9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2022-04-02)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2022-04-02 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2022-04-02 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 기체의 농도 400ppm에 해당하는 백분율 농도[%]는?

  1. 4
  2. 0.4
  3. 0.04
  4. 0.004
(정답률: 56%)
  • ppm(parts per million)은 $10^{6}$분율이며, 백분율(%)은 $10^{2}$분율입니다. 따라서 ppm 값에 $10^{-4}$를 곱하여 환산합니다.
    ① [기본 공식] $C\% = C_{ppm} \times 10^{-4}$
    ② [숫자 대입] $C\% = 400 \times 10^{-4}$
    ③ [최종 결과] $C\% = 0.04$
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2. 밸브(valve)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 체크 밸브(check valve)는 역류를 방지하기 위해 사용된다.
  2. 글로브 밸브(globe valve)는 유체의 흐름을 수직방향으로 바꾸기 위해 사용된다.
  3. 안전 밸브(safety valve)는 유체의 압력이 설정 압력을 초과하면 개방된다.
  4. 게이트 밸브(gate valve)가 반 정도 열렸을 때에는 유체의 흐름이 흐트러져서 와류가 생길 수 있다.
(정답률: 55%)
  • 글로브 밸브(globe valve)는 유체의 흐름을 수직으로 바꾸기 위한 것이 아니라, 유량을 정밀하게 조절(Throttling)하기 위해 사용되는 밸브입니다.

    오답 노트
    체크 밸브: 역류 방지용
    안전 밸브: 과압 방지용
    게이트 밸브: 개폐용(반개 시 와류 발생)
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3. 흑체의 온도를 2,000K에서 1,500K으로 낮출 때, 2,000K 대비 1,500K에서 방출되는 복사에너지의 비는?

  1. 81/256
  2. 9/16
  3. 16/9
  4. 256/81
(정답률: 47%)
  • 슈테판-볼츠만 법칙에 따라 흑체가 방출하는 복사에너지는 절대온도의 4제곱에 비례합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{E_{2}}{E_{1}} = (\frac{T_{2}}{T_{1}})^{4}$
    ② [숫자 대입] $\frac{E_{1500}}{E_{2000}} = (\frac{1500}{2000})^{4} = (\frac{3}{4})^{4}$
    ③ [최종 결과] $\frac{E_{1500}}{E_{2000}} = \frac{81}{256}$
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4. 이상 반응기(ideal reactor)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 반응기 내 온도와 반응물의 농도는 반응속도에 영향을 주는 인자이다.
  2. 회분식 반응기에서는 반응시간에 따라 반응물의 농도가 달라진다.
  3. 플러그 흐름 반응기(PFR)에서는 반응물이 흘러가며 반응이 일어난다.
  4. 연속교반 탱크 반응기(CSTR)는 정상상태에서 반응기 내부와 출구의 반응물 농도가 다르다.
(정답률: 52%)
  • 연속교반 탱크 반응기(CSTR)는 내부의 완전 혼합을 가정하므로, 정상상태에서 반응기 내부의 농도와 조성은 출구의 농도 및 조성과 동일합니다.

    오답 노트
    반응기 내 온도와 농도: 반응속도 식의 핵심 변수임
    회분식 반응기: 시간에 따라 농도가 변하는 비정상상태 공정임
    플러그 흐름 반응기(PFR): 위치에 따라 농도가 변하며 흐르는 구조임
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5. 다음 중 차원(dimension)이 다른 것은?

  1. 열용량(heat capacity)
  2. 기체 상수(gas constant)
  3. 몰 엔트로피(molar entropy)
  4. 볼츠만 상수(Boltzmann constant)와 아보가드로 상수(Avogadro constant)의 곱
(정답률: 26%)
  • 각 항목의 차원을 분석하면 기체 상수, 몰 엔트로피, 볼츠만 상수와 아보가드로 상수의 곱은 모두 에너지/온도($\text{J/K}$)의 차원을 갖지만, 열용량은 에너지/온도($\text{J/K}$)의 차원을 갖는 것처럼 보이나 실제로는 계 전체의 열용량과 몰당 열용량을 구분해야 하며, 여기서는 기체 상수 $R$의 차원($\text{J/mol}\cdot\text{K}$)과 비교했을 때 열용량의 차원이 다릅니다.

    오답 노트
    기체 상수: $\text{J/mol}\cdot\text{K}$
    몰 엔트로피: $\text{J/mol}\cdot\text{K}$
    볼츠만 상수 $\times$ 아보가드로 상수: $k_{B} \times N_{A} = R = \text{J/mol}\cdot\text{K}$
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6. 그림과 같은 구조의 원형관 속에서 비압축성 유체의 흐름이 정상상태 층류이고, 직경이 d인 2개의 관 속 유체의 거동은 같다. 직경이 4d인 관의 중심지점 A를 지나는 유체의 질량속도가 2kgs-1m-2일 때, 직경이 d인 관의 중심지점 B를 지나는 유체의 질량속도[kgs-1m-2]는? (단, 마찰손실은 무시한다.)

  1. 1
  2. 4
  3. 8
  4. 16
(정답률: 38%)
  • 질량 보존 법칙(연속 방정식)에 의해 유입되는 질량 유량은 유출되는 질량 유량의 합과 같습니다. 질량속도(질량속도 = 밀도 $\times$ 속도)를 $\rho v$라 할 때, 단면적 $A$를 곱한 값이 질량 유량입니다.
    ① [기본 공식] $\rho v_{A} A_{A} = 2 \rho v_{B} A_{B}$
    ② [숫자 대입] $2 \times \frac{\pi (4d)^{2}}{4} = 2 \times v_{B} \times \frac{\pi d^{2}}{4}$
    ③ [최종 결과] $v_{B} = \frac{16 \pi d^{2}}{2 \pi d^{2}} \times 2 = 16$
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7. 단면적이 일정한 원통형 수평관을 흐르는 유체에 Hagen-Poiseuille 식이 적용될 때, 관의 반지름, 관의 길이, 압력차(∆P)가 각각 2배로 커지면 부피 유량은 몇 배로 커지는가? (단, 유체의 점도는 일정하다.)

  1. 2
  2. 4
  3. 8
  4. 16
(정답률: 42%)
  • Hagen-Poiseuille 식에 따르면 부피 유량은 반지름의 4제곱과 압력차에 비례하고, 관의 길이에 반비례합니다.
    ① [기본 공식] $Q = \frac{\pi \Delta P R^{4}}{8 \mu L}$
    ② [숫자 대입] $Q' = \frac{\pi (2\Delta P) (2R)^{4}}{8 \mu (2L)} = \frac{2 \times 16}{2} \times \frac{\pi \Delta P R^{4}}{8 \mu L}$
    ③ [최종 결과] $Q' = 16Q$
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8. 유체의 열확산계수(thermal diffusivity)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. m2s-1을 단위로 사용할 수 있다.
  2. 유체의 열전도도, 밀도, 점도를 이용하여 계산할 수 있다.
  3. 다른 조건이 같을 때, 유체의 밀도가 클수록 열확산계수는 더 작다.
  4. 유체 운동이 없을 때의 열확산식(heat diffusion equation)에서 계수로 사용된다.
(정답률: 36%)
  • 열확산계수는 물질이 열을 얼마나 빠르게 전달하는지를 나타내는 척도로, 열전도도, 밀도, 비열의 관계로 정의됩니다. 점도는 열확산계수를 계산하는 공식에 포함되지 않는 변수입니다.
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9. 단면적 0.1m2, 길이 2m의 원형 칼럼(column) 내부에 밀도 1,000kgm-3인 흡착제 A와 밀도 2,500kgm-3인 흡착제 B를 각각 1m씩 충진하였다. 흡착제 A와 B의 질량이 각각 60kg과 50kg일 때, 전체 칼럼 내부의 공극률(voidage)[%]은? (단, 흡착제 A와 B는 서로 섞이지 않는다.)

  1. 30
  2. 40
  3. 50
  4. 60
(정답률: 14%)
  • 전체 칼럼의 부피에서 흡착제 입자가 차지하는 실제 부피를 뺀 나머지 공간이 공극 부피이며, 이를 전체 부피로 나누어 공극률을 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $ \epsilon = \frac{V_{total} - (\frac{m_A}{\rho_A} + \frac{m_B}{\rho_B})}{V_{total}} \times 100 $
    ② [숫자 대입]
    $ \epsilon = \frac{(0.1 \times 2) - (\frac{60}{1,000} + \frac{50}{2,500})}{0.1 \times 2} \times 100 $
    ③ [최종 결과]
    $ \epsilon = 60 $
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10. 지열을 이용하는 카르노 열펌프(Carnot heat pump)로 온실을 난방하고 있다. 지열의 열원 온도가 280K이고 온실의 열손실이 6kW일 때, 온실 온도를 300K으로 유지하기 위해 열펌프를 가동하는 데 필요한 최소 동력의 양[W]은?

  1. 375
  2. 400
  3. 425
  4. 450
(정답률: 30%)
  • 카르노 열펌프의 성적계수(COP) 공식을 이용하여 필요한 최소 동력을 구합니다. 온실 온도를 유지하기 위해 공급해야 하는 열량은 열손실량과 같습니다.
    ① [기본 공식] $COP = \frac{T_{H}}{T_{H} - T_{L}} = \frac{Q_{H}}{W}$
    ② [숫자 대입] $W = \frac{6000 \times (300 - 280)}{300}$
    ③ [최종 결과] $W = 400$
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11. 대형 개방 탱크 바닥에 연결된 2개의 소형 노즐 A, B를 통하여 물을 동시에 배출시킨다. 노즐 A의 단면적이 노즐 B의 단면적의 2배일 때, 노즐 출구의 유속[ms-1]과 유량[m3s-1]에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 마찰손실은 무시한다.)

  1. 노즐 A와 노즐 B의 출구 유속은 같다.
  2. 노즐 A와 노즐 B의 출구 유량은 같다.
  3. 노즐 출구의 유속은 중력가속도와 무관하다.
  4. 노즐 B의 출구 유속은 노즐 A의 출구 유속의 2배이다.
(정답률: 34%)
  • 베르누이 방정식에 따라 마찰을 무시할 때, 개방 탱크 바닥 노즐의 출구 유속은 탱크의 액위(높이)에만 의존하며 노즐의 단면적과는 무관합니다. 따라서 단면적이 다르더라도 두 노즐의 출구 유속은 동일합니다.

    오답 노트
    출구 유량: 유량은 유속 $\times$ 단면적이므로 단면적이 2배인 노즐 A의 유량이 더 큼
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12. 0.5M의 NaOH 용액 5L를 완전히 중화하는 데 필요한 0.1M H2SO4 용액의 부피[L]는?

  1. 5
  2. 12.5
  3. 25
  4. 37.5
(정답률: 52%)
  • 산과 염기의 중화 반응에서 당량수(몰수 $\times$가수)가 같아야 완전히 중화됩니다. $\text{NaOH}$는 1가 염기이고 $\text{H}_2\text{SO}_4$는 2가 산임을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{N}_{\text{acid}} \times \text{V}_{\text{acid}} = \text{N}_{\text{base}} \times \text{V}_{\text{base}}$
    ② [숫자 대입] $0.1 \times 2 \times \text{V} = 0.5 \times 1 \times 5$
    ③ [최종 결과] $\text{V} = 12.5$
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13. 화학공장 운영에 관한 비용추정에서 총생산비용을 제조비용과 일반경비로만 분류할 때, 일반경비에 해당하는 것은?

  1. 생산설비의 감가상각비
  2. 생산 제품의 운송 및 판매비용
  3. 제품 생산을 위한 원료 구입비
  4. 제품 생산을 위한 특허 사용료
(정답률: 43%)
  • 총생산비용 중 제조비용은 제품을 만드는 과정에서 발생하는 직접적인 비용(원료비, 감가상각비, 특허료 등)을 의미하며, 일반경비는 제조 이후의 관리, 마케팅, 운송 및 판매와 관련된 간접 비용을 의미합니다.
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14. 피드백(feedback) 제어에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 비례(P) 제어기에서는 잔류편차(offset)가 존재한다.
  2. 비례－적분(PI) 제어기에서는 정상상태에서 잔류편차가 없어진다.
  3. 비례－미분(PD) 제어기에서 미분 동작은 빠른 시간 내에 잔류편차를 제거한다.
  4. 비례－적분－미분(PID) 제어기는 느린 제어 공정인 온도 및 농도 제어에 널리 이용된다.
(정답률: 45%)
  • 미분 동작은 오차의 변화율에 반응하여 제어 속도를 높이고 오버슈트를 억제하는 역할을 하지만, 잔류편차(offset)를 제거하는 기능은 없습니다. 잔류편차를 제거하는 것은 적분(I) 동작의 핵심 역할입니다.

    오답 노트
    비례-미분(PD) 제어기: 잔류편차 제거 불가
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15. 단일 성분의 다상계 평형(multiphase equilibrium)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 삼중점에서 자유도는 0이다.
  2. 기체는 임계온도 이상에서 응축될 수 있다.
  3. 이슬점에서 온도가 내려가면 평형 상태의 증기가 응축된다.
  4. 순수한 성분의 증기와 액체가 평형 상태일 때의 압력이 증기압이다.
(정답률: 45%)
  • 임계온도는 기체가 아무리 높은 압력을 가해도 액체로 응축될 수 없는 한계 온도입니다. 따라서 임계온도 이상에서는 응축될 수 없으므로 기체는 임계온도 이상에서 응축될 수 있다는 설명은 틀린 것입니다.
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16. 상대 습도에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 포화 습도에 대한 절대 습도의 비이다.
  2. 수증기로 포화된 공기의 절대 습도를 의미한다.
  3. 수증기의 포화 증기압에 대한 수증기 분압의 비이다.
  4. 건조 기체 1kg에 동반되는 수증기의 질량을 kg수로 나타낸 것이다.
(정답률: 41%)
  • 상대 습도는 특정 온도에서 공기가 가질 수 있는 최대 수증기압(포화 증기압)에 대해 현재 실제로 포함하고 있는 수증기 분압의 비율을 의미합니다.

    오답 노트
    포화 습도에 대한 절대 습도의 비: 이는 습구 온도나 다른 정의와 혼동될 수 있는 표현임
    수증기로 포화된 공기의 절대 습도: 포화 습도의 정의
    건조 기체 1kg당 수증기 질량: 절대 습도의 정의
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17. 단일 유체가 원통형 관 내부에서 난류(turbulent flow)로 흐를 때, 벽(wall) 근처와 난류중심(turbulent core)에서의 속도구배와 온도구배에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 속도구배와 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 작다.
  2. 속도구배와 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 크다.
  3. 속도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 크며, 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 작다.
  4. 속도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 작으며, 온도구배는 벽 근처보다 난류중심에서 더 크다.
(정답률: 21%)
  • 난류 흐름에서 벽 근처(점성 저층)는 점성의 영향이 지배적이어서 속도와 온도의 변화가 매우 급격하며, 난류 중심부는 강한 혼합으로 인해 구배가 매우 완만합니다. 따라서 속도구배와 온도구배 모두 벽 근처보다 난류중심에서 더 작습니다.
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18. Stokes 법칙이 적용되는 밀도 1kgm-3, 점도 2×10-5kgm-1s-1의 유체 내 구형 단일입자가 중력에 의해 자유침강(free settling)하고 있다. 구형입자의 종말속도는 2×10-3ms-1이고 항력계수(drag coefficient)가 1,000일 때, 입자의 지름[mm]은?

  1. 0.24
  2. 0.48
  3. 2.4
  4. 4.8
(정답률: 40%)
  • Stokes 법칙이 적용되는 층류 영역에서 항력계수 $C_D$와 레이놀즈 수 $Re$의 관계식을 이용하여 입자의 지름을 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $C_D = \frac{24}{Re} = \frac{24}{\frac{\rho v d}{\mu}}$
    ② [숫자 대입] $1000 = \frac{24 \times (2 \times 10^{-5})}{(1 \times 2 \times 10^{-3}) \times d}$
    ③ [최종 결과] $d = 2.4 \times 10^{-4} \text{ m} = 0.24 \text{ mm}$
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19. 그림 (가), (나)와 같이 2개의 단열재가 직렬로 연결된 평면 벽을 통한 정상상태 열전도가 있다. (가)와 (나)에서 벽의 두께 방향으로의 열흐름속도 및 열흐름면적이 같을 때, (가)의 온도구배 △T1과 (나)의 온도구배 △T2의 비(△T1/△T2)는? (단, d와 k는 각각 임의의 벽 두께와 열전도도 값이다.)

  1. 1/3
  2. 1/2
  3. 2/3
  4. 3/4
(정답률: 52%)
  • 정상상태 열전도에서 열흐름속도($q$)가 일정할 때, 푸리에의 열전도 법칙에 따라 온도구배 $\Delta T$는 열전도도 $k$와 두께 $d$의 곱에 비례합니다.
    각 경우의 온도구배 식은 $\Delta T = q \times \frac{d}{k}$ (면적 $A=1$가정) 입니다.

    (가)의 온도구배: $\Delta T_{1} = q \times \frac{d}{2k}$
    (나)의 온도구배: $\Delta T_{2} = q \times \frac{d/2}{2k} = q \times \frac{d}{4k}$

    두 온도구배의 비를 계산하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\frac{\Delta T_{1}}{\Delta T_{2}} = \frac{q \times \frac{d}{2k}}{q \times \frac{d}{4k}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{\Delta T_{1}}{\Delta T_{2}} = \frac{\frac{1}{2}}{\frac{1}{4}}$
    ③ [최종 결과] $\frac{\Delta T_{1}}{\Delta T_{2}} = 2$

    ※ 제시된 정답 2/3는 주어진 이미지의 조건($\Delta T_{1}$과 $\Delta T_{2}$의 정의 및 수치)과 계산 결과가 일치하지 않는 것으로 판단되나, 요청하신 정답 2/3를 도출하기 위한 논리적 근거가 기존 해설에 없으므로 물리적 법칙에 따른 계산 결과는 2가 됩니다. 하지만 시스템 지침에 따라 정답 2/3를 유지해야 한다면 문제의 조건 설정(예: $\Delta T$가 전체 벽의 온도차인지 특정 층의 온도차인지)에 대한 재검토가 필요합니다.
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20. 비반응속도가 1h-1인 1차 비가역 액상반응 A → B가 일어나는 연속교반 탱크 반응기(CSTR)를 등온의 정상상태에서 4h의 공간시간으로 운전하고 있다. 기존 반응기와 같은 전환율을 얻을 수 있는 신규 CSTR을 설계할 때 새로운 촉매를 사용하여 비반응속도를 2.5h-1로 증가시켰다면, 기존 반응기 대비 신규 반응기의 부피 비는? (단, 반응물, 공급 유량, 운전 온도는 기존 반응기와 신규 반응기에서 같다.)

  1. 0.4
  2. 0.5
  3. 0.6
  4. 0.7
(정답률: 59%)
  • CSTR에서 1차 반응의 전환율이 일정할 때, 공간시간 $\tau$와 반응속도상수 $k$의 곱은 일정합니다. 따라서 부피 비는 반응속도상수의 역수 비와 같습니다.
    ① [기본 공식] $\frac{V_{new}}{V_{old}} = \frac{k_{old}}{k_{new}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{V_{new}}{V_{old}} = \frac{1}{2.5}$
    ③ [최종 결과] $\frac{V_{new}}{V_{old}} = 0.4$
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1

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