9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2021-06-05)

9급 지방직 공무원 화학공학일반 2021-06-05 필기 기출문제 해설

이 페이지는 9급 지방직 공무원 화학공학일반 2021-06-05 기출문제를 CBT 방식으로 풀이하고 정답 및 회원들의 상세 해설을 확인할 수 있는 페이지입니다.

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2021-06-05 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 0.01440의 유효 숫자 개수는?

  1. 3개
  2. 4개
  3. 5개
  4. 6개
(정답률: 80%)
  • 유효 숫자를 결정할 때, 소수점 아래에서 처음으로 0이 아닌 숫자가 나오기 전까지의 0(앞자리 0)은 자리수를 나타낼 뿐 유효 숫자에 포함되지 않습니다.
    따라서 $0.01440$에서 앞의 $0.0$은 제외하고 $1, 4, 4, 0$의 4개가 유효 숫자가 됩니다.
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2. 다음 멱법칙(power－law)은 유체의 전단 변형률과 전단응력에 대한 관계를 기술한다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, τ는 전단응력, v는 유체의 속도, dv/dy는 전단 변형률이다)

  1. 유사가소성(pseudoplastic) 유체에 대한 n값은 1보다 크다.
  2. 팽창성(dilatant) 유체의 점도는 전단 변형률이 증가함에 따라 증가한다.
  3. 뉴튼 유체의 경우 n값은 1이다.
  4. m과 n의 값은 유체의 특성에 따라 달라진다.
(정답률: 52%)
  • 제시된 멱법칙 수식 $\tau = m | \frac{dv}{dy} |^{n-1} \frac{dv}{dy}$에서 유체의 성질은 지수 $n$에 의해 결정됩니다. 유사가소성(pseudoplastic) 유체는 전단 변형률이 증가할수록 점도가 감소하는 전단 희석 유체로, $n$값이 1보다 작아야 합니다.

    오답 노트
    팽창성(dilatant) 유체: $n > 1$이며 전단 변형률 증가 시 점도 증가
    뉴튼 유체: $n = 1$이며 점도가 일정함
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3. 흑체의 총복사방출능(emissive power)은 흑체 절대 온도의 4제곱에 비례한다는 법칙은?

  1. 뉴튼의 냉각법칙(Newton’s law of cooling)
  2. 푸리에의 법칙(Fourier’s law)
  3. 슈테판－볼츠만의 법칙(Stefan－Boltzmann’s law)
  4. 플랑크의 법칙(Planck’s law)
(정답률: 71%)
  • 흑체의 총복사방출능이 절대 온도의 4제곱에 비례한다는 법칙은 슈테판－볼츠만의 법칙(Stefan－Boltzmann’s law)입니다.
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4. 전달단위 수(number of transfer unit)가 4이고 전달단위 높이(height of transfer unit)가 2m인 충전 흡수탑의 높이[m]는?

  1. 2
  2. 6
  3. 8
  4. 16
(정답률: 66%)
  • 충전탑의 전체 높이는 전달단위 수(NTU)와 전달단위 높이(HTU)의 곱으로 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식]
    $$Z = NTU \times HTU$$
    ② [숫자 대입]
    $$Z = 4 \times 2$$
    ③ [최종 결과]
    $$Z = 8$$
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5. 창고의 단열을 위해 A층과 B층으로 이루어진 이중벽을 만들었다. A층과 B층의 열전달 저항[K⋅W-1]은 각각 RA, RB이고, 벽 내부와 외부의 온도[K]는 각각 TA, TB이며, 열은 정상상태로 x축 방향으로만 전달된다. 벽을 통한 열전달 속도[W]는? (단, TA＞TB)

(정답률: 47%)
  • 이중벽을 통한 열전달은 전기 회로의 직렬 연결과 같으므로, 전체 열전달 속도는 전체 온도 차를 각 층의 열전달 저항의 합으로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$Q = \frac{\Delta T}{R_{total}} = \frac{T_A - T_B}{R_A + R_B}$$
    ② [숫자 대입]
    $$Q = \frac{T_A - T_B}{R_A + R_B}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\frac{T_A - T_B}{R_A + R_B}$$
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6. 분쇄공정에서 고려해야 할 재료 특성 중 마모에 대한 저항의 척도는?

  1. 질김성(toughness)
  2. 응집성(cohesivity)
  3. 섬유성(fibrous nature)
  4. 경도(hardness)
(정답률: 44%)
  • 경도(hardness)는 재료의 표면이 긁힘이나 마모, 압입 등에 저항하는 능력을 나타내는 척도입니다.
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7. 불균일계 반응기에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 고정층 반응기(fixed bed reactor)에서는 고체촉매를 충진⋅고정한 층에 반응기체를 흘려 준다.
  2. 기포탑 반응기(bubble column reactor)는 탑 아래에 있는 기체 분산기를 통해 기체를 액상에 불어 넣는다.
  3. 이동층 반응기(moving bed reactor)는 고체 입자가 반응기 내를 중력이나 기계적 힘을 통해 이동하면서 반응이 진행된다.
  4. 유동층 반응기(fluidized bed reactor)는 유체의 유동을 크게 만들어 고정된 촉매와 유체 간의 강한 충돌을 유도하여 반응의 효율을 높일 수 있다.
(정답률: 36%)
  • 유동층 반응기(fluidized bed reactor)는 유체의 유속을 높여 촉매 입자가 액체나 기체 속에 떠올라 유동화된 상태에서 반응이 일어나는 장치입니다. 따라서 촉매가 고정되어 있다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    고정층 반응기: 고체 촉매를 충진하여 고정한 상태로 유체를 흘림
    기포탑 반응기: 하단 분산기를 통해 기체를 액상에 주입
    이동층 반응기: 중력이나 기계적 힘으로 고체 입자가 이동
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8. 공정 엔지니어가 공정을 한눈에 파악할 수 있도록 장비, 밸브 및 이음 등을 포함한 상세 정보, 기술적 세부 사항과 물질사양, 제어라인 등을 포함한 정보를 제공할 수 있는 것은?

  1. 블록선도(block diagram)
  2. 상평형도(phase diagram)
  3. 공정흐름도(process flow diagram)
  4. 배관계장도(piping and instrumentation diagram)
(정답률: 36%)
  • 배관계장도(piping and instrumentation diagram)는 공정의 장비, 밸브, 이음새와 같은 물리적 구성 요소뿐만 아니라 제어 라인, 기술적 세부 사항, 물질 사양 등 공정 전체를 한눈에 파악할 수 있도록 상세하게 나타낸 도면입니다.
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9. 50mol% A와 50mol% B로 구성된 원료(feed)가 과냉각된 액상으로 증류탑에 공급된다. 공급원료 1mol당 원료 공급단(feed stage)으로 유입되는 증기 흐름 중 0.5mol이 액화될 때, 원료 공급선(feed line)은?

  1. y=3x-1
  2. y=-x+1
  3. y=x-1
  4. y=-3x+1
(정답률: 27%)
  • 원료 공급선(q-line)의 기울기는 $q$ 값에 의해 결정되며, $q$는 공급원료 1mol당 액체 상태로 존재하는 몰수입니다.
    ① [기본 공식] $q = 1 + \frac{\text{액화된 증기량}}{\text{공급원료량}}$
    ② [숫자 대입] $q = 1 + \frac{0.5}{1} = 1.5$
    기울기 $\frac{q}{q-1} = \frac{1.5}{1.5-1} = 3$
    식: $y - 0.5 = 3(x - 0.5)$
    ③ [최종 결과] $y = 3x - 1$
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10. 비압축성 뉴튼 유체의 흐름을 설명하는 Navier－Stokes 식을 유도할 수 있는 법칙은?

  1. 아보가드로의 법칙
  2. 질량보존의 법칙
  3. 열역학 제2법칙
  4. 뉴튼의 운동 제2법칙
(정답률: 59%)
  • Navier-Stokes 식은 유체의 운동량을 기술하는 방정식으로, 기본적으로 질량 $\times$가속도 = 힘이라는 뉴턴의 운동 제2법칙($$F = ma$$)을 유체 역학적으로 확장하여 유도한 식입니다.
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11. 실제기체가 이상기체 상태 방정식을 근사적으로 만족시킬 수 있는 조건만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 60%)
  • 실제기체가 이상기체 상태 방정식($$PV = nRT$$)에 근사하기 위해서는 분자 간 상호작용과 분자 자체의 부피가 무시될 수 있는 조건이어야 합니다.
    분자의 크기가 작을수록, 압력이 낮을수록(분자 간 거리가 멀어짐), 온도가 높을수록(분자의 운동 에너지가 커져 상호작용 무시) 이상기체에 가까워집니다.

    오답 노트
    온도가 낮을수록: 온도가 낮아지면 분자 간 인력이 강해져 실제기체 특성이 뚜렷해집니다.
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12. 추출에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 고－액 추출은 침출(leaching)이라고도 한다.
  2. 증류에 의한 분리가 비효율적인 액체 혼합물에 대해 액－액 추출은 주요 대체공정 중 하나이다.
  3. 거의 같은 기포점을 갖는 석유제품들을 분리할 때 활용된다.
  4. 추출용매에 대해 유사한 용해도를 갖는 성분들로 구성된 액체 혼합물의 분리에 효과적이다.
(정답률: 45%)
  • 추출은 용질의 용해도 차이를 이용하여 성분을 분리하는 공정입니다. 따라서 추출용매에 대해 유사한 용해도를 갖는 성분들은 분리가 어렵기 때문에, 용해도 차이가 커야 효과적인 분리가 가능합니다.

    오답 노트
    고-액 추출: 침출(leaching)이라고 부르는 것이 맞습니다.
    액-액 추출: 증류가 어려운 혼합물의 주요 대체 공정입니다.
    석유제품 분리: 끓는점(비점)이 유사한 성분들을 분리할 때 유용합니다.
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13. 유체가 흐르는 방향과 반대 방향으로의 흐름이 발생하는 것을 방지하기 위한 밸브는?

  1. 게이트밸브
  2. 글로브밸브
  3. 체크밸브
  4. 볼밸브
(정답률: 65%)
  • 체크밸브는 유체를 한 방향으로만 흐르게 하고, 반대 방향으로의 역류를 자동으로 방지하는 기능을 가진 밸브입니다.
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14. 균일한 단열재로 만들어진 벽을 이용하여 보일러의 열손실을 20,000W⋅m-2으로 유지하고자 한다. 단열재 벽의 내부와 외부 온도가 각각 500 °C와 100 °C일 때, 단열재 벽의 두께[m]는? (단, 단열재 벽의 열전도도는 0.5W⋅m-1⋅K-1 이고, 정상상태 한 방향 열전도를 가정한다)

  1. 0.01
  2. 0.02
  3. 0.05
  4. 0.1
(정답률: 68%)
  • 푸리에의 열전도 법칙을 이용하여 주어진 열유속과 온도 차이로부터 벽의 두께를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $q = \frac{k \Delta T}{L} \rightarrow L = \frac{k \Delta T}{q}$
    ② [숫자 대입] $L = \frac{0.5 \times (500 - 100)}{20000}$
    ③ [최종 결과] $L = 0.01$
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15. 정상상태에서 분자확산을 기술하는 Fick의 제1법칙에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 55%)
  • Fick의 제1법칙은 확산 플럭스가 농도 구배에 비례하며, 확산 계수에 비례한다는 법칙입니다.
    ㄱ. 플럭스는 농도 구배에 비례하므로 옳습니다.
    ㄷ. 확산 계수가 커지면 플럭스 값이 증가하므로 옳습니다.

    오답 노트
    ㄴ. 플럭스는 확산 거리(농도 변화 거리)에 반비례합니다.
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16. 내경 40 cm인 원통형 도관 내부를 비압축성 뉴튼 유체 A가 평균 유속 20 cm⋅s-1로 흐르고 있다. 이 흐름이 층류이고 패닝(Fanning) 마찰계수가 0.2일 때, 유체 A의 동점도[cm2⋅s-1]는?

  1. 0.1
  2. 1
  3. 10
  4. 100
(정답률: 58%)
  • 층류 흐름에서 패닝 마찰계수와 레이놀즈 수의 관계식을 통해 동점도를 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $f = \frac{16}{Re} = \frac{16 \nu}{D V}$
    ② [숫자 대입] $0.2 = \frac{16 \times \nu}{40 \times 20}$
    ③ [최종 결과] $\nu = 10$
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17. 비압축성 뉴튼 유체 A가 중심 유속이 4 m⋅s-1인 정상상태의 완전발달흐름으로 단면적 1 m2인 원통형 도관 내부를 층류로 흐를 때, 유체 A의 부피 유속[m3⋅s-1]은?

  1. 0.5
  2. 2
  3. 4
  4. 6
(정답률: 36%)
  • 원통형 도관 내 층류 흐름에서 평균 유속은 중심 유속의 $1/2$배가 되는 원리를 이용합니다.
    ① [기본 공식] $Q = V_{avg} \times A = \frac{1}{2} V_{max} \times A$
    ② [숫자 대입] $Q = \frac{1}{2} \times 4 \times 1$
    ③ [최종 결과] $Q = 2$
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18. 다공성 촉매를 이용한 불균일계 촉매반응에서의 물질전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 벌크(bulk) 유체의 속도가 충분히 빠르면 벌크 유체로부터 촉매 표면으로의 외부 물질전달 단계가 반응의 속도결정단계이다.
  2. 촉매 입자의 크기가 작을수록 경계층의 두께가 줄어들어 외부 물질전달 저항이 줄어든다.
  3. 벌크 유체의 속도는 촉매 입자 내부에서의 물질 확산에 영향을 주지 않는다.
  4. 기공의 크기가 기체 분자의 평균자유경로보다 작으면 다공성 촉매 기공 내부에서의 기체 확산은 Knudsen 확산으로 설명할 수 있다.
(정답률: 24%)
  • 벌크 유체의 속도가 충분히 빠르면 외부 물질전달 저항이 매우 작아지므로, 외부 물질전달 단계가 아닌 촉매 내부 확산이나 표면 반응이 속도결정단계가 됩니다.

    오답 노트
    촉매 입자 크기: 작을수록 표면적이 넓어지고 경계층이 얇아져 외부 저항 감소
    벌크 유체 속도: 외부 물질전달에만 영향을 주며 내부 확산과는 무관함
    Knudsen 확산: 기공 크기가 평균자유경로보다 작을 때 발생하는 확산 현상
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19. 1 atm의 압력하에서 성분 A와 성분 B로 구성된 혼합물이 기－액 상평형을 이루고 있다. 액상에서 B의 몰분율이 0.2이고 기상에서 B의 부분압이 0.6 atm일 때, A에 대한 B의 상대 휘발도는? (단, 기상은 이상기체이고, 액상은 이상용액이다)

  1. 6
  2. 8
  3. 10
  4. 12
(정답률: 57%)
  • 상대 휘발도는 성분 A와 B의 휘발성 비율을 나타내며, 기상과 액상의 몰분율 및 부분압 관계를 통해 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\alpha = \frac{y_B / x_B}{y_A / x_A}$
    ② [숫자 대입] $\alpha = \frac{0.6 / 0.2}{(1 - 0.6) / (1 - 0.2)} = \frac{3}{0.4 / 0.8} = \frac{3}{0.5}$
    ③ [최종 결과] $\alpha = 6$
    따라서 A에 대한 B의 상대 휘발도는 $6$입니다.
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20. 내경 0.1 m인 원통형 도관을 이용하여 유체 A를 4 cm⋅s-1의 평균 유속으로 100m 이송할 때 발생하는 압력손실[Pa]은? (단, 유체 A의 밀도와 점도는 각각 0.8 g⋅cm-3, 0.1 Pa⋅s이고, 유체의 흐름은 Hagen－Poiseuille 식을 만족한다)

  1. 1,080
  2. 1,280
  3. 1,480
  4. 1,680
(정답률: 45%)
  • Hagen－Poiseuille 식을 이용하여 원통형 도관 내 층류 흐름에서 발생하는 압력손실을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta P = \frac{32 \mu L v}{D^2}$
    ② [숫자 대입] $\Delta P = \frac{32 \times 0.1 \times 100 \times 0.04}{0.1^2}$
    ③ [최종 결과] $\Delta P = 1280$
    따라서 압력손실은 $1280\text{ Pa}$입니다.
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