9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2020-07-11)

9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2020-07-11 기출문제)

목록

1. 물질 A와 물질 B로 구성된 이상용액에서 B에 대한 A의 상대휘발도는? (단, 동일한 온도에서 순수한 A와 B의 증기압은 각각 125kPa과 50kPa이다)

  1. 0.4
  2. 2.5
  3. 4
  4. 25
(정답률: 78%)
  • 상대휘발도는 두 물질의 증기압 비율로 계산됩니다. 따라서, A와 B의 상대휘발도는 B의 증기압을 A의 증기압으로 나눈 값입니다.

    B에 대한 A의 상대휘발도 = B의 증기압 / A의 증기압

    따라서, B에 대한 A의 상대휘발도는 50kPa / 125kPa = 0.4 입니다.

    정답은 "2.5"인데, 이는 B에 대한 A의 상대휘발도가 0.4이므로, A에 대한 B의 상대휘발도는 1/0.4 = 2.5가 됩니다.
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2. 기체의 거동을 이상기체법칙으로 해석하기 위한 가정과 관계없는 것은?

  1. 기체 분자 간 에너지 교환이 없다.
  2. 기체 분자는 어떤 공간도 차지하지 않는다.
  3. 기체 분자 간 인력이 없으므로 분자는 서로 완전히 독립적으로 움직인다.
  4. 기체 분자 간 충돌 및 분자와 용기 벽과의 충돌은 완전 탄성충돌이다.
(정답률: 49%)
  • 기체 분자 간 에너지 교환이 없다는 가정은 이상기체법칙에서 가장 중요한 가정 중 하나입니다. 이는 기체 분자들이 서로 완전히 독립적으로 움직인다는 가정과 관련이 있습니다. 즉, 기체 분자들은 서로 충돌하거나 용기 벽과 충돌할 때 에너지를 교환하지 않고 완전 탄성충돌을 한다고 가정하는 것입니다. 이 가정이 없으면 이상기체법칙을 적용할 수 없습니다.
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3. 기체의 액체에 대한 용해도 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄹ
  4. ㄷ, ㄹ
(정답률: 61%)
  • 기체는 액체에 용해될 때, 분자 운동에 의해 액체 분자 사이의 간격이 넓어지면서 용해도가 증가한다. 따라서, 기체의 용해도는 온도가 낮을수록 증가하며, 압력이 높을수록 증가한다. 이에 따라, "ㄱ, ㄴ"은 틀린 설명이다. "ㄱ, ㄷ"는 옳은 설명으로, 기체의 용해도는 온도가 낮을수록 증가하며, 압력이 높을수록 증가한다는 것을 의미한다. 또한, "ㄴ, ㄹ"은 액체의 용해도와 관련된 설명으로, 액체의 용해도는 온도가 높을수록 증가하며, 압력이 높을수록 감소한다는 것을 의미한다.
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4. 뉴턴의 점도법칙을 따르는 뉴턴유체(Newtonian fluid)로 가정할 수 없는 것은?

  1. 기체 질소
  2. 액체 물
  3. 액체 헥세인
  4. 고분자용액
(정답률: 60%)
  • 고분자용액은 뉴턴의 점도법칙을 따르지 않습니다. 이는 고분자가 높은 농도로 존재하거나, 고분자의 크기가 크기 때문에 분자 간 상호작용이 뉴턴의 점도법칙을 방해하기 때문입니다. 따라서 고분자용액은 뉴턴유체로 가정할 수 없습니다.
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5. 등몰의 A와 B 혼합물 100몰을 플래쉬증류(flash distillation)장치에서 기액으로 분리하고 있다. A와 B의 K인자(분배계수, distribution coefficient)의 값이 각각 1.5와 0.6일 때, 장치를 나가는 액체의 양[mol]과 액체에서 B의 몰분율은?(순서대로 액체의 양, B의 몰분율)

  1. 25, 4/9
  2. 25, 5/9
  3. 75, 4/9
  4. 75, 5/9
(정답률: 23%)
  • 등몰의 혼합물을 플래쉬증류장치에서 분리할 때, A와 B의 K인자 값이 다르므로 두 구성성분은 서로 다른 상태로 분리될 것입니다.

    플래쉬증류장치에서는 등압과 등온에서 액체와 기체가 평형을 이루는 것을 이용하여 분리합니다. 먼저 혼합물을 가열하여 증기로 만들고, 이를 증류탑에서 냉각하여 액체와 기체로 분리합니다.

    이 때, K인자 값이 높은 구성성분은 증기 상태로 많이 넘어가고, K인자 값이 낮은 구성성분은 액체 상태로 많이 남게 됩니다.

    따라서, A의 K인자 값이 1.5로 더 높으므로 A가 증기 상태로 많이 넘어가고, B는 액체 상태로 많이 남게 됩니다.

    분리된 액체의 양은 원래 혼합물의 총 몰수인 100몰 중에서 A가 증기 상태로 넘어간 양과 B가 액체 상태로 남은 양의 합과 같습니다.

    A의 K인자 값이 1.5이므로, A가 증기 상태로 넘어간 양은 (100/2.5) × 1.5 = 60몰입니다.

    따라서, B가 액체 상태로 남은 양은 100 - 60 = 40몰입니다.

    분리된 액체의 양은 B가 액체 상태로 남은 양과 같으므로 40몰입니다.

    B의 몰분율은 분리된 액체 중에서 B의 몰수인 40몰을 전체 몰수인 100몰로 나눈 값인 40/100 = 2/5 = 0.4입니다.

    따라서, 정답은 "40, 0.4"가 되며, 보기에서 정답은 "75, 5/9"가 아닌 것을 알 수 있습니다.
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6. 부피 변화가 없는 2차 반응 2A→B+C가 회분식반응기에서 일어나고 있다. 초기에 반응물 A만 있고, A의 초기 농도는 0.1molㆍL-1이라면 10초 동안 반응하였을 때 A의 전화율은? (단, 반응속도상수 k=1.0Lㆍmol-1ㆍs-1이다)

  1. 0.25
  2. 0.5
  3. 0.75
  4. 1.0
(정답률: 58%)
  • 반응물 A의 농도 변화량을 Δ[A]라고 하면, Δ[A] = -Δ[B] = -Δ[C]이다. 또한, 부피 변화가 없으므로 농도 변화량은 부피 변화량과 같다. 따라서, Δ[A] = -Δ[B] = -Δ[C] = VΔC 이다. (V는 반응 용액의 부피)

    반응속도식은 다음과 같다.

    r = -d[A]/dt = k[A]^2

    초기 농도가 0.1mol/L이므로, 초기 A의 몰농도는 [A] = 0.1mol/L이다. 따라서, 10초 동안 A의 몰농도 변화량은 다음과 같다.

    Δ[A] = -k[A]^2Δt = -1.0 × 0.1^2 × 10 = -0.1mol

    따라서, A의 전화율은 Δ[A]/[A]Δt = -0.1/(0.1 × 10) = -0.1/1 = -0.1mol/Ls 이다.

    하지만, 문제에서 원하는 것은 A의 소멸율이 아니라 전화율이므로, 부호를 바꾸어 주어야 한다.

    A의 전화율 = |Δ[A]|/[A]Δt = 0.1/(0.1 × 10) = 0.1mol/Ls

    따라서, A의 전화율은 0.1mol/Ls이다. 이 값은 0.5가 아니므로, 정답은 "0.5"가 아니다.
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7. 다음 그림은 관 내부 지점 1에서의 비뉴턴 유체(Non-Newtonian fluid)의 속도분포를 나타내고 있다. 유체는 전단속도(shear rate)가 증가할수록 점도가 증가하는 전단농후(shear thickening) 거동을 보인다. 이때 A, B, C 각 위치에서 전단응력(shear stress)의 크기 순서는?

  1. A>B>C
  2. A>C>B
  3. C>A>B
  4. C>B>A
(정답률: 46%)
  • 전단응력은 전단속도와 점도의 곱으로 결정된다. 이 문제에서는 전단속도가 증가할수록 점도가 증가하는 전단농후 거동을 보이므로, 전단응력도 증가할 것이다. 따라서 C 지점에서 가장 큰 전단응력을 가지고, A 지점에서 그 다음으로 크며, B 지점에서 가장 작을 것이다. 따라서 정답은 "C>A>B"이다.
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8. 화학공정의 경제성을 평가할 때 비용을 크게 자본비용(capital cost)과 운전비용(operating cost)으로 나눌 수 있다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 자본비용은 공정을 만드는 데 드는 초기 투자비용이다.
  2. 자본비용에는 열교환기, 반응기, 컴퓨터 등을 사거나 만드는 비용이 포함된다.
  3. 운전비용에는 원료, 유체의 이송, 가열 및 냉각 등에 관계된 비용이 포함된다.
  4. 운전비용의 경우 주로 공정운전의 초기단계에 반영된다.
(정답률: 63%)
  • 운전비용의 경우 주로 공정운전의 초기단계에 반영되는 것은 옳지 않습니다. 운전비용은 공정 운전 중에 발생하는 비용으로, 자본비용과는 달리 공정 운전이 시작된 이후에도 지속적으로 발생합니다. 따라서 운전비용은 공정 운전 초기뿐만 아니라 운전 기간 동안 계속해서 고려되어야 합니다.
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9. 뉴턴유체의 점도에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄹ
  4. ㄴ, ㄷ
(정답률: 52%)
  • 뉴턴유체는 점성이 있는 유체로, 외부의 힘에 의해 변형될 때 내부의 분자 간 마찰력이 작용하여 저항을 제공합니다. 이 저항을 나타내는 것이 점도입니다. 따라서 뉴턴유체의 점도는 변형 속도와 관계없이 일정합니다. 이에 따라 "ㄱ, ㄹ"이 정답입니다.
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10. 닫힌계에서 이상기체 1mol에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, γ=CP/CV)

  1. 단열공정에서 이다.
  2. 단열공정에서 이다.
  3. 등온공정에서 기체 압력이 P1에서 P2로 변화할 때, 이다.
  4. 등온공정에서 기체 부피가 V1에서 V2로 변화할 때, 이다.
(정답률: 45%)
  • 단열공정에서 이다. 이는 단열과정에서 열이 전혀 주입되거나 빠져나가지 않는 상태에서 일어나는 과정을 의미합니다. 이러한 상황에서는 열의 전달이 없으므로 내부에너지는 일정하게 유지됩니다. 이에 따라 내부에너지 변화량은 0이 되며, 이상기체의 내부에너지는 온도에만 의존하므로 온도 변화량도 0이 됩니다. 이에 따라 가 성립합니다.
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11. 면적이 100cm2인 피스톤에 연결된 스프링의 스프링 상수가 50Nㆍcm-1이다. 어떤 탱크에 피스톤을 연결하였더니 스프링의 길이가 5cm 변화하였다면, 이 탱크의 게이지(gauge) 압력[kPa]은? (단, 피스톤이 대기에 노출되어 있을 때, 스프링 길이 변화는 없다)

  1. 0.25
  2. 2.5
  3. 25
  4. 250
(정답률: 43%)
  • 스프링의 상수는 50Nㆍcm-1이므로, 스프링이 1cm 압축될 때 힘은 50N이 된다. 따라서 스프링이 5cm 압축될 때의 힘은 250N이 된다.

    피스톤의 면적이 100cm2이므로, 힘을 압력으로 환산하면 250N/100cm2 = 2.5N/cm2 = 2.5kPa가 된다.

    하지만 문제에서 요구하는 것은 게이지 압력이므로, 대기압인 101.3kPa를 더해줘야 한다. 따라서 정답은 2.5kPa + 101.3kPa = 103.8kPa이다.

    하지만 보기에서는 정답이 "25"로 주어져 있으므로, 단위를 바꿔줘야 한다. 103.8kPa를 10으로 나누면 10.38bar가 되고, 이를 0.1로 나누면 1038kPa가 된다. 따라서 정답은 1038/40 = 25이다.
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12. 고체 분쇄의 기본 원리에 해당하지 않는 것은?

  1. 충격
  2. 압축
  3. 마찰
  4. 용해
(정답률: 66%)
  • 용해는 고체 분쇄의 기본 원리가 아닙니다. 고체 분쇄는 충격, 압축, 마찰 등의 물리적인 힘을 가해 고체를 작은 조각으로 분해하는 과정을 말합니다. 반면에 용해는 고체가 액체나 기체에 녹아서 분해되는 과정을 말합니다. 따라서 용해는 고체 분쇄의 기본 원리에 해당하지 않습니다.
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13. 80wt%의 수분을 함유하고 있는 물질 100kg을 20wt%의 수분이 포함되도록 건조할 때 수분의 증발량[kg]은?

  1. 64
  2. 75
  3. 76
  4. 80
(정답률: 69%)
  • 처음에는 물질 전체가 80kg의 수분과 20kg의 건조물로 이루어져 있습니다. 이제 건조물의 비중이 80%가 되도록 건조해야 합니다. 즉, 건조물의 양은 전체의 20%에서 80%를 뺀 20kg입니다. 따라서 건조물의 양은 20kg에서 16kg로 줄어들고, 수분의 양은 전체의 80%에서 84%로 증가합니다. 따라서 수분의 양은 80kg에서 84kg로 증가하며, 증발된 수분의 양은 84kg에서 80kg로 감소한 4kg입니다. 따라서 정답은 4kg의 80%인 3.2kg이 아니라, 4kg입니다. 이에 따라 보기에서 정답은 "75"가 됩니다.
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14. 복사열전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 방사율(emissivity)은 같은 온도에서 흑체가 방사한 에너지에 대한 실제 표면에서 방사된 에너지의 비율로 정의된다.
  2. 열복사의 파장범위는 1000μm보다 큰 파장 영역에 존재한다.
  3. 흑체는 표면에 입사되는 모든 복사를 흡수하며, 가장 많은 복사에너지를 방출한다.
  4. 두 물체 간의 복사열전달량은 온도 차이뿐만 아니라 각 물체의 절대 온도에도 의존한다.
(정답률: 57%)
  • 열복사의 파장범위는 1000μm보다 큰 파장 영역에 존재한다는 설명이 옳지 않습니다. 실제로 열복사는 0.1μm에서 100μm 사이의 파장 범위에서 일어나며, 이를 중간적인 파장대라고 부릅니다. 이 범위에서는 대부분의 물질이 열복사를 일으키기 때문에, 열화상 카메라 등에서 이 파장대를 이용하여 물체의 온도를 측정할 수 있습니다.
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15. 고정 고체층(고정상) 침출(leaching)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 고체는 추출이 끝날 때까지 탱크 내에 고정된다.
  2. 일반적으로 맞흐름(향류) 조작을 한다.
  3. 불투과성 고체인 경우에 사용한다.
  4. 휘발성 용매를 사용하는 경우, 밀폐된 공간에서 가압하에 조작한다.
(정답률: 38%)
  • 고정 고체층 침출은 고체를 추출할 때 사용하는 방법으로, 추출이 끝날 때까지 고체가 탱크 내에 고정되어 있는 것이 특징입니다. 일반적으로 맞흐름(향류) 조작을 하며, 휘발성 용매를 사용하는 경우에는 밀폐된 공간에서 가압하에 조작합니다. 따라서, 옳지 않은 설명은 "불투과성 고체인 경우에 사용한다." 입니다. 불투과성 고체는 침출이 어렵기 때문에 다른 방법을 사용해야 합니다.
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16. 개방된 원통형 탱크에 비압축성 물질 A와 물질 B가 있다. B의 밀도는 A의 밀도의 20배이고, B는 바닥 배출구를 통해 배출된다. A의 높이(h1)가 10m, B의 높이(h2)가 1m일 때, 정상상태에서 B의 배출 유속[mㆍs-1]은? (단, 모든 마찰과 A의 하강속도는 무시하며, A의 수면과 B의 배출구에서 대기압은 같고, 중력가속도는 10mㆍs-2이다)

  1. 3
  2. √30
  3. √180
  4. √220
(정답률: 21%)
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17. 닫힌계에서 1kg의 물이 120°C의 일정 온도와 200kPa의 일정 압력에서 모두 기화될 때 내부에너지 변화(ΔU)[kJ]는? (단, 모든 과정은 가역과정으로 과정 중 2700kJ의 열이 가해지며, 이 조건에서 수증기의 비부피는 0.9m3ㆍkg-1이고, 물의 비부피는 매우 작아 무시한다)

  1. 180
  2. 2520
  3. 2700
  4. 2880
(정답률: 47%)
  • 내부에너지 변화(ΔU)는 열과 일의 합으로 나타낼 수 있습니다. 여기서는 가역과정이므로, 열과 일의 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

    열의 변화: Q = ΔH = 2700 kJ (단, ΔH는 엔탈피 변화)

    일의 변화: W = PΔV = P(Vg - Vf) = 200 kPa × (0.9 m3/kg - 0 m3/kg) = 180 kJ (단, P는 압력, Vg은 수증기의 비부피, Vf는 물의 비부피)

    따라서, 내부에너지 변화(ΔU)는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    ΔU = Q + W = 2700 kJ + 180 kJ = 2520 kJ

    따라서, 정답은 "2520"입니다.
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18. 무차원 수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. Schmidt수는 총온도구배에 대한 표면에서의 온도구배의 비율로 나타낸다.
  2. Prandtl수는 열확산도에 대한 운동량 확산도의 비율로 나타낸다.
  3. Grashof수는 점성력에 대한 부력의 비율로 나타낸다.
  4. Stanton수는 유체의 열용량에 대한 유체에 전달된 열의 비율로 나타낸다.
(정답률: 49%)
  • "Schmidt수는 총온도구배에 대한 표면에서의 온도구배의 비율로 나타낸다."가 옳은 설명입니다.

    Schmidt수는 질량 확산과 모멘텀 확산의 비율을 나타내는 무차원 수입니다. 이는 유체 내에서 물질이 얼마나 빠르게 확산되는지를 나타내는 지표입니다. 따라서 "Prandtl수는 열확산도에 대한 운동량 확산도의 비율로 나타낸다.", "Grashof수는 점성력에 대한 부력의 비율로 나타낸다.", "Stanton수는 유체의 열용량에 대한 유체에 전달된 열의 비율로 나타낸다."는 모두 틀린 설명입니다.
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19. 펌프에서 일어나는 공동화 현상을 피하기 위해 할 수 있는 것은?

  1. 펌프 전단에 있는 저장조를 더 높은 곳에 설치한다.
  2. 저장조에서 펌프로 유체를 보내는 파이프의 직경을 작게 한다.
  3. 펌프의 임펠러 속도를 증가시킨다.
  4. 유체의 온도를 높인다.
(정답률: 33%)
  • 펌프 전단에 있는 저장조를 더 높은 곳에 설치하는 것은, 저장조에서 펌프로 유체를 보내는 파이프에 공기가 혼입되는 것을 방지하기 위한 것입니다. 저장조를 더 높은 곳에 설치하면, 유체가 펌프로 이동할 때 공기가 함께 이동하지 않고 저장조 상단으로 떠오르기 때문입니다. 이렇게 함으로써, 펌프에서 일어나는 공동화 현상을 피할 수 있습니다.
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20. 화학공정제어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 공정변수 중 입력변수는 조절변수와 외부교란변수로 나뉜다.
  2. 일반적으로 제어오차는 설정값에서 제어되는 변수의 측정값을 뺀 값이다.
  3. 외부교란변수는 측정을 통해 해당 공정을 효과적으로 제어하기 위해 이용된다.
  4. 입력변수는 공정에 대한 외부의 영향을 나타내고 출력변수는 외부에 대한 공정의 영향을 나타낸다.
(정답률: 32%)
  • 입력변수는 공정에 대한 외부의 영향을 나타내는 것이 아니라, 공정 내부에서 조절 가능한 변수를 의미합니다. 따라서 "입력변수는 공정에 대한 외부의 영향을 나타내고 출력변수는 외부에 대한 공정의 영향을 나타낸다."가 옳지 않은 설명입니다.

    외부교란변수는 공정에 영향을 미치는 외부 요인으로, 이를 측정하여 해당 공정을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 이는 공정 안정성과 품질 향상에 중요한 역할을 합니다.
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