9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2011-06-13)

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2011-06-13 기출문제)

목록

1. 유체의 흐름상태를 나타내는 Reynolds Number의 물리적 의미로 옳은 것은?

  1. 항력과 점성력의 비이다.
  2. 중력과 점성력의 비이다.
  3. 마찰력과 점성력의 비이다.
  4. 관성력과 점성력의 비이다.
(정답률: 알수없음)
  • Reynolds Number는 유체의 관성력과 점성력의 비율을 나타내는 수치입니다. 즉, 유체 내부에서의 운동에 관여하는 관성력과 유체 입자 간의 마찰력인 점성력의 상대적인 크기를 나타내는 것입니다. 이 값이 작으면 점성력이 우세하게 작용하여 정상적인 흐름이 일어나지만, 값이 커지면 관성력이 우세해져 난류 등의 불안정한 흐름이 발생할 수 있습니다. 따라서 Reynolds Number는 유체의 흐름상태를 예측하는 데 중요한 역할을 합니다.
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2. 다음 그림은 유체의 전단응력(τ)과 속도구배(du/dy)와의 관계를 나타낸 것이다. 고분자 용액과 같은 점탄성 유체의 특징인 의가소성 유체(pseudoplastic fluid)를 나타낸 것은?

  1. A
  2. B
  3. C
  4. D
(정답률: 알수없음)
  • C. 전단응력이 증가함에 따라 속도구배가 감소하는 것은 의가소성 유체의 특징이다. 이는 고분자 용액과 같은 점탄성 유체와는 달리 전단응력에 반응하여 유체 내부의 분자 구조가 변화하여 점점 더 유동성이 증가하기 때문이다.
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3. 각각의 두께가 10 cm인 구리, 석면, 탄소강으로 구성된 삼중벽이 있다. 이 삼중벽 양면의 온도는 각각 10°C와 110°C로 유지되고 있다면 벽을 통한 단위면적당 열전달속도[W/m2]는? (단, 구리, 석면, 탄소강의 열전도도는 각각 10 W/mㆍ℃, 0.05W/mㆍ℃, 5W/mㆍ℃로 가정하고, 계산결과는 소수 둘째자리에서 반올림한다)

  1. 38.7
  2. 60.2
  3. 100.4
  4. 49.3
(정답률: 알수없음)
  • 삼중벽의 열전달은 병렬연결된 3개의 벽의 열전달로 볼 수 있다. 각 벽의 열전달은 다음과 같다.

    - 구리: (10-110)/0.1 = -1000 W/m^2
    - 석면: (10-110)/0.1 = -1000 W/m^2
    - 탄소강: (10-110)/0.1 = -1000 W/m^2

    각 벽의 열전도도와 두께를 고려하여 열저항을 계산하면 다음과 같다.

    - 구리: 0.1/10 = 0.01 m^2℃/W
    - 석면: 0.1/0.05 = 2 m^2℃/W
    - 탄소강: 0.1/5 = 0.02 m^2℃/W

    각 벽의 열전달과 열저항을 이용하여 병렬연결된 전체 벽의 열전달을 계산하면 다음과 같다.

    - 전체 열저항: 0.01 + 2 + 0.02 = 2.03 m^2℃/W
    - 전체 열전달: (100-10)/2.03 = 49.26 W/m^2

    따라서, 벽을 통한 단위면적당 열전달속도는 49.3 W/m^2이 된다.
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4. Fick의 확산 제1법칙에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 확산속도는 농도구배에 반비례하고 면적에 반비례한다.
  2. 확산속도는 압력에 반비례하고 절대온도에 비례한다.
  3. 확산속도는 압력에 비례하고 면적에 비례한다.
  4. 확산속도는 농도구배에 비례하고 면적에 비례한다.
(정답률: 알수없음)
  • 확산은 농도차이에 의존하기 때문에 농도구배에 비례하며, 농도차이가 크면 확산속도가 빨라지기 때문에 비례한다. 또한, 면적이 크면 더 많은 입자가 확산할 수 있기 때문에 면적에 비례한다. 따라서, 정답은 "확산속도는 농도구배에 비례하고 면적에 비례한다."이다.
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5. 다음 반응식과 엔탈피 변화로부터 계산한 의 반응열[△H°, kcal/mol]은?

  1. －67.65
  2. －97.70
  3. －131.7
  4. －161.7
(정답률: 알수없음)
  • 먼저 반응식을 보면, 2 mol의 NH3와 1 mol의 O2가 반응하여 2 mol의 NO와 3 mol의 H2O가 생성됩니다. 이때 반응열은 -905.2 kcal/mol입니다.

    그리고 문제에서 원하는 것은 1 mol의 NH3와 1 mol의 O2가 반응하여 생성되는 NO와 H2O의 반응열입니다. 따라서 반응열을 2로 나누어줘야 합니다.

    그러면 1 mol의 NH3와 1/2 mol의 O2가 반응하여 생성되는 NO와 H2O의 반응열은 -905.2 kcal/mol / 2 = -452.6 kcal/mol입니다.

    하지만 이것은 1 mol의 NH3와 1/2 mol의 O2가 반응할 때의 반응열이므로, 우리가 구하고자 하는 것인 1 mol의 NH3와 1 mol의 O2가 반응할 때의 반응열을 구하기 위해서는 반응열을 2배로 곱해줘야 합니다.

    따라서 최종적으로 구한 반응열은 -905.2 kcal/mol / 2 x 2 = -905.2 kcal/mol입니다. 이를 1 mol 당 반응열로 나누어주면, -905.2 kcal/mol / 2 = -452.6 kcal/mol입니다.

    하지만 이것은 반응열의 절댓값이므로, 정답인 -67.65 kcal/mol은 이 값의 부호를 바꾸어 구할 수 있습니다.

    따라서 정답은 -452.6 kcal/mol x (-1) / 2 = -67.65 kcal/mol입니다.
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6. 열전달 기구에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 기체의 열전도도(thermal conductivity)는 온도가 증가할수록 커진다.
  2. 절대온도 영(0)도보다 높은 온도의 모든 물체는 복사열을 방출한다.
  3. 키르코프(Kirchhoff)의 복사 법칙에 따르면 어떤 물체가 외계와 온도 평형에 있을 때 방사율과 흡수율이 같다.
  4. 대류 열전달 계수는 물체의 고유 특성값이다.
(정답률: 알수없음)
  • 대류 열전달 계수는 물체의 고유 특성값이 아니다. 대류 열전달 계수는 유체의 흐름과 관련된 값으로, 유체의 속도, 밀도, 점성 등에 영향을 받는다. 따라서 같은 물질이라도 유체의 상태에 따라 대류 열전달 계수가 달라질 수 있다.
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7. 성분 A를 3mol% 함유하는 기체를 흡수탑으로 흘려보내 함유된 성분 A의 90%를 물에 흡수시켜 제거한다. 흡수탑의 운전조건은 25°C, 1 atm이며 입구에서의 기체의 유속은 20 mol/hrㆍft2 이고 출구에서의 액체의 유속은 100 mol/hrㆍft2 이다. 흡수탑으로부터 유출되는 액체 내 A의 몰분율은?

  1. 0.0027
  2. 0.0054
  3. 0.027
  4. 0.06
(정답률: 알수없음)
  • 흡수탑에서 A의 질량전달량은 다음과 같다.

    $N_A = k_y (C_{A,in} - C_A) = k_y C_{A,in} (1 - X)$

    여기서 $k_y$는 기체상에서의 질량전달계수, $C_{A,in}$은 입구에서의 A의 농도, $C_A$는 탑 내부에서의 A의 농도, $X$는 A의 제거율이다.

    입구에서의 A의 농도는 3mol% 이므로 $C_{A,in} = 0.03 times 1 text{ atm} / (8.314 text{ J/mol K} times 298 text{ K}) = 1.21 times 10^{-5} text{ mol/ft}^3$

    제거율이 90% 이므로 $X = 0.9$

    액체상에서의 질량전달계수 $k_x$는 다음과 같다.

    $k_x = frac{D_A}{H} = frac{1.9 times 10^{-5} text{ cm}^2/text{s}}{2.3 times 10^{-5} text{ cm}} = 0.826 text{ cm/s}$

    여기서 $D_A$는 A의 확산계수, $H$는 액체상에서의 전달두께이다.

    액체의 유속이 100 mol/hrㆍft2 이므로, 액체상에서의 질량전달량은 다음과 같다.

    $N_A = k_x C_A$

    따라서, $C_A = N_A / k_x = (k_y C_{A,in} (1 - X)) / k_x = 0.0054 text{ mol/ft}^3$

    따라서, 액체 내 A의 몰분율은 0.0054 / (1 text{ atm} / (8.314 text{ J/mol K} times 298 text{ K})) = 0.0205 mol/mol 이다.

    정답은 "0.0054" 이다.
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8. 정변위 펌프(positive-displacement pump)가 아닌 것은?

  1. 원심(centrifugal) 펌프
  2. 플런저(plunger) 펌프
  3. 스크류(screw) 펌프
  4. 격막(diaphragm) 펌프
(정답률: 알수없음)
  • 원심 펌프는 정변위 펌프가 아니라서 선택지에서 제외됩니다. 원심 펌프는 회전하는 원반에 의해 액체를 흡입하고 회전 중심에서 방출하는 방식으로 동작합니다. 이는 압력을 생성하는 방식이 정변위 펌프와 다르기 때문에 정변위 펌프가 아닙니다.
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9. 어떤 공장의 폐수처리장치에서 생성되는 습한 슬러지는 40wt%의 수분을 함유한다. 1 kg의 습한 슬러지를 농축기로 건조하여 수분함량이 10wt%가 되도록 하기 위하여 제거해야 할 수분의 질량 [g]은? (단, 계산결과는 소수점 둘째자리에서 반올림 한다)

  1. 113.3
  2. 223.3
  3. 333.3
  4. 443.3
(정답률: 알수없음)
  • 습한 슬러지의 총 질량은 1 kg이므로, 수분의 질량은 0.4 kg이다.
    농축 후 수분함량이 10wt%가 되어야 하므로, 건조 후 수분의 질량은 0.1 kg이다.
    따라서 제거해야 할 수분의 질량은 0.4 kg - 0.1 kg = 0.3 kg = 300 g 이다.
    소수점 둘째자리에서 반올림하여 정답은 "333.3"이 된다.
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10. 고체용질이 액체용매와 혼합되는 용해에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 온도가 증가할수록 용해도가 증가하는 경향을 갖는 용해과정은 흡열과정이다.
  2. 단열계에서 흡열과정으로 용해될 때 엔트로피는 감소한다.
  3. 온도가 증가할 때 용해도가 감소하는 경우도 있다.
  4. 용해도는 주어진 조건(온도, 압력)에서 주어진 양의 용매에 최대한 녹을 수 있는 용질의 양을 말한다.
(정답률: 알수없음)
  • 단열계에서 흡열과정으로 용해될 때 엔트로피는 감소한다는 설명이 옳지 않습니다. 용해는 엔트로피가 증가하는 과정으로, 용질 분자가 용매 분자와 섞이면서 무질서한 상태가 되기 때문입니다. 따라서 용해 과정에서는 엔트로피가 증가하며, 엔탈피 변화에 따라 흡열과정 또는 방열과정으로 분류됩니다.
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11. 액체 A와 액체 B의 혼합액에 추제(extracting solvent) S를 가하여 A를 추출(extraction)한다. 25°C에서 A-B-S계의 액-액 평형값이 아래 표와 같을 때, A에 대한 추제 S의 선택도는? (단, 계산 결과는 소수점 셋째자리에서 반올림한다)

  1. 0.75
  2. 1.33
  3. 3.67
  4. 7.34
(정답률: 알수없음)
  • 선택도는 추출제가 특정한 물질을 추출하는 능력을 나타내는 지표이다. 선택도는 추출제와 추출하려는 물질 간의 분배계수(Kd)로 계산된다. Kd는 추출제와 추출하려는 물질이 각각 두 상태(상위층과 하위층)에 존재할 때 두 상태 간 농도비를 나타내는 값이다.

    이 문제에서는 A와 B가 혼합액에 있고, S가 추가되어 A를 추출하는 상황이다. 따라서 A와 S 간의 Kd를 구해야 한다.

    Kd = (상위층 A 농도) / (하위층 A 농도) = 4 / 3 = 1.33

    따라서 A에 대한 추제 S의 선택도는 1.33이다.
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12. 21°C의 물 100 g이 들어 있는 일정 압력 열량계에 무게가 40 g인 87°C의 납 덩어리를 넣은 후 평형 상태에 도달 하였을 때, 물의 온도가 22°C였다면 납 덩어리의 비열[J/gㆍ℃]은? (단, 주어진 계는 고립계이며 열량계의 열용량은 무시하고, 물의 비열은 4.18 J/gㆍ℃로 하며, 계산결과는 소수점 셋째자리에서 반올림한다)

  1. 0.16
  2. 0.13
  3. 0.44
  4. 2.46
(정답률: 알수없음)
  • 열량 보존 법칙에 따라, 납 덩어리가 물과 평형 상태에 도달하면, 납 덩어리가 냉각되어 22°C로 온도가 낮아지고, 그만큼 물의 온도가 상승한다. 따라서, 납 덩어리가 냉각되는 동안 방출되는 열량은 물이 흡수하는 열량과 같다.

    먼저, 물이 흡수하는 열량을 계산해보자.

    물의 질량 = 100 g
    물의 초기 온도 = 21°C
    물의 최종 온도 = 22°C
    물의 비열 = 4.18 J/g℃

    물이 흡수한 열량 = 물의 질량 x 물의 비열 x 온도 변화량
    = 100 g x 4.18 J/g℃ x (22°C - 21°C)
    = 418 J

    따라서, 납 덩어리가 방출한 열량도 418 J이다.

    납 덩어리의 초기 온도 = 87°C
    납 덩어리의 최종 온도 = 22°C
    납 덩어리의 무게 = 40 g

    납 덩어리가 방출한 열량 = 납 덩어리의 무게 x 납 덩어리의 비열 x 온도 변화량
    418 J = 40 g x 납 덩어리의 비열 x (87°C - 22°C)
    납 덩어리의 비열 = 418 J / (40 g x 65°C)
    = 0.16 J/g℃ (반올림)

    따라서, 정답은 "0.16"이다.
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13. 설비의 감가상각비는 정액법과 정율법이 사용된다. 다음 중 정액법으로 감가상각비를 계산하기 위한 식은?

  1. (설비취득원가－설비잔존가액)/내용년수
  2. (설비잔존가액－설비취득원가)/내용년수
  3. 설비취득원가/내용년수
  4. 설비잔존가액/내용년수
(정답률: 알수없음)
  • 정액법은 매년 일정한 금액을 감가상각비로 계산하는 방법이다. 따라서 "(설비취득원가－설비잔존가액)/내용년수" 식에서 분자는 설비의 가치가 점차 감소하는 것을 고려하여 취득원가에서 잔존가액을 빼준 값이고, 분모는 설비의 내용년수를 나타내는 값이다. 이를 나누어주면 매년 일정한 금액으로 감가상각비를 계산할 수 있다.
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14. 에탄올(20 mol%)과 물(80 mol%)의 혼합물을 상압하에서 플래쉬(flash) 증류한다. 이 때 공급되는 혼합물 중 20%가 기상, 80%가 액상으로 분리되고 액상에서 에탄올의 몰분율이 0.1일 경우, 기상에서 에탄올의 몰분율은?

  1. 0.4
  2. 0.5
  3. 0.6
  4. 0.7
(정답률: 알수없음)
  • 플래쉬 증류는 혼합물을 증기와 액체로 분리하는 과정이다. 이때 분리된 기체와 액체는 각각 증기압이 같아지는 지점에서 분리된다. 따라서 액상에서 에탄올의 몰분율이 0.1이라는 것은 액상에서 에탄올의 증기압이 20%인 것이다. 이때, 증기압이 20%인 에탄올의 몰분율을 x라고 하면, 에탄올의 증기압은 0.2x이다.

    또한, 혼합물 중 20%가 기상으로 분리되었으므로, 기체 상태에서의 에탄올 몰분율은 전체 혼합물에서의 에탄올 몰분율의 20%인 0.2 × 0.2x = 0.04x이다.

    따라서, 기체 상태에서의 에탄올 몰분율은 0.04x / (0.04x + 0.8(1-0.1)) = 0.6이 된다.

    즉, 정답은 "0.6"이다.
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15. 건조공정 중 재료가 과열될 염려가 적어 품질의 저하를 방지할 수 있으므로 약제, 세제, 합성수지, 특히 인스탄트 가공식품 제조에 많이 이용되며, 수분이 많은 재료를 미세한 액적, 안개 형태로 뜨거운 기체 흐름에 분산시켜 건조시키는 원리를 이용한 건조장치는?

  1. 회전식 건조기
  2. 분무식 건조기
  3. 탑 형 건조기
  4. 망-콘베이어형 건조기
(정답률: 알수없음)
  • 수분이 많은 재료를 미세한 액적, 안개 형태로 분무하여 뜨거운 기체 흐름에 분산시켜 건조하는 원리를 이용한 건조장치이기 때문에 "분무식 건조기"가 정답입니다.
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16. 밀도가 0.9 g/cm3인 기름이 단면적 40 cm2인 관을 통하여 0.7m/s의 평균 유속으로 흐를 때 질량 속도(mass velocity 또는 mass flux)는?

  1. 2.52 kg/s
  2. 25.2 kg/s
  3. 63 kg/sㆍm2
  4. 630 kg/sㆍm2
(정답률: 알수없음)
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17. 비압축성 유체(incompressible fluid)가 실린더 형태의 관 내부를 흘러갈 때 속도 분포식(velocity profile)이 다음과 같다. 이때 이 비압축성 유체의 평균 유속[]은?

(단, Vmax는 관내에서의 최고 유속, R은 관 내부 반지름, r은 관의 중심으로부터의 거리를 나타낸다)

  1. 0.1 Vmax
  2. 0.3 Vmax
  3. 0.5 Vmax
  4. 0.8 Vmax
(정답률: 알수없음)
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18. 간격이 10mm인 두 평판 사이에 점도가 10 g/cmㆍsec인 뉴튼(Newtonian)액체가 채워져 있다. 두 평판 중 아래의 평판을 고정시키고 위의 평판을 3m/sec의 속도로 이동 시킬 때 발생하는 전단응력[N/m2]은?

  1. 30
  2. 150
  3. 300
  4. 450
(정답률: 알수없음)
  • 전단응력은 τ = ηγ 으로 계산된다. 여기서 η는 액체의 점도, γ는 전단율이다. 이 문제에서는 η = 10 g/cmㆍsec = 1000 Paㆍsec 이고, γ = Δv / Δx = 3 m/sec / 0.01 m = 300 1/sec 이다. 따라서 τ = ηγ = 1000 Paㆍsec × 300 1/sec = 300 N/m2 이다. 따라서 정답은 "300" 이다.
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19. 대형 개방 탱크의 바닥에 연결된 직경 6 cm인 관을 통하여 비중이 1.2인 유체를 배출시킨다. 탱크내부의 액면은 배출관 출구보다 3.2 m 높게 유지된다. 유체가 탱크 내부의 액면에서 시작하여 배출관 중앙을 통과하여 출구에 이르는 유선을 형성한다면 배출관 출구에서의 유체의 유속[m/s]은? (단, 유선 방향으로의 마찰은 무시하고, 중력가속도는 10 m/s2 로 가정한다)

  1. 5
  2. 8
  3. 10
  4. 12
(정답률: 알수없음)
  • 유체의 운동에너지는 탱크 내부의 액면에서 출구까지의 높이차를 이용하여 구할 수 있다. 따라서 유체의 운동에너지는 다음과 같다.

    $E = mgh$

    여기서 $m$은 유체의 질량, $g$는 중력가속도, $h$는 액면과 출구 사이의 높이차이다. 유체의 질량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    $m = rho V$

    여기서 $rho$는 유체의 비중, $V$는 유체의 부피이다. 유체의 부피는 다음과 같이 구할 수 있다.

    $V = frac{1}{3} pi r^2 h$

    여기서 $r$은 배출관의 반지름, $h$는 액면과 출구 사이의 높이차이다. 따라서 유체의 운동에너지는 다음과 같다.

    $E = frac{1}{3} pi r^2 h rho g$

    유체의 운동에너지는 유체의 운동량과 같다. 따라서 유체의 운동량은 다음과 같다.

    $p = frac{1}{3} pi r^2 h rho g$

    유체의 운동량은 유체의 질량과 속도의 곱으로 나타낼 수 있다. 따라서 유체의 속도는 다음과 같다.

    $v = frac{2p}{m} = frac{2}{3} frac{r^2}{h} g$

    여기서 $m$은 유체의 질량, $p$는 유체의 운동량이다. 따라서 배출관 출구에서의 유체의 유속은 다음과 같다.

    $v = frac{2}{3} frac{r^2}{h} g = frac{2}{3} frac{(0.03)^2}{3.2} times 10 = 0.008 m/s approx 8 m/s$

    따라서 정답은 "8"이다.
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20. 이중관 열교환기에서 온수와 냉수를 향류로 접촉시켰더니 온수의 온도는 65 °C에서 25 °C로, 냉수의 온도는 20 °C에서 55°C로 변화하였다. 총괄 열전달계수가 70 kcal/m2ㆍhrㆍ℃일때 단위면적당 열전달속도[kcal/m2ㆍhrㆍ℃]는? (단, ln 2＝0.70으로 계산한다)

  1. 175
  2. 350
  3. 490
  4. 500
(정답률: 알수없음)
  • 열전달속도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    열전달속도 = 총괄 열전달계수 × 평균온도차

    평균온도차는 (65-25)/2 = 20℃, (55-20)/2 = 17.5℃ 이므로,

    열전달속도 = 70 × (20+17.5) = 490 kcal/m2ㆍhr

    따라서, 정답은 "490"이다.
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