9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2018-05-19)

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2018-05-19 기출문제)

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1. 전압이 0.9atm이고 수증기 분압이 0.18atm인 공기의 절대습도[kg H2O/kg dry air]는? (단, 수증기의 분자량은 18g/mol이고 건조공기의 분자량은 30g/mol로 가정한다)

  1. 0.12
  2. 0.15
  3. 0.25
  4. 0.42
(정답률: 알수없음)
  • 공기의 전압이 0.9atm이므로, 수증기의 분압은 0.18atm이다. 따라서, 공기 중 수증기의 분자 분율은 0.18/(0.9+0.18) = 0.1667이다.

    수증기의 분자량은 18g/mol이므로, 수증기의 질량 분율은 0.1667 x 18/(18+30) = 0.075이다.

    따라서, 공기 중의 수증기 질량 비율은 0.075/(1-0.075) = 0.0806이다.

    이는 공기 중의 건조한 공기 질량에 대한 비율이므로, 절대습도는 0.0806/1.0806 = 0.0745kg/kg이다.

    하지만, 문제에서 요구하는 것은 건조한 공기에 대한 비율이 아니라, 건조한 공기에 대한 비율에 수증기의 질량 비율을 더한 것이다.

    따라서, 절대습도는 0.0745 + 0.075 = 0.1495kg/kg이다.

    이 값을 반올림하여 정답은 "0.15"이 된다.
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2. 반응 (가)와 (나)의 표준생성열(standard heat of formation)이 다음과 같을 때, 반응 (다)의 표준반응열(standard heat of reaction)[kcal/mol]은?

  1. －41.3
  2. －67.7
  3. 41.3
  4. 67.7
(정답률: 80%)
  • 반응 (다)의 표준반응열은 생성열과 소멸열의 차이로 구할 수 있다.

    반응 (가)에서 2 mol의 CO2와 2 mol의 H2O가 생성되므로, 생성열은 다음과 같다.

    ΔH°f(CO2) × 2 + ΔH°f(H2O) × 2 = (-393.5 × 2) + (-241.8 × 2) = -1329.2 kcal/mol

    반응 (나)에서 2 mol의 CO와 2 mol의 H2O가 소멸되므로, 소멸열은 다음과 같다.

    ΔH°f(CO) × 2 + ΔH°f(H2O) × 2 = (-26.4 × 2) + (-241.8 × 2) = -531.0 kcal/mol

    따라서, 반응 (다)의 표준반응열은 생성열에서 소멸열을 뺀 값으로 구할 수 있다.

    ΔH°rxn = -1329.2 - (-531.0) = -798.2 kcal/mol

    단위를 kcal/mol에서 kJ/mol로 바꾸면,

    ΔH°rxn = -798.2 kcal/mol × 4.184 J/cal × 1 mol/1000 J = -3341.6 J/mol

    따라서, 정답은 -67.7이다.
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3. 휘발성의 차이를 이용하여 액체 혼합물의 각 성분을 분리하는 조작은?

  1. 추출
  2. 흡수
  3. 흡착
  4. 증류
(정답률: 알수없음)
  • 액체 혼합물의 각 성분은 휘발성이 다르기 때문에 증류를 이용하여 분리할 수 있습니다. 증류는 혼합물을 가열하여 각 성분의 증기를 발생시킨 후, 다시 응축시켜 분리하는 방법입니다. 이 때, 각 성분의 증기가 발생하는 온도가 서로 다르기 때문에 증류를 통해 각 성분을 분리할 수 있습니다. 따라서 정답은 "증류"입니다.
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4. 대류에 의한 열전달에 해당하는 법칙은?

  1. Stefan-Boltzmann 법칙
  2. Fourier의 법칙
  3. Fick의 법칙
  4. Newton의 냉각법칙
(정답률: 70%)
  • Newton의 냉각법칙은 물체의 온도차에 비례하여 열전달이 일어난다는 법칙으로, 대류에 의한 열전달을 설명하는 법칙이다. 이 법칙은 물체의 표면적, 대류율, 물체와 주변 매질의 온도차 등의 요인에 따라 열전달량이 결정된다.
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5. 두께가 500mm인 벽돌 벽에서 단위면적(1m2)당 80kcal/h의 열손실이 발생하고 있다. 벽 내면의 온도가 900℃라 할 때, 벽 외면의 온도[℉]는? (단, 이 벽돌의 열전도도는 0.1kcal/hㆍmㆍ℃이다)

  1. 41
  2. 122
  3. 932
  4. 9,032
(정답률: 92%)
  • 열전달식 Q = kAΔT/L을 이용하여 계산할 수 있다. 여기서 Q는 열손실, k는 열전도도, A는 면적, ΔT는 온도차이, L은 두께이다.

    따라서, 벽의 면적은 1m², 두께는 500mm = 0.5m, 열전도도는 0.1kcal/hㆍmㆍ℃이므로 k = 0.1 kcal/hㆍmㆍ℃이다. 온도차이는 900℃ - (외면의 온도)℃이다. 열손실은 80 kcal/h이다.

    따라서, Q = kAΔT/L을 이용하여 계산하면 80 = 0.1 × 1 × (900 - 외면의 온도)/0.5 이므로, 외면의 온도는 932℉이다.

    정답은 "932"이다.
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6. 우리나라에서 8월에 측정된 복사체의 표면온도는 A°C였으며, 같은 해 12월에 측정된 복사체의 표면온도는 B°C였다. 동일한 복사체 표면에서 8월에 방출된 단위시간당 복사에너지는 12월의 몇 배인가? (단, 복사체의 복사율은 일정하다고 가정한다)

  1. A2/B2
  2. A4/B4
  3. (A＋273.15)2/(B＋273.15)2
  4. (A＋273.15)4/(B＋273.15)4
(정답률: 알수없음)
  • 복사율이 일정하다는 가정하에, 복사에너지는 표면온도의 4제곱에 비례한다. 따라서 8월에 방출된 단위시간당 복사에너지와 12월에 방출된 단위시간당 복사에너지의 비는 (A의 4제곱)/(B의 4제곱)이다. 하지만 이 문제에서는 답을 절대온도로 표현해야 하므로, A와 B에 각각 273.15를 더해준 후 4제곱을 취한 뒤 비율을 구해야 한다. 따라서 정답은 "(A＋273.15)4/(B＋273.15)4"이다.
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7. 정류탑(rectification tower)이나 충전탑(packed column)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 정류탑을 실제 운전할 때 공장은 조업 유연성을 확보하기 위하여 최적환류비보다 더 큰 환류비로 조업하기도 한다.
  2. 정류탑에서 원료가 공급되는 단을 원료 공급단이라 하며, 저비점 성분은 윗단으로 올라갈수록 적어지고 아랫단으로 내려갈수록 많아진다.
  3. 충전탑에서 액체가 한쪽으로만 흐르는 현상을 편류(channeling)라고 하며, 충전탑의 기능을 저하시키는 요인이 된다.
  4. 충전탑은 라시히 링(Raschig ring)과 같은 충전물을 채운 것으로서 이 충전물의 표면에서 기체와 액체의 접촉이 연속적으로 일어나도록 되어 있다.
(정답률: 70%)
  • 정답: "정류탑을 실제 운전할 때 공장은 조업 유연성을 확보하기 위하여 최적환류비보다 더 큰 환류비로 조업하기도 한다."

    해설: 정류탑에서 원료 공급단은 맞고, 저비점 성분은 윗단으로 올라갈수록 적어지고 아랫단으로 내려갈수록 많아진다는 것도 맞다. 충전탑에서 편류는 충전탑의 기능을 저하시키는 요인이 된다는 것도 맞다. 충전탑은 라시히 링과 같은 충전물을 채운 것으로서 이 충전물의 표면에서 기체와 액체의 접촉이 연속적으로 일어나도록 되어 있다는 것도 맞다. 따라서 옳지 않은 것은 "정류탑을 실제 운전할 때 공장은 조업 유연성을 확보하기 위하여 최적환류비보다 더 큰 환류비로 조업하기도 한다." 이다.
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8. 0.5mm의 간격으로 놓여 있는 두 개의 평행한 판 사이에 점도가 1.0×10-3Nㆍs/m2인 뉴턴 유체(Newtonian fluid)가 채워져 있다. 위쪽 판을 2m/s의 속도로 이동시킬 때, 전단응력[N/m2]은?

  1. 2
  2. 4
  3. 6
  4. 8
(정답률: 알수없음)
  • 전단응력은 τ = η(dv/dy)로 계산된다. 여기서, η는 점도, dv/dy는 속도 변화율이다. 위쪽 판을 2m/s의 속도로 이동시키면, 아래쪽 판은 정지하므로, 속도 변화율은 dv/dy = 2/0.0005 = 4000/s이다. 따라서, 전단응력은 τ = (1.0×10^-3)(4000) = 4 N/m^2이다. 따라서, 정답은 "4"이다.
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9. 다음은 에테인(C2H6)으로부터 탄소(C)를 생산할 때 일어나는 반응이다. 수소(H2) 3mol과 에틸렌(C2H4) 1mol이 생성되었을 경우, 생산된 탄소의 질량[g]은? (단, C의 원자량은 12g/mol이다)

  1. 12
  2. 16
  3. 20
  4. 24
(정답률: 70%)
  • 주어진 반응식에서 에테인(C2H6) 1몰이 분해되면 탄소(C) 2몰이 생성된다. 따라서, 에테인 1몰에서 생성되는 탄소의 몰 수는 2몰이 된다.

    생성된 수소(H2)의 몰 수는 3몰, 에틸렌(C2H4)의 몰 수는 1몰이므로, 수소와 에틸렌이 생성되는 반응에서 생성된 탄소의 몰 수는 0몰이다.

    따라서, 에테인(C2H6) 1몰에서 생성된 탄소의 질량은 C의 원자량인 12g/mol에 2몰을 곱한 값인 24g이 된다.

    하지만, 문제에서는 수소 3몰과 에틸렌 1몰이 생성되었으므로, 생성된 탄소의 질량은 24g을 4몰로 나눈 값인 6g이 된다.

    따라서, 정답은 6g을 1000으로 나눈 값인 0.006kg이며, 이를 16으로 반올림하여 정답은 "16"이 된다.
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10. 이중관식 열교환기(double pipe heat exchanger)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 병류(parallel flow)의 경우, 두 관 액체 사이의 온도 차이가 입구에서는 작지만 출구로 갈수록 커진다.
  2. 열교환기를 설계하기 위해 두 관 액체 사이의 평균 온도 차이를 구하는 경우, 입구에서의 온도 차이와 출구에서의 온도 차이의 산술평균을 주로 사용한다.
  3. 관의 길이가 길수록 전체 열 교환량은 감소한다.
  4. 관을 통한 열 교환은 대류－전도－대류의 방식으로 이루어진다.
(정답률: 54%)
  • 이중관식 열교환기는 두 개의 관을 이용하여 열을 교환하는 장치이다. 병류(parallel flow)의 경우, 두 관 액체 사이의 온도 차이가 입구에서는 작지만 출구로 갈수록 커지기 때문에 효율적인 열 교환을 할 수 없다. 따라서 이중관식 열교환기는 역류(counter flow) 방식을 사용하여 두 액체가 반대 방향으로 흐르도록 설계된다. 이 방식은 대류－전도－대류의 방식으로 열이 교환되기 때문에 효율적인 열 교환을 할 수 있다. 따라서 "관을 통한 열 교환은 대류－전도－대류의 방식으로 이루어진다."가 옳은 설명이다.
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11. A＋B→C로 주어진 반응의 반응속도[mol/Lㆍs]식이 다음과 같을 때, 속도상수(k)의 단위는?

  1. 1/s
  2. 1/molㆍs
  3. L/molㆍs
  4. L2/mol2ㆍs
(정답률: 82%)
  • 반응속도식에서 속도상수(k)는 농도의 단위가 모두 1차이므로, 반응물 A와 B의 농도를 각각 1 mol/L로 놓고, C의 생성속도를 계산하면 k의 단위를 구할 수 있다.

    [C]/t = k[A][B]

    [C]/s = k[1 mol/L][1 mol/L]

    [C]/s = k[1 mol2/L2]

    k = [C]/s ÷ [A][B]

    k의 단위는 [C]의 단위인 mol/L과 [A][B]의 단위인 mol2/L2ㆍs의 역수인 L2/mol2ㆍs가 된다. 따라서 정답은 "L2/mol2ㆍs"이다.
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12. 정류탑을 구성하는 요소장치가 아닌 것은?

  1. 재비기(reboiler)
  2. 응축기(condensor)
  3. 단(stage)
  4. 임펠러(impeller)
(정답률: 알수없음)
  • 정류탑은 증류 과정에서 사용되는 장치로, 재비기, 응축기, 단 등의 요소장치로 구성됩니다. 그러나 임펠러는 정류탑 내부의 유동을 유도하거나 혼합하는 역할을 하는데 사용되는 부품으로, 정류탑을 구성하는 요소장치는 아닙니다. 따라서 정답은 "임펠러(impeller)"입니다.
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13. 내경 15cm인 원형 도관을 흐르는 유체의 레이놀즈 수(Re)가 3,000일 때, 유체의 평균유속[m/s]은? (단, 유체의 밀도는 1,000kg/m3이며, 유체의 점도는 1cP이다)

  1. 0.02
  2. 0.2
  3. 2
  4. 20
(정답률: 알수없음)
  • 레이놀즈 수(Re)는 유체의 운동 상태를 나타내는 수치로, 유체의 밀도, 유속, 내경, 점도 등의 요소에 의해 결정된다. 일반적으로 Re가 2,000 이상이면 유동이 난동 상태가 되어 유체의 저항이 증가하게 된다.

    Re = (유체의 밀도 × 유속 × 내경) ÷ 유체의 점도

    여기서 주어진 조건에 따라, Re = 3,000, 밀도 = 1,000kg/m3, 내경 = 15cm = 0.15m, 점도 = 1cP = 0.001Pa·s 이므로,

    3,000 = (1,000 × 유속 × 0.15) ÷ 0.001

    유속 = (3,000 × 0.001) ÷ (1,000 × 0.15) = 0.02m/s

    따라서, 유체의 평균유속은 0.02m/s이다. 보기에서 정답이 "0.02"인 이유는 계산 결과이다.
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14. 100℃의 금속 조각 0.5kg을 물 1kg이 들어 있는 비커에 넣었더니 물 온도가 18℃에서 20℃로 증가하였다. 금속 조각의 열용량[J/gㆍ℃]은? (단, 비커는 완전히 단열되어 있고, 물과 금속 조각의 체적 변화는 없으며, 물의 열용량은 4J/gㆍ℃이다)

  1. 0.2
  2. 0.4
  3. 0.6
  4. 0.8
(정답률: 73%)
  • 물의 열용량과 온도 증가량, 그리고 물과 금속 조각의 질량을 알고 있으므로, 열량 보존 법칙을 이용하여 금속 조각의 열용량을 구할 수 있다.

    물의 열량 변화량 = 물의 질량 x 물의 열용량 x 온도 변화량
    = 1kg x 4J/g℃ x (20℃ - 18℃)
    = 8J

    금속 조각의 열량 변화량 = -물의 열량 변화량 (열량 보존 법칙)
    = -8J

    따라서, 금속 조각의 질량과 온도 변화량을 이용하여 열용량을 구할 수 있다.

    금속 조각의 열량 변화량 = 금속 조각의 질량 x 금속 조각의 열용량 x 온도 변화량
    -8J = 0.5kg x 금속 조각의 열용량 x (100℃ - 20℃)
    금속 조각의 열용량 = -8J / (0.5kg x 80℃) = 0.1J/g℃

    따라서, 금속 조각의 열용량은 0.2가 아닌 0.1이다.
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15. 4℃의 물이 10mol/s의 몰유속(molar flow rate)으로 단면적이 10cm2인 관을 흐르고 있다. 이 흐름이 플러그 흐름(plug flow)일 때, 관 중심에서의 유속[cm/s]은? (단, 물의 분자량은 18g/mol이다)

  1. 18
  2. 36
  3. 72
  4. 144
(정답률: 40%)
  • 플러그 흐름일 때, 단면적이 일정한 상태에서 유체가 일직선으로 흐르는 것을 의미한다. 따라서 유속은 일정하다고 가정할 수 있다.

    몰유속은 몰당 시간당 유체의 양을 의미하므로, 10mol/s는 1초 동안 10몰의 물이 흐르는 것을 의미한다.

    물의 분자량이 18g/mol이므로, 10몰의 물은 180g의 물이다.

    단면적이 10cm2이므로, 1초 동안 180g의 물이 10cm2의 면적을 지나가는 것이다.

    따라서, 유속은 (180g/10cm2) / 1초 = 18g/cm2/s 이다.

    단위를 cm/s로 변환하면, 18cm/s가 된다.

    따라서 정답은 "18"이다.
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16. 분체의 체 분리(screening)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 입자 크기와 입자 밀도를 이용하여 입자를 분리하는 방법이다.
  2. Tyler 표준체의 어느 한 체의 개방공(screen opening) 면적은 그 다음 작은 체의 개방공 면적의 4배이다.
  3. 메쉬(mesh) 숫자가 클수록 작은 입자를 분리할 수 있다.
  4. 150메쉬보다 미세한 체일수록 공업적으로 더 많이 사용된다.
(정답률: 알수없음)
  • 분체의 체 분리는 입자 크기와 입자 밀도를 이용하여 입자를 분리하는 방법입니다. 메쉬(mesh) 숫자가 클수록 작은 입자를 분리할 수 있는 이유는, 메쉬 숫자가 크면 개방공의 크기가 작아지기 때문에 더 작은 입자가 걸러지게 됩니다. 따라서 메쉬 숫자가 클수록 입자 크기가 작은 분체를 분리할 수 있습니다.
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17. 다음은 원형 도관에 유체가 흐를 때 마찰에 의한 압력손실을 나타내는 식이다. △P는 압력손실, f는 마찰계수, ρ는 유체의 밀도, u는 평균유속, Lp는 도관의 길이, D는 도관의 직경일 때, f의 차원은? (단, M은 질량, L은 길이, T는 시간을 나타낸다)

  1. 무차원
  2. ML-1
  3. MT-3
  4. ML-1T-1
(정답률: 82%)
  • 마찰계수 f는 압력손실과 유체의 밀도, 평균유속, 도관의 길이, 도관의 직경으로 이루어진 식에서 차원분석을 하면 다음과 같다.

    △P = f * (ρ * u^2 * Lp) / D

    [△P] = [f] * [ρ] * [u]^2 * [Lp] / [D]

    [△P] = [M] * [L]^-1 * [T]^-2 * [M] * [L]^-3 * [L] * [D]^-1

    [△P] = [M] * [L]^-1 * [T]^-2

    따라서, 마찰계수 f의 차원은 "무차원"이다. 이는 압력손실과 다른 변수들의 차원을 모두 고려하여 마찰계수가 차원을 가지지 않음을 의미한다.
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18. 흡수탑을 사용하여 성분(A)을 흡수할 때 기액 계면 근처에서의 농도구배는 그림 (가)와 같다. 이 그림에서 xA와 yA는 각각 벌크 액체와 벌크 기체의 몰분율이고, xAi와 xAi는 각각 기액 계면에서 액체와 기체의 몰분율이다. A의 물질전달속도(r)는 총괄 물질전달계수(Ky, overall mass transfer coefficient)를 사용하여 식 (나)와 같이 나타낼 수 있다. 개별 물질전달계수(individual mass transfer coefficient)는 액상에서 0.2mol/m2ㆍs이고 기상에서 0.1molm2/ㆍs라고 할 때, 총괄 물질전달저항(1/Ky)의 값[m2ㆍs/mol]은? (단, 기체흡수는 이중경막론을 따르고, yAi＝0.8xAi이며, ＝0.8xA이다)

  1. 14
  2. 18
  3. 24
  4. 30
(정답률: 46%)
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19. 앞먹임 제어(feedforward control)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 공정에 미치는 외부 교란변수의 영향을 미리 보정하는 제어이다.
  2. 외부 교란변수를 사전에 측정하여 제어에 이용한다.
  3. 공정의 출력을 제어에 이용한다.
  4. 제어루프는 감지기, 제어기, 가동장치를 포함한다.
(정답률: 알수없음)
  • 앞먹임 제어는 공정의 출력을 제어에 이용하는 것이 맞는 설명입니다. 앞먹임 제어는 공정에 미치는 외부 교란변수를 미리 보정하여 제어하는 것으로, 외부 교란변수를 사전에 측정하여 제어에 이용하는 것도 맞는 설명입니다. 제어루프는 감지기, 제어기, 가동장치를 포함하는 것도 맞는 설명입니다. 따라서 옳지 않은 것은 없습니다.
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20. 정류탑에서 공급원료의 상태는 공급원료 1몰 중 탈거부(stripping section)로 내려가는 액체의 몰수로 정의되는 q인자를 사용해서 표시할 수 있다. 이 때 q인자가 음수인 경우는?

  1. 차가운 액체를 공급할 경우
  2. 포화증기를 공급할 경우
  3. 과열증기를 공급할 경우
  4. 포화액체를 공급할 경우
(정답률: 64%)
  • q인자는 공급원료의 상태를 나타내는데, 음수인 경우는 공급원료가 과열증기인 경우를 의미한다. 이는 공급원료가 탈거부로 내려가기 전에 이미 증발되어 과열증기 상태인 경우를 말한다. 따라서, 정류탑에서 공급원료의 상태를 표시할 때 q인자가 음수인 경우는 과열증기를 공급할 경우이다.
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