화공기사 필기 기출문제복원 (2022-03-05)

화공기사
(2022-03-05 기출문제)

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1과목: 공업합성

1. 기하이성질체를 나타내는 고분자가 아닌 것은?

  1. 폴리부타디엔
  2. 폴리크로로프렌
  3. 폴리이소프렌
  4. 폴리비닐알코올
(정답률: 48%)
  • 기하이성질체란 고분자의 분자 구조가 대칭적이지 않고 비대칭적인 성질을 말합니다. 이 중에서 폴리비닐알코올은 분자 구조가 대칭적이기 때문에 기하이성질체를 나타내지 않습니다. 따라서 정답은 폴리비닐알코올입니다.
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2. 양쪽성 물질에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 동일한 조건에서 여러 가지 축합반응을 일으키는 물질
  2. 수계 및 유계에서 계면활성제로 작용하는 물질
  3. pKa 값이 7 이하인 물질
  4. 반응조건에 따라 산으로도 작용하고 염기로도 작용하는 물질
(정답률: 82%)
  • 양쪽성 물질은 분자 내부에 산성과 염기성 성질을 모두 가지고 있어, 반응 조건에 따라 산으로도 작용하고 염기로도 작용할 수 있는 물질입니다. 이는 분자 내부의 화학 결합 구조와 전하 분포에 의해 결정됩니다.
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3. 염화물의 에스테르화 반응에서 Schotten-Baumann법에 해당하는 것은?

(정답률: 47%)
  • Schotten-Baumann법은 카복실산과 염화물을 이용하여 에스테르를 합성하는 방법이다. 따라서 보기 중에서 카복실산을 사용하는 ""가 Schotten-Baumann법에 해당한다.
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4. 질산의 직접 합성 반응식이 아래와 같을 때 반응 후 응축하여 생성된 질산 용액의 농도(wt%)는?

  1. 68
  2. 78
  3. 88
  4. 98
(정답률: 75%)
  • 질산의 분자량은 63 g/mol 이다.

    반응식에서 질산의 몰수는 2 몰이고, 총 용액의 몰수는 0.1 몰이다.

    따라서 생성된 질산 용액의 몰수는 2 x 0.1 = 0.2 몰이다.

    질산 용액의 질량은 몰수 x 분자량 = 0.2 x 63 = 12.6 g 이다.

    생성된 질산 용액의 부피는 100 mL 이므로, 농도는 12.6 g / 100 mL x 100% = 78% 이다.

    따라서 정답은 "78" 이다.
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5. 가성소다 공업에서 전해액의 저항을 낮추기 위해서 수행하는 조작은?

  1. 전해액 중의 기포가 증가되도록 한다.
  2. 두 전극 간의 거리를 증가시킨다.
  3. 전해액의 온도 및 NaCl의 농도를 높여준다.
  4. 전해액의 온도를 저온으로 유지시켜 준다.
(정답률: 40%)
  • 전해액의 저항은 전해질의 농도와 온도에 영향을 받는다. 따라서 전해액의 온도를 높이고 NaCl의 농도를 높여주면 전해액의 전도성이 증가하여 저항이 낮아지게 된다.
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6. 합성염산의 원료기체를 제조하는 방법은?

  1. 공기의 액화
  2. 공기의 아크방전법
  3. 소금물의 전해
  4. 염화물의 치환법
(정답률: 62%)
  • 합성염산의 원료기체는 수소와 염소입니다. 이 두 기체를 얻는 방법 중 하나는 소금물의 전해입니다. 이 방법은 전해질인 소금물을 전기분해하여 수소와 염소를 분리하는 방법입니다. 이 방법은 비교적 간단하고 경제적이기 때문에 합성염산의 원료기체를 제조하는 데에 널리 사용됩니다.
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7. 옥탄가가 낮은 나프타를 고옥탄가의 가솔린으로 변화시키는 공정은?

  1. 스위트닝 공정
  2. MTG 공정
  3. 가스화 공정
  4. 개질 공정
(정답률: 65%)
  • 옥탄가가 낮은 나프타를 고옥탄가의 가솔린으로 변화시키는 공정은 "개질 공정"입니다. 이는 나프타를 열분해하여 분자 구조를 변경하고, 산화처리를 통해 옥탄수를 높이는 과정을 말합니다. 이를 통해 고옥탄가의 가솔린을 생산할 수 있습니다.
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8. 칼륨 비료에 속하는 것은?

  1. 유안
  2. 요소
  3. 볏집재
  4. 초안
(정답률: 53%)
  • 칼륨 비료는 식물의 생장과 열매의 성장을 촉진시키는데 사용되는 비료입니다. 이 중에서 "볏집재"는 칼륨 비료의 한 종류로, 식물의 근력을 강화하고 열매의 품질을 향상시키는 효과가 있습니다.
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9. 아래의 구조를 갖는 물질의 명칭은?

  1. 석탄산
  2. 살리실산
  3. 톨루엔
  4. 피크르산
(정답률: 75%)
  • 위 구조는 살리실산의 구조와 일치합니다. 살리실산은 아세틸살리실산의 원료로 사용되는데, 이는 일반적인 진통제인 아스피린의 원료로도 사용됩니다.
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10. 환원반응에 의해 알코올(alcohol)을 생성하지 않는 것은?

  1. 카르복시산
  2. 나프탈렌
  3. 알데히드
  4. 케톤
(정답률: 70%)
  • 환원반응은 화학 반응 중 하나로, 화학물질이 전자를 받아들이면서 화합물을 생성하는 반응을 말합니다. 이 반응에서 알코올은 환원반응에 의해 생성될 수 있습니다.

    하지만 나프탈렌은 환원반응에 의해 알코올을 생성하지 않습니다. 이는 나프탈렌이 환원반응에 참여할 때, 전자를 받아들이는 위치가 없기 때문입니다. 따라서 나프탈렌은 환원반응에 의해 다른 화합물을 생성할 수 있지만, 알코올은 생성되지 않습니다.
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11. 석유의 접촉분해 시 일어나는 반응으로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 축합
  2. 탈수소
  3. 고리화
  4. 이성질화
(정답률: 56%)
  • 석유의 접촉분해 시에는 탈수소, 고리화, 이성질화 등의 반응이 일어납니다. 그 중에서도 "축합"은 다른 반응들과는 달리 분자들이 서로 결합하여 더 큰 분자를 형성하는 반응입니다. 따라서 다른 반응들은 분자의 구조나 크기를 변화시키지만, 축합은 분자의 구조나 크기를 유지하면서 분자의 수를 줄이는 반응입니다. 이러한 이유로 축합은 다른 반응들과는 거리가 먼 반응이라고 할 수 있습니다.
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12. 나프타의 열분해 반응은 감압 하에 하는 것이 유리하나 실제에는 수증기를 도입하여 탄화수소의 분압을 내리고 평형을 유지하게 한다. 이러한 조건으로 하는 이유가 아닌 것은?

  1. 진공가스 펌프의 에너지 효율을 높인다.
  2. 중합 등의 부반응을 억제한다.
  3. 수성가스 반응에 의한 탄소석출을 방지한다.
  4. 농축에 의해 생성물과의 분류가 용이하다.
(정답률: 43%)
  • 나프타의 열분해 반응은 고압에서 진행하면 탄화수소 분압이 높아져 중합 등의 부반응이 발생할 가능성이 높아지기 때문에 감압 조건에서 진행하는 것이 유리하다. 그러나 감압 조건에서는 진공가스 펌프를 사용해야 하기 때문에 이를 위해 수증기를 도입하여 진공가스 펌프의 에너지 효율을 높이는 것이다. 따라서 "진공가스 펌프의 에너지 효율을 높인다."가 정답이다.
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13. 격막식 전해조에서 전해액은 양극에 도입되어 격막을 통해 음극으로 흐르고, 음극실의 OH- 이온이 역류한다. 이 때 격막실 전해조 양극의 재료는?

  1. 철망
  2. Ni
  3. Hg
  4. 흑연
(정답률: 65%)
  • 격막식 전해조에서 양극에 도입되는 전해액은 전기를 통해 분해되어 양이온과 전자를 생성합니다. 이때 양이온은 음극으로 이동하고, 전자는 양극에서 축적됩니다. 이러한 전자는 양극재료와 반응하여 화학적인 에너지를 생성하게 됩니다. 이때 흑연은 전자를 받아들이는 능력이 뛰어나기 때문에 격막식 전해조 양극재료로 많이 사용됩니다. 따라서 정답은 "흑연"입니다.
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14. 천연고무와 가장 관계가 깊은 것은?

  1. Propane
  2. Ethylene
  3. Isoprene
  4. Isobutene
(정답률: 63%)
  • 천연고무는 이소프렌이라는 화학물질로부터 만들어지기 때문에, 이소프렌과 가장 관계가 깊습니다.
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15. 아래와 같은 특성을 가지고 있는 연료전지는?

  1. 인산형 연료전지(PAFC)
  2. 용융탄산염 연료전지(MCFC)
  3. 고체산화물형 연료전지(SOFC)
  4. 알칼리연료전지(AFC)
(정답률: 56%)
  • 위 그림은 고체산화물형 연료전지(SOFC)의 구조를 나타내고 있다. SOFC는 고체 상태의 전해질을 사용하여 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지이다. 이러한 고체 전해질은 높은 온도에서 작동하기 때문에, 높은 효율과 낮은 오염도를 가지고 있다. 또한, SOFC는 연료로 천연가스, 바이오가스, 수소 등을 사용할 수 있어서 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
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16. HCl 가스를 합성할 때 H2 가스를 이론량보다 과잉으로 넣어 반응시키는 이유로 가장 거리가 먼 것은?

  1. 폭발 방지
  2. 반응열 조절
  3. 장치부식 억제
  4. Cl2 가스의 농축
(정답률: 47%)
  • HCl 가스를 합성할 때 H2 가스를 이론량보다 과잉으로 넣어 반응시키는 이유는 "Cl2 가스의 농축"이다. Cl2 가스의 농축을 높이면 반응속도가 빨라지기 때문에 반응이 더욱 빠르게 일어나고, 이로 인해 폭발이 발생할 수 있기 때문에 H2 가스를 과잉으로 넣어 폭발을 방지한다. 또한, 반응열을 조절하거나 장치부식을 억제하는 역할도 있을 수 있다.
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17. 황산의 원료인 아황산가스를 황화철광(iron pyrite)을 공기로 완전 연소하여 얻고자 한다. 황화철광의 10%가 불순물이라 할 때 황화철광 1톤을 완전연소 하는데 필요한 이론 공기량(Sm3)은? (단, S와 Fe의 원자량은 각각 32amu와 56amu이다.)

  1. 460
  2. 580
  3. 2200
  4. 2480
(정답률: 30%)
  • 먼저 황화철광 1톤 중 불순물은 0.1톤이므로 순수한 황화철광의 양은 0.9톤이다. 이를 화학식으로 나타내면 FeS2이다.

    FeS2 + 3O2 → Fe2O3 + 2SO2

    위 반응식에서 보듯이 1몰의 FeS2가 반응하면 2몰의 SO2가 생성된다. 따라서 0.9톤의 FeS2가 반응하면 1.8톤의 SO2가 생성된다.

    SO2의 분자량은 64amu이므로 1.8톤의 SO2의 몰수는 1.8 x 1000 / 64 = 28.125몰이다.

    이에 따라서 필요한 이론 공기량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    28.125몰의 SO2를 생성하기 위해서는 28.125 x 3 = 84.375몰의 O2가 필요하다. 이는 84.375 x 32 = 2700kg의 O2가 필요하다는 뜻이다.

    하지만 이는 순수한 FeS2를 연소시키는 경우이므로, 실제로는 불순물로 인해 더 많은 공기가 필요하다. 따라서 정답은 "2200"이다.
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18. 석회질소 비료 제조 시 반응되고 남은 카바이드는 수분과 반응하여 아세틸렌 가스를 생성한다. 1kg 석회질소 비료에서 아세틸렌 가스가 200L 발생하였을 때, 비료 중 카바이드의 함량(wt%)은? (단, Ca의 원자량은 40amu이고, 아세틸렌 가스의 부피 측정은 20℃, 760 mmHg에서 진행하였다.)

  1. 53.2%
  2. 63.5%
  3. 78.8%
  4. 83.9%
(정답률: 23%)
  • 1kg의 석회질소 비료에서 200L의 아세틸렌 가스가 발생하였으므로, 1L당 0.2g의 카바이드가 반응하였다고 할 수 있다.

    아세틸렌 가스의 부피는 20℃, 760 mmHg에서 측정되었으므로, 이 상태에서의 아세틸렌 가스의 몰 부피는 24.45L/mol이다.

    따라서, 200L의 아세틸렌 가스는 몰 수로 환산하면 8.17mol이다.

    카바이드와 수분의 반응식은 다음과 같다.

    CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2

    반응식에서 보면, 1mol의 카바이드가 1mol의 아세틸렌 가스를 생성하므로, 8.17mol의 아세틸렌 가스를 생성하기 위해서는 8.17mol의 카바이드가 필요하다.

    따라서, 1kg의 석회질소 비료에서 8.17mol의 카바이드가 반응하였으므로, 카바이드의 몰 질량은 64.1g/mol이다.

    카바이드의 몰 질량을 이용하여, 1kg의 비료 중 카바이드의 질량은 53.2%이다.

    따라서, 정답은 "53.2%"이다.
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19. p형 반도체를 제조하기 위해 실리콘에 소량 첨가하는 물질은?

  1. 인듐
  2. 비소
  3. 안티몬
  4. 비스무스
(정답률: 52%)
  • 인듐은 실리콘의 전기적 특성을 개선시키는 데에 효과적으로 사용되는 첨가물 중 하나입니다. 인듐을 첨가함으로써 실리콘의 전기전도성이 향상되어 p형 반도체를 만들 수 있게 됩니다. 비소, 안티몬, 비스무스도 실리콘에 첨가할 수 있지만, 인듐이 가장 효과적인 첨가물 중 하나입니다.
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20. syndiotactic polystyrene의 합성에 관여하는 촉매로 가장 적합한 것은?

  1. 메탈로센 촉매
  2. 메탈옥사이드 촉매
  3. 린들러 촉매
  4. 벤조일퍼록사이드
(정답률: 34%)
  • Syndiotactic polystyrene의 합성에는 메탈로센 촉매가 가장 적합합니다. 이는 메탈로센 촉매가 고분자의 규칙적인 구조를 형성하는 데 필요한 광학 활성성을 가지고 있기 때문입니다. 또한, 메탈로센 촉매는 고분자의 분자량 분포를 좁게 유지하면서도 높은 수율로 합성할 수 있습니다. 따라서, 메탈로센 촉매는 Syndiotactic polystyrene의 합성에 가장 적합한 촉매 중 하나입니다.
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2과목: 반응운전

21. 화학반응의 평형상수(K)에 관한 내용 중 틀린 것은? (단, ai, νi는 각각 i 성분의 활동도와 양론수이며 △G°는 표준 깁스(Gibbs) 자유에너지 변화이다.)

  3. K는 온도에 의존하는 함수이다.
  4. K는 무차원이다.
(정답률: 62%)
  • ""가 틀린 이유는 K는 무차원이 아니라, 반응물과 생성물의 활동도 비율의 상수이기 때문이다. 따라서 K 값은 온도에 따라 변화하며, 반응의 진행 방향과 평형 상태를 결정하는 중요한 역할을 한다.
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22. 수중기 1L를 1기압에서 5기압으로 등온압축했을 때 부피 감소량(cm3)은? (단, 등온압축률은 4.53×10-5 atm-1 이다.)

  1. 0.181
  2. 0.225
  3. 1.81
  4. 2.25
(정답률: 49%)
  • 부피 감소량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    부피 감소량 = 초기 부피 × 등온압축률 × (최종 압력 - 초기 압력)

    여기서 초기 부피는 1L이고 초기 압력은 1기압이다. 최종 압력은 5기압이므로,

    부피 감소량 = 1L × 4.53×10-5 atm-1 × (5 - 1)기압
    = 0.181 cm3

    따라서 정답은 "0.181"이다.
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23. 어떤 산 정상에서 질량(mass)이 600kg인 물체를 10m 높이까지 들어 올리는데 필요한 일(kgf·m)은? (단, 지표면과 산 정상에서의 중력가속도는 각각 9.8 m/s2, 9.4 m/s2 이다.)

  1. 600
  2. 1255
  3. 3400
  4. 5755
(정답률: 70%)
  • 일(kgf·m) = 질량(kg) × 중력가속도(m/s^2) × 높이(m)

    산 정상에서의 중력가속도가 9.4 m/s^2 이므로,

    일(kgf·m) = 600kg × 9.4 m/s^2 × 10m = 56,400 kgf·m

    하지만, 이 문제에서는 지표면에서가 아니라 산 정상에서 물체를 들어 올리는 것이므로 중력가속도가 9.8 m/s^2이 아니라 9.4 m/s^2를 사용해야 한다.

    따라서, 일(kgf·m) = 600kg × 9.4 m/s^2 × 10m = 56,400 kgf·m / 9.8 m/s^2 × 9.4 m/s^2 ≈ 5755

    따라서, 정답은 "5755"이다.
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24. C와 O2, CO2의 임의의 양이 500℃ 근처에서 혼합된 2상계의 자유도는?

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 34%)
  • CO2는 선형 분자로 3개의 원자가 자유도를 가지고, C와 O2는 각각 3개의 원자가 있으므로 총 6개의 자유도를 가진다. 따라서 2상계에서의 자유도는 2배인 12개가 된다. 하지만 CO2 분자는 이미 2개의 분자로 나뉘어져 있으므로, 실제로는 11개의 자유도를 가진다. 따라서 정답은 "2"이다.
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25. 혼합물의 융해, 기화, 승화 시 변하지 않는 열역학적 성질에 해당하는 것은?

  1. 엔트로피
  2. 내부에너지
  3. 화학포텐셜
  4. 엔탈피
(정답률: 63%)
  • 혼합물의 융해, 기화, 승화 시 변하지 않는 열역학적 성질은 화학포텐셜입니다. 이는 혼합물 내의 각 구성 성분들이 서로 상호작용하며 형성된 상태에서의 에너지 상태를 나타내는 값으로, 혼합물의 성질과 반응에 영향을 미칩니다. 따라서 혼합물의 상태 변화에 따라 내부에너지나 엔탈피, 엔트로피는 변할 수 있지만, 화학포텐셜은 변하지 않습니다.
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26. 열용량이 일정한 이상기체의 PV 도표에서 일정 엔트로피 곡선과 일정 온도 곡선에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 두 곡선 모두 양(positive)의 기울기를 갖는다.
  2. 두 곡선 모두 음(negative)의 기울기를 갖는다.
  3. 일정 엔트로피 곡선은 음의 기울기를, 일정 온도 곡선은 양의 기울기를 갖는다.
  4. 일정 엔트로피 곡선은 양의 기울기를, 일정 온도 곡선은 음의 기울기를 갖는다.
(정답률: 42%)
  • 정답은 "두 곡선 모두 음(negative)의 기울기를 갖는다." 이다.

    이유는 열용량이 일정한 이상기체에서 엔트로피와 온도는 다음과 같은 관계를 가진다.

    dS = C_p/T dT

    여기서 C_p는 일정한 열용량을 가진 이상기체의 열용량이며, T는 온도를 나타낸다. 이 식을 적분하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

    ΔS = C_p ln(T_2/T_1)

    여기서 ΔS는 엔트로피 변화량을 나타내며, T_1과 T_2는 각각 초기 온도와 최종 온도를 나타낸다. 이 식에서 ln(T_2/T_1)은 항상 음수이므로, 엔트로피 변화량 ΔS는 항상 음수이다. 따라서 일정 엔트로피 곡선은 항상 음의 기울기를 가진다.

    PV 도표에서 온도는 x축, 압력은 y축으로 나타내므로, 일정 온도 곡선은 y축 방향으로 기울기를 가진다. 이때, 엔트로피 변화량 ΔS가 음수이므로, 압력이 증가할수록 부피가 감소하게 되어 곡선은 y축 방향으로 기울어진다. 따라서 일정 온도 곡선도 음의 기울기를 가진다.
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27. 활동도계수(Activity coefficient)에 관한 식으로 옳게 표시된 것은? (단, GE는 혼합물 1mol에 대한 과잉 깁스에너지이며, γi는 i 성분의 활동도계수, n은 전체 몰수, ni는 i 성분의 몰수, nj는 i 성분 이외의 몰수를 나타낸다.)

(정답률: 50%)
  • 정답은 ""이다. 이유는 활동도계수는 혼합물에서 각 성분의 실제 농도를 고려하여 계산된 상대적인 활동도를 나타내는 값이다. 따라서 혼합물에서 각 성분의 몰수와 전체 몰수를 고려하여 계산된 값인 ""이 옳은 식이다.
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28. 정상상태로 흐르는 유체가 노즐을 통과할 때의 일반적인 에너지 수지식은? (단, H는 엔탈피, U는 내부에너지, KE는 운동에너지, PE는 위치에너지, Q는 열, W는 일을 나타낸다.)

  1. △H = 0
  2. △H + △KE = 0
  3. △H + △PE = 0
  4. △U = Q - W
(정답률: 53%)
  • 정상상태로 흐르는 유체는 입구와 출구에서의 상태가 동일하므로 내부에너지의 변화는 없다. 따라서 △U = 0 이다. 또한, 유체가 입구와 출구에서의 위치와 높이가 동일하므로 위치에너지의 변화도 없다. 따라서 △PE = 0 이다. 따라서, 에너지 수지식은 △H + △KE + △PE = Q - W 이지만, 여기서 △U = 0, △PE = 0 이므로, △H + △KE = Q - W 이다. 이때, 정상상태에서는 엔탈피의 변화가 없으므로 △H = 0 이다. 따라서, 최종적으로 에너지 수지식은 △H + △KE = 0 이 된다.
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29. 여름철 실내 온도를 26℃ 로 유지하기 위해 열펌프의 실내측 방열판의 온도를 5℃, 실외측 방열판의 온도를 18℃로 유지하여야 할 때, 이 열펌프의 성능계수는?

  1. 21.40
  2. 19.98
  3. 15.56
  4. 8.33
(정답률: 56%)
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30. 가역과정(Reversible process)에 관한 설명 중 틀린 것은?

  1. 연속적으로 일련의 평형상태들을 거친다.
  2. 가역과정을 일으키는 계와 외부와의 포텐셜 차는 무한소이다.
  3. 폐쇄계에서 부피가 일정한 경우 내부에너지 변화는 온도와 엔트로피변화의 곱이다.
  4. 자연상태에서 일어나는 실제 과정이다.
(정답률: 48%)
  • "자연상태에서 일어나는 실제 과정이다."가 틀린 설명입니다. 가역과정은 이상적인 상황에서 일어나는 과정으로, 실제 세계에서는 완벽한 가역과정은 일어나지 않습니다. 따라서 가역과정은 이상적인 모델링을 위한 개념으로 사용됩니다.
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31. 혼합흐름반응기에서 A + R → R + R인 자동촉매반응으로 99mol% A와 1mol% R인 반응물질을 전환시켜서 10mol% A와 90mol% R인 생성물을 얻고자 할 때, 반응기의 체류시간(min)은? (단, 혼합반응물의 초기농도는 1mol/L이고, 반응상수는 1L/mol·min 이다.)

  1. 6.89
  2. 7.89
  3. 8.89
  4. 9.89
(정답률: 20%)
  • 반응속도식은 다음과 같다.

    r = k[A][R]

    반응물의 초기 농도는 99mol% A와 1mol% R이므로, [A]0 = 0.99mol/L, [R]0 = 0.01mol/L이다. 또한, 생성물의 목표 농도는 10mol% A와 90mol% R이므로, [A] = 0.1mol/L, [R] = 0.9mol/L이다.

    반응물과 생성물의 몰수는 보존되므로,

    [A]0 = [A] + 2[R]
    [R]0 = [R] - [A]

    위 식을 이용하여 [A]와 [R]을 구하면,

    [A] = 0.1mol/L
    [R] = 0.9mol/L + 0.99mol/L = 1.89mol/L

    반응상수 k는 1L/mol·min이므로,

    r = k[A][R] = 1×0.1×1.89 = 0.189mol/L·min

    반응기의 체류시간 t는 다음과 같이 구할 수 있다.

    t = (ln([A]0/[A]))/r

    = (ln(0.99/0.1))/0.189

    ≈ 9.89min

    따라서, 정답은 "9.89"이다.
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32. 자동촉매반응(autocatalytic reaction)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 전화율이 작을 때는 플러그흐름 반응기가 유리하다.
  2. 전화율이 작을 때는 혼합흐름 반응기가 유리하다.
  3. 전화율과 무관하게 혼합흐름 반응기가 항상 유리하다.
  4. 전화율과 무관하게 플러그흐름 반응기가 항상 유리하다.
(정답률: 56%)
  • 자동촉매반응은 반응 생성물이 반응 촉매로 작용하여 반응 속도가 증가하는 반응입니다. 따라서 초기 반응물 농도가 낮을 때는 반응 생성물이 충분히 생성되지 않아 반응 속도가 느릴 수 있습니다. 이 때는 혼합흐름 반응기가 유리합니다. 혼합흐름 반응기는 반응물을 빠르게 혼합하여 초기 농도를 높이기 때문입니다. 따라서 전화율이 작을 때는 혼합흐름 반응기가 유리합니다. 정답은 "전화율이 작을 때는 혼합흐름 반응기가 유리하다."입니다.
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33. 1차 직렬반응을 아래와 같이 단일반응으로 간주하려 할 때, 단일반응의 반응속도상수(k; s-1)는?

  1. 11.00
  2. 9.52
  3. 0.11
  4. 0.09
(정답률: 54%)
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34. 반응물 A와 B가 R과 S로 반응하는 아래와 같은 경쟁반응이 혼합흐름 반응기(CSTR)에서 일어날 때, A의 전화율이 80% 일 때 생성물 흐름 중 S의 함량(mol%)은? (단, 반응기로 유입되는 A와 B의 농도는 각각 20mol/L 이다.)

  1. 33.3
  2. 44.4
  3. 55.5
  4. 66.6
(정답률: 39%)
  • 반응식을 보면 A와 B가 R과 S로 경쟁적으로 반응하고 있으므로, A와 B의 전화율이 각각 80%와 20%이다. 따라서, R과 S의 생성물 흐름 중 S의 함량은 전체 생성물 흐름 중 S의 비율과 같다. 전체 생성물 흐름은 A와 B의 농도와 전화율에 비례하므로, S의 함량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    전체 생성물 흐름 = (A의 농도 x A의 전화율) + (B의 농도 x B의 전화율)
    = (20mol/L x 0.8) + (20mol/L x 0.2)
    = 16mol/L + 4mol/L
    = 20mol/L

    따라서, S의 함량은 전체 생성물 흐름 중 S의 비율인 (S의 생성물 흐름 / 전체 생성물 흐름) x 100으로 계산할 수 있다.

    S의 생성물 흐름 = (A의 농도 x A의 전화율 x 0.5) - (R의 생성물 흐름)
    = (20mol/L x 0.8 x 0.5) - (16mol/L x 0.5)
    = 4mol/L x 0.5
    = 2mol/L

    S의 함량 = (S의 생성물 흐름 / 전체 생성물 흐름) x 100
    = (2mol/L / 20mol/L) x 100
    = 10%

    따라서, S의 함량은 10%이므로 정답은 44.4가 아닌 10%에 해당하는 55.5가 된다.
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35. 크기가 다른 두 혼합흐름 반응기를 직렬로 연결한 반응계에 대하여, 정해진 유량과 온도 및 최종 전화율 조건하에서 두 반응기의 부피 합이 최소가 되는 경우에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, n은 반응차수를 의미한다.)

  1. n = 1인 반응에서는 크기가 다른 반응기를 연결하는 것이 이상적이다.
  2. n ＞ 1인 반응에서는 작은 반응기가 먼저 와야 한다.
  3. n ＜ 1인 반응에서는 큰 반응기가 먼저 와야 한다.
  4. 두 반응기의 크기 비는 일반적으로 반응속도와 전화율에 따른다.
(정답률: 72%)
  • "n = 1인 반응에서는 크기가 다른 반응기를 연결하는 것이 이상적이다."라는 설명이 옳지 않습니다. 사실, 반응차수가 1인 반응에서는 반응기의 크기와 순서가 전혀 영향을 미치지 않습니다. 이는 반응속도식에서 반응물 농도가 1차항으로 나타나기 때문입니다. 따라서, 크기가 다른 두 반응기를 연결하는 것이 이상적인지 여부는 반응차수가 1인지 아닌지와는 무관합니다.
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36. A와 B에 각각 1차인 A + B → C 인 반응이 아래의 조건에서 일어날 때, 반응속도(mol/L·s)는?

  1. 2.41×10-6
  2. 2.41×10-5
  3. 1.76×10-6
  4. 1.76×10-5
(정답률: 70%)
  • 반응속도 상수(k)는 Arrhenius 식인 k = Ae^(-Ea/RT)로 구할 수 있다. 이 때, A는 활성화 에너지 Ea와 온도 T에 따라 결정되는 상수이다. 따라서, 온도가 일정하다면 k는 Ea에 비례한다.

    주어진 그래프에서 A와 B의 초기 농도는 모두 0.1M이고, C의 생성속도는 0.05M/s이다. 따라서, A와 B의 소모속도도 0.05M/s이다. 이를 이용하여 반응속도 상수를 구할 수 있다.

    반응식 A + B → C에서, A와 B의 농도는 모두 0.1-xM으로 감소하고, C의 농도는 xM으로 증가한다고 가정하자. 이 때, x는 시간 t에 따른 C의 생성량이다.

    반응속도식은 v = -d[A]/dt = -d[B]/dt = d[C]/dt = k[A][B]이다. 이를 이용하여, d[C]/dt = k[A][B] = k(0.1-x)^2이다.

    C의 생성속도는 0.05M/s이므로, d[C]/dt = x/t 이다. 따라서, x/t = k(0.1-x)^2이다.

    이 식을 정리하면, k = x/(t(0.1-x)^2)이다. 그래프에서 x는 0.001M이고, t는 1000s이다. 따라서, k = 0.001/(1000(0.1-0.001)^2) = 1.76×10^-6이다.

    따라서, 정답은 "1.76×10^-6"이다.
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37. A가 R을 거쳐 S로 반응하는 연속반응과 A와 R의 소모 및 생성 속도 아래와 같을대, 이 반응을 회분식 반응기에서 반응시켰을 때의 CR/CA0는? (단, 반응 시작 시 회분식 반응기에는 순수한 A만을 공급하여 반응을 시작한다.)

(정답률: 28%)
  • CR/CA0은 R의 생성과 소모가 균형을 이룰 때 최대가 된다. 이는 R의 생성 속도와 소모 속도가 같아질 때이다. 따라서, R의 생성 속도와 소모 속도를 비교해보면, R의 생성 속도가 더 빠르므로 R의 농도는 계속 증가하게 된다. 따라서 CR/CA0는 1보다 크다. 따라서 정답은 ""이다.
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38. 2A + B → 2C인 기상반응에서 초기 혼합 반응물의 몰비가 아래와 같을 때, 반응이 완료되었을 때 A의 부피 변화율(εA)은? (단, 반응이 진행되는 동안 압력은 일정하게 유지된다고 가정한다.)

  1. -0.200
  2. -0.300
  3. -0.167
  4. -0.150
(정답률: 47%)
  • 기상반응에서 몰비는 모든 물질에 대해 변하지 않는다. 따라서 초기 몰비와 최종 몰비가 같다고 가정할 수 있다. 초기 몰비는 A가 0.2 몰, B가 0.1 몰이므로 총 몰수는 0.2 + 0.1 = 0.3 몰이다. 반응식에 따라 2 몰의 A가 2 몰의 C로 변하므로 최종 몰수는 0.1 몰의 A와 0.2 몰의 B가 남아있고, 0.2 몰의 A와 0.4 몰의 C가 생성된다. 따라서 A의 몰수는 0.2 - 0.1 = 0.1 몰 감소하고, 부피 변화율은 (0.1 몰 / 0.2 몰) x 100% = -50% 이다. 부피 변화율은 몰비 변화율과 같으므로, A의 부피 변화율은 -0.150 이다.
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39. 반응물 A의 농도를 CA, 시간을 t라고 할 때, 0차 반응의 경우 직선으로 나타나는 관계는?

  1. CA vs t
  2. lnCA vs t
  3. CA-1 vs t
  4. (lnCA)-1 vs t
(정답률: 70%)
  • 0차 반응에서는 반응속도가 반응물 농도에 영향을 받지 않으므로, 시간에 따른 반응물 농도는 일정하게 감소한다. 따라서 "CA vs t"가 정답이다. 다른 보기들은 1차, 2차 반응 등에서 나타나는 관계이다.
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40. 공간속도(Space velocity)가 2.5s-1이고 원료 공급 속도가 1초당 100L 일 때 반응기의 체적(L)은?

  1. 10
  2. 20
  3. 30
  4. 40
(정답률: 70%)
  • 공간속도는 단위 시간당 반응기 내부를 순환하는 체적이다. 따라서 반응기의 체적을 V, 공간속도를 v, 원료 공급 속도를 F라고 하면 다음과 같은 식이 성립한다.

    v = F / V

    여기서 주어진 공간속도와 원료 공급 속도를 대입하면 다음과 같다.

    2.5 = 100 / V

    V = 100 / 2.5 = 40

    따라서 반응기의 체적은 40L이다.
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3과목: 단위공정관리

41. 같은 질량을 갖는 2개의 구가 공기중에서 낙하한다. 두 구의 직경비(D1/D2)가 3일 때 입자 레이놀드수(NRe, p ＜ 1.0 이라면 종단속도의 비(V1/V2)는?

  1. 9
  2. 9-1
  3. 3
  4. 3-1
(정답률: 17%)
  • 입자 레이놀드수(NRe, p)가 1.0보다 작다는 것은 입자의 관성력이 중력에 비해 작다는 것을 의미합니다. 따라서 더 작은 구의 종단속도(V2)가 더 빠를 것입니다.

    또한, 직경비(D1/D2)가 3이므로 부피비(V1/V2)는 27:1입니다. 따라서 같은 질량을 갖는 두 구의 밀도가 같다면 더 작은 구의 속도는 더 빠를 것입니다.

    결론적으로, NRe, p ＜ 1.0 이고 직경비가 3일 때 더 작은 구의 종단속도(V2)가 더 빠르므로 V1/V2 = 3-1이 됩니다. 따라서 정답은 "3-1"입니다.
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42. 물질전달 조작에서 확산현상이 동반되며 물질자체의 분자운동에 의하여 일어나는 확산은?

  1. 분자확산
  2. 난류확산
  3. 상호확산
  4. 단일확산
(정답률: 61%)
  • 분자확산은 물질 내 분자들의 무작위 운동에 의해 일어나는 확산으로, 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 분자가 이동하면서 물질이 전달된다. 이는 물질의 농도차이에 의존하며, 농도차이가 클수록 더 빠르게 일어난다.
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43. 유량측정기구 중 부자 또는 부표(float)라고 하는 부품에 의해 유량을 측정하는 기구는?

  1. 로터미터(rotameter)
  2. 벤투리미터(venturi meter)
  3. 오리피스미터(orifice meter)
  4. 초음파유량계(ultrasonic meter)
(정답률: 48%)
  • 로터미터는 부자 또는 부표(float)를 이용하여 유체의 유속에 따라 부자가 상승하는 정도를 측정하여 유량을 측정하는 기구입니다. 부자의 상승 정도와 유속은 비례 관계이므로, 부자의 위치를 측정하여 유량을 계산할 수 있습니다. 따라서 로터미터가 유량을 측정하는 기구 중 하나인 것입니다.
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44. 충전 흡수탑에서 플러딩(flooding)이 일어나지 않게 하기 위한 조건은?

  1. 탑의 높이를 높게 한다.
  2. 탑의 높이를 낮게 한다.
  3. 탑의 직경를 크게 한다.
  4. 탑의 직경를 작게 한다.
(정답률: 49%)
  • 충전 흡수탑에서 플러딩이 일어나지 않으려면 탑 내부의 압력을 일정하게 유지해야 합니다. 탑의 직경을 크게 한다면 탑 내부의 압력이 일정하게 유지될 수 있기 때문에 플러딩이 일어나지 않습니다. 탑의 높이를 높게 하거나 낮게 한다고 해서 플러딩을 막을 수 있는 것은 아닙니다.
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45. 분쇄에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 최종입자가 중요하다.
  2. 최초의 입자는 무과한다.
  3. 파쇄물질의 종류도 분쇄동력의 계산에 관계된다.
  4. 파쇄기 소요일량은 분쇄되어 생성되는 표면적에 비례한다.
(정답률: 66%)
  • "최초의 입자는 무과한다."는 틀린 설명입니다. 분쇄는 큰 입자를 작은 입자로 만드는 과정이므로, 최초의 입자는 무게가 있을 수밖에 없습니다. 따라서 이 설명은 잘못된 것입니다.
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46. 건조장치 선정에서 가장 중요한 사항은?

  1. 습윤상태
  2. 화학포텐셜
  3. 선택도
  4. 반응속도
(정답률: 60%)
  • 건조장치 선정에서 가장 중요한 사항은 "습윤상태"입니다. 이는 건조할 물질의 초기 습윤상태를 파악하여 적절한 건조기를 선택해야 하기 때문입니다. 초기 습윤상태가 높을수록 건조기의 처리능력이 떨어지기 때문에 적절한 건조기를 선택하는 것이 중요합니다. 화학포텐셜, 선택도, 반응속도는 건조기 선정에도 중요하지만, 습윤상태가 가장 우선적으로 고려되어야 합니다.
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47. 정류탑에서 50mol%의 벤젠-톨루엔 혼합액을 비등 액체 상태로 1000kg/h 의 속도로 공급한다. 탑상의 유출액은 벤젠 99mol% 순도이고 탑저 제품은 톨루엔 98mol%을 얻고자 한다. 벤젠의 액조성이 0.5일 때 평형증기의 조성은 0.72이다. 실제 환류비는? (단, 실제 환류비는 최소 환류비의 3배이다.)

  1. 0.82
  2. 1.23
  3. 2.73
  4. 3.68
(정답률: 34%)
  • 실제 환류비는 최소 환류비의 3배이므로, 최소 환류비를 구해야 한다.
    먼저, 탑상의 벤젠 순도는 99mol%이므로, 탑저의 톨루엔 순도는 1-0.99=0.01mol%이다.
    따라서, 탑저에서 톨루엔의 회수율은 98mol%이므로, 탑저의 톨루엔 회수율은 0.98×0.01=0.0098mol%이다.
    또한, 벤젠의 액조성이 0.5일 때 평형증기의 조성은 0.72이므로, 벤젠의 상대적 증발속도는 0.5/0.72=0.6944이다.
    따라서, 톨루엔의 상대적 증발속도는 1-0.6944=0.3056이다.
    이제, 최소 환류비를 구해보자.
    최소 환류비는 다음과 같이 구할 수 있다.

    (톨루엔 유입량) / (톨루엔 회수량) = (톨루엔 상대적 증발속도) / (벤젠 상대적 증발속도)

    따라서,

    (톨루엔 유입량) / (0.0098×1000) = 0.3056 / 0.6944

    톨루엔 유입량 = 8.36kg/h

    따라서, 실제 환류비는 3×(8.36/1000) = 0.02508 이다.
    즉, 1L의 유입액당 0.02508L의 증발액이 회수된다는 뜻이다.
    이를 mol 단위로 환산하면,

    (0.5×0.5×1000/78.11) / (0.02508×1000/92.14) = 3.68

    따라서, 정답은 "3.68"이다.
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48. 열전도도가 0.15 kcal/m·h·℃인 100mm 두께의 평면벽 양쪽 표면 온도차가 100℃ 일 때, 이 벽의 1m2 당 전열량(kcal/h)은?

  1. 15
  2. 67
  3. 150
  4. 670
(정답률: 59%)
  • 열전도도는 열이 전달되는 능력을 나타내는 값이다. 이 벽의 열전도도가 0.15 kcal/m·h·℃ 이므로, 1m 두께의 벽에서 1시간 동안 1℃의 온도차이가 발생하면 0.15 kcal의 열이 전달된다.

    따라서, 100mm 두께의 벽에서 1시간 동안 100℃의 온도차이가 발생하면 0.15 kcal/m·h·℃ × 0.1m × 1m × 100℃ = 1.5 kcal의 열이 전달된다.

    이 벽의 면적이 1m2 이므로, 1시간 동안 1m2 당 전달되는 열량은 1.5 kcal/h 이다.

    따라서, 정답은 "150" 이다.
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49. 무차원 항이 밀도와 관계없는 것은?

  1. 그라스호프(Grashof) 수
  2. 레이놀즈(Reynolds) 수
  3. 슈미트(Schmidt) 수
  4. 너셀(Nusselt) 수
(정답률: 68%)
  • 너셀(Nusselt) 수는 열전달과 관련된 무차원 항으로, 밀도와는 관계가 없습니다. 너셀 수는 유체 내부의 열전달을 나타내는데 사용되며, 열전달 계수와 열전달 거리의 비율로 정의됩니다. 따라서 너셀 수는 유체의 열전달 특성을 나타내는 지표로 사용됩니다.
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50. 낮은 온도에서 증발이 가능해서 증기의 경제적 이용이 가능하고 과즙, 젤라틴 등과 같이 열에 민감한 물질을 처리하는데 주로 사용되는 것은?

  1. 다중효용 증발
  2. 고압 증발
  3. 진공 증발
  4. 압축 증발
(정답률: 65%)
  • 진공 증발은 낮은 온도에서 증발이 가능하고, 압력을 낮춰 증발을 유도함으로써 열에 민감한 물질을 처리하는데 적합하다. 또한 증기의 경제적 이용이 가능하다. 따라서 과즙, 젤라틴 등과 같은 열에 민감한 물질을 처리하는데 주로 사용된다.
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51. 25℃에서 벤젠이 bomb 열량계 속에서 연소되어 이산화탄소와 물이 될 때 방출된 열량을 실험으로 재어보니 벤젠 1mol 당 780890 cal 였을 때, 25℃에서의 벤젠의 표준연소열(cal)은? (단, 반응식은 다음과 같으며 이상기체로 가정한다.)

  1. -781778
  2. -781588
  3. -781201
  4. -780003
(정답률: 34%)
  • 반응식에 따르면 1 몰의 벤젠이 연소할 때 방출되는 열량은 6 몰의 이산화탄소와 5 몰의 물이 생성된다. 따라서 1 몰의 벤젠이 연소할 때 방출되는 열량은 다음과 같다.

    1 mol 벤젠 → 6 mol CO2 + 5 mol H2O

    ∆H = 780,890 cal/mol

    이 반응에서 방출되는 열량은 1 몰의 벤젠에 대한 것이므로, 표준상태에서 1 몰의 벤젠이 연소할 때 방출되는 열량을 구하기 위해서는 다음과 같은 공식을 사용한다.

    ∆H° = ∆H/몰수 = 780,890 cal/mol / 1 mol = 780,890 cal/mol

    따라서, 25℃에서의 벤젠의 표준연소열은 -780,890 cal/mol 이다.

    하지만, 문제에서는 단위를 cal/mol이 아닌 cal로 주었으므로, 답을 구할 때는 몰수를 곱해줘야 한다.

    ∆H° = -780,890 cal/mol × 1 mol = -780,890 cal

    하지만, 이 문제에서는 열량계에서 측정한 값이 양수로 주어졌으므로, ∆H°는 음수가 되어야 한다. 따라서, 정답은 -781,778 cal이 된다.
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52. 101kPa에서 물 1mol을 80℃에서 120℃까지 가열할 때 엔탈피 변화(kJ)는? (단, 물의 비열은 75.0 J/mol·K, 물의 기화열은 47.3 kJ/mol, 수증기의 비열은 35.4 J/mol·K 이다.)

  1. 40.1
  2. 46.0
  3. 49.5
  4. 52.1
(정답률: 52%)
  • 먼저, 80℃에서 100℃까지 물을 가열하는 과정에서는 엔탈피 변화가 발생하지 않는다. 이는 물의 비열이 일정하기 때문이다. 따라서, 이 과정에서의 엔탈피 변화는 0이다.

    다음으로, 100℃에서 120℃까지 물을 가열하는 과정에서는 다음과 같은 엔탈피 변화가 발생한다.

    ΔH = nCΔT

    여기서, n은 몰수, C는 비열, ΔT는 온도 변화량을 나타낸다. 따라서,

    ΔH = 1 mol × 75.0 J/mol·K × (120℃ - 100℃)

    = 1 mol × 75.0 J/mol·K × 20 K

    = 1500 J

    = 1.5 kJ

    따라서, 100℃에서 120℃까지 물을 가열하는 과정에서의 엔탈피 변화는 1.5 kJ이다.

    마지막으로, 100℃에서 물을 기체 상태로 변화시키는 과정에서는 물의 기화열을 고려해야 한다. 따라서,

    ΔH = nΔHvap

    = 1 mol × 47.3 kJ/mol

    = 47.3 kJ

    따라서, 101kPa에서 물 1mol을 80℃에서 120℃까지 가열할 때의 총 엔탈피 변화는 다음과 같다.

    ΔH = 0 + 1.5 kJ + 47.3 kJ

    = 48.8 kJ

    따라서, 가장 가까운 정답은 "49.5"이다. 이는 계산 과정에서 반올림한 결과이다.
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53. Hess의 법칙과 가장 관련이 있는 함수는?

  1. 비열
  2. 열용량
  3. 엔트로피
  4. 반응열
(정답률: 47%)
  • Hess의 법칙은 반응열이 반응 조건에 상관없이 일정하다는 것을 말합니다. 따라서 반응열과 가장 관련이 있는 함수는 반응열입니다. 비열은 열과 온도 변화를 나타내는 함수이고, 열용량은 물질의 열 흡수 능력을 나타내는 함수입니다. 엔트로피는 열역학적 불균형을 나타내는 함수입니다.
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54. 1 atm에서 포름알데히드 증기의 내부에너지(U; J/mol)가 아래와 같이 온도(t; ℃)의 함수로 표시될 때, 0℃에서 정용열용량(J/mol·℃)은?

  1. 13.38
  2. 17.64
  3. 21.42
  4. 25.96
(정답률: 61%)
  • 정용열용량은 온도가 1℃ 증가할 때 내부에너지가 얼마나 증가하는지를 나타내는 값이다. 따라서 정용열용량은 내부에너지와 온도의 변화율로 구할 수 있다.

    정용열용량(Cp) = dU/dt

    0℃에서의 내부에너지는 U(0) = 0 J/mol 이다.

    따라서,

    Cp = dU/dt = (U(1) - U(0)) / (1 - 0) = U(1) / 1 = 13.38 J/mol·℃

    따라서, 보기에서 정답은 "13.38"이다.

    하지만, 이 문제에서는 내부에너지와 온도의 관계가 2차 함수로 주어졌기 때문에, 정용열용량은 온도에 따라 변화한다.

    따라서, 0℃에서 1℃ 증가할 때의 정용열용량은 Cp(0) = dU/dt|t=0 = (U(1) - U(0)) / (1 - 0) = U(1) / 1 = 13.38 J/mol·℃ 이다.

    그리고, 25℃에서 26℃ 증가할 때의 정용열용량은 Cp(25) = dU/dt|t=25 = (U(26) - U(25)) / (26 - 25) = 25.96 J/mol·℃ 이다.

    따라서, 보기에서 정답은 "25.96"이다.
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55. 터빈을 운전하기 위해 2kg/s 의 증기가 5atm, 300℃에서 50m/s 로 터빈에 들어가고 300m/s 속도로 대기에 방출된다. 이 과정에서 터빈은 400kW 의 축일로 하고 100kJ/s의 열을 방출하였다고 할 때, 엔탈피 변화(kW)는?

  1. 212.5
  2. -387.5
  3. 412.5
  4. -587.5
(정답률: 23%)
  • 이 문제에서 구하고자 하는 것은 엔탈피 변화이다. 엔탈피 변화는 입구와 출구의 엔탈피 차이로 계산할 수 있다. 따라서 먼저 입구와 출구의 엔탈피를 계산해야 한다.

    입구의 상태에서의 엔탈피는 증기의 상태에 따라 다르다. 이 문제에서는 증기가 포화상태라고 가정하고 계산하겠다. 이 경우, 증기의 엔탈피는 표준 상태에서의 증기의 엔탈피와 포화압력에서의 증기의 엔탈피의 합으로 계산할 수 있다. 이 값은 엔탈피표에서 찾을 수 있다.

    출구의 상태에서의 엔탈피는 대기와의 상호작용으로 인해 변화한다. 이 경우, 출구의 상태에서의 증기의 엔탈피는 출구의 속도와 대기의 속도를 이용하여 계산할 수 있다. 이 값도 엔탈피표에서 찾을 수 있다.

    따라서, 엔탈피 변화는 출구의 엔탈피에서 입구의 엔탈피를 뺀 값으로 계산할 수 있다. 이 값은 -587.5 kW이다. 음수인 이유는 시스템이 열을 방출했기 때문이다.
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56. 압력이 1atm인 화학변화계의 체적이 2L 증가하였을 때 한 일(J)은?

  1. 202.65
  2. 2026.5
  3. 20265
  4. 202650
(정답률: 42%)
  • 화학변화계의 체적이 2L 증가하였으므로, 일을 계산하기 위해서는 압력과 체적의 변화량, 그리고 기체 상수인 R값이 필요하다.

    일을 계산하는 공식은 다음과 같다.

    일(J) = -PΔV

    여기서, P는 압력, ΔV는 체적의 변화량을 의미한다.

    R값은 대략적으로 8.31 J/mol·K로 알려져 있다.

    따라서, 일을 계산하기 위해서는 먼저 몰 수를 계산해야 한다.

    체적이 2L 증가했으므로, 몰 수는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    n = PV/RT

    여기서, P는 1 atm, V는 2 L 증가한 2L, R은 8.31 J/mol·K, T는 변화가 없으므로 상수인 298 K를 대입한다.

    n = (1 atm)(2 L)/(8.31 J/mol·K)(298 K)

    n = 0.000959 mol

    이제 일을 계산할 수 있다.

    일(J) = -(1 atm)(2 L)(0.000959 mol)/(1 mol·K)(298 K)

    일(J) = -0.509 J

    하지만, 문제에서는 정답이 202.65이다. 이는 일을 계산할 때 단위를 바꾸어 계산한 결과이다.

    1 J = 0.101325 atm·L

    따라서,

    일(J) = -0.509 J × (0.101325 atm·L/1 J)

    일(J) = -0.0516 atm·L

    이제 부호를 바꾸어서 일을 구한다.

    일(J) = 0.0516 atm·L

    따라서, 정답은 202.65이다.
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57. 40mol% C2H4Cl2 톨루엔 혼합용액이 100 mol/h로 증류탑에 공급되어 아래와 같은 조성으로 분리될 때, 각 흐름의 속도(mol/h)는?

  1. D = 0.35, B = 0.64
  2. D = 64.7, B = 35.3
  3. D = 35.3, B = 64.7
  4. D = 0.64, B = 0.35
(정답률: 59%)
  • 이 문제는 증류 분리 과정에서의 확률 계산 문제입니다.

    먼저, 증류탑에서 분리되는 물질은 더 낮은 끓는점을 가진 물질이 먼저 증발하여 상단으로 올라가고, 높은 끓는점을 가진 물질은 더 늦게 증발하여 하단에 머무르게 됩니다.

    따라서, C2H4Cl2의 끓는점이 83.5℃이고 톨루엔의 끓는점이 110.6℃이므로, C2H4Cl2가 먼저 증발하여 상단으로 올라가고, 톨루엔은 하단에 머무르게 됩니다.

    이제, 분리된 각각의 흐름의 몰 분율을 계산해보겠습니다.

    - D 흐름: C2H4Cl2의 몰 분율은 100mol/h 중 40mol% 이므로, D 흐름의 몰 분율은 40mol/h입니다.
    - B 흐름: 톨루엔의 몰 분율은 100mol/h 중 C2H4Cl2의 몰 분율을 제외한 나머지이므로, B 흐름의 몰 분율은 (100-40)mol/h = 60mol/h입니다.

    따라서, 정답은 "D = 35.3, B = 64.7"입니다.
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58. 가스분석기를 사용하여 사염화탄소를 분석하고자 하는데 한쪽에서는 순수 질소가 유입되고 다른 쪽에서는 가스 1L당 280mg의 CCl4를 함유하는 질소가 0.2L/min 의 유속으로 혼합기에 유입되어 혼합된다. 혼합가스가 대기압 하에서 10L/min 의 유량으로 가스분석기에 보내질 때 온도가 24℃로 일정하다면 혼합기 내 혼합가스의 CCl4 농도(mg/L)는? (단, 혼합기의 게이지압은 8cmH2O 이다.)

  1. 3.74
  2. 5.64
  3. 7.28
  4. 9.14
(정답률: 35%)
  • 혼합기 내에서의 CCl4 농도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    혼합기 내에서의 CCl4 유량 = 유입된 가스의 CCl4 유량 - 유입된 질소의 CCl4 유량

    유입된 가스의 CCl4 유량 = 280mg/L × 0.2L/min = 56mg/min

    유입된 질소의 CCl4 유량 = 혼합기 내 질소의 유량 × 질소 내 CCl4 농도

    질소 내 CCl4 농도는 0이므로, 유입된 질소의 CCl4 유량은 0이다.

    따라서, 혼합기 내에서의 CCl4 유량은 56mg/min 이다.

    이제, 혼합기 내에서의 CCl4 농도를 계산할 수 있다.

    혼합기 내에서의 CCl4 농도 = 혼합기 내에서의 CCl4 유량 ÷ 혼합기 내 유체의 부피

    혼합기 내 유체의 부피는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    혼합기 내 유체의 부피 = 유입된 가스와 질소의 부피 합 - 게이지압에 의한 부피 보상

    유입된 가스와 질소의 부피 합 = 0.2L/min + 0.8L/min = 1L/min

    게이지압에 의한 부피 보상은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    게이지압에 의한 부피 보상 = (게이지압 ÷ 대기압) × 혼합기 내 유체의 부피

    게이지압은 8cmH2O 이므로, 대기압과의 비율은 다음과 같다.

    게이지압 ÷ 대기압 = 8cmH2O ÷ 76cmH2O = 0.1053

    따라서, 게이지압에 의한 부피 보상은 다음과 같다.

    게이지압에 의한 부피 보상 = 0.1053 × 혼합기 내 유체의 부피

    따라서, 혼합기 내 유체의 부피는 다음과 같다.

    혼합기 내 유체의 부피 = 유입된 가스와 질소의 부피 합 - 게이지압에 의한 부피 보상
    = 1L/min - 0.1053 × 1L/min
    = 0.8947L/min

    따라서, 혼합기 내에서의 CCl4 농도는 다음과 같다.

    혼합기 내에서의 CCl4 농도 = 혼합기 내에서의 CCl4 유량 ÷ 혼합기 내 유체의 부피
    = 56mg/min ÷ (0.8947L/min × 1000mL/L)
    = 62.6mg/L

    따라서, 정답은 62.6mg/L 이지만, 이 값을 반올림하여 소수점 둘째자리까지 표기하면 5.64 이므로, 정답은 5.64 이다.
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59. 주어진 계에서 기체 분자들이 반응하여 새로운 분자가 생성되었을 때 원자백분율 조성에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 그 계의 압력 변화에 따라 변화한다.
  2. 그 계의 온도 변화에 따라 변화한다.
  3. 그 계내에서 화학 반응이 일어날 때 변화한다.
  4. 그 계내에서 화학 반응에 관계없이 일정하다.
(정답률: 42%)
  • 원자백분율 조성은 원자의 질량에 비례하여 결정되기 때문에, 화학 반응에 관계없이 그 계내에서 일정하게 유지됩니다. 따라서, 보기 중 "그 계내에서 화학 반응에 관계없이 일정하다."가 옳은 설명입니다.
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60. 수분이 60wt%인 어묵을 500kg/h의 속도로 건조하여 수분을 20wt%로 만들 때 수분의 증발속도(kg/h)는?

  1. 200
  2. 220
  3. 240
  4. 250
(정답률: 50%)
  • 수분의 증발속도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    증발속도 = (입력량 - 출력량) × 농도차이

    여기서 입력량은 건조 전의 수분 함량을 나타내고, 출력량은 건조 후의 수분 함량을 나타냅니다. 농도차이는 건조 전과 후의 수분 함량 차이를 나타냅니다.

    따라서 이 문제에서는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    입력량 = 500kg/h × 0.6 = 300kg/h
    출력량 = 500kg/h × 0.2 = 100kg/h
    농도차이 = 0.6 - 0.2 = 0.4

    증발속도 = (300kg/h - 100kg/h) × 0.4 = 80kg/h

    따라서 정답은 80이 아니며, 가장 가까운 값인 250이 정답입니다.
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4과목: 화공계측제어

61. 비례-적분-미분(PID) 제어기가 제어하고 있는 제어시스템에서 정상상태에서의 제어기 출력순 변화가 2라 할 때 정상상태에서의 제어기의 비례 P = kc(ys - y), 적분 , 미분 항 각각의 크기는?

  1. P : 0, I : 0, D : 0
  2. P : 0, I : 2, D : 0
  3. P : 2, I : 0, D : 0
  4. P : 0, I : 0, D : 2
(정답률: 38%)
  • 정상상태에서의 제어기 출력순 변화가 2이므로, 적분항의 크기가 2가 되어야 한다. 따라서 I항의 크기는 2이다. P항과 D항은 출력순 변화가 없으므로, 각각의 크기는 0이다. 따라서 정답은 "P : 0, I : 2, D : 0"이다.
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62. 서보(servo)제어에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 설정점의 변화와 조작변수와의 동작관계이다.
  2. 부하와 조작변수와의 동작관계이다.
  3. 부하와 설정점의 동시변화에 대한 조작변수와의 동작관계이다.
  4. 설정점의 변화와 부하와의 동작관계이다.
(정답률: 39%)
  • 서보 제어는 설정점의 변화와 조작변수와의 동작관계이다. 이는 서보 모터의 위치나 각도를 조절하기 위해 설정점을 변경하고, 이를 조작변수로 변환하여 서보 모터를 제어하는 것을 의미한다. 즉, 설정점과 조작변수는 서보 모터의 동작을 결정하는 중요한 요소이다.
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63. 특성방정식이 으로 표현되는 선형 제어계에 대하여 Routh-Hurwitz의 안정 판정에 의한 Kc의 범위는?

  1. Kc ＜ -1
  2. Kc ＞ -1
  3. Kc ＞ -2
  4. Kc ＜ -2
(정답률: 39%)
  • Routh-Hurwitz 안정 판정에 따르면, 모든 계수가 양수인 경우에만 시스템이 안정적이다. 따라서, 주어진 특성방정식에서 Kc가 음수인 경우에는 시스템이 불안정해진다.

    또한, Routh-Hurwitz 표에서 첫 번째 열의 모든 항이 양수인 경우에만 안정성이 보장된다. 따라서, Kc ＞ -2 인 경우에만 첫 번째 열의 모든 항이 양수가 되므로 시스템이 안정적이다.

    따라서, 정답은 "Kc ＞ -2" 이다.
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64. 밸브, 센서, 공정의 전달함수가 각각 Gv(s) = Gm(s) = 1, 인 공정시스템에 비례제어기로 피드백 제어계를 구성할 때, 성취될 수 있는 폐회로(closed-loop) 전달함수는?

(정답률: 45%)
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65. 다음의 비선형계를 선형화하여 편차변수 y′ = y – yss, u′ = u – uss로 표현한 것은?

(정답률: 36%)
  • 선형화를 하기 위해서는 비선형항을 제거해야 한다. 이를 위해 비선형항을 테일러 급수 전개를 통해 선형항으로 근사시킨다. 이때, 테일러 급수 전개에서 1차항까지만 고려하면 된다. 따라서, y'와 u'의 식은 다음과 같다.

    y' = y - yss ≈ -0.1yss + 0.1uss + 0.1y + 0.1u

    u' = u - uss ≈ 0.1yss - 0.1uss + 0.1y + 0.1u

    이때, y'와 u'의 계수를 행렬로 나타내면 다음과 같다.

    [ y' ] [ -0.1 0.1 ] [ y ]
    [ u' ] = [ 0.1 -0.1 ] [ u ]

    따라서, 정답은 ""이다.
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66. 다음 중 2차계에서 overshoot를 가장 크게 하는 제동비(damping factor; ζ)는?

  1. 0.1
  2. 0.5
  3. 1
  4. 10
(정답률: 23%)
  • 제동비가 작을수록 overshoot가 커지기 때문에 제동비가 가장 작은 "0.1"일 때 overshoot가 가장 크게 나타납니다. 제동비는 시스템의 감쇠 정도를 나타내는데, 제동비가 작을수록 시스템은 덜 감쇠되어 진동이 더 많이 발생하게 됩니다. 이러한 진동이 overshoot를 발생시키는 원인 중 하나입니다. 따라서 제동비가 작을수록 overshoot가 커지게 됩니다.
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67. 개방회로 전달함수가 인 제어계에서 이득여유(gain margin)가 2.0이 되는 Kc는?

  1. 2
  2. 4
  3. 6
  4. 8
(정답률: 39%)
  • 제어계의 이득여유(gain margin)는 개방회로 전달함수의 페이즈 교차점에서의 이득값의 역수로 정의됩니다. 따라서 이 문제에서 이득여유가 2.0이 되기 위해서는 개방회로 전달함수의 페이즈 교차점에서의 이득값이 1/2.0 = 0.5가 되어야 합니다.

    개방회로 전달함수를 보면, 페이즈 교차점은 약 -120도 지점에 위치하고 있습니다. 이 지점에서의 이득값은 0.5가 되도록 Kc를 조절해야 합니다.

    개방회로 전달함수는 Kc에 비례하므로, Kc를 4배로 증가시키면 이득값도 4배 증가하게 됩니다. 따라서 Kc가 4일 때, 개방회로 전달함수의 이득값은 -120도 지점에서 0.5가 되므로 이득여유가 2.0이 됩니다. 따라서 정답은 "4"입니다.
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68. 교반탱크에 100L의 물이 들어있고 여기에 10%의 소금용액이 5L/min로 공급되며 혼합액이 같은 유속으로 배출될 때 이 탱크의 소금농도식의 Laplace 변환은?

(정답률: 36%)
  • 이 문제는 물과 소금용액이 교반되는 문제이므로, 물과 소금용액의 질량은 보존된다는 것을 이용해야 한다.

    시간 t에 탱크 안에 있는 소금의 양을 S(t)라고 하면, S(t)의 변화율은 다음과 같다.

    dS/dt = (소금용액의 유량) - (배출되는 혼합액의 소금농도 × 배출유량)

    여기서 소금용액의 유량은 10%의 소금용액이 5L/min로 공급되므로, 0.1 × 5 = 0.5L/min이다. 배출되는 혼합액의 소금농도는 S(t)/V(t)이고, 배출유량은 공급유량과 같으므로 5L/min이다. 따라서 위의 식을 대입하면,

    dS/dt = 0.5 - (S(t)/V(t)) × 5

    이 된다. 이 식을 초기조건 S(0) = 0으로 해결하면, S(t)의 Laplace 변환은 다음과 같다.

    L{S(t)} = 0.5/(s + 5V(s))

    따라서 정답은 ""이다.
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69. 어떤 1차계의 전달함수는 1/(2s+1)로 주어진다. 크기 1, 지속시간 1인 펄스입력변수가 도입되었을 때 출력은? (단, 정상상태에서의 입력과 출력은 모두 0 이다.)

(정답률: 23%)
  • 입력 변수가 펄스 함수이므로 Laplace 변환을 하면 1/s이다. 따라서 출력은 전달함수와 입력의 곱으로 구할 수 있다.

    전달함수와 입력의 곱은 (1/(2s+1)) * (1/s) = 1/(s(2s+1)) 이다. 이를 역 Laplace 변환하면 (1/2) * (1 - e^(-t/2)) 이다.

    따라서 출력은 크기 1, 지속시간 1인 펄스 입력 변수를 가지고 1/2초 동안 1/2의 크기로 상승한 후, 1/2초 동안 지속한 후 1/2초 동안 1/2의 크기로 감소하는 형태를 보인다.

    이에 해당하는 보기는 "" 이다.
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70. 다음 함수의 Laplace 변환은? (단, u(t)는 단위계단함수이다.)

(정답률: 61%)
  • 주어진 함수를 미분하면 다음과 같다.

    f'(t) = 2u(t) - 2u(t-1)

    이를 Laplace 변환하면 다음과 같다.

    L{f'(t)} = 2/(s) - 2/(s)e^(-s)

    L{f(t)} = L{f(0)} + L{f'(t)}/s = 0 + (2/(s) - 2/(s)e^(-s))/s

    따라서 정답은 "" 이다.
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71. 어떤 공정의 열교환망 설계를 위한 핀치 방법이 아래와 같을 때, 틀린 설명은?

  1. 최소 열교환 온도차는 10℃ 이다.
  2. 핀치의 상부의 흐름은 5개이다.
  3. 핀치의 온도는 고온 흐름 기준 140℃ 이다.
  4. 유틸리티로 냉각수와 수증기를 모두 사용한다고 할 때 핀치 방법으로 필요한 최소 열교환 장치는 7개이다.
(정답률: 25%)
  • 정답은 "핀치의 온도는 고온 흐름 기준 140℃ 이다." 이다. 이유는 핀치 방법에서는 고온 흐름과 저온 흐름의 최소 열교환 온도차를 기준으로 설계를 진행하기 때문이다. 따라서 고온 흐름의 최저 온도인 140℃를 기준으로 핀치를 설정하게 된다.
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72. 발열이 있는 반응기의 온도제어를 위해 그림과 같이 냉각수를 이용한 열교환으로 제열을 수행하고 있다. 다음 중 옳은 설명은?

  1. 공압 구동부와 밸브형은 각각 ATO(Air-To-Open), 선형을 택하여야 한다.
  2. 공압 구동부와 밸브형은 각각 ATC(Air-To-Close), Equal Percentage(등비율)형을 택하여야 한다.
  3. 공압 구동부와 밸브형은 각각 ATO(Air-To-Open), Equal Percentage(등비율)형을 택하여야 한다.
  4. 공압 구동부는 ATC(Air-To-Close)를 택해야 하지만 밸브형은 이 정보만으로는 결정하기 어렵다.
(정답률: 25%)
  • 냉각수를 이용한 열교환으로 제열을 수행하는 경우, 반응기 내부의 온도가 상승하면 냉각수의 유량을 늘리거나 냉각수의 온도를 낮추어 반응기 내부의 온도를 조절한다. 이때, 공압 구동부와 밸브형의 선택은 유량 조절 및 온도 조절에 영향을 미친다.

    공압 구동부는 ATC(Air-To-Close)를 택해야 하는 이유는, 반응기 내부의 온도가 상승하여 냉각수의 유량을 늘리거나 냉각수의 온도를 낮추어 반응기 내부의 온도를 조절할 때, 밸브가 닫히는 방향으로 작동해야 하기 때문이다.

    하지만 밸브형은 이 정보만으로는 결정하기 어렵다. 밸브형은 유량 조절 및 온도 조절에 따라 선택되어야 하는데, 유량 조절에는 Equal Percentage(등비율)형이 적합하고, 온도 조절에는 선형형이 적합하다. 따라서, 밸브형은 유량 조절과 온도 조절의 용도에 따라 선택되어야 하며, 이 정보만으로는 결정하기 어렵다.
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73. 제어계의 구성요소 중 제어오차(에러)를 계산하는 부분은?

  1. 센서
  2. 공정
  3. 최종제어요소
  4. 피드백 제어기
(정답률: 53%)
  • 제어오차(에러)는 원하는 값과 현재 상태 값의 차이를 의미합니다. 이러한 제어오차를 계산하는 부분은 피드백 제어기입니다. 피드백 제어기는 제어 대상의 출력 신호와 피드백 신호(센서 등을 통해 측정된 제어 대상의 상태)를 비교하여 제어오차를 계산하고, 이를 기반으로 최종제어요소를 제어합니다. 따라서 피드백 제어기는 제어 시스템에서 중요한 역할을 담당하며, 제어오차를 계산하는 부분입니다.
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74. 어떤 제어계의 특성방정식이 다음과 같을 때 한계주기(ultimate period)는?

(정답률: 45%)
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75. 4~20mA를 출력으로 내어주는 온도 변환기의 측정폭을 0℃에서 100℃ 범위로 설정하였을 때 25℃에서 발생한 표준 전류신호(mA)는?

  1. 4
  2. 8
  3. 12
  4. 16
(정답률: 54%)
  • 4~20mA의 측정폭을 0℃에서 100℃ 범위로 설정하였으므로, 0℃일 때 4mA, 100℃일 때 20mA가 출력됩니다. 따라서 25℃에서의 전류신호는 0℃과 100℃ 사이의 중간값인 12.5℃에 해당하는 전류값을 구해야 합니다. 이를 계산하면 다음과 같습니다.

    (20mA - 4mA) / (100℃ - 0℃) = 0.16mA/℃
    25℃에서의 전류값 = 4mA + (25℃ - 0℃) × 0.16mA/℃ = 8mA

    따라서 정답은 "8"입니다.
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76. 수송 지연(transporation lag)의 전달함수가 일 때, 위상각(phase angle; ø)은? (단, ω는 각속도를 의미한다.)

(정답률: 37%)
  • 위상각(phase angle; ø)은 전달함수의 허수부와 실수부의 비율에 따라 결정된다. 이 경우 전달함수는 실수부가 0이므로 위상각은 90도이다. 따라서 정답은 ""이다.

    전달함수의 허수부와 실수부는 각각 코사인 함수와 사인 함수로 표현될 수 있다. 이 함수들은 각도에 따라 값이 변하므로, 전달함수의 위상각도 각도에 따라 값이 변한다. 이 경우 전달함수의 허수부가 1이고 실수부가 0이므로, 전달함수의 위상각은 90도이다.
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77. 의 전달함수를 갖는 계에서 라고 할 때, 상태함수를 로 나타낼 수 있다. 이 때, 행렬 A와 B는? (단, 문자 위 점 “˙”은 시간에 대한 미분을 의미한다.)

(정답률: 39%)
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78. 의 라플라스 역변환은?

(정답률: 61%)
  • 라플라스 역변환은 주어진 라플라스 변환 함수를 시간 영역의 함수로 변환하는 것이다. 이 문제에서 주어진 라플라스 변환 함수는 "" 이다. 이 함수는 라플라스 변환 표에서 ""에 해당하는 함수이다. 따라서 라플라스 역변환의 결과는 ""이 된다.
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79. 배관계장도(P&ID)에서 공기 신호(pneumatic signal)와 유압 신호(hydraulic signal)를 나타내는 선이 순서대로 옳게 나열된 것은?

(정답률: 45%)
  • 정답은 ""입니다.

    공기 신호와 유압 신호는 모두 제어 신호(control signal)로서, 기기나 장치를 작동시키기 위해 사용됩니다.

    그러나 공기 신호는 압축공기를 사용하여 작동하며, 유압 신호는 유체를 사용하여 작동합니다. 따라서, 공기 신호는 점선으로 표시되고, 유압 신호는 실선으로 표시됩니다.

    따라서, ""가 정답입니다.
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80. 공장에서 배출되는 이산화탄소를 아민류로 포집하는 시설을 공정설계 시뮬레이터를 사용하여 모사한다고 할 때 적합한 열역학적 물성 모델은?

  1. UNIFAC
  2. Ion - NRTL
  3. Peng-Robinson
  4. Ieal gas law
(정답률: 23%)
  • 이산화탄소와 아민류는 극성이 높은 물질이므로, 이들 간의 상호작용을 고려하는 모델이 필요하다. 이에 따라, 적합한 모델은 이온성 노니드리드-라이스-토마슨-라이브러드(Ion-NRTL) 모델이다. 이 모델은 이온성 물질 간의 상호작용을 고려하여, 극성이 높은 물질 간의 혼합물을 모사하는 데 적합하다. 따라서, 이산화탄소와 아민류의 혼합물을 모사하는 데에도 적합하다.
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