7급 국가직 전달현상 2023년 기출문제

동점도가 0.01 cm² s^-1로 일정한 비압축성 유체가 반지름이 10 cm인 관의 입구로 1 cm s^-1의 평균 속도로 들어간다. 관의 출구 반지름이 5 cm일 때, 출구에서 유체의 Reynolds 수(Re)는? (단, 정상상태이고, 어떠한 손실도 없다)

자연 대류의 설명으로 옳지 않은 것은?

비압축성 Newton 유체를 수평으로 놓인 평행한 두 평판 사이에 놓고, 아래 평판을 고정시킨 상태에서 위 평판을 10 m s^-1로 이동시키면서 힘을 측정하였다. 두 평판 사이의 거리는 1 mm, 위 평판과 유체의 접촉 면적은 100 cm², 정상상태에서 위 평판에 가해지는 수평 방향의 힘은 100 N일 때, 유체의 점도는?

U자관에 물과 비중이 0.8인 기름 기둥이 있다. 높이 $h$[cm]는? (단, 중력 가속도의 크기는 $g$이다)

서로 다른 기체 A, B를 분리막을 이용해 분리하고자 한다. 기체 A의 기체 B에 대한 용해도계수 비($\frac{S_{\mathrm{A}}}{S_{\mathrm{B}}}$)는 2이고, 확산계수 비($\frac{D_{\mathrm{A}}}{D_{\mathrm{B}}}$)는 0.1일 때, 기체 A의 기체 B에 대한 막 선택도 ($\frac{Q_{\mathrm{A}}}{Q_{\mathrm{B}}}$)값은?

온도가 $T_{\mathrm{A}}$와 $T_{\mathrm{B}}$로 일정한 평행한 두 회색체 표면 A와 B가 서로 마주 보고 있다. 각 표면은 무한히 넓고, 복사에너지 플럭스는 1.0 kW m^-2이다. $\sigma$($T_{\mathrm{A}}^4$ － $T_{\mathrm{B}}^4$) ＝ 6.5 kW m^-2이고 B의 방사율이 0.2일 때, A의 방사율은? (단, $\sigma$는 Stefan-Boltzmann 상수이고, 표면 $i$의 방사율($e_i$)과 흡수율($a_i$)은 $e_i$ ＝ $a_i$이다)

360 K에서 점도가 1.0 cP인 용매에 구형 물질 A가 무한희석 되어있다. Stokes-Einstein 방정식이 적용되고 A의 확산계수가 360 K에서 2.0 × 10^-7 cm² s^-1일 때, A의 직경[nm]은? (단, 원주율 $\pi$ ＝ 3이고, Boltzmann 상수는 1.4 × 10^-23 J K^-1이다)

기체 A, B 저장고를 연결하는 직선 튜브에서 등온, 등압, 정상상태로 등몰상호확산(equimolar counter-diffusion)하고 있다. 시간이 흐른 후, 지점 1에서 기체 A의 부분압이 45 kPa이고, 지점 2에서는 부분압이 15 kPa일 때, 지점 X에서 기체 A의 부분압[kPa]은? (단, 모든 기체는 반응하지 않는 이상기체이고, 수평 방향으로만 확산한다)

정지해 있는 비압축성 Newton 유체 내에서 중력에 의해 떨어지기 시작한 고체 구가 Stokes 영역에서 종단 속도에 도달하였다. 정상상태에서 열이 고체 구 표면으로부터 유체로 전달될 때, 열전달의 Nusselt 수(Nu)와 열전달의 Peclet 수(Pe)는 다음의 관계로 표현된다.

$\mathrm{N}\mathrm{u}\propto \mathrm{P}{\mathrm{e}}^n$

대류열전달계수가 고체 구의 지름과 무관해지기 위한 지수 $n$의 값은?

낮은 밀도에서 단원자 이상기체의 열전도도에 선형비례하는 것만을 모두 고르면?

ㄱ. 분자질량

ㄴ. 절대온도

ㄷ. 밀도

ㄹ. 평균 분자속도

1,000 A의 전류($I$)가 지름이 10 mm이고 단위 길이당 전기저항($R$)이 9 × 10^-5 Ω m^-1인 도선을 통해 흐른다. 공간의 온도는 20 °C이고 대류열전달계수는 50 W m^-2 K^-1이다. 아래 조건을 가정할 때, 도선의 표면온도[°C]는? (단, 단위 길이당 열생성속도 $q=I^{2}R$로 계산하고, 1 W m^-1 ＝ 1 A² Ω m^-1이며, 원주율 $\pi$ ＝ 3이다)

○ 피복이 없는 무한히 긴 원통형 금속 도선이다.

○ 도선은 공중에서 연결되고, 어떠한 물체의 접촉도 없다.

○ 생성되는 열이 모두 도선 표면으로 방출된다.

○ 열전달은 정상상태이고, 복사열전달은 무시한다.

이상기체의 확산에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

열 전도의 원리가 아닌 것은?

비－Newton 유체(non-Newtonian fluid)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

원통형 관 내부에 유체가 흐르고 온도는 $T_{\mathrm{a}}$로 일정하게 유지된다. 관의 내부반지름이 $r_{\mathrm{a}}$, 외부반지름이 $r_{\mathrm{b}}$이다. 원통형관 내부에서 외부로 정상상태의 전도열전달이 발생한다. 빗금 친 영역에서의 거리와 온도가 각각 $r_0$, $T_0$일 때, $T_{\mathrm{a}}$ － $T_0$에 비례하는 것은? (단, $r_{\mathrm{a}}<r_0<r_{\mathrm{b}}$와 $T_0<T_{\mathrm{a}}$이고, 전 영역에서 유체의 온도와 열유량의 크기는 일정하다)

용질 A는 어떤 평판 표면에서만 분해된다. A의 벌크농도(bulk concentration)는 1.0 g L^-1, 물질전달계수는 0.20 cm s^-1, 분해속도의 크기는 0.076 mg cm^-2 s^-1일 때, 평판 표면에서 A의 농도[mg cm^-3]는? (단, 평판은 무한히 넓고, 분해는 표면 전체에서 균일하게 일어난다)

그림에서 콘크리트와 마감재의 열전도도는 각각 1.0 W m^-1 K^-1와 0.5 W m^-1 K^-1이고, 내부에서 외부로 손실되는 열유속의 크기는 100 W m^-2, 외부와 내부 공기의 대류열전달계수는 100 W m^-2 K^-1이다. 외부 공기가 0 °C, 내부 공기가 26 °C로 일정하게 유지될 때, 단열재의 열전도도[W m^-1 K^-1]는? (단, 모든 벽의 깊이와 높이는 같고, 정상상태에서 두께 방향으로의 열전달만 고려한다)

점도가 0.001 Paㆍs, 밀도가 1,000 kg m^-3인 비압축성 Newton 유체가 수평으로 놓인 길이 1 m, 내부 지름 1 cm의 매끈한 원통형 도관 내부를 평균유속 10 cm s^-1로 흐르고 있을 때, 도관의 Fanning 마찰계수(Fanning friction factor)와 압력강하($|\Delta P|$)[Pa]는? (단, 도관의 내부 벽면은 모두 젖어있다. 또한 흐름은 등온, 정상상태의 완전발달 흐름이다)

Fanning 마찰계수 압력강하

어떤 현상의 독립 변수가 유체의 밀도, 압력, 부피 유량, 그리고 관의 지름과 길이만일 때, 이 현상을 좌우하는 독립적인 무차원 군의 개수는?

A, B로 나뉘는 원통형 수평 유로를 비압축성 Newton 유체가 왼쪽에서 오른쪽으로 등온, 완전발달, 정상상태, 층류로 흐르고 있다. A와 B 유로의 압력강하를 서로 동일하게 유지하면서, A의 부피 유량($Q_{\mathrm{A}}$)과 B의 부피 유량($Q_{\mathrm{B}}$)의 비를 $Q_{\mathrm{A}}$ : $Q_{\mathrm{B}}$ ＝ 1 : 16으로 달성할 수 있는 지름비($d_{\mathrm{A}}$ : $d_{\mathrm{B}}$)는? (단, 각 부분의 길이는 $L$로 동일하며, 유로가 나뉜 부분에서 발생하는 마찰손실은 무시한다)

그림과 같이 지면의 수직면에 $\theta$의 각도로 경사진 무한 평판 위에 액체가 흐르고 있다. 액체는 비압축성 Newton 유체로 흐름은 등온, 정상상태, 완전발달, 단일방향의 층류이다. 유체의 최대 속도가 $v_{\max }$일 때, 경막 두께($\delta$)는? (단, 기－액 계면에서의 전단응력은 0으로 가정하고, 중력가속도의 크기는 $g$, 액체의 밀도는 $\rho$, 액체의 점도는 0이 아닌 $\mu$이다)

피스톤 장치에 1 N의 힘을 가해 수평의 원통형 관으로부터 $x$ ＝ 0의 출구로 유체를 배출시키고자 한다. 관의 지름과 길이는 각각 2.0 cm, 1.0 m이고, 유체는 1,000 kg m^-3의 밀도와 10 Paㆍs의 점도를 가지는 비압축성 Newton 유체이다. Poiseuille 법칙과 다음의 관계를 가정할 때, 유체의 절반을 배출하기 위한 소요시간[s]은? (단, 원주율 $\pi =3$이다. 관과 피스톤 사이에 유체의 누출은 없고, 외부 압력은 일정하다. 피스톤과 벽면 마찰은 무시한다)

$\frac{Q}{A}$ ＝ $-\frac{dx}{dt}$, $t$ ＝ 0일 때 $x$ ＝ 1.0 m

$Q$는 유체의 부피 유량, $A$는 관의 단면적, $x$는 피스톤의 위치

45 mol%의 벤젠과 55 mol%의 톨루엔으로 구성된 포화증기를 80 mol%의 벤젠이 함유된 탑상 제품과 90 mol%의 톨루엔이 들어 있는 탑저 제품으로 분리할 정류탑을 설계하려고 한다. 환류비가 3일 때, McCabe-Thiele 선도에서 정류부 조작선과 원료 공급선 교점에서의 액체 벤젠의 몰분율은?

두께가 $H$인 투과막 내부에서 2A ＋ 3B → C의 반응이 진행되어 농도 구배가 형성되었다. A와 B의 확산계수가 $D_{\mathrm{A}}$와 $D_{\mathrm{B}}$로 일정할 때, 정상상태에서 A의 농도($c_{\mathrm{A}}$), B의 농도($c_{\mathrm{B}}$), $x_{\mathrm{R}}$에 대해 다음이 성립한다.

$\frac{c_{\mathrm{A}}}{c_{A0}}=1-\frac{x}{x_{\mathrm{R}}}$

$\frac{c_{\mathrm{B}}}{c_{\mathrm{B}0}}=\frac{x-x_{\mathrm{R}}}{H-x_{\mathrm{R}}}$

$\frac{x_{\mathrm{R}}}{H}=\frac{\gamma }{\alpha D_{\mathrm{A}}{c}_{A0}+\beta D_{\mathrm{B}}{c}_{B0}}$

확산만을 고려할 때, $\alpha$, $\beta$, $\gamma$를 바르게 연결한 것은? (단, $c_{A0}$ $\ne$ 0, $c_{B0}$ $\ne$ 0, C의 농도는 반응과 물질 전달에 영향을 미치지 않는다)

$\alpha$ $\beta$ $\gamma$

금속 구 주변의 유체에 다음의 에너지 방정식을 적용할 때, 유체에서의 열전달로 옳은 설명은?

$\frac{1}{r^2}\frac{\partial }{\partial r}\left(r^2\frac{\partial T}{\partial r}\right)+\frac{1}{r^2{\sin }^2\theta }\frac{{\partial }^{2}T}{\partial {\varphi }^2}=\frac{1}{\alpha }\frac{\partial T}{\partial t}\ne 0$

($r$, $\theta$, $\varphi$)는 구형좌표임