2021 국가직 7급 화공열역학 문제 정답 (2차) - 2021.9.11.

 

화공열역학-가정답(2021-09-11 / 496.6KB / 621회)

 

 2021년도 국가공무원 7급 공채 제2차 필기시험 화공열역학 가 책형 1 쪽 화공열역학 문 1. 단열된 비커에 있는 10 °C 물 300 g을 전기 열선으로 가열한다. 전압 12 V에서 2 A 전류가 500 s 동안 열선에 흐를 때, 물의 최종온도[°C]는? (단, 물의 비열은 1 cal g -1 °C -1, 1 J ＝0.24 cal이며, 열선에 공급된 전기 에너지는 모두 물의 온도를 높이는 데 사용된다) ① 19.6 ② 29.2 ③ 40.0 ④ 52.0 문 2. 압축기를 사용하여 질량유량이 0.02 kg s -1인 공기 흐름을 정상 상태에서 압축한다. 압축기 출구와 입구 사이의 공기 단위질량당 엔탈피 변화량은 120 kJ kg-1이고 공기 단위질량당 10 kJ kg-1의 열이 외부로 방출될 때, 공기 흐름에 가해지는 단위시간당 일의 크기[kW]는? (단, 운동에너지와 위치에너지의 변화는 무시한다) ① 2.2 ② 2.4 ③ 2.6 ④ 2.8 문 3. 열용량에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 는 열용량, 는 정압 열용량, 는 정적 열용량, 는 몰 엔탈피, 는 열, 은 기체상수, 는 온도이다) ①      로 정의된다. ② 이상기체의 경우 모든 온도에서   이다. ③ 이상기체의  는 온도만의 함수이다. ④     로 정의되며 상태함수이다. 문 4. 압축인자(compressibility factor) 를 다음과 같이 표현하는 비리얼(virial) 상태방정식에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면? (단, , , 는 비리얼 계수이고 는 몰 부피이다)               ㄱ. 이상기체의 압축인자는 1이다. ㄴ. 압력이 0에 가까워질수록 압축인자는 1에 가까워진다. ㄷ. 비리얼 계수 값은 분자의 크기와 원자간 결합에너지에 의존한다. ㄹ. 우변에서 분모의 차수가 높은 항일수록 분자들 사이에 더 높은 빈도의 상호작용을 반영한다. ① ㄱ, ㄴ ② ㄱ, ㄷ ③ ㄱ, ㄴ, ㄹ ④ ㄴ, ㄷ, ㄹ 문 5. 작동 기체가 이상기체인 Carnot 기관에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 완전히 가역적인 방식으로 작동한다. ② 두 개의 단열과정과 두 개의 일정부피 과정으로 이루어진다. ③ 하나의 사이클에 걸친 기관의 엔트로피 변화는 0이다. ④ 고온의 열 저장고, 저온의 열 저장고 및 기관의 엔트로피 변화의 총합 Stot는 0이다. 문 6. 힘(force)의 크기를 큰 것부터 순서대로 바르게 나열한 것은? ① 1 lbf > 1 kgf > 1 N > 1 dyne ② 1 lbf > 1 kgf > 1 dyne > 1 N ③ 1 kgf > 1 lbf > 1 N > 1 dyne ④ 1 kgf > 1 lbf > 1 dyne > 1 N 2021년도 국가공무원 7급 공채 제2차 필기시험 화공열역학 가 책형 2 쪽 문 7. 내부에너지에 대한 관계식으로 옳지 않은 것은? (단, 는 몰 내부 에너지,  는 정적 열용량, 는 압력, 는 몰 엔트로피, 는 온도, 는 몰 부피이다) ① 이상기체일 때       ②              ③              ④            문 8. 환산압력(reduced pressure)이 1.25일 때, 퓨개시티(fugacity) 계수가 0.5인 순수한 기체의 퓨개시티[bar]는? (단, 이 기체의 임계압력 는 40 bar이다) ① 20 ② 25 ③ 30 ④ 35 문 9. 대응상태 이론에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면? ㄱ. Ar, Kr, Xe은 같은 환산온도와 환산압력에서 거의 같은 압축인자를 가진다. ㄴ. 이심인자(acentric factor)를 제3의 대응상태 파라미터로 사용할 수 있다. ㄷ. 이심인자는 임의의 유체에 대하여 임계온도와 임계압력 그리고 특정한 환산온도에서 측정된 단 하나의 증기압에 의해 결정될 수 있다. ㄹ. Ar, Kr, Xe의 이심인자 값은 0.7이다. ① ㄱ, ㄴ ② ㄴ, ㄷ ③ ㄷ, ㄹ ④ ㄱ, ㄴ, ㄷ 문 10. 부피 3 L인 용기에 373 K의 기체 30 mol이 있을 때, van der Waals 상태방정식으로 계산한 기체의 압력[atm]은? (단, 이 기체의 van der Waals 상태방정식 상수 , 는 각각 1.370 atm L 2 mol-2과 0.018 L mol-1이고, 기체상수 은 0.082 L atm mol-1 K -1이다) ① 206 ② 236 ③ 266 ④ 296 문 11. 온도 500 K의 열 저장고가 600 K의 또 다른 열 저장고로부터 6 × 106 kJ의 열을 받았다. 열 전달과정에서 각 열 저장고의 온도 변화가 없을 때, 이 과정에서 전체 엔트로피의 변화 Stot[kJ K -1]는? ① 2,000 ② 4,000 ③ 6,000 ④ 8,000 문 12. Clapeyron 식을 적용하여 순수한 물질의 상변화에 수반되는 잠열을 계산할 때 필요한 자료로 옳지 않은 것은? ① 상변화에 수반되는 부피 변화 ② 상변화가 일어나는 온도 ③ 상변화 온도에서 온도에 대한 포화증기압의 기울기 ④ 상변화에 수반되는 Gibbs 에너지 변화 문 13. 이상기체 혼합물의 단위 몰당 열역학 성질에 대한 표현으로 옳지 않은 것은? (단, 는 몰 Gibbs 에너지, 는 몰 엔탈피, 는 몰 엔트로피, 는 압력, 은 기체상수, 와 는 각각 성분 의 몰분율과 일정 온도 에서의 적분 상수, 상첨자 는 이상기체를 의미하며,  ( = ,  또는 )는 순수한 이상기체 성분 의 열역학 성질이다) ①       ②        ln ③        ln ④       ln 2021년도 국가공무원 7급 공채 제2차 필기시험 화공열역학 가 책형 3 쪽 문 14. 조름공정에 의해 425 °C, 200 kPa의 기체 압력이 50 kPa로 감소할 때 온도[°C]는? (단, Joule-Thomson 계수는 0.6 °C kPa-1로 일정하다) ① 335 ② 340 ③ 345 ④ 350 문 15. 성능계수가 3.5인 Carnot 냉동기가 분당 2,520 kJ의 열을 흡수할 때, 이 냉동기를 작동시키기 위한 전력량[kW]은? (단, 냉동기에 공급된 전력은 모두 냉동기의 알짜 일로 전환된다) ① 8 ② 10 ③ 12 ④ 14 문 16. 표는 화학반응 2A ＋ B ＋ 3C → D의 반응물과 생성물의 정압 열용량을 나타내며 298 K에서 D의 표준생성열은 －65,000 J mol-1 이다. 298 K에서 3 mol의 A, 2 mol의 B와 4 mol의 C가 반응하여 1 mol의 D가 생성되었을 때, 일정 압력 단열 반응에서 도달할 수 있는 최고 온도[K]는? (단, 정압 열용량 는 일정하며 A, B, C는 원소이다) 물질 A B C D  [J mol-1 K -1] 35 15 10 40 ① 363 ② 573 ③ 758 ④ 948 문 17. 다음은 섭취된 에탄올(C2H5OH)이 NAD와 반응하여 아세트알데하이드 (C2H4O)와 NADH로 분해되는 반응식과 298 K에서 물질들의 표준생성 엔탈피( ∘ )를 나타낸 표이다. 섭취한 모든 에탄올을 298 K 일정 온도에서 분해하기 위해 1,105 J의 열량이 소비되었다면 섭취한 에탄올의 양[g]은? (단, 에탄올의 분자량은 46 g mol-1이며 생성된 아세트알데하이드와 NADH는 더 이상 반응하지 않는다) C2H5OH ＋ NAD → C2H4O ＋ NADH 물질 C2H5OH NAD C2H4O NADH  ∘ [J mol-1] －288.3 0 －212.2 －31.9 ① 450 ② 750 ③ 1,150 ④ 1,550 문 18. 일정한 온도에서 내부에너지의 부피 의존성을 나타내는 열역학적 성질을 내부적 압력()이라 한다. 내부에너지가 부피와 엔트로피에 대한 함수로 표현될 때, 다음 비리얼(virial) 상태방정식으로 구한 는? (단,     이며, 2차 비리얼 계수 는 온도의 함수 이고, 은 기체상수, 는 압력, 는 온도, 는 몰 내부에너지, 는 몰 부피이다)         ①        ②         ③           ④           2021년도 국가공무원 7급 공채 제2차 필기시험 화공열역학 가 책형 4 쪽 문 19. 그림은 이상적인 내연기관 사이클의 압력()－부피() 선도로, (가)와 (나)는 각각 Brayton 사이클과 공기표준 Otto 사이클이다. 일정한 열용량을 갖는 이상기체 상태 공기 1 mol을 기준으로 할 때, 두 내연기관의 열효율을 바르게 연결한 것은? (단, 는 지점의 온도이다) (가) (나) ①         ②         ③        ④       문 20. 그림은 초기압력이 인 이상기체 1 mol이 일정한 외부압력  (  )에 대해 피스톤－실린더 장치에서 최종압력 까지 등온 팽창하는 과정을 나타낸 것이다. 이 장치의 외부 온도는 로 유지되며 장치 및 기체와 열적 평형을 이루고 있다. 팽창 과정 동안에는 피스톤과 실린더 사이 마찰력에 의해 피스톤은 매우 천천히 가속 없이 움직인다. 팽창 과정에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 은 기체상수이다) ① 기체가 외부로 한 일의 크기는    이다. ② 기체가 외부로부터 흡수한 열의 크기는    이다. ③ 장치 외부의 엔트로피 변화량은    이다. ④ 기체의 엔트로피 변화량은    이다. 문 21. 그림은 증기－압축 냉동 사이클의 온도()－엔트로피() 선도와 공정 개략도이고, 표는 － 선도 일부 지점에서 냉매의 엔탈피를 나타낸다. － 선도에서 점선(2 → 3 S )은 등엔트로피 공정이고, 냉동용량은 45 kJ s -1, 압축기의 효율은 0.8일 때, 이 증기－압축 사이클의 성능계수()와 냉매의 순환유량( )[kg s -1]을 바르게 연결한 것은? (단, 위치에너지와 운동에너지 변화는 무시한다) - 선도 지점 2 3 S 4 냉매의 엔탈피 [kJ kg-1] 240 270 90   ① 4 0.3 ② 4 0.5 ③ 6 0.3 ④ 6 0.5 문 22. 그림은 반투막을 통해 전해질 수용액으로부터 순수한 물을 얻는 역삼투압 분리장치이다. 순수한 물은 1 atm에 노출되어 있고 300 K 에서 전해질 수용액 내 용질의 몰분율이 0.009일 때, 삼투 평형이 이루어지는 용액의 압력 [atm]는? (단, 순수한 물의 몰 부피는 18 cm3 mol-1이고 기체상수 은 82 cm3 atm mol-1 K -1이며, 용질 분자는 수용액에서 두 개의 이온으로 완전 해리된다) ① 12.3 ② 13.3 ③ 24.6 ④ 25.6 2021년도 국가공무원 7급 공채 제2차 필기시험 화공열역학 가 책형 5 쪽 문 23. 혼합물의 기액 상평형에서 성분 의 평형비 는   로 정의된다. 에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 와 는 각각 성분 의 액상 몰분율과 기상 몰분율이고, 은 성분 의 포화증기압, 는 순수한 성분 의 퓨개시티(fugacity), 는 성분 의 활동도 계수, 는 성분 의 Henry 상수이며, 상첨자 와 은 각각 기상과 액상을 의미한다) ① Raoult의 법칙을 따를 때,     이다. ② 기상은 이상기체이고 액상은 Henry의 법칙을 따를 때,     이다. ③ 기상, 액상 모두 Lewis/Randall 규칙을 따를 때,       이다. ④ 수정된 Raoult의 법칙을 따를 때,     이다. 문 24. 그림은 두 물질 A와 B 혼합물에 대해 B의 몰분율과 온도()에 대한 정압 기－액 상도이다. 그림에 점 (가)로 표시된 상태 ( ＝ 0.9,   )의 혼합물을 일정 압력하에 가열하여 온도를 상승시키는 과정에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면? (단,  , 는 각각 B의 액상과 기상 몰분율이다) ㄱ. 처음으로 끓기 시작하는 온도는 이다. ㄴ. 온도 와  사이에서는 기상이 액상보다 더 안정하다. ㄷ. 끓기 시작할 때 발생한 기체 혼합물 내 A의 몰분율은 0.3이다. ㄹ. 끓기 시작한 후부터 모두 끓을 때까지 는 증가한다. ① ㄱ, ㄴ ② ㄱ, ㄷ ③ ㄴ, ㄹ ④ ㄷ, ㄹ 문 25. 온도 500 K에서 기상 가역반응인 A＋B ⇄ C＋D의 표준반응열은 －4,600 [J mol-1]이고 평형상수는 1이다. 온도 1,000 K에서 초기 1 mol의 A와 1 mol의 B가 반응하여 평형에 도달했을 때, D의 몰분율은? (단, 혼합물은 이상기체이며, 은 기체상수[J mol-1 K -1] 이고, 표준반응열은 온도에 무관하며, ln(0.1) ＝ -2.3이다) ①   ②   ③   ④  