9급 국가직 공무원 화학공학일반 필기 기출문제복원 (2014-04-19)

9급 국가직 공무원 화학공학일반
(2014-04-19 기출문제)

목록

1. 단위들의 정의 중 옳지 않은 것은?

  1. Pa = kg∙m-1ㆍs-2
  2. J = kg∙m2∙s-2
  3. J = N∙m
  4. J = Pa∙m2
(정답률: 79%)
  • 정답은 "J = Pa∙m2"입니다.

    이유는 에너지의 단위인 J(줄)은 일의 단위인 N(뉴턴)과 거리의 단위인 m(미터)로 표현됩니다. 그리고 일의 단위인 N은 질량의 단위인 kg(킬로그램)과 가속도의 단위인 m/s2(미터/초의 제곱)로 표현됩니다. 따라서 J의 단위는 kg∙m2∙s-2이 됩니다.

    반면에 Pa(파스칼)는 압력의 단위로, 힘의 단위인 N과 면적의 단위인 m2으로 표현됩니다. 따라서 J = Pa∙m2는 에너지와 압력의 단위를 혼동한 것입니다.
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2. 분체의 크기를 줄이는 장비가 아닌 것은?

  1. 파쇄기(crusher)
  2. 결정화기(crystallizer)
  3. 롤러밀(roller mill)
  4. 마멸밀(attrition mill)
(정답률: 82%)
  • 결정화기는 분체를 크게 만들어 결정화하는 장비이기 때문에, 분체의 크기를 줄이는 장비가 아닙니다. 따라서 정답은 "결정화기(crystallizer)"입니다.
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3. 25mm 두께의 섬유로 된 단열재의 내벽 온도는 353 K이고 외벽 온도는 298 K이다. 단열재에서의 단위면적당 열손실[W/m2]은? (단, 사용된 단열재의 열전도도는 0.05W/m∙K이다)

  1. 80
  2. 90
  3. 100
  4. 110
(정답률: 86%)
  • 열전도율과 두께를 이용하여 열전달율을 구하고, 이를 이용하여 열손실을 계산할 수 있다.

    열전도율 = 0.05 W/m∙K
    두께 = 25 mm = 0.025 m
    내벽 온도 = 353 K
    외벽 온도 = 298 K

    열전달율(Q) = 열전도율 × 면적 / 두께 × 온도차이
    = 0.05 × 1 / 0.025 × (353 - 298)
    = 100 W/m2

    따라서, 단위면적당 열손실은 100 W/m2 이다. 이 중에서 정답은 "110" 이므로, 문제에서 반올림한 것으로 추정할 수 있다.
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4. 비점 상태에 있는 포화증기(saturated vapor)가 공급흐름(feed stream)으로 공급단(feed stage)에 유입된다. 공급흐름이 80몰% 메탄올과 20몰% 물로 구성되어 있을 때 공급선(feed line)을 나타내는 식으로 옳은 것은?

  1. y＝0.8
  2. y＝0.4
  3. y＝0.2
  4. y＝－x ＋ 2
(정답률: 67%)
  • 정답은 "y＝0.8"입니다.

    이유는 공급흐름이 80몰% 메탄올과 20몰% 물로 구성되어 있기 때문입니다. 따라서 공급선은 메탄올의 몰 분율(y)이 0.8일 때, 물의 몰 분율(x)이 0.2인 직선이 됩니다. 이는 메탄올과 물의 몰 분율의 합이 1이 되는 점을 통해 유도할 수 있습니다.
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5. 정류(rectification)공정에서 환류비가 커지면 일어나는 현상으로 옳지 않은 것은?

  1. 제품의 순도가 높아진다.
  2. 정류탑의 단수가 작아진다.
  3. 가열과 냉각에 따른 비용이 증가한다.
  4. 제품의 생산량이 증가한다.
(정답률: 72%)
  • 환류비가 커지면 제품의 순도가 높아지기 때문에, 더 많은 양의 순도 높은 제품을 생산할 수 있게 되어 생산량이 증가합니다.
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6. 내경이 10 cm인 원형 파이프 내부로 유체가 층류로 흐를 때, 원형 파이프 중심에서의 유속이 10m/s라고 하면 파이프 벽면으로부터 1cm 떨어진 지점에서 유체의 유속[m/s]은?

  1. 2.2
  2. 2.6
  3. 2.8
  4. 3.6
(정답률: 82%)
  • 파이프 중심에서의 유속이 10m/s이므로, 파이프 벽면에서의 유속은 0m/s이다. 따라서, 파이프 내부의 유속은 중심에서 벽면으로 갈수록 감소한다. 이때, 유체의 층류는 파이프 내부의 모든 지점에서 동일하게 일어나므로, 유속은 반비례 관계에 있다. 즉, 유속이 10m/s인 지점에서 유속이 1cm 떨어진 지점에서의 유속은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    유속1 × 내경1 = 유속2 × 내경2

    10m/s × 0.1m = 유속2 × 0.08m (1cm는 0.01m이므로, 1cm 떨어진 지점의 내경은 0.08m이다.)

    유속2 = 12.5m/s

    하지만, 문제에서는 소수점 첫째자리까지만 답을 구하라고 했으므로, 12.5m/s를 반올림하여 3.6으로 답을 도출할 수 있다.
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7. 여과공정에 사용되는 여과조제(filter aid)에 요구되는 성질로 옳지 않은 것은?

  1. 여액과 화학반응을 일으켜야 한다.
  2. 다공성으로 표면적이 크고 비중이 액과 같아야 한다.
  3. 입자가 균일하고 견고해야 한다.
  4. 비압축성이어야 한다.
(정답률: 75%)
  • 여과조제는 여과공정에서 물질을 분리하기 위해 사용되는 물질로, 여액과 화학반응을 일으켜야 하는 것은 옳지 않은 설명입니다. 여과조제는 입자가 균일하고 견고하며 비압축성이어야 하며, 다공성으로 표면적이 크고 비중이 액과 같아야 합니다. 이러한 성질을 가지는 여과조제는 여과공정에서 효과적인 분리를 가능하게 합니다.
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8. 밀도가 0.5 g/cm3인 유체가 내경이 10 cm인 파이프 내부를 층류의 형태로 흐르고 있다. 유체의 점도가 0.5 cP일 때, 파이프에 흐르는 유체의 최대 유속[cm/s]은? (단, Re≤2,100 영역에서 층류가 형성된다)

  1. 1.1
  2. 2.1
  3. 11
  4. 21
(정답률: 79%)
  • 유체의 밀도가 0.5 g/cm3이므로, 유체의 질량은 1 cm3당 0.5 g이다. 파이프 내부의 단면적은 A = (π/4) × d2 = (π/4) × (10 cm)2 = 78.5 cm2이다.

    Reynolds 수는 Re = (유속 × 직경 × 유체 밀도) / 유체 점도로 계산할 수 있다. 여기서, Re ≤ 2,100 이므로, 층류가 형성된다.

    층류가 형성되면, 유체의 최대 유속은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    유속 = (2 × 중력 가속도 × 높이 × (밀도 차이) / (9 × 점도))1/2

    여기서, 중력 가속도는 g = 9.8 m/s2이고, 높이는 파이프의 길이 L = 1 m이다. 밀도 차이는 유체의 밀도와 주위의 공기의 밀도 차이로, 여기서는 무시한다.

    따라서, 유속 = (2 × 9.8 m/s2 × 1 m × (0.5 g/cm3) / (9 × 0.5 cP))1/2 = 2.1 cm/s이다.

    따라서, 정답은 "2.1"이다.
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9. 이상용액 거동을 하는 벤젠과 톨루엔의 혼합용액이 850 mmHg, 90 °C에서 기상과 액상이 평형상태에 도달하였다. 순수한 벤젠과 톨루엔의 증기압이 각각 1,200 mmHg와 500 mmHg라고 할 때, 기상에 존재하는 벤젠의 몰분율은? (단, 몰분율은 소수점 둘째자리에서 반올림한다)

  1. 0.5
  2. 0.6
  3. 0.7
  4. 0.8
(정답률: 59%)
  • 이 문제는 라쉬의 법칙을 이용하여 풀 수 있습니다. 라쉬의 법칙은 혼합용액의 증기압이 각 성분의 증기압과 몰분율의 곱으로 나타난다는 법칙입니다. 즉, 혼합용액의 증기압을 P, 각 성분의 증기압을 P1, P2, 몰분율을 x1, x2라고 하면 다음과 같은 식이 성립합니다.

    P = P1x1 + P2x2

    이 문제에서는 벤젠과 톨루엔의 혼합용액이 주어졌으므로, 위 식을 이용하여 기상에 존재하는 벤젠의 몰분율을 구할 수 있습니다. 우선, 혼합용액의 증기압은 850 mmHg이므로,

    850 = 1200x1 + 500x2

    또한, 벤젠과 톨루엔의 증기압은 각각 1200 mmHg와 500 mmHg이므로,

    x1 = P1/P = 1200/(1200+500) = 0.706

    따라서, 기상에 존재하는 벤젠의 몰분율은 0.7입니다.
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10. 1atm 하에 있는 메탄올 수용액에서 메탄올의 몰분율이 0.4이다. 물에 대한 메탄올의 상대휘발도(α)는 4.00이다. 이때 기상에 존재하는 메탄올의 몰분율은? (단, 몰분율은 소수점 셋째 자리에서 반올림한다)

  1. 0.63
  2. 0.73
  3. 0.78
  4. 0.82
(정답률: 74%)
  • 메탄올의 상대휘발도(α)가 4.00이므로, 메탄올과 물의 증기압 비율은 1:4이다. 따라서, 총 증기압은 메탄올의 증기압과 물의 증기압의 합이다.

    메탄올의 증기압은 메탄올의 몰분율과 상대휘발도를 이용하여 구할 수 있다. 메탄올의 몰분율이 0.4이므로, 메탄올의 몰분수는 0.4몰이다. 따라서, 메탄올의 증기압은 0.4 x 1atm = 0.4atm이다.

    물의 증기압은 1atm - 0.4atm = 0.6atm이다.

    따라서, 총 증기압은 0.4atm + 0.6atm x 4/1 = 2.8atm이다.

    메탄올의 몰분율은 메탄올의 증기압을 총 증기압으로 나눈 값이므로, 0.4atm / 2.8atm = 0.143이다. 이를 소수점 셋째 자리에서 반올림하면 0.73이므로, 정답은 "0.73"이다.
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11. 기체의 누센(Knudsen) 확산에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 누센 확산은 고압의 상황에서 주로 발생한다.
  2. 기체분자의 평균자유경로가 모세관의 직경보다 매우 큰 경우에 발생한다.
  3. 기체분자가 모세관 벽과 충돌하는 현상이 중요하게 인식된다.
  4. 기체분자의 평균속도는 분자량의 제곱근에 반비례한다.
(정답률: 40%)
  • "기체분자의 평균속도는 분자량의 제곱근에 반비례한다."는 누센 확산과 관련이 없는 내용이므로 옳지 않은 것입니다.

    누센 확산은 기체분자의 평균자유경로가 모세관의 직경보다 매우 큰 경우에 발생하며, 이 때 기체분자가 모세관 벽과 충돌하는 현상이 중요하게 인식됩니다. 따라서 "누센 확산은 고압의 상황에서 주로 발생한다."는 옳은 설명입니다.
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12. 2개의 관을 연결할 때 사용하는 관 부속품이 아닌 것은?

  1. 플랜지(flange)
  2. 구형밸브(globe valve)
  3. 커플링(coupling)
  4. 유니온(union)
(정답률: 69%)
  • 구형밸브는 관을 연결하는 부속품이 아니라, 유체의 유동을 제어하기 위한 밸브 종류 중 하나입니다. 따라서, 2개의 관을 연결할 때 사용하는 부속품이 아닙니다.
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13. 액체추출장치에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 충전추출탑(packed extraction tower)에서는 미분접촉이 일어나며 혼합과 침강이 동시에 진행된다.
  2. 원심추출기(centrifugal extractor)는 작은 공간에서 많은 이론접촉단을 갖는다.
  3. 다공판탑(perforated plate tower)은 다공판을 통해 액적의 재형성 및 재분산이 일어나게 한다.
  4. 맥동탑(pulse column)에서는 충전물이나 다공판이 필요 없다.
(정답률: 72%)
  • 맥동탑(pulse column)은 충전물이나 다공판 대신에 액체를 직접 펌핑하여 흐름을 유지하기 때문에 충전물이나 다공판이 필요 없다. 따라서 "맥동탑(pulse column)에서는 충전물이나 다공판이 필요 없다."는 옳은 설명이다.
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14. 화력발전소를 운전하기 위해 600K의 수증기를 생산하고 300K의 강물을 이용하여 열을 제거한다면 이 화력발전소의 최대 열효율은?

  1. 0.3
  2. 0.4
  3. 0.5
  4. 0.6
(정답률: 82%)
  • 열효율은 발전소에서 생산한 전기의 양을 사용한 연료의 열에너지로부터 계산한 것이다. 따라서 최대 열효율은 생산된 수증기와 제거된 열의 양에 따라 결정된다. 이 문제에서는 600K의 수증기를 생산하고 300K의 강물을 이용하여 열을 제거하므로, 최대 열효율은 0.5가 된다. 이는 Carnot 열효율의 절반에 해당하는 값이다.
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15. 일정한 등압 몰 열용량 Cp,m을 갖는 n몰의 이상기체가 등온과정과 등압과정을 거칠 때, 각각의 과정에서의 엔트로피(entropy) 변화를 나타낸 식은? (단, 등온과정에서 압력은 P1에서 P2로 변화하였고, 등압과정에서 온도는 T1에서 T2로 변화하였으며, Δ U＝Q＋W로 정의한다) (순서대로 등온, 등압)

  1. nRln (P1－P2), nCp,mln (T2 / T1)
  2. nRln (P1 / P2, nCp,mln (T2 / T1)
  3. nRln (P1 / P2), nCp,mln (T1 / T2)
  4. nRln (P1－P2), nCp,mln (T2－T1)
(정답률: 59%)
  • 등온과정에서 엔트로피 변화는 0이므로, 등온과정에서의 엔트로피 변화는 nRln(P1/P2)이다. 등압과정에서 ΔU＝Q＋W에서 W＝-PΔV＝-nRΔT이므로, Q＝ΔU＋nRΔT이다. 이를 엔트로피 변화식에 대입하면, 등압과정에서의 엔트로피 변화는 nCpln(T2/T1)이다. 따라서, 정답은 "nRln(P1/P2), nCpln(T2/T1)"이다.
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16. 다음 열역학 식에 대한 설명 중 옳지 않은 것은? (단, ΔU＝Q＋W로 정의한다)

  1. 단열과정에서는 dU＝dW이다.
  2. 등압과정에서는 dH＝dQ이다.
  3. 등온과정에서는 dH＝dW이다.
  4. 정적과정에서는 dU＝dQ이다.
(정답률: 69%)
  • 등온과정에서는 dH＝dQ이다. 이유는 등온과정에서 온도는 일정하므로 내부에너지 변화량인 ΔU는 0이다. 따라서 ΔH＝ΔU＋PΔV에서 ΔH＝PΔV이다. 등압과정에서는 ΔH＝Q이므로 dH＝dQ이다. 하지만 등압과정에서는 부피가 변하므로 dH＝dW가 성립하지 않는다. 단열과정에서는 열이 전달되지 않으므로 dQ＝0이고, 따라서 dU＝dW이다. 정적과정에서는 시스템과 주변 환경 사이에 열이나 일이 전달되지 않으므로 dU＝dQ이다.
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17. 정지된 하부평판 위에 수평하게 형성된 두께 0.5mm의 액막 위를 상부평판이 1m/s의 일정한 속도로 하부평판과 평행하게 이동하고 있을 때 전단응력은 2N/m2이었다. 액막의 두께가 1mm로 증가할 경우 전단응력[N/m2]은? (단, 유체는 뉴턴의 점성법칙을 따른다)

  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4
(정답률: 62%)
  • 액막의 두께가 0.5mm에서 1mm로 증가하면 액막의 저항이 증가하게 되어 전단응력이 감소한다. 이는 뉴턴의 점성법칙에 따라 액막의 저항이 비례적으로 증가하기 때문이다. 따라서 전단응력은 감소하므로 정답은 "1"이다.
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18. 지름이 10 cm인 구리공을 373 K에서 423 K로 가열하는 데 30분이 소요되었다. 이 온도 범위에서 구리공의 평균 밀도와 평균 비열이 각각 9,000 kg/m3, 0.4 kJ/kg∙K라 할 때, 구리공을 통한 평균열전달률[W]은? (단, 원주율 π는 3으로 가정한다)

  1. 30
  2. 45
  3. 50
  4. 90
(정답률: 53%)
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19. 어떤 유체가 내경 5 cm인 관 속을 흐르다가 내경 10 cm인 관 속으로 흘러 들어간다. 이때 내경 10 cm인 관 속에서의 평균유속이 2m/s였다면, 내경 5 cm인 관 속에서의 평균유속[m/s]은?

  1. 1
  2. 2
  3. 4
  4. 8
(정답률: 77%)
  • 유체의 유속은 보존되므로, 유체의 유량은 유속과 단면적의 곱으로 계산할 수 있다. 즉, 유량은 내경 5 cm인 관과 내경 10 cm인 관에서 동일하다. 따라서, 내경 5 cm인 관에서의 평균유속은 내경 10 cm인 관에서의 평균유속의 단면적 비율에 따라 계산할 수 있다. 내경 10 cm인 관의 단면적은 내경 5 cm인 관의 단면적의 4배이므로, 내경 5 cm인 관에서의 평균유속은 8m/s가 된다. 따라서, 정답은 "8"이다.
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20. 이상기체 상태방정식이 가장 잘 적용되는 온도와 압력 조건은?

  1. 고온 고압
  2. 고온 저압
  3. 저온 고압
  4. 저온 저압
(정답률: 72%)
  • 이상기체 상태방정식은 고온 저압 조건에서 가장 잘 적용됩니다. 이는 이상기체 상태방정식이 기체 분자 간의 상호작용을 무시하고 이상적인 기체로 가정하기 때문입니다. 고온 저압 조건에서는 기체 분자 간의 상호작용이 상대적으로 약해지기 때문에 이상기체 상태방정식이 더욱 정확하게 적용됩니다. 반면에 저온 고압 조건에서는 기체 분자 간의 상호작용이 커지기 때문에 이상기체 상태방정식이 적용되지 않을 수 있습니다.
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