5급 공채 2차

2018년 5급 공채 기술 2차 화공열역학(필수)

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

제1문 (20점)

어떤 기체의 상태방정식이 다음과 같이 표현된다. 물음에 답하시오. (단, a, b는 상수이고, R은 기체상수, {\underline{{V}}}는 몰당 부피이다) (총 20점)
( P + a ) ( {\underline{{V}}} + b ) \, = \, RT
  1. (1) 등온 공정에서 이 기체 1몰의 부피가 V_{{1}}에서 V_{{2}}로 변하였다. 이 기체 1몰의 엔트로피 변화를 구하시오. (4점)
  2. (2) 이 기체에 대하여 C_{{P}} \, - \, C_{{V}}를 C_{{P}} 및 C_{{V}}의 정의로부터 유도하시오. (단, C_{{P}} \,는 몰정압열용량, C_{{V}} \,는 몰정적열용량을 의미한다) (16점)

제2문 (20점)

온도의 표준에 관해 연구하는 정부출연연구소에서 절대온도의 측정 실험을 진행하고 있다. 기체 상태인 2원자 분자(M2)를 피스톤이 달린 실린더에 채우고, 정압 조건에서 다양한 온도 변화에 따른 부피팽창을 측정하였다. 실험 결과, 0oC에서 측정한 부피팽창계수는 3.67×10-3(oC)-1로 파악되었다. 다음 물음에 답하시오. (총 20점)
  1. (1) 실험적으로 구한 부피팽창계수를 이용하여 절대온도(T, K)와 섭씨온도(t, oC)의 편차(a = T - t)를 구하시오. (단, \frac{{PV}}{{T}} = \frac{{P_{{0}} V_{{0}}}}{{T_{{0}}}}로 일정하며, 부피팽창계수는 \beta = \frac{{1}}{{V}} \left( \frac{{Partial V}}{{Partial t}} \right)_{{P}}이다) (12점)
  2. (2) 실린더의 압력(P, atm)이 0.75일 때, 기체의 밀도(ρ, g․dm-3)는 1.071로 측정되었다. 기체상수는 0.08206dm3․atm․mol-1․K-1으로 주어졌다. 이상기체상태 방정식을 이용하여 0oC에서 해당 기체의 분자량을 구하고, 해당 기체가 무엇인지 추측하시오. (단, 절대온도의 정의는 1)에서 구한 값을 사용하시오) (8점)

제3문 (30점)

. 물질1과 물질2의 이성분계에 대하여 기액 평형상태가 30oC에서 x_{{1}}＝0.3, y_{{1}}＝0.23, P＝10.1kPa(절대압)로 측정되었다. 다음 물음에 답하시오. (총 30점)
  1. (1) 이 계가 수정된 Raoult의 법칙을 따를 때, 위 조건에서 물질1과 물질2의 활동도 계수(activity coefficient, \gamma_{{1}}, \gamma_{{2}})를 각각 구하시오. (단, 증기압은 다음과 같은 Antoine식으로부터 구하시오) (10점)
    \log_{{10}} P^{{sat}} ( mmHg ) = {A - \frac{{B}}{{T (^{{o}} C ) + C}}}

    ABC
    물질18.011951698.785231.04
    물질28.321091718.10237.52
  2. (2) 이 계의 액상에서 다음과 같은 2－매개변수 Margules식이 적용될 때, Margules식 매개변수 A_{{12}}, A_{{21}}을 각각 구하시오. (12점)
    \frac{{G^{{E}}}}{{RT}} = ( A_{{21}} x_{{1}} + A_{{12}} x_{{2}} ) x_{{1}} x_{{2}}
  3. (3) 위의 2－매개변수 Margules식이 적용되는 동일한 계에서 30oC, x_{{1}}＝0.8일 때, 계의 압력(kPa)과 물질1의 기상 몰분율(y_{{1}})을 각각 구하시오. (8점)

제4문 (30점)

수성가스전환반응(water gas shift reaction, WGS)은 CO와 수증기가 반응하여 수소를 생산하는 반응이다. 반응식은 다음과 같다. (단, 모든 기체는 이상기체로 가정한다)
CO＋H2O↔CO2＋H2

표준상태(25oC)에서 각 성분의 생성엔탈피(kJ․mol-1) 및 Gibbs자유생성에너지(kJ․mol-1)는 아래 표와 같다. 물음에 답하시오. (총 30점)
COH2OCO2H2
ΔH－110.53－241.82－393.510
ΔG－137.17－228.57－394.360
  1. (1) 300oC에서 평형상수를 구하시오. (단, 반응엔탈피는 반응온도와 관계없이 일정하다) (16점)
  2. (2) 50molCO, 25molH2, 5molCO2의 기체로 채워져 있는 반응기에 수증기 100mol을 추가로 넣었다. 300oC에서 평형에 도달했을 때 CO의 전환율을 구하시오. (14점)