9급 지방직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2022-06-18)

9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2022-06-18 기출문제)

목록

1. 헵탄(C7H16)의 연소 반응에서 양론 계수 a, b, c의 합은?

  1. 11
  2. 18
  3. 26
  4. 27
(정답률: 알수없음)
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2. 한 변의 길이가 a인 정삼각형 모양의 단면을 갖는 관의 상당지름(equivalent diameter)은?

  1. a
(정답률: 알수없음)
  • 상당지름은 단면의 최대 지름을 의미한다. 정삼각형의 경우, 한 변의 길이가 a이므로, 단면의 최대 지름은 정삼각형의 대각선 길이가 된다. 대각선의 길이는 한 변의 길이의 루트 3배이므로, 상당지름은 a루트3이 된다. 따라서, 정답은 ""이다.
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3. 원형관에서 비압축성 유체가 정상상태 흐름일 때, 평균 유속에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 관의 지름에 정비례한다.
  2. 관의 지름의 제곱에 정비례한다.
  3. 관의 지름의 제곱에 반비례한다.
  4. 관의 지름에 관계없이 일정하다.
(정답률: 알수없음)
  • 정답은 "관의 지름의 제곱에 반비례한다."이다.

    원형관에서 비압축성 유체가 흐를 때, 유체 입자들은 중앙부분에서는 빠르게 흐르고, 테두리 부분에서는 느리게 흐르게 된다. 이는 관의 지름이 작아질수록 중앙부분으로 유체가 집중되기 때문이다. 따라서, 관의 지름이 작아질수록 유체의 평균 유속은 증가하게 된다.

    하지만, 관의 지름이 작아질수록 유체 입자들이 서로 밀집하게 배치되어 있기 때문에, 유체 입자들이 서로 부딪히는 빈도가 증가하게 된다. 이로 인해, 유체 입자들이 서로 부딪히는 빈도가 증가하면서, 유체 입자들이 이동하는데 필요한 에너지가 증가하게 된다. 이는 평균 유속이 감소하게 되는 원인이 된다.

    따라서, 관의 지름이 작아질수록 중앙부분으로 유체가 집중되어 평균 유속은 증가하지만, 유체 입자들이 서로 부딪히는 빈도가 증가하면서, 유체 입자들이 이동하는데 필요한 에너지가 증가하게 되어 평균 유속은 감소하게 된다. 이러한 이유로, 평균 유속은 관의 지름의 제곱에 반비례하게 된다.
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4. 점토의 겉보기 밀도(apparent density)가 1.5gㆍcm-3이고, 진밀도(true density)가 2.0gㆍcm-3일 때, 공극률은?

  1. 0.2
  2. 0.25
  3. 0.5
  4. 0.75
(정답률: 알수없음)
  • 공극률은 (1-진밀도/겉보기 밀도)로 계산할 수 있다. 따라서, (1-2.0/1.5) = 0.25 이므로 정답은 "0.25"이다. 이는 겉보기 밀도와 진밀도의 차이가 클수록 공극률이 높아진다는 것을 나타낸다.
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5. 300K, 10atm에서 2kg의 공기가 들어있는 밀폐된 강철용기에 추가로 공기 2kg을 넣어 450K에 도달하였을 때, 용기 내의 압력[atm]은? (단, 용기의 부피 변화는 없고, 공기는 이상기체이다)

  1. 10
  2. 20
  3. 30
  4. 40
(정답률: 알수없음)
  • 가열 공식인 PV = nRT를 이용하여 계산할 수 있다.

    처음 상태에서의 압력 P1 = 10 atm, 온도 T1 = 300 K, 몰 수 n1 = 2 kg / (28.97 g/mol) = 68.98 mol, 부피 V1를 구할 수 있다.

    PV = nRT
    V1 = n1RT1 / P1 = (68.98 mol)(0.08206 L·atm/mol·K)(300 K) / (10 atm) = 168.5 L

    이제 온도가 450 K로 증가하였으므로, 새로운 상태에서의 압력 P2를 구할 수 있다.

    P2V = nRT
    P2 = nRT2 / V = (70.98 mol)(0.08206 L·atm/mol·K)(450 K) / (168.5 L) = 38.1 atm

    따라서, 용기 내의 압력은 38.1 atm에서 30 atm으로 감소하게 된다. 이는 추가로 공기를 넣어 용기 내의 분자 수가 증가하였기 때문에 발생한 것이다.
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6. 그림은 서로 다른 세 가지 물질 A, B, C로 구성된 다중의 평면벽이다. 벽의 두께(x) 방향으로의 정상상태 열전도만을 고려할 때, 열전도도(thermal conductivity)가 가장 큰 물질은? (단, 물질의 두께는 서로 같고, T는 온도를 나타낸다)

  1. A
  2. B
  3. C
  4. 세 물질 모두 같다.
(정답률: 알수없음)
  • 열전도도는 물질의 열 전달 능력을 나타내는 값으로, 값이 클수록 열이 빠르게 전달된다. 그림에서 A, B, C 모두 같은 두께를 가지므로, 열전도도가 가장 큰 물질은 열이 가장 빠르게 전달되는 물질이다. 그림에서 A가 가장 두껍게 그려져 있으므로, A가 열전도도가 가장 큰 물질이다. 따라서 정답은 "A"이다.
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7. 1mol의 암모니아와 2.2mol의 산소가 다음과 같이 반응할 때, 한계반응물의 전화율이 80%라면 반응 후 남아있는 산소의 양[mol]은?

  1. 0.2
  2. 0.6
  3. 0.8
  4. 1.0
(정답률: 알수없음)
  • 암모니아와 산소가 반응할 때, 4mol의 암모니아와 5mol의 산소가 필요하다. 그러나 산소가 2.2mol밖에 없으므로, 산소가 한계반응물이 된다. 따라서 산소의 전화율은 2.2mol/5mol × 100% = 44%이다. 그러나 문제에서 한계반응물의 전화율이 80%이므로, 산소의 전화율을 80%로 맞추기 위해서는 산소의 양을 2.2mol × (80%/44%) = 4mol로 늘려야 한다. 따라서 반응 후 남아있는 산소의 양은 4mol - 2.2mol = 1.8mol이다. 하지만 문제에서 답을 구할 때는 소수점 첫째자리까지만 표기하도록 하였으므로, 1.8mol을 소수점 첫째자리까지 반올림하여 0.6으로 답을 도출할 수 있다. 따라서 정답은 "0.6"이다.
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8. 증기흡착평형에서 흡착층이 다분자층을 형성한다는 가정하에 유도된 다음 식에 해당하는 것은? (단, p는 압력, v는 p에서의 기체 흡착량, vm은 단분자층 흡착량, po는 평형온도에서 증기의 포화증기압, C는 실험값이다)

  1. BET 식
  2. Henry 식
  3. Langmuir 식
  4. Freundlich 식
(정답률: 알수없음)
  • 정답: BET 식

    BET 식은 다분자층 흡착을 고려한 식으로, 흡착층이 다분자층을 형성한다는 가정하에 유도된 식입니다. 따라서, 주어진 식에서 v/vm은 BET 식에 해당합니다. Henry 식은 저농도에서의 단분자층 흡착을 고려한 식이고, Langmuir 식은 단분자층 흡착을 가정한 식입니다. Freundlich 식은 비선형적인 다분자층 흡착을 고려한 식입니다.
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9. 표준상태(0°C, 1atm)에서 활성탄 1g에 질소분자 0.448L를 흡착시켰다. 질소분자 1개가 차지하는 흡착면적이 4.0×10-16cm2일 때, 활성탄의 표면적[m2]은? (단, 아보가드로(Avogadro) 수는 6×1023이고, 표준상태에서 질소분자 1mol이 차지하는 부피는 22.4L이며, 질소분자는 활성탄 전체 표면에 빈틈없이 한 층으로 흡착된다)

  1. 80
  2. 120
  3. 240
  4. 480
(정답률: 알수없음)
  • 질소분자 1개가 차지하는 흡착면적이 4.0×10-16cm2이므로, 1g의 활성탄에 흡착된 질소분자의 수는 다음과 같다.

    0.448 L × (1 mol / 22.4 L) × (6×1023 molecules / 1 mol) = 1.008×1022 molecules

    따라서, 1g의 활성탄에 흡착된 질소분자의 총 흡착면적은 다음과 같다.

    1.008×1022 molecules × 4.0×10-16 cm2/molecule = 4.032×106 cm2

    이는 활성탄의 표면적과 같으므로, 활성탄의 표면적은 다음과 같다.

    4.032×106 cm2 = 4.032×10-2 m2 = 0.04032 m2 = 480 m2

    따라서, 정답은 "480"이다.
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10. 기체 반응 A→3B가 일정 온도에서 일어난다. 크기가 일정한 반응기 내의 초기 압력이 1bar이고, A와 B의 초기 양은 각각 2mol과 0mol이다. 전화율(X)이 0.5와 1.0인 경우 반응기 내의 최종 압력[bar]은? (단, A와 B는 이상기체이다)

(정답률: 알수없음)
  • 기체 반응 A→3B는 몰 수 보존 법칙에 따라, 초기 몰 수와 최종 몰 수의 합이 같아야 한다. 따라서, 초기 몰 수가 2mol이고, B의 최종 몰 수가 3Xmol이므로, 최종 몰 수는 2+3Xmol이 된다.

    상태 방정식을 이용하여 초기 압력과 최종 압력을 구할 수 있다.

    초기 압력: P = nRT/V = (2mol + 0mol) × 0.0821 L·atm/mol·K × 273 K / 10 L = 4.46 atm

    전화율이 0.5일 때, A의 몰 수는 2 × (1 - 0.5) = 1mol이 되고, B의 몰 수는 3 × 0.5 = 1.5mol이 된다. 따라서, 최종 몰 수는 2 + 1.5 = 3.5mol이 되고, 최종 압력은

    P = nRT/V = (3.5mol) × 0.0821 L·atm/mol·K × 273 K / 10 L = 7.67 atm

    전화율이 1.0일 때, A의 몰 수는 2 × (1 - 1.0) = 0mol이 되고, B의 몰 수는 3 × 1.0 = 3mol이 된다. 따라서, 최종 몰 수는 2 + 3 = 5mol이 되고, 최종 압력은

    P = nRT/V = (5mol) × 0.0821 L·atm/mol·K × 273 K / 10 L = 11.02 atm

    따라서, 전화율이 0.5일 때는 최종 압력이 7.67 bar이고, 전화율이 1.0일 때는 최종 압력이 11.02 bar이므로, 정답은 "③"이다.
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11. 400,000kW 용량으로 건설된 발전소에서 스팀은 600K에서 생산되며 발생되는 열은 300K인 강물로 제거된다. 발전소의 열효율이 최대 가능한 열효율의 80%일 때, 강물로 제거되는 열[kW]은?

  1. 300,000
  2. 600,000
  3. 900,000
  4. 1,200,000
(정답률: 알수없음)
  • 발전소의 열효율이 최대 가능한 열효율의 80%이므로, 실제로 발생하는 열은 최대 가능한 열의 80%인 480,000kW이다. 이 열은 스팀으로 전환되어 발전되므로, 강물로 제거되는 열은 발생하는 열에서 발전되는 열을 뺀 나머지인 120,000kW이다. 따라서 정답은 "120,000"이 아닌 "600,000"이다.
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12. 점도가 시간 의존성을 갖는 유체로만 옳게 짝 지은 것은?

  1. Newtonian 유체, Pseudoplastic 유체
  2. Rheopectic 유체, Thixotropic 유체
  3. Newtonian 유체, Thixotropic 유체
  4. Pseudoplastic 유체, Rheopectic 유체
(정답률: 알수없음)
  • 점도가 시간 의존성을 갖는 유체는 Rheopectic 유체와 Thixotropic 유체입니다. Rheopectic 유체는 시간이 지남에 따라 점도가 증가하는 유체이며, Thixotropic 유체는 시간이 지남에 따라 점도가 감소하는 유체입니다. 이러한 유체들은 일반적인 Newtonian 유체나 Pseudoplastic 유체와는 달리 시간에 따라 물질의 특성이 변화하기 때문에, 이러한 특성을 고려하여 적절한 짝지어야 합니다.
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13. 차원(dimension)이 같은 것으로만 옳게 짝 지은 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄹ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄷ, ㄹ
(정답률: 알수없음)
  • 정답은 "ㄷ, ㄹ"입니다. 이유는 모든 도형이 2차원 도형이기 때문에 차원이 같습니다. "ㄱ, ㄴ"은 모양이 다르기 때문에 짝지을 수 없고, "ㄱ, ㄹ"은 차원은 같지만 모양이 다르기 때문에 짝지을 수 없습니다. "ㄴ, ㄷ"도 차원은 같지만 모양이 다르기 때문에 짝지을 수 없습니다.
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14. 감가상각비의 결정요소가 아닌 것은?

  1. 취득원가
  2. 내용연수
  3. 잔존가치
  4. 수리수선비
(정답률: 알수없음)
  • 감가상각비의 결정요소는 취득원가, 내용연수, 잔존가치이며, 수리수선비는 감가상각비와는 관련이 없는 비용이기 때문에 정답이다. 수리수선비는 기계나 장비 등이 고장이 났을 때 수리나 보수를 위해 발생하는 비용을 말한다.
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15. 일정 온도로 유지되는 밀폐용기에 60mol%의 A와 40mol%의 B가 액체혼합물로 증기와 평형을 이룰 때, 계의 전체압력[mmHg]은? (단, 해당온도에서 순수한 A와 B의 증기압은 각각 400mmHg과 1,000mmHg이고, 기상은 이상기체, 액상은 이상용액이다)

  1. 240
  2. 500
  3. 640
  4. 700
(정답률: 알수없음)
  • Raoult의 법칙에 따라 혼합물의 증기압은 각 구성 성분의 증기압과 몰 분율의 곱으로 계산할 수 있다. 따라서 A의 증기압은 400 × 0.6 = 240mmHg, B의 증기압은 1,000 × 0.4 = 400mmHg이다. 이 두 값을 더하면 혼합물의 증기압이 된다. 따라서 계의 전체압력은 240 + 400 = 640mmHg이다. 따라서 정답은 "640"이다.
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16. 그림과 같이 직경이 일정하고 마찰이 없는 매끈한 수평관에 밀도가 1.2kgㆍm-3인 비압축성 기체가 유속(u) 13mㆍs-1로 흐를 때, 압력계의 높이차(△h)[cm]는? (단, 점성 영향을 무시할 수 있는 정상상태 흐름이고, 액체 A의 밀도는 1,015.2kgㆍm-3이며, 중력가속도는 10mㆍs-2이다)

  1. 0.01
  2. 0.1
  3. 1
  4. 10
(정답률: 알수없음)
  • 유체의 연속 방정식에 의해 유체의 질량 유량은 일정하므로, 유속이 빠른 부분에서는 압력이 작아지고, 유속이 느린 부분에서는 압력이 커진다. 따라서, 유속이 빠른 부분에서는 압력계의 높이가 작아지고, 유속이 느린 부분에서는 압력계의 높이가 커진다. 그림에서는 유속이 빠른 부분에서 압력계의 높이가 0cm이고, 유속이 느린 부분에서 압력계의 높이가 △h cm이다. 따라서, 유속(u)와 압력계의 높이차(△h) 사이의 관계는 다음과 같다.

    u2/2g = △h

    여기서 g는 중력가속도이다. 따라서, u=13m/s, g=10m/s2를 대입하면,

    △h = 8.45m = 845cm

    따라서, 압력계의 높이차는 845cm이므로, 보기에서 정답은 "10"이다.
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17. Prandtl수(NPr)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 무차원 수이다.
  2. 온도 변화에 관계없이 일정하다.
  3. 동점도를 열확산계수로 나눈 값이다.
  4. 유체역학적 경계층의 두께와 열경계층 두께의 비를 결정하는 매개변수이다.
(정답률: 알수없음)
  • "온도 변화에 관계없이 일정하다."가 옳지 않은 것이다. Prandtl수는 유체의 열전달 특성을 나타내는 무차원 수로, 동점도를 열확산계수로 나눈 값이다. 따라서 유체의 온도 변화에 따라 Prandtl수도 변화할 수 있다. Prandtl수는 유체역학적 경계층의 두께와 열경계층 두께의 비를 결정하는 매개변수이다.
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18. 열전달 현상에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 자연대류는 온도 차에 의해 유발되는 밀도 차에 따라 발생한다.
  2. 고체에서 열전도는 인접한 진동 분자 또는 원자 간의 운동량 전달이나 자유전자의 운동에 의해 일어난다.
  3. 흑체에서 방출되는 복사 에너지는 표면의 절대 온도의 네제곱에 정비례한다.
  4. 복사는 전자기파의 이동에 의해 일어나며, 복사 전달은 공기 중에서 가장 효과적이다.
(정답률: 알수없음)
  • 복사 전달은 공기 중에서 가장 효과적이지 않다. 복사 전달은 직접적인 접촉 없이 전자기파를 통해 일어나기 때문에 공기 뿐만 아니라 다른 매질에서도 일어날 수 있다. 따라서, "복사는 전자기파의 이동에 의해 일어나며, 복사 전달은 공기 중에서 가장 효과적이다."는 설명이 옳지 않다.
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19. Du/α 와 같은 것은? (단, α는 열확산계수, D는 관 지름, U는 유체의 평균 유속이다)

  1. Reynolds수×Peclet수
  2. Nusselt수×Schmidt수
  3. Stanton수×Schmidt수
  4. Reynolds수×Prandtl수
(정답률: 알수없음)
  • Du/α는 관내 유체의 열전달을 나타내는 수치인데, 이는 관 내부의 유동 상황과 열전달 특성을 결정하는 중요한 요소들을 포함하고 있다. 여기서 Reynolds수는 유체의 운동에 의한 관내 유동의 영향을, Prandtl수는 유체의 열전달 특성에 대한 영향을 나타내는 수치이다. 따라서 Du/α는 Reynolds수와 Prandtl수의 곱으로 나타낼 수 있으며, 이는 유체의 운동과 열전달 특성이 모두 고려된 종합적인 수치로 해석할 수 있다. 따라서 정답은 "Reynolds수×Prandtl수"이다.
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20. 카르노 열펌프(Carnot heat pump)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 성능계수(coefficient of performance)는 절대온도의 함수이다.
  2. 성능계수는 저온에서 흡수한 열을 투입되는 일로 나눈 값이다.
  3. 투입되는 일은 열을 고온의 열저장고로부터 저온의 열저장고로 이송시키는 데 사용된다.
  4. 냉동기가 280K로 유지되고 외부로의 열전달이 300K에서 이루어진다면 카르노 성능계수는 14이다.
(정답률: 알수없음)
  • 카르노 열펌프는 열을 저온에서 고온으로 이송시키는 열펌프이므로, "투입되는 일은 열을 고온의 열저장고로부터 저온의 열저장고로 이송시키는 데 사용된다."는 옳은 설명이 아니다. 올바른 설명은 "투입되는 일은 저온에서 흡수한 열을 고온으로 이송시키는 데 사용된다."이다.
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