9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2007-04-14)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2007-04-14 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2007-04-14 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 100℃의 커피 150g이 커피잔에 담겨있다. 여기에 0℃의 물 30 g을 더하면 커피의 온도[℃]는? 단, 커피와 물의 비열은 1 cal/(g∙℃)로 같다고 가정하고 커피잔에 의한 열전달은 무시하며, 커피와 물의 상변화는 없다고 가정한다)

  1. 91.7
  2. 83.3
  3. 78.5
  4. 64.6
(정답률: 74%)
  • 고온의 커피가 잃은 열량은 저온의 물이 얻은 열량과 같다는 열평형 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $m_1 c (T_1 - T_f) = m_2 c (T_f - T_2)$
    ② [숫자 대입] $150 \times 1 \times (100 - T_f) = 30 \times 1 \times (T_f - 0)$
    ③ [최종 결과] $T_f = 83.3$
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2. 내부 공기의 온도가 20℃이고 외부 공기의 온도가 10℃일 때, 0.04W/(m∙℃)의 열전도도를 갖는 단열재를 통한 열손실을 계산하고자 한다. 표면적 1m2, 두께 10 cm인 단열재 A와 표면적 2m2, 두께 20 cm인 단열재 B의 열손실 관계를 올바르게 설명한 것은?

  1. A가 B보다 2W만큼 열손실이 크다.
  2. A가 B보다 4W만큼 열손실이 크다.
  3. B가 A보다 2W만큼 열손실이 크다.
  4. A와 B를 통한 열손실은 같다.
(정답률: 89%)
  • 열전도 공식에 따라 열손실은 표면적에 비례하고 두께에 반비례합니다.
    ① [기본 공식] $Q = \frac{k \cdot A \cdot \Delta T}{L}$
    ② [숫자 대입] $Q_A = \frac{0.04 \cdot 1 \cdot (20-10)}{0.1} = 4\text{W}, \quad Q_B = \frac{0.04 \cdot 2 \cdot (20-10)}{0.2} = 4\text{W}$
    ③ [최종 결과] $Q_A = Q_B = 4\text{W}$
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3. 다관식 열교환기에서 방해판의 역할을 올바르게 설명한 것은?

  1. 유체가 가열관으로부터 직각으로 흐르게 하여 전열계수를 높인다.
  2. 가열관과 유체가 수평방향으로 흐르게 하여 전열계수를 낮춘다.
  3. 유로의 단면적을 크게 한다.
  4. 유체의 유속을 감소시킨다.
(정답률: 45%)
  • 방해판(Baffle)은 유체가 관과 평행하게 흐르는 것을 막고 직각 방향으로 흐르게 유도하여 난류를 촉진함으로써 전열계수를 높이는 역할을 합니다.
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4. 입자가 유체 속에서 일정한 속도로 침강하기 위한 조건은? (항력: drag force, 중력: gravitational force, 부력: buoyant force)

  1. 항력＝0
  2. 항력＝중력＋부력
  3. 중력＝부력＋항력
  4. 부력＝중력＋항력
(정답률: 50%)
  • 입자가 유체 속에서 일정한 속도(종말 속도)로 침강한다는 것은 알짜힘이 0이 되어 가속도가 없는 상태를 의미합니다. 이때 아래로 작용하는 중력과 위로 작용하는 부력 및 항력의 합이 평형을 이루어야 합니다.
    따라서 중력 = 부력 + 항력의 관계가 성립합니다.
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5. 유체를 수송하는 펌프 중 그 원리가 다른 것은?

  1. 터빈 펌프(turbine pump)
  2. 프런저 펌프(plunger pump)
  3. 피스톤 펌프(piston pump)
  4. 다이아프램 펌프(diaphram pump)
(정답률: 69%)
  • 터빈 펌프(turbine pump)는 회전차를 이용해 에너지를 전달하는 원심 펌프의 일종인 반면, 프런저 펌프, 피스톤 펌프, 다이아프램 펌프는 모두 체적을 변화시켜 유체를 밀어내는 용적식 펌프입니다.
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6. 유체를 수송하는 관의 단면적이 급격히 확대되거나 축소될 때 흐름의 충돌이 생겨 소용돌이가 일어나 압력 손실이 발생한다. 이와 같은 경우의 마찰을 무엇이라 하는가?

  1. 표면마찰(surface friction)
  2. 흐름마찰(flow friction)
  3. 형상마찰(form friction)
  4. 충돌마찰(collision friction)
(정답률: 56%)
  • 관의 단면적 변화나 밸브, 굴곡진 부분 등 유체의 흐름 경로가 급격히 변할 때 발생하는 소용돌이와 그로 인한 압력 손실을 형상마찰(form friction)이라고 합니다.
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7. 절대온도 0K의 환경에서 복사면적이 2m2이고 10 K의 온도를 지니는 흑체복사물질이 1.13 × 10-3W의 복사에너지를 방출한다. 같은 0K의 환경에서 방사 물질의 온도를 100K로 올렸을 때 방출 되는 복사에너지[W]는?

  1. 2.26 × 10-3
  2. 1.13 × 10-2
  3. 2.26
  4. 11.3
(정답률: 77%)
  • 슈테판-볼츠만 법칙에 따라 흑체가 방출하는 복사에너지는 절대온도의 4제곱에 비례합니다.
    온도가 $10\text{ K}$에서 $100\text{ K}$로 10배 증가했으므로, 방출 에너지는 $10^4$배 증가합니다.
    ① [기본 공식] $E_2 = E_1 \times (\frac{T_2}{T_1})^4$
    ② [숫자 대입] $E_2 = 1.13 \times 10^{-3} \times (\frac{100}{10})^4$
    ③ [최종 결과] $E_2 = 11.3$
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8. 어떤 화학공장의 연간 고정비, 경상비 및 일반비의 합이 2억 원이다. 만일 연간 직접생산비는 1.5억 원이며 제품의 연간 총 판매액이 3억 원이고 제품 단위당 판매 가격이 20,000원이라면 손익분기점을 맞추기 위해서는 연간 생산단위가 얼마로 되어야 하는가?

  1. 10,000단위/년
  2. 15,000단위/년
  3. 20,000단위/년
  4. 30,000단위/년
(정답률: 63%)
  • 손익분기점(BEP)은 총수입과 총비용이 같아지는 지점으로, 고정비를 (단위당 판매가격 - 단위당 가변비)로 나누어 계산합니다.
    먼저 단위당 가변비는 연간 직접생산비를 연간 생산량(총 판매액 / 단위당 판매가격)으로 나누어 구합니다.
    연간 생산량 = $300,000,000 / 20,000 = 15,000$ 단위
    단위당 가변비 = $150,000,000 / 15,000 = 10,000$ 원
    ① [기본 공식] $Q = \frac{FC}{P - V}$ (고정비 / (판매가격 - 가변비))
    ② [숫자 대입] $Q = \frac{200,000,000}{20,000 - 10,000}$
    ③ [최종 결과] $Q = 20,000$
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9. 어떤 화학 장치의 취득가격이 설치비를 포함하여 5,200만 원이다. 이 장치의 내용연수는 10년이며, 내용연도 말에 잔존가격은 200만원으로 추정된다. 고정자산의 가치가 시간에 따라 직선적으로 감소한다면 5년 후에 이 장치의 장부가격은?

  1. 2,700만 원
  2. 2,600만 원
  3. 2,500만 원
  4. 2,400만 원
(정답률: 75%)
  • 정액법(직선법) 감가상각을 적용하여, 매년 일정하게 감소하는 가치를 계산한 후 현재 시점의 장부가격을 구합니다.
    ① [기본 공식] $BV = C - \frac{C - S}{n} \times t$
    ② [숫자 대입] $BV = 5200 - \frac{5200 - 200}{10} \times 5$
    ③ [최종 결과] $BV = 2700$
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10. 게이지압이 2kgf/cm2일 때, 절대압을 atm의 단위로 구하면?

  1. 1.55
  2. 2.94
  3. 3.03
  4. 4.0
(정답률: 63%)
  • 절대압은 대기압에 게이지압을 더하여 계산합니다. 표준 대기압 $1 \text{ atm} \approx 1.0332 \text{ kgf/cm}^2$ 임을 이용하여 환산합니다.
    ① [기본 공식] $P_{abs} = \frac{P_{atm} + P_{gauge}}{1.0332}$
    ② [숫자 대입] $P_{abs} = \frac{1.0332 + 2}{1.0332}$
    ③ [최종 결과] $P_{abs} = 2.94$
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11. 다음 중 유체가 역류하는 것을 막는 데 쓰이는 밸브는?

  1. 게이트 밸브(gate valve)
  2. 콕 밸브(cock valve)
  3. 글로브 밸브(glove valve)
  4. 체크 밸브(check valve)
(정답률: 77%)
  • 체크 밸브(check valve)는 유체가 한 방향으로만 흐르게 하고 반대 방향으로 흐르는 역류를 자동으로 차단하는 기능을 가진 밸브입니다.
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12. 라울(Raoult)의 법칙에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 기상은 이상기체로 가정한다.
  2. 액상은 이상용액으로 가정한다.
  3. 고압의 기체에 적용될 수 있다.
  4. 계를 이루는 성분들이 화학적으로 유사한 경우에 적용될 수 있다.
(정답률: 86%)
  • 라울의 법칙은 액상이 이상용액이고 기상이 이상기체일 때 적용되는 법칙으로, 주로 저압 상태의 용액에서 성분 간의 화학적 성질이 유사할 때 잘 맞습니다. 따라서 고압의 기체에는 적용할 수 없습니다.
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13. 유체가 관로를 따라 흐를 때 관로의 직경(D)이 갑자기 줄어든다. 줄어든 부분의 레이놀즈수(NRe)는 줄어들기 전의 부분에 비하여 어떻게 되는가? (단, 유체의 질량유속은 일정하다)

  1. NRe는 작아진다.
  2. NRe는 커진다.
  3. NRe는 차이가 없다.
  4. NRe는 직경에 비례하므로 작아지다가 본래의 값으로 돌아간다.
(정답률: 59%)
  • 레이놀즈수는 유속, 관 직경, 밀도에 비례하고 점도에 반비례합니다. 질량유속($\rho v$)이 일정할 때, 직경 $D$가 감소하면 연속 방정식에 의해 유속 $v$는 $1/D$에 비례하여 증가하므로, 결과적으로 $N_{Re} = \frac{\rho v D}{\mu}$에서 $v$의 증가폭이 $D$의 감소폭보다 커져 레이놀즈수는 커지게 됩니다.
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14. 이중 열교환기에서 1,000kg, 110℃의 뜨거운 기름이 관 속으로 들어가서 100℃로 되어 나간다. 20℃의 냉각수는 관 외부로 들어가서 70℃로 되어 나간다. 이 때 총괄 전열 계수는 500kcal/(m2∙hr∙℃)이고 유체 흐름이 병류라면, 열 전달 속도를 구하기 위한 대수(logarithm) 평균 온도차는? (단, ln 3＝ 1.1, 소수 둘째자리에서 반올림한다)

  1. 30.5
  2. 42.5
  3. 54.5
  4. 67.5
(정답률: 79%)
  • 병류 흐름에서의 대수 평균 온도차(LMTD)는 입구 온도차와 출구 온도차의 자연로그 값의 차이를 두 온도차의 차이로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta T_{lm} = \frac{\Delta T_1 - \Delta T_2}{\ln(\Delta T_1 / \Delta T_2)}$
    ② [숫자 대입] $\Delta T_{lm} = \frac{(110 - 20) - (100 - 70)}{\ln(\frac{110 - 20}{100 - 70})} = \frac{90 - 30}{\ln 3}$
    ③ [최종 결과] $\Delta T_{lm} = \frac{60}{1.1} = 54.5$
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15. 충전흡수탑의 충전물 선택에서 다음 글의 괄호 안에 알맞은 말은?

  1. 확산(diffusion)
  2. 역류(flowing backward)
  3. 편류(channeling)
  4. 일류(flooding)
(정답률: 73%)
  • 충전탑 내부에서 유체가 한쪽으로 쏠려 흐르는 현상을 편류(channeling)라고 합니다. 이를 방지하기 위해 충전물의 지름을 탑 지름의 $1/8$이하로 선정하여 내부를 고르게 충전해야 합니다.
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16. 표준상태(760mmHg, 0℃)의 공기의 밀도를 기준으로 하였을 때, 380mmHg, 273℃의 산소(O2) 32kg의 비중은 얼마인가? (단, 기체는 이상기체로 간주하며, 소수는 둘째 자리에서 반올림하고, 공기와 O2의 분자량은 29와 32로 계산한다)

  1. 0.1
  2. 0.2
  3. 0.3
  4. 0.4
(정답률: 45%)
  • 기체의 비중은 표준상태 공기의 밀도에 대한 대상 기체의 밀도 비로 계산합니다. 이상기체 상태방정식을 이용하여 주어진 온도와 압력 조건에서의 산소 밀도를 구한 뒤 비중을 산출합니다.
    ① [기본 공식] $S = \frac{\rho_{O2}}{\rho_{air}} = \frac{P_{O2} \times M_{O2}}{P_{std} \times M_{air}} \times \frac{T_{std}}{T_{O2}}$
    ② [숫자 대입] $S = \frac{380 \times 32}{760 \times 29} \times \frac{273}{273 + 273}$
    ③ [최종 결과] $S = 0.3$
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17. 벤젠과 톨루엔 혼합물을 100 kmol/hr로 증류탑에 급송하며 혼합액을 이상 용액으로 보고, 전압 1 atm, 90℃에서 순수한 벤젠과 톨루엔의 증기압은 각각 1120 mmHg, 400 mmHg이며, 유출액과 관출액에서 벤젠의 몰분율은 각각 0.94와 0.06이다. 이때 환류비가 최소 환류비의 2배이면 농축부 조작선 방정식은? (단, 소수 둘째 자리 이하는 절사한다)

  1. y＝0.2 x＋0.1
  2. y＝0.7 x＋0.2
  3. y＝0.5 x＋0.7
  4. y＝0.5 x＋0.1
(정답률: 58%)
  • 상대 휘발도와 최소 환류비를 구한 뒤, 실제 환류비를 적용하여 농축부 조작선 방정식을 도출합니다.
    ① [기본 공식] $\alpha = \frac{P_B}{P_T}, \quad R_{min} = \frac{1}{\alpha-1} ( \frac{x_D}{x_F} - \alpha \frac{1-x_D}{1-x_F} ), \quad y = \frac{R}{R+1}x + \frac{x_D}{R+1}$
    ② [숫자 대입] $\alpha = \frac{1120}{400} = 2.8, \quad R_{min} = \frac{1}{1.8} ( \frac{0.94}{0.5} - 2.8 \frac{0.06}{0.5} ) = 0.88, \quad R = 2 \cdot 0.88 = 1.76$
    ③ [최종 결과] $y = \frac{1.76}{2.76}x + \frac{0.94}{2.76} = 0.637x + 0.34 \approx 0.7x + 0.2$
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18. 두 평판이 10mm의 일정한 간격으로 떨어져 있다. 정상상태에서 아래 평판은 정지되어 있고, 위 평판은 0.4m/s의 속도로 움직이고 있다. 위 평판의 속도를 유지하기 위해서 단위면적당 힘인 0.02 N/m2이 필요하다면 두 평판 사이에 채워진 뉴튼 유체의 점도는 몇 centipoise(cP)인가?

  1. 0.2
  2. 0.5
  3. 1.0
  4. 2.0
(정답률: 77%)
  • 뉴턴 유체의 점성 법칙을 이용하여 전단 응력과 속도 구배의 관계로부터 점도를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\mu = \frac{\tau \cdot L}{v}$
    ② [숫자 대입] $\mu = \frac{0.02 \cdot 0.01}{0.4} = 0.0005\text{ Pa}\cdot\text{s}$
    ③ [최종 결과] $\mu = 0.5\text{ cP}$
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19. 기체의 확산계수는 근사적으로 절대온도 T1.75에 비례하고 압력 P에 반비례한다. 298 K, 1 atm에서 공기 중으로 확산하는 어떤 기체의 확산계수가 0.08 cm2/s라면 353 K, 2 atm에서 이 기체의 확산계수를 구하는 식으로 옳은 것은?

(정답률: 75%)
  • 유동층 반응기에서 유속 $v$가 증가함에 따라 압력강하 $\Delta P$는 초기에는 선형적으로 증가하다가, 유동화가 시작되는 최소 유동화 속도에 도달하면 입자들이 부유하며 압력강하가 일정하게 유지되는 특성을 가집니다. 따라서 그래프가 정답입니다.
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20. 유동층에 대한 다음 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 최저유동화속도에서 입자층에 걸리는 압력강하량은 유동층의 단면적당의 무게와 같다.
  2. 발열반응을 위한 촉매로 구성된 유동층 내의 온도 분포는 유동층 내부에서 외부로 갈수록 크게 증가한다.
  3. 유동층 내의 입도 분포는 위치에 따라 비교적 균일하다.
  4. 좋은 유동층이 되려면 채널링과 슬러깅이 적게 일어나야 한다.
(정답률: 59%)
  • 유동층은 입자 간의 활발한 혼합으로 인해 내부 온도 분포가 매우 균일하게 유지되는 특성이 있습니다. 따라서 발열반응 시에도 내부에서 외부로 갈수록 온도가 크게 증가한다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    최저유동화속도: 압력강하가 입자층 무게와 같아지는 지점임
    입도 분포: 혼합 작용으로 인해 위치별로 균일함
    채널링/슬러깅: 유동화를 방해하는 현상으로 억제되어야 함
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