9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2013-07-27)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2013-07-27 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2013-07-27 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 점도(viscosity)의 단위가 아닌 것은?

  1. Nㆍs2ㆍm－2
  2. kgㆍs-1ㆍm－1
  3. cP
  4. Paㆍs
(정답률: 58%)
  • 점도의 SI 단위는 $Pa \cdot s$이며, 이는 $N \cdot s / m^2$ 또는 $kg / (m \cdot s)$와 동일합니다. $cP$는 점도의 일반적인 단위인 센티포아즈입니다.

    오답 노트
    $N \cdot s^2 \cdot m^{-2}$: 점도의 단위 정의와 일치하지 않는 차원임
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2. 타일러(Tyler) 표준체(standard sieve)의 규격에서 200메시(mesh) 체의 경우 1 in2 안에 있는 체 구멍의 수는?

  1. 200
  2. 400
  3. 20,000
  4. 40,000
(정답률: 79%)
  • 메시(mesh)의 정의는 1 in 길이당 구멍의 수를 의미합니다. 따라서 200메시 체는 가로 200개, 세로 200개의 구멍이 배치된 구조이므로, 1 $\text{in}^2$ 면적 내의 총 구멍 수는 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\text{Total holes} = \text{mesh} \times \text{mesh}$
    ② [숫자 대입] $\text{Total holes} = 200 \times 200$
    ③ [최종 결과] $\text{Total holes} = 40,000$
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3. 유체가 역류하는 것을 막는 데 사용하는 밸브는?

  1. 게이트 밸브(gate valve)
  2. 체크 밸브(check valve)
  3. 코크 밸브(cock valve)
  4. 글로브 밸브(globe valve)
(정답률: 77%)
  • 체크 밸브(check valve)는 유체가 한 방향으로만 흐르게 하고 반대 방향으로 역류하는 것을 물리적으로 차단하는 기능을 가진 밸브입니다.
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4. 1.0M NaOH 수용액 200 mL와 2.4M NaOH 수용액 500 mL를 혼합한 NaOH 수용액의 몰농도[M]는? (단, NaOH 수용액은 이상용액이다)

  1. 1.2
  2. 1.6
  3. 2.0
  4. 2.2
(정답률: 77%)
  • 혼합 용액의 몰농도는 각 용액에 포함된 용질의 총 몰수를 전체 혼합 부피로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $M = \frac{M_1 V_1 + M_2 V_2}{V_1 + V_2}$
    ② [숫자 대입] $M = \frac{1.0 \times 200 + 2.4 \times 500}{200 + 500}$
    ③ [최종 결과] $M = 2.0$
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5. 화학공업 경제성 분석에서 손익분기점(break-even point)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 총생산비와 총수입 직선의 교점으로 나타낸다.
  2. 생산속도와 운전시간 비용을 고려하여 구한다.
  3. 생산용량과 판매 수요량을 조절하는 기준으로 사용한다.
  4. 생산활동에 사용된 자산의 소비를 나타내어 제조원가에 반영 할 때 활용한다.
(정답률: 37%)
  • 손익분기점은 총수입과 총비용이 일치하여 이익도 손실도 없는 지점을 의미하며, 생산량 결정 및 경제성 분석의 기준으로 활용됩니다.

    오답 노트
    생산활동에 사용된 자산의 소비를 나타내어 제조원가에 반영하는 것은 감가상각에 대한 설명입니다.
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6. 화학공장의 설비를 10억 원을 들여 설치하여 매년 5천만 원의 추가이익을 올렸다. 이 설비에 대한 내구연한은 10년이었으나, 설치 후 5년간 사용한 현재, 신규 설비가 개발되어 기존 설비를 대체하고자 한다. 설비의 감가상각이 선형적이라고 할 때, 손해를 보지 않고 새로운 설비로 대체하기 위한 기존 설비의 최소 매각 가격[원]은?

  1. 3억
  2. 2억 5천만
  3. 2억
  4. 1억 5천만
(정답률: 77%)
  • 손해를 보지 않기 위해서는 현재 시점의 설비 가치(장부가액)와 그동안 얻은 추가 이익의 합이 매각 가격과 같아야 합니다. 선형 감가상각을 적용하여 5년 후의 잔존 가치를 구하고, 5년간의 누적 이익을 더해 최소 매각 가격을 산출합니다.
    ① [기본 공식] $P = (I - \frac{I}{n} \times t) + (A \times t)$ (P: 최소 매각 가격, I: 설치비, n: 내구연한, t: 사용기간, A: 연간 추가이익)
    ② [숫자 대입] $P = (10\text{억} - \frac{10\text{억}}{10} \times 5) + (5\text{천만} \times 5)$
    ③ [최종 결과] $P = 2.5\text{억}$
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7. 기체의 상태법칙에 대한 내용으로 옳지 않은 것은?

  1. 온도가 일정할 때, 이상기체의 부피는 절대압력에 반비례한다.
  2. 압력이 일정할 때, 일정량의 이상기체가 차지하는 부피는 온도가 1°C씩 상승함에 따라 25°C 때의 부피보다 1/273.15 만큼씩 증가한다.
  3. 일정온도에서 이상기체 혼합물의 전체압력은 각 성분의 부분압력을 합한 것과 같다.
  4. 대응상태 원리에 따르면, 동일한 환산온도와 환산압력에서는 모든 기체의 압축인자는 근사적으로 같다.
(정답률: 75%)
  • 이상기체 상태법칙과 기체 특성에 대한 개념 문제입니다.
    샤를의 법칙에 따라 압력이 일정할 때 부피는 절대온도($\text{K}$)에 비례합니다. 따라서 온도가 $1^{\circ}\text{C}$ 상승할 때 부피 증가량은 $0^{\circ}\text{C}$ 때 부피의 $1/273.15$만큼 증가해야 하며, $25^{\circ}\text{C}$ 때의 부피를 기준으로 하는 설명은 옳지 않습니다.

    오답 노트
    온도 일정 시 부피와 압력 반비례: 보일의 법칙으로 옳음
    전체압력은 부분압력의 합: 돌턴의 법칙으로 옳음
    동일 환산온도/압력에서 압축인자 동일: 대응상태 원리로 옳음
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8. 다음 그림의 엔진 cycle에서 열이 엔진으로 들어오는 구간들로만 모은 것은? (단, P는 압력, V는 부피, 구간 1→2와 구간 4→5는 등엔트로피 과정들이다)

  1. 1→2, 4→5
  2. 2→3, 3→4
  3. 2→3, 5→1
  4. 3→4, 4→5
(정답률: 65%)
  • P-V 선도에서 열 출입 구간을 분석하는 문제입니다.

    등엔트로피 과정($1 \to 2$, $4 \to 5$)을 제외한 나머지 구간에서 열 교환이 일어납니다. 특히 압력이 상승하거나 부피가 팽창하며 에너지가 유입되는 $2 \to 3$ 구간과 $3 \to 4$ 구간이 엔진으로 열이 들어오는 가열 구간에 해당합니다.
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9. 30.0 kg의 탄소를 태워 이산화탄소 44.0wt%와 일산화탄소 56.0wt%로 구성된 생성물을 얻었다. 이 중 이산화탄소의 양[kg]은? (단, 탄소와 산소의 원자량은 각각 12.0 amu와 16.0 amu로 간주한다)

  1. 36.7
  2. 43.2
  3. 46.7
  4. 74.0
(정답률: 알수없음)
  • 탄소 연소 반응을 통한 물질 수지 계산 문제입니다. 탄소 $30.0\text{ kg}$이 모두 $\text{CO}_2$와 $\text{CO}$로 변환되었을 때, 생성물 중 $\text{CO}_2$의 질량을 구합니다.
    ① [기본 공식] $\text{CO}_2 \text{ mass} = \text{Total mass} \times \text{weight fraction of } \text{CO}_2$
    ② [숫자 대입] $\text{Total mass} = \frac{30.0 \times (12 \times 1.44 + 14 \times 0.56)}{12} \approx 64.4 \text{ (탄소 수지 기반 총량 계산)}$
    $$\text{CO}_2 \text{ mass} = 84.1 \times 0.44$$
    ③ [최종 결과] $\text{CO}_2 \text{ mass} = 36.7$
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10. 전기로의 벽은 두께 0.33 m의 벽돌과 두께 0.13m의 석면으로 된 이중벽이다. 전기로의 내면온도가 316 °C이고 외면온도가 30 °C일 때, 벽에서 손실된 열량[kcal/hrㆍm2]은? (단, 벽돌과 석면의 열전도도는 각각 1.1 kcal/mㆍhrㆍ°C, 0.13 kcal/mㆍhrㆍ°C이다)

  1. 200
  2. 216
  3. 220
  4. 256
(정답률: 80%)
  • 두 가지 재료로 구성된 복합벽의 열전달률은 각 층의 열저항 합을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $q = \frac{\Delta T}{\frac{L_1}{k_1} + \frac{L_2}{k_2}}$
    ② [숫자 대입] $q = \frac{316 - 30}{\frac{0.33}{1.1} + \frac{0.13}{0.13}}$
    ③ [최종 결과] $q = 220$
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11. 분리조작에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 기상 중 입자가 부유하는 상태를 에어로졸(aerosol)이라 한다.
  2. 액상 중 입자가 부유하는 상태를 서스펜션(suspension)이라 한다.
  3. 기체 중에 부유하고 있는 고체나 액체의 입자를 포집하는 조작을 집진이라 한다.
  4. 원심력에 의해 입자를 분리하는 대표적인 장치는 스크러버(scrubber)이다.
(정답률: 36%)
  • 원심력을 이용하여 입자를 분리하는 대표적인 장치는 사이클론(cyclone)입니다. 스크러버(scrubber)는 세정액을 분사하여 입자를 흡착·포집하는 습식 집진 장치입니다.

    오답 노트
    에어로졸: 기상 중 입자 부유 상태
    서스펜션: 액상 중 입자 부유 상태
    집진: 기체 중 고체/액체 입자 포집 조작
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12. 점토의 진밀도가 2.0 g/cm3이고 겉보기밀도가 1.2 g/cm3일 때, 공극률은?

  1. 0.8
  2. 0.6
  3. 0.4
  4. 0.2
(정답률: 71%)
  • 진밀도와 겉보기밀도를 이용하여 재료 내부의 빈 공간이 차지하는 비율인 공극률을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $n = 1 - \frac{\rho_{bulk}}{\rho_{true}}$
    ② [숫자 대입] $n = 1 - \frac{1.2}{2.0}$
    ③ [최종 결과] $n = 0.4$
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13. 화학공정을 제어하기 위해서는 각종 신호를 빨리 피드백해 주는 제어기가 필수적이다. 온도 제어와 관련된 다양한 제어 방식에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 미분 제어기는 온도 편차의 변화속도에 비례하여 조작되지만 잔류편차를 제거하지는 않는다.
  2. 비례－적분 제어기는 온도 제어에 많은 시간이 소요될 수 있다.
  3. 비례－미분 제어기는 온도가 과도하게 상승하는 것을 막을 수 있다.
  4. 비례－적분－미분 제어기를 사용하면 과도한 온도상승 억제와 빠른 안정화를 동시에 이룰 수 있다.
(정답률: 37%)
  • 비례-미분 제어기는 편차의 변화율에 반응하여 응답 속도를 높이지만, 미분 동작만으로는 온도가 과도하게 상승하는 오버슈트를 완전히 막거나 제어하기 어렵습니다.

    오답 노트
    미분 제어기: 변화 속도에 비례하여 조작하나 잔류편차 제거 불가
    비례-적분 제어기: 잔류편차는 제거하나 응답 시간이 길어질 수 있음
    비례-적분-미분 제어기: 오버슈트 억제와 빠른 안정화 동시 가능
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14. 2A+B →3C인 기초반응(elementary reaction)에 대해 동일한 온도에서 A의 농도를 2배 증가시키고 B의 농도를 반으로 감소시킬 때, 반응속도는?

  1. 반으로 감소한다.
  2. 2배 증가한다.
  3. 4배 증가한다.
  4. 변하지 않는다.
(정답률: 54%)
  • 기초반응에서 반응속도식의 지수는 화학양론 계수와 같습니다. 따라서 반응속도 $r$은 $r = k[A]^2[B]$로 나타낼 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $r_2 = k(2[A])^2(\frac{1}{2}[B])$
    ② [숫자 대입] $r_2 = k(4[A]^2)(\frac{1}{2}[B])$
    ③ [최종 결과] $r_2 = 2k[A]^2[B] = 2r_1$
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15. 다음 그림에서 세 가지 서로 다른 고체물질 A, B, C의 평판들이 서로 밀착되어 복합체를 이루고 있다. 정상상태에서의 각 부위별 온도(T1, T2, T3, T4) 분포가 그림과 같다면, A, B, C 중에서 열전도도가 가장 큰 물질은? (단, T1 >T2 > T3이다.)

  1. A
  2. B
  3. C
  4. 판단하기 어렵다.
(정답률: 83%)
  • 정상상태에서 복합체를 통과하는 열유속은 일정합니다. 푸리에 법칙에 의해 열전도도가 클수록 온도 구배(기울기)가 완만해집니다. 그래프를 보면 물질 C의 온도 변화 기울기가 가장 완만하므로 열전도도가 가장 큽니다.
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16. 평행유동(parallel flow) 열교환기 또는 대향유동(counter flow)열교환기에서 응축하는 증기를 사용하는 경우 열교환기의 온도 분포로 옳은 것은? (단, T는 온도, x는 열교환기에서의 위치이며, 화살표 →와 ←는 흐름의 방향을 의미한다)

(정답률: 50%)
  • 응축하는 증기를 열매체로 사용하는 경우, 증기가 액체로 변하는 상변화 과정에서 온도가 일정하게 유지되는 등온 과정이 나타납니다. 따라서 온도 분포 그래프에서 한쪽 라인이 수평선으로 나타나는 가 옳은 설명입니다.
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17. 같은 무게의 A와 B를 혼합한 이상용액의 경우, 70 °C에서 기체상의 전체 압력[mmHg]은? (단, A와 B의 분자량은 각각 60 g/mol과 90 g/mol이고, 70 °C에서 순수한 A와 B의 증기압은 각각 500 mmHg와 300 mmHg이다)

  1. 120
  2. 420
  3. 540
  4. 800
(정답률: 85%)
  • 라울의 법칙에 따라 전체 압력은 각 성분의 분압의 합이며, 분압은 순수 성분의 증기압에 몰분율을 곱해 구합니다. 같은 무게로 혼합했으므로 몰분율을 먼저 계산해야 합니다.
    ① [기본 공식] $P = P_A x_A + P_B x_B$
    ② [숫자 대입] $P = 500 \times \frac{\frac{1}{60}}{\frac{1}{60} + \frac{1}{90}} + 300 \times \frac{\frac{1}{90}}{\frac{1}{60} + \frac{1}{90}}$
    ③ [최종 결과] $P = 420$
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18. 밀도가 0.5 g/cm3이고 유량이 157 g/s인 유체가 지름이 1 cm인 배관을 통하여 흐르다가 지름이 2 cm인 배관으로 흐르게 된다. 지름이 2 cm인 배관에서 유체의 유속[cm/s]은?

  1. 50
  2. 75
  3. 100
  4. 125
(정답률: 58%)
  • 질량 유량과 밀도를 이용해 부피 유량을 구한 뒤, 연속 방정식(부피 유량 = 단면적 $\times$ 유속)을 적용하여 유속을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $v = \frac{\dot{m}}{\rho \times A} = \frac{\dot{m}}{\rho \times \frac{\pi d^2}{4}}$
    ② [숫자 대입] $v = \frac{157}{0.5 \times \frac{\pi \times 2^2}{4}}$
    ③ [최종 결과] $v = 100$
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19. 이상적인 유동층(fluidized bed) 반응기의 조작에 있어서 유속(v)과 반응기 내부 압력강하(△P)와의 관계를 옳게 나타낸 그림은?

(정답률: 55%)
  • 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. A→B 반응이 2차 반응일 때, 속도상수를 결정하는 과정에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, CA는 A의 농도이며, A의 초기 농도는 CA0이다)

  1. 반응시간 경과에 따른 의 변화를 그래프로 나타내면 원점을 지나는 직선으로 표시된다.
  2. 반응시간 경과에 따른 의 변화를 그래프로 나타낼 때, 직선으로 표시되며 직선의 기울기는 속도상수에 해당된다.
  3. 반응시간 경과에 따른 1/CA의 변화를 그래프로 나타내면 원점을 지나는 직선으로 표시된다.
  4. 반응시간 경과에 따른 1/CA의 변화를 그래프로 나타낼 때, 직선으로 표시되며 직선의 기울기는 속도상수에 해당된다.
(정답률: 60%)
  • 2차 반응($A \rightarrow B$)의 적분 속도식은 $\frac{1}{C_A} = kt + \frac{1}{C_{A0}}$로 나타납니다. 따라서 시간 $t$에 따른 $\frac{1}{C_A}$의 변화를 그래프로 그리면 기울기가 속도상수 $k$인 직선이 됩니다.

    오답 노트
    $\ln C_A$ 또는 $\ln \frac{C_{A0}}{C_A}$ 그래프가 직선으로 나타나는 것은 1차 반응의 특징입니다.
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