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

9급 지방직 공무원 화학공학일반 2022-06-18 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 화학공학일반
(2022-06-18 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

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

  1. 11
  2. 18
  3. 26
  4. 27
(정답률: 81%)
  • 화학 반응식 $\text{C}_7\text{H}_{16}(g) + a\text{O}_2(g) \rightarrow b\text{CO}_2(g) + c\text{H}_2\text{O}(g)$에서 각 원소의 질량 보존 법칙을 이용하여 계수를 결정합니다.
    탄소(C) 보존: $b = 7$
    수소(H) 보존: $2c = 16 \rightarrow c = 8$
    산소(O) 보존: $2a = 2b + c = 2(7) + 8 = 22 \rightarrow a = 11$
    따라서 계수의 합은 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\text{Sum} = a + b + c$
    ② [숫자 대입] $\text{Sum} = 11 + 7 + 8$
    ③ [최종 결과] $\text{Sum} = 26$
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2. 한 변의 길이가 a인 정삼각형 모양의 단면을 갖는 관의 상당지름(equivalent diameter)은?

  4. a
(정답률: 48%)
  • 상당지름은 관의 단면적을 동일한 둘레 길이를 가진 원의 지름으로 환산한 값으로, 공식은 (4 × 단면적) / 둘레 길이입니다. 정삼각형의 단면적은 $\frac{\sqrt{3}}{4}a^{2}$이고 둘레는 $3a$입니다.
    ① [기본 공식] $D_{e} = \frac{4A}{P}$ 상당지름 = (4 × 단면적) / 둘레
    ② [숫자 대입] $D_{e} = \frac{4 \times \frac{\sqrt{3}}{4}a^{2}}{3a}$
    ③ [최종 결과] $D_{e} = \frac{\sqrt{3}}{3}a$
    따라서 정답은 입니다.
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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: 50%)
  • 연속 방정식에 의해 유량은 일정하므로, 평균 유속은 단면적에 반비례합니다. 원형관의 단면적은 지름의 제곱에 비례하므로, 평균 유속은 관의 지름의 제곱에 반비례하게 됩니다.
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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: 70%)
  • 공극률은 전체 부피에서 공극이 차지하는 비율을 의미하며, 겉보기 밀도와 진밀도의 관계를 통해 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $\epsilon = 1 - \frac{\rho_{app}}{\rho_{true}}$ 공극률 = 1 - (겉보기 밀도 / 진밀도)
    ② [숫자 대입] $\epsilon = 1 - \frac{1.5}{2.0}$
    ③ [최종 결과] $\epsilon = 0.25$
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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: 80%)
  • 이상기체 상태방정식 $PV = nRT$에서 부피 $V$와 기체상수 $R$이 일정할 때, 압력은 몰수(질량)와 절대온도에 비례합니다.
    ① [기본 공식] $P_2 = P_1 \times \frac{m_2}{m_1} \times \frac{T_2}{T_1}$
    ② [숫자 대입] $P_2 = 10 \times \frac{4}{2} \times \frac{450}{300}$
    ③ [최종 결과] $P_2 = 30$
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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: 50%)
  • 정상상태 열전도에서 열유속은 일정하며, 온도 기울기(기울기의 절대값)가 작을수록 열전도도가 큽니다.
    두께가 동일할 때, 온도 변화 $\Delta T$가 가장 작은 물질 A가 열저항이 가장 낮고 열전도도가 가장 큽니다.
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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: 85%)
  • 화학 반응식 $\text{NH}_3(g) + 2\text{O}_2(g) \rightarrow \text{HNO}_3(g) + \text{H}_2\text{O}(g)$에서 한계반응물을 결정하고, 전화율에 따른 소모량을 계산합니다.
    암모니아 1mol 반응 시 산소 2mol이 필요하므로, 암모니아가 한계반응물입니다.
    ① [기본 공식] $\text{Remaining } \text{O}_2 = \text{Initial } \text{O}_2 - (2 \times \text{Initial } \text{NH}_3 \times X)$
    ② [숫자 대입] $\text{Remaining } \text{O}_2 = 2.2 - (2 \times 1 \times 0.8)$
    ③ [최종 결과] $\text{Remaining } \text{O}_2 = 0.6$
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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: 41%)
  • 제시된 수식 $\frac{p}{v(p_0 - p)} = \frac{1}{Cv_m} + \frac{(C-1)p}{Cv_mp_0}$은 다분자층 흡착 모델을 설명하는 대표적인 식입니다.
    BET 식은 단분자층을 넘어 다분자층 흡착이 일어나는 실제 물리 흡착 현상을 잘 설명하는 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: 62%)
  • 흡착된 질소 분자의 총 개수를 구한 뒤, 분자 1개가 차지하는 면적을 곱하여 전체 표면적을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{Area} = \frac{V}{V_m} \times N_A \times a$
    ② [숫자 대입] $\text{Area} = \frac{0.448}{22.4} \times 6 \times 10^{23} \times 4.0 \times 10^{-16}$
    ③ [최종 결과] $\text{Area} = 480$
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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)

  1. ①
  2. ②
  3. ③
  4. ④
(정답률: 64%)
  • 반응 전후의 몰수 변화비($\epsilon$)를 이용하여 전화율에 따른 압력 변화를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P = P_0(1 + \epsilon X)$
    ② [숫자 대입] $\epsilon = \frac{3-1}{1} = 2$
    $$X=0.5 \text{ 일 때, } P = 1(1 + 2 \times 0.5) = 2$$
    $$X=1.0 \text{ 일 때, } P = 1(1 + 2 \times 1.0) = 3$$
    ③ [최종 결과] $P_{0.5} = 2, P_{1.0} = 3$
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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: 48%)
  • 카르노 효율을 통해 최대 가능 효율을 구하고, 실제 효율을 적용하여 공급 열량과 제거 열량을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\eta = 1 - \frac{T_L}{T_H}$
    ② [숫자 대입] $\eta_{max} = 1 - \frac{300}{600} = 0.5$
    ③ [최종 결과] $\eta_{actual} = 0.5 \times 0.8 = 0.4$
    공급 열량 $Q_H = \frac{W}{\eta} = \frac{400,000}{0.4} = 1,000,000 \text{ kW}$
    제거 열량 $Q_L = Q_H - W = 1,000,000 - 400,000 = 600,000 \text{ kW}$
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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: 53%)
  • 시간 의존성 유체란 동일한 전단 응력 하에서도 시간에 따라 점도가 변하는 유체를 말하며, 시간이 지남에 따라 점도가 증가하는 Rheopectic 유체와 점도가 감소하는 Thixotropic 유체가 이에 해당합니다.

    오답 노트
    Newtonian 유체: 점도가 일정함
    Pseudoplastic 유체: 전단 속도에 따라 점도가 변함(시간 무관)
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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: 48%)
  • 동점도와 확산계수는 모두 단위 면적당 유동성 또는 물질 전달 능력을 나타내며, 차원이 $L^2/T$ (또는 $m^2/s$)로 동일합니다.

    오답 노트
    점도: $M/(L \cdot T)$ 차원
    열전도도: $M/(T^3 \cdot \theta)$ 차원
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14. 감가상각비의 결정요소가 아닌 것은?

  1. 취득원가
  2. 내용연수
  3. 잔존가치
  4. 수리수선비
(정답률: 48%)
  • 감가상각비는 자산의 가치 감소분을 비용으로 배분하는 것으로, 자산의 최초 구입 가격, 사용 가능 기간, 종료 후 남은 가치가 결정 요소입니다. 수리수선비는 자산의 가치를 유지하기 위해 지출되는 별도의 운영 비용입니다.
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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: 77%)
  • 라울의 법칙을 적용하여 각 성분의 부분압을 구한 뒤, 돌턴의 분압 법칙에 따라 전체 압력을 합산합니다.
    $$\text{전체 압력} = P_{A} x_{A} + P_{B} x_{B}$$
    ① [기본 공식]
    $$P = P_{A}^{sat} x_{A} + P_{B}^{sat} x_{B}$$
    ② [숫자 대입]
    $$P = 400 \times 0.6 + 1000 \times 0.4$$
    ③ [최종 결과]
    $$P = 640 \text{ mmHg}$$
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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: 32%)
  • 베르누이 방정식과 정수압 원리를 이용하여 유속에 의한 압력 강하와 액체 기둥의 높이 차 사이의 관계를 계산합니다.
    $$\Delta P = \frac{1}{2} \rho u^{2} = \rho_{A} g \Delta h$$
    ① [기본 공식]
    $$\Delta h = \frac{\rho u^{2}}{2 \rho_{A} g}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\Delta h = \frac{1.2 \times 13^{2}}{2 \times 1015.2 \times 10}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\Delta h = 0.01008 \text{ m} = 1 \text{ cm}$$
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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: 60%)
  • Prandtl 수는 유체의 동점성과 열확산계수의 비를 나타내는 무차원 수이며, 이는 유체의 물성치이므로 온도 변화에 따라 값이 변합니다.

    오답 노트
    무차원 수: 단위가 없는 수치임
    정의: 동점도를 열확산계수로 나눈 값임
    물리적 의미: 속도 경계층과 열 경계층의 상대적 두께를 결정함
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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: 60%)
  • 복사는 전자기파의 형태로 에너지가 전달되는 현상으로, 매질이 없는 진공 상태에서 가장 효과적으로 전달됩니다. 공기와 같은 매질이 있는 경우 오히려 흡수나 산란이 일어날 수 있습니다.

    오답 노트
    자연대류: 온도 차에 의한 밀도 변화로 발생함
    열전도: 분자 진동 및 자유전자 이동으로 발생함
    흑체 복사: 스테판-볼츠만 법칙에 따라 절대온도의 4제곱에 비례함
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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: 50%)
  • 무차원 수들의 관계를 통해 유도할 수 있습니다. Reynolds수($$Re = \frac{DU}{\nu}$$)와 Prandtl수($$Pr = \frac{\nu}{\alpha}$$)를 곱하면 동점성계수 $\nu$가 상쇄되어 주어진 식이 도출됩니다.
    ① [기본 공식] $Re \times Pr = \frac{DU}{\nu} \times \frac{\nu}{\alpha}$
    ② [숫자 대입] $Re \times Pr = \frac{DU}{\alpha}$
    ③ [최종 결과] $Re \times Pr = \frac{DU}{\alpha}$
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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: 43%)
  • 열펌프는 외부에서 일을 투입하여 열을 저온의 열저장고로부터 고온의 열저장고로 이송시키는 장치입니다. 따라서 투입되는 일이 열을 고온에서 저온으로 이송시킨다는 설명은 열역학 제2법칙에 위배되는 잘못된 설명입니다.

    오답 노트
    성능계수는 절대온도의 함수이며, 냉동기의 경우 저온에서 흡수한 열을 투입된 일로 나눈 값입니다.
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