9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2012-04-07)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2012-04-07 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2012-04-07 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 선택적 용해성을 이용하여 비등점 차이(휘발도 차이)가 작은 혼합물을 분리하는 방법은?

  1. 훌래쉬(flash) 증류
  2. 증발
  3. 추출
  4. 재결정
(정답률: 82%)
  • 추출은 혼합물 중 특정 성분만을 선택적으로 용해시키는 용매를 사용하여, 비등점 차이가 작아 증류로 분리하기 어려운 성분을 분리하는 방법입니다.
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2. 침강 분리에서 사용되는 원심침강 장치가 아닌 것은?

  1. 사이클론(cyclone)
  2. 공기분리기(air-separator)
  3. 에지러너(edge-runner)
  4. 원심분리기(centrifuge)
(정답률: 65%)
  • 원심침강 장치는 원심력을 이용하여 입자를 분리하는 장치입니다. 에지러너(edge-runner)는 원심 분리가 아니라 무거운 롤러로 재료를 으깨는 분쇄 장치입니다.
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3. 질량 조성(wt%)으로 O2 16%, CO 56%, N2 28%인 혼합 가스 중 N2의 몰분율은?

  1. 1/7
  2. 2/7
  3. 3/7
  4. 4/7
(정답률: 94%)
  • 각 성분의 질량을 분자량으로 나누어 몰수를 구한 뒤, 전체 몰수 대비 특정 성분의 몰수 비율을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $X_{N2} = \frac{\frac{m_{N2}}{M_{N2}}}{\frac{m_{O2}}{M_{O2}} + \frac{m_{CO}}{M_{CO}} + \frac{m_{N2}}{M_{N2}}}$
    ② [숫자 대입] $X_{N2} = \frac{\frac{28}{28}}{\frac{16}{32} + \frac{56}{28} + \frac{28}{28}}$
    ③ [최종 결과] $X_{N2} = \frac{1}{0.5 + 2 + 1} = \frac{1}{3.5} = \frac{2}{7}$
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4. 고－액 추출 공정에서 추제비(solvent ratio)가 5이고, 분리된 추제의 양이 50 kg/h일 때, 남은 추제[kg/h]는?

  1. 5
  2. 10
  3. 125
  4. 250
(정답률: 85%)
  • 추제비(Solvent Ratio)는 투입된 총 추제량과 남은 추제량의 비율을 의미합니다.
    ① [기본 공식] $S_{total} = S_{ratio} \times S_{remain}$
    ② [숫자 대
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5. 병류(parallel flow)와 향류(countercurrent flow) 열교환기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 병류는 고온유체와 냉각유체의 흐름 방향이 같다.
  2. 병류에서는 냉각유체의 출구 온도가 고온유체의 출구 온도보다 높을 수 없다.
  3. 고온유체의 급냉에는 향류보다 병류 사용이 유리하다.
  4. 향류의 경우 고온유체의 출구온도가 냉각유체의 출구 온도보다 항상 높다.
(정답률: 79%)
  • 향류 열교환기는 고온 유체와 저온 유체가 서로 반대 방향으로 흐르기 때문에, 고온 유체의 출구 온도가 냉각 유체의 출구 온도보다 낮아지는 '온도 교차' 현상이 가능합니다. 따라서 고온 유체의 출구 온도가 항상 더 높다는 설명은 옳지 않습니다.
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6. 전도나 대류와 달리 에너지가 전자파의 형태로 어떤 매체의 존재없이 전달되는 현상인 복사에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 주어진 온도에서 어떤 물질의 열복사 속도는 응집상태 및 분자구조에 따라 변한다.
  2. 이산화탄소를 포함한 다원자(polyatomic) 기체는 여러 파장에서 복사를 방사하고 흡수한다.
  3. 흑체는 파장과 방향에 관계없이 입사하는 모든 복사를 흡수한다.
  4. 고체와 액체의 경우 두께와 상관없이 전 스펙트럼 범위에 걸쳐 복사를 흡수하고 방사한다.
(정답률: 82%)
  • 고체와 액체는 물질의 특성과 두께에 따라 복사 에너지를 흡수하거나 투과시키는 정도가 다릅니다. 특히 투명하거나 반투명한 물질의 경우 두께가 얇으면 복사 에너지가 그대로 투과될 수 있으므로, 두께와 상관없이 전 스펙트럼을 흡수/방사한다는 설명은 틀린 것입니다.
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7. 유속 8 cm/sec인 물이 상온에서 내경 2 cm인 관 속으로 흘러갈 때, Fanning마찰계수는? (단, 물의 점도는 1.0 cP, 밀도는 1.0 g/cm3이다)

  1. 0.001
  2. 0.01
  3. 0.1
  4. 1.0
(정답률: 94%)
  • 먼저 레이놀즈 수($Re$)를 계산하여 흐름 상태를 파악한 후, 층류일 때의 Fanning 마찰계수 공식을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $f = \frac{16}{Re} = \frac{16}{\frac{\rho v D}{\mu}}$
    ② [숫자 대입] $f = \frac{16}{\frac{1.0 \times 8 \times 2}{0.01}}$
    ③ [최종 결과] $f = 0.01$
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8. 다음 중 4mm 이하의 입도 원료를 2∼50 μm 정도의 분쇄 생성물로 만들 때, 가장 적절한 분쇄기는?

  1. 유체－에너지밀(fluid-energy mill)
  2. 마멸밀(attrition mill)
  3. 롤러밀(roller mill)
  4. 텀블링밀(tumbling mill)
(정답률: 82%)
  • 유체-에너지밀(fluid-energy mill)은 고압의 공기나 가스를 이용하여 입자 간의 충돌과 마찰을 유도하는 분쇄기로, $2 \sim 50 \mu m$ 정도의 매우 미세한 분말을 얻는 초미분쇄에 가장 적합한 장치입니다.
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9. θ는 지연 시간(dead time), τ는 시간 상수(time constant)라 할 때, PID 제어기가 PI 제어기보다 충분한 이점을 줄 수 있는 조건은?

  1. 0 < θ/τ < 0.1
  2. 0.1 < θ/τ < 0.3
  3. 0.3 < θ/τ < 0.5
  4. 1.0 < θ/τ
(정답률: 57%)
  • 제어 시스템에서 지연 시간 $\theta$와 시간 상수 $\tau$의 비율인 $\theta/\tau$ 값에 따라 적절한 제어기가 결정됩니다. 일반적으로 $\theta/\tau$ 값이 클수록 시스템의 지연 특성이 강해지며, 이 경우 미분 동작을 통해 예측 제어를 수행하는 PID 제어기가 PI 제어기보다 응답 속도와 안정성 면에서 훨씬 유리합니다. 따라서 $1.0 < \theta/\tau$ 조건일 때 PID 제어기의 이점이 충분히 나타납니다.
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10. 상온에서 내경이 10 cm인 직관을 사용하여 2 cm/sec의 속도로 물을 운반할 때, 입구로부터 최종속도 분포가 완성되는데 필요한 최소 전이길이(cm)는? (단, 물의 점도는 1.0 cP, 밀도는 1.0 g/cm3이다)

  1. 100
  2. 400
  3. 600
  4. 1,000
(정답률: 75%)
  • 전이길이는 레이놀즈 수($Re$)에 따라 결정되며, 층류 유동($Re < 2100$)일 때 전이길이 공식 $L = 0.05 Re D$를 사용합니다.
    ① [기본 공식] $L = 0.05 \times \frac{\rho v D}{\mu} \times D$
    ② [숫자 대입] $L = 0.05 \times \frac{1.0 \times 2 \times 10}{0.01} \times 10$
    ③ [최종 결과] $L = 1000$
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11. 길이의 단위인 나노미터(nm)와 옹스트롱(Å)과의 관계로 옳은 것은?

  1. 1 nm＝0.01Å
  2. 1 nm＝0.1Å
  3. 1 nm＝10Å
  4. 1 nm＝100Å
(정답률: 78%)
  • 길이 단위의 정의에 따라 $1\text{ nm} = 10^{-9}\text{ m}$이고, $1\text{ \AA} = 10^{-10}\text{ m}$ 입니다. 따라서 $1\text{ nm}$는 $1\text{ \AA}$의 10배에 해당합니다.
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12. 베르누이(Bernoulli)식(=상수)을 적용하기 위한 가정으로 옳지 않은 것은? (단, p는 압력, ρ는 밀도, v는 유속, g는 중력가속도, z는 높이이다)

  1. 비정상상태(unsteady state) 유동
  2. 비압축성(incompressible) 유동
  3. 무마찰(frictionless) 유동
  4. 유선(streamline)을 따르는 유동
(정답률: 94%)
  • 베르누이 방정식은 유체의 에너지 보존 법칙을 나타내며, 이를 적용하기 위해서는 유동이 정상상태(steady state), 비압축성, 무마찰, 그리고 유선을 따라 흐른다는 가정이 필요합니다.

    오답 노트
    비정상상태 유동: 베르누이 식은 시간에 따라 유동 특성이 변하지 않는 정상상태 유동에서만 성립합니다.
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13. 액체 수송용 정변위 펌프에서 왕복 펌프가 아닌 것은?

  1. 플런저 펌프(plunger pump)
  2. 피스톤 펌프(piston pump)
  3. 로브 펌프(lobe pump)
  4. 격막 펌프(diaphragm pump)
(정답률: 74%)
  • 정변위 펌프 중 플런저, 피스톤, 격막 펌프는 실린더 내의 왕복 운동을 통해 유체를 이송하는 왕복 펌프에 해당하지만, 로브 펌프는 회전하는 로브 사이의 공간을 통해 유체를 이송하는 회전 펌프입니다.
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14. 300°C, 30N/cm2 상태인 수증기를 등엔탈피 변화시켜 압력이 15N/cm2로 되었다면, 온도(°C)는? (단, 측정 압력 범위에서 Joule-Thomson 계수는 10으로 가정한다)

  1. 100
  2. 150
  3. 200
  4. 250
(정답률: 79%)
  • 등엔탈피 변화 시 압력 변화에 따른 온도 변화는 Joule-Thomson 계수($\mu_{JT}$)를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta T = \mu_{JT} \times \Delta P$
    ② [숫자 대입] $\Delta T = 10 \times (15 - 30)$
    ③ [최종 결과] $T = 300 - 150 = 150$
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15. 밀도가 2.0 g/cm3인 유리구를 물 속에 중력침강시켰을 경우 종말 침강속도가 0.49 cm/sec이었다. Stokes법칙이 적용될 때, 이 유리구의 지름(cm)은? (단, 물의 점도는 1.0 cP, 밀도는 1.0 g/cm3이다)

  1. 0.03/√10
  2. 0.05/√10
  3. 0.07/√10
  4. 0.11/√10
(정답률: 70%)
  • Stokes 법칙을 이용하여 구형 입자의 종말 침강속도로부터 입자의 지름을 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $d = \sqrt{\frac{18 \mu v}{(\rho_p - \rho_f)g}}$
    ② [숫자 대입] $d = \sqrt{\frac{18 \times 0.01 \times 0.49}{(2.0 - 1.0) \times 980}}$
    ③ [최종 결과] $d = 0.03 / \sqrt{10}$
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16. 이상기체의 열전도도(thermal conductivity)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 기체 밀도(density)에 비례한다.
  2. 평균 분자 속도(average molecular velocity)와 비례한다.
  3. 평균 자유 경로(mean free path)에 반비례한다.
  4. 분자 열용량(molar heat capacity)에 비례한다.
(정답률: 65%)
  • 기체의 열전도도는 분자의 평균 속도, 분자 열용량, 그리고 평균 자유 경로에 모두 비례하는 특성을 가집니다. 따라서 평균 자유 경로에 반비례한다는 설명은 틀린 것입니다.
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17. 물질전달에서 분자 확산에 대한 무차원 수인 Schmidt수(Sc)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. Sc는 운동학점도 대 분자확산도의 비이다.
  2. 액체에 대한 Sc는 전형적인 혼합물일 경우, 약 102에서 105범위에 있다.
  3. 이상기체의 경우 Sc는 압력에 무관하다.
  4. Sc에 대한 온도의 영향성은 기체가 액체보다 상대적으로 크다.
(정답률: 77%)
  • Schmidt 수($Sc$)는 운동학적 점도($\nu$)와 분자확산도($D_{AB}$)의 비로 정의되며, 기체보다 액체에서 온도 변화에 따른 점도와 확산도의 변화 폭이 훨씬 크기 때문에 온도의 영향성은 액체가 기체보다 상대적으로 더 큽니다.
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18. 100 °C에서 밀폐된 용기에 벤젠 7.8g, 톨루엔 18.4g, 자일렌 54.0g의 액체 혼합용액이 증기상과 평형상태에 있다. Raoult의 법칙을 따를 때, 기상에서 세 가지 화합물의 분압크기를 비교한 것으로 옳은 것은? (단, 100°C에서 순성분 증기압은 벤젠 1,340mmHg, 톨루엔 560mmHg, 자일렌 210mmHg이고, 분자량은 벤젠 78, 톨루엔 92, 자일렌 108이다)

  1. 벤젠 ＞ 톨루엔 > 자일렌
  2. 톨루엔 > 벤젠 > 자일렌
  3. 벤젠 > 자일렌 > 톨루엔
  4. 자일렌 > 톨루엔 > 벤젠
(정답률: 80%)
  • 라울의 법칙에 따라 각 성분의 분압은 액상 몰분율과 순성분 증기압의 곱으로 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $P_{i} = X_{i} \times P_{i}^{sat}$
    ② [숫자 대입]
    벤젠: $\frac{7.8}{78} \times 1340 = 1 \times 1340 = 1340$
    톨루엔: $\frac{18.4}{92} \times 560 = 0.2 \times 560 = 112$
    자일렌: $\frac{54.0}{108} \times 210 = 0.5 \times 210 = 105$
    ③ [최종 결과] $1340 > 112 > 105$이므로 벤젠 ＞ 톨루엔 ＞ 자일렌 순입니다.
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19. 증습(humidification) 조작에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 노점(dew point)은 증기－기체 혼합물이 포화되기까지 냉각되어야 하는 온도이다.
  2. 습도도표(humidity chart)는 전압(total pressure)에 관계없이 어떠한 계에 대해서도 만들 수 있다.
  3. Lewis 관계식이 성립한다면 습도선(psychrometric line)은 단열 포화선으로 사용 가능하다.
  4. 모든 습도에서 %습도(percentage humidity)는 상대 습도(relative humidity)보다 크다.
(정답률: 67%)
  • 상대 습도는 현재 온도에서의 포화 수증기량 대비 실제 수증기량이며, %습도는 현재 수증기량이 포화 수증기량의 몇 %인지를 나타냅니다. 두 값은 정의상 동일한 개념을 다르게 표현한 것이므로 하나가 항상 다른 하나보다 크다고 할 수 없습니다.
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20. 원가회계에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 재료비 등 생산량의 변화에 따라서 증감하는 원가를 변동비라고 한다.
  2. 공장장 급여와 같이 생산량 변화에 관계없이 발생하는 비용을 고정비라고 한다.
  3. 측정경비란 전력비, 수도광열비 등 측정계기에 의하여 산정되어 소비하는 금액을 말한다.
  4. 발생경비는 여비, 수선비, 운임비 등을 위해 지급하거나 청구되는 경비를 말한다.
(정답률: 67%)
  • 원가회계에서 발생경비는 특정 부문이나 제품에 직접적으로 귀속시킬 수 없는 공통 경비를 의미하며, 여비나 수선비 등은 일반적으로 일반관리비나 제조간접비의 세부 항목으로 분류됩니다.
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