9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2018-04-07)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2018-04-07 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2018-04-07 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 온도차이 ΔT, 열전도도 k, 두께 x, 열전달 면적 A인 평면벽을 통한 1차원 정상상태 열흐름 속도는 Q이다. 벽의 열전도도 k가 4배 증가하고 두께 x가 2배 증가할 때, 열흐름 속도는?

  1. Q/2
  2. Q
  3. 2Q
  4. 4Q
(정답률: 92%)
  • 푸리에의 열전도 법칙에 따라 열흐름 속도는 열전도도에 비례하고 벽의 두께에 반비례합니다.
    ① [기본 공식] $Q = \frac{k A \Delta T}{x}$
    ② [숫자 대입] $Q_{new} = \frac{(4k) A \Delta T}{(2x)}$
    ③ [최종 결과] $Q_{new} = 2Q$
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2. 회전펌프(rotary pump)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 운전 속도가 한정되어 있다.
  2. 운동 부분과 고정 부분이 밀착되어 있다.
  3. 배출 공간에서 흡입 공간으로 역류가 적다.
  4. 피스톤 양쪽에서 교대로 액체를 끌어들인다.
(정답률: 80%)
  • 회전펌프는 회전하는 로터나 기어를 사용하여 유체를 이송하는 방식으로, 고정부와 운동부가 밀착되어 있으며 역류가 적고 운전 속도가 제한적인 특징이 있습니다.
    피스톤 양쪽에서 교대로 액체를 끌어들이는 방식은 왕복동 펌프(reciprocating pump)에 대한 설명입니다.
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3. 상부가 개방되고 바닥에 배출구가 있는 탱크에 물이 높이 h만큼 채워져 유지된다. 탱크의 배출구를 통한 물의 배출 속도는? (단, 모든 마찰 손실은 무시하고, 배출 중 물의 높이 h는 일정하며, g는 중력가속도이다)

  1. √gh
  2. √2gh
  3. gh
  4. 2gh
(정답률: 90%)
  • 에너지 보존 법칙인 베르누이 방정식을 적용하여, 탱크 상부의 위치 에너지가 배출구에서의 운동 에너지로 전환되는 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $v = \sqrt{2gh}$
    ② [숫자 대입] $v = \sqrt{2gh}$
    ③ [최종 결과] $v = \sqrt{2gh}$
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4. 2성분계 기체 확산계수(diffusion coefficient)에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고른 것은? (단, 이상기체이며 반응성이 없다)

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 60%)
  • 기체 확산계수 $D_{AB}$는 온도 $T$에 비례하고, 압력 $P$와 분자량 $M$에는 반비례하는 특성을 가집니다.
    분자량이 크면 분자의 이동 속도가 느려져 확산계수가 작아지며, 압력이 일정할 때 온도가 높아지면 분자의 운동 에너지가 증가하여 확산계수가 커집니다.

    오답 노트
    온도가 일정할 때 압력이 높아지면 분자 간 충돌 횟수가 증가하여 확산계수는 작아집니다.
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5. 넓은 평판 표면에서 표면 위의 유체로 대류 열전달이 발생하고 있다. 이때 열흐름 속도를 높이는 방법으로 옳은 것은?

  1. 평판 표면에 핀(fin) 등 확장표면 장치를 설치한다.
  2. 유체의 흐름 속도를 낮춘다.
  3. 평판 표면에 열저항이 큰 또 다른 평판을 올려놓는다.
  4. 유체의 온도와 평판 표면의 온도 차이를 줄인다.
(정답률: 66%)
  • 대류 열전달 속도는 뉴턴의 냉각 법칙($$q = h A \Delta T$$)에 따라 열전달 계수($$h$$), 표면적($$A$$), 온도 차($$\Delta T$$)가 클수록 증가합니다. 핀(fin)과 같은 확장표면 장치를 설치하면 열전달 면적($$A$$)이 증가하여 열흐름 속도가 높아집니다.

    오답 노트
    유체 흐름 속도 낮춤: 열전달 계수 $h$ 감소로 열흐름 저하
    열저항 큰 평판 설치: 전체 열저항 증가로 열흐름 저하
    온도 차이 줄임: $\Delta T$ 감소로 열흐름 저하
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6. 부피가 V[L]인 용액 내에 분자량이 MA[g/mol]인 용질 A가 n몰 용해되어 있다. 이 용액이 부피유속 120 L/min으로 흐를 때, A의 질량유속[g/h]은?

  1. 120 nMA
  2. 120 nMA/V
  3. 7,200 nMA
  4. 7,200 nMA/V
(정답률: 65%)
  • 질량유속은 용액의 농도(단위 부피당 질량)에 부피유속을 곱하여 계산하며, 시간 단위를 분($$min$$)에서 시간($h$ )으로 환산해야 합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{질량유속} = \frac{n \times M_A}{V} \times Q \times 60$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{질량유속} = \frac{n \times M_A}{V} \times 120 \times 60$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{질량유속} = 7,200 \frac{nM_A}{V}$$
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7. 원형관 내 공기의 유속을 측정하기 위해 설치한 피토관의 압력차가 128 Pa일 때, 공기의 유속[m/s]은? (단, 공기의 밀도는 1kg/m3이며 비압축성 흐름으로 가정하고, 마찰손실은 없다)

  1. 16
  2. 32
  3. 64
  4. 128
(정답률: 50%)
  • 피토관의 압력차를 이용하여 유속을 구하는 베르누이 원리를 적용합니다.
    ① [기본 공식] $v = \sqrt{\frac{2\Delta P}{\rho}}$
    ② [숫자 대입] $v = \sqrt{\frac{2 \times 128}{1}}$
    ③ [최종 결과] $v = 16$
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8. 고체 입자층을 통과하는 유체의 속도가 증가하면 고체 입자층의 유동화 현상이 발생하게 된다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 유동화된 고체 입자층의 압력 강하는 유체 속도가 빨라져도 일정하다.
  2. 유동화된 고체 입자층의 높이는 유체 속도가 빨라짐에 따라 증가한다.
  3. 최소 유동화 속도는 입자의 크기에 영향을 받지 않는다.
  4. 최소 유동화 속도는 입자의 밀도에 영향을 받는다.
(정답률: 53%)
  • 최소 유동화 속도는 입자의 크기, 밀도, 유체의 점도 및 밀도 등에 의해 결정됩니다. 따라서 입자의 크기에 영향을 받지 않는다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    유동화된 층의 압력 강하: 입자층의 무게와 평형을 이루므로 일정함
    유동화 층 높이: 속도 증가 시 입자 간 거리 증가로 높이 상승
    입자 밀도: 부력과 중력의 관계에 의해 최소 유동화 속도에 영향 줌
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9. 다음 그림은 초기에 온도가 T0로 균일한 무한 평판의 단면이다. 평판의 양쪽 측면을 급격히 가열하여 표면온도를 TS로 유지하면 평판 내부에서 비정상상태 열전도가 진행된다. 평판의 중심선 온도(Tc)가 가장 빨리 상승하는 평판의 열전도도 k[W/mㆍK]와 비열 cp[J/kgㆍK]는? (단, 평판의 밀도는 일정하다) (순서대로 k, cp)

  1. 1, 500
  2. 1, 1,000
  3. 5, 500
  4. 5, 1,000
(정답률: 55%)
  • 비정상상태 열전도에서 중심 온도 $T_c$의 상승 속도는 열확산율($$\alpha$$)에 비례합니다. 열확산율이 클수록 온도가 더 빨리 상승하며, 열확산율은 열전도도 $k$에 비례하고 밀도 $\rho$와 비열 $c_p$의 곱에 반비례합니다.
    $$\alpha = \frac{k}{\rho c_p}$$
    따라서 $T_c$가 가장 빨리 상승하려면 열전도도 $k$는 최대값인 $5$여야 하고, 비열 $c_p$는 최소값인 $500$이어야 합니다.
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10. 어떤 유기화합물 A는 C, H, O, N으로만 구성되어 있다. A의 원소분석 결과, 이 중 C, H, N의 질량 분율은 각각 0.42, 0.06, 0.28이다. A의 가능한 분자량[g/mol]은? (단, C, H, O, N의 원자량은 각각 12, 1, 16, 14이다)

  1. 200
  2. 250
  3. 300
  4. 350
(정답률: 71%)
  • 각 원소의 질량 분율을 원자량으로 나누어 몰비(원자수비)를 구한 뒤, 가장 작은 정수비로 나타내어 실험식량을 구하고 분자량을 결정합니다.
    C : H : N : O의 질량비는 $0.42 : 0.06 : 0.28 : (1 - 0.42 - 0.06 - 0.28) = 0.42 : 0.06 : 0.28 : 0.24$ 입니다.
    몰비는 $\frac{0.42}{12} : \frac{0.06}{1} : \frac{0.28}{14} : \frac{0.24}{16} = 0.035 : 0.06 : 0.02 : 0.015 = 7 : 12 : 4 : 3$ 입니다.
    실험식량은 $12 \times 7 + 1 \times 12 + 14 \times 4 + 16 \times 3 = 84 + 12 + 56 + 48 = 200$ 입니다.
    따라서 가능한 분자량은 200입니다.
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11. 비압축성 유체가 다음 그림과 같이 원형관 내에서 x축 방향으로 흐른다. 이때 직경이 4cm인 원형관에서 평균속도가 v일 때, 직경이 8cm인 원형관에서의 평균 속도는? (단, 흐름은 정상상태이다)

  1. v/8
  2. v/4
  3. v/2
  4. v
(정답률: 88%)
  • 비압축성 유체의 정상상태 흐름에서 질량 보존 법칙에 의해 유량은 일정하므로, 단면적과 평균 속도의 곱은 일정합니다.
    ① [기본 공식] $A_1 v_1 = A_2 v_2$
    ② [숫자 대입] $\frac{\pi 4^2}{4} v = \frac{\pi 8^2}{4} v_2$
    ③ [최종 결과] $v_2 = \frac{v}{4}$
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12. 필터로 덮인 판 사이의 공간에 슬러리를 가압 주입하여 고체 케이크와 액체로 분리하는 비연속 가압 여과기는?

  1. 수평 벨트 여과기(horizontal belt filter)
  2. 원심 여과기(centrifugal filter)
  3. 회전 드럼 여과기(rotary drum filter)
  4. 여과 프레스(filter press)
(정답률: 62%)
  • 필터로 덮인 판(Plate) 사이에 슬러리를 가압 주입하여 고체 케이크와 액체를 분리하는 대표적인 비연속식 가압 여과 장치는 여과 프레스(filter press)입니다.
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13. 단면적이 0.1m2인 원형관을 통해 비압축성 뉴턴 유체(Newtonian fluid)가 층류로 흐른다. 유체의 부피 유속이 0.04m3/s일 때, 원형관 중심에서 유체의 유속[m/s]은? (단, 흐름은 정상상태 완전발달흐름이다)

  1. 0.2
  2. 0.4
  3. 0.8
  4. 1.6
(정답률: 46%)
  • 원형관 내 층류 흐름에서 중심 유속($u_{max}$)은 평균 유속($u_{avg}$)의 2배입니다.
    ① [기본 공식] $u_{max} = 2 \cdot \frac{Q}{A}$
    ② [숫자 대입] $u_{max} = 2 \cdot \frac{0.04}{0.1}$
    ③ [최종 결과] $u_{max} = 0.8$
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14. 어떤 고체 입자의 표면적이 8mm2, 부피가 1.8㎣, 상당지름이 1.5mm일 때 구형도(sphericity)는? (단, 상당지름은 고체 입자와 같은 부피의 구 지름이다)

  1. 0.3
  2. 0.6
  3. 0.7
  4. 0.9
(정답률: 40%)
  • 구형도는 입자의 실제 표면적과 동일한 부피를 가진 구의 표면적 비율로 정의합니다.
    ① [기본 공식] $\Phi = \frac{\pi d_{p}^{2}}{6 V_{p}}$ (또는 $\frac{\text{구의 표면적}}{\text{실제 표면적}}$)
    ② [숫자 대입] $\Phi = \frac{\pi \cdot (1.5)^{2} \cdot 1}{6 \cdot 1.8} \text{ (단, } \pi \approx 3.14 \text{ 적용 시 구 표면적 } \approx 7.068 \text{)} \rightarrow \Phi = \frac{7.068}{8}$
    ③ [최종 결과] $\Phi = 0.88 \approx 0.9$
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15. 효소촉매를 이용한 A → R 반응의 반응속도식은 로 표현된다. A의 농도(CA)와 반응속도와의 관계에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 효소의 초기농도(CE0, k와 M은 상수로 가정한다)

  1. CA ≪ M 이면, 이다.
  2. CA≪ M 이면, -rA∝CA이다.
  3. CA ≫ M 이면, 이다.
  4. CA ≫ M 이면, -rA∝CA이다.
(정답률: 61%)
  • 제시된 반응속도식 $-r_{A} = \frac{k C_{A} C_{E0}}{M + C_{A}}$에서 $C_{A}$의 크기에 따른 반응 차수를 분석합니다.
    반응물 농도 $C_{A}$가 상수 $M$보다 매우 작으면($C_{A} \ll M$), 분모의 $M + C_{A}$는 약 $M$으로 간주되어 반응속도는 $C_{A}$에 비례하는 1차 반응이 됩니다.

    오답 노트
    $C_{A} \ll M$ 일 때: $$-r_{A} \approx \frac{k C_{E0}}{M} C_{A}$$ 이므로 $C_{A}$에 비례함
    $C_{A} \gg M$ 일 때: $$-r_{A} \approx k C_{E0}$$ 가 되어 $C_{A}$와 무관한 0차 반응이 됨
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16. 향류(countercurrent flow) 이중관 열교환기 내에서 알코올과 물 사이에 열이동이 일어난다. 알코올은 60°C로 주입되어 30°C로 배출되고, 물은 16°C로 주입되어 32°C로 배출된다. 관을 통한 단위 면적당 열흐름 속도[W/m2]는? (단, 총괄 열전달 계수는 600W/m2ㆍ°C이고, ln 2＝0.7이다)

  1. 12,000
  2. 14,000
  3. 16,000
  4. 18,000
(정답률: 78%)
  • 향류 열교환기에서 열흐름 속도는 총괄 열전달 계수와 대수 평균 온도차(LMTD)의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $q = U \cdot \Delta T_{lm}$
    ② [숫자 대입] $q = 600 \cdot \frac{(60-32) - (30-16)}{\ln \frac{60-32}{30-16}} = 600 \cdot \frac{28-14}{\ln 2} = 600 \cdot \frac{14}{0.7}$
    ③ [최종 결과] $q = 12,000$
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17. 헥세인(hexane)과 헵테인(heptane)의 2성분 혼합물이 기액 평형을 루고 있다. 기상에서 헥세인과 헵테인의 몰분율이 각각 0.5일 때, 액상에서 헥세인의 몰분율은? (단, 혼합물은 라울(Raoult)의 칙을 따르며, 기액 평형상태 온도에서 헥세인과 헵테인의 증기압은 각각 2 bar, 1 bar이다)

  1. 1/4
  2. 1/3
  3. 1/2
  4. 2/3
(정답률: 62%)
  • 라울의 법칙에 따라 기상 몰분율은 액상 몰분율과 순수 성분의 증기압의 곱에 비례합니다. 2성분계에서 액상 헥세인 몰분율 $x$를 구하는 식을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $y = \frac{x \cdot P^{sat}}{x \cdot P^{sat} + (1-x) \cdot P^{sat}_{2}}$
    ② [숫자 대입] $0.5 = \frac{x \cdot 2}{x \cdot 2 + (1-x) \cdot 1}$
    ③ [최종 결과] $x = 1/3$
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18. 기체 흡수탑에서 A가 기상으로부터 액상으로 흡수된다. A의 액상몰분율(x)이 0.1이고 기상 몰분율(y)이 0.2일 때, 기액 계면에서의 A의 조성(xi, yi)은? (단, 기체흡수는 이중경막론을 따르고, 액상개별 물질전달 계수(kxa)는 기상 개별 물질전달 계수(kya)의 두 배이다. 기액 계면에서 액상 몰분율(xi)과 기상 몰분율(yi)의 평형관계는 yi＝0.5xi이다)

  1. (0.12, 0.06)
  2. (0.16, 0.08)
  3. (0.28, 0.14)
  4. (0.40, 0.20)
(정답률: 43%)
  • 이중경막론에 따라 기상과 액상에서 계면으로 전달되는 물질전달 속도는 동일합니다. 주어진 물질전달 계수 비와 평형 관계식을 이용하여 계면 조성을 구합니다.
    ① [기본 공식] $k_y a (y - y_i) = k_x a (x_i - x)$
    ② [숫자 대입] $1 \times (0.2 - y_i) = 2 \times (x_i - 0.1)$ 및 $$y_i = 0.5x_i$$
    ③ [최종 결과] $x_i = 0.16, y_i = 0.08$
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19. A와 B로 구성된 2성분 기체 혼합물이 있다. A의 질량조성은 80%이고, A와 B의 분자량[g/mol]은 각각 40과 10이다. 이 기체 혼합물의 평균 분자량은?

  1. 25
  2. 30
  3. 35
  4. 40
(정답률: 55%)
  • 혼합물의 평균 분자량은 각 성분의 몰분율과 분자량의 곱의 합으로 계산합니다. 먼저 질량조성을 이용해 몰분율을 구한 뒤 평균 분자량을 산출합니다.
    ① [기본 공식] $M_{avg} = \frac{100}{\frac{w_A}{M_A} + \frac{w_B}{M_B}}$
    ② [숫자 대입] $M_{avg} = \frac{100}{\frac{80}{40} + \frac{20}{10}}$
    ③ [최종 결과] $M_{avg} = 25$
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20. 기체 A가 지점 1에서 δ 떨어진 지점 2로 확산하고 있다. 지점 2의 촉매 표면에서 화학반응(A (→) B)이 순간반응(instantaneous reaction)으로 진행되어 A는 모두 반응한다. 생성된 기체 B는 지점 2에서 지점 1로 확산한다. 이때, 기체 A의 몰플럭스는? (단, 정상상태이며 등온이다. 모든 기체는 x방향으로만 확산한다. 확산계수는 DAB이고, x＝0에서 A의 농도는 CA0이다)

(정답률: 44%)
  • 지점 2의 촉매 표면에서 A가 모두 반응하여 사라지므로, 지점 2에서의 A 농도는 $0$이 됩니다. 이때 정체 기체막을 통한 A의 확산은 Fick의 제1법칙에 의해 농도 기울기에 비례하며, 정상상태에서의 몰플럭스는 다음과 같이 계산됩니다.
    ① [기본 공식] $N_A = \frac{D_{AB} (C_{A0} - C_{A2})}{\delta}$
    ② [숫자 대입] $N_A = \frac{D_{AB} (C_{A0} - 0)}{\delta}$
    ③ [최종 결과] $N_A = \frac{D_{AB} C_{A0}}{\delta}$
    따라서 정답은 입니다.
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