5급 공채 2차

2019년 5급 공채 기술 2차 화공열역학

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

제1문 (10점)

378K, 15atm에서 어떤 기체의 몰부피가 이상기체 상태 방정식으로 계산한 값보다 16% 크다. 다음 물음에 답하시오. (단, R＝0.082L․atm․mol－1․K－1 이고, 계산값은 소수점 둘째 자리에서 반올림한다) (총 10점)
  1. (1) 주어진 조건에서 기체의 압축인자와 몰부피[L․mol－1]를 각각 계산하시오. (7점)
  2. (2) 인력과 반발력 중 지배적인 상호작용을 선택하고, 그 이유를 설명하시오. (3점)

제2문 (45점)

제트엔진은 ‘압축기－히터－터빈－노즐’로 구성되어 있다. 신규 프로토타입 제트엔진을 풍동실험실에서 시험하고 있다. 압축기 입구(1지점)에서 공기의 상태는 100kPa, 15oC이다. 엔진은 정상상태에서 운전 중이며, 압축기, 터빈, 노즐은 가역 단열 공정이다. 압축기와 터빈의 일의 절댓값은 같으며, 입구와 출구에서 운동에너지와 위치에너지의 변화는 없다. 공기는 이상기체이고, 정압비열은 1.004kJ․kg－1․K－1로 일정하며 비열비(γ)는 1.4이다. 다음 물음에 답하시오. (단, 계산값은 소수점 첫째 자리에서 반올림한다) (총 45점)
압축기
터빈
히터
노즐
2
3
4
5
1
P5＝100kPa
T5
P3＝1,000kPa
T3＝1,100°C
P2＝1,000kPa
T2
P1＝100kPa
T1＝15°C
P4
T4
  1. (1) 히터로 유입되는 공기의 온도(T2)[K]와 노즐에 유입되는 공기의 온도(T4)[K]를 구하시오. (12점)
  2. (2) 제트엔진 노즐에서 배출되는 공기의 속도[m․s－1]를 구하시오. (단, 노즐 출구에서의 속도는 입구에서의 속도에 비해 매우 빠르다) (18점)
  3. (3) 실제 비행은 지상 10km 이상에서 이루어진다. 이때 노즐에서 배출되는 공기의 속도[m․s－1]를 구하시오. (단, 해당 고도에서 압축기로 유입되는 공기의 상태는 23kPa, －50°C이며, P2＝P3＝230kPa이다. 노즐 출구의 압력(P5)은 23kPa이며, 다른 조건은 모두 동일하다) (15점)

제3문 (20점)

외부 기온이 30°C로 항상 일정할 때, 실내 온도를 25°C로 유지하기 위하여 공기조화기(air conditioner)를 사용한다. 내부에서 70kJ․s－1로 열이 제거될 때, 30일 동안 연속으로 공기조화기를 가동하기 위해 필요한 전기요금[원]을 구하시오. (단, 전기요금은 1kWh당 50원이며, 공기조화기의 성능계수는 Carnot 냉동기 성능계수 값의 70%이다) (20점)

제4문 (25점)

25°C, 1기압에서 반응식 (가)는 물(H2O)을 전기분해하여 수소(H2) 기체를 생산하는 반응을, 반응식 (나)는 연료전지에서 수소와 산소(O2)를 전극에서 산화, 환원시켜 전력을 얻는 총괄반응을 나타낸다. 다음 물음에 답하시오. (단, 25°C, 1기압에서 물, 수소, 산소의 엔트로피는 각각 S_{{H_{{2}} O}}＝70J․mol－1․K－1, S_{{H_{{2}}}}＝131J․mol－1․K－1, S_{{O_{{2}}}}＝205J․mol－1․K－1이며, 반응식 (가)의 엔탈피변화는 \Delta H＝286kJ․mol－1, Faraday 상수값은 96,485Coulomb․mol－1이다) (총 25점)
(가) H_{{2}} O ( l ) \, \, \, \, - > \, \, \, \, H_{{2}} ( g ) \, \, \, + \, \, \, \frac{{1}}{{2}} O_{{2}} ( g )
(나) H_{{2}} ( g ) \, \, \, + \, \, \, \frac{{1}}{{2}} O_{{2}} ( g ) \, \, \, \, - > \, \, \, \, H_{{2}} O ( l )
  1. (1) 반응식 (가)에 의해 1몰(mol)의 수소를 생산하기 위한 최소 전기일[kJ]을 구하시오. (10점)
  2. (2) 반응식이 (나)인 연료전지의 기전력(emf)[V]을 구하시오. (10점)
  3. (3) 연료전지에서 얻을 수 있는 최대 효율을 구하시오. (5점)