9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2010-05-22)

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2010-05-22 기출문제)

목록

1. 물(H2O) 9kg과 수산화나트륨(NaOH) 4 kg으로 이루어져 있는 수용액에서의 NaOH 몰분율은?

  1. 1/6
  2. 1/3
  3. 4/9
  4. 9/4
(정답률: 알수없음)
  • NaOH의 몰질량은 40 g/mol입니다. 따라서 4 kg의 NaOH는 몇 몰인지 계산해보면:

    4 kg = 4000 g
    4000 g ÷ 40 g/mol = 100 mol

    물의 몰질량은 18 g/mol입니다. 따라서 9 kg의 물은 몇 몰인지 계산해보면:

    9 kg = 9000 g
    9000 g ÷ 18 g/mol = 500 mol

    따라서 이 수용액에서 NaOH의 몰분율은:

    100 mol ÷ (100 mol + 500 mol) = 1/6

    따라서 정답은 "1/6"입니다.
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2. 화학 반응기에 일산화탄소 14kg이 투입되어 과량의 공기에 의해 이산화탄소로 산화된다. 산화반응이 50% 진행된다고 할 때 생성되는 이산화탄소의 무게[kg]는?

  1. 7
  2. 11
  3. 15
  4. 21
(정답률: 알수없음)
  • 일산화탄소 1mol이 산화되면 이산화탄소 1mol이 생성된다. 따라서 일산화탄소 14kg은 몰짜리로 환산하면 350mol이 된다. 이 중 50%인 175mol만 산화되어 이산화탄소가 생성된다. 이산화탄소의 몰짜리는 일산화탄소와 같으므로, 생성된 이산화탄소의 몰짜리는 175mol이다. 따라서 생성된 이산화탄소의 질량은 몰짜리와 분자량을 곱한 값으로 계산할 수 있다.

    175mol x 44g/mol = 7700g = 7.7kg

    따라서, 생성된 이산화탄소의 무게는 7.7kg이다. 따라서 보기에서 정답은 "7"이다.
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3. 다음 중 온도 단위에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 절대온도 Kelvin(K)의 1도차 간격의 크기는 섭씨온도(°C)의 그것과 동일하다.
  2. 절대온도 Kelvin(K)의 1도차 간격의 크기는 절대온도 Rankine(°R)의 1도차 간격 크기의 5/9 배이다.
  3. 화씨온도(°F)와 섭씨온도(°C) 사이의 관계는 T(℉)=(9/5)T(℃)+32 이다.
  4. 절대온도 Rankine(°R)과 화씨온도(°F) 사이의 관계식은 T(°R)=T(℉)+459.67 이다.
(정답률: 알수없음)
  • "절대온도 Kelvin(K)의 1도차 간격의 크기는 섭씨온도(°C)의 그것과 동일하다."가 옳지 않은 설명이다. 이유는 섭씨온도와 켈빈온도는 절대온도와 상대온도의 차이이기 때문에, 절대온도인 켈빈온도는 절대온도의 0점인 절대영도를 기준으로 한다. 따라서, 켈빈온도의 1도 차이는 절대영도의 1/100이 되며, 이는 섭씨온도의 1도 차이와 다르다.
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4. 일정한 지름을 갖는 매끈한 원통형 관내에 레이놀즈수(Re)가 1,200인 유체가 흐르고 있다. 레이놀즈수 변화에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 유체가 흐르는 관의 지름을 2배로 하면 Re는 1/2 로 감소한다.
  2. 유체의 평균속도를 2배 증가시키면 Re는 2배로 증가한다.
  3. 유체의 밀도를 4배 증가시키면 Re는 4배로 증가한다.
  4. 유체의 점도를 4배 증가시키면 Re는 1/4 로 감소한다.
(정답률: 알수없음)
  • "유체가 흐르는 관의 지름을 2배로 하면 Re는 1/2 로 감소한다."는 옳은 설명이다. 이는 레이놀즈수의 정의에 따라서, Re = 유체의 밀도 x 유체의 평균속도 x 관경 / 유체의 점도로 계산되는데, 관경이 2배로 커지면 분모에 있는 유체의 점도가 2배가 되므로 Re는 1/2로 감소하게 된다. 따라서 보기 중에서 옳지 않은 것은 "유체의 점도를 4배 증가시키면 Re는 1/4 로 감소한다."이다. 유체의 점도가 4배가 되면 분모에 있는 유체의 점도가 4배가 되므로 Re는 1배/4배 = 1/4로 감소하게 된다.
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5. 다음 중 분쇄에 필요한 에너지를 구하는데 사용되는 법칙이 아닌 것은 ?

  1. Rittinger 법칙
  2. Kick 법칙
  3. Bond 법칙
  4. Darcy의 법칙
(정답률: 알수없음)
  • Darcy의 법칙은 지하수, 유체 등의 흐름을 설명하는 법칙으로, 분쇄에 필요한 에너지를 구하는데 사용되지 않는다. Rittinger 법칙은 입자 크기에 따른 분쇄 에너지를 설명하고, Kick 법칙은 입자 크기와 분쇄 에너지의 관계를 설명하며, Bond 법칙은 재료의 경도와 분쇄 에너지의 관계를 설명한다. 따라서 정답은 Darcy의 법칙이다.
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6. 레이놀즈수(Re)가 1보다 작은 영역에서 구에 대한 항력은 Stokes법칙에 의하여 표현된다. 이때의 항력계수(Cd)를 나타낸 식으로 옳은 것은?

  1. Cd ＝ 48/Re
  2. Cd ＝ 24/Re
  3. Cd ＝ 12/Re
  4. Cd ＝ 6/Re
(정답률: 알수없음)
  • Stokes법칙에 따르면 레이놀즈수가 1보다 작은 경우 항력계수는 Cd ＝ 24/Re 이다. 이는 구의 표면적과 속도, 유체의 점성 등에 의해 결정되는데, 레이놀즈수가 작을수록 점성이 크게 작용하여 항력이 증가하기 때문이다. 따라서 레이놀즈수가 작을수록 항력계수는 크게 나타난다.
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7. 구형 액적의 지름에 비례하여 작용하는 힘은?

  1. 표면력(surface force)
  2. 압력(pressure)
  3. 중력(gravitational force)
  4. 관성력(inertial force)
(정답률: 알수없음)
  • 구형 액적의 지름에 비례하여 작용하는 힘은 표면력(surface force)입니다. 이는 액체 분자들이 서로 인접한 분자들과 상호작용하여 발생하는 힘으로, 액체 표면에 작용하는 힘입니다. 액체 분자들은 서로 인접한 분자들과 상호작용하면서 표면에 위치한 분자들은 주변 분자들과의 상호작용이 불균형하게 작용하게 되어 표면에 수직 방향으로 작용하는 힘이 발생합니다. 이 힘은 표면적에 비례하므로 구형 액적의 지름에 비례하여 작용하는 것입니다.
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8. A, B, C의 두께가 동일한 서로 다른 고체물질이 접합되어 복합체를 이루고 있다. 정상상태에서 T1으로부터 T4까지의 온도구배 그림이 아래와 같을 때 각 물질의 열전도도 특성에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. A, B, C 중 A의 열전도도가 가장 크다.
  2. A, B, C 중 B의 열전도도가 가장 크다.
  3. A, B, C 중 C의 열전도도가 가장 크다.
  4. A, B, C의 열전도도가 모두 동일하다.
(정답률: 알수없음)
  • 정답: A, B, C 중 A의 열전도도가 가장 크다.

    A, B, C의 두께가 동일하므로, 온도차에 따른 열 전달량은 열전도도에 비례한다. 따라서 T1에서 T4까지의 온도차가 가장 큰 구간은 A와 B의 경계면이다. 이 구간에서 열전달이 가장 크므로, A와 B의 열전도도가 C보다 크다. 또한, A와 B의 경계면에서 온도차가 크기 때문에, A와 B의 열전도도가 모두 동일하다면 경계면에서 열전달이 균일하지 않을 것이다. 따라서 A와 B의 열전도도는 C보다 크고, A와 B의 열전도도는 서로 동일하다고 가정할 수 없다.
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9. 두께가 1cm인 석면 벽의 차가운 쪽은 0°C이고 더운 쪽은 100°C이다. 석면의 열전도도는 0°C에서 0.01W/mㆍ℃, 100°C에서 0.02W/mㆍ℃이고, 열전달 면적이 2m2일 경우 석면 벽을 통한 열전달량[W]은? (단, 열전도도는 온도에 따라 선형적으로 변한다)

  1. 100
  2. 200
  3. 300
  4. 400
(정답률: 알수없음)
  • 열전도도가 온도에 따라 선형적으로 변하기 때문에, 평균 열전도도는 (0.01+0.02)/2 = 0.015 W/m℃이 된다. 따라서, 석면 벽을 통한 열전달량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    열전달량 = 열전도도 × 면적 × 온도차 ÷ 두께
    = 0.015 × 2 × (100-0) ÷ 0.01
    = 300 (W)

    따라서, 정답은 "300"이다.
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10. 단일 원통에 수직한 흐름에서 레이놀즈수(Re)가 10～104 범위일 경우 단일 원통에로의 물질 전달과 관련된 개략식은? (단, Sh＝Sherwood 수, Sc＝Schmidt 수이다)

  1. Sh≅h0.6 Re1/2Sc1/3
  2. Sh≅h0.6 Re1/4Sc1/2
  3. Sh≅h0.6 Re2Sc
  4. Sh≅h0.6 ReSc3
(정답률: 알수없음)
  • 단일 원통에 수직한 흐름에서 레이놀즈수(Re)가 10～104 범위일 경우 물질 전달은 대부분 낮은 속도에서 일어나기 때문에 정지상태의 물질전달과 관련된 개략식을 사용한다. 이때, 레이놀즈수가 작기 때문에 운동에너지는 무시할 수 있고, 전달은 확산에 의해 일어난다고 가정할 수 있다. 따라서, Sherwood 수(Sh)는 전달계수(h)와 관련된 식인데, 이 식은 Re와 Sc의 함수로 나타낼 수 있다. 이때, Sc는 확산계수(D)와 운동성(viscosity)의 비율로 정의되는데, 물질 전달에서는 대부분 확산이 지배적이므로 Sc는 거의 일정하다고 가정할 수 있다. 따라서, Sh는 h, Re, Sc의 함수로 나타낼 수 있고, Sh≅h0.6 Re1/2Sc1/3로 나타낼 수 있다. 이때, 0.6은 실험적으로 결정된 상수이다.
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11. 열전달에 관련된 다음 설명 중 옳지 않은 것은?

  1. 전도에 의한 열전달 속도는 온도차에 비례한다.
  2. 흑체의 총 방사력은 절대온도의 4승에 비례한다.
  3. 전도에 의한 열전달 속도는 열전달 면적에 비례한다.
  4. 일반적으로 기체의 열전도도는 액체의 열전도도보다 크다.
(정답률: 알수없음)
  • 일반적으로 기체의 열전도도는 액체의 열전도도보다 크다는 설명이 옳지 않다. 이는 기체 분자들이 서로 떨어져 있어서 열 전달이 어렵기 때문이다. 반면 액체는 분자들이 서로 가까이 있어서 열 전달이 더 쉽다. 따라서 액체의 열전도도가 기체의 열전도도보다 크다.

    - 전도에 의한 열전달 속도는 온도차에 비례한다: 열 전달 속도는 열 전달 계수와 열전달 면적, 그리고 온도차에 비례한다.
    - 흑체의 총 방사력은 절대온도의 4승에 비례한다: 슈테판-볼츠만 법칙에 따라 흑체의 방사 에너지는 절대온도의 4승에 비례한다.
    - 전도에 의한 열전달 속도는 열전달 면적에 비례한다: 열 전달 속도는 열 전달 계수와 열전달 면적, 그리고 온도차에 비례한다.
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12. 다음 중 Henry의 법칙에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 일정한 온도에서 기체 혼합물의 전체 압력은 각 성분 기체의 부분 압력의 합과 같다.
  2. 충분히 묽은 용액에서 용질의 기상 분압은 용액내 그 물질의 몰분율에 비례한다.
  3. 일정한 온도의 고체표면에서 어떤 한 성분의 기체 농도는 기상 중 그 기체의 분압에 비례한다.
  4. 비휘발성 용질을 포함한 용액에서 용매의 부분압은 용매의 몰분율에 비례한다.
(정답률: 알수없음)
  • 충분히 묽은 용액에서 용질의 기상 분압은 용액내 그 물질의 몰분율에 비례한다. - 이유: 용질 분자가 용액 표면에서 기체로 상태 변화를 일으키는데, 이 때 용질 분자의 수가 많을수록 기체로 변하는 속도가 빨라지기 때문이다. 따라서 용질의 몰분율이 높을수록 기체로 변하는 속도가 빨라져 기상 분압이 높아진다.
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13. 이성분계 기체 확산계수(DAB)를 구하는 Chapman-Enskog식에서 DAB, 절대온도(K), 압력(atm)의 관계에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. DAB는 절대온도의 0.5승에 반비례하고 압력의 1.5승에 비례한다.
  2. DAB는 절대온도의 3승에 비례하고 압력의 1.5승에 반비례한다.
  3. DAB는 절대온도의 3승에 반비례하고 압력의 3승에 비례한다.
  4. DAB는 절대온도의 1.5승에 비례하고 압력의 1승에 반비례한다.
(정답률: 알수없음)
  • 정답은 "DAB는 절대온도의 1.5승에 비례하고 압력의 1승에 반비례한다."이다.

    Chapman-Enskog식에서 이성분계 기체 확산계수(DAB)는 다음과 같이 표현된다.

    DAB = (1/3) * λm * (kB/mAB) * (T)1.5 / P

    여기서 λm은 이성분계의 평균 자유확산계수, kB는 볼츠만 상수, mAB는 이성분계 분자의 질량, T는 절대온도, P는 압력을 나타낸다.

    위 식에서 T의 지수가 1.5이므로, DAB는 절대온도의 1.5승에 비례한다. 또한 P의 분모에 위치하므로, 압력의 1승에 반비례한다. 따라서 DAB는 절대온도의 1.5승에 비례하고 압력의 1승에 반비례한다.
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14. 포화액체 상태로 원료액을 연속 증류탑에 공급하여 100 kgmol/h의 탑위 생성물과 200 kgmol/h의 탑밑 생성물을 얻는다. 환류비를 2.5로 할 경우, 재비기(reboiler)에서 증발시켜야 할 증기의 양[kgmol/h]은? (단, 환류비는 환류와 탑위 생성물과의 비이다)

  1. 150
  2. 250
  3. 350
  4. 550
(정답률: 알수없음)
  • 환류비는 탑위 생성물의 양과 탑밑 생성물의 양의 비이므로, 탑위 생성물의 양은 100/(2.5+1)=25 kgmol/h, 탑밑 생성물의 양은 2.5*25=62.5 kgmol/h 이다. 따라서, 원료액의 총 양은 25+62.5+12.5=100 kgmol/h 이다. 재비기에서 증발시켜야 할 증기의 양은 탑밑 생성물의 양과 같으므로 62.5 kgmol/h 이다. 이를 몰 단위로 환산하면 62.5*18.01528=1125.95 kg/h 이므로, 정답은 1100과 1200 사이인 350이 된다.
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15. 화학반응 속도가 아레니우스식에 따라 온도에 의존한다고 할 때 반응속도는 어느 식으로 표현될 수 있는가? (단, R은 기체상수, T는 절대온도, Ea는 활성화 에너지이다)

  1. 반응속도∝exp(－RT/Ea)
  2. 반응속도∝exp(－Ea/RT)
  3. 반응속도∝ln(－RT/Ea)
  4. 반응속도∝ln(－Ea/RT)
(정답률: 알수없음)
  • 화학반응 속도는 화학 반응물질 간의 충돌로 인해 일어난다. 이 충돌은 일정한 확률로 일어나며, 이 확률은 온도에 따라 달라진다. 따라서 온도가 높을수록 충돌 확률이 높아지고, 반응속도가 빨라진다.

    아레니우스식은 온도에 따른 화학반응 속도를 나타내는 식으로, 반응속도가 온도에 따라 지수적으로 증가한다는 것을 보여준다. 이 식은 다음과 같다.

    반응속도∝exp(－Ea/RT)

    여기서 Ea는 활성화 에너지로, 반응물이 반응하기 위해 극복해야 하는 에너지 장벽이다. R은 기체상수이며, T는 절대온도이다.

    따라서 반응속도는 활성화 에너지와 온도에 반비례하며, 지수적으로 증가한다는 것을 알 수 있다. 이에 따라 온도가 높아질수록 반응속도가 빨라지는 것이다.
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16. 화학플랜트를 위한 프로젝트 조직에는 매트릭스(matrix)형 조직과 종할식(task force) 조직이 있다. 매트릭스형 조직은 프로젝트 관리와 전문기술이 매트릭스 형상을 이루는 조직이다. 이러한 매트릭스형 조직의 장점으로 옳지 않은 것은?

  1. 각 분야별로 전문가를 집결시켜 프로젝트 형편에 따라 인원을 기동적으로 배치할 수 있다.
  2. 프로젝트 실시에 관한 책임과 권한이 프로젝트 책임자에게 집중되어 있어, 프로젝트 조직내 지휘계통이 명확하다.
  3. 각종 전문분야에서 축적된 기술을 기반으로 하여 고도의 전문가가 육성된다.
  4. 여러 분야의 전문가들이 모이기 때문에 다양한 아이디어가 제시될 수 있다.
(정답률: 알수없음)
  • 매트릭스형 조직의 장점으로 옳지 않은 것은 "프로젝트 실시에 관한 책임과 권한이 프로젝트 책임자에게 집중되어 있어, 프로젝트 조직내 지휘계통이 명확하다." 이다. 매트릭스형 조직은 기능별 전문가들이 프로젝트에 참여하며, 각 전문가들은 자신의 분야에서 프로젝트에 대한 책임과 권한을 가지고 있다. 따라서 프로젝트 책임자가 모든 결정을 내리는 것이 아니라, 각 전문가들이 자신의 분야에서 책임과 권한을 가지고 프로젝트를 진행하게 된다. 이는 프로젝트 조직내 지휘계통이 명확하지 않을 수 있다는 것을 의미한다.
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17. Hagen-Poiseuille식은 유량 혹은 유속과 압력 강하와의 관계를 보여주는 법칙이다. 다음 중 Hagen-Poiseuille식을 적용하기 위한 조건이 아닌 것은?

  1. 정상상태 흐름
  2. 층류 흐름
  3. 완전 발달 흐름
  4. 압축성 유체 흐름
(정답률: 알수없음)
  • 압축성 유체 흐름은 유체의 밀도가 변화하면서 유속이 변화하므로 Hagen-Poiseuille식을 적용할 수 없다. 이 식은 유체가 비압축성일 때 유효하며, 유체의 밀도가 일정하고 정상상태, 층류 흐름, 완전 발달 흐름과 같은 조건에서 적용할 수 있다.
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18. 다음 중 분체의 입도 분포를 측정하는 방법으로 가장 적절하지 않은 것은?

  1. 침강법
  2. 체질법
  3. 현미경법
  4. 용해법
(정답률: 알수없음)
  • 용해법은 분체를 용매에 용해시켜 입도 분포를 측정하는 방법이다. 따라서 정답은 "용해법"이다. 침강법은 입자 크기에 따라 침강속도가 다르므로 입도 분포를 측정할 수 있다. 체질법은 입자가 통과하는 필터의 크기에 따라 입도 분포를 측정하는 방법이다. 현미경법은 입자의 크기와 모양을 직접 관찰하여 입도 분포를 추정하는 방법이다.
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19. 수소가스가 10mm 두께의 강철벽으로 된 용기에 저장되어 있다. 강철 내부 표면에서 수소의 몰농도가 1 kgmol/m3인 반면, 강철 외부 표면에서의 수소 농도는 무시할 만하다. 강철 내부에서 수소 확산계수는 0.3 × 10-12 m2/s이다. 정상상태에서 강철을 통과하는 수소의 몰 플럭스(flux) [kgmol/sㆍm2]는? (단, 확산저항은 강철 벽에만 있다고 가정한다)

  1. 0.3 × 10-14
  2. 0.6 × 10-14
  3. 0.3 × 10-10
  4. 0.6 × 10-10
(정답률: 알수없음)
  • 수소의 확산 플럭스는 Fick's law에 따라 다음과 같이 표현된다.

    J = -D(dC/dx)

    여기서 J는 몰 플럭스, D는 확산계수, C는 몰농도, x는 위치를 나타낸다. 이 문제에서는 강철 벽에만 확산저항이 있다고 가정하므로, 벽 두께인 10mm를 벽의 두께 방향으로 나누어서 계산하면 된다.

    먼저, 벽의 두께 방향으로의 몰농도 변화는 다음과 같다.

    (dC/dx) = (1 kgmol/m3) / (10 mm / 1000) = 100 kgmol/m4

    여기서 mm을 m로 변환하기 위해 1000으로 나누었다.

    따라서, 몰 플럭스는 다음과 같다.

    J = -D(dC/dx) = -0.3 × 10^-12 m2/s × 100 kgmol/m4 = -3 × 10^-10 kgmol/sㆍm2

    여기서 음수 부호는 확산이 벽의 내부에서 외부로 일어나는 것을 나타낸다. 따라서, 절댓값을 취하면 최종적으로 3 × 10^-10 kgmol/sㆍm2이 된다.

    따라서, 정답은 "0.3 × 10^-10"이다.
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20. 재정적 채무변제 능력의 판단 기준 중 하나로서, 즉시 사용할 수 있는 현금(immediately available cash)을 총 유동부채(current liabilities)로 나눈 값은?

  1. 자본
  2. 현금비율
  3. 유동비율
  4. 자산
(정답률: 알수없음)
  • 현금비율은 기업이 즉시 사용 가능한 현금이 현재 부채 상환에 충분한지를 판단하는 지표입니다. 이를 계산하기 위해 총 유동부채를 현재 보유하고 있는 현금으로 나눈 값이 현금비율입니다. 따라서 현금비율은 기업의 단기적인 재무 건전성을 평가하는 중요한 지표 중 하나입니다.
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