9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2008-04-12)

9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2008-04-12 기출문제)

목록

1. 반지름이 2mm, 무게가 0.3 g인 구형입자가 액체로 채워진 시험관에서 자유침강할 때, 정상상태에서 액체의 밀도가 1.0 g/cm3이라면 입자에 작용하는 대략 저항력[dyne]은? (단, π＝3으로 계산한다)

  1. 163
  2. 263
  3. 363
  4. 463
(정답률: 40%)
  • 입자에 작용하는 저항력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    저항력 = 6πηrv

    여기서,
    - η는 액체의 점성도
    - r은 입자의 반지름
    - v는 입자의 속도

    액체의 밀도가 1.0 g/cm^3 이므로, 질량은 0.3g / (4/3 * π * (2mm)^3 * 1.0 g/cm^3) = 0.3g / 33.51 = 0.00895 g입니다.

    입자의 부피는 4/3 * π * (2mm)^3 = 33.51 mm^3이므로, 부피당 질량은 0.00895 g / 33.51 mm^3 = 0.000267 g/mm^3입니다.

    액체의 밀도가 1.0 g/cm^3 이므로, 액체의 밀도는 1.0 g/mm^3입니다.

    따라서, 입자의 체적당 액체의 체적은 33.51 mm^3 / (4/3 * π * (2mm)^3) = 0.238입니다.

    자유침강 상태에서 입자의 속도는 등속운동으로, 중력과 저항력이 평형을 이룹니다. 따라서, 중력과 저항력이 같아야 합니다.

    중력 = 입자의 부피당 질량 * 중력가속도 = 0.000267 g/mm^3 * 9.8 m/s^2 = 0.00262 dyne

    저항력 = 6πηrv = 6π * 0.01 g/cm s * 2mm * 0.238 * v

    중력과 저항력이 같으므로,

    0.00262 dyne = 6π * 0.01 g/cm s * 2mm * 0.238 * v

    v = 0.000263 cm/s

    따라서, 입자에 작용하는 저항력은

    저항력 = 6πηrv = 6π * 0.01 g/cm s * 2mm * 0.238 * 0.000263 cm/s = 0.000263 dyne

    답은 "263"입니다.
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2. 열전도의 기본 법칙에 해당되는 것은?

  1. Fourier 법칙
  2. Raoult 법칙
  3. Dalton 법칙
  4. Stokes 법칙
(정답률: 알수없음)
  • 열전도의 기본 법칙은 온도 차이가 존재하는 두 지점 사이에서 열이 전달될 때, 열전도율이 일정하다는 것입니다. 이를 수식으로 나타내면 Q = -kA(dT/dx)로 표현됩니다. 이때 k는 열전도율을 나타내며, Fourier 법칙이라고 합니다. 따라서 정답은 Fourier 법칙입니다.
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3. 안쪽 반지름이 4 cm, 바깥쪽 반지름이 6 cm, 길이가 3m인 원통형 관의 열전달 평균 면적의 대략값[m2]은? (단, π＝3으로 계산한다)

  1. 6.0
  2. 9.0
  3. 0.6
  4. 0.9
(정답률: 알수없음)
  • 열전달 평균 면적은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    A = 2πL(R2 - R1)/(ln(R2/R1))

    여기서 L은 길이, R1은 안쪽 반지름, R2은 바깥쪽 반지름입니다.

    따라서, A = 2 x 3 x 3 x (6 - 4)/(ln(6/4) x 3) = 0.9 (대략적으로)

    여기서 ln(6/4)는 약 0.5이므로, 분모가 약간 작아져서 결과적으로 평균 면적이 약간 커지게 됩니다. 따라서, 정답은 0.9입니다.
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4. 복사에 의한 열전달과 관계가 없는 법칙은?

  1. Planck 법칙
  2. Wien 법칙
  3. Fourier 법칙
  4. Kirchhoff 법칙
(정답률: 알수없음)
  • Fourier 법칙은 열전달과 관련이 없는 법칙으로, 이는 열전달과는 달리 온도차가 없어도 열이 전달될 수 있다는 것을 의미합니다. 따라서 다른 보기들은 모두 열전달과 관련이 있는 법칙들입니다.
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5. 관이나 유로에서 유체 전체의 유량을 측정하는 것을 전구경식 유량계라 하며, 유로의 한 점에서 측정하는 것을 삽입식 유량계라 한다. 전구경식 유량계가 아닌 것은?

  1. 벤튜리미터
  2. 피토관
  3. 오리피스미터
  4. 로타미터
(정답률: 50%)
  • 피토관은 삽입식 유량계이며, 유로의 한 점에서 유량을 측정한다. 따라서 전구경식 유량계가 아니다.
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6. 정류탑에서 환류비는?

  1. 공급량의 몰수/환류액의 몰수
  2. 공급량의 몰수/유출액의 몰수
  3. 환류액의 몰수/유출액의 몰수
  4. 유출액의 몰수/환류액의 몰수
(정답률: 알수없음)
  • 정류탑에서 환류비는 "환류액의 몰수/유출액의 몰수" 입니다. 이는 정류탑에서 공급된 액체 중 일부가 환류되어 다시 정류탑으로 돌아오는 비율을 나타내는 것입니다. 따라서 환류액의 몰수를 유출액의 몰수로 나누어 계산합니다.
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7. 물질전달계수와 관계 없는 무차원수는?

  1. Prandtl수
  2. Schmidt수
  3. Sherwood수
  4. Reynolds수
(정답률: 알수없음)
  • Prandtl수는 물질의 전달속도와 관련이 없는 무차원수입니다. Prandtl수는 유체의 점성과 열전도도의 비율을 나타내며, 유체의 흐름과 열전달에 영향을 미칩니다. 따라서 Prandtl수는 물질의 전달속도와는 관련이 없습니다.
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8. 화학공장이 성립되는 과정을 순서대로 나열한 것은?

  1. 계획 － 설계 － 조업 － 건설 － 보전
  2. 계획 － 조업 － 설계 － 건설 － 보전
  3. 계획 － 건설 － 설계 － 조업 － 보전
  4. 계획 － 설계 － 건설 － 조업 － 보전
(정답률: 알수없음)
  • 화학공장을 성립하는 과정은 계획부터 시작하여 설계, 건설, 조업, 보전 순서로 진행됩니다. 먼저 계획 단계에서는 공장의 목적과 필요한 시설, 장비, 인력 등을 결정합니다. 그 다음 설계 단계에서는 계획에 따라 구체적인 설계도를 작성하고, 건설 단계에서는 설계에 따라 공장을 건설합니다. 조업 단계에서는 건설된 공장에서 생산을 시작하고, 보전 단계에서는 공장의 안전과 유지보수를 위한 작업을 수행합니다. 따라서 "계획 － 설계 － 건설 － 조업 － 보전"이 올바른 순서입니다.
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9. 회분식 반응기에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 반응에 필요한 원료를 한꺼번에 투입하여 일정시간 반응시킨 후, 생성물을 한꺼번에 배출시킨다.
  2. 성분의 농도가 시간에 따라 변하는 비정상 상태의 조작이다.
  3. 인건비가 저렴하고, 대량생산에 적합하다.
  4. 정밀화학제품의 생산, 신제품 시험생산 등에 많이 이용된다.
(정답률: 알수없음)
  • "성분의 농도가 시간에 따라 변하는 비정상 상태의 조작이다."가 옳지 않은 설명입니다.

    회분식 반응기는 반응에 필요한 원료를 한꺼번에 투입하여 일정시간 반응시킨 후, 생성물을 한꺼번에 배출시키는 반응기입니다. 이 방식은 인건비가 저렴하고, 대량생산에 적합하다는 장점이 있습니다. 또한 정밀화학제품의 생산, 신제품 시험생산 등에 많이 이용됩니다.
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10. 장치 구입비를 추산할 때, 정확한 가격 자료가 없을 경우에는 용량지수와 비용지수를 사용한다. 2000년도에 20m2의 면적을 가진 열교환기를 300만원에 구입하였다. 2007년도에 60m2의 면적을 가진 열교환기의 가격을 바르게 추산한 것은? (단, 열교환기의 용량지수는 0.6이고, 2000년도에 비용지수는 460이며, 2007년도에 비용지수는 530으로 가정한다)

(정답률: 알수없음)
  • 비용지수는 시간이 지남에 따라 물가가 얼마나 상승했는지를 나타내는 지수이다. 따라서 2000년도와 2007년도의 비용지수를 비교하여 물가 상승률을 계산할 수 있다. 2000년도의 비용지수는 460이고, 2007년도의 비용지수는 530이므로, 2007년도에는 물가가 530/460 = 1.15배 상승했다고 볼 수 있다.

    용량지수는 장비의 크기나 용량에 따라 적용되는 지수이다. 열교환기의 용량지수가 0.6이므로, 면적이 3배로 증가했을 때 가격은 0.6^3 = 0.216배로 감소한다.

    따라서, 2000년도에 300만원에 구입한 20m^2의 열교환기와 용량지수와 비용지수를 고려하여 비례식을 세우면 다음과 같다.

    300만원 × (0.6)^3 × (1.15) = X × (60/20)^0.6 × (1.15)

    X = 300만원 × (0.6)^3 × (1.15) × (20/60)^0.6 ÷ (1.15) = 300만원 × 0.216 × 0.548 = 35.7만원

    따라서, 2007년도에 60m^2의 면적을 가진 열교환기의 가격은 35.7만원이다. 따라서 정답은 ""이다.
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11. 수분과 목재로 구성된 습윤 목재 10 kg에는 4 kg의 수분이 함유되어 있다. 20무게%의 수분이 유지되도록 하려면 이 목재에서 제거해야 하는 수분의 양[kg]은?

  1. 1.5
  2. 2.5
  3. 3.5
  4. 4.5
(정답률: 알수없음)
  • 습윤 목재 10 kg에서 20%의 수분을 유지하려면 목재의 총 무게 중 20%가 수분이어야 합니다. 따라서 목재의 총 무게는 10 kg + (10 kg × 20%) = 12 kg가 되어야 합니다. 이때, 수분의 비율은 4 kg ÷ 12 kg = 1/3이므로, 목재에서 제거해야 하는 수분의 양은 4 kg × (1 - 1/3) = 2.5 kg가 됩니다. 따라서 정답은 "2.5"입니다.
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12. 두 동심관 사이의 환상 유로에서의 상당지름은? (단, Do와 Di는 각각 환상 유로의 외경과 내경이다)

  1. Do-Di
  2. Do+Di
  3. Do-Di/4
  4. Do+Di/4
(정답률: 64%)
  • 두 동심관 사이의 환상 유로에서의 상당지름은 내경과 외경의 평균값이다. 즉, (Do+Di)/2 이다. 하지만 문제에서는 상당지름을 구하는 것이므로 내경과 외경의 차이인 Do-Di가 정답이다.
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13. 공기는 질소와 산소의 혼합물이며 O2 21몰%, N2 79몰%로 구성되어 있다. 이를 무게%로 환산하였을 때 공기 중 산소의 대략 무게%는?

  1. 11
  2. 15
  3. 19
  4. 23
(정답률: 84%)
  • 공기의 분자량은 질소 분자량과 산소 분자량의 평균값인 약 28.97 g/mol이다. 따라서 1 몰의 공기는 약 28.97 g이다.

    공기 중 산소의 몰 분율은 21/100이므로 1 몰의 공기 중 산소의 몰 수는 0.21 몰이다. 마찬가지로 질소의 몰 분율은 79/100이므로 1 몰의 공기 중 질소의 몰 수는 0.79 몰이다.

    따라서 1 몰의 공기는 다음과 같이 구성된다.

    - 산소: 0.21 몰
    - 질소: 0.79 몰

    공기의 질량은 산소와 질소의 질량의 합이므로 다음과 같이 계산할 수 있다.

    1 mol 공기의 질량 = (0.21 mol 산소의 질량) + (0.79 mol 질소의 질량)

    = (0.21 mol × 32 g/mol) + (0.79 mol × 28 g/mol)

    = 6.72 g + 22.12 g

    = 28.84 g

    따라서 100 g의 공기는 다음과 같이 구성된다.

    - 산소: (0.21 mol × 32 g/mol ÷ 28.84 g) × 100% ≈ 23%
    - 질소: (0.79 mol × 28 g/mol ÷ 28.84 g) × 100% ≈ 77%

    따라서 공기 중 산소의 대략적인 무게%는 23%이다.
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14. 수평관을 통해 뉴튼 유체가 층류로 흐를 때 Hagen－Poiseuille 흐름이 된다. 관의 반지름을 1/2로 줄이고, 수평관 두 끝에 작용하는 압력차를 2배로 한다면 부피유량(volumetric flow rate)은 어떻게 변하는가? (단, 관의 길이와 유체 점도는 변하지 않고 일정하다고 가정한다)

  1. 1/16배
  2. 1/8/배
  3. 1/4배
  4. 변하지 않는다
(정답률: 60%)
  • Hagen-Poiseuille 흐름에서 부피유량은 다음과 같이 표현된다.

    Q = (πr^4ΔP)/(8ηL)

    여기서 r은 반지름, ΔP는 압력차, η는 점도, L은 관의 길이이다.

    반지름을 1/2로 줄이면 r^4은 (1/2)^4 = 1/16이 된다. 압력차를 2배로 하면 ΔP는 2배가 된다.

    따라서 새로운 부피유량 Q'은 다음과 같다.

    Q' = (π(1/2r)^4(2ΔP))/(8ηL) = (πr^4ΔP/16)/(8ηL) = Q/8

    따라서 부피유량은 1/8배가 된다.
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15. 점토의 진밀도가 1.5 g/cm3이고, 겉보기밀도가 1.2 g/cm3일 때 공극률은?

  1. 0.2
  2. 0.4
  3. 0.6
  4. 0.8
(정답률: 알수없음)
  • 공극률은 (1 - 겉보기밀도/진밀도)로 계산됩니다. 따라서 (1 - 1.2/1.5) = 0.2 이므로 정답은 "0.2"입니다. 이는 점토가 전체 부피 중 20%가 공기로 채워져 있다는 것을 의미합니다.
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16. 흑체 복사에 대한 기본관계는 Stefan－Boltzmann법칙이다. 복사에너지, 복사면적, 절대온도와의 상호관계를 설명한 것 중 옳은 것은?

  1. 복사에너지는 복사면적에 비례하고 절대온도의 제곱에 비례한다.
  2. 복사에너지는 복사면적에 반비례하고 절대온도의 제곱에 비례한다.
  3. 복사에너지는 복사면적에 비례하고 절대온도의 네제곱에 비례한다.
  4. 복사에너지는 복사면적에 반비례하고 절대온도의 네제곱에 비례한다.
(정답률: 알수없음)
  • 복사에너지는 단위면적당 복사되는 에너지이므로, 복사면적에 비례한다. 또한, 복사되는 에너지는 절대온도가 높을수록 많아지므로, 절대온도의 제곱에 비례한다. 따라서, "복사에너지는 복사면적에 비례하고 절대온도의 제곱에 비례한다."가 옳은 설명이다.
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17. 점도, 운동점도, 밀도를 각각 μ, v, ρ라고 할 때, 이들의 관계식으로 옳은 것은?

  1. μ=ρv
  2. v=ρμ
  3. μ2=ρv
  4. v2=ρμ
(정답률: 알수없음)
  • 정답: "μ=ρv"

    이유:

    점도는 액체나 기체의 내부 저항을 나타내는 물리량으로, 액체나 기체의 점성에 영향을 받습니다. 운동점도는 액체나 기체의 내부 저항을 나타내는 물리량으로, 액체나 기체의 점성과 함께 운동에 영향을 받습니다. 밀도는 물체의 단위 부피당 질량을 나타내는 물리량으로, 물체의 질량과 부피에 영향을 받습니다.

    액체나 기체의 운동점도는 액체나 기체의 밀도와 점도에 의해 결정됩니다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같습니다.

    운동점도 = 점도 × 밀도

    또한, 운동점도는 액체나 기체의 저항력과 관련이 있으므로, 운동점도와 밀도, 속도, 면적, 저항계수 등의 물리량 사이에 다음과 같은 관계식이 성립합니다.

    운동점도 = 밀도 × 속도 × 면적 × 저항계수

    따라서, 점도와 운동점도, 밀도 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립합니다.

    운동점도 = 점도 × 밀도 = (점도 × 속도 × 면적 × 저항계수) / 속도 = 밀도 × 속도 × 면적 × 저항계수

    이를 정리하면 다음과 같은 관계식이 성립합니다.

    μ = ρv

    따라서, "μ=ρv"가 정답입니다.
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18. 밀도 50 kg/m3, 점도 0.1P인 유체가 내경 20 cm인 관내를 3m3sec의 유량으로 흐를 때, Reynolds수를 구하고 층류인지 난류인지를 구별하면? (단, π＝3으로 계산한다)

  1. 10,000, 난류
  2. 100,000, 난류
  3. 1,000, 층류
  4. 2,500, 층류도 난류도 아닌 전이영역
(정답률: 60%)
  • 유속 V는 유량과 단면적의 비로 구할 수 있다.

    V = Q/A = 3/0.22 = 75 m/s

    Reynolds수는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Re = (밀도 × 유속 × 내경) / 점도
    = (50 × 75 × 0.2) / 0.1
    = 75000

    Reynolds수가 4000 이상이면 난류, 2300 이하면 층류이다. 따라서 이 문제에서는 Reynolds수가 75000으로 매우 크므로 난류이다. 따라서 정답은 "100,000, 난류"이다.
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19. 연속증류탑으로 무게분율 0.4인 A와 0.6인 B의 원료 10,000 kg/hr를 처리하고자 한다. 탑정으로부터 무게분율 0.94인 A와 탑저로부터 무게분율 0.96인 B로 분리하고자 할 때, 탑정유출액(D)과 탑저 유출액(B)의 각각의 양은? (단, 단위는 kg/hr이다)

  1. D＝3,000, B＝7,000
  2. D＝4,000, B＝6,000
  3. D＝5,000, B＝5,000
  4. D＝6,000, B＝4,000
(정답률: 75%)
  • 연속증류탑에서는 상위부터 하위로 내려가면서 농도가 증가하고, 하위부터 상위로 올라가면서 농도가 감소한다. 따라서 무게분율 0.4인 원료를 처리하면 탑정에서는 무게분율이 0.94인 A와 무게분율이 0.06인 B가 분리된다. 이때, A의 양은 0.4 × 10,000 = 4,000 kg/hr이고, B의 양은 0.6 × 10,000 = 6,000 kg/hr이다.

    이어서 탑저에서는 무게분율이 0.96인 B와 무게분율이 0.04인 A가 분리된다. 이때, B의 양은 0.6 × 10,000 - 0.04 × 4,000 = 6,000 kg/hr이고, A의 양은 0.04 × 4,000 = 160 kg/hr이다. 따라서 탑정유출액(D)은 A의 양인 160 kg/hr이고, 탑저 유출액(B)은 B의 양인 6,000 kg/hr이다.

    따라서 정답은 "D＝4,000, B＝6,000"이다.
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20. 연속 증류탑에서 원료가 포화액체로 들어온다. 공급원료 1몰을 원료공급단에 넣었을 때, 그 중에서 탈거부로 내려가는 액체의 몰수는?

  1. 1
  2. 0과 1사이
  3. 1보다 크다
  4. 0보다 작다
(정답률: 80%)
  • 연속 증류탑에서는 원료가 포화액체로 들어오므로, 탈거부에서 나오는 액체도 포화액체일 것입니다. 따라서 공급원료 1몰을 넣었을 때, 탈거부에서 나오는 액체의 몰수는 공급원료의 몰수와 같은 1몰이 됩니다. 따라서 정답은 "1"입니다.
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