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

9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2019-04-06 기출문제)

목록

1. 표면장력(surface tension)의 단위는?

  1. Pa
  2. N
  3. Jㆍm-2
  4. Btuㆍft-1
(정답률: 54%)
  • 표면장력은 단위 면적당 일하는 에너지로 정의됩니다. 따라서, 단위는 에너지 단위인 줄(Joule)과 면적 단위인 제곱미터(m2)를 조합한 Jㆍm-2가 됩니다. Pa는 압력의 단위이며, N은 힘의 단위입니다. Btuㆍft-1은 영국계열의 에너지 단위이며, 국제단위계에서는 사용되지 않습니다.
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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: 67%)
  • "여과기는 여과매체 상류측의 압력을 대기압보다 낮게 하여 조작하거나 하류측을 가압하여 조작한다."가 옳지 않은 설명입니다. 여과기는 여과매체 상류측의 압력을 낮추거나 하류측을 가압하여 조작할 수 있습니다.
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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: 54%)
  • 정액법은 매 분기 일정한 금액을 상각하여 감가상각 기초가액을 내용연수 동안 균등하게 할당하는 감가상각방법입니다. 즉, 매 분기 일정한 금액을 감가상각비로 설정하고, 이를 내용연수 동안 균등하게 할당하여 감가상각을 계산합니다. 이 방법은 감가상각비를 미리 예측할 수 있어 예산편성이 용이하며, 자산의 가치가 일정하게 감소하는 경우에 적합합니다.
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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: 62%)
  • - 이상용액은 물과 다른 물질이 혼합된 상태의 용액을 말한다.
    - 이상용액의 농도는 물과 다른 물질의 양에 따라 달라지며, 이를 표현하는 방법으로는 몰농도, 질량농도, 부피농도 등이 있다.
    - 이상용액의 물성은 순수한 물과는 달라지며, 이는 물과 다른 물질 간의 상호작용에 의해 발생한다.
    - 이상용액의 물성을 이해하기 위해서는 물과 다른 물질 간의 상호작용인 수소결합, 이온결합, 분자간력 등을 고려해야 한다.
    - 따라서, 이상용액의 물성은 물과 다른 물질 간의 상호작용에 따라 달라지며, 이를 이해하기 위해서는 물리화학적 지식이 필요하다.
    - 이상용액의 물성을 이해하면, 이를 이용하여 다양한 분야에서 응용할 수 있다.
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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: 56%)
  • 오리피스와 마노미터가 설치된 수평 원형관 내로 물이 흐르고 있으므로, 오리피스의 베어링면과 마노미터의 베어링면은 같은 수평면에 위치한다. 따라서, 오리피스에서의 압력 P1과 마노미터에서의 압력 P2는 같다.
    즉, P1－P2＝0 이므로, 마노미터 읽음(d)은 0이다.
    따라서, 정답은 "0"이다.
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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: 62%)
  • 반응기 내의 농도가 배출 흐름의 농도보다 높게 유지된다는 설명이 옳지 않습니다. 이는 반응이 완전히 이루어지지 않았거나 반응속도가 느린 경우에 해당됩니다. 따라서 반응기 내의 농도를 높이기 위해서는 반응속도를 높이는 방법이 필요합니다.
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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: 56%)
  • 도금에 사용된 전하량은 전류 x 시간 = 10A x 9,650초 = 96,500C 이다. 이는 1 F(패러데이)와 같으므로, 도금에 사용된 전하량은 1 F이다.

    도금된 금속의 질량은 도금에 사용된 전하량과 도금의 효율에 비례한다. 이 문제에서는 도금의 효율이 100%라고 가정하고 계산한다.

    도금된 금속의 질량은 도금에 사용된 전하량과 금속의 원자량과의 비례식을 이용하여 구할 수 있다. 즉, 도금된 금속의 질량 / 금속의 원자량 = 도금에 사용된 전하량 / 전하 한 개의 전자 수 이다.

    전하 한 개의 전자 수는 금속 이온의 전하 수와 같으므로, M2+ 이온은 2개의 전자를 가지고 있다.

    따라서, 도금된 금속의 질량 / 금속의 원자량 = 96,500C / (2 x 전자의 전하) 이다.

    전자의 전하는 1.602 x 10-19 C 이므로, 도금된 금속의 질량 / 금속의 원자량 = 96,500C / (2 x 1.602 x 10-19 C) 이다.

    이를 계산하면, 도금된 금속의 질량 / 금속의 원자량 = 3.02 x 1020 이다.

    따라서, 금속의 원자량은 100 g / (3.02 x 1020) = 3.31 x 10-19 g 이다.

    원자량은 원자 한 개의 질량을 나타내므로, 이를 그램으로 환산하면 3.31 x 10-22 g 이다.

    하지만, 원자량은 원소 한 개의 질량을 나타내므로, 이를 원자량 단위로 환산해야 한다. 1 g의 원소 질량은 해당 원소의 원자량과 같으므로, 3.31 x 10-22 g의 금속은 1 / (3.31 x 10-22) 개의 금속 원자를 포함하고 있다.

    이를 계산하면, 금속의 원자량은 3.02 x 1021 이다.

    따라서, 정답은 200이다.
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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: 63%)
  • - 레이놀즈 수가 증가하면 유동이 정상적인 상태에서 불안정해지는 현상이 발생할 수 있다. (ㄱ)
    - 레이놀즈 수가 증가하면 유체의 저항이 증가하게 되어 유체의 속도가 감소한다. (ㄴ)
    - 레이놀즈 수가 증가하면 유체의 휘어짐과 굴곡이 증가하게 되어 유체의 속도가 더욱 불규칙해진다. (ㄷ)

    따라서, 옳은 정답은 "ㄴ"입니다. 레이놀즈 수가 증가하면 유체의 저항이 증가하게 되어 유체의 속도가 감소하기 때문입니다.
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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%)
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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%)
  • 이 문제는 라울트의 법칙을 이용하여 풀 수 있습니다.

    라울트의 법칙은 기체의 증기압과 그 기체의 몰 분율 사이에 비례 관계가 있다는 것입니다.

    P = X * P°

    여기서 P는 혼합물의 전압, X는 에탄올의 몰 분율, P°는 각각의 순수 기체의 증기압입니다.

    메탄올과 에탄올의 혼합물이므로,

    P = P(CH3OH) + P(C2H5OH)

    660 = X * 780 + (1-X) * 480

    660 = 780X + 480 - 480X

    180 = 300X

    X = 0.6

    따라서, 액상에 존재하는 에탄올의 몰 분율은 0.4입니다.
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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: 59%)
  • 가역과정에서 일은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    일 = ∫PdV

    PV = 5 이므로 P = 5/V 입니다. 따라서 일은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    일 = ∫(5/V)dV

    = 5ln(V)|1m³~5m³

    = 5ln5 - 5ln1

    = 5ln5

    따라서 정답은 "5 ln5"입니다.
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12. 물, 얼음, 수증기가 동시에 공존하는 계의 자유도는?

  1. 0
  2. 1
  3. 3
  4. 4
(정답률: 64%)
  • 물, 얼음, 수증기는 모두 같은 물질이며, 상태만 다를 뿐입니다. 따라서 이들이 동시에 공존하는 계는 단일 상태계이므로 자유도는 0입니다.
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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: 46%)
  • "등온과정에서 엔트로피 변화는 압력이 증가함에 따라 증가한다."가 옳지 않은 것입니다.

    등온과정에서 엔트로피 변화는 압력이 변해도 변하지 않습니다. 이는 이상기체의 경우, 분자 간 상호작용이 무시할 수 있을 정도로 작아서, 분자 간 거리가 일정하게 유지되기 때문입니다. 따라서, 등온과정에서는 엔트로피 변화가 온도에만 의존하게 됩니다.

    간단하게 말해, 등온과정에서는 분자 간 거리가 일정하게 유지되기 때문에 압력이 증가하더라도 분자의 자유도가 변하지 않아 엔트로피 변화가 일어나지 않습니다.
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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: 77%)
  • 물질 X의 질량비를 토대로 각 원자의 몰 수를 계산해보면, C: 2 mol, H: 16 mol, N: 2 mol, O: 1 mol 이다. 이를 가지고 분자식을 구해보면, C2H16N2O 이다. 하지만 몰질량이 200 g/mol인 것을 감안하면, 분자식을 C8H16N4O2로 간소화할 수 있다. 이는 분자 내부의 원자들이 어떻게 결합되어 있느냐에 따라 다양한 이성질체(isomer)가 존재할 수 있기 때문이다. 따라서, 이 문제에서는 주어진 조건에 따라 가장 간소화된 분자식을 찾는 것이 정답이다.
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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: 33%)
  • Hagen-Poiseuille식은 다음과 같습니다.

    Q = (πΔP/8μ) × (r^4 / L)

    여기서 Q는 부피유량, ΔP는 압력강하, μ는 점도, r은 반지름, L은 길이를 나타냅니다.

    반지름이 2배로 커지면 r^4는 16배가 됩니다. 따라서, Q는 (r^4)에 비례하므로 16배 커집니다.
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16. 다음 화합물 중 물에 녹지 않는 염은?

  1. PbSO4
  2. (NH4)3PO4
  3. Ba(OH)2
  4. Li2CO3
(정답률: 50%)
  • PbSO4은 물에 녹지 않는 염 중 하나입니다. 이는 PbSO4의 용해도가 매우 낮기 때문입니다. PbSO4은 물에 녹이면 Pb2+와 SO42- 이온으로 분해되는데, 이때 생성되는 이온들의 농도가 매우 낮기 때문에 용해도가 낮습니다. 따라서 PbSO4는 물에 녹지 않는 염 중 하나입니다.
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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: 69%)
  • 레이놀즈 수는 유체의 운동 상태를 나타내는 수치로, 유체의 밀도, 속도, 점성 등의 물리적 성질에 의해 결정된다. 따라서 유체의 레이놀즈 수는 유체의 운동 상태와 무관하게 일정하다.

    따라서 물이 관 내부를 흐르고 SI단위계로 계산한 레이놀즈 수가 100이면, 영국단위계로 계산한 레이놀즈 수도 동일하게 100이다. 따라서 정답은 "100"이다.
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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%)
  • 열효율은 발전소에서 생산된 열의 일부만이 유용한 일을 하여 전기로 변환되는 비율을 의미한다. 최대 열효율은 이론적으로 가능한 열효율을 의미하며, 실제 발전소에서는 이론적으로 가능한 최대 열효율보다 낮은 값을 가진다. 문제에서는 발전소의 실제 열효율이 최대 열효율 값의 80%라고 주어졌다. 따라서 발전소에서 생산된 열 중 유용한 일을 하는 비율은 80%이고, 나머지 20%는 강물로 제거된다. 따라서 강물로 제거되는 열은 발전소에서 생산된 열의 20%이다. 발전소의 용량이 1 × 106kW이므로, 강물로 제거되는 열은 1 × 106 kW × 0.2 = 2 × 105 kW이다. 하지만 답안 보기에서는 이 값과 다른 값들이 주어졌다. 따라서 강물로 제거되는 열이 1.5 × 106 kW가 되려면, 발전소에서 생산된 열의 총량은 1.5 × 106 kW ÷ 0.2 = 7.5 × 106 kW가 되어야 한다. 하지만 이 값은 발전소의 용량인 1 × 106kW보다 크므로, 이 답은 가능하지 않다. 따라서 정답은 "1.5 × 106"이 아닌 다른 보기 중 하나여야 한다. "1.0 × 106"은 발전소에서 생산된 열의 총량이 발전소의 용량과 같으므로, 이 값은 가능하다. 하지만 이 값은 강물로 제거되는 열이 아니므로, 정답은 "1.5 × 106"이 아닌 다른 보기 중 하나여야 한다. 따라서 정답은 "5.5 × 105"이다.
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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%)
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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: 55%)
  • 열손실은 열전도율과 온도차, 그리고 면적에 비례한다. 따라서 각 층의 열손실을 계산하여 합산하면 된다.

    각 층의 열손실은 다음과 같다.

    - 안쪽 층: (640 - 30) / 0.15 = 4066.67 kcal·m-2ㆍh-1
    - 중간 층: (640 - 30) / 0.03 = 20333.33 kcal·m-2ㆍh-1
    - 바깥 층: (640 - 30) / 8 = 78.75 kcal·m-2ㆍh-1

    따라서, 단위면적당 열손실은 4066.67 + 20333.33 + 78.75 = 24478.75 kcal·m-2ㆍh-1 이다. 이 값을 100으로 나누면 244.79이 되므로, 가장 가까운 정수값인 200이 정답이 된다.
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