2022 국가직 7급 화공열역학 문제 정답 (2차) - 2022.10.15.

 

221015 국가 7급 2차 화공열역학-나정답(2022-10-15 / 354.2KB / 334회)

 

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 2022년도 국가공무원 7급 공채 제2차 필기시험 화공열역학 나 책형 1 쪽화공열역학 문 1. 내부가 진공 이중벽인 보온병에 미지근한 물을 반만 채우고 밀봉하였다. 보온병은 이상적으로 완벽하게 단열되어 있으며, 물은 보온병 외부로 전혀 새어 나오지 않는다고 가정한다. 보온병 내부를 열역학적 계(system)라고 할 때, 계에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 해당 계는 물리적으로 닫힌계라고 볼 수 있다. ② 열의 출입이 불가능한 이상적인 단열계이다. ③ 물질은 통과하지 못하는 계이다. ④ 일의 출입이 불가능한 계이다. 문 2. 냉동 시스템이 2 kW의 동력으로 작동하고 있으며, 냉동되는 속도는 5 kJ s -1라고 한다. 이 냉동 시스템의 성능계수는? ① 0.4 ② 2.5 ③ 5.0 ④ 10.0 문 3. 이상기체로 간주되는 여러 기체 성분들을 혼합시킨다. 혼합 후 혼합물의 열역학적 성질이, 같은 온도와 압력에 있는 혼합 전 순수성분들의 성질에 그 성분의 몰수를 곱한 값의 합과 같은 것은? ① (헬름홀츠에너지) ②  (엔탈피) ③  (엔트로피) ④  (깁스에너지) 문 4. 그림은 일정한 온도에서 2성분계 혼합물에 대한 기액 상평형   선도이다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단,  는 압력, 은 액체상에서의 성분 1의 몰분율, 은 기체상에서의 성분 1의 몰분율이다. 점 b, c, d는 점 a로부터 내려오는 수직선 위에 위치하며, 수평 점선들은 각각 서로 다른 압력에서의 연결선(tie line)이다) ① 점 a에 있는 과냉각 액체가 점 b에 도달하면 포화액체가 되며, 점 b는 기포점을 나타낸다. ② 점 b에서 점 c로 이동하면서 증기의 양은 증가하고, 액체의 양은 감소하며, 점 c는 이슬점을 나타낸다. ③ 점 g에서 성분 2의 액체상에서의 조성()은 0.5이다. ④ 점 c에 있는 포화증기가 점 d로 이동하면 과열증기 상태가 된다. 문 5. 성질이 유사한 화합물 A와 화합물 B 사이에 2－매개변수 대응상태의 원리가 적용되어 똑같은 크기의 압축인자를 갖는다. 화합물 A가 390 K와 70 atm에 있을 때, 화합물 B의 온도(B)와 압력(B )의 값을 바르게 연결한 것은? (단, 표에서 는 화합물의 임계온도이고, 는 화합물의 임계압력이다) 구분 화합물 [K] [atm] A 130 35 B 150 50 B[K] B[atm] ① 450 100 ② 338 49 ③ 300 150 ④ 250 130 2022년도 국가공무원 7급 공채 제2차 필기시험 화공열역학 나 책형 2 쪽문 6. (가) ～ (라)에서 정적 몰열용량 와 정압 몰열용량 에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면? (단,  는 온도,  는 압력,  는 몰부피,  는 몰엔트로피,  는 몰내부에너지,  은 기체 상수이다) (가) 균질유체에서       의 관계가 성립한다. (나) 균질유체에서             의 관계가 성립한다. (다) 비압축성 유체에서   의 관계가 성립한다. (라) 조성이 서로 다른 여러 성분으로 구성된 이상기체 혼합물의  값은 각 성분의  값의 산술 평균이다. ① (가), (나) ② (가), (라) ③ (나), (다) ④ (다), (라) 문 7. 320 K, 500 kPa의 물이 단열펌프를 지나 8,000 kPa로 방출된다. 320 K에서 포화액체 물의 비부피는 1,000 cm3 kg-1이며, 이송되는 동안 비부피는 변하지 않는다. 펌프의 효율이 25 %라면, 단열 압축공정에 필요한 펌프의 일[kJ kg-1]은? (단, 이 과정에서 운동 에너지와 위치에너지의 변화는 무시한다. 1 J ＝ 1 MPa cm3이다) ① 7.5 ② 15.0 ③ 20.0 ④ 30.0 문 8. 다음은 고정된 온도와 압력에서 성분 1과 성분 2로 구성된 용액의 몰부피  [cm3 mol-1]를 구하는 식이다. 성분 1의 몰분율()이 0.1일 때, 성분 1의 부분몰부피(partial molar volume)[cm3 mol-1]는?        ① 약 109 ② 약 120 ③ 약 130 ④ 약 146 문 9. 500 K, 1 bar에서 주어진 반응의 표준 깁스에너지 변화()가 4,980 J mol-1일 때, 그 반응의 ln는? (단, 는 반응의 평형상수이고, 기체상수  은 8.3 J mol-1 K -1이다) C2H4(g) + H2O(g) → C2H5OH(g) ① －2.0 ② －1.2 ③ 1.2 ④ 2.0 문 10. 유량이 10 kg s -1인 수증기가 100 m s -1의 속도로 압축기로 들어가서 압축기 입구 압력의 3배로 압축되었다가 다시 노즐로 들어가서 압축기 입구 조건(온도 및 압력)과 같은 상태로 팽창되면서 500 m s -1의 속도로 방출된다. 이 과정이 정상상태, 단열조건에서 일어날 때, 압축기에서 필요한 동력[kW]은? (단, 압축기 입구와 노즐 출구의 높이차는 없다고 가정한다) ① 120 ② 240 ③ 1,200 ④ 2,400 문 11. 표준 반응열에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 표준 반응열에서 표준 상태는 고체, 액체, 기체와 상관없이 1 bar 압력을 기반으로 한다. ② 음수의 표준 반응열을 갖는 반응은 흡열반응이다. ③ 화학 반응식의 각 화학양론계수들이 두 배가 되면 표준 반응열도 두 배가 된다. ④ 표준 반응열을 계산하기 위해 표준 생성열을 이용할 수 있다. 2022년도 국가공무원 7급 공채 제2차 필기시험 화공열역학 나 책형 3 쪽문 12. 그림과 같이 메테인(CH4)을 20 %의 과잉 산소를 사용하여 도달할 수 있는 최고 온도 조건에서 연소시킬 때, 과정별 엔탈피 변화에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 시스템 전체의 운동에너지 및 위치에너지 변화는 무시할 수 있으며, 축일(shaft work)은 없다) ① 문제에 주어진 메테인 연소 반응에서 도달할 수 있는 최고 온도를 얻기 위한 조건은 단열적으로 반응이 완결되는 것이다. ②    CO  HO  CH  O  로 정의된다. (단,   는 298.15 K에서 반응에 참여하는 성분 의 표준 생성 엔탈피이다) ③ P     〈  〉P     〈  〉R  이다. (단, 〈  〉는 엔탈피를 계산할 때 주어진 온도 구간에서 성분 의 평균 열용량이다. 아래첨자인 P와 R은 생성물과 반응물을 의미한다) ④    P 이다. 문 13. 카르노(Carnot) 기관의 사이클(순환)을 구성하는 각 단계를 순서대로 바르게 나열한 것은? (가) 계는 온도가 H 인 고온 열저장고와 접촉을 유지하면서 가역 등온 과정을 거치는 동안에 고온 열저장고로부터 일정량의 열을 흡수한다. (나) 온도가 H 로 유지되는 고온 열저장고와 초기 온도가 동일한 계가 가역 단열 과정을 거쳐서 그 온도가 저온 열저장고의 온도와 같은 C로 내려간다. (다) 온도가 C로 유지되는 저온 열저장고와 초기 온도가 동일한 계가 가역 단열 과정을 거쳐서 그 온도가 고온 열저장고의 온도와 같은 H 로 상승한다. (라) 계는 온도가 C인 저온 열저장고와 접촉을 유지하면서 가역 등온 과정을 거쳐서 저온 열저장고에 일정량의 열을 방출하고 원래의 상태로 되돌아간다. ① (나) － (가) － (다) － (라) ② (나) － (다) － (가) － (라) ③ (다) － (가) － (나) － (라) ④ (다) － (나) － (가) － (라) 문 14. 1 kW의 동력을 생산하기 위해 제작된 열기관이 있다. 600K의 수증기를 열원으로 사용하고 300K의 주위로 열을 버린다. 열기관의 효율을 최대치의 80 %로 운전할 때, 한 시간 동안 주위로 버리는 열량[kWh]은? ① 1.0 ② 1.5 ③ 2.0 ④ 2.5 문 15. 터보 제트 기관에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 압축 일을 줄이기 위해 확산기를 이용한다. ② 축방향 흐름 압축기는 압축 일을 행하며, 연료는 연소실로 분사되어 연소된다. ③ 방출압력까지의 나머지 팽창은 노즐에서 이루어지며, 여기에서 기관에 대한 기체의 속도는 유입되는 공기속도 이상의 수준까지 증가된다. ④ 압축과 팽창 과정이 가역 단열 과정이라면, 터보 제트 기관의 사이클은 Otto 사이클을 따른다. 문 16. 어떤 기체 1 mol이 피스톤에 의해 실린더 내에 밀폐되어 있다. 다음의 표와 같이 이 기체가 4단계의 열역학적 순환과정을 거친다고 할 때, (가)와 (나)에 들어갈 양[J]을 바르게 연결한 것은? (단,  는 기체의 총 내부에너지 변화, 는 열, 는 일이다. 와 는 주위로부터 기체로 전달되는 경우에 양(＋)의 값을 갖는다. 열역학적 순환과정에서 기체의 운동에너지와 위치에너지 변화는 무시하며, 축일은 없다) 단계  [J] [J] [J]1 → 2 200 5,000 ( ) 2 → 3 (가) －1,800 ( ) 3 → 4 ( ) －500 1004 → 1 3,000 ( ) (나) 1 → 2 → 3 → 4 → 1 ( ) ( ) －2,500(가) (나) ① －2,800 2,800 ② －3,600 2,800 ③ －2,800 3,200 ④ －3,600 3,200 2022년도 국가공무원 7급 공채 제2차 필기시험 화공열역학 나 책형 4 쪽문 17. 그림은 수증기로 작동되는 Rankine 순환 공정의 온도－엔트로피 (  ) 선도이며, 표는 0.01 MPa에서 포화액체 상태에 있는 물의 열역학적 성질이다.  ＝  ＝10.01 MPa이고,  ＝  ＝ 0.01 MPa이며, 터빈과 펌프의 효율이 각각 0.7과 0.8일 때, 1지점에서의 엔탈피[kJ kg-1]는? (단, 1 kJ ＝ 10-3 MPa m 3이다) 압력 [MPa] 비부피   [m3 kg-1] 비엔탈피   [kJ kg-1] 비엔트로피   [kJ kg-1 K -1] 0.01 0.001 191.8 0.65 ① 191.8 ② 199.8 ③ 201.8 ④ 204.3 문 18. 정상 끓는점(normal boiling point)에서 물의 기화 엔탈피 변화는 40.7 kJ mol-1이다. 이 조건에서 2 mol의 물이 기화할 때, 물의 엔트로피 변화[J K -1]는? ① 약 109 ② 약 218 ③ 약 407 ④ 약 814 문 19. 초기온도와 초기압력이 각각 300 K와 인 이상기체를 가역적으로 압축시키는 닫힌계를 고려하자. 이 기체를 (＝)까지 등온 압축시킬 때 필요한 일과 같은 크기의 일을 사용하여 동일한 초기 조건에 있는 기체를 단열 압축시킨다면, 기체의 온도변화()는? (단, 기체의 정적 열용량( )은 기체상수 과 같다. 압축과정에서 기체의 운동에너지와 위치에너지 변화는 무시하며, 축일은 없다)① ln ② ln  ③ ln ④ ln  . 문 20. 액체()에서 증기()로 상전이가 일어나는 2상 계가 있다. 화합물의 포화 증기압( )의 온도 의존성을 표현하는 Clapeyron 식으로 옳은 것은? (단,  는 온도,  은 기체상수,   는 상전이 시 엔탈피( )의 변화,     는 상전이 시 몰부피( )의 변화,     는 상전이 시 압축인자( )의 변화이다) ①  ln        ②  ln        ③   ln        ④          2022년도 국가공무원 7급 공채 제2차 필기시험 화공열역학 나 책형 5 쪽문 21. 순수한 유체의 부피( 는 온도( )와 압력( )의 함수이며 부피 팽창률(, volume expansivity)과 등온 압축률(, isothermal compressibility)은 항상 양의 값으로 온도와 압력의 변화에 대해 일정하다고 가정할 때, 유체의 부피 변화의 비  를 계산하는 식으로 옳은 것은? ① ln         ② ln         ③ ln         ④ ln         문 22. 한 발명가가 1 mol의 공기를 이용하여 500 K, 2 bar에서 350 K, 1.4 bar로 상태를 변화시키면서 300 K에 있는 주위로 열을 방출 하는 비흐름 공정을 고안했다. 이 공정에서 생성될 수 있는 최대 일[J]은? (단, 공기는 이상기체로 간주하고,  ＝   이며, 은 기체상수이고, ln≈으로 계산한다) ①  ② － ③ － ④ － 문 23. 1,000 K, 3 bar에서 다음 반응의 초기 반응물이 1 mol의 CO(g), 1 mol의 H2O(g), 1 mol의 CO2(g)일 때, 반응한 CO(g)의 분율은? (단, 혼합물은 이상기체로 가정하며, 주어진 온도와 압력에서 평형상수()는 1이다) CO(g) ＋ H2O(g) → CO2(g) ＋ H2(g) ① 1 3 ② 1 2 ③ 2 3 ④ 1 문 24. van der Waals 상태 방정식          이 적용되는 기체의    는? (단,  는 몰내부에너지,  는 몰부피이다)①  ②   ③    ④    문 25. 1,700 kPa, 477 K의 포화액체 물이 부분적으로 닫힌 밸브를 지나 100 kPa로 조름팽창될 때, 팽창 후 습윤(wet) 수증기의 질(quality)은? (단, 이 흐름공정에서 유체의 운동에너지와 위치에너지의 변화는 무시하고, 축일을 생성하지 않으며, 열전달은 없다) 포화압력  sat[kPa] 포화온도  sat[K] 포화액체의 엔탈피   [kJ kg-1] 포화증기의 엔탈피  [kJ kg-1]100 373 420 2,6801,700 477 872 2,800① 0.15 ② 0.20 ③ 0.25 ④ 0.30