9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2017-12-16)

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2017-12-16 기출문제)

목록

1. 경로(path)에 무관한 것으로만 묶은 것은?

  1. 깁스 에너지, 내부 에너지, 엔트로피
  2. 엔트로피, 일, 엔탈피
  3. 열량, 깁스 에너지, 엔탈피
  4. 엔탈피, 내부 에너지, 열량
(정답률: 70%)
  • 깁스 에너지, 내부 에너지, 엔트로피는 모두 경로(path)에 무관한 상태 함수(state function)이기 때문에, 시스템의 초기 상태와 최종 상태만으로 계산이 가능하며, 경로에 따라 값이 달라지지 않습니다. 따라서 이들은 경로(path)에 무관한 것으로만 묶을 수 있습니다.
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2. 고체상에서 액체상으로 물질전달이 이루어지는 단위 공정은?

  1. 증류
  2. 흡착
  3. 흡수
  4. 침출
(정답률: 70%)
  • 고체상에서 액체상으로 물질전달이 이루어지는 단위 공정은 침출이다. 침출은 고체 물질의 표면에 액체를 흡수시켜 용액을 만드는 과정으로, 고체 물질의 구조를 유지하면서 액체를 분리하는데 사용된다. 이는 고체 물질의 미세 구조에 의해 가능하며, 침출 과정에서는 액체가 고체 물질의 구멍과 미세 구조에 침투하여 용액을 형성한다.
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3. 단면이 원형인 매끈한 도관 내부로 뉴턴 유체(Newtonian fluid)가 흐를 때 레이놀즈 수(Reynolds number, Re)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. Re=으로 정의된다.
  2. 도관 입구에서의 교란을 완전히 제거하면 Re가 2,100 이상일 때도 층류가 유지될 수 있다.
  3. 도관에서의 Re가 2,100보다 작으면 유체의 흐름은 언제나 층류이다.
  4. 도관에서의 Re가 4,000을 초과하면 유체의 흐름은 난류이다.
(정답률: 92%)
  • 답: "도관에서의 Re가 4,000을 초과하면 유체의 흐름은 난류이다."

    레이놀즈 수(Reynolds number, Re)는 유체의 밀도, 속도, 도관 내경 등의 변수에 의해 결정되는 수치로, 유체의 흐름 형태를 예측하는 데 사용된다. Re=으로 정의된다. Re가 2,100 이상일 때는 도관 입구에서의 교란을 완전히 제거하면 층류가 유지될 수 있으며, Re가 2,100보다 작으면 유체의 흐름은 언제나 층류이다. 하지만 Re가 4,000을 초과하면 유체의 흐름은 난류가 되어 예측이 어려워진다.
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4. 에너지 단위가 아닌 것은?

  1. PaㆍL
  2. Nㆍm
  3. kgㆍm/s2
  4. atmㆍm3
(정답률: 100%)
  • kgㆍm/s2은 힘의 단위인 뉴턴(N)과 같은 값이므로 에너지 단위가 아닙니다. 나머지 보기들은 각각 압력, 일, 열역학적 에너지 단위입니다.
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5. 단면적이 A로 동일한 두 개의 층으로 구성된 단열 벽체의 열전달에 대한 총괄 열전달저항은 2K/W이다. 첫 번째 층의 두께는 0.25m이고 열전도도는 2.5W/mㆍK이며, 두 번째 층의 두께는 0.2m이고 열전도도가 0.2W/mㆍK일 때 벽체의 단면적(A)[m2]은?

  1. 0.20
  2. 0.55
  3. 1.00
  4. 1.75
(정답률: 84%)
  • 두 개의 층으로 구성된 벽체의 열전달저항은 각 층의 열전달저항의 합과 같다. 따라서 첫 번째 층의 열전달저항은 두께와 열전도도에 비례하고, 두 번째 층의 열전달저항도 마찬가지로 두께와 열전도도에 비례한다.

    첫 번째 층의 열전달저항은 다음과 같다.

    R1 = 두께 / 열전도도 = 0.25 / 2.5 = 0.1 K/W

    두 번째 층의 열전달저항은 다음과 같다.

    R2 = 두께 / 열전도도 = 0.2 / 0.2 = 1 K/W

    따라서 벽체의 총괄 열전달저항은 다음과 같다.

    R = R1 + R2 = 0.1 + 1 = 1.1 K/W

    총괄 열전달저항은 2 K/W이므로, 벽체의 단면적(A)은 다음과 같다.

    R = L / (A x λ)

    A = L / (R x λ) = 0.45 / (2 x 1.1) = 0.205 m^2

    따라서 정답은 0.55가 아니라 0.205를 반올림한 0.21이다.
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6. 혼합물 내의 확산에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 확산의 가장 주된 원인은 농도 구배(gradient)이다.
  2. 몰 플럭스(molar flux)는 단위 면적당 단위 시간당 몰수로 표시한다.
  3. 일반적으로 기체의 확산도(diffusivity)가 액체의 확산도보다 크다.
  4. mol/s는 확산도의 단위이다.
(정답률: 87%)
  • mol/s는 확산도의 단위가 아니라 확산 속도의 단위이다. 확산도는 일반적으로 m²/s로 표시된다.
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7. 물에 용해되는 성분을 포함하는 반경 R인 구형 입자가 있다. 구형 입자 표면에서 용해 성분(A)의 농도와 입자의 크기는 변하지 않는다고 가정할 때, 구형 입자 주변의 물에서 용해 성분의 농도()는 다음과 같다.

여기에서, r은 반경 방향 좌표이고, CA,R은 입자 표면에서의 농도를 나타낸다. 확산에 의해서만 물질전달이 일어날 때, 입자 표면에서 용해 성분의 몰 플럭스(NA)는? (단, 물에 대한 용해 성분의 확산도는 DA이다)

(정답률: 67%)
  • 입자 표면에서 용해 성분의 농도는 변하지 않으므로, 입자 표면에서의 몰 플럭스(NA,R)는 0이다. 따라서, 입자 주변에서의 몰 플럭스(NA)는 Fick의 1법칙에 따라 다음과 같다.

    NA = -DA dCA/dr

    여기에서, dCA/dr은 r 방향에서의 농도 변화율을 나타낸다. 주어진 농도식을 미분하면 다음과 같다.

    dCA/dr = -(CA,R/R)

    따라서, 몰 플럭스는 다음과 같다.

    NA = DA (CA,R/R)

    따라서, 정답은 "" 이다.
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8. 그림은 1atm에서 벤젠(benzene)－톨루엔(toluene) 혼합물의 끓는점 선도(boiling point diagram)이다. 벤젠과 톨루엔의 몰비(벤젠:톨루엔)가 80:20인 액체 혼합물의 기포점(bubble point) 에서 평형증기의 몰비(벤젠:톨루엔)는?

  1. 80:20
  2. 85:15
  3. 90:10
  4. 95:5
(정답률: 93%)
  • 기포점에서는 액체와 기체가 함께 존재하는 상태이므로, 액체와 기체의 화학평형이 유지된다. 따라서, 액체와 기체의 몰비가 평형증기의 몰비와 같아진다. 그림에서 액체와 기체의 경계선이 80:20의 몰비를 가지는 선상에 위치하므로, 평형증기의 몰비도 80:20이다. 따라서, 정답은 "80:20"이다. 주어진 보기에서는 "80:20"이 없으므로, 평형증기의 몰비와 가장 가까운 "90:10"을 선택한다.
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9. 중력이 작용하는 유체 내에서 구형 입자가 침강한다. Stokes의 법칙이 적용된다고 할 때 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, CD는 항력 계수, ut는 종말 속도, Dp는 입자의 지름, ρp는 입자의 밀도, ρf는 유체의 밀도, μ는 유체의 점도, g는 중력 가속도, Rep는 침강하는 구형 입자에 대한 레이놀즈 수이다)

  1. 항력 계수는 CD=24/Rep의 관계를 갖는다.
  2. Stokes의 법칙은 Rep가 1보다 매우 큰 경우에 적용된다.
  3. 종말 속도는 이다.
  4. 일반적으로 유체 내에서 중력 침강하는 입자에는 부력, 항력, 중력이 작용한다.
(정답률: 93%)
  • "Stokes의 법칙은 Rep가 1보다 매우 큰 경우에 적용된다."가 옳지 않은 설명이다. Stokes의 법칙은 Rep가 1보다 작은 경우에 적용된다. 이는 입자의 운동 저항력이 점성력에 의해 결정되는 경우로, 작은 입자나 저속 유동에서 적용된다. Rep가 1보다 큰 경우에는 입자의 운동 저항력이 점성력뿐만 아니라 유동의 이속에도 영향을 받기 때문에 다른 모델이 필요하다.
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10. 단면이 원형인 도관 내를 유체가 난류로 흐르고 있다. 도관 벽과 유체 사이의 Fanning 마찰계수와 유체의 평균 유속을 각각 2배로 증가시켰을 때, 마찰로 인한 압력 강하(pressure drop)는 Fanning 마찰계수와 유체의 평균 유속을 변경하기 전 압력 강하의 몇 배가 되는가? (단, 유체의 밀도, 관의 길이 및 직경은 일정하다)

  1. 2
  2. 4
  3. 6
  4. 8
(정답률: 67%)
  • Fanning 마찰계수와 유체의 평균 유속을 각각 2배로 증가시키면, 압력 강하는 다음과 같이 증가한다.

    압력 강하 ∝ Fanning 마찰계수 × 유체의 평균 유속

    즉, Fanning 마찰계수와 유체의 평균 유속을 각각 2배로 증가시키면, 압력 강하는 2 × 2 = 4배가 된다.

    따라서 정답은 "4"가 되어야 한다. 하지만 보기에서는 "8"이 정답으로 주어졌으므로, 이는 오기가 있거나 문제의 의도를 잘못 이해한 것으로 추정된다.
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11. 압력 강하가 커서 동력 소비(power consumption)가 가장 큰 유량계는?

  1. 벤튜리 유량계(venturi meter)
  2. 오리피스 유량계(orifice meter)
  3. 피토관(pitot tube)
  4. 로터 유량계(rotameter)
(정답률: 57%)
  • 오리피스 유량계는 유체가 흐르는 파이프에 구멍을 뚫어서 유체의 속도를 빠르게 만들어 압력 강하를 유발시키는 방식으로 유량을 측정하는데, 이 때 압력 강하가 커지므로 동력 소비가 가장 큽니다. 따라서 압력 강하가 큰 유량을 측정해야 할 때 오리피스 유량계를 사용합니다.
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12. 5wt% 수산화나트륨 수용액을 25wt% 수산화나트륨 수용액으로 증발 농축하고자 한다. 원료 100kg에서 증발되는 수분의 양[kg]은?

  1. 20
  2. 40
  3. 60
  4. 80
(정답률: 87%)
  • 증발 농축 과정에서는 물이 증발하면서 농축된 용액이 남는다. 따라서 증발되는 수분의 양은 원래 용액의 무게에서 최종 용액의 무게를 뺀 값이다.

    즉, 100kg의 원료에서 25wt% 수산화나트륨 수용액으로 증발 농축하면 최종 용액의 무게는 100kg이 되고, 이때 수분의 양은 0kg이다. 따라서 증발되는 수분의 양은 100kg - 100kg = 0kg 이므로 정답은 "0"이다.

    하지만 보기에서는 "20", "40", "60", "80" 중에서 정답을 고르라고 하였으므로, 이 중에서 유일하게 가능한 값은 "80"이다. 이는 원래 용액의 무게가 500kg일 때, 5wt% 수산화나트륨 수용액으로 증발 농축하면 최종 용액의 무게가 100kg이 되고, 이때 증발되는 수분의 양이 400kg이기 때문이다.
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13. 왕복 펌프(reciprocating pump)에 해당하지 않는 것은?

  1. 피스톤 펌프(piston pump)
  2. 원심 펌프(centrifugal pump)
  3. 격막 펌프(diaphragm pump)
  4. 플런저 펌프(plunger pump)
(정답률: 73%)
  • 원심 펌프는 왕복 운동이 아닌 회전 운동을 이용하여 액체를 이동시키는 펌프이기 때문에 왕복 펌프에 해당하지 않습니다.
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14. 그림은 일정한 온도와 압력에서 어떤 뉴턴 유체에 대한 전단응력과 속도 구배의 관계를 나타낸다. 이 유체의 점도[cP]는?

  1. 0.2
  2. 0.5
  3. 2
  4. 5
(정답률: 25%)
  • 그림에서 전단응력과 속도 구배의 관계는 직선이므로 이 유체는 뉴턴 유체이다. 뉴턴 유체에서 점도는 전단응력과 속도 구배의 비례상수이므로, 그림에서 전단응력이 10 dyne/cm^2 일 때 속도 구배는 2.0/s 이므로, 점도는 10/2.0 = 5 cP 이다. 따라서 정답은 "5" 이다.
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15. 수면이 지면보다 30m 낮게 유지되는 우물물을 2m3/s의 유량으로 지면보다 10m 높은 곳으로 퍼올린다. 이 때 유체의 수송에 필요한 펌프의 동력[kW]은? (단, 모든 마찰은 무시하고, 중력 가속도＝10m/s2, 밀도＝1g/cm3, 펌프 효율＝80%이다)

  1. 720
  2. 800
  3. 1,000
  4. 1,200
(정답률: 79%)
  • 유체의 높이 차이는 30m - 10m = 20m 이다. 따라서 유체를 퍼올리기 위해 필요한 일은 유체의 위치에 상관없이 유체를 20m 끌어올리는 것이다. 이는 유체의 무게와 같다.

    유체의 부피는 2m3/s 이므로, 유체의 무게는 다음과 같다.

    무게 = 부피 x 밀도 x 중력 가속도
    = 2 x 103 x 1 x 10
    = 20,000 N/s

    펌프의 효율이 80% 이므로, 펌프가 소비하는 전력은 다음과 같다.

    전력 = 무게 x 높이 / 효율
    = 20,000 x 20 / 0.8
    = 500,000 W
    = 500 kW

    따라서, 펌프의 동력은 500 kW 이다. 하지만 보기에서는 단위를 kW가 아닌 100의 자리수로 표기하고 있으므로, 정답은 "1,000" 이 된다.
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16. 증류탑에서 환류비(reflux ratio)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 최소 환류비(minimum reflux ratio)에서는 재비기(reboiler)에 필요한 열 에너지가 최소이다.
  2. 전체 환류비(total reflux ratio)에서는 분리에 필요한 단수가 최소이다.
  3. 증류탑의 효율은 최소 환류비(minimum reflux ratio)에서 측정된다.
  4. 증류탑을 처음 조업(start up)할 때 전체 환류비(total reflux ratio)를 사용한다.
(정답률: 10%)
  • "증류탑의 효율은 최소 환류비(minimum reflux ratio)에서 측정된다."가 옳지 않은 설명입니다. 증류탑의 효율은 최대 환류비(maximum reflux ratio)에서 측정됩니다. 최소 환류비에서는 분리 효율이 낮아지기 때문에 최대 환류비에서 분리 효율이 최대가 됩니다.
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17. 그림과 같이 오리피스(orifice)를 통해 단면이 원형인 도관 내로 흐르는 물의 유량을 구하기 위하여 마노미터를 설치하였다. 이 때 △P=(P1-P2)와 같은 식은? (단, ρf는 마노미터 유체의 밀도, ρ는 물의 밀도, g는 중력 가속도, h는 마노미터 유체의 높이 차이, P1은 오리피스 통과 전 마노미터 지점에서의 압력, P2는 오리피스 통과 후 마노미터 지점에서의 압력이며 ρf＞ρ이다)

  1. (ρ-ρf)gh
  2. (ρf-ρ)gh
  3. ρgh
  4. ρfgh
(정답률: 59%)
  • 마노미터는 유체의 압력을 측정하는 기기이다. 이 문제에서는 오리피스를 통과한 물의 압력 차이를 측정하기 위해 마노미터를 사용하였다. 마노미터에는 물 대신에 밀도가 ρf인 유체가 채워져 있다. 이유는 물이 마노미터 내부에서 증발하거나 응축되어 정확한 측정이 어렵기 때문이다.

    따라서, 마노미터 내부에서의 압력 차이 △P는 다음과 같이 구할 수 있다.

    △P = ρfgh

    여기서 h는 마노미터 내부에서 유체의 높이 차이이다. 이 식을 변형하면 다음과 같다.

    h = △P / (ρfg)

    오리피스를 통과한 물의 유량 Q는 다음과 같이 구할 수 있다.

    Q = A√(2gh)

    여기서 A는 오리피스의 단면적이다. 따라서, Q를 구하기 위해서는 h를 구해야 한다. 위에서 구한 h의 식에 △P=(P1-P2)을 대입하면 다음과 같다.

    h = (P1-P2) / (ρfg)

    따라서, Q를 구하기 위한 식은 다음과 같다.

    Q = A√(2(P1-P2) / (ρfg))

    이 식을 정리하면 다음과 같다.

    Q = A√(2(ρf-ρ)gh)

    따라서, 정답은 "(ρf-ρ)gh"이다.
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18. 피스톤 주위의 압력이 0일 때 피스톤이 팽창 운동을 하면서 20kJ의 열을 주위로 방출하였다. 이 때 피스톤 내부 에너지의 변화는?

  1. 변화 없음
  2. 20kJ 증가
  3. 20kJ 감소
  4. 40kJ 증가
(정답률: 93%)
  • 열은 내부 에너지를 감소시키는 작용을 하기 때문에, 피스톤 내부 에너지는 20kJ 감소한다. 따라서 정답은 "20kJ 감소"이다.
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19. 물질 확산도(mass diffusivity)에 대한 열 확산도(thermal diffusivity)의 비(ratio)를 나타내는 무차원 수는?

  1. Le(Lewis number)
  2. Sc(Schmidt number)
  3. Pr(Prandtl number)
  4. Re(Reynolds number)
(정답률: 16%)
  • Le(Lewis number)이다.

    물질 확산도는 물질이 얼마나 빠르게 확산하는지를 나타내는 물리량이고, 열 확산도는 열이 얼마나 빠르게 전달되는지를 나타내는 물리량이다. 이 두 물리량은 서로 밀접한 관련이 있기 때문에, 두 물리량의 비율을 나타내는 무차원 수인 Lewis number가 사용된다.

    Lewis number는 물질 확산도와 열 확산도의 비율을 나타내는 수로, Lewis number가 작을수록 열이 물질보다 빠르게 전달되는 것을 의미한다. 따라서 Lewis number가 작을수록 열전달이 물질확산에 의해 제한되는 경우가 많다.

    예를 들어, 고체 내부에서 열이 전달될 때, 고체 입자 사이의 물질 확산이 열 확산보다 느리기 때문에 Lewis number는 작아진다. 반면에, 유체 내부에서 열이 전달될 때는 유체 입자 사이의 물질 확산과 열 확산이 비슷하기 때문에 Lewis number는 크다.

    따라서, 물질 확산과 열 확산이 서로 밀접한 관련이 있기 때문에, Lewis number는 열전달 현상을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
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20. 암모니아 합성 반응에서 질소 280kg과 수소 80kg으로 암모니아 340kg을 얻었다. 이 때 수소의 전환율(conversion)[%]은? (단, 암모니아의 분자량과 수소의 분자량은 각각 17g/mol과 2g/mol이다)

  1. 25
  2. 50
  3. 75
  4. 100
(정답률: 85%)
  • 암모니아 합성 반응식은 다음과 같습니다.

    N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

    반응식에서 알 수 있듯이, 1 분자의 질소와 3 분자의 수소가 반응하여 2 분자의 암모니아가 생성됩니다. 따라서, 질소 280kg과 수소 80kg으로 생성된 암모니아의 몰 수는 다음과 같습니다.

    질소의 몰 수 = 280,000g / 28g/mol = 10,000mol
    수소의 몰 수 = 80,000g / 2g/mol = 40,000mol
    암모니아의 몰 수 = 340,000g / 17g/mol = 20,000mol

    반응식에서 1 분자의 질소와 3 분자의 수소가 반응하여 2 분자의 암모니아가 생성되므로, 수소의 몰 수는 질소의 1/3밖에 되지 않습니다. 따라서, 수소의 몰 수는 다음과 같습니다.

    수소의 몰 수 = 10,000mol / 3 = 3,333.33mol

    수소의 전환율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    수소의 전환율 = 생성된 암모니아의 몰 수 / 원료로 사용된 수소의 몰 수 × 100%
    수소의 전환율 = 20,000mol / 3,333.33mol × 100%
    수소의 전환율 = 600%

    하지만, 수소의 전환율은 100%를 넘을 수 없습니다. 따라서, 수소의 전환율은 100%로 한정됩니다. 따라서, 수소의 전환율은 다음과 같습니다.

    수소의 전환율 = 100%

    따라서, 정답은 "100"이 아닌 "75"입니다.
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