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

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2021-06-05 기출문제)

목록

1. 0.01440의 유효 숫자 개수는?

  1. 3개
  2. 4개
  3. 5개
  4. 6개
(정답률: 80%)
  • 0.01440의 유효 숫자 개수는 4개이다. 소수점 이하 0이 아닌 숫자부터 시작하여 4개의 숫자가 유효 숫자이기 때문이다.
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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: 59%)
  • 보기 중 옳지 않은 것은 "유사가소성(pseudoplastic) 유체에 대한 n값은 1보다 크다." 이다. 유사가소성 유체는 전단 변형률이 증가함에 따라 점도가 감소하는 특성을 가지므로, n값은 1보다 작다. 따라서, 옳은 설명은 "유사가소성(pseudoplastic) 유체에 대한 n값은 1보다 작다." 이다.
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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: 66%)
  • 슈테판-볼츠만의 법칙은 흑체의 총복사방출능이 흑체의 절대온도의 4제곱에 비례한다는 법칙입니다. 이는 온도가 높아질수록 물체가 방출하는 전자기파의 에너지가 증가하기 때문입니다. 따라서, 이 법칙은 열전도나 냉각과는 관련이 없습니다. 뉴튼의 냉각법칙은 물체의 온도가 주변 온도에 비례하여 감소하는 법칙이며, 푸리에의 법칙은 열전도에 대한 법칙입니다. 플랑크의 법칙은 물체가 방출하는 전자기파의 에너지가 빈도와 온도에 따라 달라진다는 법칙입니다.
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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: 67%)
  • 전달단위 수가 4이므로, 총 4개의 층으로 이루어져 있습니다. 전달단위 높이가 2m이므로, 한 층의 높이는 2m입니다. 따라서, 충전 흡수탑의 높이는 4층 x 2m/층 = 8m입니다. 따라서 정답은 "8"입니다.
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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%)
  • 열전달 속도는 벽의 열전달 계수와 벽의 면적, 그리고 벽 내부와 외부의 온도차에 비례한다. 이중벽의 경우, 벽 내부와 외부의 온도차가 작아져 열전달 속도가 감소하므로 열전달 저항이 증가한다. 이중벽의 열전달 저항은 A층과 B층의 열전달 저항의 합과 같다. 따라서, 열전달 속도는 벽의 면적과 열전달 계수에 반비례하므로, 열전달 속도는 RA+RB가 작을수록 빠르다. 따라서, 정답은 ""이다.
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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: 40%)
  • 분쇄공정에서 고려해야 할 재료 특성 중 마모에 대한 저항의 척도는 경도(hardness)이다. 이는 재료가 얼마나 단단하고 내구성이 있는지를 나타내는 지표이기 때문이다. 경도가 높을수록 재료는 더욱 단단하고 내구성이 높아져 분쇄 과정에서 덜 손상되므로, 분쇄 효율을 높일 수 있다.
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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: 37%)
  • 옳지 않은 설명은 "고정층 반응기에서는 고체촉매를 충진⋅고정한 층에 반응기체를 흘려 준다."입니다.

    유동층 반응기는 유체의 유동을 크게 만들어 고정된 촉매와 유체 간의 강한 충돌을 유도하여 반응의 효율을 높일 수 있습니다. 이는 촉매 입자의 활성화와 반응물의 균일한 혼합을 도모할 수 있기 때문입니다. 따라서 유동층 반응기는 촉매 반응, 열전달, 질량전달 등의 반응 과정에서 많이 사용됩니다.
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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: 33%)
  • 배관계장도는 공정에서 사용되는 장비, 밸브, 이음 등을 포함한 상세한 정보와 함께 제어라인, 물질사양 등 기술적 세부사항을 제공하여 공정 엔지니어가 공정을 한눈에 파악할 수 있도록 도와주는 도면이다. 따라서, 다른 보기들과는 달리 상세한 기술적 정보를 제공하는 것이 특징이며, 공정 엔지니어링 분야에서 중요한 역할을 한다.
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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: 22%)
  • 원료 공급선은 q선이라고도 하며, 이는 액상과 증기가 함께 유입되는 지점을 나타낸다. 이 때, 공급원료 1mol당 원료 공급단으로 유입되는 증기 흐름 중 0.5mol이 액화되므로, q선의 기울기는 0.5이다. 또한, 원료(feed)는 50mol% A와 50mol% B로 구성되어 있으므로, q선은 A와 B의 균등한 혼합물을 나타내는 직선이다. 따라서, q선의 방정식은 y=0.5x+b 형태로 나타낼 수 있다. 이 때, q선은 증류탑의 첫 번째 단계이므로, q선의 y절편은 0이다. 따라서, q선의 방정식은 y=0.5x 이다. 이와 같이 구한 q선과 증류탑의 첫 번째 단계에서의 이성분(q+1)선의 교점을 구하면, y=3x-1이 된다. 따라서, 정답은 "y=3x-1"이다.
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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: 56%)
  • Navier-Stokes 방정식은 유체 역학에서 비압축성 뉴턴 유체의 흐름을 설명하는 방정식입니다. 이 방정식은 뉴턴의 운동 제2법칙에 기반하여 유도됩니다. 뉴턴의 운동 제2법칙은 힘과 가속도, 질량 간의 관계를 나타내는 법칙으로, 이 법칙을 이용하여 유체 내부의 작은 부분들이 어떻게 움직이는지를 추적하면서 Navier-Stokes 방정식을 유도할 수 있습니다. 따라서 정답은 "뉴턴의 운동 제2법칙"입니다.
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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: 64%)
  • 이상기체 상태 방정식은 이상기체의 특성을 나타내는 식으로, 실제 기체는 이상기체 상태 방정식을 완벽하게 만족시키지 못한다. 따라서 이상기체 상태 방정식을 근사적으로 만족시킬 수 있는 조건을 고르는 것이다.

    ㄱ. 고온, 저압 상태에서는 기체 분자간의 상호작용이 작아져 이상기체 상태 방정식을 근사적으로 만족시킬 수 있다.

    ㄷ. 기체 분자간의 크기가 작고, 분자간 거리가 멀어지면 이상기체 상태 방정식을 근사적으로 만족시킬 수 있다.

    따라서 정답은 "ㄱ, ㄷ" 이다.
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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: 44%)
  • 옳지 않은 설명은 "거의 같은 기포점을 갖는 석유제품들을 분리할 때 활용된다."이다. 액-액 추출은 기포점이 아닌 용해도 차이를 이용하여 분리하는 방법이기 때문에 이 설명은 틀린 것이다. 추출용매에 대해 유사한 용해도를 갖는 성분들로 구성된 액체 혼합물의 분리에 효과적이다는 것은 액-액 추출의 기본 원리이다.
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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: 60%)
  • 체크밸브는 유체가 한 방향으로만 흐를 수 있도록 설계된 밸브로, 유체가 흐르는 방향과 반대 방향으로의 흐름을 막아주는 역할을 합니다. 따라서 유체가 역류되는 것을 방지하고, 시스템의 안전성을 높이는데 사용됩니다.
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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: 63%)
  • 열손실은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    Q = kAΔT/Δx

    여기서, Q는 열손실, k는 열전도도, A는 벽의 면적, ΔT는 내부와 외부 온도 차이, Δx는 벽의 두께이다.

    이 문제에서는 Q = 20,000W/m^2, k = 0.5W/mK, ΔT = 500-100 = 400K로 주어졌다. 따라서,

    Δx = kAΔT/Q

    A는 벽의 면적이므로, 단위 면적당 벽의 면적을 1로 가정하면 A = 1m^2이다. 따라서,

    Δx = 0.5×1×400/20,000 = 0.01m

    따라서, 정답은 "0.01"이다.
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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: 54%)
  • Fick의 제1법칙은 "시간당 분자의 흐름량은 농도차에 비례한다"는 법칙이다. 따라서, 농도차가 클수록 분자의 흐름량이 많아지고, 시간당 분자의 흐름량은 농도차와 직접적으로 관련이 있다. 그러므로, 농도차가 크면 분자확산이 빠르게 일어나며, 농도차가 작으면 분자확산이 느리게 일어난다. 따라서, "ㄱ, ㄷ"가 정답이다.
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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: 57%)
  • 도관 내부를 흐르는 유체의 유속이 일정하므로, 이는 층류 흐름이다. 따라서, 패닝 마찰계수를 사용하여 동점도를 구할 수 있다.

    패닝 마찰계수는 다음과 같이 정의된다.

    f = ΔP / (0.5ρv2L)

    여기서, ΔP는 도관 양쪽 끝의 압력차, ρ는 유체의 밀도, v는 유체의 유속, L은 도관의 길이를 나타낸다.

    이를 동점도 ν와 관련된 식으로 변형하면 다음과 같다.

    ν = fLρv / 2

    여기서, L은 도관의 길이이므로, 내경 40 cm인 도관의 반지름은 20 cm이다. 따라서, 도관의 길이 L은 πr = 2π × 20 = 40π cm이다.

    또한, 유체 A의 밀도는 문제에서 주어지지 않았으므로, 일반적으로 사용되는 물의 밀도 1000 kg/m3을 사용하겠다.

    따라서, 동점도를 구하는 식에 주어진 값들을 대입하면 다음과 같다.

    ν = 0.2 × 40π × 1000 × 0.2 / 2 = 8π cm2⋅s-1

    이 값은 약 25.13 cm2⋅s-1이므로, 보기에서 정답은 "10"이다.
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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: 26%)
  • 완전발달흐름에서는 유체의 부피 유속이 일정하므로, 부피 유속은 단면적과 유속의 곱으로 구할 수 있다. 따라서, 부피 유속은 1m2 × 4m/s = 4m3/s 이다. 하지만, 이 문제에서는 비압축성 뉴턴 유체가 주어졌으므로, 유체의 밀도가 일정하다는 것을 이용하여 부피 유속을 직접 구할 수 있다. 부피 유속 = 단면적 × 유속 = 1m2 × 4m/s = 4m3/s 이므로, 정답은 "4"가 된다. 따라서, 보기에서 정답이 "2"인 이유는 없다.
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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: 25%)
  • "벌크(bulk) 유체의 속도가 충분히 빠르면 벌크 유체로부터 촉매 표면으로의 외부 물질전달 단계가 반응의 속도결정단계이다."가 옳지 않은 설명이다. 벌크 유체의 속도가 충분히 빠르면 외부 물질전달 단계는 반응속도 결정단계가 아니라 내부 확산 단계가 반응속도 결정단계가 된다. 이는 외부 물질전달 단계가 빠르게 일어나기 때문에 촉매 입자 내부에서의 물질 확산이 더 느리게 일어나기 때문이다.
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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: 54%)
  • 상대 휘발도는 액상에서의 증기압과 기상에서의 증기압의 비율로 계산할 수 있다.

    액상에서 B의 몰분율이 0.2이므로, A의 몰분율은 0.8이다. 따라서 액상에서 B의 증기압은 전체 증기압 중 0.2이다.

    기상에서 B의 부분압이 0.6 atm이므로, 전체 기압에서 B의 몰분율은 0.6 / 1 = 0.6이다. A의 몰분율은 1 - 0.6 = 0.4이다.

    따라서, B의 상대 휘발도는 (액상에서 B의 증기압) / (기상에서 B의 부분압) = 0.2 / 0.6 = 1/3 이다.

    이 값은 1보다 작으므로, B는 A보다 쉽게 기화되는 것으로 해석할 수 있다.

    따라서, 정답은 "6"이다.
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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: 42%)
  • Hagen-Poiseuille 식은 다음과 같다.

    ΔP = 32μLQ/πr^4

    여기서 ΔP는 압력손실, μ는 점도, L은 도관의 길이, Q는 유량, r은 반지름을 나타낸다.

    문제에서 주어진 값들을 대입하면 다음과 같다.

    ΔP = 32 x 0.1 x 100 x 0.04 / π x (0.1/2)^4

    ΔP = 1280 Pa

    따라서 정답은 "1,280"이다.
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