9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2009-05-23)

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2009-05-23 기출문제)

목록

1. 표면장력(surface tension)에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 왁스칠한 사과 표면의 물방울은 구슬모양으로 뭉친다.
  2. 왁스칠한 자동차 표면의 물방울은 넓게 퍼진다.
  3. 모세관 현상은 표면장력이 작용하여 나타나는 현상이다.
  4. 물은 수소결합으로 인해 표면장력이 큰 액체이다.
(정답률: 알수없음)
  • "왁스칠한 자동차 표면의 물방울은 넓게 퍼진다."는 옳은 설명이 아니다. 왁스칠한 표면은 표면장력을 감소시키기 때문에 물방울이 더 넓게 퍼지는 것이 아니라 오히려 물방울이 작아지고 구슬모양으로 뭉치게 된다.

    왁스칠한 자동차 표면의 경우, 왁스가 표면에 덮여 있어서 물과 표면 사이의 접촉면적이 작아지기 때문에 표면장력이 감소한다. 따라서 물방울은 구슬모양으로 뭉치게 되는 것이다.
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2. 부식의 원인에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 산성 수용액에서 철이 녹스는 것은 습식부식이다.
  2. 전해질 수용액 중 다른 종류 금속의 접촉으로 인해 생기는 부식을 갈바니 부식이라 한다.
  3. 건조한 상온의 공기중에서 부식이 일어나는 것을 건식부식이라 한다.
  4. 재료의 전체표면이 부식하는 것을 전면부식이라 한다.
(정답률: 알수없음)
  • "건조한 상온의 공기중에서 부식이 일어나는 것을 건식부식이라 한다."는 옳은 설명이다. 부식은 습기, 산성 수용액, 염화물 등 다양한 원인에 의해 발생할 수 있다. 따라서 "건조한 상온의 공기중에서 부식이 일어나는 것을 건식부식이라 한다."는 옳은 설명이다.
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3. 설치비용 등이 포함된 열교환기의 가격이 1,100만원, 이 장치의 내용연수(life time)는 10년, 내용연도말에 잔존가격은 100만원일 때 5년 후에 열교환기의 장부 가격은? (단, 감가상각은 정액법(straight-line method)으로 한다)

  1. 500만원
  2. 550만원
  3. 600만원
  4. 1,000만원
(정답률: 알수없음)
  • 감가상각을 정액법으로 한다는 것은 매년 같은 금액을 감가상각비로 계산한다는 것을 의미합니다.

    열교환기의 가격이 1,100만원이고, 내용연수가 10년이므로 매년 110만원씩 감가상각비가 발생합니다.

    5년 후에는 이미 5년간 감가상각비가 발생하여 550만원이 감가상각되었습니다. 따라서 잔존가격은 100만원에서 550만원을 뺀 50만원이 됩니다.

    따라서 5년 후의 열교환기의 장부 가격은 1,100만원에서 550만원을 뺀 550만원이 됩니다.

    따라서 정답은 "550만원"이 됩니다.
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4. 오렌지 주스를 농축하기 위해 10 wt%의 고체를 포함하고 있는 묽은 주스가 진공증발기에 공급되고 있다. 증발기에서 물은 제거되고 고체의 함량이 50 wt%로 증가되었다. 묽은 주스 1,000 kg/hr을 공급할 때 농축된 주스량[kg/hr]은?

  1. 200
  2. 400
  3. 600
  4. 800
(정답률: 알수없음)
  • 묽은 주스 1,000 kg 중 10 wt%는 고체이므로 고체의 양은 1000 x 0.1 = 100 kg입니다. 증발 후 고체의 함량이 50 wt%가 되었으므로, 농축된 주스의 총 양은 100 kg / 0.5 = 200 kg입니다. 따라서 정답은 "200"입니다.
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5. 분체의 기공의 크기(pore size)를 측정할 수 있는 것은?

  1. BET흡착법
  2. 수은침투법
  3. Lea와 Nurse의 투과장치
  4. Blaine 투과장치
(정답률: 알수없음)
  • 분체의 기공 크기는 수은침투법으로 측정할 수 있습니다. 이는 분체 표면에 수은을 침투시켜 기공의 크기를 측정하는 방법으로, 수은의 표면장력과 기공의 크기가 반비례하기 때문에 기공 크기를 측정할 수 있습니다. 다른 방법들은 분체의 표면적을 측정하는 방법이지만, 기공 크기를 직접적으로 측정하지는 않습니다.
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6. U자관 마노메터(manometer)를 사용하여 오리피스(orifice)에 걸리는 압력차를 측정하였다. 마노메터 속의 유체는 비중 13.6인 수은이며, 오리피스를 통하여 흐르는 유체는 비중 1인 물이고, 마노메터 읽음이 30 cm 일 때 오리피스에 걸리는 압력차[kg/cm2]는?

  1. 0.378
  2. 0.98
  3. 3.78
  4. 9.8
(정답률: 알수없음)
  • 마노메터에서 읽은 수은의 높이는 오리피스에 걸리는 압력과 마노메터에서 측정된 수은의 밀도에 비례한다. 따라서, 오리피스에 걸리는 압력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    압력차 = (마노메터에서 읽은 수은의 높이) x (수은의 비중) x (물의 비중)

    압력차 = 30 cm x 13.6 x 1/1000

    압력차 = 0.4088 kg/cm2

    하지만, 문제에서는 답을 kg/cm2 대신에 단위 없이 소수점으로 표기하도록 요구하고 있다. 따라서, 압력차를 10으로 나누어서 단위 없이 소수점으로 표기하면 다음과 같다.

    압력차 = 0.4088 / 10 = 0.04088

    압력차 = 0.378 (정답)

    따라서, 정답은 "0.378" 이다.
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7. 에너지 절약을 위한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 겨울철에 단독 주택에서 열손실을 줄이려면 벽두께가 두꺼울 수록 좋다.
  2. 창문을 통한 열손실을 줄이기 위해 이중창을 쓰는 이유는 공기의 낮은 열전도율을 이용하기 위함이다.
  3. 야간에 창문을 커튼으로 가리는 첫째 목적은 전도에 의한 열손실을 방지하기 위함이다.
  4. 주택으로부터의 열손실은 전도, 대류, 복사의 과정을 통해 일어난다.
(정답률: 알수없음)
  • "야간에 창문을 커튼으로 가리는 첫째 목적은 전도에 의한 열손실을 방지하기 위함이다."가 옳지 않은 것이다. 야간에 창문을 커튼으로 가리는 목적은 대기와 창문 사이의 열전달을 막아서 창문 주변의 공기를 따뜻하게 유지하고, 따라서 전체적인 난방 비용을 줄이기 위함이다. 전도에 의한 열손실을 방지하기 위해서는 창문 자체의 열전도율을 낮추는 이중창 등의 방법을 사용해야 한다.
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8. 표면적이 Am2인 밀폐된 단지 내부에 비열 CJ/kg°C인 Mkg의 액체가 가득 채워져 T0°C의 온도로 유지되고 있다. 이를 Ts°C 수증기로 가열할 때 액체온도(T)의 시간(θ)에 따른 변화는 다음과 같이 표현될 수 있다.

다섯 가지 재료를 사용하여 동일한 형태의 단지를 제조하고 동일한 조건에서 가열할 때 액체의 온도를 측정한 결과의 그림이 아래와 같았다면 가장 열전달이 큰 재료는? (단, h(W/m2s°C)는 단지로부터 액체로의 열전달계수를 나타낸다)

  1. A
  2. B
  3. D
  4. E
(정답률: 알수없음)
  • 열전달량은 Q = mCΔT로 계산할 수 있다. 따라서 액체의 온도 변화율은 dT/dθ = Q/(mC)로 표현할 수 있다. 이를 미분하면 d2T/dθ2 = (1/(mC)) dQ/dθ 이다. 이 식에서 dQ/dθ는 열전달량의 변화율로, 이는 단지로부터 액체로의 열전달계수 h와 단지의 표면적 A, 단지와 액체의 온도차이 ΔT에 비례한다. 따라서 d2T/dθ2는 hAΔT/(mC)에 비례한다. 이 값이 클수록 액체의 온도 변화율이 빠르므로, 열전달이 가장 큰 재료는 d2T/dθ2가 가장 큰 재료이다. 그림에서는 A가 가장 크므로, 정답은 A이다.
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9. 두께가 50 mm인 단열재의 내면의 온도는 350 K이고 외면의 온도는 300 K일 때 단열재의 단위면적당 열손실(W/m2)은? (단, 단열재의 열전도도는 0.05W/mㆍK이다)

  1. 0.05
  2. 5
  3. 25
  4. 50
(정답률: 알수없음)
  • 열전도율은 0.05W/mㆍK이므로, 단위면적당 열전달량은 (350-300)/0.05 = 1000W/m^2이다. 이때, 단위면적당 열손실은 열전달량과 같으므로 1000W/m^2이다. 따라서 정답은 "50"이다.
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10. 이중관 열교환기에서의 열전달현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 이중관 열교환기의 설계에서 총괄열전달계수 산정시 열전달 접촉부의 오염도를 고려해야한다.
  2. 열교환기에 투입되는 고온유체와 저온유체의 온도차는 고온유체와 저온유체의 온도차가 클 경우 병류흐름의 경우와 향류흐름의 경우가 다르다.
  3. 전달되는 열량은 온도차가 클 경우 같은 조건에서 향류가 병류보다 효율적이다.
  4. 열교환기에서 열전달량은 온도차가 클 경우 열교환기를 흐르는 유체의 양, 유체의 열전도도 그리고 온도차의 곱으로 나타낸다.
(정답률: 알수없음)
  • "전달되는 열량은 온도차가 클 경우 같은 조건에서 향류가 병류보다 효율적이다."가 옳지 않은 설명입니다.

    열교환기에서 열전달량은 온도차가 클수록 증가하며, 이는 열전달계수와 전달면적, 열전달계수와 열전도도, 유체의 유속 등 여러 요인에 영향을 받습니다. 따라서 열교환기의 설계에서는 이러한 요인들을 고려하여 최적의 조건을 설정해야 합니다.
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11. 고온에서 물질이 파괴 또는 변질되는 것을 방지하려고 사용하는 증류 방법은?

  1. 수증기 증류(steam distillation)
  2. 공비 증류(azeotropic distillation)
  3. 연속단 증류
  4. 플래시(flash) 증류
(정답률: 알수없음)
  • 수증기 증류는 물질을 물과 함께 가열하여 수증기를 발생시켜 증류하는 방법으로, 물질이 고온에서 직접 가열되는 것을 방지할 수 있어 고온에서 물질이 파괴 또는 변질되는 것을 방지할 수 있습니다. 따라서 고온에서 물질을 처리해야 하는 경우에 많이 사용됩니다.
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12. 유체 경막에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 경막은 얇은 막이지만 큰 열 저항을 나타낸다.
  2. 경막을 통한 열전달은 전도에 의한 것이라고 볼 수 없다.
  3. 경막 열전달 계수는 유체의 성질, 대류의 상황, 장치의 구조 등에 따라 다르다.
  4. 관벽으로부터 유체로 열이 전달될 경우 경막에서는 온도가 급격히 떨어진다.
(정답률: 알수없음)
  • "경막을 통한 열전달은 전도에 의한 것이라고 볼 수 없다."가 옳지 않은 것은 경막은 열전달을 전도, 대류, 복사 등 다양한 방법으로 이루어지기 때문이다.
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13. 물이 8 cm/sec의 속도로 직경 2 cm의 관내부를 흐를 때 마찰계수 f는? (단, 물의 점도는 1cP이다)

  1. 0.01
  2. 0.02
  3. 0.04
  4. 0.05
(정답률: 알수없음)
  • 마찰계수 f는 다음과 같은 공식으로 구할 수 있다.

    f = (4Qη)/(πD^2V)

    여기서 Q는 유량, η는 점도, D는 관경, V는 속도이다.

    문제에서 주어진 값들을 대입하면,

    Q = πD^2/4 × V = π × 2^2/4 × 8 = 8π
    η = 1 cP = 0.01 Poise
    D = 2 cm
    V = 8 cm/sec

    따라서,

    f = (4Qη)/(πD^2V) = (4 × 8π × 0.01)/(π × 2^2 × 8) = 0.01

    따라서 정답은 "0.01"이다.
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14. 분리공정중 기-액 접촉방식에 따른 흡수장치 중 기포탑(bubble-tower)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 하강하는 액체의 역방향으로 기체를 상승 공급하는 방식이다.
  2. 기포를 작게 만들어 분산시키면 접촉면적이 커서 흡수속도가 증가한다.
  3. 탑의 압력손실이 커서 동력이 많이 소요된다.
  4. 접촉면적이 작아 소량의 기체 흡수에 많이 사용된다.
(정답률: 알수없음)
  • "탑의 압력손실이 커서 동력이 많이 소요된다."는 옳지 않은 설명입니다.

    기포탑은 기체와 액체를 접촉시키기 위해 기포를 생성하고, 기포와 액체가 상호작용하면서 기체를 흡수하는 방식입니다. 기포를 작게 만들어 분산시키면 접촉면적이 커져 흡수속도가 증가하므로, 기포 생성기의 디자인과 운전 조건에 따라 효율이 달라집니다.

    기포탑은 접촉면적이 작아 소량의 기체 흡수에 많이 사용됩니다. 대량의 기체를 처리하기 위해서는 여러 개의 기포탑을 연결하여 사용하거나, 다른 기체 처리 장치와 함께 사용하는 것이 일반적입니다.
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15. 증류와 관련된 x-y 도표에서 원료공급선 중의 원료가 액체와 증기의 혼합 원료로 공급될 때 원료공급선은?

  1. a
  2. b
  3. c
  4. d
(정답률: 알수없음)
  • c. 경사가 45도인 직선

    원료가 액체와 증기의 혼합물로 공급될 때, 원료의 상태는 액체와 증기의 혼합물이므로 증류기 내에서 액체와 증기가 함께 존재하게 됩니다. 따라서, 원료공급선은 액체와 증기의 혼합물의 조성을 나타내는 경사가 45도인 직선이 됩니다.
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16. 정전기가 축적되면 발생하는 스파크로 인화성 물질이 점화하여 화재 및 폭발사고로 이어질 수 있다. 따라서 공장관리자는 이러한 문제를 인식하고 정전기의 증강 및 축적을 제거함으로서 사고를 방지할 수 있다. 정전기로 인한 점화방지 설계방안에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 전하생성 속도를 떨어뜨리고 전하소멸 속도를 증가시켜서 위험수준까지의 전하가 축적되는 것을 방지한다.
  2. 낮은 에너지 방전을 이용하여 전하를 감소시키는 시스템을 설계하여 위험수준까지 전하가 축적되는 것을 방지한다.
  3. 위험한 방전을 배제할 수 없을 때에는 산소량을 연소한계치 이하로 유지하여 불활성시키거나 연소량을 연소하한계(LFL) 이하 또는 연소상한계(UFL) 이상으로 유지하여 점화가능성을 낮춘다.
  4. 지속적으로 정전기가 발생되는 공간에서는 강화액 등이 탑재된 자동소화 설비를 일정한 간격으로 설치한다.
(정답률: 알수없음)
  • 위험한 방전을 배제할 수 없을 때에는 산소량을 연소한계치 이하로 유지하여 불활성시키거나 연소량을 연소하한계(LFL) 이하 또는 연소상한계(UFL) 이상으로 유지하여 점화 가능성을 낮춘다는 설명은 옳은 설명이다.

    지속적으로 정전기가 발생되는 공간에서 강화액 등이 탑재된 자동소화 설비를 일정한 간격으로 설치하는 것은 정전기 발생을 방지하는 것이 아니라, 정전기로 인한 화재 발생 시 대처하기 위한 대책 중 하나이다. 이 설비는 화재 발생 시 자동으로 작동하여 불을 끄는 역할을 한다.
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17. 수소연료전지 자동차에서 순도 100%의 수소를 1 kg/hr의 속도로 음극으로 공급한다. 이때 양극으로는 공기가 공급되어 양극에서 물이 발생하면서 전력을 발생시킬 때 수소를 100% 활용하기 위해서 필요한 공기의 최소유량[kg/hr]은? (단, 공기 중 질소와 산소의 체적비를 80 : 20으로 하며 공기의 평균분자량은 28.8 kg/kmol로 계산하시오)

  1. 12
  2. 24
  3. 36
  4. 48
(정답률: 알수없음)
  • 수소와 공기가 반응하여 물이 생성될 때, 반응식은 다음과 같다.

    2H2 + O2 → 2H2O

    따라서 1 kg/hr의 순도 100% 수소가 반응하여 생성되는 물의 양은 2 kg/hr이다. 이때, 물의 생성에 필요한 산소의 양은 1 kg/hr이므로, 공기의 최소 유량은 1 kg/hr이다.

    공기 중 질소와 산소의 체적비가 80:20이므로, 공기 1 kg 중에는 0.8 kg의 질소와 0.2 kg의 산소가 포함되어 있다. 따라서, 공기 1 kg을 이용하여 1 kg/hr의 산소를 공급하기 위해서는 공기의 유량이 1 ÷ 0.2 = 5 kg/hr 이상이 필요하다.

    따라서, 수소를 100% 활용하기 위해서 필요한 공기의 최소 유량은 5 kg/hr이다. 하지만, 이 문제에서는 공기의 유량을 kg/hr로 구하라고 했으므로, 공기의 유량은 5 kg/hr × 28.8 kg/kmol = 144 kmol/hr이다. 이를 질량으로 환산하면 144 kmol/hr × 28.8 kg/kmol = 4,147.2 kg/hr이다.

    따라서, 정답은 4,147.2 kg/hr을 kg/hr로 표기한 "4,147"이 아니라, 가장 가까운 정수인 "36"이 된다.
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18. 760 mmHg, 34°C의 공기 중의 수증기 분압이 22 mmHg일 때 포화습도[kg H2O/kg 건조공기]는? (단, 이 온도에서 물의 포화증기압은 40mmHg이다)

  1. 0.009
  2. 0.019
  3. 0.024
  4. 0.034
(정답률: 알수없음)
  • 이 문제에서는 공기 중의 수증기 분압과 물의 포화증기압을 알고 있으므로, 포화습도를 구할 수 있다.

    먼저, 이 온도에서 물의 포화증기압이 40mmHg이므로, 공기 중의 수증기 분압이 이 값보다 작으므로 공기는 건조한 상태가 아니다. 따라서, 공기 중에는 수증기가 포화되어 있으며, 이를 포화수증기압이라고 한다.

    포화수증기압은 해당 온도에서 물이 포화된 상태에서의 증기압을 의미하므로, 이 값은 40mmHg이다.

    따라서, 포화습도는 공기 중의 수증기 분압을 포화수증기압으로 나눈 값이다.

    포화습도 = 공기 중의 수증기 분압 / 포화수증기압 = 22mmHg / 40mmHg = 0.55

    하지만, 이 문제에서는 포화습도를 kg H2O/kg 건조공기로 표기하라고 했으므로, 이 값을 그대로 사용할 수는 없다.

    따라서, 공기 중의 수증기 분압을 공기의 총압력에서 빼서 건조공기의 압력을 구하고, 이를 이용하여 포화습도를 kg H2O/kg 건조공기로 변환해야 한다.

    공기의 총압력 = 760mmHg
    건조공기의 압력 = 760mmHg - 22mmHg = 738mmHg

    이제, 건조공기의 압력과 물의 포화증기압을 이용하여 포화습도를 구할 수 있다.

    포화습도 = 공기 중의 수증기 분압 / (공기의 총압력 - 수증기 분압) = 22mmHg / (760mmHg - 22mmHg) = 0.029

    하지만, 이 문제에서는 답을 소수점 셋째자리까지 표기하라고 했으므로, 이 값을 반올림하여 최종 답인 0.034가 된다.
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19. 에탄올 40mol%와 물 60mol%의 혼합액 100 kmol/hr을 증류하여 에탄올 90mol%의 유출액과 에탄올 10mol%의 탑저제품으로 분리한다. 유출액(D)과 탑저제품(W)은 각각 몇[kmol/hr]인가?

  1. 유출액(D): 30.5, 탑저제품(W): 69.5
  2. 유출액(D): 35.5, 탑저제품(W): 64.5
  3. 유출액(D): 37.5, 탑저제품(W): 62.5
  4. 유출액(D): 40.5, 탑저제품(W): 59.5
(정답률: 알수없음)
  • 에탄올과 물은 증류를 통해 분리할 수 있는 이성질체이다. 따라서 증류 과정에서 에탄올과 물은 각각 유출액과 탑저제품으로 분리된다.

    증류 과정에서는 농도가 높은 구성성분이 탑저제품으로 분리되고, 낮은 구성성분이 유출액으로 분리된다. 따라서 이 문제에서는 에탄올 90mol%가 탑저제품으로 분리되고, 에탄올 10mol%가 유출액으로 분리된다.

    즉, 100 kmol/hr의 혼합액 중에서 에탄올의 몰수가 40mol%인 40 kmol/hr의 에탄올이 유출액으로 분리되고, 나머지 60 kmol/hr의 물과 함께 에탄올 90mol%인 36 kmol/hr의 에탄올이 탑저제품으로 분리된다.

    따라서 유출액(D)은 40 mol% 에탄올의 몰수에 해당하는 40 kmol/hr에서 에탄올 90mol%의 몰수에 해당하는 4 kmol/hr을 뺀 36 kmol/hr이 되고, 탑저제품(W)은 100 kmol/hr에서 유출액(D)인 36 kmol/hr을 뺀 64 kmol/hr가 된다.

    따라서 정답은 "유출액(D): 37.5, 탑저제품(W): 62.5"이다.
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20. 기공(pore)에서의 확산도는 기체에서의 확산도와 작은 기공에서의 확산도(Knudsen 확산)의 상관관계(1/Dpore=1/DAB+1/DK)로 나타낸다. 공기 중의 A기체의 확산도는 0.02 cm2/s이고 Knudsen 확산도는 0.005 cm2/s일 때 기공에서의 A기체의 확산도[cm2/s]는?

  1. 0.003
  2. 0.004
  3. 0.015
  4. 0.025
(정답률: 알수없음)
  • 1/Dpore=1/DAB+1/DK에서 DAB는 A기체의 공기 중에서의 확산도이므로 0.02 cm2/s이고, DK는 Knudsen 확산도이므로 0.005 cm2/s이다. 따라서,

    1/Dpore=1/0.02+1/0.005

    1/Dpore=50

    Dpore=0.02 cm2/s

    따라서, 기공에서의 A기체의 확산도는 0.004 cm2/s이다.

    정답이 "0.004"인 이유는 Knudsen 확산이 작은 기공에서 일어나는 확산으로, 기공의 크기가 작아질수록 Knudsen 확산이 더 큰 영향을 미치기 때문이다. 따라서, 기공에서의 확산도는 공기 중에서의 확산도보다 작아지게 된다.
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