9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2025-04-05)

9급 국가직 공무원 화학공학일반 2025-04-05 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2025-04-05 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 액체에 대한 기체 용해도 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 액체와 기체는 반응하지 않는다)

  1. 일정한 분압에서 온도가 높을수록 용해도는 증가한다.
  2. 일정한 온도에서 기체의 분압이 클수록 용해도는 증가한다.
  3. 묽은 용액 조건에서 용해도와 분압의 정량적 관계는 헨리 법칙(Henry's law)으로 주어진다.
  4. 동일한 액체에 대해 헨리 법칙 상수는 기체의 종류에 의존한다.
(정답률: 알수없음)
  • 기체의 용해도는 온도가 높아질수록 감소하는 특성을 가집니다. 따라서 일정한 분압에서 온도가 높을수록 용해도는 증가한다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    기체의 분압이 클수록 용해도는 증가: 헨리 법칙에 따라 분압과 용해도는 비례함
    헨리 법칙: 묽은 용액에서 용해도가 분압에 비례함을 나타내는 법칙
    헨리 법칙 상수: 기체의 종류와 용매의 성질, 온도에 따라 달라짐
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2. 2mol의 질소 가스(N2)가 수소 가스(H2)와 비가역적으로 반응하여 모두 암모니아 가스(NH3)로 전환되었을 때, 소모된 수소 가스와 생성된 암모니아 가스의 질량[g]을 바르게 연결한 것은? (단, 질소(N)와 수소(H)의 원자량은 각각 14와 1이다)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 알수없음)
  • 화학 반응식 $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightarrow 2\text{NH}_3$에 따라 몰수 관계를 파악하여 질량을 계산합니다.
    질소 2 mol 반응 시 수소는 6 mol, 암모니아는 4 mol이 생성됩니다.
    ① [기본 공식] $\text{Mass} = \text{mol} \times \text{Molar Mass}$
    ② [숫자 대입] $$\text{H}_
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3. 평면벽의 두께가 50cm이고 바깥 표면의 온도와 안쪽 표면의 온도가 각각 10°C와 20°C로 유지될 때, 벽을 통한 정상상태 열전달 플럭스(flux)[kJm-2h-1]는? (단, 벽의 열전도도는 1.0×10-4 kJm-1s-1K-1이고, 평면벽 두께 방향으로의 열전도만 고려한다)

  1. 4.8
  2. 6.4
  3. 7.2
  4. 8.6
(정답률: 알수없음)
  • 푸리에의 열전도 법칙을 이용하여 평면벽을 통한 열전달 플럭스를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $q = k \frac{\Delta T}{L}$
    ② [숫자 대입] $q = 1.0 \times 10^{-4} \times \frac{20 - 10}{0.5} \times 3600$
    ③ [최종 결과] $q = 7.2$
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4. 등온 회분식 반응기에서 A→2B 비가역 액상 기초 반응을 진행하였을 때, 1시간 뒤 B의 농도가 0.6molL-1로 측정되었다. 동일한 조건에서 A의 초기 농도만을 3배로 증가시켰을 때, 1시간 뒤 B의 농도[molL-1]는? (단, 반응 초기에는 순수한 A만 존재한다)

  1. 0.6
  2. 1.2
  3. 1.8
  4. 3.6
(정답률: 알수없음)
  • 등온 회분식 반응기에서 액상 기초 반응(1차 반응)의 경우, 반응 시간 $t$ 동안의 농도 변화는 초기 농도 $C_{A0}$에 비례합니다. 반응식 $A \rightarrow 2B$에서 $B$의 생성량은 $A$의 소모량의 2배이므로, $B$의 농도 $C_B$ 역시 초기 농도 $C_{A0}$에 비례하여 증가합니다.
    따라서 동일한 시간과 조건에서 초기 농도를 3배로 증가시키면, 생성되는 $B$의 농도 또한 3배가 됩니다.
    ① [기본 공식] $C_{B2} = C_{B1} \times \frac{C_{A02}}{C_{A01}}$
    ② [숫자 대입] $C_{B2} = 0.6 \times 3$
    ③ [최종 결과] $C_{B2} = 1.8$
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5. 등온 연속교반탱크반응기(CSTR)에서 A→B 비가역 액상 2차 반응을 진행한다. 유입되는 A의 초기 농도는 2molL-1이고, 부피 유속은 4Lmin-1로 일정할 때, 전환율 90%를 얻기 위해 필요한 반응기 부피[L]는? (단, 반응속도상수는 1Lmol-1min-1이다)

  1. 45
  2. 90
  3. 135
  4. 180
(정답률: 알수없음)
  • CSTR의 설계 방정식과 2차 반응 속도식을 이용하여 필요한 반응기 부피를 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$V = \frac{F_{A0} \cdot X}{-r_A} = \frac{v_0 \cdot C_{A0} \cdot X}{k \cdot C_{A0}^2(1-X)^2}$$
    ② [숫자 대입]
    $$V = \frac{4 \cdot 2 \cdot 0.9}{1 \cdot 2^2(1-0.9)^2}$$
    ③ [최종 결과]
    $$V = 180$$
    따라서 필요한 반응기 부피는 $180\text{ L}$입니다.
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6. 물질전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 다성분 혼합물에서 평균 속도에 대한 각 화학종의 속도를 확산속도라고 한다.
  2. Fick의 법칙에서 확산속도는 농도구배에 반비례한다.
  3. 질량 플럭스(flux)는 흐름에 수직인 단위면적을 단위시간당 통과하는 질량을 나타내는 벡터양이다.
  4. 계(system) 안의 어떤 대류와도 무관한 물질전달을 분자확산이라고 한다.
(정답률: 알수없음)
  • Fick의 제1법칙에 따르면 확산속도(플럭스)는 농도구배에 비례하며, 방향은 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 향합니다. 따라서 농도구배에 반비례한다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    확산속도 정의, 질량 플럭스의 벡터 성질, 분자확산의 정의: 모두 물질전달의 올바른 개념입니다.
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7. 압축성 유체의 흐름 속도가 음속보다 느릴 때, 노즐의 단면적이 감소하는 수평 수렴노즐에서 흐름 방향으로의 압력구배(dP/dx)와 속도구배(du/dx)의 부호를 바르게 연결한 것은? (단, 흐름은 열역학적 가역흐름이다)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 알수없음)
  • 수평 수렴노즐에서 음속보다 느린 아음속 흐름일 때, 단면적이 감소하면 베르누이 원리에 의해 유속은 증가하고 압력은 감소합니다. 따라서 흐름 방향($x$)에 따른 압력구배 $\frac{dP}{dx}$는 음수($-$), 속도구배 $\frac{du}{dx}$는 양수($+$)가 됩니다.
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8. 플러그흐름반응기(PFR)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 축 방향(axial direction)으로 농도가 변한다.
  2. 정상상태에서 운전된다.
  3. 반지름 방향(radial direction)으로 온도구배가 없다.
  4. 몰 수지식은 대수방정식이다.
(정답률: 알수없음)
  • 플러그흐름반응기(PFR)는 유체가 반응기를 따라 흐르면서 반응이 진행되므로, 반응기 길이에 따른 농도 변화가 발생하는 미분 방정식 형태의 몰 수지식을 가집니다. 따라서 몰 수지식이 대수방정식이라는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    축 방향 농도 변화, 정상상태 운전, 반지름 방향 온도구배 없음: PFR의 전형적인 특징입니다.
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9. 내경이 1m인 수평 원형관 내부를 40cms-1의 평균 유속으로 비압축성 뉴턴유체(Newtonian fluid)가 흐를 때, Fanning 마찰계수는? (단, 유체는 완전히 발달된 정상상태로 흐르고, 밀도와 점도는 각각 0.8gcm-3과 200cP이다)

  1. 0.01
  2. 0.05
  3. 0.1
  4. 0.5
(정답률: 알수없음)
  • 당기에 대손처리했던 채권을 당기에 회수하는 경우, 대손처리 시 수행했던 분개를 취소하고 현금 유입을 기록합니다. 대손처리 당시 대손충당금에서 30,000원을 사용하고 나머지를 대손상각비로 처리했으므로, 회수 시에도 동일하게 대손충당금과 대손상각비를 증가시켜야 합니다.
    따라서 정답은
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10. 탈거탑에서 Murphree 효율(ηM)과 총괄 효율(ηO)이 같고 평형선과 조작선이 직선일 때, 평형선의 기울기는? (단, 액체유량과 증기유량은 각각 300kgh-1과 15kgh-1이고, ηM≠1 이다)

  1. 0.05
  2. 0.5
  3. 2
  4. 20
(정답률: 알수없음)
  • 탈거탑에서 Murphree 효율과 총괄 효율이 같고 평형선과 조작선이 직선일 때, 평형선의 기울기
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11. 원심펌프에서 나타날 수 있는 공동화(cavitation) 현상에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 펌프 임펠러의 마모를 지연시킨다.
  2. 흡입부의 압력이 유체의 증기압보다 낮을 때 발생한다.
  3. 펌프의 효율을 증가시킨다.
  4. 배출부의 압력이 유체의 증기압보다 높을 때 발생한다.
(정답률: 알수없음)
  • 공동화(Cavitation) 현상은 유체의 압력이 해당 온도에서의 포화 증기압보다 낮아질 때 액체가 기화하여 기포가 발생하는 현상입니다. 따라서 펌프 흡입부의 압력이 유체의 증기압보다 낮을 때 발생하며, 이는 임펠러의 마모와 진동을 유발하고 효율을 감소시킵니다.
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12. 초임계유체에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 온도나 압력을 변화시키면 용질로부터 쉽게 분리할 수 있다.
  2. 상압에서 커피로부터 카페인을 추출할 때 사용될 수 있다.
  3. 유기용매 대비 추출 속도가 빠르다.
  4. 일정한 온도에서 압력을 높여 액체로 변환시킬 수 없다.
(정답률: 알수없음)
  • 초임계유체는 임계 온도와 임계 압력 이상의 상태에서 액체와 기체의 성질을 동시에 갖는 유체입니다. 초임계유체는 매우 높은 압력 상태에서 유지되어야 하므로, 상압에서 커피로부터 카페인을 추출하는 용도로는 사용할 수 없습니다.
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13. 기체 분리막에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 비다공질 고분자 막의 경우 기체는 저압 쪽에서 고분자 막에 용해된다.
  2. 비다공질 고분자 막에서 기체 수송은 용액확산 메커니즘을 따른다.
  3. 다공질 막에서 세공 내의 확산계수는 세공 크기와 평균 분자 속도에 비례한다.
  4. 다공질 막의 세공이 기체의 평균 자유경로보다 매우 작으면 Knudsen 확산이 지배적이다.
(정답률: 알수없음)
  • 비다공질 고분자 막에서 기체 수송은 용해-확산 메커니즘을 따릅니다. 이때 기체는 농도 차이에 의해 고압 쪽에서 막으로 용해되어 저압 쪽으로 확산되므로, 저압 쪽에서 용해된다는 설명은 틀린 것입니다.
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14. 다음 블록선도에서 Y의 식으로 옳은 것은?

(정답률: 알수없음)
  • 피드백 루프가 포함된 블록선도의 전달함수를 구하는 문제입니다. 전향 경로 이득은 $G_{1}G_{2}$이며, 피드백 경로 이득은 $G_{3}G_{4}G_{5}$인 음의 피드백 시스템입니다.
    ① [기본 공식] $Y = \frac{G_{forward}}{1 + G_{forward}G_{feedback}} X$
    ② [숫자 대입] $Y = \frac{G_{1}G_{2}}{1 + G_{1}G_{2}G_{3}G_{4}G_{5}} X$
    ③ [최종 결과]
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15. 다음 가역반응이 평형상태에 있을 때, 화학평형이 오른쪽으로 이동하지 않는 조작은? (단, 정반응은 흡열반응이다)

  1. 반응기 부피 증가
  2. 반응기 온도 증가
  3. CO(g)를 반응기로부터 제거
  4. As4O6(s)를 반응기에 첨가
(정답률: 알수없음)
  • 르샤틀리에 원리에 따라 평형 시스템에 변화를 주면 그 변화를 상쇄하는 방향으로 평형이 이동합니다.
    $$As_{4}O_{8}(s) + 6C(s) \rightleftharpoons As_{4}(g) + 6CO(g)$$
    반응기 부피 증가: 기체 분자 수가 증가하는 정반응(오른쪽)으로 이동합니다.
    온도 증가: 흡열반응이므로 열을 흡수하는 정반응(오른쪽)으로 이동합니다.
    CO(g) 제거: 생성물을 제거하면 이를 보충하기 위해 정반응(오른쪽)으로 이동합니다.
    As$_{4}$O$_{8}$(s) 첨가: 고체 성분은 농도(활동도)에 영향을 주지 않으므로 평형 이동을 일으키지 않습니다.
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16. 닫힌 계에서 기체가 다음과 같이 4단계의 열역학적 가역공정 사이클을 거칠 때, (가)~(다)의 값[J]을 바르게 연결한 것은? (단, ∆Ut는 계의 총 내부에너지 변화이고, 계로 유입되는 Q(열)와 W(일)는 양(＋)의 값으로 나타낸다)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 알수없음)
  • 열역학 제1법칙 $\Delta U = Q + W$와 사이클의 총 내부에너지 변화 $\Delta U_{cycle} = 0$ 원리를 이용합니다.
    1. (가) 구하기: $2 \to 3$ 공정은 단열공정이므로 $Q_{2-3} = 0$입니다. 따라서 $\Delta U_{2-3} = W_{2-3}$입니다. 전체 사이클 $\Delta U_{cycle} = \Delta U_{1-2} + \Delta U_{2-3} + \Delta U_{3-4} + \Delta U_{4-1} = 0$에서 $\Delta U_{3-4}$는 일정부피 공정이므로 $W_{3-4} = 0$이며, $\Delta U_{3-4} = Q_{3-4} = -400$입니다.
    $-100 + (가) - 400 + 3000 = 0$
    $(가) = -2500$
    2. (나) 구하기: $4 \to 1$ 공정에서 $\Delta U_{4-1} = Q_{4-1} + W_{4-1}$입니다.
    $3000 = (나) + 5000$
    $(나) = -2000$
    3. (다) 구하기: 전체 사이클의 열량 합은 전체 일의 합과 같습니다. $\Delta U_{cycle} = 0$이므로 $Q_{cycle} + W_{cycle} = 0$입니다.
    $1500 + (다) = 0$
    $(다) = -1500$
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17. 2kW가 공급되는 닫힌 가열기 내에 채워진 물 30kg이 20°C에서 50°C로 승온되는 데 걸리는 시간[h]은? (단, 물의 비열은 4.0Jg-1K-1이고, 외부로의 열손실은 없다)

  1. 0.5
  2. 1.0
  3. 1.5
  4. 2.0
(정답률: 알수없음)
  • 물질의 온도 상승에 필요한 열량과 공급된 에너지가 같음을 이용하여 시간을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $Q = m \times c \times \Delta T = P \times t$
    ② [숫자 대입] $30 \times 4000 \times (50 - 20) = 2000 \times t$
    ③ [최종 결과] $t = 1800 \text{ s} = 0.5 \text{ h}$
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18. 등온 정압 플러그흐름반응기(PFR)에서 이산화탄소 가스(CO2)를 이용한 메테인 가스(CH4​)의 비가역 개질 반응으로 수소 가스(H2)와 일산화탄소 가스(CO)가 생성된다. 유입되는 반응유체의 부피 조성은 20vol% CH4​, 70vol% CO2​, 10vol% N2이다. 한계반응물의 전환율이 50%일 때, 반응기 출구에서 CO2의 부피 조성[vol%]은? (단, 모든 기체는 이상기체이고, 부반응은 없다)

  1. 20
  2. 30
  3. 50
  4. 60
(정답률: 알수없음)
  • 메테인 개질 반응식 $\text{CH}_4 + \text{CO}_2 \rightarrow 2\text{H}_2 + 2\text{CO}$에 따라 반응물과 생성물의 몰수 변화를 계산합니다. 유입 부피 조성이 곧 몰비이므로, 초기 몰수를 $\text{CH}_4 = 20$, $\text{CO}_2 = 70$, $\text{N}_2 = 10$ (총 100몰)으로 설정합니다. 한계반응물인 $\text{CH}_4$의 전환율이 $50\%$이므로 반응량은 $20 \times 0.5 = 10$몰입니다.
    반응 후 각 성분의 몰수는 다음과 같습니다.
    $\text{CH}_4: 20 - 10 = 10$몰
    $\text{CO}_2: 70 - 10 = 60$몰
    $\text{H}_2: 0 + 2 \times 10 = 20$몰
    $\text{CO}: 0 + 2 \times 10 = 20$몰
    $\text{N}_2: 10$몰 (불활성 가스)
    전체 몰수 $n_{total} = 10 + 60 + 20 + 20 + 10 = 120$몰
    출구에서 $\text{CO}_2$의 부피 조성(몰 분율)을 구하는 공식은 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $vol\% = \frac{n_{\text{CO}_2}}{n_{total}} \times 100$
    ② [숫자 대입] $vol\% = \frac{60}{120} \times 100$
    ③ [최종 결과] $vol\% = 50$
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19. 등온 회분식 반응기에서 300K의 온도 조건으로 A→3B 비가역 액상 기초 반응을 1시간 진행하여 전환율 70%를 얻었다. 동일한 조건에서 반응 온도만을 600K로 증가시켰을 때, 전환율 70%를 얻기 위해 필요한 시간[h]은? (단, 기체상수는 8.3Jmol-1K-1이고, 반응의 활성화 에너지는 49.8kJmol-1로 일정하다)

  1. e-20
  2. e-10
  3. e-5
  4. e-3
(정답률: 알수없음)
  • 아레니우스 식을 이용하여 온도 변화에 따른 반응 속도 상수 $k$의 비를 구하고, 동일 전환율 도달 시간을 계산합니다. 시간 $t$는 속도 상수 $k$에 반비례합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{t_2}{t_1} = \exp(\frac{E_a}{R} (\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}))$
    ② [숫자 대입] $\frac{t_2}{1} = \exp(\frac{49800}{8.3} (\frac{1}{600} - \frac{1}{300}))$
    ③ [최종 결과] $t_2 = e^{-10}$
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20. 복사(radiation)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 회색체의 단색광 흡수율은 모든 파장에서 동일하다.
  2. 일정 온도에서 열 에너지 플럭스(flux)는 물질의 종류와 무관하다.
  3. 흑체 복사는 Stefan-Boltzmann 법칙으로 설명된다.
  4. 총 복사력은 물체의 표면으로부터 방출되는 모든 단색광 복사의 합이다.
(정답률: 알수없음)
  • 복사 에너지는 방출하는 물체의 온도와 표면 성질(방사율)에 따라 결정됩니다. 따라서 일정 온도라 하더라도 물질의 종류(방사율)에 따라 열 에너지 플럭스는 달라집니다.

    오답 노트
    회색체: 모든 파장에서 흡수율이 일정함
    흑체 복사: Stefan-Boltzmann 법칙($E = \sigma T^4$ )으로 설명됨
    총 복사력: 모든 파장의 단색광 복사를 적분한 합임
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