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

9급 지방직 공무원 화학공학일반 2017-12-16 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2017-12-16 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

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: 73%)
  • 상태 함수(State Function)는 경로에 상관없이 초기 상태와 최종 상태에 의해서만 결정되는 성질입니다. 깁스 에너지, 내부 에너지, 엔트로피, 엔탈피가 이에 해당합니다.

    오답 노트
    열량, 일: 경로에 따라 값이 변하는 경로 함수(Path Function)입니다.
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2. 고체상에서 액체상으로 물질전달이 이루어지는 단위 공정은?

  1. 증류
  2. 흡착
  3. 흡수
  4. 침출
(정답률: 69%)
  • 침출(Leaching)은 고체 속에 포함되어 있는 가용성 성분을 적절한 용매를 사용하여 액체상으로 추출해내는 물질전달 공정입니다.

    오답 노트
    증류: 기-액 평형 이용
    흡착: 기체/액체 성분이 고체 표면에 붙음
    흡수: 기체 성분이 액체 용매에 녹음
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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: 84%)
  • 레이놀즈 수($Re$)는 관성력과 점성력의 비를 나타내며, 분자에 밀도와 속도, 지름이 들어가고 분모에 점도가 위치해야 합니다. 제시된 식은 분자와 분모가 뒤바뀌어 정의되었습니다.
    $$\text{Re} = \frac{\rho v D}{\mu}$$

    오답 노트
    도관 입구 교란 제거 시 층류 유지 가능: 사실임
    2,100 미만 시 층류: 사실임
    4,000 초과 시 난류: 사실임
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4. 에너지 단위가 아닌 것은?

  1. PaㆍL
  2. Nㆍm
  3. kgㆍm/s2
  4. atmㆍm3
(정답률: 95%)
  • 에너지는 힘과 거리의 곱으로 정의됩니다. $Pa \cdot L$ (압력 $\times$ 부피)과 $N \cdot m$ (힘 $\times$ 거리), $atm \cdot m^3$ (압력 $\times$ 부피)는 모두 에너지 단위에 해당하지만, $kg \cdot m/s^2$은 힘의 단위인 뉴턴($N$)과 동일하므로 에너지 단위가 아닙니다.
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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: 71%)
  • 단열 벽체의 총괄 열전달저항은 각 층의 열저항의 합과 같습니다. 열저항 공식 $R = \frac{L}{k A}$를 이용하여 단면적 $A$를 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $$R_{total} = \frac{L_{1}}{k_{1} A} + \frac{L_{2}}{k_{2} A}$$
    ② [숫자 대입]
    $$2 = \frac{0.25}{2.5 A} + \frac{0.2}{0.2 A}$$
    ③ [최종 결과]
    $$2 = \frac{0.1 + 1}{A} \rightarrow A = \frac{1.1}{2} = 0.55$$
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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: 75%)
  • 확산도(diffusivity)의 단위는 단위 시간당 거리의 제곱인 $m^{2}/s$ 또는 $cm^{2}/s$입니다. $mol/s$는 몰 유량(molar flow rate)의 단위이므로 확산도의 단위가 될 수 없습니다.

    오답 노트
    농도 구배: 확산의 주된 원동력
    몰 플럭스: 단위 면적, 단위 시간당 이동하는 몰수
    확산도 크기: 기체 > 액체 > 고체 순으로 큼
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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: 60%)
  • Fick의 제1법칙에 따라 확산에 의한 몰 플럭스는 농도 구배에 비례합니다. 구형 좌표계에서 반경 방향의 플럭스를 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$N_{A} = -D_{A} \frac{dC_{A}}{dr}$$
    ② [숫자 대입]
    $$N_{A} = -D_{A} \frac{d}{dr} (C_{A,R} \frac{R}{r}) = -D_{A} C_{A,R} R (-\frac{1}{r^{2}})$$
    ③ [최종 결과]
    입자 표면($r=R$)에서의 플럭스는
    $$N_{A} = \frac{C_{A,R} D_{A}}{R}$$
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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: 85%)
  • 끓는점 선도에서 액체 혼합물의 조성(벤젠의 몰분율)이 0.8(80:20)일 때, 해당 지점에서 수직으로 올라가 기포점 선과 만나는 온도에서 다시 수평으로 이동하여 이슬점 선(평형증기선)과 만나는 지점의 몰분율을 읽습니다. 그래프 상에서 벤젠의 몰분율이 0.9인 지점에 해당하므로, 평형증기의 몰비는 90:10이 됩니다.
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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: 95%)
  • Stokes의 법칙은 유체 내에서 입자가 매우 느리게 이동하는 층류 상태, 즉 레이놀즈 수 $Re_{p}$가 매우 작은 경우($Re_{p} < 0.1$)에 적용되는 법칙입니다. 따라서 Stokes의 법칙은 $Re_{p}$가 1보다 매우 큰 경우에 적용된다는 설명은 옳지 않습니다.

    오답 노트
    항력 계수는 $C_{D} = 24/Re_{p}$ 관계를 가짐: Stokes 영역의 특징
    종말 속도는 $\frac{D_{p}^{2} (\rho_{p} - \rho_{f}) g}{18 \mu}$ : Stokes 법칙에 의한 종말 속도 식
    작용하는 힘: 중력, 부력, 항력이 평형을 이룰 때 종말 속도에 도달함
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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: 69%)
  • Fanning 식에 따르면 압력 강하는 마찰계수에 비례하고 평균 유속의 제곱에 비례합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta P = 4f \rho v^2 \frac{L}{D}$
    ② [숫자 대입] $\Delta P_{new} = 4(2f) \rho (2v)^2 \frac{L}{D} = 4 \times 2 \times 4 \times f \rho v^2 \frac{L}{D}$
    ③ [최종 결과] $\Delta P_{new} = 8 \Delta P$
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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: 56%)
  • 오리피스 유량계는 유로에 갑작스러운 단면 축소(오리피스 판)를 만들어 강한 와류를 발생시키므로, 벤튜리 유량계 등에 비해 압력 손실이 매우 크고 이에 따라 동력 소비가 가장 많습니다.
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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: 90%)
  • 용질(수산화나트륨)의 질량은 증발 전후에 변하지 않는다는 물질 수지 원리를 이용하여 증발량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $F \times x_F = P \times x_P$ (원료량 $\times$ 원료농도 = 제품량 $\times$ 제품농도)
    ② [숫자 대입] $100 \times 0.05 = P \times 0.25$
    ③ [최종 결과] $P = 20\text{ kg}$
    증발량은 원료량에서 제품량을 뺀 값입니다.
    $$100 - 20 = 80\text{ kg}$$
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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: 74%)
  • 왕복 펌프는 피스톤, 플런저, 격막과 같이 왕복 운동을 통해 유체를 이송하는 용적식 펌프를 말합니다.
    원심 펌프는 회전차의 원심력을 이용하여 유체를 이송하는 동역학적 펌프로, 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: 28%)
  • 뉴턴 유체에서 점도는 전단응력과 속도 구배의 비(기울기)로 정의됩니다. 주어진 그래프 에서 기울기를 구하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\mu = \frac{\tau}{du/dy}$
    ② [숫자 대입] $\mu = \frac{0.06}{12}$
    ③ [최종 결과] $\mu = 0.005\text{ Pa\cdot s} = 5\text{ cP}$
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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: 77%)
  • 펌프의 동력은 유체의 밀도, 유량, 전양정 및 효율을 고려하여 계산합니다. 수면에서 지면까지 $30\text{m}$, 지면에서 상단까지 $10\text{m}$이므로 총 양정은 $40\text{m}$입니다.
    ① [기본 공식] $P = \frac{\rho g Q h}{\eta}$
    ② [숫자 대입] $P = \frac{1000 \times 10 \times 2 \times 40}{0.8}$
    ③ [최종 결과] $P = 1000000\text{ W} = 1000\text{ kW}$
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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: 32%)
  • 증류탑의 효율은 일반적으로 특정 운전 조건에서 측정되며, 최소 환류비에서는 이론 단수가 무한대가 되어 실제적인 효율 측정이 불가능합니다.

    오답 노트
    최소 환류비에서는 재비기 열에너지가 최소가 됨: 옳은 설명
    전체 환류비에서는 분리 단수가 최소가 됨: 옳은 설명
    초기 조업 시 전체 환류비 사용: 옳은 설명
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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: 58%)
  • 마노미터의 양단 압력차는 두 지점 사이의 유체 기둥에 의한 정수압 차이로 결정됩니다. 그림과 같이 밀도가 더 큰 마노미터 유체가 아래에 위치할 때, 압력차 $\Delta P$는 두 유체의 밀도 차이에 높이와 중력 가속도를 곱한 값과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\Delta P = (\rho_f - \rho)gh$
    ② [숫자 대입] $\Delta P = (\rho_f - \rho)gh$
    ③ [최종 결과] $\Delta P = (\rho_f - \rho)gh$
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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: 95%)
  • 열역학 제1법칙에 따라 내부 에너지 변화량은 계에 들어온 열량에서 계가 외부에 한 일을 뺀 값과 같습니다. 문제에서 압력이 0이므로 팽창 운동을 해도 외부로 한 일($W$)은 0이며, 열을 방출했으므로 열량($Q$)은 음수값이 됩니다.
    ① [기본 공식] $\Delta U = Q - W$
    ② [숫자 대입] $\Delta U = -20\text{kJ} - 0$
    ③ [최종 결과] $\Delta U = -20\text{kJ}$
    따라서 내부 에너지는 20kJ 감소합니다.
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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: 18%)
  • 루이스 수($Le$)는 열 확산도($\alpha$)와 물질 확산도(${D}_{AB}$)의 비를 나타내는 무차원 수입니다.
    $$\text{Le} = \frac{\alpha}{{D}_{AB}}$$

    오답 노트
    Schmidt number: 점성 확산도와 물질 확산도의 비
    Prandtl number: 점성 확산도와 열 확산도의 비
    Reynolds number: 관성력과 점성력의 비
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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: 91%)
  • 수소의 전환율은 공급된 수소의 몰수 대비 반응에 참여한 수소의 몰수 비율로 계산합니다. 반응식 $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightarrow 2\text{NH}_3$에 따라 암모니아 $1\text{mol}$ 생성 시 수소 $1.5\text{mol}$이 소모됩니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{Conversion} = \frac{\text{Reacted } \text{H}_2}{\text{Fed } \text{H}_2} \times 100$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{Conversion} = \frac{\frac{340 \text{kg}}{17 \text{g/mol}} \times 1.5 \times 2 \text{g/mol}}{80 \text{kg}} \times 100$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{Conversion} = 75$$
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