5급 공채 2차

2021년 5급 공채 기술 2차 화공열역학(필수)

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

제1문 (24점)

질소 기체의 비리얼 상태방정식 Z = 1 \, + \, B \, \, ' \, P \, + \, \cdots 의 제2비리얼 계수(B \, \, ')가 다음과 같이 온도 의존성을 갖는다.
B \, ' \, [ " \overline{"}^{{- 1}} ] = a \, + \, b \, T \, [ \mathrm{K} ] , \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, b = 0.0025 \, [ \mathrm{K}^{{- 1 \,}} " \overline{"}^{{- 1}} ]

질소의 일정압력 열용량(C_{{P}})이 3 R [\mathrm{J} \, \, \, \mathrm{mol}^{{- 1}} \, \mathrm{K}^{{- 1}}]의 값을 갖는다고 할 때, 다음 물음에 답하시오. (단, a와 b는 상수이고, R은 기체상수이다) (총 24점)
  1. (1) Joule-Thomson 계수를 나타내는 식을 유도하시오. (14점)
  2. (2) 300 \, \mathrm{K}, 1 \, {\mathrm{b} \mathrm{ar}} 상태에서 엔탈피가 일정하도록 온도를 400 \, \mathrm{K}으로 올린다고 할 때, 최종 압력을 구하시오. (10점)

제2문 (30점)

순수성분 ‘물질1’과 ‘물질2’의 증기압은 아래의 Antonie식과 상수(A, B, C \,)로 예측할 수 있다. ‘물질1’과 ‘물질2’가 4:6 몰비율로 혼합된 2성분계는 Raoult의 법칙을 따른다고 할 때, 다음 물음에 답하시오. (총 30점)
\ln \, P^{{sat}} \, [ \mathrm{kPa} ] \, = \, A - \frac{{B}}{{t [ ° \mathrm{C} ] + C}}

ABC
물질113.81932696.04224.317
물질213.93463123.13209.635
  1. (1) 기포점 온도가 120°C일 때, ‘물질1’과 ‘물질2’의 포화 증기압을 구하시오. (10점)
  2. (2) 기포점 온도 이하에서 가열을 통해 기포점에 도달하였을 때, 증기 내 ‘물질1’의 몰분율을 구하시오. (10점)
  3. (3) 이슬점 온도 이상에서 냉각을 통해 이슬점에 도달하였을 때, 이슬 내 ‘물질1’의 몰분율을 구하시오. (10점)

제3문 (22점)

1－프로판올(성분1)과 2－펜탄올(성분2)이 혼합된 계에서는 아래의 과잉 Gibbs 에너지 모델을 따른다. 다음 물음에 답하시오. (단, T는 온도, P는 압력, R은 기체상수이고, 성분1의 액상과 기상의 몰분율은 x_{{1}}, y_{{1}}이며 성분2의 액상과 기상의 몰분율은 x_{{2}}, y_{{2}}이다) (총 22점)
\frac{{G^{{E}}}}{{x_{{1}} x_{{2}} RT}} = A
  1. (1) \gamma_{{1}}을 성분1의 활동도라고 할 때, 위 식으로부터 \ln \gamma_{1}을 유도하시오. (10점)
  2. (2) 아래의 기－액 상평형 실험 자료와 \frac{{G^{{E}}}}{{RT}} = x_{{1}} \ln \gamma_{{1}} + x_{{2}} \ln \gamma_{{2}}의 관계식을 이용하여 A의 평균값을 결정하시오. (단, 기상은 이상기체이며 A의 평균값은 2성분 기－액 상평형 각 조성에서 구한 A값들의 산술 평균으로 한다) (12점)
    x_{{1}}y_{{1}}P \, [ \mathrm{kPa} ]
    0.00.02.261
    0.20220.43323.189
    0.40300.67844.154
    0.60260.82825.097
    1.01.06.970

제4문 (24점)

1 , 000 \, \mathrm{K}, 0.5 \, \mathrm{ba} \mathrm{r}에서 H_{{2}}와 CO 기체를 생산하기 위해 순수한 수증기(H_{{2}} O \,)가 고체 탄소의 다공성층을 흐르며 H_{{2}} O ( g ) + C \, ( s ) \, < - > \, H_{{2}} ( g ) + CO ( g )의 반응이 일어나고 있다. 화합물의 표준생성엔탈피 (\Delta H_{{f}}^{{o}})와 표준생성깁스에너지(\Delta G_{{f}}^{{o}})가 아래의 표와 같이 주어질 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 표준생성엔탈피는 일정하다) (총 24점)
\Delta H_{{f}}^{{o}} \, [ \mathrm{kJ} \, \mathrm{mol}^{{- 1}} ]\Delta G_{{f}}^{{o}} \, [ \mathrm{kJ} \, \, \mathrm{mol}^{{- 1}} ]
H_{{2}} O ( g )－241.82－228.57
H_{{2}} ( g )00
CO ( g )－110.53－137.17
  1. (1) 평형에서 수증기 1 \, \mathrm{mol}당 생산되는 수소(H_{{2}})의 양[ \mathrm{mol} ]을 구하시오. (14점)
  2. (2) 반응기로 들어가는 수증기의 유량이 5 \, \mathrm{mol} \, \, \, \mathrm{s}^{{- 1}}일 때, 계를 1 , 000 \, \mathrm{K}로 유지하기 위해서는 열을 공급해야 하는지 또는 제거해야 하는지를 기술하고, 그 양[ \mathrm{kW} ]을 구하시오. (10점)