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

9급 지방직 공무원 화학공학일반 2009-05-23 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2009-05-23 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

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: 67%)
  • 표면장력은 액체 표면의 분자들이 서로 끌어당겨 표면적을 최소화하려는 힘입니다. 왁스칠한 표면은 물과 친하지 않은 소수성 표면이므로, 물방울이 넓게 퍼지지 않고 표면적을 최소화하기 위해 구슬 모양으로 뭉치게 됩니다.

    오답 노트
    모세관 현상: 표면장력과 부착력의 상호작용으로 액체가 좁은 관을 따라 올라가거나 내려가는 현상입니다.
    물: 강한 수소결합으로 인해 다른 액체보다 표면장력이 매우 큽니다.
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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)
  • 건식부식은 일반적으로 고온에서 산소나 다른 가스와 직접 반응하여 일어나는 부식을 의미하며, 건조한 상온의 공기 중에서는 부식 속도가 매우 느려 일반적인 건식부식의 정의와 거리가 멉니다.
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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: 50%)
  • 정액법은 매년 동일한 금액이 감가상각되는 방식으로, 현재 가치는 초기 가격에서 경과 연수만큼의 상각액을 뺀 값입니다.
    ① [기본 공식] $B = C - \frac{C - S}{n} \times t$
    ② [숫자 대입] $B = 1100 - \frac{1100 - 100}{10} \times 5$
    ③ [최종 결과] $B = 600$
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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)
  • 공급되는 고체의 양은 증발 전후에 변하지 않는다는 물질수지 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $F \times x_F = P \times x_P$
    ② [숫자 대입] $1000 \times 0.1 = P \times 0.5$
    ③ [최종 결과] $P = 200$
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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)
  • 수은은 표면장력이 매우 커서 압력을 가해 강제로 기공 속에 밀어 넣음으로써 기공의 크기를 측정하는 수은침투법이 사용됩니다.

    오답 노트
    BET흡착법: 비표면적 측정
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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[kg중/cm2]는?

  1. 0.378
  2. 0.98
  3. 3.78
  4. 9.8
(정답률: 80%)
  • 마노메터의 압력차는 두 유체의 비중 차이와 높이 차이에 의해 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $\Delta P = (\rho_{Hg} - \rho_{w}) g h$
    ② [숫자 대입] $\Delta P = (13.6 - 1) \times 1 \times 30$
    ③ [최종 결과] $\Delta P = 378 \text{ kgf/m}^{2} = 0.378 \text{ kgf/cm}^{2}$
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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)
  • 커튼을 치는 주된 목적은 창문을 통해 빠져나가는 복사 에너지를 차단하고, 커튼과 창문 사이의 정지 공기층을 형성하여 대류 및 전도를 억제하는 것입니다. 따라서 첫째 목적을 전도 방지로 보는 것은 옳지 않습니다.
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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: 80%)
  • 제시된 수식 $\ln \frac{T_{S} - T}{T_{S} T_{0}} = - \frac{Ah}{MC} \theta$에서 열전달계수 $h$가 클수록 온도 $T$가 가열원 온도 $T_{S}$에 더 빠르게 도달합니다.
    그래프 에서 가장 가파르게 상승하여 $T_{S}$에 빠르게 접근하는 곡선이 A이므로, A 재료의 열전달이 가장 큽니다.
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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)
  • 푸리에의 열전도 법칙을 이용하여 단위면적당 열손실(열유속)을 구합니다.
    ① [기본 공식] $q = k \frac{\Delta T}{L}$
    ② [숫자 대입] $q = 0.05 \times \frac{350 - 300}{0.05}$
    ③ [최종 결과] $q = 50$
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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)
  • 열교환기의 열전달량은 총괄열전달계수($U$), 전열면적($A$), 그리고 대수평균온도차($\Delta T_{lm}$)의 곱으로 결정되며, 단순히 유체의 양이나 열전도도만으로 정의되지 않습니다.

    오답 노트
    오염도 고려: 총괄열전달계수 산정 시 필수적임
    흐름 방식 차이: 온도차가 클수록 병류와 향류의 온도 분포 차이가 뚜렷함
    향류 효율: 동일 조건에서 향류가 병류보다 평균 온도차를 크게 유지하여 효율적임
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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: 70%)
  • 수증기 증류(steam distillation)는 물을 함께 가열하여 혼합물의 끓는점을 낮춤으로써, 고온에서 열분해되거나 변질되기 쉬운 물질을 낮은 온도에서 분리해내는 방법입니다.
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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)
  • 유체 경막(Film)은 유체와 벽면 사이의 얇은 정지층으로, 이 층을 통한 열전달은 기본적으로 전도(Conduction) 메커니즘에 의해 이루어집니다.

    오답 노트
    경막은 얇지만 큰 열 저항을 가짐: 맞음
    경막 열전달 계수는 유체 성질, 대류 상황, 구조에 따라 결정됨: 맞음
    관벽에서 유체로 열 전달 시 경막에서 온도 강하가 급격함: 맞음
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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)
  • 레이놀즈 수($Re$)를 먼저 구하여 흐름 상태를 파악한 뒤, 층류일 때의 마찰계수 공식을 적용합니다. 물의 점도 $1\text{cP} = 0.001\text{g/cm}\cdot\text{s}$이며, 밀도는 $1\text{g/cm}^3$로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $Re = \frac{\rho v d}{\mu}, f = \frac{64}{Re}$
    ② [숫자 대입] $Re = \frac{1 \times 8 \times 2}{0.001} = 16000, f = \frac{64}{16000}$
    ③ [최종 결과] $f = 0.004$
    계산된 값 $0.004$에 가장 근접한 보기는 $0.01$입니다.
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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: 80%)
  • 기포탑은 기체를 액체 속에 직접 불어넣어 작은 기포를 형성함으로써 접촉 면적을 극대화하는 장치입니다. 따라서 접촉 면적이 매우 커서 효율적인 흡수가 가능하며, 소량의 기체 흡수에만 사용된다는 설명은 틀린 내용입니다.
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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: 90%)
  • 원료공급선(q-line)의 기울기는 원료의 상태(열역학적 조건)에 따라 결정됩니다.
    원료가 액체와 증기의 혼합물 상태로 공급될 때는 $0 < q < 1$이며, 이때 원료공급선은 $x=x_F$ 지점에서 왼쪽 위 방향으로 기울어진 직선이 됩니다.
    따라서 제시된 이미지 에서 해당 조건에 맞는 선은 c 입니다.
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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)
  • 정전기로 인한 점화 방지는 전하의 축적을 막거나, 방전 에너지를 낮추고, 가연성 분위기를 제거하는 것이 핵심입니다.
    지속적으로 정전기가 발생하는 공간에서는 자동소화 설비를 설치하는 것이 아니라, 접지나 가습, 제전기 설치 등을 통해 정전기 발생 자체를 억제하고 제거하는 설계가 우선되어야 합니다.
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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)
  • 수소연료전지의 반응식 $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$에 따라 수소 1몰당 산소 0.5몰이 필요합니다. 필요한 공기량을 분자량과 조성비를 이용하여 계산합니다.
    ① [필요 산소량] $\frac{1\text{ kg/hr}}{2\text{ kg/kmol}} \cdot 0.5 = 0.25\text{ kmol/hr}$
    ② [필요 공기량] $\frac{0.25\text{ kmol/hr}}{0.2} \cdot 28.8\text{ kg/kmol}$
    ③ [최종 결과] $36\text{ kg/hr}$
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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)
  • 포화습도는 공기 중의 수증기 분압이 포화증기압에 도달했을 때의 수증기량을 의미하며, 다음 공식을 통해 계산합니다.
    ① [기본 공식] $H_s = 0.622 \cdot \frac{P_{sat}}{P - P_{sat}}$
    ② [숫자 대입] $H_s = 0.622 \cdot \frac{40}{760 - 40}$
    ③ [최종 결과] $H_s = 0.034$
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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: 82%)
  • 전체 물질 수지와 에탄올 성분 수지를 이용하여 유출액과 탑저제품의 유량을 계산합니다.
    ① [전체 수지] $F = D + W$
    ② [성분 수지] $F \cdot x_F = D \cdot x_D + W \cdot x_W$
    ③ [숫자 대입] $100 \cdot 0.4 = D \cdot 0.9 + (100 - D) \cdot 0.1$
    ④ [최종 결과] $D = 37.5, W = 62.5$
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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)
  • 기공 내 확산도는 기체 확산도와 Knudsen 확산도의 조화 평균 형태로 계산됩니다.
    ① [기본 공식] $\frac{1}{D_{pore}} = \frac{1}{D_{AB}} + \frac{1}{D_K}$
    ② [숫자 대입] $\frac{1}{D_{pore}} = \frac{1}{0.02} + \frac{1}{0.005}$
    ③ [최종 결과] $D_{pore} = 0.004$
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