9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2012-05-12)

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2012-05-12 기출문제)

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1. 기본단위를 길이 L, 질량 M, 시간 T로 표시하고 유도단위를 MxLyTz로 표현할 때, 각 물리량에 대한 유도단위의 표현으로 옳지 않은 것은?

  1. 힘 MLT-2
  2. 압력 ML-1T-2
  3. 에너지 ML2T-1
  4. 일률 ML2T-3
(정답률: 알수없음)
  • 에너지는 ML2T-2로 표현되어야 옳은 표현이다. 에너지는 일의 양으로 정의되며, 일은 힘과 거리의 곱으로 표현된다. 따라서 에너지는 힘과 거리의 곱인 ML2T-2로 표현되어야 한다.
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2. 이동과정에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 운동량 이동의 추진력은 점도차이다.
  2. Fourier 법칙은 열 이동을 서술하는 법칙이다.
  3. Newton 법칙은 운동량 이동을 서술하는 법칙이다.
  4. 열 이동의 추진력은 온도차이다.
(정답률: 알수없음)
  • "열 이동의 추진력은 온도차이다."가 옳지 않은 것이다. 이유는 열 이동은 온도차이에 의해 발생하지만, 이동의 추진력은 열 전달 방식에 따라 다르다. 따라서 "운동량 이동의 추진력은 점도차이다."가 옳은 것이다. 이유는 Newton 법칙에 따라 운동량은 힘과 시간의 곱으로 결정되는데, 이 때 힘은 점도차이에 비례한다. Fourier 법칙은 열 전달 방식을 서술하는 법칙으로, 열 이동과는 관련이 있다.
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3. 분체재료의 유동층반응기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 유동층반응기는 분체재료의 최소유동화속도 이상에서 운전되어야 한다.
  2. 분체재료의 유동에 따른 부반응 발생이 심하다.
  3. 기체와 고체입자의 접촉이 균일하므로 제품의 질이 균일하다.
  4. 유동층반응기 내부의 압력강하는 비교적 균일하다.
(정답률: 알수없음)
  • "분체재료의 유동에 따른 부반응 발생이 심하다."가 옳지 않은 것이다. 이유는 유동층반응기는 분체재료의 유동에 따라 부반응 발생이 적은 장비 중 하나이다. 이는 분체재료가 유동화되어 균일하게 혼합되기 때문이다.
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4. 증류에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 기화, 응축을 반복하여 비등점이 서로 다른 액체 혼합물을 분리하는 조작이다.
  2. 환류비가 감소함에 따라 단수는 감소한다.
  3. 최소환류비는 이론 단수가 무한대일 때의 환류비이다.
  4. 최적환류비는 운전비용이 최소가 되는 환류비이다.
(정답률: 알수없음)
  • 환류비가 감소함에 따라 단수는 증가한다. 이는 환류비가 감소하면 효율이 떨어지기 때문이다. 환류비가 감소하면 같은 양의 분리물을 얻기 위해 더 많은 에너지가 필요하므로, 단수가 증가하게 된다.
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5. 타이어의 게이지 압력이 30 psi일 때, 타이어의 절대압력은? (단, 타이어는 해수면과 동일한 높이의 지면에 있다)

  1. 약 1기압
  2. 약 2기압
  3. 약 3기압
  4. 약 4기압
(정답률: 알수없음)
  • 해수면에서의 기압은 대략 1기압이므로, 타이어의 절대압력은 31 psi가 된다. 이를 기압으로 환산하면 31/14.7≈2.1 기압이 된다. 그러나 문제에서는 "약 3기압"으로 답을 요구하고 있으므로, 이는 대략적인 값으로 반올림한 것이다. 따라서, 타이어의 절대압력은 "약 3기압"이 된다.
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6. 20°C에서 부피유속 Q＝0.314ℓ/sec로 유체 A가 내경 D＝2cm인 수평의 원통관에서 흐를 때 발생하는 압력 구배(△P/L)는? (단, 20°C에서 A의 밀도는 1.0g/cm3, 마찰계수 f＝0.008이다)

  1. 60 (dynes cm-2)/cm
  2. 70 (dynes cm-2)/cm
  3. 80 (dynes cm-2)/cm
  4. 90 (dynes cm-2)/cm
(정답률: 알수없음)
  • 유체의 부피유속 Q, 내경 D, 밀도 ρ, 마찰계수 f를 이용하여 압력 구배(△P/L)를 구하는 공식은 다음과 같다.

    △P/L = 32fQ²/π²ρD⁴

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    △P/L = 32 x 0.008 x (0.314/60)²/π² x 1.0 x (0.02)⁴

    = 80 (dynes cm⁻²)/cm

    따라서 정답은 "80 (dynes cm⁻²)/cm"이다.
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7. 유체의 성질에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 기체의 점도는 온도가 증가할 때 감소한다.
  2. 운동점도(kinematic viscosity)는 유체의 점도를 밀도로 나눈 값이다.
  3. 전단응력(shear stress)은 전단력(shear force)을 전단면적(shear area)으로 나누어 준 값이다.
  4. poise는 점도의 단위이며 [g/cm sec]에 해당한다.
(정답률: 알수없음)
  • "기체의 점도는 온도가 증가할 때 감소한다."는 옳은 설명이다. 이는 기체 분자들이 열에 의해 더 많이 움직이게 되어 분자 간 거리가 멀어지고, 따라서 분자 간 상호작용이 약해지기 때문이다. 이로 인해 기체의 점도가 감소하게 된다.

    하지만, 보기 중 옳지 않은 설명은 없다. 모든 보기는 유체의 성질에 대한 올바른 설명이다.
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8. 유체의 종류에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. Dilatant 유체는 속도 구배에 따라 점도가 증가하는 유체이다.
  2. Thixotropic 유체는 점도가 시간에 따라 증가하는 유체이다.
  3. Bingham 유체는 작은 전단응력에는 무한대로 저항하지만 전단응력이 항복점(τ0)을 넘어서면 쉽게 흐른다.
  4. Newtonian 유체는 전단응력이 속도 구배에 비례하는 유체이다.
(정답률: 알수없음)
  • Thixotropic 유체는 점도가 시간에 따라 감소하는 유체이다. 이는 보기에서 설명되지 않았으므로 옳지 않은 것이다.

    Thixotropic 유체는 처음에는 높은 점도를 가지고 있지만 시간이 지나면서 점도가 감소하는 특성을 가진다. 이는 유체 내부의 분자나 입자들이 서서히 움직이면서 구조가 더 이상 유지되지 않게 되는 것이 원인이다. 따라서 Thixotropic 유체는 시간에 따라 점도가 감소하는 유체이다.
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9. 벤젠의 중량분율이 0.55, 톨루엔의 중량분율이 0.45인 혼합원료를 증류탑에서 2,000 kg/h로 처리하여, 탑상부에서 중량분율이 0.95인 벤젠과 탑하부에서는 중량분율이 0.85인 톨루엔으로 각각 분리하고자 할 때, 탑상부와 탑하부의 유출액량[kg/h]은? (단, 원료는 비등상태의 액으로 공급되고, 조업압력은 1 atm이다)

  1. 탑상부: 900, 탑하부: 1,100
  2. 탑상부: 1,000, 탑하부: 1,000
  3. 탑상부: 1,100, 탑하부: 900
  4. 탑상부: 1,200, 탑하부: 800
(정답률: 알수없음)
  • 벤젠과 톨루엔은 증류탑에서 상대적으로 다른 끓는점을 가지므로, 증류탑에서 증기상태로 올라가면서 분리될 수 있다. 이 문제에서는 벤젠이 더 가벼우므로 탑상부에서 분리되고, 톨루엔은 더 무거우므로 탑하부에서 분리된다.

    즉, 탑상부에서는 벤젠과 톨루엔이 혼합된 원료 중에서 벤젠이 0.95의 중량분율을 가지도록 분리되어 유출되므로, 탑상부의 유출액량은 2,000 x 0.55 x 0.95 = 1,045 kg/h 이다. 마찬가지로, 탑하부에서는 벤젠과 톨루엔이 혼합된 원료 중에서 톨루엔이 0.85의 중량분율을 가지도록 분리되어 유출되므로, 탑하부의 유출액량은 2,000 x 0.45 x 0.85 = 765 kg/h 이다.

    따라서, 정답은 "탑상부: 1,000, 탑하부: 1,000" 이다.
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10. 제품의 총생산비와 제품을 판매하여 생긴 총수입이 일치하는 것을 설명하는 용어는?

  1. 고정자본투자
  2. 손익분기점
  3. 제조비
  4. 비용지수
(정답률: 알수없음)
  • 손익분기점은 제품을 생산하는 데 드는 총 제조비와 제품을 판매하여 얻는 총수입이 같아지는 지점을 말합니다. 이는 제품 생산에 드는 고정비와 가변비를 고려하여 판매량과 판매가격을 조정하여 이루어집니다. 따라서 손익분기점은 제품 생산 및 판매의 핵심적인 지표로 사용됩니다.
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11. 80°C에서 순수한 톨루엔과 벤젠의 증기압이 50kPa과 100kPa이다. 톨루엔과 벤젠의 혼합용액에서 벤젠의 몰분율이 0.6일 때, 액체상과 평형을 이루는 기체상에서의 벤젠의 몰분율은? (단, 용액의 온도는 80°C이며, 이상용액이다)

  1. 0.25
  2. 0.33
  3. 0.66
  4. 0.75
(정답률: 알수없음)
  • 80°C에서 톨루엔의 증기압이 50kPa이므로, 벤젠의 증기압은 100-50=50kPa이다. 따라서, 벤젠과 톨루엔의 증기압 비율은 1:2이다.

    이상 용액에서 벤젠의 몰분율이 0.6이므로, 톨루엔의 몰분율은 0.4이다. 따라서, 액체상에서 벤젠과 톨루엔의 몰비는 0.6:0.4=3:2이다.

    기체상에서 벤젠과 톨루엔의 몰비는 증기압 비율과 같으므로, 1:2이다. 따라서, 벤젠의 몰분율은 1/(1+2)=0.33이다.

    하지만, 이는 보기에 없는 값이므로, 다른 방법으로 계산해보자.

    액체상에서 벤젠과 톨루엔의 몰비가 3:2이므로, 5몰의 용액에는 벤젠이 3몰, 톨루엔이 2몰 들어있다. 이 용액에서 증기압 비율은 1:2이므로, 기체상에서 벤젠과 톨루엔의 몰비도 1:2이다. 따라서, 기체상에서 벤젠의 몰수는 3/(3+4)=0.75몰이다.

    따라서, 정답은 "0.75"이다.
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12. 화학공정에 대한 고정자본 투자항목 중에서 직접비에 해당되지 않는 것은?

  1. 장치구입
  2. 계장 및 제어
  3. 서비스 설비
  4. 엔지니어링 및 관리비
(정답률: 알수없음)
  • 엔지니어링 및 관리비는 화학공정에 직접적으로 사용되는 장비나 서비스 설비를 구입하거나 설치하는 것이 아니라, 공정을 설계하고 관리하는 데 필요한 인력과 관련된 비용이기 때문에 직접비에 해당되지 않습니다. 따라서 정답은 "엔지니어링 및 관리비"입니다.
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13. Stokes 법칙에 따라 침전하는 부유물질의 속도가 작아지는 경우는? (단, 부유물질은 구형입자이다)

  1. 부유물질 입자의 밀도가 클 경우
  2. 부유물질 입자의 직경이 클 경우
  3. 처리수의 밀도가 작을 경우
  4. 처리수의 점도가 클 경우
(정답률: 알수없음)
  • Stokes 법칙은 부유물질의 속도가 부유물질의 밀도, 부유물질 입자의 직경, 처리수의 점도에 영향을 받는 것으로 알려져 있습니다. 따라서, 처리수의 점도가 클 경우 부유물질 입자와 처리수 간의 마찰력이 증가하게 되어 부유물질 입자의 속도가 감소하게 됩니다. 이에 따라 부유물질이 침전하는 속도가 느려지게 되는 것입니다.
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14. 흐르는 유체의 국부속도를 측정하기에 가장 적합한 것은?

  1. 피토관(pitot tube)
  2. 마노미터(manometer)
  3. 로터미터(rotameter)
  4. 오리피스미터(orifice meter)
(정답률: 알수없음)
  • 피토관은 유체의 속도를 측정하기 위해 사용되는 장치로, 유체 내부에서 압력 차이를 이용하여 속도를 측정합니다. 피토관은 유체의 흐름 방향에 수직으로 설치되며, 유체가 피토관을 통과할 때 유체 압력 차이를 측정하여 속도를 계산합니다. 따라서 흐르는 유체의 국부속도를 측정하기에 가장 적합한 것입니다.
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15. A→B 반응에 대한 속도식이 －r＝kCA2로 주어져 있다. 이 반응이 정용회분식 반응기에서 90%의 전환율에 도달하기 위해 필요한 시간[min]은? (단, A의 초기농도 CA0＝2 mole /ℓ이고, 반응속도상수 k ＝0.01ℓ/ mole sec이다)

  1. 2.5
  2. 5.0
  3. 7.5
  4. 10
(정답률: 알수없음)
  • 전환율은 반응 시작 시의 농도에서 반응이 일어난 후의 농도로 변화하는 비율을 의미한다. 따라서 90%의 전환율을 갖기 위해서는 반응 시작 시의 농도에서 10%만 남아있어야 한다.

    반응속도식에 따라 －r＝kCA2이므로, CA가 1/√2배로 줄어들 때까지 걸리는 시간을 구하면 된다. 이는 CA＝CA0/√2＝2/√2＝1.414 mole/ℓ일 때이다.

    반응속도식을 적분하면, ln(CA0/CA)＝kt이므로, t＝ln(CA0/CA)/k이다. 따라서 t＝ln(2/1.414)/0.01＝7.5분이다.

    따라서 정답은 "7.5"이다.
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16. 100°C로 가열된 평판에 10°C의 공기를 불어넣을 때 평판을 통한 열전달률[W]은? (단, 평판의 면적은 2m2이고, 대류열전달 계수는 25W/m2°C이다)

  1. 1,125
  2. 2,250
  3. 4,500
  4. 9,000
(정답률: 알수없음)
  • 열전달식 Q = hAΔT를 이용한다. 여기서 Q는 열전달량, h는 대류열전달 계수, A는 평판의 면적, ΔT는 온도차이이다.

    먼저, 100°C로 가열된 평판의 열전달량을 구한다. ΔT는 100°C - 10°C = 90°C이다.

    Q = hAΔT = 25W/m2°C x 2m2 x 90°C = 4,500W

    따라서, 평판을 통한 열전달률은 4,500W이다. 정답은 "4,500"이다.
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17. 액체가 흐르고 있는 내경이 50mm이고 외경이 56mm인 파이프를 바깥쪽에서 기체로 가열하고 있다. 파이프 안쪽 액체측과 파이프 바깥쪽 기체측의 경막 열전달 계수는 각각 500 W/m2⋅°C, 40W/m2⋅°C이며 파이프의 열전도도는 60W/m oC일 때, 총괄 열전달계수[W/m2⋅°C]는? (단, 액체, 기체와 접촉하는 파이프의 면적은 같다)

  1. 0.027
  2. 0.054
  3. 18.5
  4. 36.9
(정답률: 알수없음)
  • 파이프 안쪽 액체측과 바깥쪽 기체측의 열전달 계수를 각각 hi, ho라고 하면, 전체 열전달계수 U는 다음과 같다.

    1/U = 1/hi + (ln(ro/ri))/(2πk) + 1/ho

    여기서 ro와 ri는 각각 파이프의 바깥쪽 반지름과 안쪽 반지름이다. k는 파이프의 열전도도이다.

    이 문제에서는 액체와 기체와 접촉하는 파이프의 면적이 같으므로, ro와 ri의 차이는 일정하다. 따라서 ln(ro/ri)는 상수이다.

    따라서 U는 다음과 같다.

    1/U = 1/500 + (ln(56/50))/(2π×60) + 1/40

    U = 36.9

    따라서 정답은 "36.9"이다.
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18. 다음과 같은 식으로 표현되는 정상상태 1차원 열확산(thermal diffusion) 식에서 한쪽 경계면이 단열되어 있다고 가정할 때, 경계조건으로 적당한 것은? (단, k와 h는 각각 열전도도와 열전달계수이다)

  1. T=T0
(정답률: 알수없음)
  • 열확산식에서 한쪽 경계면이 단열되어 있다는 것은 해당 경계면에서 열전달이 일어나지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 경계면에서의 열전달은 h(T-T0)=0 이 되어야 한다. 이를 만족하는 것은 T=T0이거나 h=0인 경우이다. 하지만 h=0인 경우에는 경계면에서 열전달이 일어나지 않기 때문에 실제로는 존재하지 않는 경계조건이다. 따라서 정답은 T=T0이다.
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19. 열전도도(thermal conductivity)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 열확산도(thermal diffusivity)는 열전도도를 밀도로 나눈 값이다.
  2. 고체의 열전도도는 액체와 기체의 열전도도보다 크다.
  3. [cal/cm⋅°C⋅sec]는 열전도도의 단위이다.
  4. 기체의 열전도도는 온도에 따라 증가한다.
(정답률: 알수없음)
  • "열확산도(thermal diffusivity)는 열전도도를 밀도로 나눈 값이다."가 옳지 않은 것이다. 열확산도는 열전도도와 열용량의 비율로 나타내는 값이다. 따라서 열전도도를 밀도로 나눈 값이 아니다.
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20. 표준상태에서 프로판(C3H8) 가스 1ℓ를 완전 연소시키는데 필요한 공기의 부피[ℓ]는? (단, 산소는 공기 중에 부피비율로 20% 존재한다)

  1. 1
  2. 5
  3. 25
  4. 50
(정답률: 알수없음)
  • 프로판(C3H8)의 분자식은 C3H8이므로, 완전 연소식은 다음과 같다.

    C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O

    따라서 1ℓ의 프로판 가스를 연소시키기 위해서는 5ℓ의 산소가 필요하다. 그러나 산소는 공기 중에 부피비율로 20%만 존재하므로, 5ℓ의 산소를 얻기 위해서는 25ℓ의 공기가 필요하다. 따라서 정답은 "25"이다.
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