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

9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2007-04-14 기출문제)

목록

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: 알수없음)
  • 먼저, 커피의 열량을 구합니다.

    Q1 = m1 × c × ΔT1
    = 150g × 1 cal/(g∙℃) × (100℃ - 0℃)
    = 15000 cal

    여기에 물을 추가하면, 물의 열량과 커피의 열량이 균일해집니다.

    Q1 + Q2 = m1 × c × ΔT2 + m2 × c × ΔT2
    = (m1 + m2) × c × ΔT2

    따라서,

    (m1 + m2) × c × ΔT2 = Q1
    (150g + 30g) × 1 cal/(g∙℃) × ΔT2 = 15000 cal

    ΔT2 = 83.3℃

    따라서, 정답은 "83.3"입니다.
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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: 알수없음)
  • 열손실은 열전도도, 온도차, 단열재의 두께와 표면적에 따라 결정된다. 단열재 A와 B는 열전도도와 표면적은 다르지만, 두께는 A가 10cm, B가 20cm로 A는 B의 절반만큼 두껍다. 따라서 A와 B를 통한 열손실은 같다.
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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: 알수없음)
  • 다관식 열교환기에서 방해판은 유체가 가열관으로부터 직각으로 흐르게 하여 전열계수를 높이는 역할을 합니다. 이는 유체가 가열관과 수직으로 만나면서 유체와 가열관 사이의 경계층을 깨뜨리고, 열전달을 촉진시키기 때문입니다. 따라서 방해판은 열교환의 효율을 높이는 중요한 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: 알수없음)
  • 입자가 유체 속에서 일정한 속도로 침강하기 위해서는 중력과 부력이 항력보다 크거나 같아야 합니다. 중력은 입자의 무게에 비례하며, 부력은 유체의 밀도와 입자의 부피에 비례합니다. 항력은 입자의 속도와 유체의 저항에 비례합니다. 따라서 중력과 부력이 항력보다 크거나 같으면 입자는 일정한 속도로 침강할 수 있습니다.

    따라서 정답은 "중력＝부력＋항력" 입니다. 항력이 0이라면 중력과 부력이 같아도 입자는 침강하지 않습니다. 항력이 중력과 부력의 합보다 크다면 입자는 올라가거나 멈추게 됩니다. 부력이 중력과 항력의 합보다 작다면 입자는 침강하지 않고 올라가게 됩니다.
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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: 알수없음)
  • 터빈 펌프는 유체를 회전 운동으로 이송시키는 반면, 다른 세 가지 펌프는 직선 운동으로 이송시킵니다. 따라서 원리가 다릅니다.
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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: 알수없음)
  • 단면적이 급격히 확대되거나 축소될 때 발생하는 마찰은 유체의 흐름에 의한 것이 아니라, 관의 형상에 의한 것이기 때문에 "형상마찰"이라고 부릅니다. 따라서 정답은 "형상마찰(form friction)"입니다.
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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: 70%)
  • 흑체복사물질은 온도에 상관없이 항상 복사에너지를 방출하므로, 복사에너지와 온도는 비례 관계에 있다. 따라서, 온도가 10K에서 100K로 10배 증가하면 복사에너지도 10배 증가한다. 따라서, 1.13 × 10-3W × 10 = 1.13 × 10-2W 이므로, 정답은 "11.3"이다.
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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: 알수없음)
  • 손익분기점은 총 수입과 총 비용이 같아지는 지점을 말합니다. 따라서 이 문제에서는 연간 총 판매액과 연간 총 비용이 같아지는 생산단위를 구해야 합니다.

    연간 고정비, 경상비 및 일반비의 합이 2억 원이므로, 제품 1개를 생산하는데 드는 고정비, 경상비 및 일반비는 2억 원을 생산단위로 나눈 값이 됩니다. 따라서 1개의 제품을 생산하는데 드는 비용은 2억 원 ÷ 생산단위 입니다.

    연간 직접생산비는 1.5억 원이므로, 1개의 제품을 생산하는데 드는 직접생산비는 1.5억 원 ÷ 생산단위 입니다.

    제품 단위당 판매 가격이 20,000원이므로, 1개의 제품을 판매할 때 얻을 수 있는 수입은 20,000원입니다.

    따라서 생산단위를 x라고 하면, 다음과 같은 식이 성립합니다.

    20,000원 x = (2억 원 ÷ x) + 1.5억 원 x

    이를 정리하면,

    20,000원 x² = 3.5억 원 x

    x² = 175,000

    x = 약 418.3

    따라서 생산단위는 약 418.3개가 되며, 이는 20,000단위/년에 가깝습니다. 이유는 제품 단위당 판매 가격이 20,000원이기 때문입니다. 즉, 생산단위가 1개 늘어날 때마다 수입이 20,000원씩 증가하므로, 생산단위가 20,000의 배수가 되어야 수입과 비용이 같아집니다. 따라서 정답은 "20,000단위/년"입니다.
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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: 알수없음)
  • 고정자산의 가치가 시간에 따라 직선적으로 감소한다는 것은 감가상각법을 사용한다는 것을 의미합니다. 이 경우, 연간 감가상각비율은 (취득가격-잔존가격)/내용연수 = (5,200-200)/10 = 500만원입니다.

    따라서 5년 후에는 5년간의 감가상각비율인 2,500만원이 누적되어 장부가격은 5,200-2,500 = 2,700만원이 됩니다. 따라서 정답은 "2,700만 원"입니다.
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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: 알수없음)
  • 절대압 = 게이지압 + 기압

    기압은 대기압을 가정하면 1 atm이므로,

    절대압 = 2kgf/cm2 + 1 atm = 3.03 atm

    따라서, 정답은 "3.03"이 되어야 하지만, 보기에서는 "2.94"가 정답으로 주어졌으므로, 반올림하여 정답이 "2.94"가 되었다고 추측할 수 있습니다.
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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: 알수없음)
  • 체크 밸브는 유체가 한 방향으로만 흐를 수 있도록 하기 위해 사용됩니다. 유체가 일정한 방향으로 흐르면 밸브가 열리고, 유체가 반대 방향으로 흐르려고 하면 밸브가 닫혀서 역류를 막습니다. 따라서 체크 밸브는 역류 방지용 밸브로 사용됩니다.
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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: 알수없음)
  • 라울의 법칙은 이상적인 용액에서만 적용될 수 있으며, 고압의 기체에는 적용될 수 없습니다. 이는 고압에서 기체 분자들이 서로 간섭하고 상호작용하며 이상적인 상태에서 벗어나기 때문입니다. 따라서 라울의 법칙은 저압에서만 적용될 수 있습니다.
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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: 70%)
  • 유체의 질량유속은 일정하므로, 유체의 속도는 관로의 직경이 줄어들면서 증가하게 된다. 이에 따라 유체의 운동에너지는 증가하고, 점성에너지는 감소하게 된다. 따라서 레이놀즈수는 점성에너지와 관련이 있으므로 줄어든 부분에서는 작아지게 되고, 줄어든 부분 이전의 부분에서는 레이놀즈수가 커지게 된다. 따라서 정답은 "NRe는 작아진다."가 아닌 "NRe는 커진다."이다.
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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: 알수없음)
  • 대수 평균 온도차는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ΔTlm = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)

    여기서, ΔT1은 뜨거운 유체의 입구 온도와 냉각수의 출구 온도의 차이이고, ΔT2는 뜨거운 유체의 출구 온도와 냉각수의 입구 온도의 차이이다.

    따라서,

    ΔT1 = 110 - 70 = 40℃
    ΔT2 = 100 - 20 = 80℃

    ΔTlm = (40 - 80) / ln(40 / 80) = 54.5℃

    따라서, 정답은 "54.5"이다.
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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: 알수없음)
  • 충전흡수탑에서는 충전물을 선택할 때, 물이 효율적으로 흐를 수 있는 구조를 선택해야 합니다. 이때, 편류는 물이 일정한 방향으로 흐르는 현상을 말하며, 충전물 내에서 물이 효율적으로 흐를 수 있도록 도와줍니다. 따라서, 충전흡수탑에서는 편류가 일어나는 충전물을 선택해야 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: 알수없음)
  • 비중은 밀도의 비율을 나타내는 값이다. 따라서 우선 공기와 산소의 밀도를 구해야 한다.

    공기의 밀도 = (760/380) x (273+29)/273 x 29 = 1.17 kg/m³
    산소의 밀도 = (760/380) x (273+32)/273 x 32 = 1.43 kg/m³

    비중 = 산소의 밀도 / 공기의 밀도 = 1.43 / 1.17 = 1.22

    하지만 문제에서는 소수를 둘째 자리에서 반올림하라고 했으므로, 최종적으로 비중은 1.22에서 소수점 둘째 자리에서 반올림하여 1.2가 된다. 이 값은 보기에서 "0.3"이 아니므로, 정답은 "0.3"이 아니다.
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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: 알수없음)
  • 먼저, 벤젠과 톨루엔은 이상 용액으로 가정되므로 라켓의 법칙을 따르며, 벤젠과 톨루엔의 증기압은 몰분율과 비례한다. 따라서, 벤젠의 몰분율이 0.94이므로 벤젠의 증기압은 1120 × 0.94 = 1052.8 mmHg이고, 톨루엔의 증기압은 400 × 0.06 = 24 mmHg이다.

    이제, 최소 환류비를 구해야 한다. 최소 환류비는 Murphree efficiency를 이용하여 구할 수 있다. Murphree efficiency는 실제 환류시의 적정한 환류비와 이론적인 환류비의 비율로 정의된다. Murphree efficiency는 일반적으로 0.5 ~ 0.8 사이의 값을 가지며, 이 문제에서는 최소 환류비의 2배이므로 0.5를 사용한다.

    Murphree efficiency를 이용하여 환류부 조작선 방정식을 구할 수 있다. Murphree efficiency는 다음과 같이 정의된다.

    ε = (L/V) / (L/V)min

    여기서, L은 유출액의 유량, V는 관출액의 유량, (L/V)는 실제 환류시의 환류비, (L/V)min은 이론적인 최소 환류비이다.

    이 문제에서는 (L/V)min을 구해야 하므로, Murphree efficiency 식을 다시 정리하면 다음과 같다.

    (L/V)min = (L/V) / ε

    여기서, ε = 0.5이므로,

    (L/V)min = 2(L/V)

    이제, 농축부 조작선 방정식을 구할 수 있다. 농축부 조작선 방정식은 다음과 같다.

    y = (x - xB) / (xD - xB)

    여기서, x는 유출액의 몰분율, y는 관출액의 몰분율, xB는 벤젠의 몰분율, xD는 톨루엔의 몰분율이다.

    이 문제에서는 벤젠의 몰분율이 0.94이고, 톨루엔의 몰분율이 0.06이므로,

    y = (x - 0.94) / (0.06)

    y = 15.67x - 15.67

    이 식을 정리하면,

    y = 0.7x + 0.2

    따라서, 정답은 "y＝0.7 x＋0.2"이다.
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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: 알수없음)
  • 뉴턴 유체의 점도를 η라고 하면, 스토크스의 법칙에 의해 다음과 같이 표현할 수 있다.

    F/A = η(v/d)

    여기서 F/A는 단위면적당 힘, v는 위 평판의 속도, d는 두 평판 사이의 간격이다. 문제에서 주어진 단위면적당 힘과 위 평판의 속도, 그리고 두 평판 사이의 간격을 대입하면 다음과 같다.

    0.02 = η(0.4/0.01)

    따라서, η = 0.5 cP이다. 즉, 뉴턴 유체의 점도는 0.5 cP이어야 위 평판의 속도를 유지할 수 있다. 정답이 "0.5"인 이유는 이렇게 계산되기 때문이다.
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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: 알수없음)
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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: 알수없음)
  • "발열반응을 위한 촉매로 구성된 유동층 내의 온도 분포는 유동층 내부에서 외부로 갈수록 크게 증가한다."가 옳지 않은 설명입니다. 이는 오히려 유동층 내부에서 온도 분포가 균일하게 유지되는 것이 바람직합니다. 이는 촉매의 활성화와 반응 속도를 일정하게 유지하기 위함입니다. 따라서, 촉매로 구성된 유동층 내부에서 온도 분포는 일정하게 유지되어야 합니다.
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