7급 국가직 전달현상 2009년 기출문제

지름이 100 mm인 원관에 정상상태에서 물이 평균속도 10 cm/s로 흐르고 있다. 물의 밀도와 점도는 각각 1 g/cm³와 1 cP 일 때, 레이놀즈 수(Reynolds number)는?

밀도와 점도가 일정한 유체가 지름 D₁인 수평 원관 내부를 일정한 속도로 흐를 때, 평균속도가 v₁에 이르기까지는 층류가 유지되는 것이 관찰되었다. 만일 동일한 유체를 지름이 D₂인 원관의 내부를 흐르게 할 때, 이 흐름이 층류가 유지되는 최대 평균속도는? (단, 두 흐름은 모두 완전발달되어 있다)

가열되고 있는 내부 지름이 $\mathrm{D}$인 원관의 안으로 유체가 $\dot{\mathrm{m}}$의 질량속도로 흐르면서 가열되고 있다. 축방향의 거리에 대한 원관의 벽면과 흐르는 유체사이의 온도차에 대한 평균치는 $\mathrm{\Delta }{\mathrm{T}}_1$으로 주어진다. 유체가 원관을 통과하면서 출구에서의 온도가 입구에서보다 $\mathrm{\Delta }{\mathrm{T}}_2$만큼 변화하기 위해 필요한 원관의 길이는? (단, 유체의 정압비열과 평균열전달계수는 각각 ${\mathrm{c}}_{\mathrm{p}}$와 ${\mathrm{h}}_{\mathrm{L}}$이다)

두께가 5 × 10^－2 m, 열전도도가 5 kcal/m·hr·°C 인 평판의 한 면에는 벌크온도가 120 °C인 수증기가, 다른 한 면에서는 벌크온도가 70 °C인 물이 각각 접하여 열이 전달되고 있다. 이 평판에서 수증기와 접하고 있는 면과 물과 접하고 있는 면에 대하여 열전달계수가 각각 50 kcal/m²·hr·°C와 100 kcal/m²·hr·°C로 주어진다. 열전달 추진력을 수증기의 벌크온도와 물의 벌크온도의 차로 할 때 총괄 열전달계수 [kcal/m²·hr·°C]는?

기체 A가 한방향 확산(one-way diffusion)에 의하여 계면으로부터 기체의 벌크상으로 정상상태에서 이동하고 있다. 계면에서 기체 A의 몰분율이 0.8, 벌크상에서 A의 몰분율이 0.6일 때의 물질전달속도는 N_A이다. 계면에서 기체 A의 몰분율은 동일하고 벌크상에서 A의 몰분율을 0.2로 변경하면, 기체 A의 물질전달속도는 N_A의 몇 배 인가?

수평 원관에서 뉴톤성 유체가 축방향의 압력차에 의하여 층류로흐를 때, 반경방향(r)에 대한 속도분포(u)와 응력분포($\tau$)를 바르게 도시한 것은? (단, 이 흐름은 정상상태에서 완전발달되어 있다)

초기에 균일한 온도 10 °C 상태로 있는 지름이 5 cm인 구슬이 온도 120 °C인 액체 속에 넣어졌다. 이 구슬의 평균 온도가 100 °C가 될 때까지 걸린 시간이 16 s 였다. 같은 온도 조건에서 구슬의 지름만 10 cm로 바뀌었다면, 이 구슬의 평균 온도가 100 °C가 될 때까지 소요되는 시간 [s]은? (단, 구슬의 표면온도는 액체 속에 넣어지는 순간 액체의 온도와 같다)

공간상에서 평행하게 일정거리가 떨어져 있는 회색체(gray body)인 두 개의 판 1과 판 2가 ${\mathrm{T}}_1$과 ${\mathrm{T}}_2(<{\mathrm{T}}_1)$로 각각 일정한 온도로 유지되고 있다. 판 1과 판 2의 면적이 A로 서로 같을 때, 판 1에서 판 2로 전달되는 순열복사속도(net rate of thermal radiation)는? (단, 두 판 간의 관측계수는 1로 가정하고, $\sigma$는 Stefan-Boltzmann 상수, ${ϵ}_1$과 ${ϵ}_2$는 각 판의 방사율(emissivity)을 나타낸다)

길이(L)가 0.2 m인 수평 평판 위로 공기가 판의 길이방향으로 Re_L ＝ 100인 층류로 흐르고 있다. 평판의 표면으로부터 물질 A가 공기 속으로 전달될 때, 셔우드 수는 Sh_L ＝ 0.332 Re_L^1/2Sc^1/2의 상관식으로 표현된다. 공기의 동점도가 4 × 10^－5m²/s 이고, 물질 A의 공기 중의 확산계수가 1 × 10^－5m²/s로 주어질 때, 대류물질전달계수 [m/s]는? (단, Sh_L와 Re_L은 길이 L로 평균화된 셔우드 수와 레이놀즈 수를 나타내고, Sc는 슈미트 수이다)

수소가 두께 10 mm인 고무판을 통과하여 확산되고 있다. 정상상태의 물질확산에서 고무판의 한쪽 면에서 수소의 농도는 4.7 mol/m³이고, 고무판의 다른 쪽 면에서 수소의 분압은 0이며 외부확산 저항은 없다. 고무판을 통과하는 단위 면적당 수소의 확산속도[mol/m²·s]는? (단, 확산은 정상상태를 유지하고 있으며, 고무판에 대한 수소의 확산계수는 $1.8\times 10^{-10}$ m²/s이다)

수압이 1.3 atm이 되면 물속에서 사람은 귀에 고통을 느낀다. 아무런 장비없이 귀에 고통을 느끼지 않고, 사람이 바닷속으로 잠수할 수 있는 최대 깊이[m]는? (단, 중력가속도는 9.8 m/s² , 해수면에서 대기압은 1 atm(＝1.013 × 10⁵ Pa), 바닷물의 밀도는 1.025 g/cm³으로 가정한다)

수평 원관에서 층류로 완전발달된 Hagen-Poiseuille 흐름에서 압력차의 변화없이 원관의 지름을 2배, 길이를 8배로 증가시킬 때 부피 유량은? (단, 유체의 물성은 일정하다)

열전도도와 두께가 각각 다른 3개(i ＝ 1, 2, 3)의 평판들의 면이 접하여 다중층을 이루고 있다. 다중층의 한 끝면과 다른 끝면 사이에 온도차가 있어, 면의 수직방향으로 열이 정상상태로 전도되고 있다. 각 층의 열전도도가 100 k₁ ＝ 10 k₂ ＝ k₃의 관계에 있을 때, 총괄 열속(total heat flux, Q/A)과 각 층의 개별 열속(individual heat flux, Q_i/A)의 관계를 올바르게 표현한 식은? (단, 다중층은 두께에 비하여 면적이 매우 넓고, 다중층에서 판 사이에는 공극이 없다)

반지름이 R₁ [m]인 굵은 니크롬선에 전류를 흐르게 하여, 니크롬선의 단위 부피당 일정한 G [W/m³]의 속도로 열이 발생하고 있다. 정상상태에서 니크롬선의 중심축(r ＝ 0)으로부터 R₁/2지점에서 r방향으로 전달되는 열속(heat flux) [W/m²]은? (단, 니크롬선이 반지름에 비하여 매우 길어서 길이 방향으로의 열전달은 무시하고, 니크롬선의 외부에서는 열저항이 없다고 가정한다)

기-액 평형상태에 있는 벤젠과 톨루엔의 혼합물이 있다. 이 상태에서 순수한 벤젠과 톨루엔의 증기압은 각각 700 mmHg과 500 mmHg이다. 액상에서 벤젠의 몰분율이 0.7일 때, 기상에서 벤젠의 몰분율은? (단, 액상과 기상에서의 혼합물은 각각 이상용액과 이상기체로 가정한다)

경사진 평면위에서 액체가 중력의 영향으로 일정한 두께로 흘러내리고 있다. 이 액체층의 윗면이 대기에 노출되어 있고, 평면에 평행한 방향으로 흐르는 완전발달된 속도 u [cm/s]의 분포는 층류로서 u ＝ u_max(y － y²/4)으로 표현된다. 이 액체층의 두께 [cm]는?

(단, y는 경사진 평면으로부터의 수직거리를 나타내고, u_max는 8 cm/s이다)

x-y 직교좌표계의 2차원 유동장에 대한 속도 성분식(u, v)에 대하여, 비압축성 유동에 대한 식은? (단, xy ≠ 0이다)

u v

등몰로 혼합되어 있는 2성분계 혼합물의 한 성분을 증류탑의 탑저와 탑정에서 각각 5 mol%와 95 mol%의 농도로 얻고자 한다. 이 혼합물의 증류공정에서 상대휘발도가 3, 총괄효율이 50 %라면, 이때 필요한 최소단수는? (단, 편의상 ln 2 ＝ 0.7, ln 3 ＝ 1.1, ln 5 ＝ 1.6, ln 19 ＝ 2.9로 놓고, 모든 소수점은 둘째자리에서 반올림한다)

기-액 경계면에서의 물질전달 공정에서 기상 개별물질전달계수를 k_G , 액상 개별물질전달계수를 k_L , 헨리법칙 상수(Henry’s law constant)를 H라 한다. 분압차를 물질전달 구동력으로 할 경우에 효과적으로 사용할 수 있는 기상 총괄물질전달 계수 K_G에 대한 올바른 식은? (단, 기-액 경계면에서 물질전달저항은 없다)

몰비로 1 : 3인 메탄올과 아세톤 혼합액의 비점은 130 °C이고, 평균몰비열과 평균몰잠열은 각각 50 kcal/kgmol·°C과 8,000 kcal/kgmol로 주어진다. 이 혼합액이 50 °C에서 정류탑으로 공급될 때, 원료공급선의 방정식은? (단, x와 y는 각각 액상과 기상에서의 메탄올 몰분율이다)