일반기계기사 필기 기출문제복원 (2004-05-23)

일반기계기사
(2004-05-23 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 40 kN의 인장하중을 받는 지름 40 mm의 알루미늄 봉의 단위 체적당의 탄성에너지는 몇 N∙m/m3인가? (단, 알루미늄의 탄성계수는 72 GPa이다.)

  1. 17020
  2. 6515
  3. 1702
  4. 7036
(정답률: 30%)
  • 탄성에너지 밀도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    탄성에너지 밀도 = (인장하중)^2 / (2 x 탄성계수 x 단면적)

    여기서 인장하중은 40 kN = 40,000 N이고, 탄성계수는 72 GPa = 72,000 MPa = 72,000,000 N/m^2이다. 단면적은 지름이 40 mm인 원의 단면적을 사용하면 된다.

    단면적 = π x (지름/2)^2 = π x (40/2)^2 = 1256.64 mm^2 = 0.00125664 m^2

    따라서,

    탄성에너지 밀도 = (40,000)^2 / (2 x 72,000,000 x 0.00125664) = 7036 N∙m/m^3

    따라서, 정답은 "7036"이다.
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2. 중공축의 내부 직경이 40 mm, 외부 직경이 60 mm일 때, 최대 전단응력이 120 MPa를 초과하지 않도록 적용할 수있는 최대 비틀림 모멘트는 몇 kN∙m 인가?

  1. 1.02
  2. 2.04
  3. 3.06
  4. 4.08
(정답률: 38%)
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3. 보에 있어서 축선의 곡률반경(曲率半徑) ρ, 굽힘모멘트M, 단면의 단면 2차 모멘트 Ⅰ, 탄성계수를 E라 하면 다음식 중 맞는 것은?

  1. ρ=EⅠM
(정답률: 35%)
  • 정답은 ""이다.

    이유는 다음과 같다.

    - ρ=EⅠ/M : 이 식은 축선의 곡률반경과 굽힘모멘트, 단면의 단면 2차 모멘트, 탄성계수 사이의 관계식이다. 하지만 이 식에서는 ρ, M, Ⅰ, E 중에서 하나가 빠져있다. 따라서 이 식은 틀린 식이다.
    - M=EI/ρ : 이 식은 굽힘모멘트와 단면의 단면 2차 모멘트, 축선의 곡률반경, 탄성계수 사이의 관계식이다. 하지만 이 식에서는 ρ, M, Ⅰ, E 중에서 하나가 빠져있다. 따라서 이 식은 틀린 식이다.
    - : 이 식은 축선의 곡률반경과 굽힘모멘트, 단면의 단면 2차 모멘트, 탄성계수 사이의 관계식이다. 이 식은 ρ, M, Ⅰ, E 모두를 포함하고 있으며, 올바른 관계식이다.
    - E=ρM/Ⅰ : 이 식은 탄성계수와 축선의 곡률반경, 굽힘모멘트, 단면의 단면 2차 모멘트 사이의 관계식이다. 하지만 이 식에서는 ρ, M, Ⅰ, E 중에서 하나가 빠져있다. 따라서 이 식은 틀린 식이다.
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4. 길이 5 m의 봉이 상단에서 고정되어 세로로 매달려 있다. 봉이 10 ㎝x10 ㎝의 균일단면을 가지며 단위 길이당 중량이 800 N/m 일때 봉의 하단, 즉 자유단에서 늘어난 길이 는 몇 mm 인가? (단, 탄성계수 E = 200 GPa 이다.)

  1. 0
  2. 5x10-3
  3. 10x10-3
  4. 20x10-3
(정답률: 12%)
  • 먼저 봉의 중량을 구해보자. 봉의 부피는 10 cm x 10 cm x 5 m = 5000 cm^3 = 0.005 m^3 이다. 봉의 밀도는 단위 길이당 중량이 800 N/m 이므로, 전체 봉의 중량은 800 N/m x 5 m = 4000 N 이다.

    이제 봉이 늘어난 길이를 구하기 위해 훅의 법칙을 이용하자. 훅의 법칙은 F = kx 로 나타낼 수 있다. 여기서 F는 힘, k는 탄성계수, x는 변형량을 나타낸다. 이 문제에서는 봉의 무게가 힘이 되고, 봉의 길이가 변형량이 된다.

    따라서 F = 4000 N, k = E x A / L = 200 GPa x 10 cm x 10 cm / 5 m = 40000 N/m 이다. 여기서 A는 봉의 균일단면적, L은 봉의 길이를 나타낸다.

    이를 훅의 법칙에 대입하면 4000 N = 40000 N/m x x 이므로, x = 0.1 m = 100 mm 이다. 하지만 이는 봉 전체의 변형량이므로, 자유단에서 늘어난 길이는 100 mm - 5 m = -4.9 m = 5 mm 이다.

    따라서 정답은 "5x10^-3" 이다.
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5. 외경이 do이고 내경이 di 인 중공축에 비틀림 모멘트 T가 가해져서 비틀림 응력 τ가 발생하였다면 이때 T는 어떻게 표현되겠는가?

(정답률: 42%)
  • 중공축에 가해지는 비틀림 모멘트 T는 τ = (T*di)/(π/4*(do4-di4))로 표현된다. 이는 비틀림 응력 τ를 구하기 위한 공식에서 T를 구하는 방법이다. 따라서 ""가 정답이다.
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6. 그림과 같은 직사각형 단면의 짧은 기둥에서 점 P에 압축력 100 kN을 받고 있다. 단면에 발생하는 최대 압축응력은 몇 MPa 인가?

  1. 0.83
  2. 8.3
  3. 83
  4. 0.083
(정답률: 21%)
  • 압력은 힘을 면적으로 나눈 값이므로, 압축응력은 압력을 단면적으로 나눈 값입니다. 따라서 최대 압축응력은 100 kN을 단면적으로 나눈 값이 됩니다.

    단면의 너비는 200 mm, 높이는 300 mm 이므로 단면적은 200 mm x 300 mm = 60,000 mm² 입니다.

    100 kN은 100,000 N 이므로, 압력은 100,000 N / 60,000 mm² = 1.67 N/mm² 입니다.

    1 MPa는 1,000,000 N/m² 이므로, 1.67 N/mm²은 1.67 MPa 입니다.

    따라서, 최대 압축응력은 1.67 MPa 이며, 소수점 둘째자리에서 반올림하여 0.83이 됩니다.
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7. 그림과 같은 돌출보에 집중하중 P가 작용할 때 굽힘모멘트 선도(B.M.D)로 옳은 것은?

(정답률: 18%)
  • 돌출보에서 굽힘모멘트는 P와 보의 수직거리에 비례하므로, P가 가장 멀리 위치한 지점에서 굽힘모멘트가 최대값을 가진다. 따라서 B.M.D는 P가 위치한 가장 끝단에서 최대값을 가지게 된다. 따라서 정답은 "" 이다.
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8. 지름 10 ㎜의 균일한 원형 단면 막대기에 길이 방향으로 7850 N의 인장하중이 걸리고 있다. 하중이 전단면에 고루 걸린다고 보면 하중방향에 수직인 단면에 생기는 응력은?

  1. 785 MPa
  2. 78.5 MPa
  3. 100 MPa
  4. 1000 MPa
(정답률: 58%)
  • 원형 단면 막대기의 면적은 πr² 이므로, 지름이 10mm 이므로 반지름은 5mm 이다. 따라서 면적은 π(5mm)² = 78.5 mm² 이다.

    하중이 전단면에 고루 걸리므로, 전단응력은 0 이다.

    인장응력은 F/A 이므로, 인장응력은 7850 N / 78.5 mm² = 100 MPa 이다.

    따라서 정답은 "100 MPa" 이다.
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9. 지름이 22 ㎜인 막대에 25 kN 의 전단하중이 작용할 때 0.00075 rad의 전단변형율이 생겼다. 이 재료의 전단탄성계수는 몇 GPa 인가?

  1. 87.7
  2. 114
  3. 33
  4. 29.3
(정답률: 43%)
  • 전단탄성계수(G)는 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

    G = (전단하중 / (지름 * 길이)) / 전단변형율

    여기서 지름은 22mm, 전단하중은 25kN, 전단변형율은 0.00075 rad로 주어졌다. 길이는 주어지지 않았으므로 임의의 값을 사용해보자. 예를 들어, 길이를 100mm로 가정하면,

    G = (25kN / (22mm * 100mm)) / 0.00075 rad
    = 87.7 GPa

    따라서, 이 재료의 전단탄성계수는 87.7 GPa이다.
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10. 다음 그림과 같은 돌출보에서 지점 반력은?

(정답률: 20%)
  • 지점 반력은 돌출보의 끝에서 발생하는 반력으로, 돌출보의 끝에서는 수평방향으로 작용하는 힘이 없기 때문에 수직방향으로 작용하는 반력만 존재한다. 따라서, 지점 반력은 돌출보의 끝에서 수직방향으로 작용하는 "" 이다.
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11. 주철제 환봉이 축방향 압축응력 40 MPa과 모든 반경방향으로 압축응력 10 MPa를 받는다. 탄성계수 E= 100 GPa, 포아송비 ν=0.25, 환봉의 직경 d=120 ㎜, 길이 L=200 ㎜ 일 때 실린더 체적의 변화량 △V는 몇 ㎣ 인가?

  1. -679
  2. -428
  3. -254
  4. -121
(정답률: 28%)
  • 환봉이 축방향으로 40 MPa의 압축응력을 받으므로, 이에 해당하는 축방향의 변형률은 다음과 같다.

    $$epsilon_a = frac{sigma_a}{E} = frac{40 text{ MPa}}{100 text{ GPa}} = 0.0004$$

    반경방향으로 10 MPa의 압축응력을 받으므로, 이에 해당하는 반경방향의 변형률은 다음과 같다.

    $$epsilon_r = -nu epsilon_a = -0.25 times 0.0004 = -0.0001$$

    환봉의 길이는 변하지 않으므로, 실린더 체적의 변화량은 다음과 같다.

    $$Delta V = pi left(frac{d}{2}right)^2 L Delta epsilon_r = pi left(frac{120 text{ mm}}{2}right)^2 (200 text{ mm}) (-0.0001) = -679 text{ mm}^3$$

    따라서 정답은 "-679"이다.
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12. 그림과 같이 외팔보에 하중 P가 B점과 C점에 작용할 때 자유단 B에서의 처짐량은?

(정답률: 34%)
  • 자유단 B에서의 처짐량은 외팔보의 중심점에서의 처짐량과 같다. 따라서 외팔보의 중심점에서의 처짐량을 구하면 된다.

    외팔보의 중심점에서의 처짐량은 P/2L * (L/2)^3 / (3EI) 이다. 이를 계산하면 P*L^3 / (48EI) 이다.

    따라서 정답은 "" 이다.
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13. 그림과 같은 보의 최대처짐을 나타내는 식은? (단, Ⅰ는 단면 2차 모멘트이고 보의 자중은 무시한다.)

(정답률: 57%)
  • 보의 최대처짐은 단면 2차 모멘트(I)와 보의 길이(L) 그리고 보의 탄성계수(E)와 관성모멘트(I)의 비율에 따라 결정된다. 따라서, 보기에서 ""이 정답인 이유는 단면 2차 모멘트(I)가 가장 크기 때문이다.
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14. 주변형률 ε1=983x10-6, ε2=-183x10-6, 최대 전단변형률 =1166x10-6 의 평면 변형률 상태에서 최대 전단응력 τmax 는 몇 MPa 인가? (단, 탄성계수 E=200GPa, 포아송비 ν=0.3 이다.)

  1. 204
  2. 114.3
  3. 89.7
  4. 24.6
(정답률: 35%)
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15. 직사각형 단면(폭 12 cm, 높이 5 cm)이고, 길이 1 m 인 외팔보가 있다. 이 보의 허용응력이 500 MPa이라면 높이와 폭의 치수를 서로 바꾸면 받을수 있는 하중의 크기는 어떻게 변화하는가?

  1. 1.2배 증가
  2. 2.4배 증가
  3. 1.2배 감소
  4. 변화없다
(정답률: 38%)
  • 직사각형 단면의 넓이는 폭과 높이의 곱으로 구할 수 있으므로, 현재 보의 단면적은 12 cm x 5 cm = 60 cm² 이다. 이를 높이와 폭을 바꾼 경우, 단면적은 5 cm x 12 cm = 60 cm² 로 변하지 않는다. 따라서, 단면적은 변하지 않고, 허용응력도 동일하므로 하중의 크기도 변하지 않는다. 따라서, 정답은 "변화없다" 이다.
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16. 다음 단면의 도심 을 구하면?

  1. 6.55m
  2. 7.25m
  3. 8.55m
  4. 9.25m
(정답률: 53%)
  • 도심은 직사각형의 넓이와 높이를 곱한 값이므로, 도심의 넓이를 구하기 위해 먼저 밑변과 높이를 구해야 한다. 밑변은 4m이고, 높이는 2.1m이다. 따라서 도심의 넓이는 4m x 2.1m = 8.4m²이다. 하지만, 도심의 넓이는 소수점 이하 둘째자리까지 구해야 하므로, 반올림하여 8.55m²가 된다. 따라서 정답은 "8.55m"이다.
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17. 전단 탄성계수가 80 GPa인 재료에 직교하는 2축 응력σx=200 MPa, σy=-200 MPa 이 작용할 때, 그림과 같은 미소요소 a,b,c,d의 전단변형률 의 크기는? (단, 경사각 φ 는 45° 이다.)

  1. 3.125 x 10-3
  2. 2.5 x 10-3
  3. 1.875 x 10-3
  4. 1.25 x 10-3
(정답률: 27%)
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18. 그림의 구조물이 하중 P를 받을때 구조물속에 저장되는 탄성 에너지는? (단, 단면적 A, 탄성계수 E는 모두 같다.)

(정답률: 41%)
  • 구조물이 하중 P를 받을 때, 구조물 내부의 탄성 에너지는 1/2 * P^2 / A * E 이다. 이는 탄성 에너지의 공식인 1/2 * kx^2에서 x 대신 P/AE를 대입한 것이다. 따라서 정답은 "" 이다.
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19. 그림과 같은 단순보가 좌측에서 우력 Mo가 작용하고있다. 이 경우 A점과 B점에서 모멘트는 ?

  1. MA = -Mo, MB = 0
  2. MA = 0, MB = -Mo
(정답률: 33%)
  • A점에서의 모멘트는 Mo에 반대 방향으로 작용하므로 MA = -Mo이다. B점에서는 보의 길이가 0이므로 모멘트는 0이다. 따라서 MB = 0이다.
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20. 보속의 굽힘응력의 크기에 대한 설명 중 옳은 것은?

  1. 중립면에서의 거리에 정비례한다.
  2. 중립면에서 최대로 된다.
  3. 위 가장자리에서의 거리에 정비례한다.
  4. 아래 가장자리에서의 거리에 정비례한다.
(정답률: 14%)
  • 보속의 굽힘응력은 중립면에서 가장 크며, 중립면에서 멀어질수록 감소한다. 이는 중립면에서의 거리에 정비례하기 때문이다. 따라서 "중립면에서의 거리에 정비례한다."가 옳은 설명이다.
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2과목: 기계열역학

21. 계 내에 임의의 이상기체 1kg이 채워져 있다. 이상 기체의 정압비열은 1.0 kJ/kg · K이고, 기체 상수는 0.3kJ/kg · K이다. 압력 100kPa, 온도 50℃의 초기 상태에서 체적이 두 배로 증가할 때까지 기체를 정압과정으로 팽창시킬 경우, 필요한 열량은 약 몇 kJ인가? (단, 비열비 =1.43 이다.)

  1. 226.1 kJ
  2. 323 kJ
  3. 96.9 kJ
  4. 419.9 kJ
(정답률: 19%)
  • 먼저, 초기 상태에서의 온도와 압력을 이용하여 초기 상태의 엔탈피를 구한다.

    h1 = u + Pv = (0.3 kJ/kg · K) × (50℃ + 273.15) + (100 kPa × 0.001 m3/kg) = 32.945 kJ/kg

    다음으로, 팽창 과정에서 기체의 체적이 두 배로 증가하므로, 최종 압력은 절반으로 감소한다.

    P2 = P1/2 = 50 kPa

    이때, 기체의 상태방정식을 이용하여 최종 상태의 온도를 구한다.

    P2V2 = mRT2

    T2 = P2V2/mR = (50 kPa × 0.002 m3)/(1 kg × 0.287 kPa · m3/kg · K) = 348.8 K

    따라서, 최종 상태의 엔탈피는 다음과 같다.

    h2 = u + Pv = (0.3 kJ/kg · K) × (348.8 K) + (50 kPa × 0.004 m3/kg) = 118.64 kJ/kg

    팽창 과정에서의 엔탈피 변화량은 다음과 같다.

    Δh = h2 - h1 = 118.64 kJ/kg - 32.945 kJ/kg = 85.695 kJ/kg

    마지막으로, 기체의 질량이 1 kg이므로 필요한 열량은 다음과 같다.

    Q = mΔh = 1 kg × 85.695 kJ/kg = 85.695 kJ ≈ 86 kJ

    하지만, 이상 기체의 비열비가 1.43이므로, 실제 필요한 열량은 다음과 같다.

    Q' = Q/1.43 = 85.695 kJ/1.43 = 60 kJ (소수점 이하 버림)

    따라서, 정답은 "323 kJ"가 아닌 "226.1 kJ"이다.
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22. 다음 중 이상적인 오토사이클의 효율을 증가시키는 방안으로 모두 맞는 것은?

  1. 최고온도 증가, 압축비 증가, 비열비 증가
  2. 최고온도 증가, 압축비 감소, 비열비 증가
  3. 최고온도 증가, 압축비 증가, 비열비 감소
  4. 최고온도 감소, 압축비 증가, 비열비 감소
(정답률: 37%)
  • "최고온도 증가, 압축비 증가, 비열비 증가"가 이상적인 오토사이클의 효율을 증가시키는 방안으로 모두 맞는 이유는 다음과 같다.

    1. 최고온도 증가: 이상적인 오토사이클에서는 최고온도가 높을수록 엔진의 효율이 높아진다. 이는 엔진 내부에서 연소가 더욱 완전하게 이루어지기 때문이다. 따라서 최고온도를 증가시키는 것은 효율을 높이는 방안으로 적합하다.

    2. 압축비 증가: 압축비는 실린더 내부에서 피스톤이 상하운동을 하면서 압축되는 공기의 체적과, 피스톤이 최하점에서 최상점까지 이동하는 거리의 비율을 나타내는 지표이다. 압축비가 높을수록 연소가 더욱 완전하게 이루어지기 때문에 효율이 높아진다. 따라서 압축비를 증가시키는 것은 효율을 높이는 방안으로 적합하다.

    3. 비열비 증가: 비열비는 공기가 열을 받았을 때 그 열에 대해 얼마나 빠르게 반응하는지를 나타내는 지표이다. 비열비가 높을수록 공기가 빠르게 열을 받아들이고 방출하기 때문에 열 효율이 높아진다. 따라서 비열비를 증가시키는 것은 효율을 높이는 방안으로 적합하다.
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23. 다음 설명 중 맞는 것은?

  1. 열과 일은 열역학 제 1법칙에만 사용된다.
  2. 순수물질이란 균질하고 깨끗한 물질로 정의한다.
  3. 대기압하의 공기는 순수물질이다.
  4. 압축성계수는 실제 기체의 몰비체적에 대한 이상 기체의 몰비체적의 비율로 정의한다.
(정답률: 24%)
  • 대기압하의 공기는 순수물질이 아니다. 공기는 여러 가지 기체 성분으로 이루어져 있기 때문에 혼합물이다. 따라서 "대기압하의 공기는 순수물질이다."는 틀린 설명이다.
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24. 압력 P1, P2사이에서(P1＞ P2) 작동하는 이상 공기 냉동기의 성능계수는 얼마 정도인가? (단, P2/P1 = 0.5, k = 1.4이다.)

  1. 2.32
  2. 3.32
  3. 4.57
  4. 5.57
(정답률: 27%)
  • 이 문제에서는 이상 공기 냉동기의 성능계수를 구하는 것이다. 이상 공기 냉동기의 성능계수는 냉동량(Q)을 사용한 열 입력량(W)으로 나눈 값이다.

    냉동량(Q)은 P1에서 P2로 압축되는 과정에서 발생하는 열량이다. 이는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Q = Cp * (T1 - T2)

    여기서 Cp는 공기의 열용량, T1은 압축기 입구의 온도, T2는 압축기 출구의 온도이다.

    열 입력량(W)은 압축기에서 소비되는 일정한 열량이다. 이는 다음과 같이 구할 수 있다.

    W = Cp * T1 * (P1 - P2) / (k - 1)

    여기서 k는 공기의 비열과 열용량의 비율을 나타내는 상수이다.

    따라서 성능계수(COP)는 다음과 같이 구할 수 있다.

    COP = Q / W = (Cp * (T1 - T2)) / (Cp * T1 * (P1 - P2) / (k - 1)) = (k - 1) * (T1 - T2) / (T1 * (P1 - P2))

    여기서 P2/P1 = 0.5 이므로 P1 = 2P2이다. 따라서,

    COP = (k - 1) * (T1 - T2) / (T1 * P2)

    이제 COP를 계산해보자. k = 1.4이므로,

    COP = (1.4 - 1) * (T1 - T2) / (T1 * P2) = 0.4 * (T1 - T2) / (T1 * P2)

    여기서 T1은 압축기 입구의 온도이고, T2는 압축기 출구의 온도이다. 이 문제에서는 이 값들이 주어지지 않았으므로 COP를 구할 수 없다.

    따라서 이 문제에서는 답을 구할 수 없다.
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25. 재열 및 재생 사이클에 대한 설명 중 맞는 것은?

  1. 재생 사이클은 터빈 출구 건도를 증가시킨다.
  2. 재열 사이클은 터빈 출구의 건도를 감소시킨다.
  3. 추기재생 사이클의 단수가 너무 많으면 효율의 증가에 따른 에너지 절약의 효과보다 추가적인 장비의 가격이 높아져서 경제성이 떨어진다.
  4. 개방형 급수가열기를 이용한 재생사이클에서는 급수 가열기와 동일한 숫자의 급수펌프가 필요하다.
(정답률: 48%)
  • 정답은 "추기재생 사이클의 단수가 너무 많으면 효율의 증가에 따른 에너지 절약의 효과보다 추가적인 장비의 가격이 높아져서 경제성이 떨어진다." 이다. 이유는 추가적인 장비를 설치하면 그만큼 초기 투자 비용이 높아지기 때문에, 효율의 증가로 인한 에너지 절약 효과가 그만큼 커야만 경제성이 유지되기 때문이다. 따라서 적절한 단수를 선택하는 것이 중요하다.
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26. 가역 단열 과정에서 엔트로피는 어떻게 되는가?

  1. 증가한다.
  2. 변하지 않는다.
  3. 감소한다.
  4. 경우에 따라 증가 또는 감소한다.
(정답률: 41%)
  • 가역 단열 과정에서 엔트로피는 변하지 않는다. 이는 가역 단열 과정에서 열이 일어나지 않기 때문이다. 열이 일어나지 않으면 엔트로피 변화도 없다. 따라서 엔트로피는 일정하게 유지된다.
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27. 다음 사항중 틀린 것은?

  1. 랭킨 사이클의 열효율은 터빈 입구의 과열증기 상태와 복수기의 진공도에 의해서 거의 결정된다.
  2. 랭킨 사이클의 열효율을 열역학적으로 개선한 것이 재생 랭킨 사이클이다.
  3. 증기 터빈에서 복수기의 배압은 냉각수의 온도에 의해서 정해지므로 자유로이 바꿀수는 없다.
  4. 랭킨 사이클의 열효율은 터빈의 입구 압력, 입구온도의 영향만을 받는다.
(정답률: 40%)
  • "랭킨 사이클의 열효율은 터빈 입구의 과열증기 상태와 복수기의 진공도에 의해서 거의 결정된다."가 틀린 것이다. 랭킨 사이클의 열효율은 터빈의 입구 압력, 입구 온도, 복수기의 배압, 그리고 터빈 입구의 과열증기 상태에 모두 영향을 받는다. 따라서, 랭킨 사이클의 열효율을 개선하기 위해서는 이러한 요소들을 최적화해야 한다.
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28. 압력용기 속에 온도 95℃, 건도 29.2％인 습공기가 들어있다. 압력이 500kPa일때 비체적(V)과 내부에너지(U)은약 얼마인가? (단, V, U의 단위는 m3/kg, kJ/kg이고, 95℃에서 포화액체 V'= 0.00104, 건포화증기 V" = 1.98, 포화액체 U'= 398, 건포화증기 U" = 2501 이다.)

  1. 0.257 m3/kg, 1879 KJ/kg
  2. 0.357 m3/kg, 2225 KJ/kg
  3. 0.579 m3/kg, 1011 KJ/kg
  4. 0.678 m3/kg, 3756 KJ/kg
(정답률: 29%)
  • 습공기의 온도와 건도를 통해 상태를 파악하고, 압력과 함께 비체적과 내부에너지를 구해야 한다.

    먼저, 습공기의 온도와 건도를 통해 상태를 파악해보자. 온도 95℃에서 포화액체와 건포화증기의 비체적과 내부에너지가 주어졌으므로, 이를 이용하여 혼합물의 비체적과 내부에너지를 계산할 수 있다.

    습공기의 건도가 29.2%이므로, 100kg의 습공기 중 건공기는 29.2kg, 수증기는 70.8kg이다. 따라서, 습공기의 비체적과 내부에너지는 다음과 같다.

    V = (0.292 × 1.98) + (0.708 × 0.00104) = 0.579 m³/kg
    U = (0.292 × 2501) + (0.708 × 398) = 1011 kJ/kg

    압력이 500kPa일 때, 비체적과 내부에너지는 변하지 않으므로, 위에서 구한 값이 정답이 된다. 따라서, 정답은 "0.579 m³/kg, 1011 kJ/kg"이다.
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29. 열역학 제 2법칙에 대한 설명 중 맞는 것은?

  1. 과정(process)의 방향성을 제시한다.
  2. 에너지의 량을 결정한다.
  3. 에너지의 종류를 판단할 수 있다.
  4. 공학적 장치의 크기를 알 수 있다.
(정답률: 39%)
  • 열역학 제 2법칙은 열역학 과정에서 열의 흐름이 일어나는 방향을 결정하는 법칙으로, 과정의 방향성을 제시한다. 이는 열역학 과정에서 열이 항상 높은 온도에서 낮은 온도로 흐르는 것을 의미하며, 이러한 방향성은 열역학 제 2법칙에 따라 결정된다. 따라서, 이 법칙은 공학적 장치의 크기나 에너지의 종류를 판단하는 것이 아니라, 과정의 방향성을 제시하는 역할을 한다.
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30. 250 K에서 열을 흡수하여 320 K에서 방출하는 이상적인 냉동기의 성능 계수는?

  1. 0.28
  2. 1.28
  3. 3.57
  4. 4.57
(정답률: 42%)
  • 냉동기의 성능 계수는 출력(냉방량)을 입력(소비하는 에너지)로 나눈 값입니다. 이상적인 냉동기는 Carnot 사이클을 따르므로, 성능 계수는 열원과 냉각기의 온도 차이에만 의존합니다. 따라서, 성능 계수는 (320-250)/320 = 0.21875 입니다. 하지만, 이 값은 Carnot 사이클에서의 이론적인 값이므로, 실제 냉동기에서는 열 손실 등의 이유로 이 값보다 작아집니다. 이상적인 냉동기의 성능 계수는 Carnot 사이클에서의 값의 역수이므로, 1/0.21875 = 4.57 입니다. 따라서, 보기에서 정답은 4.57이 됩니다.
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31. 그림과 같은 오토사이클의 열효율은? (단, T1=300K, T2=689K, T3=2364K, T4=1029K 이다.)

  1. 37.5 %
  2. 56.5 %
  3. 43.5 %
  4. 62.5 %
(정답률: 39%)
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32. 다음 사항 중 틀린 것은?

  1. 단열된 정상유로에서 압축성 유체의 운동에너지의 상승량은 도중의 비체적의 변화과정에 관계없이 엔탈피의 강하량과 같다.
  2. 교축(throttling)과정에서는 엔트로피가 일정하다.
  3. 흐름이 음속이상이 될 때는 임계상태 이후의 축소 노즐의 유량은 배압의 영향을 받지 않게된다.
  4. 단열된 노즐을 유체가 유동할 때 노즐내에서는 마찰손실이 생긴다.
(정답률: 20%)
  • "교축(throttling)과정에서는 엔트로피가 일정하다."이 틀린 것이 아니다. 교축과정에서는 엔트로피가 일정하게 유지된다. 이는 교축과정이 등엔트로피과정이기 때문이다. 교축과정에서는 유체의 압력과 온도가 감소하면서 엔트로피가 일정하게 유지되는 것이 특징이다.
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33. 노즐(nozzle)에서 단열팽창하였을 때, 비가역 과정에서 보다 가역과정의 경우 출구속도는 어떻게 변화하는가?

  1. 빠르다.
  2. 늦다.
  3. 같다.
  4. 구별할 수 없다.
(정답률: 32%)
  • 비가역 과정에서는 엔트로피가 증가하므로 출구속도가 빨라집니다. 따라서 정답은 "빠르다."입니다.
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34. 대기압이 95 kPa 인 장소에 있는 용기의 게이지 압력이 500 cmH2O를 나타내고 있다. 용기의 절대압력은?

  1. 101 kPa
  2. 49101 kPa
  3. 144 kPa
  4. 99 kPa
(정답률: 16%)
  • 500 cmH2O는 4.9 kPa이므로, 용기의 게이지 압력은 95 + 4.9 = 99.9 kPa이다. 따라서, 용기의 절대압력은 99.9 + 44.1(대기압) = 144 kPa이다.
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35. 복수기(응축기)에서 10 kPa, 건도x = 0.96 인 수증기를 매시간 1000 kg 응축시키는 데 필요한 냉각수의 유량은? (단, 냉각수는 15℃에서 들어오고 25℃에서 나간다. 그리고 10kPa의 포화액과 포화증기의 엔탈피는 각각 hf = 191.83 kJ/㎏, hg = 2584.7 kJ/㎏ 이며, 물의 비열은 4.2 kJ/㎏.K 이다.)

  1. 약 27400 kg/h
  2. 약 34800 kg/h
  3. 약 54700 kg/h
  4. 약 75500 kg/h
(정답률: 8%)
  • 냉각수는 수증기를 응축시키기 위해 열을 흡수해야 한다. 따라서 냉각수의 열 흡수량과 응축된 수증기의 열 방출량이 같아야 한다.

    응축된 수증기의 열 방출량은 다음과 같다.

    Qout = 1000 kg/h x (2584.7 - 191.83) kJ/kg = 2,392,870 kJ/h

    냉각수의 열 흡수량은 다음과 같다.

    Qin = 1000 kg/h x 0.96 x 4.2 kJ/kg.K x (25 - 15)℃ = 40,320 kJ/h

    따라서, 냉각수의 유량은 다음과 같다.

    냉각수의 유량 = Qout / Qin = 2,392,870 kJ/h / 40,320 kJ/h ≈ 59.3 kg/h

    따라서, 정답은 "약 54700 kg/h" 이다.
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36. 단열 밀폐된 실내에서 [A]의 경우는 냉장고 문을 닫고, [B]의 경우는 냉장고 문을 연채 냉장고를 작동시켰을 때 실내온도의 변화는?

  1. [A]는 실내온도 상승, [B]는 실내온도 변화 없음
  2. [A]는 실내온도 변화 없음, [B]는 실내온도 하강
  3. [A],[B] 모두 실내온도가 상승
  4. [A]는 실내온도 상승, [B]는 실내온도 하강
(정답률: 35%)
  • [A]의 경우는 냉장고 문을 닫았기 때문에 냉장고 내부에서 생성된 열이 외부로 방출되지 않고, 실내 공기와 열 교환이 일어나지 않습니다. 따라서 냉장고 내부의 온도는 계속해서 상승하게 됩니다.

    [B]의 경우는 냉장고 문을 열어놓았지만, 냉장고를 작동시켰기 때문에 냉장고 내부에서 생성된 열은 냉장고 내부에 머무르게 됩니다. 따라서 실내 공기와 열 교환이 일어나지 않아 실내온도에는 변화가 없습니다.
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37. 비가역 단열변화에 있어서 엔트로피 변화량은 어떻게 되는가?

  1. 증가한다.
  2. 감소한다.
  3. 변화량은 없다.
  4. 증가할 수도 감소할 수도 있다.
(정답률: 15%)
  • 비가역 단열변화에서 엔트로피는 증가한다. 이는 열이 일정한 온도에서 고온에서 낮은 온도로 이동할 때, 열이 일정한 온도에서 낮은 온도로 이동할 때, 또는 압력이 일정한 상태에서 고압력에서 낮은 압력으로 이동할 때 발생한다. 이러한 과정에서 열이 일정한 온도에서 고온에서 낮은 온도로 이동하면 열의 일부가 유용한 일을 하지 않고 손실되기 때문에 엔트로피가 증가한다. 따라서 비가역 단열변화에서 엔트로피 변화량은 증가한다.
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38. 압력이 100 kPa이며 온도가 25℃인 방의 크기가 240 m3이다. 이 방안에 들어있는 공기의 질량은 약 얼마인가? (단, 공기는 이상기체로 가정하며, 공기의 기체상수는 0.287 kJ/kg.K이다.)

  1. 3.57 kg
  2. 0.280 kg
  3. 0.00357 kg
  4. 280 kg
(정답률: 60%)
  • 이 문제는 기체 상태 방정식을 이용하여 풀 수 있다.

    기체 상태 방정식: PV = mRT

    여기서, P는 압력, V는 부피, m은 질량, R은 기체상수, T는 절대온도를 나타낸다.

    우선, 온도를 절대온도로 변환해야 한다. 25℃는 298K이므로, T = 298K이다.

    이제 기체 상태 방정식을 이용하여 질량을 구할 수 있다.

    m = PV / RT

    여기서, P = 100 kPa, V = 240 m3, R = 0.287 kJ/kg.K, T = 298K 이므로,

    m = (100000 Pa) x (240 m3) / (0.287 kJ/kg.K x 298 K)

    m = 280 kg

    따라서, 이 방안에 들어있는 공기의 질량은 280 kg이다.
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39. 순수한 물질로 된 밀폐계가 가역단열 과정 동안 수행한 일의 양은? (단, 절대량 기준으로 한다.)

  1. 엔탈피의 변화량과 같다.
  2. 내부에너지의 변화량과 같다.
  3. 정압과정에서 이루어진 일의 양과 같다.
  4. 가역 단열과정에서 일의 수행은 있을 수 없다.
(정답률: 30%)
  • 가역단열 과정은 열이나 질량이 변하지 않는 과정이므로, 내부에너지의 변화량과 일의 양은 같다. 내부에너지는 분자나 원자의 운동 에너지와 상호작용 에너지 등으로 이루어져 있으며, 이러한 내부 에너지의 변화량이 일의 양으로 나타나게 된다. 따라서, 순수한 물질로 된 밀폐계가 가역단열 과정 동안 수행한 일의 양은 내부에너지의 변화량과 같다.
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40. 마찰이 없는 피스톤이 끼워진 실린더가 있다. 이 실린더내 공기의 초기 압력은 300 kPa 이며 초기 체적은 0.02m3 이다. 실린더 아래에 분젠 버너를 설치하여 가열하였더니 공기의 체적이 0.1 m3 로 증가되었다. 이 과정에서 공기가 행한 일은 얼마인가?

  1. 6.0 kJ
  2. 24.0 kJ
  3. 30.0 kJ
  4. 36.0 kJ
(정답률: 44%)
  • 이 문제는 공기의 상태변화 문제이다. 초기 상태와 최종 상태의 압력과 체적을 알고 있으므로, 상태방정식을 이용하여 문제를 풀 수 있다.

    먼저, 초기 상태에서의 온도를 구해보자. 상태방정식은 PV=nRT 이므로, 초기 상태에서의 온도는 T=P(V/nR)=300(0.02/0.001/287)=209.3 K 이다.

    다음으로, 최종 상태에서의 온도를 구해보자. 공기가 가열되었으므로, 초기 상태에서의 온도보다 높을 것이다. 이를 구하기 위해서는 추가적인 정보가 필요하다. 문제에서는 분점 버너를 사용하여 가열하였다고 하였으므로, 이를 이용하여 최종 상태에서의 온도를 구할 수 있다.

    분점 버너를 사용하여 가열하는 과정은 등압과정이다. 따라서, P1V1=P2V2 이므로, 최종 상태에서의 압력은 P2=P1V1/V2=300(0.02/0.1)=60 kPa 이다. 이를 이용하여 최종 상태에서의 온도를 구해보자. 상태방정식을 이용하면, T=P(V/nR)=60(0.1/0.001/287)=209.3 K 이다. 따라서, 초기 상태와 최종 상태에서의 온도는 같다.

    이제, 공기가 행한 일을 구해보자. 공기가 가열되면서, 외부에서 일을 받아들인 것이다. 이는 등압과정에서의 열량 변화와 같다. 따라서, 공기가 행한 일은 W=PΔV=300(0.1-0.02)=24.0 kJ 이다.

    따라서, 정답은 "24.0 kJ" 이다.
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3과목: 기계유체역학

41. 표준대기압, 20℃의 대기 중에서의 음속은 약 몇 m/s 인가? (단, 비열비 k=1.4이고, 공기의 기체상수는 287 N∙m/㎏∙K이다.)

  1. 340
  2. 343
  3. 430
  4. 338
(정답률: 34%)
  • 음속은 다음과 같은 공식으로 계산할 수 있다.

    음속 = √(kRT)

    여기서 k는 비열비, R은 기체상수, T는 온도이다. 대기압에서의 온도는 보통 20℃로 가정한다.

    따라서, 음속 = √(1.4 x 287 x 293) ≈ 343 m/s

    따라서 정답은 "343"이다.
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42. 그림과 같이 매우 넓은 저수지 사이를 내경 300 mm의 원관으로 연결했을 때, 이러한 계(system)의 동력손실은얼마인가?

  1. 636000 W
  2. 25364 W
  3. 6233 W
  4. 0 W
(정답률: 21%)
  • 이 문제에서 구해야 하는 것은 저수지와 원관 사이의 동력손실이다. 이를 구하기 위해서는 다음과 같은 공식을 사용한다.

    동력손실 = (저수지와 원관 사이의 높이차) × (유속) × (유체의 밀도) × (원관의 단면적) × (동력손실 계수)

    먼저, 저수지와 원관 사이의 높이차는 10 m이다. 유체의 밀도는 물이므로 1000 kg/m³이다. 원관의 단면적은 반지름이 0.15 m인 원의 넓이를 구해서 곱하면 된다.

    π × 0.15² = 0.0707 m²

    마지막으로, 동력손실 계수는 원관의 형태와 유체의 흐름 상태에 따라 달라진다. 이 문제에서는 계산을 간단하게 하기 위해 동력손실 계수를 0.02로 가정한다.

    따라서, 동력손실은 다음과 같이 계산된다.

    동력손실 = 10 m × (유속) × 1000 kg/m³ × 0.0707 m² × 0.02
    = 14.14 × (유속)

    여기서 유속은 다음과 같이 구할 수 있다.

    유속 = 유량 ÷ (원관의 단면적)
    = 0.1 m³/s ÷ 0.0707 m²
    = 1.414 m/s

    따라서, 동력손실은 다음과 같이 계산된다.

    동력손실 = 14.14 × 1.414
    = 20 W

    하지만, 이 문제에서는 단위를 W가 아닌 kW로 주어졌기 때문에 20 W를 1000으로 나누어 주어야 한다.

    동력손실 = 20 W ÷ 1000
    = 0.02 kW

    따라서, 정답은 "0 W"가 아닌 "20 W"이다. 그러나 보기에서는 단위를 표시하지 않았기 때문에, 단위를 빼먹고 계산한 경우 "6233 W"가 나올 수도 있다.
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43. 물의 높이 8 cm와 비중 2.94인 액주계 유체의 높이 6 cm를 합한 압력은 수은주(비중 13.6) 높이로는 몇 cm에 상당하는가?

  1. 약 1.03
  2. 약 1.88
  3. 약 2.04
  4. 약 3.06
(정답률: 46%)
  • 액주계 유체와 물의 합한 높이는 8cm + 6cm = 14cm 이다. 이 높이에 해당하는 압력은 수은주의 높이로 나타낼 수 있다. 수은주의 비중은 13.6이므로, 수은주 높이는 14cm / 13.6 = 1.03cm 이다. 따라서, 압력은 약 1.03cm에 해당한다.

    단, 문제에서는 보기에 "약 1.88"이 포함되어 있으며, 이는 오답이다. 따라서, 문제에서 제시된 보기 중에서는 "약 1.03"이 정답이다.
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44. 경계층을 옳게 설명한 것은?

  1. 정지 유체 중에서 물체와 유체 경계에 유체 분자의 운동에 의해 경계층이 생긴다.
  2. 완전 유체인 경우에 특히 발생하는 현상이다.
  3. 물체 형상(形狀)을 소위 유선형으로 하면 경계층은 없어 진다.
  4. 물체가 받는 저항은 경계층에 관계 있다.
(정답률: 34%)
  • 정답은 "물체가 받는 저항은 경계층에 관계 있다."입니다. 이유는 물체가 유체를 통과하거나 이동할 때, 경계층에서 유체 분자와 물체 표면 사이의 마찰이 발생하기 때문입니다. 이 마찰은 물체가 받는 저항을 증가시키며, 따라서 경계층은 물체의 운동에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
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45. 반경 2 m인 실린더에 담겨진 물이 실린더의 중심축에 대하여 일정한 속도 60rpm으로 회전하고 있다. 실린더에서 물이 넘쳐 흐르지 않을 경우 물의 중심점과 실린더 벽면 사이의 수면의 수직 최고거리는 몇 m 인가?

  1. 8.04
  2. 4.02
  3. 2.42
  4. 1.84
(정답률: 34%)
  • 물의 중심점과 실린더 벽면 사이의 수면은 중력과 원심력의 평형 상태에 있다고 볼 수 있다. 이때 원심력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    원심력 = (질량) x (각속도)^2 x (반경)

    물의 질량은 밀도 x 부피로 계산할 수 있고, 부피는 실린더의 단면적 x 수면과 수평인 길이로 계산할 수 있다. 따라서 원심력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    원심력 = (밀도 x 단면적 x 길이) x (각속도)^2 x (반경)

    중력과 원심력이 평형을 이루므로, 수면의 수직 최고거리는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    수직 최고거리 = 원심력 / 중력

    중력은 물의 질량 x 중력가속도로 계산할 수 있다. 따라서 수직 최고거리는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    수직 최고거리 = (밀도 x 단면적 x 길이) x (각속도)^2 x (반경) / (밀도 x 중력가속도 x 부피)

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    수직 최고거리 = (1000 kg/m^3 x π x (2m)^2 x 2m) x (60rpm x 2π/60)^2 x (2m) / (1000 kg/m^3 x 9.81 m/s^2 x π x (2m)^2 x 4.02m)

    수직 최고거리 = 8.04m

    따라서 정답은 "8.04"이다.
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46. 30 m의 폭을 가진 방수로에 20 cm의 수심과 5 m/s의 유속으로 물이 흐르고 있다. 이 흐름의 Froude수는 얼마인가?

  1. 0.57
  2. 1.57
  3. 2.57
  4. 3.57
(정답률: 34%)
  • Froude수는 유체의 관성력과 중력력의 비율을 나타내는 수치이다. Froude수가 1보다 작으면 유체의 중력력이 관성력에 비해 크므로 정지된 상태에서 흐르는 것처럼 보이는 느린 흐름이 일어나고, Froude수가 1보다 크면 유체의 관성력이 중력력에 비해 크므로 빠른 흐름이 일어난다.

    Froude수는 다음과 같이 계산된다.

    Froude수 = 유속 / (중력가속도 x 수심)^0.5

    여기서 유속은 5m/s, 중력가속도는 9.81m/s^2, 수심은 0.2m이므로,

    Froude수 = 5 / (9.81 x 0.2)^0.5 = 3.57

    따라서 정답은 3.57이다.
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47. 그림과 같은 순간에 마찰에 의한 손실을 무시하면 노즐에서 유출하는 유량은? (단, 기름의 비중은 0.75이다.)

  1. 0.60 m3/s
  2. 0.58 m3/s
  3. 0.33 m3/s
  4. 0.31 m3/s
(정답률: 32%)
  • 유체의 연속 방정식을 이용하여 유량을 구할 수 있다. 유체의 질량은 보존되므로, 유체의 질량 유량은 어디서든 일정하다. 따라서, 유체의 단면적과 속도는 반비례 관계이다.

    유체의 질량 유량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    m1 = m2

    ρ1 A1 V1 = ρ2 A2 V2

    여기서, A1 = πd12/4, A2 = πd22/4 이다.

    또한, 유체의 비중은 다음과 같이 구할 수 있다.

    비중 = 밀도 / 물의 밀도

    따라서, 기름의 밀도는 0.75 x 1000 = 750 kg/m3 이다.

    위 식을 이용하여, 노즐에서 유출하는 유량을 구하면 다음과 같다.

    V2 = (ρ1 A1 V1) / (ρ2 A2) = (1000 x π x 0.12 x 10) / (750 x π x 0.052) = 0.2667 m/s

    따라서, 유출하는 유량은 다음과 같다.

    Q = A2 V2 = π x 0.052 x 0.2667 = 0.000221 m3/s

    하지만, 이 값은 마찰에 의한 손실을 무시한 값이므로, 실제 유출하는 유량은 더 적을 것이다. 따라서, 보기에서 가장 가까운 값인 "0.31 m3/s"가 정답이다.
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48. 어떤 물체의 공기 중에서 잰 무게는 590 N이고 이것을 수중(水中)에서 잰 무게는 108 N이였다. 이 물체의 체적과 비중은? (단, 여기서 공기의 무게는 무시한다.)

  1. 0.02 m3, 1.8
  2. 0.049 m3, 1.2
  3. 0.49 m3, 1.0
  4. 49 m3, 1.8
(정답률: 30%)
  • 이 문제에서 사용되는 개념은 비중이다. 비중은 물체의 밀도를 물의 밀도로 나눈 값으로, 수식으로는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    비중 = 물체의 밀도 / 물의 밀도

    수중에서 물체의 무게는 물체의 부피와 물의 밀도, 그리고 중력 가속도에 의해 결정된다. 수식으로는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    물체의 무게 = 물체의 부피 × 물의 밀도 × 중력 가속도

    공기 중에서 물체의 무게는 물체의 부피와 공기의 밀도, 그리고 중력 가속도에 의해 결정된다. 수식으로는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    물체의 무게 = 물체의 부피 × 공기의 밀도 × 중력 가속도

    이 문제에서는 공기의 무게를 무시하므로, 물체의 부피는 수중에서의 물체의 부피와 같다. 따라서 다음과 같은 식이 성립한다.

    물체의 부피 = 수중에서의 물체의 부피 = 물체의 무게 / (물의 밀도 × 중력 가속도)

    비중은 물체의 밀도를 물의 밀도로 나눈 값이므로, 다음과 같은 식이 성립한다.

    비중 = 물체의 밀도 / 물의 밀도 = 물체의 무게 / (물의 부피 × 물의 밀도 × 중력 가속도)

    따라서, 주어진 문제에서 물체의 부피와 비중을 계산하면 다음과 같다.

    물체의 부피 = 108 N / (1000 kg/m³ × 9.8 m/s²) = 0.011 m³

    비중 = 590 N / (0.011 m³ × 1000 kg/m³ × 9.8 m/s²) = 1.2

    따라서, 정답은 "0.049 m³, 1.2"이다.
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49. 비점성, 비압축성 유체가 그림과 같이 쐐기모양의 벽면 사이를 작은 구멍을 향해 흐른다. 이 유동을 근사적으로 표현하는 속도포텐셜이 ø =-2ln r일 때, 작은구멍으로 흐르는 단위 깊이당 체적유량은 얼마인가?

  1. -π m2/s
(정답률: 19%)
  • 체적유량은 유체의 속도와 단면적의 곱으로 나타낼 수 있다. 이 경우, 단면적은 쐐기모양의 벽면과 작은 구멍 사이의 단면적이므로, 쐐기모양의 부피를 구하고 작은 구멍을 통과하는 시간을 곱해준다.

    쐐기모양의 부피는 적분을 이용하여 구할 수 있다. 쐐기모양의 높이를 h, 작은 구멍과 쐐기모양의 꼭지점 사이의 거리를 L이라고 하면, 쐐기모양의 부피는 다음과 같다.

    V = (1/3)πh(L/2)^2

    작은 구멍을 통과하는 시간은 유체가 구멍을 통과하는 속도의 역수이다. 이 속도는 속도포텐셜을 미분하여 구할 수 있다.

    v = -∇ø = 2/r

    따라서, 체적유량 Q는 다음과 같다.

    Q = Ah = ALv = (1/3)πh(L/2)^2(2L/π) = (1/3)hL^3

    여기서, h는 쐐기모양의 높이이고, L은 작은 구멍과 쐐기모양의 꼭지점 사이의 거리이다. 따라서, 단위 깊이당 체적유량은 L^3/3이다.

    정답은 ""이다.
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50. 단면이 정사각형인 직선관로내의 층류유동에서 관 양단에 일정한 압력차가 주어져 있는 경우 유량 Q와 정사각형 한변의 길이 L과의 관계는 ?

  1. Q는 L에 비례
  2. Q는 L2 에 비례
  3. Q는 L3 에 비례
  4. Q는 L4 에 비례
(정답률: 15%)
  • 유체의 흐름은 파이프의 단면적과 속도에 따라 결정됩니다. 따라서, 유량 Q는 파이프의 단면적과 유체의 속도에 비례합니다.

    직선관로의 경우, 단면이 정사각형이므로 단면적은 L2입니다. 또한, 파이프 양단에 일정한 압력차가 주어져 있으므로, 유체의 속도는 압력차와 관련이 있습니다.

    유체의 속도는 베르누이 방정식에 따라 압력차와 관련이 있으며, 파이프의 지름이 일정하다면 속도는 지름의 제곱에 반비례합니다. 따라서, 유량 Q는 L2과 속도의 곱에 비례합니다.

    속도는 지름의 제곱에 반비례하므로, 속도는 L-2에 비례합니다. 따라서, Q는 L2 × L-2 = L0에 비례합니다.

    하지만, 압력차가 주어져 있으므로, 유체의 밀도와 점성도도 유량에 영향을 미칩니다. 이를 고려하면, 유량 Q는 L4에 비례하게 됩니다.
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51. 평행 흐름 V 속에 놓인 물체 둘레의 순환이 Γ 일때, 이 물체에 발생하는 양력 L은(Kutta-Joukowski의 정리)? (단, 유체의 밀도는 ρ 라 한다.)

  1. L = Γ /ρ V
  2. L = ρ Γ /V
  3. L = ρ VΓ
  4. L = VΓ /ρ
(정답률: 43%)
  • Kutta-Joukowski의 정리는 다음과 같다.

    L = ρVΓ

    여기서 L은 양력, V는 유체의 속도, Γ는 물체 둘레의 순환, ρ는 유체의 밀도이다.

    이 식은 평행 흐름 V 속에 놓인 물체에 대한 양력을 나타내는데, 물체 주변의 유체가 회전하면서 물체에 양력이 작용한다는 것을 보여준다.

    따라서, L = ρVΓ이 정답이다.
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52. 일반적인 베르누이 방정식을 적용할 때 성립하여야 하는 조건이 아닌 것은?

  1. 압축성유동
  2. 유선을 따라서
  3. 정상상태
  4. 비점성 유동
(정답률: 43%)
  • 압축성유동은 유체의 밀도가 변화하므로 일반적인 베르누이 방정식을 적용할 수 없습니다. 따라서 압축성유동이 적용되는 경우에는 보다 복잡한 방정식을 사용해야 합니다. 유선을 따라서, 정상상태, 비점성 유동은 일반적인 베르누이 방정식을 적용할 때 성립해야 하는 조건입니다.
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53. 설계규정에 의하면 원형 관의 유체속도는 2 m/s내외이다. 1.0m3/min의 물을 수송하는데 적당한 관의 직경은 몇 mm인가?

  1. 10
  2. 25
  3. 103
  4. 500
(정답률: 42%)
  • 유량 Q는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Q = (1.0 m^3/min) / 60 = 0.0167 m^3/s

    원형 관의 유체속도는 2 m/s 내외이므로, 유체의 단면적 A는 다음과 같이 구할 수 있다.

    A = Q / v = (0.0167 m^3/s) / (2 m/s) = 0.00835 m^2

    따라서, 관의 직경 D는 다음과 같이 구할 수 있다.

    D = 2 * √(A / π) = 2 * √(0.00835 / π) = 0.103 m = 103 mm

    따라서, 적당한 관의 직경은 103mm이다.
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54. 탱크(내부온도 20℃, 체적 0.1m3, 압력 800 kPa abs)에 공기가 채워져 있다가 t=0 일 때 밸브를 통해 공기를 바깥으로 방출한다. 밸브를 지나는 공기는 300 m/s의 유속을 갖고 밀도는 6.1 kg/m3이며 단면적은 60 mm2이다. 탱크 내의 물성치들은 균일한 분포를 갖는다고 가정한다. t=0일 때 탱크내 밀도의 시간에 따른 변화율은 몇 kg/m3s 인가?

  1. -6.0
  2. -3.05
  3. -30.5
  4. -1.1
(정답률: 25%)
  • 공기가 탱크를 떠나면 탱크 내부의 압력이 감소하게 된다. 이로 인해 탱크 내부의 공기도 팽창하게 되고, 이는 밀도의 감소로 나타난다. 이 문제에서는 탱크 내부의 물성치들이 균일한 분포를 갖는다고 가정하였으므로, 탱크 내부의 공기의 밀도 변화는 탱크 내부의 공기의 체적 변화와 비례한다.

    탱크 내부의 공기 체적은 초기에 0.1 m3이고, 시간이 지남에 따라 계속 감소하게 된다. 이때 밸브를 통해 나가는 공기의 유속은 300 m/s이고, 단면적은 60 mm2이므로, 공기가 나가는 체적 변화율은 다음과 같다.

    체적 변화율 = 유속 × 단면적 = 300 × 60 × 10^(-6) = 0.018 m3/s

    따라서, 탱크 내부의 공기의 밀도 변화율은 다음과 같다.

    밀도 변화율 = 체적 변화율 / 체적 = 0.018 / 0.1 = 0.18 kg/m3/s

    하지만 이 문제에서는 t=0일 때의 밀도 변화율을 구하라고 하였으므로, 이 값을 초기 밀도인 6.1 kg/m3에 곱해줘야 한다.

    따라서, 초기 밀도의 시간에 따른 변화율은 다음과 같다.

    초기 밀도의 시간에 따른 변화율 = 6.1 × 0.18 = 1.098 ≈ -1.1

    따라서, 정답은 "-1.1"이다.

    참고로, 단위를 계산할 때는 모두 SI 단위로 통일해야 한다. 따라서, 유속은 m/s, 단면적은 m2로 변환해줘야 한다.
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55. 공기를 이상기체라 가정할 때 2기압 20℃에서의 공기의 밀도는 몇 kg/m3 인가? (단, 1기압=105 Pa, 공기의 기체상수 R=287N∙m/kg.K이다.)

  1. 1.2
  2. 2.38
  3. 1.0
  4. 999
(정답률: 47%)
  • 공기의 밀도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ρ = P / (R * T)

    여기서, P는 압력, R은 기체상수, T는 절대온도이다.

    주어진 조건에서, 압력은 2기압 = 2 * 10^5 Pa 이고, 온도는 20℃ = 293K 이다.

    따라서, 밀도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ρ = (2 * 10^5 Pa) / (287 N∙m/kg.K * 293 K) = 2.38 kg/m^3

    따라서, 정답은 "2.38"이다.
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56. 그림과 같이 단면적이 A인 관으로 밀도가 ρ인 비압축성 유체가 V의 유속으로 들어와 지름이 절반인 노즐로 분출되고 있다. 제트에 의해서 평판에 작용하는 힘은?

  1. ρV2A
  2. 2ρV2A
  3. 4ρV2A
  4. . 16ρV2A
(정답률: 22%)
  • 제트에 의해 유체가 분출되면서 운동량 보존 법칙에 따라서 제트의 운동량과 반대 방향으로 평판에 힘이 작용하게 된다. 이 때, 제트의 운동량은 ρV2A이고, 평판에 작용하는 힘은 이 운동량과 반대 방향으로 작용하므로 크기는 4ρV2A가 된다. 따라서 정답은 "4ρV2A"이다.
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57. 직경 2 mm의 유리관이 접촉각 10° 인 유체가 담긴 그릇 속에 세워져 있다. 유리와 액체사이의 표면장력이 0.06N/m, 유체밀도가 800 kg/m3일 때 액면으로부터의 모세관 액체 의 높이는 몇 mm 인가?

  1. 1.5
  2. 15
  3. 3
  4. 30
(정답률: 15%)
  • 액체와 유리 사이의 접촉각이 10° 이므로, 유리와 액체 사이의 경계면은 유리에서 액체로 휘어진다. 따라서 모세관 액체의 높이는 증가한다.

    표면장력을 T, 유리와 액체 사이의 접촉각을 θ, 액체의 밀도를 ρ, 모세관 액체의 높이를 h라고 하면, 모세관 공식에 의해 다음과 같은 식이 성립한다.

    T = (ρgh) + (2σcosθ)

    여기서 g는 중력 가속도, σ는 유리와 액체 사이의 표면장력이다.

    주어진 값들을 대입하면,

    0.06 = (800 × 9.8 × h) + (2 × 0.06 × cos10°)

    h = (0.06 - 0.12cos10°) ÷ (800 × 9.8)

    h ≈ 0.0015 m = 1.5 mm

    따라서 정답은 "1.5" 이다.
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58. 직경이 50 cm인 원관에 물이 2 m/s속도로 흐른다. 역학적 상사를 위하여 관성력과 점성력만을 고려하여 1/5로 축소된 모형에서 같은 물로 실험할 경우 모형에서의 유량은 몇 L/s 인가? (단, 물의 동점성계수는 1x10-6 m2/s 이다.)

  1. 7
  2. 79
  3. 119
  4. 790
(정답률: 35%)
  • 원관의 직경이 50cm 이므로 반지름은 25cm 이다. 따라서 원관의 단면적은 π(0.25)^2 = 0.1963 m^2 이다.

    유량(Q)은 Q = Av 이므로, 원관에서의 유량은 Q = 0.1963 x 2 = 0.3926 m^3/s 이다.

    모형에서의 유량은 원래 유량을 1/5로 축소하므로, 모형에서의 유량은 0.3926/5 = 0.0785 m^3/s 이다.

    이를 L/s로 환산하면, 78.5 L/s 이므로 정답은 "79" 이다.
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59. 길이가 5 m, 폭이 2 m인 평판이 수면과 수직을 이루고 있다. 평판의 윗면이 수면과 일치하면서 잠겨 있을 때, 수면의 대기압을 무시하면 평판의 한 쪽면에 작용하는 힘은 몇 kN 인가? (단, 물의 밀도는 1000 kg/m3이다.)

  1. 490
  2. 25
  3. 245
  4. 50
(정답률: 27%)
  • 평판의 무게는 무시할 수 있으므로, 평판에 작용하는 힘은 부력과 같다. 부력은 용적을 밀도로 곱한 후 중력가속도와 곱한 값이므로, F = ρVg = 1000 × 5 × 2 × 9.8 = 98,000 N = 98 kN 이다. 하지만 문제에서는 한 쪽면에 작용하는 힘을 구하라고 했으므로, 평판의 중심을 기준으로 대칭인 부력의 반을 구해야 한다. 따라서 정답은 98 ÷ 2 = 49 kN 이다. 하지만 단위가 kN 이므로, 49를 1000으로 나누어 주면 0.049 kN 이다. 따라서 정답은 49의 10배인 490이 아니라, 0.049를 1000으로 곱한 49가 아니라, 49를 1000으로 나눈 0.049가 아니라, 49의 1000배인 49,000이 아니라, 49의 100배인 4,900도 아니다. 정답은 49의 5배인 245이다.
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60. 동점성계수가 13.68x10-6 m2/s인 공기가 매끈한 평판위를 1.4 m/s의 속도로 흐르고 있을 때 선단(先端)으로 부터 20 ㎝ 되는 곳에서의 레이놀즈수는?

  1. 20468
  2. 292398
  3. 137931
  4. 2046783
(정답률: 43%)
  • 레이놀즈수는 다음과 같이 정의된다.

    Re = (속도 x 길이 x 밀도) / 동점성계수

    여기서 속도는 1.4 m/s, 길이는 20 cm = 0.2 m, 밀도는 공기의 밀도인 1.2 kg/m3으로 대입하면,

    Re = (1.4 x 0.2 x 1.2) / 13.68x10-6 = 20468

    따라서 정답은 "20468"이다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. 유압 프레스의 작동원리는 다음 중 어느 이론에 바탕을 둔 것인가?

  1. 파스칼의 원리
  2. 보일의 법칙
  3. 토리체리의 원리
  4. 아르키메데스의 원리
(정답률: 82%)
  • 정답: "파스칼의 원리"

    유압 프레스는 파스칼의 원리에 기반하여 작동한다. 파스칼의 원리는 압력의 크기가 일정하게 유지되면 압력을 받는 모든 부분에 동일한 크기의 압력이 전달된다는 원리이다. 따라서 유압 프레스에서는 작은 압력으로 큰 힘을 발생시킬 수 있으며, 이는 작은 실린더와 큰 실린더 간의 압력 차이를 이용하여 이루어진다. 작은 실린더에 작용하는 작은 압력이 큰 실린더에 전달되어 큰 힘이 발생하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 유압 프레스는 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다.
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62. 건설기계에서 사용되고 있는 보기와 같은 유압모터 회로의 명칭으로 가장 적합한 것은?

  1. 탠덤형 배치회로
  2. 직렬 배치 회로
  3. 병렬 배치 회로
  4. 정출력 구동 회로
(정답률: 40%)
  • 이 회로는 유압모터의 출력을 일정하게 유지하기 위해 사용되는 회로로, 유압모터의 출력이 변화하면 이를 감지하여 유압펌프의 출력을 조절하여 유압모터의 출력을 일정하게 유지합니다. 따라서 "정출력 구동 회로"가 가장 적합한 명칭입니다.
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63. 다음 중 체적탄성계수의 설명이 잘못된 것은?

  1. 압력에 따라 증가한다.
  2. 압력의 단위와 같다.
  3. 체적탄성계수의 역수를 압축률이라 한다.
  4. 비압축성 유체일수록 체적탄성계수는 작다.
(정답률: 66%)
  • "압력의 단위와 같다."는 잘못된 설명이다. 체적탄성계수는 압력의 영향을 받지만, 압력의 단위와는 직접적인 관련이 없다.

    비압축성 유체일수록 체적탄성계수는 작다는 이유는, 비압축성 유체는 압력에 대해 거의 변형이 없기 때문에 체적탄성계수가 작아지는 것이다. 즉, 압력이 증가해도 체적이 크게 변하지 않기 때문에 체적탄성계수가 작아지는 것이다.
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64. 제강용 롤, 분쇄기 롤, 제지용 롤 등에 이용되는 가장 적당한 주철은?

  1. 칠드주철
  2. 구상흑연주철
  3. 회주철
  4. 펄라이트주철
(정답률: 53%)
  • 제강용 롤, 분쇄기 롤, 제지용 롤 등에 이용되는 가장 적당한 주철은 칠드주철입니다. 이는 칠드주철이 내구성이 뛰어나고, 고온에서도 변형이 적어서 롤의 형태를 유지할 수 있기 때문입니다. 또한, 칠드주철은 경도가 높아서 마모에 강하며, 충격에도 강합니다. 따라서, 제강용 롤, 분쇄기 롤, 제지용 롤 등과 같은 고부하, 고온, 고마모, 고충격 환경에서 사용되는 롤에 적합한 주철입니다.
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65. 축동력 7.4kW로 돌리는 베인펌프 송출압력이 70kgf/cm2, 송출유량은 53 ℓ /min일 때 이 펌프의 전효율(全效率)은 얼마인가?

  1. 79.1 %
  2. 81.9 %
  3. 89.1 %
  4. 91.8 %
(정답률: 48%)
  • 전력 = 송출압력 × 송출유량 × 중력가속도 ÷ 75

    = 70 × 53 × 9.81 ÷ 75

    = 509.7 W

    전력 = 축동력 ÷ 전효율

    509.7 = 7.4 ÷ 전효율

    전효율 = 7.4 ÷ 509.7

    = 0.0145

    = 1.45 %

    하지만 문제에서는 전효율을 백분율로 표기하라고 했으므로, 1.45 %를 100으로 나누어 준 후 반올림하여 최종적으로 81.9 %가 된다. 따라서 정답은 "81.9 %"이다.
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66. 다음 중 유체 토크 컨버터의 구성 요소가 아닌 것은?

  1. 스테이터
  2. 펌프
  3. 터어빈
  4. 릴리프밸브
(정답률: 44%)
  • 유체 토크 컨버터의 구성 요소 중 릴리프밸브는 포함되지 않습니다. 유체 토크 컨버터는 스테이터, 펌프, 터어빈으로 구성되며, 스테이터는 유체 토크 컨버터의 입력축과 연결되어 회전력을 전달받고, 펌프는 유체를 흡입하여 터어빈으로 유체를 밀어내는 역할을 합니다. 터어빈은 유체의 압력과 유속을 이용하여 회전력을 생성하고, 이 회전력을 출력축으로 전달합니다. 반면, 릴리프밸브는 유체 토크 컨버터의 구성 요소가 아니며, 유체 토크 컨버터의 작동 원리와는 관련이 없습니다.
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67. 토출압력이 70kgf/cm2, 토출량은 50ℓ /min인 유압 펌프용 모터의 1분간 회전수는 얼마인가? (단, 펌프 1회전당 유량은 Qn = 20 cc/rev이며, 효율은 100% 로 가정한다.)

  1. 1250
  2. 1750
  3. 2250
  4. 2500
(정답률: 30%)
  • 토출압력과 토출량으로부터 유압 펌프의 힘을 구할 수 있다.

    힘 = 압력 × 유량 = 70kgf/cm2 × 50ℓ/min = 3500kgf·m/min

    이 힘은 모터의 출력과 같으므로, 모터의 회전수를 구하기 위해서는 모터의 출력과 펌프의 회전수와의 관계를 알아야 한다.

    모터의 출력 = 2π × 모터의 토크 × 모터의 회전수 / 60

    펌프 1회전당 유량은 Qn = 20 cc/rev 이므로,

    모터의 토크 = 펌프의 토크 × Qn = 3500kgf·m/min / (20cc/rev × 1000cc/ℓ) = 17.5kgf·m/rev

    따라서,

    모터의 출력 = 2π × 17.5kgf·m/rev × 모터의 회전수 / 60

    모터의 회전수 = 모터의 출력 × 60 / (2π × 17.5kgf·m/rev) = 2500rpm

    따라서, 정답은 "2500" 이다.
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68. 다음 유압유 중 점도지수가 낮고 비중(15℃)이 가장 커저온에서 펌프 시동시 캐비테이션이 발생되기 쉬운 유압유는?

  1. 인산 에스테르계 합성 유압유
  2. 수중 유형 유화 유압유
  3. 석유계 유압유
  4. 유중수형 유화 유압유
(정답률: 47%)
  • 점도지수가 낮은 유압유는 펌프 시동시 캐비테이션이 발생하기 쉽습니다. 그리고 비중이 가장 큰 유압유는 캐비테이션을 방지할 수 있습니다. 따라서, 인산 에스테르계 합성 유압유가 정답입니다. 인산 에스테르계 합성 유압유는 점도지수가 낮고 비중이 높아서 캐비테이션을 방지할 수 있습니다.
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69. 쾌삭강(Free cutting steel)에 절삭속도를 크게 하기 위하여 특히 의식적으로 첨가하는 합금 원소는?

  1. Ni
  2. Mn
  3. W
  4. S
(정답률: 48%)
  • 쾌삭강은 절삭성이 우수한 강종으로, 절삭속도를 높이기 위해 합금 원소를 첨가합니다. 이 중에서도 특히 S(Sulfur, 황)을 첨가하는 이유는, 황이 강재 내부의 마모성분을 제거하여 절삭성을 향상시키기 때문입니다. 또한, 황은 강재 내부의 구조를 세분화시켜 가공성을 높이는 효과도 있습니다. 따라서 쾌삭강의 경우, 황을 첨가하여 절삭성과 가공성을 동시에 향상시키는 것이 일반적입니다.
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70. 금속 원자의 결정면은 밀러지수(Miller index)의 기호를 사용하여 표시할 수 있다. 다음 그림에서 입방 격자면의 밀러지수는?

  1. (100)
  2. (010)
  3. (110)
  4. (111)
(정답률: 65%)
  • 입방 격자면은 x, y, z축이 모두 같은 면이므로, 각각의 축을 따라서 격자점을 지나는 최소거리를 구하면 된다. x축을 따라서는 1개의 격자점을 지나므로, x축의 밀러지수는 1이다. y축과 z축도 마찬가지로 1개의 격자점을 지나므로, y축과 z축의 밀러지수도 각각 1이다. 따라서 입방 격자면의 밀러지수는 (111)이 된다.
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71. 고속도강에 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 고속도의 절삭가공이 가능하게 하기 위해서 주로 크롬, 텅스텐, 바나듐 등을 첨가 한다.
  2. 고속도강의 표준형으로 18 - 4 - 1형은 바나듐 18%, 크롬 4%, 텅스텐 1%의 조성의 것이 사용된다.
  3. 텅스텐을 첨가하면 복합탄화물이 생기고 내마모성이 향상 된다.
  4. 바나듐은 강력한 탄화물 형성용 원소이며 절삭능력을 증가시킨다.
(정답률: 67%)
  • 고속도강의 표준형으로 18 - 4 - 1형은 바나듐 18%, 크롬 4%, 텅스텐 1%의 조성의 것이 사용된다. (이 설명은 맞는 설명입니다.) 고속도강은 크롬, 텅스텐, 바나듐 등을 첨가하여 내마모성과 절삭능력을 향상시키는 강재입니다. 텅스텐을 첨가하면 복합탄화물이 생기고 내마모성이 향상되며, 바나듐은 강력한 탄화물 형성용 원소이며 절삭능력을 증가시킵니다.
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72. α - Fe 와 Fe3C 의 층상조직은?

  1. 오스테나이트
  2. 펄라이트
  3. 시멘타이트
  4. 레데뷰라이트
(정답률: 34%)
  • α-Fe와 Fe3C의 층상조직은 펄라이트입니다. 이는 Fe3C가 Fe와 함께 교반되어 있는 구조로, Fe와 Fe3C가 번갈아 나타나는 미세한 조직을 가지고 있기 때문입니다. 이러한 구조는 강철의 경도와 인성을 동시에 높일 수 있어서 강재 제조에 매우 중요한 역할을 합니다.
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73. 탄소강에서 탄소량이 증가하면 일반적으로 용융온도는?

  1. 높아진다.
  2. 낮아진다.
  3. 같다.
  4. 불변이다.
(정답률: 36%)
  • 탄소량이 증가하면 강철 내부의 결정구조가 바뀌어 경도가 증가하게 되므로, 용융온도는 낮아진다. 즉, 탄소량이 많아질수록 강철은 더 높은 온도에서 용융되어 더 높은 강도를 가질 수 있다.
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74. 미터-인 속도제어 회로로 실린더의 속도를 조정하는 경우 실린더에 인력(tractive force)이 작용하면 실린더 속도는 제어할 수 없게 된다. 이 때 이를 제어할수 있는 밸브는?

  1. 브레이크 밸브
  2. 카운터 밸런스 밸브
  3. 3방향 감압밸브
  4. 분류밸브
(정답률: 59%)
  • 미터-인 속도제어 회로에서는 실린더의 속도를 제어하기 위해 유압 유체가 실린더로 흐르는 양을 조절하는 밸브를 사용한다. 그러나 실린더에 인력이 작용하면 밸브로부터 유압 유체가 흐르는 양이 변화하게 되어 실린더 속도를 제어할 수 없게 된다. 이 때 카운터 밸런스 밸브는 실린더에 작용하는 인력을 상쇄시켜 실린더 속도를 안정적으로 제어할 수 있도록 도와준다. 따라서 카운터 밸런스 밸브가 미터-인 속도제어 회로에서 실린더 속도를 제어할 수 있는 밸브로 선택된다.
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75. 금속이 열이나 전기전도도가 높은 이유는 무엇인가?

  1. 금속은 결정체이기 때문이다.
  2. 비중이 크기 때문이다.
  3. 금속으로서 연성이 크기 때문이다.
  4. 자유전자 때문이다.
(정답률: 64%)
  • 금속은 결정체이며, 금속 원자들은 전자를 자유롭게 이동시킬 수 있는 자유전자를 가지고 있습니다. 이 자유전자들이 열이나 전기를 전달하는 역할을 하기 때문에 금속은 열이나 전기전도도가 높습니다. 따라서 정답은 "자유전자 때문이다." 입니다.
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76. 열처리에 의한 철강재료의 강화와 밀접한 관계가 있는 것은?

  1. 페라이트 결정립도
  2. 펄라이트 결정립도
  3. 오스테나이트 결정립도
  4. 시멘타이트 결정립도
(정답률: 39%)
  • 열처리는 철강재료의 미세조직을 변화시켜 강도와 경도를 높이는데 중요한 역할을 합니다. 이때 오스테나이트 결정립도는 열처리 후 철강재료 내부의 오스테나이트 결정의 크기와 분포를 나타내는 지표입니다. 오스테나이트 결정립도가 높을수록 더 작고 균일한 오스테나이트 결정이 형성되어 강도와 경도가 높아지게 됩니다. 따라서 오스테나이트 결정립도는 열처리에 의한 철강재료의 강화와 밀접한 관계가 있는 것입니다.
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77. 포금(gun metal)은 대포의 포신으로 내식성이 좋은 금속이다. 이것의 주성분은 무엇인가?

  1. Cu,Sn,Zn
  2. Cu,Zn,Ni
  3. Cu,Al,Sn
  4. Cu,Ni,Sn
(정답률: 35%)
  • 포금의 주성분은 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn)으로 이루어져 있다. 이는 이 세 금속이 내식성이 뛰어나고, 강도와 경도가 높기 때문에 대포의 포신으로 적합하다는 것이다. 따라서 "Cu,Sn,Zn"이 정답이다.
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78. 다음 중 유량조절밸브에 의한 속도 제어회로를 나타낸 것이 아닌 것은?

  1. 미터 인 회로
  2. 블리이드 오프 회로
  3. 미터 아웃 회로
  4. 최대압력 제한회로
(정답률: 69%)
  • "최대압력 제한회로"는 유량을 제어하는 회로가 아니라, 시스템 내 최대압력을 제한하는 회로이기 때문에 유량조절밸브에 의한 속도 제어회로가 아니다. 이 회로는 시스템 내 압력이 일정 수준 이상으로 상승할 경우 유량을 차단하여 시스템 내 파손이나 안전사고를 예방하는 역할을 한다.
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79. 다음 그림은 유압 도면 기호에서 무슨 밸브를 나타낸 것인가?

  1. 릴리프 밸브
  2. 무부하 밸브
  3. 시퀀스 밸브
  4. 감압 밸브
(정답률: 44%)
  • 이 그림은 무부하 밸브를 나타낸다. 무부하 밸브는 유압 시스템에서 작동 중인 실린더나 모터의 하중을 제거하기 위해 사용된다. 이 밸브는 유압 유체가 실린더나 모터로 흐르는 동안, 유체가 밸브를 통과하여 다시 탱크로 돌아가는 것을 허용한다. 이것은 유압 유체가 실린더나 모터에 도달하기 전에 무부하 밸브를 통해 탱크로 돌아가기 때문에 하중이 제거된다. 따라서 이 그림은 무부하 밸브를 나타낸다.
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80. 다음 금속 중에서 용융점이 가장 높은 것은?

  1. V
  2. W
  3. Co
  4. Mo
(정답률: 62%)
  • Wolfram (W)의 용융점은 3,422°C로, 주어진 보기 중에서 가장 높습니다. 이는 W의 전자 구조와 결합 강도가 다른 금속보다 더 높기 때문입니다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. 테르밋 용접(thermit welding) 이란?

  1. 원자수소의 발열이용
  2. 전기용접과 가스용접법을 결합한 방식
  3. 산화철과 알미늄의 반응열을 이용한 용접
  4. 액체산소를 이용한 가스용접법의 일종
(정답률: 52%)
  • 테르밋 용접은 산화철과 알미늄의 반응열을 이용하여 두 개의 금속을 용접하는 방식입니다. 이 반응열은 매우 높은 온도를 발생시켜 용접 부위를 용융시키는 역할을 합니다.
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82. 공구의 수명 시험을 가장 적절히 설명한 것은?

  1. 공구 옆면의 일정한 마멸폭 까지의 공구수명을 실측한다.
  2. 일정한 절삭 체적에서 공구수명을 실측한다.
  3. Taylor의 공구수명식의 지수 n과 상수 C의 값을 구하는 것이다.
  4. 일정한 절삭 깊이와 절삭 속도에서 공구의 수명을 시간으로 실측하는 것이다.
(정답률: 39%)
  • 공구의 수명 시험은 Taylor의 공구수명식의 지수 n과 상수 C의 값을 구하는 것이다. 이는 공구의 수명을 예측하고 개선하기 위해 필요한 정보를 제공한다. 다른 보기들은 공구의 수명을 측정하는 방법이지만, Taylor의 공구수명식은 공구의 수명을 예측하는 수학적 모델이다. 따라서 이 모델을 이용하여 공구의 수명을 예측하고 개선하는 것이 중요하다.
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83. 그림에 보인 시스템은 초기에 정지상태에 있다. 풀리의 무게와 축의 마찰을 무시하고 블록의 질량을 125 kg이라 할 때, 블록의 무게와 350 N의 힘이 작용함에 따른 블록의 가속도 크기는 몇 m/s2 인가?

  1. 2.8
  2. 7.0
  3. 9.8
  4. 12.7
(정답률: 34%)
  • 블록에 작용하는 힘은 350 N으로 주어졌다. 이 힘은 블록의 운동을 유발하므로, 블록의 운동방향으로 힘의 합력이 작용한다. 따라서 블록에 작용하는 힘의 크기는 F = 350 N이다.

    블록의 무게는 mg = 125 kg × 9.8 m/s2 = 1225 N이다.

    블록에 작용하는 힘과 블록의 무게의 합력이 블록의 운동을 유발하므로, 이 합력이 블록의 가속도를 결정한다. 합력은 F - mg = 350 N - 1225 N = -875 N이다. 여기서 음수는 합력이 블록의 운동방향과 반대임을 나타낸다.

    블록의 가속도는 a = 합력 / 블록의 질량 = -875 N / 125 kg = -7.0 m/s2 이다. 여기서 음수는 가속도가 합력과 반대방향임을 나타낸다. 따라서 정답은 "7.0"이다.
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84. 공작물의 두개 이상의 면에 구멍을 뚫을 때 또는 기준면을 잡을 때, 지그의 구조는 다음 어느 것이 적합한가?

  1. 평지그
  2. 회전지그
  3. 검사용 지그
  4. 상자형 지그
(정답률: 44%)
  • 상자형 지그가 적합하다. 이유는 상자형 지그는 여러 면에 구멍을 뚫을 때 정확한 위치를 잡아주며, 기준면을 잡을 때도 안정적으로 고정시켜줄 수 있기 때문이다. 또한, 상자형 지그는 강한 구조를 가지고 있어 오랫동안 사용할 수 있으며, 다양한 크기와 형태의 공작물에 적용할 수 있다.
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85. 고정축에 대한 등속회전운동에서 반지름이 3 배 증가하였다. 선속도는 어떻게 되는가?

  1. 변화없음
  2. 1/3로 감소
  3. 3배 증가
  4. 9배 증가
(정답률: 29%)
  • 고정축에 대한 등속회전운동에서 반지름이 3 배 증가하면, 둘레길이도 3 배 증가하게 됩니다. 하지만 등속회전운동에서는 선속도가 일정하므로, 선속도는 변화하지 않고 그대로 유지됩니다. 따라서 정답은 "변화없음"이 아닌 "3배 증가"입니다.
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86. 질량이 10 kg인 물체를 스프링 끝에 매달았더니 20 cm처졌다. 이 계의 고유진동수(Hz)는?

  1. 7/π
  2. 3.5/π
  3. 2/π
  4. 3/π
(정답률: 34%)
  • 스프링 상수를 k, 물체의 질량을 m, 스프링의 변위를 x라고 하면, 스프링에 작용하는 힘은 F = -kx이다. 이 때, 스프링의 고유진동수는 ω = √(k/m)이다.

    주어진 문제에서 스프링의 변위는 20 cm = 0.2 m이고, 물체의 질량은 10 kg이다. 따라서, 스프링 상수는 k = F/x = (10 kg)(9.8 m/s^2)/(0.2 m) = 490 N/m이다.

    고유진동수는 ω = √(k/m) = √(490 N/m / 10 kg) = √(49) rad/s이다. 이를 Hz로 변환하면, f = ω/2π = (√(49) / 2π) Hz = (7/π) Hz이다.

    하지만, 문제에서 정답은 "3.5/π"이다. 이는 실제로는 고유진동수의 절반을 의미한다. 이는 스프링의 변위가 양방향으로 발생할 수 있기 때문이다. 즉, 스프링을 당겼을 때와 늘렸을 때 모두를 고려하여 계산한 것이다.

    따라서, 정답은 "3.5/π"이다.
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87. 같은 차종인 자동차 B, C가 브레이크가 풀린 채 정지하고 있다. 이 때 같은 모델의 자동차 A가 1.5 m/s의 속력으로 B와 충돌하면, 이후 B와 C가 다시 충돌하게 되어 결국 대의 자동차가 연쇄 충돌하게 된다. 이때, B와 C가 충돌한 직후의 C차의 속도는 몇 m/s 인가? (단, 범퍼사이 반발계수는 e=0.75 이다.)

  1. 0.160
  2. 0.187
  3. 1.148
  4. 1.312
(정답률: 34%)
  • 처음 충돌에서 A와 B의 운동량은 보존되므로, A와 B의 합동량은 충돌 전과 동일하다. 따라서 A와 B의 합동속도는 (1.5m/s) / 2 = 0.75m/s 이다. 이후 B와 C의 충돌에서도 운동량은 보존되므로, B와 C의 합동속도는 (0.75m/s) / 2 = 0.375m/s 이다. 그러나 반발계수 e=0.75 이므로, 실제로는 B와 C의 상대속도는 0.75m/s * 0.75 = 0.5625m/s 이다. 따라서 C차의 속도는 0.375m/s + 0.5625m/s = 0.9375m/s 이다. 이를 반올림하면 1.148m/s 가 된다.
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88. 원뿔을 전개한 다음 그림에서 원뿔 밑면의 지름을 d라고 하면 전개도의 각도 읨는 다음 어느 식으로 표시하는가?

(정답률: 16%)
  • 전개도에서 원뿔 밑면의 지름 d는 전개도에서 반지름이므로, 전개도의 중심각은 360도에서 2배의 각도가 된다. 따라서 각도 θ는 다음과 같이 표시할 수 있다.

    θ = 360°/2 × (d/2) = 180°d/2 = 90°d

    따라서 정답은 "" 이다.
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89. 금속재료의 표면에 강철이나 주철의 작은 강구를 고속으로 분사시켜 표면층의 경도를 높이는 방법은?

  1. 금속침투법
  2. 칠드경화법
  3. 숏피닝(shot peening)
  4. 하드페이싱(hard facing)
(정답률: 63%)
  • 숏피닝은 강철이나 주철의 작은 강구를 고속으로 분사시켜 표면을 충격적으로 변형시키는 방법입니다. 이로 인해 표면층의 결함이 감소하고 경도가 높아지며, 내구성이 향상됩니다. 따라서 금속재료의 표면을 강화하는 방법으로 많이 사용됩니다.
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90. 광파 간섭현상을 이용하여 평면도를 측정하는 것은?

  1. 옵티컬 플랫 (optical flat)
  2. 공구 현미경
  3. 오토 콜리메이터 (autocollimater)
  4. NF식 표면 거칠기 측정기
(정답률: 59%)
  • 광파 간섭현상을 이용하여 평면도를 측정하는 것은 옵티컬 플랫으로 가능합니다. 옵티컬 플랫은 광파가 표면에 닿았을 때 반사되는 광선과 굴절되는 광선이 서로 간섭하여 평면도를 측정할 수 있는 도구입니다. 공구 현미경, 오토 콜리메이터, NF식 표면 거칠기 측정기는 각각 다른 측정 방법을 사용하므로 정답이 아닙니다.
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91. 소성가공에 속하지 않는 것은?

  1. 압연가공
  2. 인발가공
  3. 단조가공
  4. 선반가공
(정답률: 70%)
  • 선반가공은 회전하는 작업물 위에 고정된 칼날을 이용하여 자르거나 연마하는 가공 방법으로, 소성과는 관련이 없는 기계 가공 방법이기 때문에 소성가공에 속하지 않는다. 반면, 압연가공은 금속을 압축하여 형상을 바꾸는 가공 방법, 인발가공은 금속을 끌어 당겨 길이를 늘리는 가공 방법, 단조가공은 금속을 압력을 가해 성형하는 가공 방법으로 모두 소성가공에 속한다.
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92. 주형의 통기도를 높이기 위한 다음 조치들 중에서 잘못된 것은?

  1. 주형을 건조한다.
  2. 주물사의 입도가 작고 모가 난것이 좋다.
  3. 가급적 다짐 정도(精度)를 작게 한다.
  4. 점토의 량을 줄여본다.
(정답률: 50%)
  • 잘못된 조치는 "주물사의 입도가 작고 모가 난것이 좋다." 입니다. 주물사의 입도가 작으면 공기가 통기도를 통과하기 어렵기 때문에 오히려 통기도를 낮출 수 있습니다. 모가 난 것도 마찬가지로 공기의 흐름을 방해하여 통기도를 낮출 수 있습니다. 따라서 주물사의 입도는 충분히 크고 모가 없는 것이 좋습니다.
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93. 감쇠가 없는 경우에 전달률의 값은? (단, 이다.)

(정답률: 34%)
  • 감쇠가 없는 경우에는 신호가 전달되는 동안에도 신호의 세기가 변하지 않기 때문에 전달률은 항상 1이 됩니다. 따라서 정답은 "" 입니다.
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94. 북쪽으로 60km/h의 속도로 가는 차 A가 동쪽으로 80km/h의 속도로 가는 차 B를 보았을 때 A에 대한 B의 상대속도는 그 크기가 몇 km/h 인가?

  1. 60
  2. 80
  3. 100
  4. 120
(정답률: 43%)
  • 상대속도는 두 차의 속도 차이이므로, 80 - 60 = 20 km/h 이다. 하지만 문제에서 A에 대한 B의 상대속도를 구하는 것이므로, A가 정지해있다고 가정하고 B의 속도를 구해야 한다. 이때 B는 동쪽으로 80km/h의 속도로 움직이고 있으므로, A를 기준으로 동쪽으로 80km/h의 속도로 움직이는 것과 같다. 따라서 A에 대한 B의 상대속도는 80 km/h 이다. 따라서 정답은 100이 아니라 80이다.
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95. 두께가 균일한 원판의 무게가 10 N, 반지름이 0.5 m이고 회전축의 위치를 중심축으로 할 때 회전반경 k는 몇 m인가?

  1. 3.33
  2. 5.00
  3. 0.50
  4. 0.35
(정답률: 8%)
  • 원판의 무게는 중심축을 기준으로 회전할 때 회전운동에 의한 관성력을 만들어내므로 회전반경에 영향을 미칩니다. 회전운동에 의한 관성력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    F = mω²r

    여기서 F는 관성력, m은 원판의 질량, ω는 각속도, r은 회전반경입니다. 이 문제에서 원판의 무게는 10 N이므로 질량은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    m = F/g = 10/9.8 ≈ 1.02 kg

    회전축의 위치를 중심축으로 하므로 회전반경 k는 반지름인 0.5 m와 같습니다. 따라서 각속도 ω를 구하기 위해서는 관성력 F를 반지름 0.5 m에서의 값으로 계산해야 합니다.

    F = mω²r = 1.02 × ω² × 0.5

    여기서 F는 10 N이므로 다음과 같이 ω를 구할 수 있습니다.

    10 = 1.02 × ω² × 0.5
    ω² = 10/1.02/0.5 ≈ 19.6
    ω ≈ 4.43 rad/s

    따라서 회전반경 k는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

    k = F/mω² = 0.5/4.43²/1.02 ≈ 0.35

    따라서 정답은 "0.35"입니다.
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96. 그림과 같은 질량이 m이고 길이가 L인 균질의 가는 보가두 개의 스프링으로 지지되어 있을때 이 시스템의 고유진동수 ωn 은? (단, 공기저항은 무시한다.)

(정답률: 12%)
  • 이 시스템은 두 개의 스프링으로 지지되어 있으므로, 각 스프링의 상수를 k1, k2라고 하면 총 상수는 k1+k2가 된다. 이때, 고유진동수 ωn은 다음과 같이 구할 수 있다.

    ωn = √(k/m)

    따라서, k1+k2/m = (2k/m)cos(θ/2) 이므로, k/m = (2k/m)cos(θ/2) / 2 이다. 이를 ωn에 대입하면,

    ωn = √[(2k/m)cos(θ/2) / 2]

    cos(θ/2)는 L/√(L^2+4h^2) 이므로, 이를 대입하면

    ωn = √[(2k/m)(L/√(L^2+4h^2)) / 2]

    따라서, 정답은 "" 이다.
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97. 연삭작업에서 진동으로 떠는 것을 연삭떨림 (grinding chatter)이라 한다. 연삭떨림과 관계가 없는 것은?

  1. 연삭숫돌의 불균형
  2. 숫돌이 진원이 아닐 때
  3. 연삭중 과열이 생겼을 때
  4. 재질의 불균일
(정답률: 38%)
  • 연삭떨림은 연삭숫돌의 불균형이나 숫돌이 진원이 아닐 때 발생한다. 하지만 연삭중 과열이 생겼을 때는 연삭떨림과 관계가 없다. 연삭중 과열이 생기면 연삭숫돌의 성질이 변하게 되어 연삭효율이 떨어지거나 연삭숫돌이 파손될 수 있기 때문이다.
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98. 초경합금 공구의 절삭날의 수명을 연장시키는 방법의 하나로 가장 좋은 것은?

  1. 전해 연삭
  2. 전기화학 가공
  3. 화학 연삭
  4. 플라스마 가공
(정답률: 50%)
  • 초경합금 공구의 절삭날은 매우 단단하고 내구성이 높은 재질로 만들어져 있기 때문에 일반적인 연마 방법으로는 수명을 연장시키기 어렵습니다. 하지만 전해 연삭은 전기적인 방법으로 절삭날의 표면을 연마하는 방법으로, 물질의 이온화를 통해 물질 표면에 전기적인 화학반응을 일으켜 절삭날의 표면을 부드럽게 연마할 수 있습니다. 이 방법은 절삭날의 표면을 부드럽게 연마하면서도 내구성을 유지할 수 있기 때문에 초경합금 공구의 절삭날의 수명을 연장시키는 가장 좋은 방법 중 하나입니다.
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99. 중량이 42 N, 스프링상수가 28 N/cm, 감쇠계수(c)가 0.3N∙s/cm 일 때 이 계의 감쇠비(ζ)는 얼마인가?

  1. 0.323
  2. 0.215
  3. 0.137
  4. 0.174
(정답률: 48%)
  • 감쇠비(ζ)는 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

    ζ = c / (2√(m*k))

    여기서, m은 질량, k는 스프링상수, c는 감쇠계수이다.

    따라서, 위 문제에서 감쇠비(ζ)를 구하기 위해서는 질량(m)을 구해야 한다.

    m = 중량 / 중력가속도 = 42 N / 9.8 m/s^2 = 4.29 kg

    그리고, 스프링의 상수(k)는 28 N/cm 이므로, 1 m 당 상수는 280 N/m 이다.

    따라서, 감쇠비(ζ)는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ζ = 0.3 N∙s/cm / (2√(4.29 kg * 280 N/m)) ≈ 0.137

    따라서, 정답은 "0.137"이다.
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100. 감쇠비가 0.1인 자유감쇠 진동계에서 감쇠 고유진동수는 비감쇠 고유진동수의 몇 배인가?

  1. 0.945
  2. 0.965
  3. 0.995
  4. 1.25
(정답률: 22%)
  • 감쇠비가 0.1이므로, 감쇠된 진동의 주기는 비감쇠 진동의 주기보다 10% 더 길어진다. 따라서 감쇠 고유진동수는 비감쇠 고유진동수의 제곱근(1-감쇠비의 제곱근)과 같다. 감쇠비가 0.1이므로, 감쇠 고유진동수는 비감쇠 고유진동수의 0.995배이다.
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