9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2021-04-17)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2021-04-17 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2021-04-17 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 표는 25°C에서 물질 A~D에 대한 표준생성엔탈피(△Hf°)이다.

25°C에서 2mol의 A와 충분한 양의 B를 반응시킬 때, 다음 반응에 대한 표준반응엔탈피[kJ]는?

  1. －30
  2. －15
  3. 25
  4. 449.5
(정답률: 77%)
  • 표준반응엔탈피는 생성물의 표준생성엔탈피 합에서 반응물의 표준생성엔탈피 합을 빼서 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta H^{\circ} = \sum n \Delta H_{f, \text{products}}^{\circ} - \sum m \Delta H_{f, \text{reactants}}^{\circ}$
    ② [숫자 대입] $\Delta H^{\circ} = [4(-250.5) + (-602)] - [2(-272) + (-1030)]$
    ③ [최종 결과] $\Delta H^{\circ} = -30$
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2. 베르누이식 의 가정이 아닌 것은? (단, P는 압력, ρ는 밀도, u는 유체의 평균 유속, g는 중력가속도, z는 높이이다)

  1. 마찰 손실이 없음
  2. 축일이 없음
  3. 정상상태
  4. 압축성 유체
(정답률: 76%)
  • 베르누이 방정식 $\frac{\Delta P}{\rho} + \frac{\Delta u^2}{2} + g\Delta z = 0$은 유체의 흐름이 이상적이라는 가정하에 성립합니다. 베르누이 식의 기본 가정은 비점성(마찰 손실 없음), 비압축성, 정상상태 흐름, 그리고 외부로부터의 축일이 없는 상태여야 합니다.

    오답 노트
    압축성 유체: 베르누이 식은 밀도가 일정하다는 비압축성 유체를 가정하므로 틀린 설명입니다.
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3. 화학공정의 개발 및 건설 과정을 시작부터 순서대로 바르게 나열한 것은?

  1. 기초연구→공정개발연구→공정 설계→플랜트 설계→플랜트 건설
  2. 공정개발연구→기초연구→공정 설계→플랜트 설계→플랜트 건설
  3. 기초연구→플랜트 설계→공정개발연구→공정 설계→플랜트 건설
  4. 공정 설계→기초연구→공정개발연구→플랜트 설계→플랜트 건설
(정답률: 72%)
  • 화학공정의 일반적인 개발 흐름은 기초적인 원리를 연구한 후, 이를 실제 공정으로 개발하고, 상세 설계 및 플랜트 건설 단계로 진행됩니다.
    기초연구 $\rightarrow$ 공정개발연구 $\rightarrow$ 공정 설계 $\rightarrow$ 플랜트 설계 $\rightarrow$ 플랜트 건설 순으로 진행되는 것이 타당합니다.
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4. 일정 시점에 기업이 보유하고 있는 자산, 부채, 자본의 구성 상태를 나타내는 재무제표는?

  1. 재무상태표
  2. 포괄손익계산서
  3. 현금흐름표
  4. 자본변동표
(정답률: 72%)
  • 재무상태표는 특정 시점 현재 기업이 보유하고 있는 자산, 부채, 자본의 상태를 나타내는 정적 보고서입니다.

    오답 노트
    포괄손익계산서: 일정 기간 동안의 경영 성과(수익, 비용)를 나타냄
    현금흐름표: 일정 기간 동안의 현금 유입과 유출을 나타냄
    자본변동표: 일정 기간 동안 자본의 변동 내역을 나타냄
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5. 100kPa, 60°C에서 상대습도가 80%인 습한 공기가 100molㆍh-1로 제습기에 들어간다. 제습기가 공기 중 수분의 62.5%를 응축시킬 때, 응축기를 나가는 기체 중 수증기의 몰분율은? (단, 60°C에서 포화수증기압은 20kPa이다)

  1. 1/30
  2. 1/15
  3. 1/3
  4. 2/3
(정답률: 42%)
  • 상대습도 정의를 이용해 입구의 수증기 몰분율을 구하고, 제습 후 남은 수증기량과 건조 공기량의 비율로 최종 몰분율을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{입구 수증기 분압 } P_w = \text{포화수증기압 } P_{sat} \times \text{상대습도 } \phi$$
    $$\text{몰분율 } y = \frac{n_w}{n_w + n_{air}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$P_w = 20 \times 0.8 = 16 \text{ kPa}$$
    $$\text{입구 수증기 몰분율 } y_{in} = \frac{16}{100} = 0.16$$
    $$\text{입구 수증기량 } n_{w, in} = 100 \times 0.16 = 16 \text{ mol/h}, \text{ 건조공기량 } n_{air} = 100 - 16 = 84 \text{ mol/h}$$
    $$\text{출구 수증기량 } n_{w, out} = 16 \times (1 - 0.625) = 6 \text{ mol/h}$$
    ③ [최종 결과]
    $$y_{out} = \frac{6}{6 + 84} = \frac{6}{90} = \frac{1}{15}$$
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6. 그림은 회분식 반응기에서 일어나는 메테인(CH4)의 완전연소 반응이다. 반응물이 100mol의 메테인과 300mol의 산소일 때, 반응 후 남은 산소와 생성된 물의 몰수의 합(n2＋n4)[mol]은? (단, 메테인의 전화율(fractional conversion)은 80%이다)

  1. 160
  2. 240
  3. 300
  4. 380
(정답률: 68%)
  • 메테인의 완전연소 반응식은 $\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$ 입니다. 전화율이 $80\%$이므로 반응한 메테인의 양을 통해 소모된 산소와 생성된 물의 양을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{반응량} = \text{초기량} \times \text{전화율}$$
    $$\text{남은 산소 } n_2 = n_{\text{O}_2, 0} - 2 \times \text{반응한 } \text{CH}_4$$
    $$\text{생성된 물 } n_4 = 2 \times \text{반응한 } \text{CH}_4$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{반응한 } \text{CH}_4 = 100 \times 0.8 = 80 \text{ mol}$$
    $$n_2 = 300 - (2 \times 80) = 140 \text{ mol}$$
    $$n_4 = 2 \times 80 = 160 \text{ mol}$$
    ③ [최종 결과]
    $$n_2 + n_4 = 140 + 160 = 300 \text{ mol}$$
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7. 내경 1cm인 원통형 파이프1과 내경 2cm인 원통형 파이프2가 직렬로 연결된 상태에서 물이 파이프 내부를 정상상태 흐름으로 흐를 때, 파이프1에서의 물의 평균유속은 파이프2에서의 물의 평균유속의 몇 배인가?

  1. 0.25
  2. 2
  3. 4
  4. 8
(정답률: 63%)
  • 연속 방정식에 의해 직렬 연결된 파이프에서 유량은 일정합니다. 유속은 단면적에 반비례하므로, 내경의 제곱의 역수비로 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $v_{1} A_{1} = v_{2} A_{2} \implies \frac{v_{1}}{v_{2}} = \frac{d_{2}^{2}}{d_{1}^{2}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{v_{1}}{v_{2}} = \frac{2^{2}}{1^{2}}$
    ③ [최종 결과] $\frac{v_{1}}{v_{2}} = 4$
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8. 황사현상이 심한 날 대기 중에 떠 있는 부유 분진량을 측정하기 위하여 대기흡입유량이 1.0m3ㆍmin-1인 분진 포집기를 이용하여 24시간 동안 포집한 분진의 양이 720mg일 때, 대기 중 부유 분진의 농도[μgㆍm-3]는?

  1. 300
  2. 400
  3. 500
  4. 600
(정답률: 69%)
  • 총 포집된 분진의 양을 전체 흡입 유량으로 나누어 농도를 계산합니다. 단위 환산($\text{mg} \rightarrow \mu\text{g}$, $\text{min} \rightarrow \text{hr}$)에 주의하세요.
    ① [기본 공식] $C = \frac{M}{Q \times t}$
    ② [숫자 대입] $C = \frac{720 \times 10^{3}}{1.0 \times 60 \times 24}$
    ③ [최종 결과] $C = 500$
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9. 유체에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 전단응력(shear stress)은 전단력을 전단면적으로 나눈 값이다.
  2. 운동점도(kinematic viscosity)는 유체의 점도를 밀도로 나눈 값이다.
  3. 뉴튼 유체(Newtonian fluid)는 전단응력과 속도구배가 비례관계이다.
  4. 빙햄 유체(Bingham fluid)는 전단응력이 작아질수록 점도가 0에 수렴한다.
(정답률: 59%)
  • 빙햄 유체는 일정한 항복 응력(yield stress) 이상이 가해져야 흐르기 시작하는 비뉴턴 유체입니다. 전단응력이 작아져 항복 응력 이하가 되면 흐르지 않으므로 점도가 0에 수렴한다는 설명은 틀렸습니다.

    오답 노트
    전단응력: 전단력을 면적으로 나눈 정의가 맞음
    운동점도: 절대점도를 밀도로 나눈 정의가 맞음
    뉴튼 유체: 전단응력과 속도구배가 선형 비례하는 유체가 맞음
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10. 판형 열교환기의 한쪽 벽면을 내부식성 소재로 코팅하고자 한다. 코팅제의 코팅 두께는 2μm이고 열교환기 금속 재질의 두께는 1cm일 때, 코팅으로 인한 단위 면적당 열전도 저항의 증가율[%]은? (단, 정상상태 조건에서 벽을 통한 1차원 전도이며, 열교환기 금속 재질과 코팅제 소재의 열전도도는 각각 10Wㆍm-1ㆍK-1, 2.0×10-2Wㆍm-1ㆍK-1이다)

  1. 5
  2. 10
  3. 15
  4. 20
(정답률: 59%)
  • 단위 면적당 열전도 저항은 두께를 열전도도로 나눈 값의 합으로 계산하며, 코팅 전후의 저항 차이를 통해 증가율을 구합니다.
    ① [기본 공식] $\text{증가율} = \frac{R_{\text{total}} - R_{\text{metal}}}{R_{\text{metal}}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $\text{증가율} = \frac{(\frac{0.01}{10} + \frac{2 \times 10^{-6}}{2.0 \times 10^{-2}}) - \frac{0.01}{10}}{\frac{0.01}{10}} \times 100$
    ③ [최종 결과] $\text{증가율} = 10$
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11. 레이놀즈(Reynolds)수의 물리적 의미는?

  1. 마찰력/점성력
  2. 관성력/점성력
  3. 압력/관성력
  4. 부력/점성력
(정답률: 69%)
  • 레이놀즈수는 유체 흐름에서 관성력과 점성력의 상대적인 크기를 나타내는 무차원 수로, 흐름이 층류인지 난류인지를 결정하는 척도가 됩니다.
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12. 열전달의 방법 중 복사(radiation)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 복사 열전달에는 전달물질이 필요 없다.
  2. 흑체에서 단위 면적당 복사 에너지 방출 속도는 절대 온도의 네제곱에 비례한다.
  3. 복사에 의한 에너지 전달량은 에너지가 교환되는 두 면이 완전진공에 의해 분리되어 있을 때 최소가 된다.
  4. 흑체는 들어오는 복사 에너지를 반사하거나 투과하지 않는다.
(정답률: 68%)
  • 복사는 전자기파의 형태로 에너지가 전달되므로 매질이 없는 진공 상태에서도 열전달이 가능합니다. 따라서 복사에 의한 에너지 전달량은 두 면이 완전진공에 의해 분리되어 있을 때 최소가 되는 것이 아니라, 오히려 진공 상태에서도 효율적으로 전달됩니다.
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13. 정압 비열의 정의는? (단, H는 단위 질량당 엔탈피, P는 압력, T는 절대 온도, V는 단위 질량당 부피이다)

(정답률: 71%)
  • 정압 비열은 압력이 일정할 때, 단위 질량의 온도를 $1\text{K}$ 올리는 데 필요한 열량으로 정의되며, 이는 정압 조건에서의 엔탈피 변화율과 같습니다. 따라서 정답은 즉, $(\frac{\partial H}{\partial T})_{P}$ 입니다.
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14. 벤젠과 톨루엔의 혼합물이 기－액 평형을 이루고 있다. 기상에서 벤젠의 몰분율이 0.6일 때, 액상에서 톨루엔의 몰분율은? (단, 기체는 이상기체, 액상은 이상용액이며, 벤젠과 톨루엔의 증기압은 각각 1bar, 0.4bar이다)

  1. 0.5
  2. 0.625
  3. 0.75
  4. 0.875
(정답률: 52%)
  • 라울의 법칙과 달톤의 분압 법칙을 이용하여 액상 몰분율을 구합니다. 벤젠(A)과 톨루엔(B)의 관계식 $\frac{y_A}{x_A} = \frac{P_A^*}{P}$를 이용하며, 전체 압력 $P = x_A P_A^* + (1-x_A) P_B^*$ 입니다.
    ① [기본 공식] $x_A = \frac{y_A P_B^*}{y_A P_B^* + (1-y_A) P_A^*}$
    ② [숫자 대입] $x_A = \frac{0.6 \times 0.4}{0.6 \times 0.4 + (1-0.6) \times 1} = \frac{0.24}{0.24 + 0.4} = 0.375$
    ③ [최종 결과] $x_B = 1 - 0.375 = 0.625$
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15. 아세톤(acetone)과 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone)의 혼합물이 기－액 평형을 이루고 있는 계의 경우와 같은 자유도(degree of freedom) 수를 갖는 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄹ
(정답률: 52%)
  • 깁스의 자유도 공식 $F = C - P + 2$를 사용합니다. 아세톤과 메틸에틸케톤의 기-액 평형계는 성분 수 $C=2$, 상 수 $P=2$이므로 자유도 $F = 2 - 2 + 2 = 2$입니다.
    ㄴ. 수증기 및 질소 혼합물과 액체 물: $C=2$ (물, 질소), $P=2$ (기상, 액상) $\rightarrow F=2$
    ㄷ. 에탄올 수용액과 그 증기: $C=2$ (에탄올, 물), $P=2$ (기상, 액상) $\rightarrow F=2$

    오답 노트
    ㄱ. 순수 물의 기-액 평형: $C=1, P=2 \rightarrow F=1$
    ㄹ. 순수 메탄올의 삼중점: $C=1, P=3 \rightarrow F=0$
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16. 부피가 50.0cm3인 빈 비중병의 질량이 13.0g이다. 이 비중병에 분체를 가득 채운 후 측정한 질량은 37.0g이다. 분체로 가득 찬 비중병에 증류수를 넘치기 직전까지 넣었을 때 측정한 증류수의 부피가 30.0cm3이다. 이 분체의 겉보기밀도가 0.90gㆍcm-3일 때, 공극률은? (단, 분체로 가득 찬 비중병에 증류수를 넣을 때 증류수를 조금씩 천천히 넣어 분체 내부에 있는 기포를 완전히 제거하였고, 비중병으로부터 넘쳐 나온 분체는 전혀 없다)

  1. 0.20
  2. 0.25
  3. 0.30
  4. 0.35
(정답률: 46%)
  • 공극률은 전체 부피 중 빈 공간(공극)이 차지하는 비율을 의미합니다. 분체로 가득 찬 비중병에 들어간 증류수의 부피가 곧 공극의 부피가 됩니다.
    ① [기본 공식] $\epsilon = \frac{V_{void}}{V_{total}}$
    ② [숫자 대입] $\epsilon = \frac{30.0}{50.0}$
    ③ [최종 결과] $\epsilon = 0.6$
    앗, 정답이 0.25인 경우 문제의 조건 중 겉보기밀도를 활용한 진밀도 계산이 필요합니다. 분체의 질량은 $37.0 - 13.0 = 24.0\text{g}$이며, 진부피는 $V_{true} = \frac{24.0}{0.90 \div (1-0.25)}$ 식의 구조가 아닌, 주어진 겉보기밀도 $\rho_{bulk} = 0.90\text{g/cm}^3$와 실제 질량을 통해 계산합니다.
    분체의 실제 부피 $V_{true} = \frac{24.0}{0.90 \div 0.75}$가 아니라, 공극률 $\epsilon = 1 - \frac{\rho_{bulk}}{\rho_{true}}$ 입니다. 여기서 $\rho_{true} = \frac{24.0}{50.0 - 30.0} = 1.2\text{g/cm}^3$이므로, $\epsilon = 1 - \frac{0.90}{1.2} = 0.25$가 도출됩니다.
    ① [기본 공식] $\epsilon = 1 - \frac{\rho_{bulk}}{\rho_{true}}$
    ② [숫자 대입] $\epsilon = 1 - \frac{0.90}{1.2}$
    ③ [최종 결과] $\epsilon = 0.25$
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17. 일정한 온도에서 성분 A와 성분 B로 이루어진 라울(Raoult)의 법칙을 따르는 혼합물이 기－액 평형에 있다. 성분 B에 대한 성분 A의 상대 휘발도 αAB를 나타낸 것으로 옳은 것은? (단, 는 성분 i의 증기압, xi는 성분 i의 액상에서의 몰분율, yi는 성분 i의 기상에서의 몰분율을 나타낸다)

(정답률: 46%)
  • 라울의 법칙을 따르는 이성분계 혼합물에서 성분 B에 대한 성분 A의 상대 휘발도 $\alpha_{AB}$는 두 성분의 순수 증기압의 비로 정의됩니다.
    $$\alpha_{AB} = \frac{P_A^*}{P_B^*}$$
    따라서 가 정답입니다.
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18. 4단계의 가역공정(단열압축(A)→등온팽창(B)→단열팽창(C)→등온압축(D))으로 구성된 카르노사이클(Carnot cycle)의 T－S선도로 옳은 것은? (단, T는 절대 온도, S는 단위 몰당 엔트로피이다)

(정답률: 52%)
  • 카르노 사이클은 두 개의 등온 과정과 두 개의 단열 과정으로 구성됩니다. T-S 선도에서 등온 과정은 온도가 일정하므로 가로선으로, 단열 과정은 엔트로피가 일정하므로 세로선으로 나타납니다. 따라서 단열압축(S 일정, T 증가) $\rightarrow$ 등온팽창(T 일정, S 증가) $\rightarrow$ 단열팽창(S 일정, T 감소) $\rightarrow$ 등온압축(T 일정, S 감소)의 순서로 진행되는 직사각형 형태의 가 정답입니다.
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19. 지름이 2cm인 수평 원통관을 통하여 레이놀즈수가 240인 조건으로 유체를 수송하던 중, 관이 파손되어 새로운 관으로 교체하였다. 교체된 관의 지름이 4cm이고, 동일한 유체를 같은 부피 유량만큼 수송할 때, 레이놀즈수는?

  1. 120
  2. 160
  3. 240
  4. 480
(정답률: 32%)
  • 부피 유량 $Q$가 일정할 때, 레이놀즈수 $Re$는 관의 지름 $D$에 비례하고 유속 $u$에 비례합니다. 유량 $Q = u \times A$이므로 $u$는 $D^2$에 반비례하며, 결과적으로 $Re$는 $D$에 비례하는 관계가 성립합니다.
    ① [기본 공식] $Re_2 = Re_1 \times \frac{D_2}{D_1}$
    ② [숫자 대입] $Re_2 = 240 \times \frac{2}{4}$
    ③ [최종 결과] $Re_2 = 120$
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20. 20°C 공기 중에 부피 500mL의 직육면체 철판이 단열 바닥재 위에 놓여 있다. 철판이 220°C로 유지될 때, 철판으로부터 대류로 인한 열전달 속도[W]는? (단, 대류 열전달 계수는 10Wㆍm-2ㆍ°C-1이고 단열 바닥재에 놓여 있는 철판 접촉면의 가로, 세로 길이는 각각 20cm, 25cm이다. 열은 정상상태로 전달되며 공기의 온도는 일정하다)

  1. 100
  2. 118
  3. 200
  4. 218
(정답률: 33%)
  • 뉴턴의 냉각 법칙을 이용하여 대류 열전달 속도를 구하는 문제입니다. 이때 철판의 바닥면은 단열재 위에 놓여 있어 열전달이 일어나지 않으므로, 전체 표면적에서 바닥면적을 제외한 노출 면적만을 계산하는 것이 핵심입니다.
    철판의 부피가 $500\text{mL} = 500\text{cm}^3$이고 가로, 세로가 $20\text{cm}, 25\text{cm}$이므로 높이는 $1\text{cm}$입니다. 따라서 노출 면적 $A$는 상부면($20\times25$)과 4개의 측면($2\times(20\times1 + 25\times1)$)의 합인 $590\text{cm}^2 = 0.059\text{m}^2$가 됩니다.
    ① [기본 공식] $Q = h A (T_s - T_{\infty})$
    ② [숫자 대입] $Q = 10 \times 0.059 \times (220 - 20)$
    ③ [최종 결과] $Q = 118$
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