5급 공채 2차

2024년 5급 공채 기술 2차 열역학

문제 4개 · 50점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.

제1문 (15점)

길이와 단면적이 각각 L \,과 A이고, 열전도도가 k인 금속 봉의 양쪽 온도는 각각 T_{H} \,, T_{L} \,(T_{H} \,>T_{L} \,)로 일정하게 유지되고 있다. 열전달로 인해 봉에서 발생하는 엔트로피 생성률({\dot{{S_{{g en}}}}})을 최소화하기 위해 봉의 중앙을 냉각하여 온도 T_{m}을 유지하고 있다. 다음 물음에 답하시오. (총 15점)
[그림]
  1. (1) 봉의 중앙부 온도(T_{m})를 T_{H} \,와 T_{L} \,로 나타내시오. (10점)
  2. (2) T_{H} \,가 절대온도로 T_{L} \,보다 2배 클 때, Q_{H} \,:Q_{L} \,:Q_{m} 비를 구하시오. (단, 비율을 나타낼 때 Q_{L} \,을 1로 한다) (5점)

제2문 (10점)

그림과 같이 움직이는 부품없이 고압으로 압축된 기체를 뜨거운 흐름과 차가운 흐름으로 분리하는 정상상태(steady-state) 장치인 볼텍스 튜브(Ranque-Hilsh vortex tube)가 있다. 볼텍스 튜브의 표면이 단열되어 있어 주변과의 열교환은 무시할 수 있다. 다음 물음에 답하시오. (단, 공기의 기체상수, 정압비열, 정적비열은 각각 0.287kJ/kgㆍK, 1.005kJ/kgㆍK, 0.718kJ/kgㆍK로 일정하다) (총 10점)
[그림]
  1. (1) 입구 1로 25°C, 1MPa의 압축공기가 공급되고, 출구 2로 0°C, 0.1MPa로 냉각된 공기가 배출되며, 출구 3으로 50°C, 0.1MPa로 가열된 공기가 배출된다. 입구 1로 주입된 압축공기 중 출구 2로 배출되는 공기의 질량 비율을 구하시오. (5점)
  2. (2) 위 1)의 조건에서 입구 1로 주입된 압축공기의 단위 질량유량 당 엔트로피 생성량 s_{{g}}[kJ/kgㆍK]을 구하시오. (5점)

제3문 (10점)

95°C, 45kg의 물로 채워진 용기가 12°C, 90m3의 공간에 놓여있다. 공간의 초기압력은 101.3kPa이고, 물과 공기 사이의 열전달로 열평형을 이루게 된다. 다음 물음에 답하시오. (단, 공기의 기체상수, 정압비열, 정적비열은 각각 0.287kJ/kgㆍK, 1.005kJ/kgㆍK, 0.718kJ/kgㆍK로 일정하고, 물의 비열은 C_{w}＝4.18kJ/kgㆍK로 일정하다. 또한, 공기는 이상 기체이고, 물 용기의 부피는 무시하며, 공간은 외부와 완벽하게 단열되어 있다고 가정한다) (총 10점)
[그림]
  1. (1) 최종 열평형 온도[°C]를 구하시오. (5점)
  2. (2) 엔트로피 생성량[kJ/K]을 구하시오. (5점)

제4문 (15점)

질량 100kg, 비열 0.8kJ/kgㆍK인 고체 물질의 초기 온도가 227°C이고, 이 물체가 27°C인 주위로 열을 방출하여 27°C인 상태로 최종 냉각되었다. 이 과정의 가역일[kJ]을 계산하시오. (단, 과정 중의 운동에너지 및 위치에너지는 무시하고, 과정 동안 외부로부터의 일은 없다) (15점)