9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2024-03-23)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2024-03-23 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2024-03-23 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. Mach 수(Ma)는 다음과 같이 정의된다. 아음속(subsonic) 영역에 해당하는 Mach 수는? (단, u는 유속, a는 유체가 흐르는 조건에서의 음속이다)

  1. 0.5
  2. 1.0
  3. 1.5
  4. 5.0
(정답률: 77%)
  • 마하 수(Mach number)는 유속과 음속의 비로 정의되며, 아음속(subsonic) 영역은 유속이 음속보다 느린 $Ma < 1$ 인 구간을 의미합니다.
    ① [기본 공식] $Ma = \frac{u}{a}$
    ② [숫자 대입] (보기 중 $1$보다 작은 값 선택)
    ③ [최종 결과] $Ma = 0.5$
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2. 충격관(impact tube)과 정압관(static tube)에 가해지는 압력차를 측정하여 관내 유체의 국부 유속을 측정하는 장치는?

  1. 로터미터(rotameter)
  2. 벤투리 미터(Venturi meter)
  3. 피토관(Pitot tube)
  4. 점도계(viscometer)
(정답률: 77%)
  • 피토관은 유체의 흐름에 수직으로 설치된 충격관(전압 측정)과 평행하게 설치된 정압관(정압 측정)의 압력차를 이용하여 베르누이 방정식에 따라 유체의 국부 유속을 측정하는 장치입니다.
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3. 유체의 에너지를 증가시키기 위한 장치가 아닌 것은?

  1. 펌프(pump)
  2. 체크 밸브(check valve)
  3. 선풍기(fan)
  4. 송풍기(blower)
(정답률: 93%)
  • 펌프, 선풍기, 송풍기는 유체에 기계적 에너지를 가하여 압력이나 속도를 높여주는 에너지 증가 장치입니다. 반면, 체크 밸브는 유체가 한 방향으로만 흐르게 하고 역류를 방지하는 제어 장치이므로 에너지를 증가시키는 장치가 아닙니다.
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4. 제조원가에 포함되지 않는 것은?

  1. 신기술 탐색 연구비
  2. 제품 생산에 투입된 원료비
  3. 공장장의 노무비
  4. 공장 근로자의 노무비
(정답률: 80%)
  • 제조원가는 제품 생산 과정에서 직접적으로 발생하는 비용을 의미합니다. 신기술 탐색 연구비는 생산 단계가 아닌 연구 개발(R&D) 단계에서 발생하는 비용이므로 제조원가가 아닌 연구개발비로 분류됩니다.
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5. 농도에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 백만분율(parts per million)은 10-4%와 같다.
  2. 노말농도(normality)는 용매 kg당 용질의 당량 수로 나타낸다.
  3. 몰농도(molarity)는 용액 리터(L)당 용질의 몰 수로 나타내며, 온도에 따라 변한다.
  4. 몰랄농도(molality)는 용매 kg당 용질의 몰 수로 나타내며, 온도에 따라 변하지 않는다.
(정답률: 72%)
  • 노말농도는 용매의 질량이 아니라, 용액 $1 L$당 용질의 당량 수로 나타내는 농도 단위입니다.

    오답 노트
    백만분율: $1 ppm = 10^{-6} = 10^{-4} \%$이므로 옳음
    몰농도: 용액 부피 기준이므로 온도에 따라 변함
    몰랄농도: 용매 질량 기준이므로 온도에 무관함
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6. 반지름이 10μm이고 밀도가 1.1gcm-3인 구형 입자가 정지하고 있는 물 속에서 자유침강(free settling)할 때의 종말속도[cms-1]는? (단, 구형 입자에는 부력, 항력, 중력만이 작용하며, 물의 밀도는 1.0gcm-3, 물의 점도는 0.001Pas, 중력가속도는 9ms-2이다)

  1. 0.001
  2. 0.002
  3. 0.004
  4. 0.008
(정답률: 31%)
  • 스토크스 법칙(Stokes' Law)을 이용하여 구형 입자의 종말속도를 계산합니다. 입자 반지름 $10 \mu m = 10 \times 10^{-6} m$, 밀도 차 $\Delta \rho = (1.1 - 1.0) g/cm^3 = 100 kg/m^3$를 적용합니다.
    ① $v = \frac{2 r^2 g \Delta \rho}{9 \mu}$
    ② $v = \frac{2 \times (10 \times 10^{-6})^2 \times 9 \times 100}{9 \times 0.001}$
    ③ $v = 0.002$
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7. Nusselt 수와 Prandtl 수의 정의에 공통으로 사용되는 물성은?

  1. 대류 열전달계수(heat transfer coefficient)
  2. 열전도도(thermal conductivity)
  3. 점도(viscosity)
  4. 비열용량(specific heat capacity)
(정답률: 70%)
  • Nusselt 수( $Nu = \frac{hL}{k}$)와 Prandtl 수($$Pr = \frac{C_p \mu}{k}$$)의 정의 식을 보면, 두 무차원 수 모두 분모에 열전도도($$k$$)가 공통으로 포함되어 있음을 알 수 있습니다.
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8. 제작비용이 A인 1,000L 용량의 반응기를 10,000L 용량으로 스케일 업(scale-up) 한다면, 10,000L 용량 반응기의 추정 제작비용은? (단, 스케일 업에 따른 반응기의 추정 제작비용은 6/10 인자 법칙(six-tenths factor rule)을 따른다)

  1. 10×A0.6
  2. (10×A)0.6
  3. 100.6×A
  4. 0.6×10×A
(정답률: 27%)
  • 6/10 인자 법칙은 설비 용량이 증가함에 따라 비용이 지수적으로 증가한다는 원리로, 용량비의 0.6제곱에 비례하여 비용이 결정됩니다.
    ① $C_2 = C_1 \times (\frac{V_2}{V_1})^{0.6}$
    ② $C_2 = A \times (\frac{10000}{1000})^{0.6}$
    ③ $C_2 = 10^{0.6} \times A$
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9. 다음은 성분 A의 기체흡수에서 기－액 계면 근처의 몰분율을 나타낸 그림과 A의 물질전달속도(r)를 총괄 물질전달계수(Ky)로 나타낸 식이다. 계면으로의 물질전달속도는 계면으로부터의 물질전달속도와 같다. 액체 경막과 기체 경막의 물질전달계수는 각각 kx, ky이고, xA와 yA는 각각 벌크 액체와 벌크 기체의 몰분율이며, xA,i와 yA,i는 각각 기－액 계면에서 액체와 기체의 몰분율이라고 할 때, 1/Ky은? (단, 기체흡수는 이중경막론을 따르고, 는 xA와 평형을 이루는 기체의 몰분율이다)

(정답률: 24%)
  • 이중경막론에 따라 총괄 물질전달계수의 역수는 기체 경막 저항과 액체 경막 저항의 합으로 나타납니다. 액체 측 저항을 기체 몰분율 기준으로 환산하기 위해 평형 관계식의 기울기인 $\frac{dy_{A}}{dx_{A}}$ (또는 $m$)를 곱해주어야 합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\frac{1}{K_{y}} = \frac{1}{k_{y}} + \frac{m}{k_{x}}$$
    ② [숫자 대입]
    평형 관계에서 $m = \frac{y_{A,i} - y_{A}^{*}}{x_{A,i} - x_{A}}$이므로 이를 대입하면
    $$\frac{1}{K_{y}} = \frac{1}{k_{y}} + \frac{y_{A,i} - y_{A}^{*}}{k_{x}(x_{A,i} - x_{A})}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\frac{1}{K_{y}} = \frac{y_{A,i} - y_{A}^{*}}{k_{x}(x_{A,i} - x_{A})} + \frac{1}{k_{y}}$$
    따라서 정답은 입니다.
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10. 그림과 같이 무한한 두 평행판 사이에서 완전히 발달된 층류로 흐르는 비압축성 뉴턴유체(Newtonian fluid)에 대해 a와 b 지점 간의 압력차(Pa-Pb)는? (단, L은 a와 b 지점 간의 판 길이, 는 유체의 평균속도, μ는 유체의 점도, H는 판 사이의 간격이고, 유체는 정상상태로 x축 방향으로만 흐르며, 중력과 말단 영향(end effect)은 무시한다)

(정답률: 16%)
  • 평행판 사이의 층류 흐름에서 압력 강하는 뉴턴의 점성 법칙과 유체 역학적 평형을 통해 계산하며, 평균 속도 $\bar{v}$를 이용한 압력차 공식은 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\Delta P = \frac{12 \mu \bar{v} L}{H^{2}}$
    ② [숫자 대입] (주어진 변수 $\mu, \bar{v}, L, H$를 공식에 그대로 대입)
    ③ [최종 결과] $\Delta P = \frac{12 \mu \bar{v} L}{H^{2}}$
    따라서 정답은 입니다.
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11. 연속 분별 증류탑에서 최소 이론단수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 전환류(total reflux) 조건에서 최소 이론단수가 된다.
  2. 최소 이론단수는 상대휘발도(relative volatility)와 무관하다.
  3. 최소 이론단수일 때 탑밑 제품(bottom product)의 유량은 0이다.
  4. 최소 이론단수일 때 탑위 제품(overhead product)의 유량은 0이다.
(정답률: 31%)
  • 최소 이론단수는 전환류(total reflux) 조건에서 달성되며, 이때 필요한 단수는 성분 간의 상대휘발도(relative volatility)에 따라 결정되므로 상대휘발도와 밀접한 관련이 있습니다.
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12. 화학공정에서 사용되는 건조기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 단형 건조기(tray dryer)는 생산속도가 작을 때 유용하다.
  2. 박막 건조기(thin-film dryer)는 젖은 고체에서 용매를 회수하는 데 유용하다.
  3. 이중 드럼 건조기(double-drum dryer)는 연마성 고체(abrasive solid) 슬러리를 건조하는 데 적합하다.
  4. 스크린 컨베이어 건조기(screen-conveyor dryer)는 젖은 고체의 수분함량이 감소함에 따라 건조 조건이 상당히 바뀌어야 할 때 유용하다.
(정답률: 31%)
  • 이중 드럼 건조기는 드럼 표면에 슬러리를 얇게 도포하여 건조하는 방식으로, 고체 입자가 드럼 표면을 긁어내는 연마성 고체(abrasive solid) 슬러리를 처리하기에는 부적합합니다.
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13. 그림과 같이 원형관으로 연결된 수압기에서 왼쪽 관 수면에 수직으로 작용하는 힘(F1)이 40N일 때, 오른쪽 관 수면에 수직으로 작용하는 힘(F2)의 크기[N]는? (단, D1과 D2는 관의 지름이고, 두 수면의 높이는 같다)

  1. 10
  2. 20
  3. 30
  4. 40
(정답률: 77%)
  • 두 수면의 높이가 같으므로 수압은 동일하며, 수면에 작용하는 힘 $F$는 압력 $P$와 단면적 $A$의 곱($F = P \times A$)에 비례합니다. 따라서 힘의 비는 단면적의 비, 즉 지름의 제곱 비와 같습니다.
    ① [기본 공식] $F_2 = F_1 \times \frac{D_2^2}{D_1^2}$
    ② [숫자 대입] $F_2 = 40 \times \frac{20^2}{40^2}$
    ③ [최종 결과] $F_2 = 10$
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14. 성분 A와 B의 이성분계에서 Fick의 법칙으로 옳지 않은 것은? (단, JA와 JB는 각각 A와 B의 몰 플럭스(flux), jA는 A의 질량 플럭스, DAB와 DBA는 각각 A와 B의 확산계수, ∇cA와 ∇cB는 각각 A와 B의 몰농도 구배, ∇xA는 A의 몰분율 구배, ∇wA는 A의 질량분율 구배이고, c는 전체 몰농도로서 일정하다)

  1. JA = -DAB∇cA
  2. JA = -cDAB∇xA
  3. JB = -DBA∇cB
  4. jA = -DAB∇wA
(정답률: 54%)
  • Fick의 제1법칙은 확산 플럭스가 농도 구배에 비례한다는 원리입니다. 몰 플럭스 $J_A$는 몰농도 구배 $\nabla c_A$ 또는 몰분율 구배 $\nabla x_A$를 통해 정의되지만, 질량 플럭스 $j_A$를 정의할 때는 단순히 확산계수 $D_{AB}$와 질량분율 구배 $\nabla w_A$를 곱하는 것이 아니라 밀도 및 성분 함량을 고려한 별도의 관계식이 필요합니다.

    오답 노트
    $j_A = -D_{AB}\nabla w_A$: 질량 플럭스 정의에 필요한 밀도 및 농도 환산 계수가 누락되어 틀린 식입니다.
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15. 미국재료시험협회(ASTM) 규격에 따른 50 메시(mesh) 체의 단위면적당 체눈(screen opening) 개수(N50)와 100 메시 체의 단위면적당 체눈 개수(N100)의 비(N50:N100)는?

  1. 1 : 4
  2. 1 : 2
  3. 2 : 1
  4. 4 : 1
(정답률: 54%)
  • 메시(mesh) 수는 1인치당 체눈의 수를 의미하며, 단위면적당 체눈의 개수 $N$은 메시 수의 제곱에 비례합니다.
    ① [기본 공식] $N \propto (mesh)^2$
    ② [숫자 대입] $N_{50} : N_{100} = 50^2 : 100^2$
    ③ [최종 결과] $N_{50} : N_{100} = 2500 : 10000 = 1 : 4$
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16. 298K에서 각 반응의 표준 반응 엔탈피(△H°298)가 다음과 같을 때, 298K에서 CH4(g) ＋ 2O2(g) → CO2(g) ＋ 2H2O(g) 반응의 표준 반응 엔탈피[kJ]는?

  1. －940
  2. －800
  3. －560
  4. 700
(정답률: 67%)
  • 헤스의 법칙을 이용하여 주어진 반응식들의 엔탈피 합으로 목표 반응의 표준 반응 엔탈피를 계산합니다.
    목표 반응: $\text{CH}_{4}(g) + 2\text{O}_{2}(g) \rightarrow \text{CO}_{2}(g) + 2\text{H}_{2}\text{O}(g)$
    계산 과정: $\text{C}(s) + \text{O}_{2}(g) \rightarrow \text{CO}_{2}(g)$ 반응과 $2 \times [\text{H}_{2}(g) + \frac{1}{2}\text{O}_{2}(g) \rightarrow \text{H}_{2}\text{O}(g)]$ 반응을 더한 후, $\text{CH}_{4}(g) \rightarrow \text{C}(s) + 2\text{H}_{2}(g)$ 반응의 역반응을 더합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\Delta H = \Delta H_{1} + 2\Delta H_{2} - \Delta H_{3}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\Delta H = (-390) + 2(-240) - 70$$
    ③ [최종 결과]
    $$\Delta H = -800$$
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17. 성분 A와 B의 이성분계가 기－액 평형 상태에 있고, 이 온도에서 A의 증기압은 900mmHg, B의 증기압은 400mmHg이다. 전체 압력이 450mmHg일 때, A의 액상 몰분율(xA), A의 기상 몰분율(yA), B에 대한 A의 상대휘발도(αAB)는? (단, A와 B의 혼합물은 라울(Raoult)의 법칙과 돌턴(Dalton)의 부분 압력 법칙을 따른다)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 62%)
  • 라울의 법칙과 돌턴의 법칙을 이용하여 액상 몰분율, 기상 몰분율, 상대휘발도를 구합니다.
    ① 액상 몰분율 $x_{A}$
    $$P = x_{A}P_{A}^{\circ} + (1-x_{A})P_{B}^{\circ}$$
    $$450 = x_{A} \cdot 900 + (1-x_{A}) \cdot 400$$
    $$x_{A} = 0.1$$
    ② 기상 몰분율 $y_{A}$
    $$y_{A} = \frac{x_{A}P_{A}^{\circ}}{P}$$
    $$y_{A} = \frac{0.1 \cdot 900}{450}$$
    $$y_{A} = 0.2$$
    ③ 상대휘발도 $\alpha_{AB}$
    $$\alpha_{AB} = \frac{P_{A}^{\circ}}{P_{B}^{\circ}}$$
    $$\alpha_{AB} = \frac{900}{400}$$
    $$\alpha_{AB} = 2.25$$
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18. 이중관 열교환기의 원형 내관의 안지름과 두께는 각각 20mm, 5mm이다. 내관의 외부 표면적(outside surface area)을 기준으로 한 총괄 열전달계수(Uo)에 대한 내부 표면적(inside surface area)을 기준으로 한 총괄 열전달계수(Ui)의 비(Ui/Uo)는? (단, 이중관 열교환기에 리턴 밴드(return band)와 리턴 헤드(return head)는 없고, 원형관에서만 정상상태의 열교환이 일어난다)

  1. 0.5
  2. 0.8
  3. 1.5
  4. 2.0
(정답률: 36%)
  • 총괄 열전달계수는 표면적에 반비례하며, 내관의 안지름 $D_i$와 바깥지름 $D_o$의 비율에 따라 결정됩니다. 안지름 $20\text{mm}$, 두께 $5\text{mm}$이므로 바깥지름 $D_o$는 $20 + (5 \times 2) = 30\text{mm}$입니다.
    ① [기본 공식]
    $$\frac{U_i}{U_o} = \frac{D_o}{D_i}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\frac{U_i}{U_o} = \frac{30}{20}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\frac{U_i}{U_o} = 1.5$$
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19. 고체의 열전도도(k)가 온도(T)의 선형함수로서 다음과 같을 때, T1과 T2의 온도 범위에서 평균 열전도도(kavg)는? (단, k0와 β는 상수이다)

(정답률: 47%)
  • 열전도도 $k$가 온도 $T$의 선형함수일 때, 두 온도 $T_1$과 $T_2$ 사이의 평균 열전도도는 두 온도의 산술 평균값을 대입하여 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식]
    $$k_{avg} = \frac{1}{T_2 - T_1} \int_{T_1}^{T_2} k_0(1 + \beta T) dT$$
    ② [숫자 대입]
    $$k_{avg} = k_0(1 + \beta \frac{T_1 + T_2}{2})$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{정답: } $$
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20. 그림과 같이 두께(d)가 10mm인 평면 유리 창문의 바깥 온도는 －10°C, 방 안 온도는 20°C로 유지되고 있다. 방 안의 열전달계수(h1)는 10Wm-2K-1이고, 바깥의 열전달계수(h2)는 40Wm-2K-1이다. 유리의 전도 열저항이 바깥의 대류 열저항보다는 크고 방 안의 대류 열저항보다는 작게 되는 유리의 열전도도(k)[Wm-1K-1]의 범위는? (단, 유리 두께 방향으로의 열전달만을 고려하고, 복사에너지는 무시한다)

  1. 0.01＜k＜0.05
  2. 0.05＜k＜0.10
  3. 0.10＜k＜0.40
  4. 0.40＜k＜0.80
(정답률: 58%)
  • 열저항의 관계식 $R = \frac{1}{h}$ (대류) 및 $R = \frac{d}{k}$ (전도)를 이용하여 조건인 $R_{h1} > R_{k} > R_{h2}$를 만족하는 $k$의 범위를 구합니다.
    방 안 대류 열저항: $R_{h1} = \frac{1}{10} = 0.1$
    바깥 대류 열저항: $R_{h2} = \frac{1}{40} = 0.025$
    유리 전도 열저항: $R_{k} = \frac{0.01}{k}$
    따라서 $0.1 > \frac{0.01}{k} > 0.025$가 성립해야 합니다.
    ① [기본 공식] $0.1 > \frac{d}{k} > 0.025$
    ② [숫자 대입] $0.1 > \frac{0.01}{k} > 0.025$
    ③ [최종 결과] $0.10 < k < 0.40$
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