9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2016-04-09)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2016-04-09 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2016-04-09 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 같은 질량의 물과 에탄올을 혼합한 용액에서 에탄올의 몰분율은? (단, 물과 에탄올의 분자량은 각각 18과 46이다)

  1. 0.18
  2. 0.28
  3. 0.36
  4. 0.72
(정답률: 74%)
  • 몰분율은 전체 몰수 대비 특정 성분의 몰수 비율로 계산합니다. 질량을 $100\text{g}$으로 가정하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $X_{ethanol} = \frac{n_{ethanol}}{n_{water} + n_{ethanol}}$
    ② [숫자 대입] $X_{ethanol} = \frac{\frac{100}{46}}{\frac{100}{18} + \frac{100}{46}}$
    ③ [최종 결과] $X_{ethanol} = 0.28$
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2. 이상기체 거동을 보이는 단원자 기체의 비열비(γ)는? (단, γ＝ CP/CV로 CP는 정압비열, CV는 정적비열을 나타내며, , R은 기체상수이다)

  1. 1.33
  2. 1.40
  3. 1.67
  4. 2.12
(정답률: 82%)
  • 이상기체의 비열비 $\gamma$는 정압비열 $C_P$와 정적비열 $C_V$의 비율로 정의됩니다. 단원자 기체의 경우 $C_V = \frac{3}{2}R$이며, 마이어의 관계식 $C_P = C_V + R$에 의해 $C_P = \frac{5}{2}R$이 됩니다.
    ① [기본 공식] $\gamma = \frac{C_P}{C_V}$
    ② [숫자 대입] $\gamma = \frac{\frac{5}{2}R}{\frac{3}{2}R}$
    ③ [최종 결과] $\gamma = 1.67$
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3. 점도(viscosity)의 단위는?

  1. g/cm∙sec
  2. dyne/cm2∙sec
  3. g∙cm2/sec
  4. dyne∙sec/cm
(정답률: 83%)
  • 점도는 유체의 흐름에 대한 저항을 나타내며, CGS 단위계에서 Poise(P)로 정의됩니다. $1\text{ P} = 1\text{ g}/(\text{cm} \cdot \text{sec})$ 입니다.
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4. 어떤 순물질 100g을 －30°C의 고체 상태에서 액체 상태를 거쳐 150°C의 기체 상태로 변환하는 데 필요한 열량을 계산할 때, 필요한 자료가 아닌 것은?

  1. 기체상수
  2. 용융잠열
  3. 증발잠열
  4. 비열
(정답률: 86%)
  • 고체에서 기체로 상태가 변하는 과정에는 각 상태에서의 온도 상승을 위한 비열과 상태 변화 시 필요한 잠열(용융잠열, 증발잠열)이 필요합니다.

    오답 노트
    기체상수는 이상기체 상태 방정식 등에서 사용되며, 단순 상태 변화 열량 계산에는 필요하지 않습니다.
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5. 주위의 온도가 30°C이고 온도수준이 0°C인 냉동에 대하여 Carnot 냉동기의 성능계수(coefficient of performance)는?

  1. 0
  2. 0.48
  3. 9.10
  4. 11.13
(정답률: 67%)
  • Carnot 냉동기의 성능계수(COP)는 저온부에서 흡수한 열량을 냉동기에 가해준 일로 나눈 값이며, 절대온도(K)를 사용해야 합니다.
    ① [기본 공식] $COP = \frac{T_L}{T_H - T_L}$
    ② [숫자 대입] $COP = \frac{273}{303 - 273}$
    ③ [최종 결과] $COP = 9.10$
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6. 탄소, 수소, 산소만으로 구성된 유기화합물의 연소 생성물이 CO2(g)와 H2O(l)일 때, n－부탄(C4H10) 가스의 표준생성열(kJ/mol)은? (단, CO2(g), H2O(l)의 표준생성열은 각각 －393 및 －285 kJ/mol 이며, n－부탄(C4H10) 가스의 연소열은 －2,877 kJ/mol이다)

  1. －80
  2. －100
  3. －120
  4. －140
(정답률: 60%)
  • 헤스의 법칙에 따라 연소열은 생성물의 생성열 합에서 반응물의 생성열 합을 뺀 값과 같습니다. n-부탄의 표준생성열을 구하기 위해 연소 반응식을 기준으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta H_{comb} = \sum \Delta H_{f, products} - \sum \Delta H_{f, reactants}$
    ② [숫자 대입] $-2877 = (4 \times (-393) + 5 \times (-285)) - \Delta H_{f, butane}$
    ③ [최종 결과] $\Delta H_{f, butane} = -120$
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7. 기체 흡수에 적용되는 헨리의 법칙에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 기체의 압력과 액체에 대한 용해도와의 관계를 나타낸 식
  2. 기체의 온도와 액체의 비열과의 관계를 나타낸 식
  3. 기체의 온도와 기체의 증기압과의 관계를 나타낸 식
  4. 기체의 온도와 액체에 대한 확산속도와의 관계를 나타낸 식
(정답률: 69%)
  • 헨리의 법칙은 일정한 온도에서 기체가 액체에 용해되는 양(용해도)이 그 기체의 부분 압력에 비례한다는 법칙입니다.

    오답 노트
    비열, 증기압, 확산속도는 헨리의 법칙에서 다루는 핵심 변수가 아닙니다.
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8. 몰조성이 벤젠(A) 70%, 톨루엔(B) 30%인 80.1°C의 혼합용액과 평형을 이루는 벤젠과 톨루엔의 증기조성(yA, yB)은? (단, 기상은 이상기체, 액상은 이상용액의 거동을 보이며, 80.1°C에서 순수 벤젠 및 순수 톨루엔의 증기압은 각각 1.01, 0.39 bar이다)

  1. yA＝0.73, yB＝0.27
  2. yA＝0.78, yB＝0.22
  3. yA＝0.86, yB＝0.14
  4. yA＝0.93, yB＝0.07
(정답률: 64%)
  • 라울의 법칙을 적용하여 각 성분의 부분압을 구한 뒤, 전체 압력에 대한 비율로 증기 조성을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $y_{A} = \frac{x_{A} P_{A}^{sat}}{x_{A} P_{A}^{sat} + x_{B} P_{B}^{sat}}$
    ② [숫자 대입] $y_{A} = \frac{0.7 \times 1.01}{0.7 \times 1.01 + 0.3 \times 0.39}$
    ③ [최종 결과] $y_{A} = 0.86, y_{B} = 0.14$
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9. 분쇄 조작에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 제트밀은 3～4개의 롤러를 원판 위에 눌러대서 자전시키는 동시에 전체를 공전시켜 압축, 마찰, 전단 작용에 의해 분쇄한다.
  2. 자이러토리 크러셔(gyratory crusher)는 조 크러셔(jaw crusher)보다 연속 작업이 가능하고 분쇄 재료를 고정한 자켓의 콘케이브와 편심 회전 운동을 하는 자켓의 맨틀 사이에 삽입하여 압축 분쇄한다.
  3. 볼밀은 볼을 분쇄 매체로 하는 회전 원통 분쇄기로 건식, 습식 공용으로 사용되며 조작, 조업에 유연성을 갖는다.
  4. 습식 분쇄는 물이나 액체를 이용하여 분쇄하는 방식이다.
(정답률: 55%)
  • 제트밀은 고압의 공기나 가스를 이용하여 입자 간의 충돌과 마찰로 분쇄하는 장치입니다. 롤러를 이용해 자전과 공전을 시키며 압축, 마찰, 전단 작용을 일으키는 설명은 롤러 밀(Roller Mill)에 대한 설명이므로 옳지 않습니다.
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10. 물질의 상태에 따른 열전도도에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 열전도도의 크기는 기체>액체>고체 순서이다.
  2. 액체의 열전도도는 온도 상승에 의하여 증가한다.
  3. 기체의 열전도도는 온도 상승에 의하여 감소한다.
  4. 고체상의 순수 금속은 전기전도도가 증가할수록 열전도도는 높아진다.
(정답률: 70%)
  • 금속 고체에서는 자유 전자가 열전달의 주요 매개체 역할을 하므로, 전기전도도가 높을수록 열전도도 또한 비례하여 높아지는 특성을 가집니다.

    오답 노트
    열전도도 크기: 고체 > 액체 > 기체 순입니다.
    액체: 온도 상승 시 분자 간 거리 증가로 열전도도가 감소합니다.
    기체: 온도 상승 시 분자 운동 속도 증가로 열전도도가 증가합니다.
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11. 실제기체 상태를 나타내는 식으로 다음과 같은 반데르발스식이 널리 사용된다. 이때, a/V2m와 b는 이상기체상태식 PVm=RT로부터 무엇을 보정해 주는 인자인가? (단, Vm은 몰부피이다) (순서대로 a/V2m, b)

  1. 분자 간 인력, 분자 간 척력
  2. 분자 간 척력, 분자 간 인력
  3. 분자 간 인력, 분자 간 인력
  4. 분자 간 척력, 분자 간 척력
(정답률: 75%)
  • 반데르발스 상태 방정식 $(P + \frac{a}{V_m^2})(V_m - b) = RT$에서 각 보정 인자의 의미는 다음과 같습니다.
    분자 간 인력으로 인해 실제 압력이 이상기체보다 낮아지는 것을 보정하는 항이 $\frac{a}{V_m^2}$이며, 분자가 차지하는 실제 부피(분자 간 척력)로 인해 가용 부피가 줄어드는 것을 보정하는 항이 $b$ 입니다.
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12. 기체 흡수 공정에 사용되는 흡수액의 필요 성질이 아닌 것은?

  1. 원하는 기체에 대한 선택적 흡수능
  2. 용이한 흡수와 탈리
  3. 가격의 경제성
  4. 높은 증기압
(정답률: 79%)
  • 흡수액의 증기압이 높으면 흡수탑 내에서 흡수액 자체가 증발하여 기상으로 섞여 들어가므로, 공정 효율을 위해 증기압은 낮아야 합니다.
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13. 안지름이 5 cm인 원형관을 통하여 비중 0.8, 점도 50 cP(centipoise)의 기름이 2 m/s로 이동할 때, 레이놀즈(Reynolds) 수에 기초하여 계산된 흐름의 영역은?

  1. 플러그 흐름(plug flow) 영역
  2. 층류(laminar flow) 영역
  3. 전이(transition) 영역
  4. 난류(turbulent flow) 영역
(정답률: 84%)
  • 관내 흐름의 레이놀즈 수를 계산하여 층류, 전이, 난류 영역을 판별합니다. (단, $1\text{ cP} = 0.001\text{ Pa}\cdot\text{s}$, $\rho = 0.8 \times 1000\text{ kg/m}^{3}$)
    ① [기본 공식]
    $$\text{Re} = \frac{\rho v D}{\mu}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{Re} = \frac{800 \times 2 \times 0.05}{0.05}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{Re} = 1600$$
    계산된 $\text{Re}$ 값이 2100보다 작으므로 층류(laminar flow) 영역에 해당합니다.
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14. 화학공정에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 물의 삼중점에서 자유도 값은 0이다.
  2. 상태함수는 계의 주어진 상태에 의해서 결정되며, 그 상태에 도달하기까지의 과정에 따라 값이 달라진다.
  3. 물의 점도는 온도가 증가하면 감소한다.
  4. 임의 크기의 균질계에 대한 전체 부피는 크기성질(extensive property)이다.
(정답률: 53%)
  • 상태함수는 계의 현재 상태에 의해서만 결정되며, 그 상태에 도달하기까지의 경로(과정)와는 무관한 성질을 가집니다.

    오답 노트
    물의 삼중점: 온도, 압력이 고정된 상태이므로 자유도는 0이 맞음
    물의 점도: 액체는 온도 상승 시 분자 간 인력이 약해져 점도가 감소함
    전체 부피: 물질의 양에 비례하는 크기성질(extensive property)이 맞음
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15. 냉매 및 냉동 장치에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 냉매의 증발잠열은 작아야 한다.
  2. 증발기 온도에서 냉매의 증기압은 대기압보다 높아야 한다.
  3. 응축기는 압축기에 의하여 고온, 고압으로 된 냉매를 증발시키는 장치이다.
  4. 응축기 온도에서 증기압은 높을수록 좋다.
(정답률: 40%)
  • 냉매가 증발기에서 원활하게 증발하여 열을 흡수하기 위해서는 증발기 온도에서의 증기압이 외부 압력(대기압)보다 높아야 합니다.

    오답 노트
    냉매의 증발잠열: 클수록 적은 양의 냉매로 많은 열을 제거할 수 있어 효율적임
    응축기: 고온 고압의 기체 냉매를 냉각시켜 액화시키는 장치임
    응축기 증기압: 너무 높으면 응축 온도가 상승하여 냉각 효율이 떨어짐
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16. 다음 중 임펠러를 이용한 교반에 사용되는 레이놀즈(Reynolds) 수는? (단, μ : 점도, D : 임펠러의 지름, n : 회전수 (rpm), ρ :유체의 밀도이다)

  1. ρ∙n∙D2/μ
  2. ρ∙n∙D/μ2
  3. ρ2∙n2∙D/μ
  4. ρ2∙n2∙D2/μ
(정답률: 87%)
  • 교반기 내 유체의 흐름 특성을 결정하는 레이놀즈 수는 밀도, 회전속도, 임펠러 지름, 점도의 관계식으로 정의됩니다.
    $$\text{Re} = \frac{\rho n D^{2}}{\mu}$$
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17. 다음 그림은 공기를 사용한 이상적인 기체터빈기관(Brayton 사이클)의 P－V선도를 나타낸다. 공정이 압력비(PB/PA) 4에서 가역적으로 운전될 때, 사이클의 효율은? (단, 공기는 일정한 비열을 갖는 이상기체이며, 공기의 정압비열/정적비열＝2 로 가정한다)

  1. 0.3
  2. 0.4
  3. 0.5
  4. 0.6
(정답률: 67%)
  • 이상적인 브레이튼 사이클의 효율은 압력비 $r_p$와 비열비 $\gamma$에 의해 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $\eta = 1 - \frac{1}{r_p^{\frac{\gamma-1}{\gamma}}}$
    ② [숫자 대입] $\eta = 1 - \frac{1}{4^{\frac{2-1}{2}}}$
    ③ [최종 결과] $\eta = 0.5$
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18. 원통 축에 수직 방향으로 유체가 원통 외부를 지나가는 경우, 다음 중 옳지 않은 것은?

  1. 난류 경계층 유동인 경우, 항력 계수는 표면 거칠기에 영향을 받지 않는다.
  2. 레이놀즈(Reynolds) 수가 1 미만인 영역은 점성력이 지배적이다.
  3. 점성이 0인 이상적인 유체는 마찰항력과 압력항력이 0이다.
  4. 항력과 양력은 서로 수직 방향이다.
(정답률: 69%)
  • 원통 외부 유동의 특성을 묻는 문제입니다. 난류 경계층 유동에서는 표면의 거칠기가 항력 계수에 직접적인 영향을 미치므로, 영향을 받지 않는다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    레이놀즈 수 1 미만: 점성력이 지배적인 영역이 맞음
    이상 유체: 점성이 없으므로 마찰 및 압력항력이 0임
    항력과 양력: 정의상 서로 수직인 힘임
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19. 10 cm의 지름을 가지는 원통형 반응기에서 1m/s의 유속으로 기체 A가 주입될 때의 레이놀즈(Reynolds) 수를 NRe1이라고 하자. 같은 기체가 1m의 지름을 가지는 원통형 반응기로 0.1m/s의 유속으로 주입될 때의 레이놀즈(Reynolds) 수를 NRe2라고 할 때, 두 레이놀즈(Reynolds) 수의 비(NRe1/NRe2)는? (단, 기체 A는 뉴튼 유체이다)

  1. 0.1
  2. 1.0
  3. 2.0
  4. 10.0
(정답률: 71%)
  • 레이놀즈 수는 유속 $v$, 관 지름 $D$, 밀도 $\rho$, 점도 $\mu$의 곱과 나눗셈으로 결정됩니다. 두 경우의 조건을 비교하여 비를 구합니다.
    ① [기본 공식] $Re = \frac{\rho v D}{\mu}$
    ② [숫자 대입] $\frac{Re_1}{Re_2} = \frac{1 \cdot 0.1}{0.1 \cdot 1}$
    ③ [최종 결과] $\frac{Re_1}{Re_2} = 1.0$
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20. 고압의 질소가스가 298 K에서 두께가 3cm인 천연고무로 된 2m× 2 m× 2m의 정육면체 용기에 담겨 있다. 고무의 내면과 외면에서 질소의 농도는 각각 0.067kg/m3과 0.007kg/m3이다. 이 용기로부터 6개의 고무 면을 통하여 확산되어 나오는 질소 가스의 물질전달속도(kg/s)는? (단, 고무를 통한 질소의 확산 계수는 1.5×10-10m2/s이다)

  1. 2.2 × 10-10
  2. 4.2 × 10-10
  3. 6.2 × 10-9
  4. 7.2 × 10-9
(정답률: 67%)
  • 픽의 확산 제1법칙을 이용하여 물질전달속도를 계산합니다. 전체 전달 면적은 정육면체의 6개 면을 모두 합산하여 계산해야 합니다.
    ① [기본 공식] $W = D \cdot A \cdot \frac{\Delta C}{L}$
    ② [숫자 대입] $W = 1.5 \times 10^{-10} \cdot (6 \cdot 2 \cdot 2) \cdot \frac{0.067 - 0.007}{0.03}$
    ③ [최종 결과] $W = 7.2 \times 10^{-9}$ kg/s
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