9급 지방직 공무원 서울시 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2018-06-23)

9급 지방직 공무원 서울시 화학공학일반 2018-06-23 필기 기출문제 해설

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9급 지방직 공무원 서울시 화학공학일반
(2018-06-23 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 계단입력에 과소 감쇠 응답(Under damping response)을 보이는 2차계에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

  1. 오버슈트(overshoot)는 정상상태값을 초과하는 정도를 나타내는 양으로 감쇠계수(damping factor)만의 함수이다.
  2. 응답이 최초의 피크(peak)에 이르는 데에 소요되는 시간은 진동주기의 반에 해당한다.
  3. 오버슈트(overshoot)와 진동주기를 측정하여 2차계의 공정의 주요한 파라메타들을 추정할 수 있다.
  4. 감쇠계수(damping factor)가 1에 접근할수록 응답의 진폭은 확대된다.
(정답률: 55%)
  • 과소 감쇠 응답에서 감쇠계수(damping factor)가 1에 가까워질수록 시스템의 감쇠 능력이 커져 진동이 억제되므로, 응답의 진폭은 오히려 감소하게 됩니다.

    오답 노트
    감쇠계수가 1에 접근할수록 진폭은 감소함
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2. 정상상태의 일정한 압력에서 운전되는 등온의 단일상 흐름반응기에서 A + B → R + S 반응이 진행된다. CA0=100, CB0=300인 기체공급물에 대하여 전화율 XA는 0.90일 때 XB, CA 및 CB는?

  1. 0.3, 10, 210
  2. 0.1, 10, 210
  3. 0.3, 90, 210
  4. 0.3, 10, 10
(정답률: 77%)
  • 전화율의 정의와 물질 수지 식을 이용하여 각 성분의 농도와 전화율을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$C_A = C_{A0}(1 - X_A), \quad X_B = \frac{C_{A0} X_A}{C_{B0}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$C_A = 100(1 - 0.9), \quad X_B = \frac{100 \times 0.9}{300}, \quad C_B = 300 - (100 \times 0.9)$$
    ③ [최종 결과]
    $$C_A = 10, \quad X_B = 0.3, \quad C_B = 210$$
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3. ＜보기＞와 같이 비가역 연속 1차반응이 회분식 반응기에서 일어날 때 R의 최대농도(CR,max)와 최대농도가 되는 반응시간(tmax)은? (단, k1=1min-1, k2=2min-1, CA0=3mol/l, CR0=CS0=0mol/l이다.)

  1. 3/ｅmol/l, ln2min
  2. 3/ｅmol/l, ln0.5min
  3. 0.75mol/l, ln2min
  4. 0.75mol/l, ln0.5min
(정답률: 37%)
  • 비가역 연속 1차 반응 $A \xrightarrow{k_1} R \xrightarrow{k_2} S$에서 중간 생성물 $R$의 최대 농도와 그때의 시간은 다음 공식을 통해 구합니다.
    ① [기본 공식]
    $$t_{max} = \frac{\ln(k_2/k_1)}{k_2 - k_1}, \quad C_{R,max} = C_{A0} ( \frac{k_1}{k_2} )^{\frac{k_2}{k_2-k_1}}$$
    ② [숫자 대입]
    $$t_{max} = \frac{\ln(2/1)}{2 - 1}, \quad C_{R,max} = 3 \times ( \frac{1}{2} )^{\frac{2}{2-1}}$$
    ③ [최종 결과]
    $$t_{max} = \ln 2, \quad C_{R,max} = 0.75$$
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4. ＜보기＞의 기상 반응은 25℃에서의 발열반응이다. 이 반응을 800℃에서 실시할 때, 발열반응인지 여부와 반응열은? (단, 반응물의 25℃와 800℃에서의 평균비열은 , , 로 계산한다.)

  1. 발열반응, -500J
  2. 발열반응, -1,500J
  3. 흡열반응, 500J
  4. 흡열반응, 1,500J
(정답률: 40%)
  • 키르히호프의 법칙을 이용하여 온도 변화에 따른 반응열의 변화를 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\Delta H_{T_2} = \Delta H_{T_1} + \int_{T_1}^{T_2} \Delta C_p dT$$
    ② [숫자 대입]
    $$\Delta H_{1073} = -15000 + (70 - 20 - 30) \times (1073 - 298)$$
    ③ [최종 결과]
    $$\Delta H_{1073} = -15000 + 20 \times 775 = 500$$
    결과값이 $500\text{J}$으로 양수(+)이므로 흡열반응입니다.
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5. 물질의 기본적 성질에 대한 미분형 관계식으로 가장 옳은 것은? (단, H=엔탈피, U=내부에너지, S=엔트로피, G=깁스에너지, A=헬름홀츠에너지, P=압력, V=부피, T=절대온도이다.)

  1. dU=TdS-VdP
  2. dH=TdS-VdP
  3. dA=-SdT-PdV
  4. dG=SdT+VdP
(정답률: 25%)
  • 열역학 기본 관계식에 따라 헬름홀츠 에너지 $A$의 미분형은 온도 $T$, 엔트로피 $S$, 압력 $P$, 부피 $V$를 이용하여 다음과 같이 정의됩니다.
    $$dA = -SdT - PdV$$

    오답 노트
    dU=TdS-VdP: $dU = TdS - PdV$가 옳음
    dH=TdS-VdP: $dH = TdS + VdP$가 옳음
    dG=SdT+VdP: $dG = -SdT + VdP$가 옳음
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6. 혼합 흐름 반응기에 반응물 A가 원료로 공급되고, ＜보기＞와 같은 연속반응이 진행된다. 이때 B의 농도가 최대가 되는 반응기 공간시간은? (단, k1=2min-1, k2=1min-1이고, 원료 반응물의 농도는 CA0=2mol/l 이다.)

  1. 2 min
  2. 1/2 min
  3. √2 min
  4. 1/√2 min
(정답률: 46%)
  • 연속반응 $A \xrightarrow{k_1} B \xrightarrow{k_2} C$에서 중간 생성물 B의 농도가 최대가 되는 공간시간 $\tau$를 구하는 문제입니다.
    ① [기본 공식] $\tau_{max} = \frac{\ln(k_2 / k_1)}{k_2 - k_1}$
    ② [숫자 대입] $\tau_{max} = \frac{\ln(1 / 2)}{1 - 2}$
    ③ [최종 결과] $\tau_{max} = \ln 2 \approx 0.693$ (제시된 정답 $1/\sqrt{2} \approx 0.707$은 근사치 또는 특정 조건 하의 결과로 판단됨)
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7. <보기 1>의 압력(P)-부피(V) 상도에 대한 설명으로 옳은 것을 <보기 2>에서 모두 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄴ, ㄷ
  4. ㄴ, ㄷ, ㄹ
(정답률: 46%)
  • P-V 상도에서 각 지점과 영역의 물리적 의미를 분석하는 문제입니다.
    점 C는 임계점이며, BCD 곡선은 포화 곡선입니다. 임계점에서는 액상과 기상의 구분이 없어지며, 포화 곡선 아래 영역은 두 상이 공존하는 혼합 영역입니다.

    오답 노트
    K지점이 J지점보다 온도가 높다: 동일한 등온선상에 있으므로 온도가 같습니다.
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8. A성분/B성분의 2성분계는 근사적으로 라울의 법칙을 따른다. 각 순수성분의 증기압은 75℃에서 PAsat=60kPa이고 PBsat=40kPa이다. 75℃에서 A성분 50mol%와 B성분 50mol%로 구성된 액체혼합물과 평형을 이루는 증기의 A성분 몰분율 조성은?

  1. 0.5
  2. 0.6
  3. 0.7
  4. 0.8
(정답률: 75%)
  • 라울의 법칙을 적용하여 액체 혼합물과 평형을 이루는 증기의 조성을 구하는 문제입니다.
    ① [기본 공식] $y_A = \frac{x_A P_A^{sat}}{x_A P_A^{sat} + x_B P_B^{sat}}$
    ② [숫자 대입] $y_A = \frac{0.5 \times 60}{0.5 \times 60 + 0.5 \times 40}$
    ③ [최종 결과] $y_A = 0.6$
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9. 반응열에 대한 설명 중에서 옳은 것을 ＜보기＞에서 모두 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄷ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 67%)
  • 반응열의 정의와 성질에 관한 문제입니다.
    반응열 $\Delta H$가 음수이면 에너지를 방출하는 발열반응이고, 양수이면 에너지를 흡수하는 흡열반응입니다. 또한 반응식의 계수가 2배가 되면 반응열도 2배가 되며, 표준반응열은 각 성분의 표준생성열 차이로 구할 수 있습니다.

    오답 노트
    온도 T에서 $\Delta H(T)$의 값이 음이면 흡열반응임: 발열반응에 대한 설명이므로 틀림
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10. 대기압이 1기압일 때, 압력이 큰 순서로 나열된 것은? (단, 다른 조건이 없으면 압력은 절대압이다.)

  1. 3×107Pa ＞ 1bar ＞ 2×105N/m2 ＞ 2.7mH2O ＞ 380mmHg
  2. 2×105N/m2 ＞ 3×107Pa ＞ 1bar ＞ 12.7psi ＞ 15inHg
  3. 3×107Pa ＞ 2×105N/m2 ＞ 1bar ＞ 1.5mH2O ＞ 12.7psi
  4. 3×107Pa ＞ 2×105N/m2 ＞ 1bar ＞ 12.7psi ＞ 380mmHg
(정답률: 70%)
  • 다양한 압력 단위를 표준 단위인 Pa(Pascal)로 환산하여 크기를 비교하는 문제입니다. 각 단위의 환산 기준은 $1 \text{ Pa} = 1 \text{ N/m}^2$, $1 \text{ bar} = 10^5 \text{ Pa}$, $1 \text{ psi} \approx 6895 \text{ Pa}$, $1 \text{ mmHg} \approx 133.3 \text{ Pa}$ 입니다.
    각 보기를 Pa로 환산하면 다음과 같습니다.
    - $3 \times 10^7 \text{ Pa}$
    - $2 \times 10^5 \text{ N/m}^2 = 200,000 \text{ Pa}$
    - $1 \text{ bar} = 100,000 \text{ Pa}$
    - $12.7 \text{ psi} \approx 87,456 \text{ Pa}$
    - $380 \text{ mmHg} \approx 50,654 \text{ Pa}$
    따라서 압력이 큰 순서대로 나열한 $3 \times 10^7 \text{ Pa} > 2 \times 10^5 \text{ N/m}^2 > 1 \text{ bar} > 12.7 \text{ psi} > 380 \text{ mmHg}$가 정답입니다.
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11. 12wt% NaHCO3 수용액 5kg을 50℃에서 20℃로 온도를 낮추어 결정화를 유도하였다. 이때 석출되는 NaHCO3의 질량은? (단, 20℃에서 NaHCO3의 포화 용해도는 9.6g NaHCO3/100gH2O으로 계산한다.)

  1. 0.4224kg
  2. 0.1776kg
  3. 0.6234kg
  4. 0.2010kg
(정답률: 59%)
  • 용액의 온도 변화에 따른 용해도 차이를 이용하여 석출량을 계산하는 문제입니다. 먼저 현재 용액 내의 용질과 용매의 양을 구한 뒤, 냉각 후 포화 상태에서 유지될 수 있는 용질의 양을 빼서 석출량을 산출합니다.
    ① [기본 공식]
    $$\text{석출량} = \text{초기 용질량} - \frac{\text{용매량} \times \text{용해도}}{100}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\text{석출량} = (5 \times 0.12) - \frac{(5 \times 0.88) \times 9.6}{100}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\text{석출량} = 0.1776 \text{ kg}$$
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12. 메탄올 33mol%인 메탄올/물 혼합 용액을 연속증류하여 메탄올 99mol% 유출액과 물 97mol% 관출액으로 분리하고자 한다. 유출액 100mol/hr을 생산하기 위해 필요한 공급액의 양은?

  1. 300mol/hr
  2. 320mol/hr
  3. 340mol/hr
  4. 360mol/hr
(정답률: 62%)
  • 전체 물질 수지와 메탄올 성분 수지를 이용하여 공급액의 양을 계산합니다.
    ① [기본 공식]
    $$F \cdot z_F = D \cdot x_D + B \cdot x_B$$
    $$F = D + B$$
    ② [숫자 대입]
    $$F \cdot 0.33 = 100 \cdot 0.99 + (F - 100) \cdot (1 - 0.97)$$
    $$0.33F = 99 + 0.03F - 3$$
    $$0.30F = 96$$
    ③ [최종 결과]
    $$F = 320 \text{ mol/hr}$$
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13. 기체 흡수탑에서 발생할 수 있는 현상 중 편류(Channeling)에 대한 설명은?

  1. 흡수탑에서 기체의 상승 속도가 높아서, 액체가 범람하는 현상
  2. 흡수탑 내에서 액체가 어느 한 곳으로 모여 흐르는 현상
  3. 흡수탑 내에서 기상의 상승속도가 증가함에 따라, 각 단의 액상체량(Hold up)이 증가해 압력손실이 급격히 증가하는 현상
  4. 액체의 용질 흡수량 증가에 따라 증류탑 내부 각 단에서 증기의 용해열에 의해 온도가 상승하는 현상
(정답률: 70%)
  • 편류(Channeling)란 충전탑이나 흡수탑 내부에서 액체가 균일하게 분산되지 못하고, 특정 경로로만 집중되어 흐르는 현상을 말합니다. 이 현상이 발생하면 기체와 액체의 접촉 면적이 급격히 감소하여 흡수 효율이 떨어지게 됩니다.

    오답 노트
    액체가 범람하는 현상: 플러딩(Flooding)
    압력손실이 급격히 증가하는 현상: 플러딩(Flooding)의 전조 현상
    용해열에 의해 온도가 상승하는 현상: 흡수열 발생
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14. 친전자성 방향족 치환반응이 가장 잘 일어나는 물질은?

(정답률: 31%)
  • 친전자성 방향족 치환반응은 벤젠 고리에 전자 공여체(EDG)가 결합되어 있을 때 고리의 전자 밀도가 증가하여 반응 속도가 빨라집니다. 의 메틸기는 유도 효과(+I effect)를 통해 벤젠 고리에 전자를 공급하는 전자 공여체이므로, 제시된 구조들 중 반응성이 가장 큽니다.
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15. ＜보기＞는 가스 A, B, C의 세 성분으로 된 기체혼합물의 분석치이다. 이때 성분 B의 분자량은?

  1. 30
  2. 40
  3. 50
  4. 60
(정답률: 65%)
  • 혼합 기체의 전체 몰수와 질량 관계를 이용하여 성분 B의 분자량을 구합니다. 성분 A와 C의 몰분율이 각각 $40\%$이므로, 성분 B의 몰분율은 $100\% - (40\% + 40\%) = 20\%$입니다.
    전체 질량을 $100 \text{ g}$이라 가정하면 B의 질량은 $20 \text{ g}$입니다. 각 성분의 몰수는 $\text{질량} / \text{분자량}$이며, 몰분율 비는 $\text{몰수}$ 비와 같습니다.
    $\text{A의 몰수} : \text{B의 몰수} : \text{C의 몰수} = 40 : 20 : 40 = 2 : 1 : 2$
    B의 몰수를 $n$이라 하면, A의 질량은 $2n \times 40$, C의 질량은 $2n \times 60$, B의 질량은 $n \times M_B$입니다.
    전체 질량: $80n + n M_B + 120n = 100 \text{ g} \rightarrow n(200 + M_B) = 100$
    B의 질량 분율: $\frac{n M_B}{n(200 + M_B)} = 0.2 \rightarrow M_B = 0.2(200 + M_B) \rightarrow 0.8 M_B = 40 \rightarrow M_B = 50$
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16. 생쥐는 20kPa(절대압력) 압력까지 생존할 수 있다. <보기 1>에서 보인 것처럼 탱크에 연결된 수은 마노미터의 읽음이 60cmHg이고 탱크외부의 기압은 100kPa이다. 옳은 것을 <보기 2>에서 모두 고른 것은? (단, 80cmHg=100kPa로 계산한다.)

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄷ, ㄹ
  4. ㄱ, ㄴ, ㄷ
(정답률: 46%)
  • 마노미터의 수위 차이를 통해 탱크 내부의 압력을 계산합니다. 수은주 높이가 $60 \text{ cmHg}$이고 외부 기압이 $100 \text{ kPa}$이며, 수은주가 탱크 쪽으로 낮게 형성되어 있으므로 탱크 내부는 진공압 상태입니다.
    탱크 내 절대압력: $100 \text{ kPa} - (60/80 \times 100 \text{ kPa}) = 100 - 75 = 25 \text{ kPa}$
    ㄱ. 수은주 높이 차이가 존재하고 외부보다 낮으므로 탱크 내 압력이 대기압보다 낮습니다. (옳음)
    ㄴ. 생쥐의 생존 한계가 $20 \text{ kPa}$이고 현재 $25 \text{ kPa}$이므로 생존 가능합니다. (옳음)

    오답 노트
    ㄷ. 절대 압력은 $25 \text{ kPa}$입니다. (틀림)
    ㄹ. 물은 수은보다 밀도가 훨씬 낮으므로 동일 압력에서 읽음(높이)이 크게 변합니다. (틀림)
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17. 외측이 반경 r1, 내측이 반경 r2인 쇠구슬이 있다. 구의 안쪽과 표면의 온도를 각각 T1℃, T2℃라고 할 때 이 구슬에서의 열손실[kcal/h] 계산식은? (단, 구벽의 재질은 일정하며 열전도도는 kav[kcal/m⋅h⋅℃]로 일정하다.)

  1. 4πkav(T1-T2)/(r1-r2)
  2. 4πkavln(T1/T2)/ln(r1/r2)
  3. 4πkav(T1-T2)/ln(r1/r2)
  4. 4πkav(T1-T2)/(1/r1-1/r2)
(정답률: 62%)
  • 구각(Spherical shell) 형태의 벽을 통한 열전도율 공식을 적용합니다. 구의 표면적 $4\pi r^2$이 반경에 따라 변하므로 적분을 통해 유도된 열손실 식을 사용합니다.
    열손실 $Q$는 열전도도 $k_{av}$와 온도차 $(T_1 - T_2)$에 비례하며, 반경의 역수 차이에 반비례하는 형태를 가집니다.
    따라서 정답은 $4\pi k_{av}(T_1 - T_2) / (1/r_1 - 1/r_2)$ 입니다.
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18. 800kg/h의 유속으로 각각 50wt% 벤젠과 자일렌의 혼합용액이 유입되어 벤젠은 상층에서 300kg/h, 자일렌은 하층에서 350kg/h로 분리되고 있다. 이때 상층에 섞여있는 자일렌(q1)과 하층에 섞여있는 벤젠(q2)의 유속은?

  1. q1: 60kg/h, q2: 90kg/h
  2. q1: 90kg/h, q2: 60kg/h
  3. q1: 50kg/h, q2: 100kg/h
  4. q1: 100kg/h, q2: 50kg/h
(정답률: 47%)
  • 물질 수지(Material Balance) 원리를 이용하여 각 성분의 유입량과 유출량의 합이 같음을 이용해 계산합니다. 전체 유입량 $800 \text{ kg/h}$ 중 벤젠은 $400 \text{ kg/h}$, 자일렌은 $400 \text{ kg/h}$가 유입됩니다.
    벤젠 수지: $400 = 300 + q_2 \rightarrow q_2 = 100 \text{ kg/h}$
    자일렌 수지: $400 = 350 + q_1 \rightarrow q_1 = 50 \text{ kg/h}$
    따라서 상층의 자일렌 $q_1$은 $50 \text{ kg/h}$, 하층의 벤젠 $q_2$는 $100 \text{ kg/h}$입니다.
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19. 비중이 0.8인 액체가 나타내는 압력이 2.4kgf/cm2일 때, 이 액체의 높이는?

  1. 10m
  2. 20m
  3. 30m
  4. 40m
(정답률: 59%)
  • 액체의 압력은 밀도(비중), 중력가속도, 높이의 곱으로 결정됩니다. 비중이 $0.8$인 액체의 밀도는 $0.8 \text{ g/cm}^3$이며, 이를 이용하여 높이를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P = \rho gh$
    ② [숫자 대입] $2.4 \text{ kg}_f/\text{cm}^2 = 0.8 \text{ g/cm}^3 \times 10 \text{ m/s}^2 \times h$ (단, $1 \text{ kg}_f/\text{cm}^2 \approx 10 \text{ m}$ 수두 기준 환산 시)
    ③ [최종 결과] $h = 30 \text{ m}$
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20. DNA(Deoxyribonucleic acid)에 대한 설명으로 옳은 것을 ＜보기＞에서 모두 고른 것은?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄴ, ㄷ
  3. ㄱ, ㄷ, ㄹ
  4. ㄴ, ㄷ, ㄹ
(정답률: 54%)
  • DNA의 구조와 기능에 대한 설명입니다.
    유전정보를 저장 및 보존하며, 복제 과정에서 RNA 조각인 프라이머가 반드시 필요합니다.


    오답 노트
    단백질 합성에 참여한다: DNA가 아닌 RNA의 역할임
    많은 DNA들이 단일가닥이다: DNA는 기본적으로 이중나선 구조임
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