7급 국가직 전달현상 2018년 기출문제

수평으로 고정된 평판 위를 흐르는 유체의 Reynolds 수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

증류탑에서 공급단으로 들어가는 공급원료가 과열증기(superheated vapor)상태이다. 공급단에서 9몰의 공급원료에 대하여 2몰의 액체가 기화할 때, 원료공급선(feed line)의 기울기는?

연구용 잠수함이 해저 1 km에서 운항 중이다. 잠수함 내부의 절대압력이 1 atm일 때, 잠수함에 설치된 지름이 20 cm인 창에 가해지는 힘[kN]은? (단, 해수의 밀도는 1.1 g cm^-3이고, 중력가속도는 9.8 m s^-2이다)

이성분계 기체확산계수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

열교환기에서 관(pipe) 내부유체에 대한 열전달계수가 600 W m^-2 K^-1이고, 관 외부유체에 대한 열전달계수가 500 W m^-2 K^-1일 때, 관 내부면적을 기준으로 한 총괄열전달계수[W m^-2 K^-1]는? (단, 관의 내부지름은 5 cm, 두께는 0.5 cm이며, 관에서 전도를 통한 열전달저항은 무시한다)

300 K에서 수소가 수평으로 놓인 평판 고분자 막을 통해 확산하고 있다. 막의 상부와 하부에서의 압력은 각각 3 × 10⁶ Pa과 5 × 10⁵ Pa이다. 이 온도에서 막에 대한 수소의 투과계수(permeability coefficient)가 4 × 10^-13 mol m^-1 s^-1 Pa^-1이고, 수소의 몰플럭스(molar flux)가 3.6 kmol m^-2 h^-1일 때, 막의 두께[μm]는?

반지름이 $R$인 수평 관(pipe) 안에서 비압축성 뉴톤유체(Newtonian fluid)가 층류로 흐르고 있다. 이 흐름은 Hagen-Poiseuille 관계식을 만족하며 완전발달된 속도분포를 보인다. 관 안에서 유체의 최대속도($v_{max}$)는? (단, $\Delta P$는 압력차의 절대값이고, $L$은 관의 길이이며, $\mu$는 유체의 점도이다)

지름이 10 cm이고 표면온도가 400 K인 강철봉(steel rod)이 공기와 벽의 온도가 모두 300 K인 방 한가운데에 수평으로 매달려 있다. 열전달계수는 10 W m^-2 K^-1이고, 강철봉에서 방출된 복사에너지는 모두 벽으로 전달된다고 할 때, 강철봉의 단위길이당 총 열손실[W m^-1]은? (단, 봉의 길이는 지름에 비해 매우 크고, 강철봉과 벽은 흑체이며, Stefan-Boltzmann 상수 값은 1 × 10^-8 W m^-2 K^-4이라고 가정하고, 전도에 의한 열전달은 무시한다)

공기 중의 기체 A를 물에 흡수시키고자 한다. 이 기체흡수 공정에서 평형선의 기울기는 1이며, 액체경막저항이 기체경막저항의 5배이다. 액체경막계수만 변화시켜 A의 흡수속도를 2배로 높이기 위해서는 액체경막계수를 처음의 몇 배로 해야 하는가?

고체물질 $C$ 내에서 물질 $A$와 $B$가 확산하고 있다. 이들의 확산계수를 각각 $D_{AC}$ 와 $D_{BC}$라고 하자. 이 확산계수들은 온도에 대해 Arrhenius 식의 형태를 따르고, 온도가 높아지면서 $D_{AC}$ 와 $D_{BC}$는 동일한 값으로 수렴할 때, 온도 $T_2\left(=\frac{T_1}{2}\right)$에서의 $\frac{D_{AC}}{D_{BC}}$ 는 온도 $T_1$에서의 $\frac{D_{AC}}{D_{BC}}$의 몇 배인가? (단, $R$은 기체상수이고, 모든 온도에서 물질 $A$의 확산활성화에너지는 $R{T}_1$, 물질 $B$의 확산활성화에너지는 $2R{T}_1$로 일정하다)

기체 $A$가 고체 촉매표면에서 화학반응 $A\to 2B$를 통해 기체 $B$로 전환된다. 촉매표면의 기체경막을 통한 $z$-방향 확산에 비해 반응속도가 매우 빠를 때, $A$의 $z$-방향 몰플럭스($N_{A,z}$)는? (단, $y_A$는 $A$의 기상 몰분율, $D_{AB}$는 확산계수, $z$는 기체 영역에서 촉매표면으로의 좌표이며, $c$는 전체 농도로 일정하다)

직렬로 연결된 세 개의 고체평판 A, B, C 층을 통과하는 정상상태 열흐름에서 각 층의 온도 분포는 그림과 같다. A, B, C 각 평판의 두께($L$)는 10 mm, 20 mm, 40 mm이고, 각 평판에서의 온도 차이($\Delta T$)는 40 K, 20 K, 10 K이다. 열전도도가 가장 큰 평판은 어느 것이며, 평판 B의 열전도도는 평판 A의 열전도도의 몇 배인가?

비압축성 유체가 4 cm s^-1의 평균속도로 내부지름이 4 cm인 관(pipe) 안에서 흐르고 있다. 이 유체의 밀도가 2 g cm^-3이고 점도가 2 cP일 때, Fanning 마찰인자(friction factor)는?

그림과 같이 벽에 부착된 지름이 $D$이고 길이가 $L$인 봉(rod) 형태의 알루미늄 핀(fin)을 통해 열이 방출되고 있다. 핀 외부로의 대류와 $x$-방향의 1차원 정상상태 열전도만을 고려한 핀에서의 온도 분포($T=T(x)$) 지배방정식은? (단, $h$는 열전달계수이고, $k$는 핀의 열전도도이며, $T_0$는 벽의 온도, $T_b$는 공기의 온도이고, $T_0>T_b$이다)

창문에 환풍기를 설치하여 실내의 오염된 공기를 실외로 방출하고자 한다. 피토정관(pitot-static tube)의 차압계를 환풍기 바로 외부에 설치하여 압력차를 측정하였더니 260 Pa이었다. 환풍기를 통해 방출되는 공기 흐름의 속도[m s^-1]는? (단, 공기의 밀도는 1.3 kg m^-3이고, 피토정관에 대한 마찰은 무시한다)

열린 탱크가 300 K의 공기에 노출된 상태로 벤젠을 저장하고 있다. 300 K에서 벤젠의 증기압이 1.2 × 10⁴ Pa, 물질전달계수가 0.08 m s^-1일 때, 벤젠의 증발속도[mol m^-2 s^-1]는? (단, 기체상수는 8.0 Pa m³ mol^-1 K^-1이다)

이중관 열교환기에서 고온 유체가 작은 관(pipe) 내부를, 저온 유체가 두 관 사이의 환상 공간(annular space)을 통해 흐르고 있다. 두 유체의 흐름은 난류이고 모든 관의 표면은 매끄럽다. 작은 관 벽 근처에서 관의 반지름 $r$-방향에 대한 저온 유체의 온도 분포 함수 $T=T_w-2(r-r_i)$일 때, 저온 유체에 대한 Nusselt 수는? (단, $r_i$는 작은 관의 외부 반지름, $D_{eq}$는 환상 공간의 상당지름(equivalent diameter)이고, $T_m$은 저온 유체의 평균온도, $T_w$는 저온 유체와 접한 작은 관의 벽면 온도이다)

내부지름이 10 mm, 외부지름이 20 mm인 고무 관(pipe)의 내벽 온도가 275 K, 외벽 온도가 300 K로 일정하게 유지되고 있다. 이 관을 통한 열전달량이 15 W일 때, 이 관의 길이[m]는? (단, 고무의 열전도도는 0.0151 W m^-1 K^-1이고, ln 2 ＝ 0.7로 가정한다)

다음의 2차원 속도장(velocity field) 중에서 비압축성 흐름이 아닌 것은? (단, $u$와 $v$는 각각 $x$-방향의 속도와 $y$-방향의 속도이며, 시간($t$) > 0이다)

$u$ $v$

밀도가 1,000 kg m^-3인 물이 관(pipe) 안을 일정한 유속으로 흐른다. 관 출구는 입구보다 4 m 높고, 입구에서의 절대압력은 1 kg_f cm^-2, 출구에서의 절대압력은 2 kg_f cm^-2이다. 물이 펌프에 의해 물 1 kg당 20 kg_f m의 에너지를 공급받는다면, 관에서 마찰에 의한 에너지 손실[kg_f m kg^-1]은?