가 있으므로, 계가 받은 일은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔS = nCpln(Vf/Vi)

    여기서 Vf는 최종 부피, Vi는 초기 부피이다.

    Vf/Vi = Pi/Pf = 1/10

    따라서,

    ΔS = nCpln(10) = 1 mol × 5 cal/mol·K × ln(10) = 5.758 cal/K

    계가 받은 일은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ΔG = -TΔS = -273 K × 5.758 cal/K = -1572.834 cal

    여기서 ΔG는 Gibbs 자유 에너지 변화이다.

    가역과 비가역 과정에서 Gibbs 자유 에너지 변화는 같으므로,

    ΔG = ΔH - TΔS = 0

    따라서,

    ΔH = TΔS = 273 K × 5.758 cal/K = 1572.834 cal

    단위를 cal/mol로 바꾸면,

    ΔH = 1572.834 cal / 1 mol = 1572.834 cal/mol

    따라서, 정답은 1572.834를 반올림한 1573이다.

    하지만, 문제에서는 정답이 cal이 아니라 kcal이므로,

    ΔH = 1572.834 cal/mol = 1.572834 kcal/mol

    따라서, 계가 받은 일은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    1 mol 기체가 10 atm으로 가역 등온 압축될 때, 1.572834 kcal의 일을 받는다.

    1 cal = 4.184 J, 1 kcal = 1000 cal, 1 J = 0.239 kcal

    따라서,

    1.572834 kcal/mol × 1000 cal/kcal × 4.184 J/cal × 1 atm × 10 L / (101.325 J/K·mol × 273 K) = 1249 J/mol

    따라서, 정답은 1249이다.
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14. 어떤 기체 50kg을 300K의 온도에서 부피가 0.15m3인 용기에 저장할 때 필요한 압력(bar)은? (단, 기체의 분자량은 30g/mol이며, 300K에서 비리얼 계수는 -136.6cm3/mol이다.)

  1. 90
  2. 100
  3. 110
  4. 120
(정답률: 32%)
  • 이 문제는 이상기체 법칙을 이용하여 풀 수 있다.

    PV = nRT

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

    먼저, 몰수를 구해보자.

    분자량이 30g/mol 이므로, 50kg의 질량은 몇 몰인지 계산해야 한다.

    50kg = 50,000g

    n = 50,000g / 30g/mol = 1666.67mol

    다음으로, 비리얼 계수를 이용하여 실제 부피를 계산해보자.

    V' = V - nB

    여기서 B는 비리얼 계수를 나타낸다.

    B = -136.6cm3/mol = -0.1366L/mol

    V' = 0.15m3 - 1666.67mol x (-0.1366L/mol) = 0.15m3 + 227.78L = 227.93L

    마지막으로, 압력을 구해보자.

    P = nRT / V'

    여기서 R은 기체상수인 0.08206 L·atm/mol·K를 사용한다.

    P = 1666.67mol x 0.08206 L·atm/mol·K x 300K / 227.93L = 109.8 atm

    단위를 bar로 바꾸면, 109.8 atm x 1.01325 bar/atm = 111.2 bar

    따라서, 정답은 "110"이다. (반올림하여)
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15. 질량보존의 법칙이 성립하는 정상상태의 흐름과정을 표시하는 연속방정식은? (단, A는 단면적, U는 속도, ρ는 유체 밀도, V는 유체 비부피를 의미한다.)

  1. △(UAρ)=0
  2. △(UA/ρ)=0
  3. △(Uρ/A)=0
  4. △(UAV)=0
(정답률: 48%)
  • 질량보존의 법칙은 유체의 질량이 변하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 유체의 입구와 출구에서 유체의 질량은 일정하게 유지되어야 한다. 이를 수학적으로 표현하면 유체의 질량 유량은 일정하다는 것을 의미하는 연속방정식이 성립해야 한다.

    연속방정식은 유체의 질량 유량이 일정하다는 것을 나타내는 식으로, 유체의 입구와 출구에서 유체의 속도와 밀도, 단면적 등의 변수를 고려하여 표현된다. 이 중에서도 가장 간단한 형태는 "△(UAρ)=0"이다.

    이 식에서 U는 유체의 속도, A는 단면적, ρ는 유체의 밀도를 나타내며, △는 라플라스 연산자로, 유체의 입구와 출구에서의 값의 차이를 나타낸다. 이 식은 유체의 입구와 출구에서 유체의 질량 유량이 일정하다는 것을 나타내며, 따라서 질량보존의 법칙이 성립하는 정상상태의 흐름과정을 표시하는 연속방정식으로 사용된다.

    따라서 "△(UAρ)=0"이 정답이다.
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16. 부피 팽창률(β)과 등온 압축률(k)의 비(k/β)를 옳게 표시한 것은?

(정답률: 41%)
  • 정답은 ""이다.

    부피 팽창률(β)은 온도가 1도 상승할 때, 물질의 부피가 얼마나 증가하는지를 나타내는 값이다. 등온 압축률(k)은 압력이 1기압 증가할 때, 물질의 부피가 얼마나 감소하는지를 나타내는 값이다.

    따라서, k/β 값은 온도가 1도 상승할 때, 압력이 1기압 증가할 때, 물질의 부피가 얼마나 변화하는지를 나타내는 값이다. 이 값이 클수록 물질의 부피 변화가 더 크다는 것을 의미하므로, 물질의 압축성이 높다는 것을 나타낸다.

    따라서, ""이 정답이다.
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17. 액상과 기상이 서로 평형이 되어 있을 때에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 두 상의 온도는 서로 같다.
  2. 두 상의 압력은 서로 같다.
  3. 두 상의 엔트로피는 서로 같다.
  4. 두 상의 화학포텐셜은 서로 같다.
(정답률: 62%)
  • "두 상의 엔트로피는 서로 같다."가 틀린 것이다. 액상과 기상이 서로 평형이 되어 있을 때, 두 상의 온도와 압력은 서로 같다. 그러나 두 상의 엔트로피는 서로 다르다. 액상은 분자가 서로 가까이 있어서 자유도가 적고, 기상은 분자가 서로 멀리 떨어져 있어서 자유도가 많기 때문이다. 따라서, 기상 상태의 엔트로피가 더 높다.
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18. 일정한 온도와 압력의 닫힌계가 평형상태에 도달하는 조건에 해당하는 것은?

  1. (dGt)T.P ＜ 0
  2. (dGt)T.P = 0
  3. (dGt)T.P ＞ 0
  4. (dGt)T.P = 1
(정답률: 68%)
  • 정답: "(dGt)T.P = 0"

    이유:

    - (dGt)T.P는 Gibbs 자유 에너지 변화율을 나타내며, T는 온도, P는 압력을 의미한다.
    - 평형상태에 도달하면 시스템의 Gibbs 자유 에너지는 최소값에 도달하게 된다.
    - 따라서, (dGt)T.P = 0 이 되어야 한다.
    - 만약 (dGt)T.P ＞ 0 이면, 시스템은 아직 최소값에 도달하지 않았으므로 반응이 계속 진행된다.
    - 반대로, (dGt)T.P ＜ 0 이면, 시스템은 이미 최소값을 지나쳤으므로 역반응이 일어나 평형상태에 도달하지 못한다.
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19. 콘크스의 불완전연소로 인해 생성된 500℃ 건조가스의 자유도는? (단, 연소를 위해 공급된 공기는 질소와 산소만을 포함하며, 건조가스는 미연소코크스, 과잉공급 산소가 포함되어있으며, 건조가스의 추가 연소 및 질소산화물의 생성은 없다고 가정한다.)

  1. 2
  2. 3
  3. 4
  4. 5
(정답률: 25%)
  • 콘크스의 불완전연소로 인해 생성된 건조가스는 주로 CO와 H2로 구성되어 있습니다. 이 때, CO와 H2는 자유도가 2입니다. 따라서, 건조가스의 자유도는 CO와 H2의 자유도인 2+2=4가 됩니다. 질소와 산소는 이미 공급된 것이므로, 추가 연소나 질소산화물의 생성이 없다는 가정하에 건조가스의 자유도는 4입니다. 따라서, 정답은 "5"가 아닌 "4"가 되어야 합니다.
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20. 증기 압축식 냉동 사이클의 냉매 순환 경로는?

  1. 압축기 → 팽창밸브 → 증발기 → 응축기
  2. 압축기 → 응축기 → 증발기 → 팽창밸브
  3. 응축기 → 압축기 → 팽창밸브 → 증발기
  4. 압축기 → 응축기 → 팽창밸브 → 증발기
(정답률: 42%)
  • 증기 압축식 냉동 사이클에서는 냉매가 압축기에서 압축되어 높은 압력과 온도를 가지게 됩니다. 이후 응축기로 이동하면서 냉매는 냉각되고, 냉매의 상태가 액체로 변합니다. 그리고 팽창밸브를 통해 냉매의 압력과 온도가 낮아지면서 증발기로 이동합니다. 증발기에서는 냉매가 공기나 물과 열 교환을 하면서 냉각되고, 냉매의 상태가 기체로 변합니다. 마지막으로, 기체 상태의 냉매는 다시 압축기로 이동하여 처음 상태로 돌아가는 과정을 반복합니다. 따라서, 냉매의 순환 경로는 "압축기 → 응축기 → 팽창밸브 → 증발기" 입니다.
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2과목: 단위조작 및 화학공업양론

21. 어떤 기체의 열용량 관계식이 아래와 같을 때, 영국표준단위계로 환산하였을 때의 관계식으로 옳은 것은? (단, 열량단위는 Btu, 질량단위는 pound, 온도단위는 Fahrenheit을 사용한다.)

  1. CP = 16.189 + 0.0583T
  2. CP = 7.551 + 0.0309T
  3. CP = 4.996+ 0.0056T
  4. CP = 1.544 + 1.5223T
(정답률: 34%)
  • 주어진 관계식은 CP = 1.544 + 1.5223T 이다. 이를 영국표준단위계로 환산하면, 열용량의 단위는 Btu/°F·lb 이다. 하지만 정답 보기 중에는 이와 다른 단위를 사용한 것들이 있다. 따라서 영국표준단위계로 환산한 관계식을 구해야 한다.

    먼저, 온도의 단위를 Celsius에서 Fahrenheit로 변환해야 한다. 이를 위해서는 다음과 같은 식을 사용한다.

    °F = (9/5)×°C + 32

    따라서, T(°F) = (9/5)×T(°C) + 32 이다.

    이제, CP = 1.544 + 1.5223T(°C) 을 Btu/°F·lb 단위로 변환해야 한다. 이를 위해서는 다음과 같은 식을 사용한다.

    1 Btu/°F·lb = 1.8 J/K·g (1 pound = 0.453592 kg)

    따라서, CP = (1.544 + 1.5223×(9/5)×T(°F) + 32)×1.8/0.453592 이다.

    이를 계산하면, CP = 4.996+ 0.0056T(°F) 이므로, 정답은 "CP = 4.996+ 0.0056T" 이다.

    따라서, 이 관계식은 영국표준단위계로 환산한 결과이다.
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22. 82℃ 벤젠 20mol%, 톨루엔 80mol% 혼합용액을 증발시켰을 때 증기 중 벤젠의 몰분율은? (단, 벤젠과 톨루엔의 혼합용액은 이상용액의 거동을 보인다고 가정하고, 82℃에서 벤젠과 톨루엔의 포화증기압은 각각 811, 314mmHg이다.)

  1. 0.360
  2. 0.392
  3. 0.721
  4. 0.785
(정답률: 54%)
  • 이상 용액에서는 라케미의 법칙이 성립하므로, 증기압의 합은 혼합물의 증기압과 같다. 따라서, 혼합물의 증기압은 811 x 0.2 + 314 x 0.8 = 454.2 mmHg 이다.

    벤젠의 몰분율을 x 라고 하면, 톨루엔의 몰분율은 1-x 이다. 따라서,

    x x 811 = 454.2

    x = 0.560

    즉, 벤젠의 몰분율은 0.560 이다.

    하지만 문제에서 물어보는 것은 벤젠의 몰분율이 아니라, 벤젠의 증기 중 몰분율이다.

    증기 중 벤젠의 몰분율은 벤젠의 증기압을 전체 증기압으로 나눈 것이므로,

    0.2 x 811 / 454.2 = 0.360

    따라서, 정답은 0.392 가 아니라 0.360 이다.
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23. 이상기체혼합물일 대 참인 등식은?

  1. 몰% = 분압% = 부피%
  2. 몰% = 부피% = 중량%
  3. 몰% = 중량% = 분압%
  4. 몰% = 부피% = 질량%
(정답률: 52%)
  • 이상기체혼합물에서 각 구성 성분의 몰 분수는 그 성분의 분압 분수와 부피 분수와 같다. 따라서 몰 분수, 분압 분수, 부피 분수는 모두 같은 값을 가지게 된다. 이에 따라 "몰% = 분압% = 부피%"가 성립하게 된다.
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24. 염화칼슘의 용해도 데이터가 아래와 같을 때, 80℃ 염화칼슘 포화용액 70g을 20℃로 냉각시켰을 때 석출되는 염화칼슘 결정의 무게(g)는?

  1. 4.61
  2. 5.39
  3. 6.61
  4. 7.39
(정답률: 49%)
  • 80℃에서 염화칼슘 포화용액의 농도는 110g/100g 물이다. 이를 20℃로 냉각시켜서 포화용액에서 석출되는 염화칼슘 결정의 무게를 구해야 한다. 이는 냉각시켜서 농도가 포화농도보다 낮아지면서 포화용액에서 염화칼슘이 석출되는 것이므로, 역산을 통해 구할 수 있다.

    냉각 후 농도가 x일 때, 염화칼슘의 용해도 데이터를 이용하여 다음과 같은 식을 세울 수 있다.

    110g/100g 물 = (x + y)g/100g 물 + (100 - x - y)g/100g 물

    여기서 y는 냉각 후 석출된 염화칼슘의 무게를 나타낸다. 이를 정리하면,

    y = 100g/100g 물 - x - 110g/100g 물

    포화용액에서 석출되는 염화칼슘의 무게는 y이므로, x를 구하기 위해 y를 구한다. y를 구하기 위해서는 x를 알아야 하므로, x를 구하는 방정식을 더 세워야 한다.

    염화칼슘의 용해도 데이터를 이용하여 80℃에서의 염화칼슘의 용해도를 구하면,

    110g/100g 물 = (80.7 + z)g/100g 물 + (19.3 - z)g/100g 물

    여기서 z는 80℃에서의 염화칼슘의 용해도를 나타낸다. 이를 정리하면,

    z = 110g/100g 물 - 19.3g/100g 물 = 90.7g/100g 물

    따라서, 냉각 후 농도 x는 다음과 같다.

    110g/100g 물 = (x + 90.7g/100g 물) + (100 - x - 90.7g/100g 물) = 9.3g/100g 물 + x

    x = 110g/100g 물 - 9.3g/100g 물 = 100.7g/100g 물

    즉, 냉각 후 농도는 100.7g/100g 물이다. 이를 이용하여 석출되는 염화칼슘의 무게 y를 구하면,

    y = 100g/100g 물 - 100.7g/100g 물 - 110g/100g 물 = -10.7g/100g 물

    하지만, 이 값은 음수이므로 석출되는 염화칼슘의 무게는 0이다. 따라서, 냉각 후 석출되는 염화칼슘의 무게는 0g이다. 따라서, 정답은 5.39가 아니라 0이다.
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25. 세기 성질(intensive property)이 아닌 것은?

  1. 온도
  2. 압력
  3. 엔탈피
  4. 화학포텐셜
(정답률: 47%)
  • 세기 성질은 물질의 양에 상관없이 일정한 값을 가지는 성질을 말합니다. 따라서 온도, 압력, 화학포텐셜은 모두 세기 성질입니다. 하지만 엔탈피는 물질의 양에 따라 변화하는 값이므로 세기 성질이 아닙니다. 예를 들어, 반응 엔탈피는 반응물과 생성물의 몰 수에 따라 달라집니다.
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26. 분자량이 103인 화합물을 분석해서 아래와 같은 데이터를 얻었다. 이 화합물의 분자식은?

  1. C82H5H14
  2. C16HN7
  3. C9H3N
  4. C7H5N
(정답률: 58%)
  • 분자량이 103인 화합물의 화학식을 구하기 위해서는 주어진 데이터를 이용해 몇 개의 원자가 이 화합물에 포함되어 있는지를 파악해야 한다. 주어진 데이터에서 탄소의 수는 7개, 수소의 수는 5개, 질소의 수는 1개이다. 이를 종합해보면, 이 화합물의 분자식은 "C7H5N"이다. 따라서 정답은 "C7H5N"이다.
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27. 25℃에서 71g의 Na2SO4를 증류수 200g에 녹여 만든 용액의 증기압(mmHg)은? (단, Na2SO4의 분자량은 142g/mol이고, 25℃ 순수한 물의 증기압은 25mmHg이다.)

  1. 23.9
  2. 22.0
  3. 20.1
  4. 18.5
(정답률: 28%)
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28. CO2 25vol%와 NH3 75vol%의 기체 혼합물 중 NH3의 일부가 흡수탑에서 산에 흡수되어 제거된다. 흡수탑을 떠나는 기체 중 NH3 함량이 37.5vol%일 때, NH3의 제거율은? (단, CO2의 양은변하지 않으며 산 용액은 증발하지 않는다고 가정한다.)

  1. 15%
  2. 20%
  3. 62.5%
  4. 80%
(정답률: 46%)
  • NH3의 초기 함량은 75vol%이고, 흡수탑을 떠나는 기체 중 NH3 함량이 37.5vol%이므로 NH3의 제거된 양은 75vol% - 37.5vol% = 37.5vol%이다. 따라서 NH3의 제거율은 (37.5vol% / 75vol%) x 100% = 50%이다. 그러나 문제에서 CO2의 양은 변하지 않으므로, NH3의 제거율은 CO2의 부피에 대한 NH3의 부피 비율로 계산해야 한다. NH3의 초기 부피 비율은 75vol% / 25vol% = 3:1이고, 제거된 후의 부피 비율은 37.5vol% / 62.5vol% = 3:5이다. 따라서 NH3의 제거율은 (1 - 5/3) x 100% = 80%이다.
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29. 1mol당 0.1mol의 증기가 있는 습윤공기의 절대습도는?

  1. 0.069
  2. 0.1
  3. 0.191
  4. 0.2
(정답률: 36%)
  • 습윤공기의 절대습도는 공기 중에 포함된 수증기의 질량 비율을 나타내는 값이다. 따라서 1mol의 공기 중에 0.1mol의 수증기가 있으므로, 절대습도는 0.1 / 1 = 0.1이 된다. 그러나 이 문제에서는 1mol당 0.1mol의 수증기가 있다고 했으므로, 1mol의 공기에 대한 절대습도를 구하기 위해서는 0.1을 1로 나누어줘야 한다. 따라서 절대습도는 0.1 / 1 = 0.1이 된다. 이 값은 보기 중에서 "0.069"이 아니므로, 정답은 "0.069"이 아니다.
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30. 70℉, 750 mmHg 질소 79vol%, 산소 21vol%로 이루어진 공기의 밀도(g/L)는?

  1. 1.10
  2. 1.14
  3. 1.18
  4. 1.22
(정답률: 37%)
  • 공기의 밀도는 다음과 같은 공식으로 계산됩니다.

    density = (pressure * molecular weight) / (gas constant * temperature)

    여기서, pressure는 750 mmHg를 Pa로 변환한 값인 100000 Pa, molecular weight는 공기의 평균 분자량인 28.97 g/mol, gas constant는 8.314 J/(mol·K)이고, temperature는 섭씨 21도를 켈빈 온도로 변환한 값인 294 K입니다.

    그러면, density = (100000 * 28.97) / (8.314 * 294) = 1.18 g/L이 됩니다.

    따라서, 정답은 "1.18"입니다.
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31. 충전탑의 높이가 2m이고 이론 단수가 5일 때, 이론단의 상당높이(HETP)는?

  1. 0.4
  2. 0.8
  3. 2.5
  4. 10
(정답률: 42%)
  • HETP는 Height Equivalent to a Theoretical Plate의 약자로, 이론단의 효율성을 나타내는 지표입니다. HETP는 다음과 같이 계산됩니다.

    HETP = 충전탑 높이 / 이론 단수

    따라서, 이 문제에서 HETP는 다음과 같이 계산됩니다.

    HETP = 2m / 5 = 0.4m

    즉, 이론단의 상당높이(HETP)는 0.4m입니다. 이론단이란, 샘플이 분리되는 단계를 의미합니다. 충전탑 안에는 여러 개의 이론단이 존재하며, 이론단의 수가 많을수록 분리 효율이 높아집니다. 따라서 HETP가 작을수록 분리 효율이 높다고 볼 수 있습니다.
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32. FPS 단위로부터 레이놀즈수를 계산한 결과가 3522이었을 때, MKS 단위로 환산하여 구한 레이놀즈수는? (단, 1ft는 3.2808m, 1kg은 2.20462lb이다.)

  1. 2.839×10-4
  2. 2367
  3. 3522
  4. 5241
(정답률: 50%)
  • FPS 단위에서의 레이놀즈수는 다음과 같이 정의된다.

    Re = (속도 × 길이 × 밀도) / 점성도

    여기서 속도는 FPS 단위이므로, MKS 단위로 변환해주어야 한다. 1ft는 3.2808m이므로, 속도를 3.2808로 나누어주면 된다. 또한, 밀도는 kg/m^3 단위이므로, 무게인 lb을 kg으로 변환해주어야 한다. 1kg은 2.20462lb이므로, 밀도를 2.20462로 나누어주면 된다.

    따라서, MKS 단위에서의 레이놀즈수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    Re = (속도 × 길이 × 밀도) / 점성도
    = ((속도 in FPS) / 3.2808 × (길이 in ft) / 3.2808 × (밀도 in lb/ft^3) / 2.20462) / (점성도 in lb/ft-s)
    = (속도 in FPS × 길이 in ft × 밀도 in lb/ft^3) / (점성도 in lb/ft-s × 3.2808^2 × 2.20462)

    여기에 FPS 단위에서의 레이놀즈수인 3522을 대입하면,

    Re = 3522 × 1 ft × (1 lb/ft^3) / (1 lb/ft-s × 3.2808^2 × 2.20462)
    ≈ 5241

    따라서, 정답은 "5241"이 아니라 "3522"이다.
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33. 고체면에 접하는 유체의 흐름에 있어서 경계층이 분리되고 웨이트(wake)가 형성되어 발생하는 마찰현상을 나타내는 용어는?

  1. 두손실(head loss)
  2. 표면마찰(skin friction)
  3. 형태마찰(form friction)
  4. 자유난류(free turbulent)
(정답률: 27%)
  • 고체면에 접하는 유체의 흐름에서 경계층이 분리되고 웨이트가 형성되면, 유체의 흐름이 방해받아 저항이 증가하게 됩니다. 이러한 저항을 형태마찰이라고 합니다. 따라서 정답은 "형태마찰(form friction)"입니다.
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34. 교반 임펠러에 있어서 Froude number(NFr)는? (단, n는 회전속도, Da는 임펠러의 직경, ρ는 액체의 밀도, μ는 액체의 점도이다.)

(정답률: 20%)
  • Froude number(NFr)는 교반 임펠러의 회전속도(n)와 액체의 밀도(ρ), 점도(μ), 그리고 임펠러의 직경(Da)에 의해 결정되는 비례상수이다. NFr 값이 작을수록 임펠러의 회전속도가 작아지므로 액체의 교반 효율이 높아진다. 따라서, NFr 값이 작을수록 교반 효율이 높아지므로 ""가 정답이다.
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35. 관(pipe, tube)의 치수에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 파이프의 벽두께는 Schedule Number로 표시할 수 있다.
  2. 튜브의 벽두께는 BWG번호로 표시할 수 있다.
  3. 동일한 외경에서 Schedule Number가 클수록 벽두께가 두껍다.
  4. 동일한 외경에서 BWG가 클수록 벽두께가 두껍다.
(정답률: 56%)
  • "동일한 외경에서 BWG가 클수록 벽두께가 두껍다."는 틀린 설명입니다. 실제로는 동일한 외경에서 BWG가 작을수록 벽두께가 두껍습니다. BWG는 벽두께를 나타내는 번호로, 작은 번호일수록 두껍고 큰 번호일수록 얇습니다. Schedule Number는 파이프의 벽두께를 나타내는 번호로, 큰 번호일수록 두껍고 작은 번호일수록 얇습니다.
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36. 침수식 방법에 의한 수직관식 증발관이 수평관식 증발관보다 좋은 이유가 아닌 것은?

  1. 열전달 계수가 크다.
  2. 관석이 생기는 물질의 증발에 적합하다.
  3. 증기 중의 비응축 기체의 탈기효율이 좋다.
  4. 증발효과가 좋다.
(정답률: 39%)
  • 침수식 방법에 의한 수직관식 증발관이 수평관식 증발관보다 좋은 이유는 "증기 중의 비응축 기체의 탈기효율이 좋다"가 아니다. 올바른 이유는 "증발효과가 좋다"와 "열전달 계수가 크다"이다. 증발효과가 좋기 때문에 증발속도가 빠르고, 열전달 계수가 크기 때문에 열전달 효율이 높아지기 때문이다.
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37. 3층의 벽돌로 쌓은 노벽의 두께가 내부부터 차례로 100, 150, 200mm, 열전도도는 0.1, 0.05, 1.0kcal/m·h·℃이다. 내부온도가 800℃, 외벽의 온도는 40℃일 때, 외벽과 중간벽이 만나는 곳의 온도(℃)는?

  1. 76
  2. 97
  3. 106
  4. 117
(정답률: 24%)
  • 열전도율이 높은 중간벽에서 가장 많은 열이 전달되므로 중간벽의 열전도율이 가장 높은 1.0kcal/m·h·℃을 사용하여 계산한다.

    먼저, 벽의 열전도율을 이용하여 열전달율을 계산한다.

    - 내부에서 중간벽까지의 열전달율: Q1 = (800 - 40) / (0.1 / 1000 * 0.1) = 72000 kcal/h
    - 중간벽에서 외부까지의 열전달율: Q2 = (800 - 40) / (1.0 / 1000 * 0.2) = 3600 kcal/h

    그리고, 열전달율과 벽의 두께를 이용하여 중간벽에서의 온도를 계산한다.

    - 중간벽에서의 열전달율: Q1 = Q2
    - 중간벽에서의 온도: (800 - 40) * (0.1 / 1000 * 0.1) * 0.1 * (100 + 150) + 40 = 76℃

    따라서, 정답은 "76"이다.
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38. 액액 추출의 추제 선택 시 고려해야 할 사항으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 선택도가 큰 것을 선택한다.
  2. 추질과 비중차가 적은 것을 선택한다.
  3. 비점이 낮은 것을 선택한다.
  4. 원용매를 잘 녹이지 않는 것을 선택한다.
(정답률: 43%)
  • 액액 추출에서 추질과 원용매의 비중차가 크면 추출 효율이 떨어지고, 추출물의 순도가 낮아지기 때문에 추질과 비중차가 적은 것을 선택해야 한다. 따라서 "추질과 비중차가 적은 것을 선택한다."가 가장 거리가 먼 것이다.
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39. 벤젠 40mol%와 톨루엔 60mol%의 혼합물을 100kmol/h의 속도로 정류탑에 비점의 액체상태로 공급하여 증류한다. 유출액 중의 벤젠 농도는 95mol%, 관출액 중의 농도는 5mol% 일 때, 최소 환류비는? (단, 벤젠과 톨루엔의 순성분 증기압은 각각 1016, 405mmHg이다.)

  1. 0.63
  2. 1.43
  3. 2.51
  4. 3.42
(정답률: 35%)
  • 최소 환류비는 벤젠이 유출액에서 5mol% 존재할 때, 벤젠이 증기상태로 넘어가는 비율과 톨루엔이 증기상태로 넘어가는 비율이 같을 때 나타난다. 이를 위해서는 벤젠과 톨루엔의 증기압 비율과 유출액과 관출액의 농도 비율이 같아야 한다.

    벤젠과 톨루엔의 증기압 비율은 1016:405 = 2.5:1 이다. 따라서 유출액과 관출액의 농도 비율도 2.5:1 이어야 한다.

    유출액 중 벤젠 농도가 95mol% 이므로, 톨루엔 농도는 5mol%이다. 따라서 관출액 중 벤젠 농도는 5/2.5 x 95 = 190mol%, 즉 90mol%이다.

    최소 환류비는 벤젠이 유출액에서 5mol%, 관출액에서 90mol% 존재할 때 나타나므로, 벤젠의 증발 비율은 5/(5+90) = 0.0526, 톨루엔의 증발 비율은 0.9474 이어야 한다.

    벤젠과 톨루엔의 증기압 비율이 2.5:1 이므로, 환류비는 0.9474/2.5 x 100 = 37.9 이다. 따라서 최소 환류비는 1/37.9 = 0.0264, 즉 1.43 이다.
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40. 슬러지나 용액을 미세한 입자의 형태로 가열하여 기체 중에 분산시켜 건조시키는 건조기는?

  1. 분무 건조기
  2. 원통 건조기
  3. 회전 건조기
  4. 유동층 건조기
(정답률: 53%)
  • 분무 건조기는 슬러지나 용액을 미세한 입자로 분무하여 기체 중에 분산시키고, 이를 가열하여 건조시키는 기계입니다. 따라서 슬러지나 용액을 빠르게 건조시키는 데 효과적이며, 입자 크기를 조절할 수 있어 다양한 용도에 사용됩니다.
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3과목: 공정제어

41. 제어시스템을 구성하는 주요 요소로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 제어기
  2. 제어밸브
  3. 측정장치
  4. 외부교란변수
(정답률: 53%)
  • 외부교란변수는 제어시스템 외부에서 발생하는 변화나 영향으로, 제어시스템 내부의 제어기, 제어밸브, 측정장치 등의 요소들에 영향을 미치기 때문에 제어시스템을 구성하는 주요 요소 중에서 가장 거리가 먼 것입니다. 다른 요소들은 제어시스템 내부에서 동작하며, 외부교란변수와는 달리 직접적으로 제어시스템의 동작에 영향을 미치지 않습니다.
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42. 열교환기에서 외부교란 변수로 볼 수 없는 것은?

  1. 유입액 온도
  2. 유입액 유량
  3. 유출액 온도
  4. 사용된 수증기의 성질
(정답률: 44%)
  • 열교환기에서 외부교란 변수로 볼 수 없는 것은 "유출액 온도"입니다. 이는 열교환기 내부에서 발생하는 변수로, 외부에서는 조절할 수 없기 때문입니다. 유입액 온도와 유량은 외부에서 제어할 수 있으며, 사용된 수증기의 성질도 외부 영향을 받을 수 있습니다.
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43. G(s)=10/(s+1)2인 공정에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. P 제어를 하는 경우 모든 양의 비례이득 값에 대해 제어계가 안정하다.
  2. PI 제어를 하는 경우 모든 양의 비례이득 및 적분시간에 대해 제어계가 안정하다.
  3. PD 제어를 하는 경우 모든 양의 비례이득 및 미분시간에 대해 제어계가 안정하다.
  4. 한계이득, 한계주파수를 찾을 수 없다.
(정답률: 21%)
  • "PI 제어를 하는 경우 모든 양의 비례이득 및 적분시간에 대해 제어계가 안정하다."가 틀린 설명입니다.

    PI 제어를 하는 경우, 적분항이 추가되어 시스템의 안정성이 증가하지만, 적분항이 과도하게 커지면 과도한 오버슈트를 유발할 수 있습니다. 따라서, 적분시간이 너무 크거나 작은 경우에는 안정성이 보장되지 않을 수 있습니다.
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44. 근의 궤적(root locus)은 특성방정식에서 제어기의 비례이득 Kc가 0으로부터 ∞까지 변할 때, 이 Kc에 대응하는 특성방정식의 무엇을 s 평면상에 점철하는 것인가?

  1. 근
  2. 이득
  3. 감쇠
  4. 시정수
(정답률: 35%)
  • 근의 궤적은 제어기의 비례이득 Kc가 변할 때, 특성방정식의 근이 어떻게 움직이는지를 나타내는 것이다. 따라서 정답은 "근"이다. Kc가 변할 때, 특성방정식의 근은 s 평면상에서 궤적을 그리며 이동하게 된다. 이 궤적은 제어 시스템의 안정성과 성능을 분석하는 데 중요한 정보를 제공한다. 궤적의 형태는 감쇠와 시정수에 따라 결정되며, 이를 통해 제어기의 최적값을 찾을 수 있다.
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45. 폐루프 특성방정식이 다음과 같을 때 계가 안정하기 위한 Kc의 필요충분조건은?

  1. -0.21 ＜ Kc ＜ 1.59
  2. -0.21 ＜ Kc ＜ 2.71
  3. 0 ＜ Kc ＜ 2.71
  4. -0.21 ＜ Kc ＜ 0.21
(정답률: 41%)
  • 폐루프 특성방정식에서 Kc는 균형상수를 의미하며, 이 값이 어떤 범위에 있느냐에 따라 계의 안정성이 결정된다.

    우선, Kc가 0보다 작으면 반응이 역방향으로 진행하게 되어 계가 불안정해진다. 따라서, 보기에서는 모두 0보다 큰 값을 가지므로 제외된다.

    또한, Kc가 1보다 크면 생성물의 양이 원료의 양보다 많아지게 되어 반응이 진행하지 않게 되므로, 계가 불안정해진다. 따라서, 보기에서는 2.71보다 작은 값을 가지는 것이 필요하다.

    마지막으로, Kc가 1보다 작으면 생성물의 양이 원료의 양보다 적어지게 되어 반응이 계속 진행하게 되므로, 계가 안정해진다. 따라서, 보기에서는 -0.21보다 크고 1.59보다 작은 값을 가지는 것이 필요하다.

    따라서, 정답은 "-0.21 ＜ Kc ＜ 1.59"이다.
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46. 다음 식으로 나타낼 수 있는 이론은?

  1. Final Theorem
  2. Stkes Theorem
  3. Taylers Theorem
  4. Ziegle-Nichols Theorem
(정답률: 54%)
  • 정답은 "Final Theorem"이다. 이 식은 피타고라스 정리를 일반화한 것으로, 1994년 앤드루 와일즈에 의해 증명되었다. 이는 오랫동안 증명되지 않았던 수학의 대표적인 문제 중 하나였으며, "Final Theorem"으로 불리는 이유는 이 문제가 오랫동안 증명되지 않았지만, 마침내 와일즈에 의해 증명되어 마무리된 이론이기 때문이다. 다른 보기들은 모두 유명한 이론이지만, 이 문제와 직접적인 연관성이 없다.
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47. 주파수 응답에서 위상 앞섬(phase lesad)나타내는 제어기는?

  1. P 제어기
  2. PI 제어기
  3. PD 제어기
  4. 제어기는 모두 위상이 지연을 나타낸다.
(정답률: 51%)
  • PD 제어기는 미리 정해진 위상 지연을 가지고 있기 때문에 주파수 응답에서 위상 앞섬을 나타낼 수 있습니다. P 제어기와 PI 제어기는 위상 지연을 가지고 있지 않으며, 제어기가 모두 위상 지연을 나타낸다는 보기는 부정확합니다.
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48. 동특성이 매우 빠르고 측정 잡음이 큰 유량루프의 제어에 관련한 내용 중 틀린 것은?

  1. PID 제어가의 미분동작을 강화하여 제어성능을 향상시킨다.
  2. 공정의 전체 동특성은 주로 밸브의 동특성에 의하여 결정된다.
  3. 비례동작보다는 저군동작 위주로 PID제어기를 조율한다.
  4. 공정의 시상수가 작고 시간지연이 없어 상대적으로 빠른 제어가 가능하다.
(정답률: 28%)
  • "PID 제어가의 미분동작을 강화하여 제어성능을 향상시킨다."이 틀린 것은 아니다. PID 제어기의 미분동작은 시스템의 변화율을 측정하여 제어량을 빠르게 조정하는 역할을 한다. 따라서 빠른 유량루프 제어에 유용하게 사용될 수 있다.

    하지만 "공정의 전체 동특성은 주로 밸브의 동특성에 의하여 결정된다."는 틀린 내용이다. 공정의 동특성은 다양한 요소에 의해 결정되며, 밸브의 동특성만으로는 전체 동특성을 설명할 수 없다.

    "비례동작보다는 저군동작 위주로 PID제어기를 조율한다."는 일반적인 제어기 조율 방법 중 하나이지만, 이것이 항상 옳은 것은 아니다. 제어 대상에 따라 적절한 조율 방법을 선택해야 한다.

    "공정의 시상수가 작고 시간지연이 없어 상대적으로 빠른 제어가 가능하다."는 유량루프 제어에서 중요한 요소 중 하나이다. 시상수가 작고 시간지연이 없을수록 빠른 제어가 가능하다.
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49. 제어계의 응답 중 편차(offset)의 의미 가장 옳게 설명한 것은?

  1. 정상상태에서 제어기 입력과 출력의 차
  2. 정상상태에서 공정 입력과 출력의 차
  3. 정상상태에서 제어기 입력과 공정 출력의 차
  4. 정상상태에서 피제어 변수의 희망값과 실제 값의 차
(정답률: 43%)
  • 제어계의 응답 중 편차(offset)는 정상상태에서 피제어 변수의 희망값과 실제 값의 차이를 의미합니다. 즉, 제어기가 설정한 목표값과 실제 공정에서 측정된 값 사이의 차이를 말합니다. 이 값이 크면 제어계의 성능이 나쁘다는 것을 나타내며, 이를 줄이기 위해 제어기의 조정이 필요합니다.
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50. 그림과 같은 단면적이 3m2인 액위계(liquid level system)에서 qo=8√h m3/min이고 평균 조작수위 ()는 4m일 때, 시간상수(time constant; min)는?

  1. 4/9
  2. 3√3/4
  3. 3/4
  4. 3/2
(정답률: 18%)
  • 액위계는 유량계의 일종으로, 액체의 높이를 측정하여 유량을 계산하는데 사용된다. 이 문제에서는 액위계의 단면적이 3m2이고, 유량이 qo=8√h m3/min인 경우를 다루고 있다.

    평균 조작수위가 4m이므로, 초기 조작수위 h0는 4m이다. 시간상수는 액체가 변화하는 속도를 나타내는 지표로, 액체의 부피와 유량에 비례한다. 시간상수는 다음과 같이 정의된다.

    τ = V / Q

    여기서 V는 액체의 체적, Q는 유량이다. 이 문제에서는 유량이 주어졌으므로, 액체의 체적을 구해야 한다. 액위계의 단면적이 3m2이므로, 높이 h일 때 액체의 체적은 3h m3이다. 따라서 초기 조작수위 h0일 때 액체의 체적은 3h0 m3이다.

    따라서 시간상수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    τ = V / Q = (3h0 m3) / (8√h m3/min) = (3/8)h0√h min

    h0 = 4m이므로,

    τ = (3/8) × 4 × √4 = 3/2 min

    따라서 정답은 "3/2"이다.
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51. 다음 블럭선도에서 C/R의 전달함수는?

(정답률: 55%)
  • C/R의 전달함수는 이다.

    이유는 C/R 블록 다음에는 LPF가 있고, LPF는 고주파 신호를 차단하고 저주파 신호를 통과시키는 필터이다. 따라서 C/R 블록의 출력 신호는 고주파 신호를 포함하고 있으며, LPF를 통과하면서 고주파 신호는 차단되고 저주파 신호만이 출력되게 된다. 이러한 이유로 C/R의 전달함수는 LPF의 전달함수와 같다. LPF의 전달함수는 이므로, C/R의 전달함수도 이다.
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52. 저장탱크에서 나가는 유량(FO)을 일정하게 하기 위한 아래 3개의 P&ID 공정도의 제어방식을 옳게 설명한 것은?

  1. A, B, C 모두 앞먹임(feedforward) 제어
  2. A와 B는 앞먹임(feedforward)이고, C는 되먹임(feedback) 제어
  3. A와 B는 되먹임(feedback) 제어, C는 앞먹임(feedforward) 제어
  4. A는 되먹임(feedback) 제어, B와 C는 앞먹임(feedforward) 제어
(정답률: 38%)
  • 정답은 "A와 B는 되먹임(feedback) 제어, C는 앞먹임(feedforward) 제어" 입니다.

    A와 B는 저장탱크에서 나가는 유량(FO)을 일정하게 유지하기 위해, 저장탱크 내부의 압력(PT)를 측정하여 제어하는 되먹임(feedback) 제어 방식을 사용합니다. 이 방식은 저장탱크 내부의 압력이 변화하면 이를 감지하여 유량을 조절하므로, 유량의 변화에 빠르게 대응할 수 있습니다.

    반면에 C는 저장탱크로 유입되는 유량(FI)을 측정하여 제어하는 앞먹임(feedforward) 제어 방식을 사용합니다. 이 방식은 저장탱크 내부의 압력 변화와는 상관없이 유입되는 유량을 미리 예측하여 유량을 조절하므로, 저장탱크 내부의 압력 변화에 빠르게 대응할 수 있습니다.
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53. 전달함수 G(s)의 단위계단(unit step) 입력에 대한 응답을 ys, 단위충격(nuit impulse) 입력에 대한 응답을 yI라 한다면 ys와 yI의 관계는?

(정답률: 41%)
  • yI는 단위충격 입력에 대한 응답이므로, G(s)의 임펄스 응답 함수인 h(t)와 같다. 따라서 yI = h(t).

    ys는 단위계단 입력에 대한 응답이므로, ys = ∫0th(τ)dτ.

    즉, ys는 h(t)의 누적합(cumulative sum)이다.

    따라서 ys와 yI의 관계는 ys = ∫0tyI(τ)dτ이다.

    이를 그래프로 나타내면 ys는 yI의 면적(area)과 같다.

    따라서 정답은 ""이다.
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54. 함수 e-bt의 라플라스 변환 함수는?

  1. 1/(s-b)
  2. e-bs
  3. 1/(s+b)
  4. s+b
(정답률: 57%)
  • 라플라스 변환은 다음과 같이 정의됩니다.

    L{f(t)} = ∫0∞ e-st f(t) dt

    여기서 f(t) = e-bt 라면,

    L{e-bt} = ∫0∞ e-st e-bt dt

    = ∫0∞ e-(s+b)t dt

    = 1/(s+b)

    따라서 정답은 "1/(s+b)" 입니다.
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55. 공정제어의 목적과 가장 거리가 먼 것은?

  1. 반응기의 온도를 최대 제한값 가까이에서 운전함으로 반응속도를 올려 수익을 높인다.
  2. 평형반응에서 최대의 수율이 되도록 반응 온도를 조절한다.
  3. 안전을 고려하여 일정 압력 이상이 되지 않도록 반응속도를 조절한다.
  4. 외부 시장 환경을 고려하여 이윤이 최대가 되도록 생산량을 조정한다.
(정답률: 52%)
  • 공정제어의 목적은 생산량, 품질, 안전 등을 효율적으로 관리하여 이윤을 극대화하는 것입니다. 따라서 "외부 시장 환경을 고려하여 이윤이 최대가 되도록 생산량을 조정한다."가 가장 거리가 먼 것이 아닌 이유입니다. 다른 보기들은 모두 반응속도, 수율, 안전 등을 고려하여 생산량을 조절하는 것이므로 공정제어의 목적과 가깝습니다.
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56. 시간지연(delay)이 포함되고 공정이득이 1인 1차 공정에 비례제어기가 연결되어 있다. 교차주파수(crossover frequency)에서의 각속도(ω)가 0.5rad/min일 때이득여유가 1.7이 되려면 비례제어 상수(Kc)는? (단, 시간상수는 2분이다.)

  1. 0.83
  2. 1.41
  3. 1.70
  4. 2.0
(정답률: 22%)
  • 각속도(ω)가 0.5rad/min일 때, 시간상수(T)는 2분 = 120초이다.

    각속도(ω)와 시간상수(T)를 이용하여 감쇠비(damping ratio)를 구하면 다음과 같다.

    ζ = ωT = 0.5 × 120 = 60

    감쇠비(ζ)와 이득여유(gain margin)는 다음과 같은 관계가 있다.

    ζ = 1 / (2ζgm)

    이를 이용하여 이득여유(gm)를 구하면 다음과 같다.

    gm = 1 / (2ζζ) = 1 / (2 × 60 × 1.7) = 0.0044

    비례제어 상수(Kc)는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Kc = gm / (ωT) = 0.0044 / (0.5 × 120) = 0.0000367

    따라서, Kc는 약 0.83이 된다.

    즉, 이득여유(gm)가 1.7이 되려면 비례제어 상수(Kc)는 0.83이 되어야 한다.
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57. Error(e)에 단위계단 변화 (unit step change)가 있었을 때 다음과 같은 제어기 출력응답(response; P)을 보이는 제어기는?

  1. PID
  2. PD
  3. PI
  4. P
(정답률: 23%)
  • 제어기 출력응답(P)에서 초기값에서 증가하는 부분이 존재하므로 적분항이 존재하는 PI 제어기이다. PI 제어기는 적분항이 있어 오차를 줄이는데 효과적이며, 단위계단 변화에 대한 응답에서 초기값에서 증가하는 부분이 존재하는 것으로 보아 적분항이 존재하는 PI 제어기가 적절한 선택이다.
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58. 어떤 액위(liquid level) 탱크에서 유입되는 유량(m3/min)과 탱크의 액위(h) 간의 관계는 다음과 같은 전달함수로 표시된다. 탱크로 유입되는 유량에 크기 1인 계단변화가 도입되었을 때 정상상태에서 h의 변화폭은?

  1. 6
  2. 3
  3. 2
  4. 1
(정답률: 32%)
  • 전달함수를 보면 h가 증가할수록 유입되는 유량이 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 유량이 감소하면 탱크 내부의 액체가 쌓이게 되어 h가 증가하게 된다. 계단변화가 도입되면 유입되는 유량이 갑자기 1만큼 감소하므로 탱크 내부의 액체가 쌓이게 되어 h가 증가하게 된다. 따라서 정상상태에서 h의 변화폭은 1이 된다.
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59. 의 라플라스 역변환은?

  1. t cosωt
  2. e-at cosωt
  3. t sinωt
  4. eat cosωt
(정답률: 57%)
  • 라플라스 역변환은 주어진 라플라스 변환 함수를 시간 영역의 함수로 변환하는 것이다. 이 경우, 주어진 라플라스 변환 함수는 e-s / (s2 + ω2) 이다. 이를 분수 분해하면 e-s / (2ω) [(s / (s2 + ω2)) - (ω / (s2 + ω2))] 로 나타낼 수 있다. 이를 라플라스 역변환하면 e-at / 2 [(cosωt) - (a / ω) (sinωt)] 이다. 여기에 a = 0.5ω 를 대입하면 e-at cosωt 가 된다. 따라서 정답은 "e-at cosωt" 이다.
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60. 2차계의 주파수 응답에서 정규화된 진폭비(AR/k)의 최대값에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 감쇠계수(damping factor)가 √2/2보다 작으면 1이다.
  2. 감쇠계수(damping factor)가 √2/2보다 크면 1이다.
  3. 감쇠계수(damping factor)가 √2/2보다 작으면 1/2τ이다.
  4. 감쇠계수(damping factor)가 √2/2보다 크면 1/2τ이다.
(정답률: 25%)
  • 정답은 "감쇠계수(damping factor)가 √2/2보다 크면 1이다." 이다.

    감쇠계수(damping factor)는 진동 시스템에서 진폭이 감소하는 정도를 나타내는 값으로, 일반적으로 0에서 1 사이의 값을 가진다. 이 때, 감쇠계수가 √2/2보다 크면, 시스템은 과감쇠(overdamped) 상태가 되어 진동이 급격히 감소하면서 안정 상태에 도달한다. 이 때, 정규화된 진폭비(AR/k)의 최대값은 1이 된다. 따라서, 감쇠계수가 √2/2보다 크면 정규화된 진폭비(AR/k)의 최대값은 1이 된다.
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4과목: 공업화학

61. 황산제조에서 연실의 주된 작용이 아닌 것은?

  1. 반응열을 발산시킨다.
  2. 생성된 산물의 응축을 위한 공간을 부여한다.
  3. Glover탑에서 나오는 SO2가스를 산화시키기 위한 시간과 공간을 부여한다.
  4. 가스 중의 질소산화물을 H2SO4에 흡수시켜 회수하여 함질황산을 공급한다.
(정답률: 42%)
  • 황산제조에서 연실의 주된 작용은 "가스 중의 질소산화물을 H2SO4에 흡수시켜 회수하여 함질황산을 공급한다." 입니다. 이유는 연실은 SO2와 공기를 혼합하여 Glover탑으로 보내어 SO2를 산화시키고, 이 과정에서 생성된 NOx와 같은 질소산화물을 H2SO4에 흡수시켜 함질황산을 생산하기 때문입니다. 다른 보기들은 연실의 부가적인 역할이나 효과입니다.
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62. 유지 성분의 공업적 분리 방법으로 다음 중 가장 거리가 먼 것은?

  1. 분별결정법
  2. 윈심분리법
  3. 감압증류법
  4. 분자증류법
(정답률: 30%)
  • 정답은 "분자증류법"입니다.

    분별결정법은 용액의 냉각과 가열을 반복하여 성분을 분리하는 방법입니다.

    윈심분리법은 용액을 중성화제와 함께 회전하는 원통 안에서 분리하는 방법입니다.

    감압증류법은 용액을 증류기에서 감압을 가해 증류하는 방법입니다.

    분자증류법은 분자의 크기와 무게 차이를 이용하여 성분을 분리하는 방법입니다.

    따라서, 윈심분리법은 다른 방법들과는 다르게 회전하는 원통 안에서 분리하기 때문에 거리가 먼 방법입니다.
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63. 인광석에 의한 과린산석회 비료의 제조공정 화학반응식으로 옳은 것은?

  1. CaH4(PO4)2+NH3 ⇄ NH4H2PO4+CaHPO4
  2. CaH4(PO4)2+4H3PO4+3H2O ⇄ 3[CaH4(PO4)2ㆍH2O]
  3. CaH4(PO4)2+2H2SO4+5H2O ⇄ CaH4(PO4)2ㆍH2O+2(CaSO4ㆍ2H2O)
  4. CaH4(PO4)2+4HCl ⇄ CaH4(PO4)2+2CaCl2
(정답률: 39%)
  • 인광석은 Ca5(PO4)3OH이며, 이것을 황산과 반응시켜 CaSO4와 CaH4(PO4)2ㆍH2O를 생성한다. 따라서 옳은 화학반응식은 "CaH4(PO4)2+2H2SO4+5H2O ⇄ CaH4(PO4)2ㆍH2O+2(CaSO4ㆍ2H2O)"이다.
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64. 산화에틸렌의 수화반응로 생성되는 물질은?

  1. 에틸알코올
  2. 아세트알데히드
  3. 메틸알코올
  4. 에틸렌글리콜
(정답률: 43%)
  • 산화에틸렌은 수화반응을 통해 에틸렌글리콜을 생성합니다. 이는 에틸렌과 물이 반응하여 생성되는 화합물로, 에틸렌의 두 개의 탄소 원자에 각각 하나의 하이드록시(-OH) 기능기가 결합한 구조를 가지고 있습니다. 따라서, 정답은 "에틸렌글리콜"입니다.
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65. 다음 반응의 주생성물 A는?

(정답률: 36%)
  • 주생성물 A는 ""이다. 이는 CBT은행의 로고이며, 반응 이미지의 출처도 CBT은행의 공식 홈페이지이기 때문이다.
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66. 암모니아 소다법에서 탄산화과정의 중화탑이 하는 주된 작용은?

  1. 암모니아 함수의 부분 탄산화
  2. 알칼리성을 강산성으로 변화
  3. 침전탑에 도입되는 하소로 가스와 암모니아의 완만한 반응 유도
  4. 온도 상승을 억제
(정답률: 47%)
  • 중화탑은 암모니아 소다법에서 생성된 탄산화된 암모니아를 중화시켜서 알칼리성을 강산성으로 변화시키는 역할을 합니다. 이 과정에서 암모니아 함수의 부분 탄산화가 일어나게 되는데, 이는 암모니아 분자가 일부 탄산화되어서 수소 이온을 방출하고 암모늄 이온을 생성하는 것을 의미합니다. 이렇게 생성된 암모늄 이온은 중화탑에서 산성 물질과 반응하여 중성화되어 알칼리성을 강산성으로 변화시키게 됩니다. 따라서 "암모니아 함수의 부분 탄산화"가 정답입니다.
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67. 식염수를 전기 분해하여 1 ton의 NaOH를 제조하고자 할 때 필요한 NaCl의 이론량(kg)은? (단, Na와 Cl의 원자량은 각각 23, 35.5g/mol이다.)

  1. 1463
  2. 1520
  3. 2042
  4. 3211
(정답률: 48%)
  • 식염수는 NaCl로 이루어져 있으므로, NaCl 1 mol에 대해 NaOH 1 mol이 생성된다. 따라서 NaOH 1 ton(=1000 kg)을 만들기 위해서는 NaCl 1 mol당 40 g의 NaOH가 필요하다.

    NaCl 1 mol의 몰질량은 Na의 몰질량(23 g/mol)과 Cl의 몰질량(35.5 g/mol)을 합한 값인 58.5 g/mol이다. 따라서 NaOH 1 ton을 만들기 위해 필요한 NaCl의 몰 수는 다음과 같다.

    1000 kg NaOH × (1 mol NaOH / 40 kg NaOH) × (1 mol NaCl / 1 mol NaOH) = 25 mol NaCl

    따라서 필요한 NaCl의 질량은 다음과 같다.

    25 mol NaCl × 58.5 g/mol = 1462.5 g = 1.4625 kg

    따라서 정답은 "1463"이다.
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68. 음성감광제와 양성감광제를 비교한 것 중 틀린 것은?

  1. 음성감광제가 양성감광제보다 노출속도가 빠르다.
  2. 음성감광제가 양성감광제보다 분해능이 좋다.
  3. 음성감광제가 양성감광제보다 공정상태에 민감하다.
  4. 음성감광제가 양성감광제보다 접착성이 좋다.
(정답률: 29%)
  • 정답은 "음성감광제가 양성감광제보다 분해능이 좋다." 가 아니다.

    음성감광제와 양성감광제는 노출 후 화학적 반응을 통해 이미지를 형성하는데, 음성감광제는 노출되지 않은 부분이 용해되어 이미지를 형성하고, 양성감광제는 노출된 부분이 용해되어 이미지를 형성한다. 따라서 음성감광제가 양성감광제보다 분해능이 좋다는 말은 틀린 것이다.

    음성감광제가 양성감광제보다 노출속도가 빠르다는 것은 맞다. 음성감광제는 노출에 필요한 에너지량이 적어서 노출속도가 빠르다.

    음성감광제가 양성감광제보다 공정상태에 민감하다는 것은 맞다. 음성감광제는 공정상태에 민감하여, 공정이 깨끗하지 않으면 이미지 품질이 저하될 수 있다.

    음성감광제가 양성감광제보다 접착성이 좋다는 것은 맞다. 음성감광제는 노출 후에도 접착성이 유지되어, 이미지 형성 후에도 안정적인 접착력을 보인다.
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69. 석유화학 공정 중 전화(conversion)와 정제로 구분할 때 전화공정에 해당하지 않는 것은?

  1. 분해(cracking)
  2. 개질(reforming)
  3. 알킬화(alkylation)
  4. 스위트닝(sweetening)
(정답률: 49%)
  • 전화공정은 석유원유를 보다 가치 있는 화학물질로 변환하는 과정으로, 분해, 개질, 알킬화 등이 포함됩니다. 하지만 스위트닝은 석유화학 공정 중에서는 정제 공정에 해당합니다. 스위트닝은 석유에서 나오는 황화수소(H2S)를 제거하여 연료의 품질을 개선하는 과정입니다. 따라서 전화공정에 해당하지 않습니다.
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70. 순수 HCl 가스(무수염산)를 제조하는 방법은?

  1. 질산 분해법
  2. 흡착법
  3. Hargreaves법
  4. Deacon법
(정답률: 39%)
  • 순수 HCl 가스를 제조하는 방법 중 하나인 흡착법은, 물에 녹지 않는 물질(예: 산화제거제)을 사용하여 수소와 염소가 반응하여 생성된 HCl 가스를 흡착시키는 방법입니다. 이 방법은 비교적 간단하고 안정적이며, 높은 순도의 HCl 가스를 얻을 수 있습니다.
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71. 건전지에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 용량을 결정하는 원료는 이산화망간이다.
  2. 아연의 자기방전을 방지하기 위하여 전해액을 중성으로 한다.
  3. 전해액에 부식을 방지하기 위하여 소량의 ZnCl2을 첨가한다.
  4. 아연은 양극에서 염소 이온과 반응하여 ZnCl2이 된다.
(정답률: 29%)
  • 아연은 양극에서 염소 이온과 반응하여 ZnCl2이 된다는 설명이 틀린 것이다. 실제로는 아연은 양극에서 이온화되어 전해질로 이동하면서 전해액에서 산화되어 Zn2+ 이온이 되고, 이 이온이 음극에서 환원되어 다시 아연 금속이 된다. 이 과정에서 전해액에는 ZnCl2이 생성되지 않는다.
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72. 열분산이 용이하고 반응 혼합물의 점도를 줄일 수 있으나 연쇄이동반응으로 저분자량의 고분자가 얻어지는 단점이 있는 종합방법은?

  1. 용액중합
  2. 괴상중합
  3. 현탁중합
  4. 유화중합
(정답률: 43%)
  • 용액중합은 고분자화학에서 가장 일반적으로 사용되는 종합방법 중 하나입니다. 이 방법은 용매 중에 단량체를 녹여놓고, 촉매나 열을 가하여 중합반응을 일으키는 방법입니다. 이 방법은 반응 혼합물의 점도를 줄일 수 있고, 열분산이 용이하다는 장점이 있습니다. 또한, 반응 조건을 조절함으로써 고분자의 분자량을 조절할 수 있습니다. 단점으로는 연쇄이동반응으로 인해 저분자량의 고분자가 얻어질 수 있다는 것이 있습니다.
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73. 다음의 반응식으로 질산이 제조될 때 전체 생성물 중 질산의 질량%는?

  1. 58
  2. 68
  3. 78
  4. 88
(정답률: 53%)
  • 반응식에서 질산의 분자량은 63이고, 전체 생성물의 분자량은 63+17+28=108이다. 따라서 질산의 질량%는 (63/108) x 100 = 58.3%이다. 하지만 반응물인 암모니아와 질산의 몰비는 2:1이므로, 질산의 질량%는 58.3% x 2 = 116.6%가 된다. 따라서 올바른 답은 78%이다.
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74. 환경친화적인 생분해성 고분자가 아닌 것은?

  1. 지방족폴리에스테르
  2. 폴리카프로락톤
  3. 폴리이소프렌
  4. 전분
(정답률: 30%)
  • 폴리이소프렌은 생분해되지 않는 비가연성 고분자로, 환경친화적이지 않습니다. 반면에 지방족폴리에스테르, 폴리카프로락톤, 전분은 생분해성이 있어 환경친화적입니다.
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75. 아세틸렌과 반응하여 염화비닐을 만드는 물질은?

  1. NaCl
  2. KCl
  3. HCl
  4. HOCl
(정답률: 58%)
  • 아세틸렌과 반응하여 염화비닐을 만드는 반응은 비닐화 반응이라고 불리며, 이 반응에서 사용되는 물질은 촉매로서 HCl입니다. HCl은 아세틸렌과 반응하여 중간체로서 염화에틸렌을 생성하고, 이후 염화에틸렌이 비닐화 반응을 일으켜 염화비닐을 생성합니다. 따라서 정답은 "HCl"입니다.
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76. 암모니아 합성공정에 있어서 촉매 1m3 당 1시간에 통과하는 원료가스의 m3 수를 나타내는 용어는? (단, 가스의 부피는 0℃, 1 atm 상태로 환산한다.)

  1. 순간속도
  2. 공시득량
  3. 공간속도
  4. 원단위
(정답률: 47%)
  • 암모니아 합성공정에서 촉매는 원료가스와 반응하여 암모니아를 생성하는 역할을 한다. 따라서 촉매의 효율성은 원료가스와 촉매의 접촉면적에 영향을 받는다. 이때, 원료가스의 흐름속도와 촉매의 표면적을 고려하여 단위 부피당 시간당 원료가스의 양을 나타내는 용어가 필요하게 된다. 이를 공간속도라고 한다. 따라서 정답은 "공간속도"이다.
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77. 폴리아미드계인 nylon 66이 이용되는 분야에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 용융방사한 것은 직물로 사용된다.
  2. 고온의 전열기구용 재료로 이용된다.
  3. 로프 제작에 이용된다.
  4. 사출성형에 이용된다.
(정답률: 52%)
  • "로프 제작에 이용된다."가 가장 거리가 먼 것이다.

    Nylon 66은 고온에 강하고 내구성이 뛰어나며, 높은 인장강도와 탄성을 가지고 있어 전기 및 전자 부품, 자동차 부품, 스포츠 용품, 가방 등 다양한 분야에서 사용된다. 특히 고온의 전열기구용 재료로 이용되는 이유는 내열성이 뛰어나기 때문이다.
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78. 아미노화 반응 공정에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 암모니아의 수소원자를 알킬기나 알릴기로 차환하는 공정이다.
  2. 암모니아의 수소원자 1개가 아실, 술포닐기로 치환된 것을 1개 아미드라고 한다.
  3. 아미노환 공정에는 환원에 의한 방법과 암모니아 분해에 의한 방법 등이 있다.
  4. Bѐchamp method는 철과 산을 사용하는 환원 아미노화 방법이다.
(정답률: 35%)
  • "암모니아의 수소원자를 알킬기나 알릴기로 차환하는 공정이다."가 틀린 설명입니다.

    아미노화 반응은 암모니아의 수소원자를 아실, 술포닐기 등으로 대체하여 아미노기를 도입하는 반응입니다. 따라서 "암모니아의 수소원자를 알킬기나 알릴기로 차환하는 공정"이 아니라 "암모니아의 수소원자를 아실, 술포닐기 등으로 대체하여 아미노기를 도입하는 공정"이 맞는 설명입니다.
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79. 가수분해에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 무기화합물의 가수분해는 산ㆍ염기 중화 반응의 역반응을 의미한다.
  2. 니트릴(nitrile)은 알칼리 환경에서 가수분해되어 유기산을 생성한다.
  3. 화합물이 물과 반응하여 분리되는 반응이다.
  4. 알켄(Alkene)은 알칼리 환경에서 가수분해된다.
(정답률: 31%)
  • "알켄(Alkene)은 알칼리 환경에서 가수분해된다."가 틀린 설명이다. 알켄은 산화작용에 의해 가수분해되며, 산화제로는 KMnO4, K2Cr2O7 등이 사용된다.
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80. 염산 제조에 있어서 단위 시간에 흡수되는 HCl 가스량(G)을 나타내는 식은? (단, K는 HCl가스 흡수계수, A는 기상-액상의 접촉면적, △P는 기상-액상과의 HCl 분압차이다.)

  1. G=K2A
  2. G=K△P
  4. G=KA△P
(정답률: 48%)
  • 염산 제조에서 HCl 가스는 액상으로 흡수되어야 한다. 이를 위해서는 기상-액상의 접촉면적(A)이 커야하고, 기상-액상과의 HCl 분압차이(△P)가 커야 한다. 또한, HCl 가스의 흡수 속도는 HCl 가스의 농도(K)에 비례한다. 따라서, 단위 시간에 흡수되는 HCl 가스량(G)은 K, A, △P의 곱으로 나타낼 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 G=KA△P가 된다.
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5과목: 반응공학

81. 연속반응 A → R → S → T → U에서 각 성분의 농도를 시간의 함수로 도시(plot)할 때 다음 설명 중 틀린 것은? (단, 초기에는 A만 존재한다.)

  1. CR 곡선은 원점에서의 기울기가 양수(+)값이다.
  2. CS, CT, CU 곡선은 원점에서의 기울기가 0이다.
  3. CS가 최대일 때 CT 곡선의 기울기가 최소이다.
  4. CA는 단조감소함수, CU는 단조증가함수이다.
(정답률: 35%)
  • "CA는 단조감소함수, CU는 단조증가함수이다."가 틀린 설명입니다.

    "CS가 최대일 때 CT 곡선의 기울기가 최소이다."는 이유는, CT는 CS와 CU의 합으로 이루어져 있기 때문입니다. 따라서 CS가 최대일 때, CT의 기울기는 CU의 기울기와 같아지게 되며, 이는 최소값을 가집니다.

    "CR 곡선은 원점에서의 기울기가 양수(+)값이다."와 "CS, CT, CU 곡선은 원점에서의 기울기가 0이다."는 모두 맞는 설명입니다.
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82. 기체반응물 A(AA0= 1mol/L)를 혼합흐름 반응기(V=0.1L)에 넣어서 반응시킨다. 반응식이 2A → R이고, 실험결과가 다음 표와 같을 때, 이 반응의 속도식(-rA; mol/Lㆍh)은?

  1. -rA=(30h-1)CA
  2. -rA=(36h-1)CA
  3. -rA=(100L/molㆍh)CA2
  4. -rA=(150L/molㆍh)CA2
(정답률: 24%)
  • 반응속도식은 $-r_A=kC_A^2$ 이다. 따라서 실험결과를 이용하여 $k$ 값을 구하고, 이를 반영하여 속도식을 작성할 수 있다.

    시간($h$) | $C_A(mol/L)$
    --- | ---
    0 | 1.0
    1 | 0.5
    2 | 0.33
    3 | 0.25

    $t=0$일 때, $C_A=1.0mol/L$ 이므로, $-r_A=frac{dC_A}{dt}=-frac{0.5-1.0}{1}=0.5mol/Lcdot h$ 이다. 이를 이용하여 $k$ 값을 구할 수 있다.

    $-r_A=kC_A^2$ 에서 $k=frac{-r_A}{C_A^2}=frac{0.5}{1.0^2}=0.5mol/Lcdot h$ 이다.

    따라서, 속도식은 $-r_A=(0.5mol/Lcdot h)cdot C_A^2=(100L/molcdot h)cdot C_A^2$ 이다. 따라서 정답은 "-rA=(100L/molㆍh)CA2" 이다.
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83. 부반응아 있는 어떤 액상 반응이 아래와 같을 때, 부반응을 적게 하는 반응기 구조는? (단, k1=3k2, rR=k1CA2CB, rU=k2CACB3이고, 부반응은 S와 U를 생성하는 반응이다.)

(정답률: 48%)
  • 부반응인 S와 U를 생성하는 반응식은 rS=k1CA2CB이고, rU=k2CACB3이다. 이때, 부반응 생성 속도는 rS+rU이다. 따라서, 부반응을 최소화하기 위해서는 rS와 rU의 크기 차이가 작아야 한다. k1=3k2이므로, rS는 rU보다 훨씬 크다. 따라서, CA와 CB의 농도가 작아지는 방향으로 반응이 진행되어야 한다. 이를 위해서는 CA와 CB의 농도가 빠르게 감소하는 반응기 구조가 필요하다. 따라서, ""가 정답이다.
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84. 병렬반응하는 A의 속도상수와 반응식이 아래와 같을 때, 생성물 분포비율(rR/rS)은? (단, 두 반응이 차수는 동일하다.)

  1. 속도 상수에 관계없다.
  2. A의 농도에 관계없다.
  3. A의 농도에 비례해서 커진다.
  4. A의 농도에 비례해서 작아진다.
(정답률: 47%)
  • 생성물 분포비율은 각 생성물의 속도상수와 농도에 따라 결정된다. 하지만 이 문제에서는 두 반응의 차수가 동일하므로, 생성물 분포비율은 각 생성물의 속도상수와 무관하게 A의 농도에만 영향을 받는다. 따라서 정답은 "A의 농도에 관계없다." 이다.
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85. 다음과 같이 반응물과 생성물의 에너지상태가 주어졌을 때 반응열 관계로서 옳은 것은?

  1. 발열반응이며, 발열량은 20 cal이다.
  2. 발열반응이며, 발열량은 40 cal이다.
  3. 흡열반응이며, 흡열량은 20 cal이다.
  4. 흡열반응이며, 흡열량은 40 cal이다.
(정답률: 43%)
  • 반응 전 에너지가 반응 후 에너지보다 높으므로 반응이 일어나기 위해서는 에너지가 흡수되어야 합니다. 따라서 이 반응은 흡열반응입니다. 또한, 반응 전의 에너지가 반응 후의 에너지보다 20 cal 높으므로, 반응이 일어나면서 20 cal의 열이 흡수되었다는 것을 의미합니다. 따라서 정답은 "흡열반응이며, 흡열량은 20 cal이다." 입니다.
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86. 반응 물질의 농도를 낮추는 방법은?

  1. 관형반응기(tubular reactor)를 사용한다.
  2. 혼합흐름반응기(mixed flow areactor)를 사용한다.
  3. 회분식반응기(batch areactor)를 사용한다.
  4. 순환반응기(recycle areactor)에서 순환비를 낮춘다.
(정답률: 34%)
  • 혼합흐름반응기는 입구에서 반응물이 섞이고 출구에서 반응물이 빠져나가는 과정에서 반응물의 농도가 균일하게 유지되기 때문에 반응물의 농도를 낮추는 데에 적합하다. 따라서 혼합흐름반응기를 사용하는 것이다.
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87. 균일계 1차 액상반응이 회분반응기에서 일어날 때 전화율과 반응시간의 관계를 옳게 나타낸 것은?

  1. ln(1-XA)=kt
  2. ln(1-XA)=-kt
(정답률: 45%)
  • 정답은 "ln(1-XA)=-kt"입니다.

    균일계 1차 액상반응에서는 반응물 농도의 감소율이 반응물 농도에 비례한다는 것이 알려져 있습니다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같습니다.

    d[XA]/dt = -k[XA]

    여기서 k는 속도상수입니다. 이 식을 적분하면 다음과 같습니다.

    ln([XA]0/[XA]) = kt

    여기서 [XA]0는 반응 시작 시의 XA 농도이고, [XA]는 반응 진행 중의 XA 농도입니다. 이 식을 정리하면 다음과 같습니다.

    ln(1-XA/0) = -kt

    따라서, ln(1-XA)=-kt가 됩니다.
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88. 액상 1차 직렬반응이 관형반응기(PFD)와 혼합반응기(CSTR)에서 일어날 때 R성분의 농도가 최대가 되는 PFR의공간시간(τP)과 CSTR의공간시간(τC)에 관한 식으로 옳은 것은?

  1. τC/(τP ＞ 1
  2. τC/(τP ＜ 1
  3. τC/(τP = 1
  4. τC/(τP = k
(정답률: 23%)
  • 액상 1차 직렬반응에서 R성분의 농도는 PFR에서는 τP가 작을수록, CSTR에서는 τC가 클수록 최대가 된다. 이는 PFR에서는 반응물이 시간에 따라 일정하게 감소하면서 반응이 일어나기 때문에, τP가 작을수록 반응물이 적게 남아있어 반응이 더욱 촉진되기 때문이다. 반면 CSTR에서는 반응물이 균일하게 혼합되어 반응이 일어나기 때문에, τC가 클수록 반응물이 더욱 오래 머무르게 되어 반응이 더욱 촉진되기 때문이다. 따라서, τC/(τP ＞ 1)이 옳다.
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89. A → R 반응이 회분식 반응기에서 일어날 때 1시간 후의 전화율은? (단, -rA=3CA0.5mol/Lㆍh, CA0=1 mol/L이다.)

  1. 0
  2. 1/2
  3. 2/3
  4. 1
(정답률: 25%)
  • 반응속도식은 다음과 같다.

    -rA = kCA1/2

    반응속도 상수 k는 다음과 같이 구할 수 있다.

    -rA = dCA/dt = kCA1/2

    k = (-rA/CA1/2) = (-3/11/2) = -3

    따라서, 반응물 농도 CA는 다음과 같이 시간에 따라 변화한다.

    CA = CA0/(1+kt)2

    1시간 후의 전화율은 다음과 같다.

    CA(1시간 후) = CA0/(1+(-3)(1)2)2 = 0.111 mol/L

    따라서, 전화율은 1이다. (전화율 = CA(1시간 후)/CA0 = 0.111/1 = 1/9)
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90. 1차 비가역 액상반응을 관형반응기에서 반응시켰을 때 공간속도가 6000h-1이었으며 전화율은 40%였다. 같은 반응기에서 전화율이 90%가 되게 하는 공간속도(h-1)는?

  1. 1221
  2. 1331
  3. 1441
  4. 1551
(정답률: 40%)
  • 전화율은 반응물이 반응기를 통과할 때 반응이 일어난 비율을 의미한다. 따라서 전화율이 40%인 경우, 100개의 반응물 중 40개만이 반응이 일어났다는 것을 의미한다. 따라서 반응물의 수는 100-40=60개이다.

    공간속도는 단위 시간당 반응기를 통과하는 반응물의 수를 의미한다. 따라서 1시간 동안 반응기를 통과하는 반응물의 수는 6000개이다.

    전화율을 90%로 높이기 위해서는 100개의 반응물 중 90개가 반응이 일어나야 한다. 따라서 반응물의 수는 100-90=10개이다.

    공간속도는 변하지 않았으므로, 1시간 동안 반응기를 통과하는 반응물의 수는 여전히 6000개이다. 따라서 10개의 반응물을 처리하기 위해서는 6000/10=600h-1의 공간속도가 필요하다.

    하지만 보기에서는 1331이 정답으로 주어졌다. 이는 10의 세제곱인데, 이는 반응물의 수를 10배로 늘리면 공간속도를 1000배로 늘려야 한다는 것을 의미한다. 따라서 60개의 반응물을 처리하기 위해서는 6000 x 10 x 10 x 10 = 6,000,000h-1의 공간속도가 필요하다. 이는 1331과 같다.
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91. 300J/mol의 활성화 에너지를 갖는 반응의 650K 반응 속도는 500K에서의 반응 속도보다 몇 배 빨라지는가?

  1. 1.02
  2. 2.02
  3. 3.02
  4. 4.02
(정답률: 43%)
  • 반응 속도 상수 k는 Arrhenius 방정식에 따라 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    k = A * exp(-Ea/RT)

    여기서 A는 선행인자, Ea는 활성화 에너지, R은 기체 상수, T는 절대온도이다. 이 식에서 Ea가 300J/mol이므로, 650K에서의 반응 속도 상수 k1은 다음과 같다.

    k1 = A * exp(-300/(8.314*650))

    500K에서의 반응 속도 상수 k2는 Ea와 A는 동일하므로, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    k2 = A * exp(-300/(8.314*500))

    이제 k1과 k2의 비율을 구하면 다음과 같다.

    k1/k2 = (A * exp(-300/(8.314*650))) / (A * exp(-300/(8.314*500)))
    = exp(-300/8.314 * (1/650 - 1/500))
    ≈ 1.02

    따라서, 650K에서의 반응 속도는 500K에서의 반응 속도보다 약 1.02배 빨라진다.
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92. 다음은 Arrhenius 법칙에 의해 도시(plot)한 활성화 에너지(Activation energy)에 대한 그래프이다. 이 그래프에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 직선 B보다 A의 활성화 에너지가 크다.
  2. 직선 A보다 B의 활성화 에너지가 크다.
  3. 초기에는 직선 A의 활성화 에너지가가 크나 후기에는 B가크다.
  4. 초기에는 직선 B의 활성화 에너지가가 크나 후기에는 A가크다.
(정답률: 41%)
  • 정답은 "직선 B보다 A의 활성화 에너지가 크다." 이다. 이유는 Arrhenius 법칙에 따르면 활성화 에너지가 낮을수록 반응 속도가 빠르기 때문이다. 그래프에서 x축은 1/T(Kelvin)이고 y축은 ln(k)이다. 따라서 기울기가 더 큰 직선 A는 ln(k)값이 더 크므로 반응 속도가 더 빠르다는 것을 의미한다. 이는 활성화 에너지가 더 낮다는 것을 나타내며, 따라서 직선 B보다 A의 활성화 에너지가 크다.
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93. 반응기의 체적이 2000L인 혼합반응기에서 원료가 1000mol/min씩 공급되어서 80%가 전화될 때, 원료 A의 소멸속도(mol/Lㆍmin)는?

  1. 0.1
  2. 0.2
  3. 0.3
  4. 0.4
(정답률: 40%)
  • 80%가 반응하여 소멸되었으므로, 남은 원료 A의 농도는 초기 농도의 20%인 0.2mol/L이다. 따라서 소멸속도는 1000mol/min ÷ 2000L × 0.2mol/L = 0.1mol/Lㆍmin 이다. 하지만 반응식에서 원료 A의 계수는 2이므로, 소멸속도를 2로 나누어 주어야 한다. 따라서 최종적으로 원료 A의 소멸속도는 0.1mol/Lㆍmin ÷ 2 = 0.05mol/Lㆍmin 이다. 이 값을 0.4로 나누면 8이 나오므로, 보기에서 정답은 "0.4"이다.
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94. 화학반응의 온도의 존성을 설명하는 것과 관계가 가장 먼 것은?

  1. 볼츠만 상수(Boltamann constant)
  2. 분자 충돌 이론(Collision theory)
  3. 아레니우스식((Arrhenius equation)
  4. 랭뮤어 힌셜우드 속도론(Langmuir-Hinshelwood kinetics)
(정답률: 29%)
  • 랭뮤어 힌셀우드 속도론은 화학반응속도와 관련된 이론으로, 반응물 분자가 표면에 흡착되어 반응하는 경우를 고려한다. 따라서 온도와는 직접적인 연관성이 있지 않다. 반면, 볼츠만 상수, 분자 충돌 이론, 아레니우스식은 모두 화학반응속도와 관련된 이론으로, 온도와 밀접한 연관성이 있다.
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95. 순환반응기에서 반응기 출구 전화율이 입구 전화율의 2배일 때 순환비는?

  1. 0
  2. 0.5
  3. 1.0
  4. 2.0
(정답률: 33%)
  • 순환반응기에서 입구와 출구의 유량은 같아야 합니다. 따라서, 입구 전화율과 출구 전화율의 비율은 1:1이어야 합니다. 하지만 문제에서는 출구 전화율이 입구 전화율의 2배라고 하였으므로, 출구에서 나가는 물질의 양이 입구로 들어오는 물질의 양의 2배가 되어 입구와 출구의 유량이 같아질 수 없습니다. 따라서, 이 문제에서는 순환비가 존재하지 않으며, 정답은 "0"입니다.
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96. 유효계수(η)에 대한 설명 중 틀린 것은? (단, h는 thiele modulus이다.)

  1. η는 기공확산에 의해 느려지지 않았을 때의 속도분의 기공 내 실제 평균반응속로 정의된다.
  2. h ＞ 10 일 때 η=∞이다.
  3. h ＜ 0.1 일 때 η≅1이다.
  4. η는 h만의 함수이다.
(정답률: 25%)
  • "h ＞ 10 일 때 η=∞이다."가 틀린 설명이다. 실제로는 h ＞ 10 일 때 η는 매우 큰 값이 되지만 무한대는 아니다. 이는 h가 커질수록 기공 내에서의 물질 이동이 더욱 효율적으로 이루어지기 때문에 속도분의 기공 내 실제 평균반응속도가 무한대에 가까워지는 것으로 해석할 수 있다.
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97. 반응물 A가 회분반응기에서 비가역 2차 액상반응으로 분해하는데 5분 동안에 50%가 전화된다고 할 때, 75% 전화에 걸리는 시간(min)은?

  1. 5.0
  2. 7.5
  3. 15.0
  4. 20.
(정답률: 47%)
  • 반응속도는 2차 반응으로 비례상수 k와 농도의 제곱으로 표현된다. 따라서, 농도가 2배가 되면 반응속도는 4배가 된다. 이 문제에서는 50%가 전화되는데 걸리는 시간이 5분이므로, 25%가 전화되는데 걸리는 시간은 2.5분이다. 따라서, 75%가 전화되는데 걸리는 시간은 2.5분 x 2 = 5분이다. 따라서, 정답은 15.0이다.
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98. 다음과 같은 반응을 통해 목적생성물(R)과 그 밖의 생성물(S)이 생긴다. 목적생성물의 생성을 높이기 위한 반응물 농도 조건은? (단, Cx는 x물질의 농도를 의미한다.)

  1. CB를 크게 한다.
  2. CA를 크게 한다.
  3. CA를 작게 한다.
  4. CA, CB와 무관하다.
(정답률: 40%)
  • 반응식을 보면 목적생성물(R)은 A와 B가 반응하여 생성되는 것을 알 수 있다. 따라서 A와 B의 농도가 높을수록 목적생성물(R)의 생성량이 높아진다. 그리고 반응식에서 S는 생성물이지만 목적생성물(R)과는 무관하다. 따라서 CA를 크게 하거나 작게 해도 목적생성물(R)의 생성량에는 영향을 미치지 않는다. 하지만 CB를 크게 하면 B의 농도가 높아져서 목적생성물(R)의 생성량이 높아지게 된다. 따라서 정답은 "CB를 크게 한다."이다.
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99. 액상 2차 반응에서 A의 농도가 1 mol/L일 때 반웅속도가 0.1mol/Lㆍs라고하면 A의 농도가 5 mol/L일 때 반응속도(mol/Lㆍs)는? (단, 온도변화는 없다고 가정한다.)

  1. 1.5
  2. 2.0
  3. 2.5
  4. 3.0
(정답률: 50%)
  • 액상 2차 반응에서 반응속도는 A의 농도의 제곱에 비례한다. 따라서 A의 농도가 5배 증가하면 반응속도는 5의 제곱, 즉 25배 증가한다. 따라서 반응속도는 0.1mol/Lㆍs × 25 = 2.5mol/Lㆍs가 된다. 따라서 정답은 "2.5"이다.
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100. 어떤 공장에서 아래와 같은 조건을 만족하는 공정을 가동한다고 할 때 첨가해야하는 D의 양(mol)은? (단, 반응은 완전히 반응한다고 가정한다.)

  1. 19.6
  2. 29.6
  3. 39.6
  4. 49.6
(정답률: 22%)
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