9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2019-04-06)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2019-04-06 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2019-04-06 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 표면장력(surface tension)의 단위는?

  1. Pa
  2. N
  3. Jㆍm-2
  4. Btuㆍft-1
(정답률: 58%)
  • 표면장력은 단위 길이당 작용하는 힘($$N/m$$)으로 정의됩니다. 에너지 단위인 줄($$J$$)은 $$N \cdot m$$와 같으므로, $$N = J/m$$입니다. 이를 표면장력 단위에 대입하면 $$J/m^2$$ 즉, $J \cdot m^{-2}$가 됩니다.
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2. 여과에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 여과란 고체입자를 포함하는 유체가 여과매체(filtering medium)를 통과하게 하여 고체를 퇴적시킴으로써 유체로부터 고체입자를 분리하는 조작이다.
  2. 여과기는 여과매체 상류측의 압력을 대기압보다 낮게 하여 조작하거나 하류측을 가압하여 조작한다.
  3. 셀룰로스, 규조토와 같은 여과조제(filter aid)를 첨가하는 방식으로 급송물을 처리하여 여과속도를 개선한다.
  4. 여과 중에 여과매체가 막히거나 케이크가 형성됨에 따라 시간이 지날수록 흐름에 대한 저항이 증가하게 된다.
(정답률: 72%)
  • 여과는 압력 차이를 이용하여 고체 입자를 분리하는 조작입니다. 여과가 일어나기 위해서는 반드시 여과매체 상류측의 압력이 하류측보다 높아야 합니다. 따라서 상류측 압력을 대기압보다 낮게 조작한다는 설명은 압력 구배의 방향이 잘못되어 틀린 설명입니다.
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3. 매 분기 일정한 금액을 상각하여 감가상각 기초가액을 내용연수 동안 균등하게 할당하는 감가상각방법은?

  1. 정액법
  2. 생산량 비례법
  3. 정률법
  4. 연수합계법
(정답률: 58%)
  • 정액법은 자산의 취득가액에서 잔존가액을 뺀 금액을 내용연수 동안 매년 동일한 금액으로 나누어 상각하는 가장 단순한 감가상각 방법입니다.
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4. 이상용액에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄷ
  2. ㄱ, ㄹ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄹ
(정답률: 66%)
  • 이상용액은 성분 분자 간의 상호작용이 동일하여 라울의 법칙을 따르며, 실제 농도와 활동도가 일치하여 활동도계수가 $1$인 가상의 용액입니다.

    오답 노트
    용매와 용질 간의 인력이 없다고 가정한다: 인력이 없는 것이 아니라 성분 간 인력이 서로 동일한 것임
    물과 헥세인(hexane) 혼합물은 이상용액에 가깝다: 서로 섞이지 않는 불균일 혼합물로 비이상성이 매우 큼
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5. 그림과 같이 오리피스와 마노미터가 설치된 수평 원형관 내로 물이 흐른다. 유체의 압력차(P1－P2)가 0.441kgfㆍcm-2일 때 마노미터 읽음(d)[cm]은? (단, 물의 밀도는 1gㆍcm-3, 마노미터 유체인 수은의 밀도는 13.6gㆍcm-3, P1은 지점 ①에서의 압력, P2는 지점 ②에서의 압력, 1kgf＝9.8 N이다)

  1. 25
  2. 30
  3. 35
  4. 40
(정답률: 57%)
  • 마노미터의 압력차는 유체 기둥의 높이 차이에 의한 정수압 차이로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta P = d(\rho_{Hg} - \rho_{w})g$
    ② [숫자 대입] $0.441 = d(13.6 - 1) \times 1$ (단위 환산 및 $g$ 고려 시 $1 \text{kgf/cm}^2$ 기준)
    ③ [최종 결과] $d = 35$
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6. 정상상태에서 운전되는 이상적인 연속교반탱크형 반응기(Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 원료가 반응기에서 완전 혼합되어 균일한 상태를 갖는다.
  2. 반응기에서 나가는 흐름은 반응기 내의 유체와 동일한 조성을 갖는다.
  3. 반응기 내의 위치에 따른 농도 변화는 없다.
  4. 반응기 내의 농도가 배출 흐름의 농도보다 높게 유지된다.
(정답률: 69%)
  • 이상적인 CSTR은 반응기 내에서 원료가 즉시 완전 혼합되어 모든 지점에서 농도와 온도가 동일한 균일 상태를 유지합니다. 따라서 반응기 내부의 조성은 배출되는 흐름의 조성과 완전히 동일해야 합니다.

    오답 노트
    반응기 내의 농도가 배출 흐름의 농도보다 높게 유지된다: 내부 조성과 배출 조성은 동일함
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7. 미지의 금속 이온 M2+를 전기화학공정을 이용하여 도금하고자한다. 10A의 전류를 9,650초 동안 흘려주었을 때 100 g이 도금 되었다면 금속의 원자량은? (단, 1 F(패러데이) = 96,500 C이다)

  1. 50
  2. 100
  3. 150
  4. 200
(정답률: 55%)
  • 패러데이의 전기분해 법칙을 이용하여 도금된 물질의 질량과 원자량의 관계를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $M = \frac{Q M_{wt}}{n F} = \frac{I t M_{wt}}{n F}$
    ② [숫자 대입] $100 = \frac{10 \times 9650 \times M_{wt}}{2 \times 96500}$
    ③ [최종 결과] $M_{wt} = 200$
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8. 단면이 원형인 매끈한 배관에서 뉴튼 유체(Newtonian fluid)가 흐를 때, 레이놀즈(Reynolds) 수의 증가와 관련하여 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ
  2. ㄴ
  3. ㄱ, ㄴ
  4. ㄴ, ㄷ
(정답률: 66%)
  • 레이놀즈 수는 관성력과 점성력의 비율을 나타내는 무차원 수입니다.
    레이놀즈 수 $Re = \frac{\rho v D}{\mu}$ 식에서 점도 $\mu$가 분모에 위치하므로, 다른 조건이 일정할 때 점도가 감소할수록 레이놀즈 수는 증가합니다.

    오답 노트
    ㄱ: 레이놀즈 수가 증가하면 점성력보다 관성력이 상대적으로 증가함
    ㄷ: 층류에서 난류로 전이될 때 레이놀즈 수가 증가함
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9. 반응 A＋3B→C가 기초반응(elementary reaction)이라고 할 때, A의 반응속도는 다음과 같이 표시된다. 농도의 단위가 mol·L-1일 때, 반응속도상수 k의 단위는? (단, f(CA, CB)은 A와 B의 농도의 함수이다)

(정답률: 57%)
  • 기초반응(elementary reaction)에서 반응속도는 반응물 농도의 곱에 비례하며, 이때 지수는 화학 양론 계수와 같습니다. 반응 $A + 3B \rightarrow C$의 속도식은 $-r_A = k C_A C_B^3$이 되며, 전체 반응 차수는 $1 + 3 = 4$차입니다.
    반응속도상수 $k$의 단위는 $\text{mol}^{1-n} \cdot \text{L}^{n-1} \cdot \text{s}^{-1}$ (여기서 $n$은 전체 반응 차수) 공식을 통해 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $k = \frac{-r_A}{C_A C_B^3}$
    ② [숫자 대입] $k = \frac{\text{mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot \text{s}^{-1}}{(\text{mol} \cdot \text{L}^{-1})^4}$
    ③ [최종 결과] $k = \text{L}^3 \cdot \text{mol}^{-3} \cdot \text{s}^{-1} = \frac{\text{L}^3}{\text{mol}^3 \cdot \text{s}}$
    따라서 정답은 입니다.
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10. 메탄올과 에탄올의 혼합물이 기－액평형 상태에 있다. 특정 온도에서 메탄올의 증기압은 780mmHg이고, 에탄올의 증기압은 480mmHg이다. 같은 온도에서 혼합물의 전압이 660mmHg일 때, 액상에 존재하는 에탄올의 몰분율은? (단, 기상은 이상기체이고 액상은 이상용액이다)

  1. 0.4
  2. 0.5
  3. 0.6
  4. 0.7
(정답률: 66%)
  • 라울의 법칙과 돌턴의 분압 법칙을 이용하여 혼합 용액의 전압을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P_{total} = x_{methanol} P^{\circ}_{methanol} + x_{ethanol} P^{\circ}_{ethanol}$
    ② [숫자 대입] $660 = (1 - x_{ethanol}) 780 + x_{ethanol} 480$
    ③ [최종 결과] $x_{ethanol} = 0.4$
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11. 피스톤/실린더 장치 내에서 1mol의 공기가 1m3의 초기부피로 부터 5m3의 최종상태로 가역팽창 할 때, 공기에 의해 행해진 일의 절대값[J]은? (단, P는 압력, V는 몰부피일 때, 공기는 PV＝5 Jㆍmol-1의 관계를 만족하며 변한다)

  1. 4
  2. 20
  3. 5 ln5
  4. 10 ln5
(정답률: 61%)
  • 가역 팽창 시 계가 한 일은 압력을 부피에 대해 적분하여 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $W = \int_{V_1}^{V_2} P dV$
    ② [숫자 대입] $W = \int_{1}^{5} \frac{5}{V} dV = 5 \ln V \Big|_{1}^{5}$
    ③ [최종 결과] $W = 5 \ln 5$
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12. 물, 얼음, 수증기가 동시에 공존하는 계의 자유도는?

  1. 0
  2. 1
  3. 3
  4. 4
(정답률: 68%)
  • 깁스의 상규칙(Phase Rule)을 적용하여 자유도를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $F = C - P + 2$
    ② [숫자 대입] $F = 1 - 3 + 2$
    ③ [최종 결과] $F = 0$
    성분 수 $C=1$(물), 상의 수 $P=3$(얼음, 물, 수증기)이므로 자유도는 $0$이며, 이는 삼중점에서만 공존 가능함을 의미합니다.
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13. 비열이 일정한 이상기체의 엔트로피 변화에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 등온과정에서 엔트로피 변화는 압력이 증가함에 따라 증가한다.
  2. 정압과정에서 엔트로피 변화는 온도가 증가함에 따라 증가한다.
  3. 정적과정에서 엔트로피 변화는 압력이 증가함에 따라 증가한다.
  4. 정적과정에서 엔트로피 변화는 온도가 증가함에 따라 증가한다.
(정답률: 49%)
  • 엔트로피 변화는 계의 무질서도가 증가하는 방향으로 일어납니다.
    등온과정에서 압력이 증가하면 부피가 감소하여 입자의 배열이 더 규칙적으로 변하므로 엔트로피는 감소합니다.

    오답 노트
    정압/정적과정: 온도가 상승하면 분자 운동이 활발해져 엔트로피가 증가함
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14. 물질 X는 질량비로 48%의 C, 8%의 H, 28%의 N, 16%의 O를 포함하며, 몰질량은 200 gㆍmol-1이다. X의 분자식은? (단, C, H, N, O의 원자량은 각각 12, 1, 14, 16이다)

  1. C4H8N2O
  2. C8H16N4O2
  3. C12H24N6O3
  4. C16H32N8O4
(정답률: 78%)
  • 각 원소의 질량 백분율을 원자량으로 나누어 몰비(원자수비)를 구한 뒤, 분자량에 맞춰 배수를 결정합니다.
    ① [기본 공식] $n = \frac{mass \times 100}{MW \times AtomicWeight}$
    ② [숫자 대입] $C: \frac{48}{12}=4, H: \frac{8}{1}=8, N: \frac{28}{14}=2, O: \frac{16}{16}=1$
    ③ [최종 결과] 실험식 $C_{4}H_{8}N_{2}O$의 식량은 $4(12)+8(1)+2(14)+1(16)=100$이므로, 몰질량 $200$ g/mol을 만족하려면 2배를 곱한 $C_{8}H_{16}N_{4}O_{2}$가 됩니다.
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15. 수평 원형관을 통한 유체흐름이 Hagen-Poiseuille식을 만족할 때 관의 반지름이 2배로 커지면 부피유량의 변화는? (단, 흐름은 정상상태이며 유체의 점도와 단위 길이당 압력강하는 일정하다)

  1. 4배 커진다.
  2. 8배 커진다.
  3. 16배 커진다.
  4. 32배 커진다.
(정답률: 37%)
  • Hagen-Poiseuille 식에 따르면 부피유량은 관 반지름의 4제곱에 비례합니다.
    ① [기본 공식]
    $ Q = \frac{\pi \Delta P R^{4}}{8 \mu L} $
    ② [숫자 대입]
    $ Q_{new} = \frac{\pi \Delta P (2R)^{4}}{8 \mu L} = 2^{4} \times \frac{\pi \Delta P R^{4}}{8 \mu L} $
    ③ [최종 결과]
    $ Q_{new} = 16 Q $
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16. 다음 화합물 중 물에 녹지 않는 염은?

  1. PbSO4
  2. (NH4)3PO4
  3. Ba(OH)2
  4. Li2CO3
(정답률: 53%)
  • 화합물의 용해도 원리를 묻는 문제입니다. 황산납($PbSO_{4}$)은 물에 거의 녹지 않는 대표적인 불용성 염입니다.

    오답 노트
    인산암모늄, 수산화바륨, 탄산리튬은 물에 잘 녹는 가용성 염입니다.
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17. 물이 관 내부를 흐르고 SI단위계(m, kg, s)로 계산한 레이놀즈 (Reynolds) 수가 100일 때, 영국단위계(ft, lb, s)로 계산한 레이놀즈 수는? (단, 1 ft＝0.3048 m, 1 lb＝0.4536 kg이다)

  1. 100
  2. 387
  3. 1,800
  4. 3,217
(정답률: 71%)
  • 레이놀즈 수는 유체의 흐름 특성을 나타내는 무차원 수(Dimensionless number)입니다. 무차원 수는 사용되는 단위계(SI 단위계, 영국 단위계 등)와 상관없이 그 값이 일정하게 유지되는 특성을 가집니다. 따라서 SI 단위계에서 100이라면 영국 단위계에서도 동일하게 100입니다.
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18. 1 × 106kW 용량으로 건설된 발전소에서 스팀은 600K에서 생산되며, 발생되는 열은 300 K인 강물로 제거되고 있다. 만약 발전소의 실제 열효율이 도달 가능한 최대 열효율 값의 80%라면 강물로 제거되는 열[kW]은?

  1. 5 × 105
  2. 5.5 × 105
  3. 1.0 × 106
  4. 1.5 × 106
(정답률: 40%)
  • 카르노 효율로 최대 효율을 구한 뒤, 실제 효율을 적용하여 제거되는 열량을 계산하는 문제입니다.
    ① [기본 공식]
    $ \eta_{max} = 1 - \frac{T_{L}}{T_{H}} $
    $ \eta_{act} = 0.8 \times \eta_{max} $
    $ Q_{L} = \frac{W}{\frac{\eta_{act}}{1 - \eta_{act}}} $
    ② [숫자 대입]
    $ \eta_{max} = 1 - \frac{300}{600} = 0.5 $
    $ \eta_{act} = 0.8 \times 0.5 = 0.4 $
    $ Q_{L} = \frac{1 \times 10^{6}}{\frac{0.4}{1 - 0.4}} = \frac{1 \times 10^{6}}{0.6667} $
    ③ [최종 결과]
    $ Q_{L} = 1.5 \times 10^{6} \text{ kW} $
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19. 기체의 압축인자 Z에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, Vr는 실제 기체의 몰부피, Vig는 이상기체의 몰부피이다)

  1. 이상기체의 압축인자는 1이다.
  2. 압력이 0에 수렴할수록 Z의 값은 1에 가까워진다.
  3. 으로 정의된다.
  4. Z의 1로부터의 벗어남은 이상적 행동으로부터 벗어나는 정도의 척도가 된다.
(정답률: 65%)
  • 압축인자 $Z$는 실제 기체가 이상 기체로부터 얼마나 벗어났는지를 나타내는 척도입니다. 이상 기체의 경우 $Z=1$이며, 압력이 0에 가까워질수록 실제 기체도 이상 기체처럼 행동하여 $Z$ 값은 1에 수렴합니다.

    오답 노트
    : 압축인자의 정의는 실제 몰부피를 이상 몰부피로 나눈 $$Z = \frac{V^{r}}{V^{ig}}$$ 이므로 분모와 분자가 뒤바뀌어 틀렸습니다.
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20. 세 층의 단열재로 보온한 벽이 있다. 내부로부터 두께가 각각 150 mm, 60 mm, 400mm이고, 열전도도(thermal conductivity)는 0.15kcalㆍm-1ㆍh-1ㆍ°C-1, 0.03kcal·m-1ㆍh-1ㆍ°C-1, 8kcal·m-1ㆍh-1ㆍ°C-1이다. 안쪽면의 온도가 640°C이고, 바깥면의 온도는 30°C일 때 단위면적당 열손실[kcal·m-2ㆍh-1]은? (단, 각 층간에는 열적 접촉이 잘 되어 있어 각 층 사이의 계면에서는 온도강하가 없다)

  1. 100
  2. 200
  3. 300
  4. 400
(정답률: 56%)
  • 여러 층의 단열재가 겹쳐진 벽의 총 열손실은 각 층의 열저항 합을 이용한 전체 열전달 계수로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $q = \frac{\Delta T}{\sum \frac{L}{\lambda}}$
    ② [숫자 대입] $q = \frac{640 - 30}{\frac{0.15}{0.15} + \frac{0.06}{0.03} + \frac{0.4}{8}}$
    ③ [최종 결과] $q = 200$
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