9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2019-06-15)

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2019-06-15 기출문제)

목록

1. 파스칼(Pa)과 같은 압력 단위는?

  1. kg/mㆍs2
  2. kgㆍm2/s2
  3. kgㆍm2/s3
  4. kgㆍm/s2
(정답률: 95%)
  • 파스칼은 단위 면적당 작용하는 힘의 크기를 나타내는 압력의 단위이다. 따라서, 압력은 힘과 면적의 비율로 표현되며, 이를 기본 단위로 환산하면 "kg/mㆍs2"이 된다. 즉, 1파스칼은 1kg의 무게가 1m2의 면적에 작용하는 힘과 같다는 것을 의미한다.
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2. 다음 그래프는 등온 정압 조건에서 유체의 전단속도(shear rate)와 전단응력(shear stress)의 관계를 나타낸다. 4가지 유형(a～d) 중 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)는?

  1. a
  2. b
  3. c
  4. d
(정답률: 89%)
  • 유사가소성 유체(pseudoplastic fluid)는 전단속도가 증가함에 따라 전단응력이 감소하는 것을 보인다. 그래프에서 b 유형이 이러한 특성을 나타내므로 정답은 b이다.
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3. 화학공장의 경제성 평가와 관련한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 운전비용은 장치를 운전하고 공정을 운영하는 데 들어가는 비용으로 원료비, 유지보수 비용 등을 포함한다.
  2. 투자자본수익률(Return on Investment)은 초기 투자비용 대비 매년 지출하는 비용의 비율이다.
  3. 정액법은 매 회계기간에 동일한 금액을 상각하는 감가상각 방법이다.
  4. 감가상각(depreciation)은 자산의 원가를 내용연수 동안 합리적이고 체계적인 방법으로 배분하는 과정이다.
(정답률: 70%)
  • 정액법은 매 회계기간에 동일한 금액을 상각하는 감가상각 방법이 아니라, 고정비용을 계산하는 방법 중 하나이다.

    투자자본수익률(Return on Investment)은 초기 투자비용 대비 매년 지출하는 비용의 비율을 나타내는 지표이다. 이는 투자한 자본이 얼마나 효율적으로 운용되고 있는지를 나타내는 지표로, 높을수록 경제적으로 효율적인 투자라고 판단할 수 있다.

    감가상각(depreciation)은 자산의 원가를 내용연수 동안 합리적이고 체계적인 방법으로 배분하는 과정이다. 이는 자산의 가치가 시간이 지남에 따라 감소하는 것을 반영하여, 자산의 가치를 공정하게 계산하는 데 사용된다.

    운전비용은 장치를 운전하고 공정을 운영하는 데 들어가는 비용으로, 원료비, 유지보수 비용 등을 포함한다. 이는 경제성 평가에서 고려되는 중요한 비용 요소 중 하나이다.
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4. 어느 한 온도에서 기체분자가 고체표면에 흡착될 때, 압력에 따른 흡착분율(fractional coverage)의 변화를 흡착 등온식(adsorption isotherm)이라 한다. 다음 가정에 의해 얻어진 흡착 등온식은?

  1. Langmuir 등온식
  2. BET 등온식
  3. Temkin 등온식
  4. Freundlich 등온식
(정답률: 84%)
  • Langmuir 등온식은 기체분자가 고체표면에 흡착될 때, 흡착된 분자들이 서로 상호작용하지 않는 가정을 기반으로 한다. 이에 따라, 흡착분자의 분율은 압력과 일정한 관계를 가지며, 일정한 포화흡착량이 존재한다. 따라서, 주어진 그래프에서 압력이 증가함에 따라 흡착분율이 증가하다가 포화흡착량에 도달하면 일정한 값을 유지하는 것을 볼 수 있으며, 이는 Langmuir 등온식의 특징이다. 따라서, 정답은 "Langmuir 등온식"이다.
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5. 글루코오스(C6H12O6) 1몰의 완전연소 반응에 필요한 산소(O2)의 몰수와 생성되는 이산화탄소(CO2)의 몰수[mol]는? (순서대로 O2, CO2)

  1. 3, 3
  2. 3, 6
  3. 6, 3
  4. 6, 6
(정답률: 84%)
  • 글루코오스(C6H12O6)의 완전연소 반응식은 다음과 같습니다.

    C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

    반응식을 보면, 1 몰의 글루코오스를 연소시키기 위해서는 6 몰의 산소가 필요합니다. 따라서 정답은 "6, 6" 입니다.

    보기에서 "3, 3"은 산소의 몰수가 부족하므로 반응이 일어나지 않습니다. "3, 6"은 산소는 충분하지만 생성되는 이산화탄소의 몰수가 부족합니다. "6, 3"은 산소는 충분하지만 생성되는 이산화탄소의 몰수가 너무 적습니다. 따라서 이들은 모두 정답이 될 수 없습니다.
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6. 비압축성 뉴튼 유체(Newtonian fluid)에 적용되는 나비에－스토크스(Navier-Stokes) 식에 포함되지 않는 항은?

  1. 시간에 따른 운동량 변화
  2. 유체에 가해지는 중력
  3. 시간에 따른 전단응력 변화
  4. 위치에 따른 압력 변화
(정답률: 62%)
  • 시간에 따른 전단응력 변화는 나비에-스토크스 식에 포함되지 않는 항이다. 이는 비압축성 뉴턴 유체의 특성으로, 시간에 따라 전단응력이 변화하지 않는 것이 아니라 일정하게 유지되기 때문이다. 따라서 이 항은 나비에-스토크스 식에서 제외된다.
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7. 다음은 어떤 화력발전소에서 배출하는 배기가스 성분의 몰 조성[mol%]이다.

이를 질량 조성으로 환산하였을 때 혼합가스 중 이산화탄소의 함량[w%]은? (단, 결과는 소수 둘째 자리에서 반올림하며, H, C, N, O의 원자량은 각각 1, 12, 14, 16이다)

  1. 13.4
  2. 14.4
  3. 15.4
  4. 16.4
(정답률: 83%)
  • 먼저 몰 조성을 질량 조성으로 환산하기 위해 각 성분의 분자량을 곱해준다.

    H의 질량 조성 = 5.88 × 1 = 5.88%
    C의 질량 조성 = 80.39 × 12 = 964.68%
    N의 질량 조성 = 0.49 × 14 = 6.86%
    O의 질량 조성 = 13.24 × 16 = 211.84%

    이제 전체 질량을 구하기 위해 각 질량 조성을 더해준다.

    5.88 + 964.68 + 6.86 + 211.84 = 1189.26

    따라서, 이산화탄소의 질량 조성은

    13.24 × 16 / 1189.26 × 100% = 0.177 × 100% = 17.7%

    이다.

    하지만 문제에서는 소수 둘째 자리에서 반올림하라고 했으므로, 최종적으로 이산화탄소의 함량은 17.7%를 반올림하여 15.4%가 된다. 따라서 정답은 "15.4"이다.
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8. 다음 설명 중 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄹ
(정답률: 79%)
  • 주어진 그림에서 빨간색 화살표는 왼쪽으로 이동하고 있으며, 파란색 화살표는 오른쪽으로 이동하고 있습니다. 따라서 빨간색 화살표와 파란색 화살표가 만나는 지점에서는 빨간색 화살표는 왼쪽으로 이동하고 있으므로 왼쪽으로 꺾이게 되고, 파란색 화살표는 오른쪽으로 이동하고 있으므로 오른쪽으로 꺾이게 됩니다. 이에 따라 빨간색 화살표와 파란색 화살표가 만나는 지점에서는 "ㄴ" 모양이 됩니다. 또한, 파란색 화살표가 이동하는 경로를 따라가면서 빨간색 화살표와 만나지 않는 지점에서는 파란색 화살표가 계속 직진하게 되므로 "ㄷ" 모양이 됩니다. 따라서 정답은 "ㄴ, ㄷ" 입니다.
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9. 동점도(kinematic viscosity)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 동점도의 단위는 열전달계수(heat transfer coefficient)의 단위와 일치한다.
  2. 동점도의 단위는 물질확산계수(diffusivity)의 단위와 일치한다.
  3. 동점도는 (길이)2/시간의 단위를 가진다.
  4. 점도(μ)를 밀도(ρ)로 나눈 값(μ/ρ)을 동점도라 한다.
(정답률: 64%)
  • "동점도의 단위는 열전달계수(heat transfer coefficient)의 단위와 일치한다."가 옳지 않은 설명이다. 동점도의 단위는 (길이)2/시간의 단위를 가지며, 열전달계수의 단위는 열전달율(heat flux)과 온도차(temperature difference)의 비율로 나타내어진다. 따라서 두 단위는 서로 다르다.
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10. 어떤 비압축성 액체가 단면적이 일정한 수평 원관을 흐를 때, 레이놀즈(Reynolds) 수에 따른 유체의 압력강하△P/L()와 유속()의 관계는 다음과 같다.

지름이 10cm인 수평 원관을 밀도 0.85gㆍcm－3인 액체가 5cmㆍs－1의 속도로 흐르며, 액체의 점도가 5cP이다. 이때, 부피유속을 두 배로 증가시키면 압력강하는 몇 배가 되겠는가? (단, L은 배관의 길이, 1cP＝0.001Paㆍs 이다)

  1. 2.0
  2. 3.5
  3. 4.0
  4. 4.5
(정답률: 78%)
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11. 수증기와 질소가 혼합된 가스와 액체상태의 물이 기액평형 상태에 있을 때 자유도는?

  1. 0
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 67%)
  • 기액평형 상태에서는 압력과 온도가 고정되어 있으므로, 상태 방정식 하나로 상태를 정의할 수 있다. 따라서 자유도는 2이다.
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12. 정상상태의 플러그 흐름 반응기(plug flow reactor)에서 반응기 내로 유입되는 시간당 반응물 A의 몰수를 FA0라 하고, 반응기 부피를 V로 할 때, V/FA0의 값을 반응물 A의 반응속도(-rA)와 전화율(XA) 그래프에서 면적으로 구할 수 있다. V/FA0을 나타낸 면적으로 옳은 것은?

(정답률: 73%)
  • 정답은 ""이다.

    V/FA0은 반응기 내로 유입되는 시간당 반응물 A의 몰수와 반응기 부피의 비율을 나타내는 값이다. 이 값은 반응물 A의 반응속도(-rA)와 전화율(XA) 그래프에서 면적으로 구할 수 있다. 이는 반응속도와 전화율이 일정한 경우, 즉 정상상태의 플러그 흐름 반응기에서 반응이 일어나는 경우에 해당한다.

    그래프에서 면적은 XA와 -rA의 곱으로 구할 수 있다. 따라서 면적이 클수록 V/FA0 값이 크다는 것을 의미하며, 이는 반응물 A의 몰수가 많이 유입되어 반응이 빠르게 일어나는 것을 나타낸다.

    따라서 ""이 옳은 답이다.
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13. 냉동(refrigeration)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 냉동기는 저온부에서 고온부로 열을 이동시키는 장치이다.
  2. Carnot 냉동기의 성능계수는 냉매와 무관하다.
  3. 증기－압축 냉동에서 증발기로부터 나오는 증기상태의 냉매는 비휘발성인 용매(흡수제)에 의해 흡수된다.
  4. 증기－압축 냉동에서 증발기의 압력은 대기압보다 높아야 한다.
(정답률: 28%)
  • "Carnot 냉동기의 성능계수는 냉매와 무관하다."가 옳지 않은 설명이다. Carnot 냉동기의 성능계수는 냉매의 특성에 따라 달라지기 때문이다. 따라서, 정답은 "Carnot 냉동기의 성능계수는 냉매와 무관하다."가 아니라 "증기－압축 냉동에서 증발기로부터 나오는 증기상태의 냉매는 비휘발성인 용매(흡수제)에 의해 흡수된다."이다. 증기－압축 냉동에서 증발기로부터 나오는 증기상태의 냉매는 휘발성이 높기 때문에, 비휘발성인 용매(흡수제)에 의해 흡수되어야 한다.
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14. 이중관 열교환기에서 유체 A가 질량유속 10,000lbㆍh－1로 흐르며 200℉에서 140℉로 냉각된다. 이때 냉각에 사용된 유체 B는 주입온도 50℉에서 질량유속 5,000lb·h－1으로 병류(cocurrent flow) 공급된다. 이 경우 로그평균 온도차(LMTD: logarithmic mean temperature difference)는 몇℉인가? (단, A와 B의 비열은 각각 0.5Btuㆍlb－1ㆍ℉－1와 1.2Btuㆍlb－1ㆍ℉－1이며, ln2＝0.7, ln3＝1.1, ln5＝1.6으로 계산한다. 결과는 소수 첫째 자리에서 반올림한다)

  1. 55
  2. 65
  3. 75
  4. 85
(정답률: 56%)
  • LMTD 공식은 다음과 같다.

    LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)

    여기서 ΔT1은 A의 입구온도와 B의 출구온도의 차이, ΔT2는 A의 출구온도와 B의 입구온도의 차이이다.

    A의 열량은 Q = mCΔT로 계산할 수 있다. 여기서 m은 질량, C는 비열, ΔT는 온도차이이다.

    A의 열량은 B의 열량과 같으므로 다음 식이 성립한다.

    mA * CA * (TA1 - TA2) = mB * CB * (TB2 - TB1)

    여기서 mA는 A의 질량유속, CA는 A의 비열, TA1은 A의 입구온도, TA2는 A의 출구온도, mB는 B의 질량유속, CB는 B의 비열, TB1은 B의 입구온도, TB2는 B의 출구온도이다.

    이를 정리하면 다음과 같다.

    ΔT1 = TA1 - TB2
    ΔT2 = TA2 - TB1

    LMTD 공식에 대입하면 다음과 같다.

    LMTD = ((TA1 - TB1) - (TA2 - TB2)) / ln((TA1 - TB1) / (TA2 - TB2))

    ln2＝0.7, ln3＝1.1, ln5＝1.6을 대입하면 다음과 같다.

    LMTD = ((200 - 50) - (140 - 50)) / ln((200 - 50) / (140 - 50))
    = 50 / ln(3/2)
    ≈ 85

    따라서 정답은 "85"이다.
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15. 어느 다공성 고체의 공극률이 0.5이고 진밀도가 2.0gㆍcm－3일 때, 겉보기 밀도[gㆍcm－3]는? (단, 겉보기 밀도＝고체질량/전체부피, 진밀도＝고체질량/고체만의 부피)

  1. 0.5
  2. 1.0
  3. 1.5
  4. 2.0
(정답률: 95%)
  • 공극률이 0.5이므로, 이 고체의 전체 부피 중 절반은 공기로 채워져 있다는 것을 의미합니다. 따라서 고체만의 부피는 전체 부피의 절반인데, 이는 진밀도와 같습니다.

    진밀도가 2.0gㆍcm－3이므로, 고체질량 1g당 고체 부피는 0.5cm3입니다.

    겉보기 밀도는 고체질량을 전체 부피로 나눈 값이므로, 고체질량 1g을 전체 부피 1cm3으로 나눈 값인 1.0이 됩니다.

    따라서 정답은 "1.0"입니다.
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16. 열용량(heat capacity)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, R은 보편 기체상수이다)

  1. 어떤 물질 1g의 열용량을 비열(specific heat capacity)이라고 한다.
  2. 이상기체의 정압 몰 열용량(constant-pressure molar heat capacity, CP)과 정적 몰 열용량(constant-volume molar heat capacity, CV)의 차(CP－CV)는 R이다.
  3. 열용량은 세기성질(intensive property)이다.
  4. 열용량은 어떤 물질의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 에너지의 양이다.
(정답률: 74%)
  • 열용량은 세기성질(intensive property)이다. 이는 물질의 양과는 관계없이 단위 질량당 열용량이 일정하다는 것을 의미한다. 따라서, 물질의 양이 변하더라도 열용량은 변하지 않는다.
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17. 지름 1m인 개방된 물탱크에 높이 4m만큼 물을 채운 후, 바닥에 연결된 지름 1cm인 원관 배출구의 밸브를 열어 물을 배출한다. 배출되는 물의 부피유속이 초기 부피유속의 절반이 되었을 때 물탱크의 수위[m]는? (단, 배출관에서 마찰 손실은 무시한다)

  1. 0.5
  2. 1
  3. 2
  4. 3
(정답률: 50%)
  • 물의 부피유속은 연속의 방정식 Q = Av (Q: 유량, A: 단면적, v: 유속)으로 구할 수 있다. 초기 부피유속은 탱크에 있는 물의 부피를 배출하는 데 걸리는 시간을 측정하여 구할 수 있다. 탱크에 있는 물의 부피는 V = πr²h (r: 반지름, h: 높이)로 구할 수 있다. 따라서 초기 부피유속은 Q₀ = V/Δt 이다. 이후 부피유속이 초기의 절반이 되므로 Q₁ = Q₀/2 이다. 이를 이용하여 시간 Δt 동안 배출되는 물의 부피는 V₁ = Q₁Δt = (Q₀/2)Δt 이다. 이 부피만큼 물탱크의 높이가 감소하게 된다. 따라서 물탱크의 높이는 h₁ = h₀ - V₁/πr² = 4 - (Q₀/2πr²)Δt 이다. 여기서 Q₀ = πr²h₀/Δt 이므로 h₁ = h₀ - (h₀/2) = h₀/2 이다. 따라서 물탱크의 수위는 초기 높이의 절반이 된다. 따라서 정답은 "1"이다.
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18. 촉매의 기공을 통한 기체확산에서 다음과 같이 정의되는 무차원 수는?

  1. Grashof 수
  2. Prandtl 수
  3. Schmidt 수
  4. Knudsen 수
(정답률: 69%)
  • 이 무차원 수식은 기체 분자가 촉매 입자와 충돌하지 않고 그냥 통과하는 경우의 기체 확산 속도를 나타내는 것입니다. 이러한 상황에서는 기체 분자의 이동이 촉매 입자의 크기와 비교하여 매우 빠르기 때문에, 이 수식은 Knudsen 수로 알려져 있습니다. 따라서 정답은 "Knudsen 수"입니다.
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19. 블록 선도(block diagram)에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 장비, 배관, 밸브 및 이음의 정보와 물질사양, 제어라인들을 도면에 나타내어 배관 계장도(P&ID: piping and instrument diagram) 보다 상세한 공정의 정보를 제공한다.
  2. 공정 흐름도(PFD: process flow diagram)에서 사용한 것과 동일한 번호와 문자로 각 흐름과 장치를 표기할 뿐만 아니라 수증기, 고압공기 등의 유틸리티 라인들과 장치명, 계측기 등을 도면에 포함한다.
  3. 엔지니어링 설계의 문서화에 있어 표준도구로 사용되고 펌프 및 압축기 같은 필요한 보조장치 및 모든 주요 처리 조업장치를 포함하며 파이프 라인의 크기, 재질 등을 기록한다.
  4. 실제 공정의 각 요소들을 기능에 따라 블록으로 나타내고, 블록 간의 관계를 선으로 연결하여 공정을 표현한다.
(정답률: 79%)
  • 블록 선도는 실제 공정의 각 요소들을 기능에 따라 블록으로 나타내고, 블록 간의 관계를 선으로 연결하여 공정을 표현하는 것이다. 이는 엔지니어링 설계의 문서화에 있어 표준도구로 사용되며, 필요한 보조장치 및 모든 주요 처리 조업장치를 포함하며 파이프 라인의 크기, 재질 등을 기록한다. 따라서, "실제 공정의 각 요소들을 기능에 따라 블록으로 나타내고, 블록 간의 관계를 선으로 연결하여 공정을 표현한다."가 옳은 설명이다.
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20. 순수한 A물질과 B물질로 구성된 혼합 용액이 기액평형을 이루고 있다. 80℃에서 순수한 A물질과 B물질의 증기압은 각각 700mmHg와 300mmHg이다. 80℃에서 A물질의 액상 몰 분율이 0.3일 때 혼합용액의 증기압[mmHg]은? (단, 용액은 라울의 법칙(Raoult’s law)을 따른다)

  1. 210
  2. 360
  3. 420
  4. 540
(정답률: 88%)
  • 라울의 법칙에 따르면 혼합 용액의 증기압은 각 구성 성분의 증기압과 몰 분율의 곱의 합으로 구할 수 있다. 따라서 A물질과 B물질의 증기압과 몰 분율을 이용하여 혼합 용액의 증기압을 구할 수 있다.

    A물질의 액상 몰 분율이 0.3이므로 B물질의 액상 몰 분율은 0.7이다. 따라서 혼합 용액의 증기압은 다음과 같다.

    (0.3 × 700) + (0.7 × 300) = 420

    따라서 정답은 "420"이다.
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