2018년 5급 공채 기술 2차 전달현상

문제 4개 · 100점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.

제1문 (30점)

다음 그림과 같이 주사기 플런저(plunger)를 일정한 속도 v_x＝2.0cm/s로 밀어 주사기 안의 약물이 방출되고 있다. 주사기와 바늘의 내경은 각각 2.4cm와 0.08cm이고, 약물의 밀도는 1.0g/cm³, 점도는 0.01g/(cm․s)이다. 다음 물음에 답하시오. (단, 플런저 외경과 주사기 내경의 차이는 무시할 정도로 작고, 마찰손실은 바늘 안의 흐름에만 존재한다) (총 30점)

v_x
플런저
약물
바늘
x

(1) 주사 바늘로 나가는 약물 부피유량의 5%가 플런저와 주사기 벽 사이로 새어 나간다고 가정할 때, 바늘을 통해 나가는 약물의 평균 유속[m/s]을 구하시오. (10점)
(2) 대기 중에서 플런저를 누르고 있고 바늘의 길이가 3cm일 때, 주사기 안에서의 게이지압력(gauge pressure)을 구하시오. (단, Fanning 마찰저항 계수는 f = \frac{{0.079}}{{Re^{{0.25}}}}이다) (15점)
(3) 플런저에 가해야 하는 순힘(net force)의 크기[N]를 구하시오. (5점)

제2문 (20점)

에베레스트 산 정상은 해수면보다 8,840m 위에 위치한다. 에베레스트 산 근처 해수면에서 기온과 대기압을 측정하였는데, 각각 25°C와 101.3kPa이었다. 에베레스트 산 정상의 대기압을 두 가지 방법으로 계산하고자 한다. 다음 물음에 답하시오. (단, 공기의 분자량은29g/mol이며, 이상기체로 가정한다. 중력가속도는 9.8m/s²으로 일정하다) (총 20점)

(1) 다음 그림의 미소부피(S \, \, dz)에 채워진 공기에 대한 힘의 수지를 세운 후, 높이(z)에 따른 압력(P)의 변화(dP/dz)를 압력(P)과 온도(T)의 함수로 나타내시오. (8점)
z
dz
중력방향
z
압력:P＋dP
압력:P
밀도:ρ
단면적:S
(2) 고도와 상관없이 기온이 25°C로 일정할 때, 산 정상에서의 대기압[kPa]을 구하시오. (5점)
(3) 해수면으로부터 10m 올라갈 때마다 0.05°C씩 기온이 낮아진다고 가정할 때, 산 정상에서의 대기압[kPa]을 구하시오. (7점)

제3문 (20점)

온도가 T_{{\infty}}인 공기와 평형상태에 있는 부피가 V이고 단면적이 A인 전도체에 전류 I를 흘리기 시작하였다. 다음 물음에 답하시오. (총 20점)

(1) 총괄 매개변수 분석이 성립하기 위한 V/A 값의 범위는? (단, 대류열전달 계수 h＝10W/(m²․K)이고, 열전도도 k＝10W/(m․K)이다) (5점)
(2) 총괄 매개변수 분석이 성립할 때, 전도체의 온도가 T에 도달하는 데 필요한 시간 t를 V, A, h, k, R, \alpha, I, T_{{\infty}}, T를 이용하여 나타내시오. (단, 전도체의 저항은 R, 열확산도는 \alpha이다) (15점)

제4문 (30점)

젖은 벽탑을 이용하여 공기 중에 포함된 암모니아(A)를 흡수제에 흡수시키는 실험을 통해 총괄물질전달계수(K_G)가 2.74×10^-9kgmol/(m²․s․Pa)임을 알았다. 탑의 한 지점에서 기체 혼합물 내의 암모니아 농도는 8mol%이고, 이와 평형을 이루는 흡수제에 포함된 암모니아 농도는 0.064kgmol/m³이다. 젖은 벽탑의 조업온도는 293K이고, 조업압력은 1.013×10⁵Pa이며 주어진 온도에서 암모니아에 대한 헨리 상수는 1.35×10³m³․Pa/kgmol이다. 다음 물음에 답하시오. (단, 전체 물질전달 저항의 80%가 기체상에서 발생한다) (총 30점)

(1) 기체상에서의 개별물질전달계수[kgmol/(m²․s․Pa)]를 구하시오. (7점)
(2) 액체상에서의 개별물질전달계수[m/s]를 구하시오. (10점)
(3) 상 계면에서의 암모니아의 분압 p_{{A , i}}[Pa]과 농도C_{{A , i}}[kgmol/m³]를 구하시오. (13점)