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

9급 지방직 공무원 화학공학일반 2011-06-13 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2011-06-13 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

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)
  • 레이놀즈수(Reynolds Number)는 유체의 흐름에서 관성력과 점성력의 상대적인 크기를 나타내는 무차원 수로, 이 비율에 따라 층류와 난류의 흐름 상태가 결정됩니다.
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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)
  • 의가소성 유체(pseudoplastic fluid)는 전단응력이 증가함에 따라 점도가 감소하는 전단 희박(shear-thinning) 특성을 가지며, 그래프상에서 원점을 지나며 위로 볼록한 곡선 형태를 나타냅니다.


    오답 노트
    B: 항복 응력이 존재하는 빙햄 유체
    A: 뉴턴 유체 (직선)
    D: 전단 농후 유체 (아래로 볼록)
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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)
  • 여러 층으로 구성된 벽의 열전달은 각 층의 열저항을 합산한 전체 열저항의 역수를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $q = \frac{\Delta T}{\frac{L_1}{k_1} + \frac{L_2}{k_2} + \frac{L_3}{k_3}}$
    ② [숫자 대입] $q = \frac{110 - 10}{\frac{0.1}{10} + \frac{0.1}{0.05} + \frac{0.1}{5}}$
    ③ [최종 결과] $q = 49.3$
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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)
  • Fick의 제1법칙에 따르면, 확산 플럭스(속도)는 확산 면적에 비례하고 농도 기울기(농도구배)에 비례하여 발생합니다.

    오답 노트
    농도구배/면적 반비례: 비례 관계이므로 틀림
    압력 비례: 확산 계수는 압력에 반비례하므로 전체 속도는 압력에 반비례함
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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: 100%)
  • 헤스의 법칙을 이용하여 생성물의 표준 생성 엔탈피 합에서 반응물의 표준 생성 엔탈피 합을 빼서 반응열을 구합니다.
    반응식: $\text{CO(g)} + \frac{1}{2}\text{O}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CO}_2\text{(g)}$
    ① [기본 공식] $\Delta H^0 = \sum \Delta H_{f,products}^0 - \sum \Delta H_{f,reactants}^0$
    ② [숫자 대입] $\Delta H^0 = (-94.05) - (-26.40 + 0)$
    ③ [최종 결과] $\Delta H^0 = -67.65$
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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: 64%)
  • 대류 열전달 계수는 유체의 속도, 점도, 열전도도 및 표면 형상 등 외부 환경 조건에 따라 변하는 값이지, 물질 자체가 가지는 고유 특성값이 아닙니다.

    오답 노트
    기체의 열전도도: 온도가 상승하면 분자 운동이 활발해져 증가함
    복사열 방출: 절대온도 0K 이상의 모든 물체는 전자기파를 방출함
    키르코프 법칙: 열평형 상태에서 방사율과 흡수율은 동일함
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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)
  • 물질수지 원리를 이용하여 흡수된 성분 A의 양이 액체로 이동했음을 계산합니다.
    기체 유입량 중 A의 양은 $20 \times 0.03 = 0.6$ mol/hr·ft²이며, 이 중 90%가 흡수되므로 흡수량은 $0.6 \times 0.9 = 0.54$ mol/hr·ft²입니다. 출구 액체 유속이 100 mol/hr·ft²이므로, 액체 내 A의 몰분율은 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $x_A = \frac{G \times y_{A,in} \times \eta}{L_{out}}$
    ② [숫자 대입] $x_A = \frac{20 \times 0.03 \times 0.9}{100}$
    ③ [최종 결과] $x_A = 0.0054$
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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: 60%)
  • 원심 펌프는 임펠러의 회전을 통해 유체에 운동 에너지를 부여하는 터보 펌프이며, 정해진 부피를 밀어내는 정변위 방식이 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)
  • 물질수지 식을 세워 제거된 수분의 양을 계산합니다. 고형분(Solid)의 질량은 건조 전후로 일정하다는 점을 이용합니다.
    ① [기본 공식] $W_{water} = W_{initial} \times \frac{x_{in} - x_{out}}{1 - x_{out}}$
    ② [숫자 대입] $W_{water} = 1000 \times \frac{0.4 - 0.1}{1 - 0.1}$
    ③ [최종 결과] $W_{water} = 333.3$
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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)
  • 용해 과정에서 용질과 용매가 섞이면 무질서도가 증가하므로 엔트로피는 일반적으로 증가합니다. 특히 흡열 과정으로 용해될 때 계의 엔트로피는 증가하게 됩니다.

    오답 노트
    온도가 증가할수록 용해도가 증가하는 경향을 갖는 용해과정은 흡열과정이다: 옳은 설명
    온도가 증가할 때 용해도가 감소하는 경우도 있다: 발열 반응의 경우 가능함
    용해도는 주어진 조건(온도, 압력)에서 주어진 양의 용매에 최대한 녹을 수 있는 용질의 양을 말한다: 용해도의 정의임
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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 추출상과 추잔상에서의 성분 분배 계수의 비로 정의됩니다. 주어진 표의 데이터를 바탕으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $S = \frac{(x_A / x_B)_{extract}}{(x_A / x_B)_{raffinate}}$
    ② [숫자 대입] $S = \frac{40 / 5}{60 / 10}$
    ③ [최종 결과] $S = 1.33$
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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: 90%)
  • 고립계에서 물이 얻은 열량은 납 덩어리가 잃은 열량과 같다는 열평형 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $m_w c_w \Delta T_w = m_{Pb} c_{Pb} \Delta T_{Pb}$
    ② [숫자 대입] $100 \times 4.18 \times (22 - 21) = 40 \times c_{Pb} \times (87 - 22)$
    ③ [최종 결과] $c_{Pb} = 0.16$
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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 자산의 취득원가에서 잔존가액을 뺀 금액을 내용년수로 나누어 매년 동일한 금액을 상각하는 방법입니다. 따라서 (설비취득원가－설비잔존가액)/내용년수 식이 정답입니다.
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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: 100%)
  • 물질 수지 식을 이용하여 기상으로 분리된 에탄올의 몰분율을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $F z_F = V y + L x$
    ② [숫자 대입] $1 \times 0.2 = 0.2 \times y + 0.8 \times 0.1$
    ③ [최종 결과] $y = 0.6$
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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: 91%)
  • 분무식 건조기는 액체 재료를 미세한 안개 형태로 분무하여 뜨거운 기체와 접촉시킴으로써 매우 빠르게 건조시키는 장치입니다. 열전달 속도가 매우 빨라 재료의 과열을 방지할 수 있어 인스턴트 커피나 세제 등의 제조에 주로 사용됩니다.
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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)
  • 질량 속도는 단위 면적당 흐르는 질량의 양을 의미하며, 밀도와 평균 유속의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $G = \rho \times v$ 질량 속도 = 밀도 × \text{유속}
    ② [숫자 대입] $G = 900 \times 0.7$ (단위 환산: $0.9\text{ g/cm}^3 = 900\text{ kg/m}^3$)
    ③ [최종 결과] $G = 630$
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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)
  • 평균 유속은 관의 단면적에 대해 속도 분포를 적분하여 전체 유량을 구한 뒤 단면적으로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\bar{V} = \frac{1}{\pi R^2} \int_{0}^{R} V_{max} [1 - (\frac{r}{R})^2] 2\pi r dr$
    ② [숫자 대입] $\bar{V} = \frac{2 V_{max}}{R^2} [\frac{r^2}{2} - \frac{r^4}{4R^2}]_{0}^{R} = \frac{2 V_{max}}{R^2} [\frac{R^2}{2} - \frac{R^2}{4}]$
    ③ [최종 결과] $\bar{V} = \frac{2 V_{max}}{R^2} \times \frac{R^2}{4} = 0.5 V_{max}$
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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)
  • 뉴턴 액체의 전단응력은 점도와 속도구배(속도 변화량/간격)의 곱으로 정의됩니다. 이때 점도 단위 $10\text{ g/cm\cdot sec}$는 $10\text{ Pa\cdot s}$와 같습니다.
    ① [기본 공식] $\tau = \mu \times \frac{v}{h}$
    ② [숫자 대입] $\tau = 10 \times \frac{3}{0.01}$
    ③ [최종 결과] $\tau = 300$
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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)
  • 마찰이 없는 유체의 흐름에서 위치 에너지가 운동 에너지로 전환되는 베르누이 원리를 이용하여 출구 유속을 구합니다.
    ① [기본 공식] $v = \sqrt{2gh}$
    ② [숫자 대입] $v = \sqrt{2 \times 10 \times 3.2}$
    ③ [최종 결과] $v = \sqrt{64} = 8$
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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)
  • 향류 열교환기에서 단위면적당 열전달속도는 총괄 열전달계수와 대수평균온도차($LMTD$)의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Heat Flux} = U \times \frac{\Delta T_1 - \Delta T_2}{\ln(\Delta T_1 / \Delta T_2)}$
    ② [숫자 대입] $\text{Heat Flux} = 70 \times \frac{(65-55) - (25-20)}{\ln((65-55)/(25-20))} = 70 \times \frac{10-5}{\ln(2)}$
    ③ [최종 결과] $\text{Heat Flux} = 70 \times \frac{5}{0.70} = 500$
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