2017년 5급 공채 기술 2차 화공열역학
문제 4개 · 100점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.
제1문 (20점)
석유의 대체 에너지원으로 태양전지의 사용 가능성을 알아보고자 한다. 우리나라의 연간 석유 소비량은 약 300,000m3으로 추정되며, 석유의 에너지량은 octane(C8H18)으로 대체하여 계산할 수 있다. 연간 석유 소비량을 모두 태양전지로 대체하고자 할 경우에 필요한 태양전지의 설치면적(m2)을 다음을 이용하여 구하시오. (20점)
○24시간 동안 태양 복사의 평균적인 동력 밀도는 200W/m2이며, 태양전지의 효율은 10%로 가정한다.
○액상 octane의 밀도는 0.70g/cm3이고 완전 연소를 한다.
○액상 octane의 에너지는 298K, 1bar에서 계산하며, 이 조건에서 각 화합물의 표준 생성엔탈피는 \triangle {\underline{{H}}}_{{f , CO_{{2}} ( g )}}^{{o}}＝－393.5kJ/mol,
\triangle {\underline{{H}}}_{{f , H_{2} O ( g )}}^{{o}}＝－241.8kJ/mol, \triangle {\underline{{H}}}_{{f , C_{{8}} H_{{18}} ( l )}}^{{o}}＝－250.1kJ/mol이다.
○액상 octane의 밀도는 0.70g/cm3이고 완전 연소를 한다.
○액상 octane의 에너지는 298K, 1bar에서 계산하며, 이 조건에서 각 화합물의 표준 생성엔탈피는 \triangle {\underline{{H}}}_{{f , CO_{{2}} ( g )}}^{{o}}＝－393.5kJ/mol,
\triangle {\underline{{H}}}_{{f , H_{2} O ( g )}}^{{o}}＝－241.8kJ/mol, \triangle {\underline{{H}}}_{{f , C_{{8}} H_{{18}} ( l )}}^{{o}}＝－250.1kJ/mol이다.
제2문 (30점)
아래 그림과 같이 질소로 채워진 실린더가 중간의 벽에 의해 두 개의 방(A, B)으로 나뉘어져 있고 실린더의 한쪽 끝에는 피스톤이 연결되어 있다.
초기에 방 A와 실린더 외부는 25°C, 2bar로 같으며, 실린더와 외부 사이에는 열전달이 일어나지 않는다. 중간의 벽을 제거하여 실린더의 부피가 7L로 팽창되면 피스톤이 걸쇠로 고정된다. 이때 다음 물음에 답하시오. (단, 질소는 이상기체이고, C_{{V}} = \frac{{5}}{{2}} R 이다) (총 30점)
(A)
5L
(B)
10bar
100°C
1L
25°C, 2bar
피스톤
벽
25°C, 2bar
5L
(B)
10bar
100°C
1L
25°C, 2bar
피스톤
벽
25°C, 2bar
초기에 방 A와 실린더 외부는 25°C, 2bar로 같으며, 실린더와 외부 사이에는 열전달이 일어나지 않는다. 중간의 벽을 제거하여 실린더의 부피가 7L로 팽창되면 피스톤이 걸쇠로 고정된다. 이때 다음 물음에 답하시오. (단, 질소는 이상기체이고, C_{{V}} = \frac{{5}}{{2}} R 이다) (총 30점)
- (1) 탱크 속 기체의 내부에너지 변화(J)를 절대값으로 구하시오. (10점)
- (2) 탱크 속 기체의 온도(°C)를 구하시오. (15점)
- (3) 탱크 속 기체의 압력(bar)을 구하시오. (5점)
제3문 (30점)
760mmHg에서 에탄올(1)/벤젠(2)으로 구성된 2성분계 혼합물은 에탄올의 액상조성(x_{{1}})이 0.448, 온도 68.24°C에서 공비점을 갖는다. 이 온도에서의 에탄올과 벤젠의 증기압은 각각 506mmHg과 517mmHg이다. 다음 물음에 답하시오. (총 30점)
- (1) 수정된 Raoult의 법칙과 van Laar 모델을 적용할 때, 위에 주어진 값을 사용하여 van Laar 상수(A_{{12}}^{'} , A_{{21}}^{'})를 구하시오. (단, van Laar식에서 활동도 계수(\gamma)는 \ln \gamma_{{1}} = A_{{12}}^{{'}} \left( 1 + \frac{{A_{{12}}^{{'}} x_{{1}}}}{{A_{{21}}^{{'}} x_{{2}}}} \right)^{{- 2}}이다) (20점)
- (2) 1)에서 구한 van Laar 상수를 이용하여 x_{{1}} \, = 0.4 인 경우, 기상 평형 조성(y_{{1}})을 계산하고 상대휘발도(\alpha_{{12}}) 값을 구하시오. (단, 각 성분의 증기압은 문제에서 주어진 값을 사용한다) (10점)
제4문 (20점)
외부와 단열인 봄베 열량계를 이용하여 분자식이 C8H10O3인 유기물을 연소시켜 반응열을 측정한다. 반응 용기에 2.70g의 유기물을 넣어서 완전 연소시켰을 때 반응식은 아래와 같다.
반응용기 바깥쪽에 650.0g의 물이 채워져 있고, 연소반응으로 인하여 물의 온도가 23.6°C에서 36.2°C로 상승하였을 때 다음 물음에 답하시오. (총 20점)
C_{{8}} \mathrm{H}_{{10}} \mathrm{O}_{{3}} ( l ) + 9 O_{{2}} ( g ) \, \, - > \, \, 8 CO_{{2}} ( g ) + 5 H_{{2}} O ( l )
반응용기 바깥쪽에 650.0g의 물이 채워져 있고, 연소반응으로 인하여 물의 온도가 23.6°C에서 36.2°C로 상승하였을 때 다음 물음에 답하시오. (총 20점)
- (1) 봄베 열량계에서의 에너지 수지식을 이용하여 이 유기물의 반응 내부에너지 변화(\triangle {\underline{{U}}}_{{r}})를 kJ/mol 단위로 구하시오. (단, 물의 열용량은 Cv＝4.18 J/g․°C이고, 유기물의 분자량은 154g/mol이다) (10점)
- (2) 1)에서 얻은 \triangle {\underline{{U}}}_{{r}}은 표준상태에서도 적용된다. \triangle {\underline{{U}}}_{{r}}과 \triangle {\underline{{H}}}_{{r}}의 값이 같다는 가정 하에, C8H10O3의 표준 생성엔탈피를 kJ/mol 단위로 구하시오. (단, 표준 생성엔탈피는 각각 \triangle {\underline{{H}}}_{{f , CO_{{2}} ( g )}}^{{o}}＝－393.50kJ/mol과 \triangle {\underline{{H}}}_{{f , H_{2} O ( l )}}^{{o}}＝－285.84kJ/mol이며, 온도 변화에 의한 반응물과 생성물의 엔탈피 변화는 무시할 수 있다) (10점)