7급 국가직 전달현상 2025년 기출문제

액체를 비활성 기체와 접촉시켜 액체로부터 휘발성 용질을 제거하는 분리조작 방법은?

점도에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

ㄱ. 모든 유체의 점도는 온도가 증가할수록 감소한다.

ㄴ. Newton 유체의 전단응력과 전단변형률의 관계는 선형이다.

ㄷ. 낮은 밀도, 비극성, 단원자 기체의 점도는 기체의 분자량에 영향을 받는다.

지름이 일정한 원형도관의 완전발달 층류에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 도관 표면에서 비미끄럼 조건이 성립하고, 정상상태의 비압축성 Newton 유체를 고려한다)

두 종류의 구형 나노입자 A와 B를 각각 용매에 분산하여 확산계수를 측정하였다. 상온에서 나노입자 A의 확산계수는 1.5 × 10^-6 cm² s^-1, 나노입자 B의 확산계수는 6.0 × 10^-7 cm² s^-1로 측정되었다. 나노입자 A의 반지름은 나노입자 B의 반지름의 몇 배인가? (단, 사용된 용매는 동일하며, 측정된 확산계수는 Stokes－Einstein 방정식을 만족한다)

무차원수에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

그림과 같이 두 개의 고정된 평판 사이에 두께가 얇은 평판 하나가 놓여 있고, 평판 사이의 공간에는 각각 점도가 ${\mu }_1$과 ${\mu }_2$인 비압축성 Newton 유체가 완전히 채워져 있다. 중간 평판과 고정된 평판 사이의 수직거리는 각각 $h_1$과 $h_2$이고, 중간 평판이 유체와 만나는 면적은 윗면과 아랫면에서 각각 $A$로 동일하다. 중간 평판이 수평 방향으로 $V$의 속도로 움직이는 데 필요한 힘은? (단, 모든 평판은 평행하며 충분히 길고 넓어서 끝부분과 측면의 영향을 무시할 수 있다. 중간 평판이 움직이며 생기는 유체의 흐름은 Couette 유동으로 비미끄럼 조건이 적용된 정상상태의 완전발달 층류이고, 중력의 영향은 무시한다)

물이 4 m s^-1의 유속으로 펌프에 유입되어, 9 m 높이에서 6 m s^-1의 유속으로 배출된다. 유입구와 배출구에서 물의 압력은 각각 700 kPa과 1,400 kPa이다. 유입되는 물의 질량 유량이 0.5 kg s^-1일 때, 펌프의 출력[W]은? (단, 물의 흐름은 원형도관 내 정상상태의 플러그 유동으로 베르누이 방정식을 만족한다. 모든 마찰 손실은 무시하고, 물의 밀도는 1,000 kg m^-3, 중력가속도($g$)는 10 m s^-2로 계산한다)

경사면 위를 비압축성 Newton 유체가 정상상태의 단일 $x$방향 층류로 흘러내린다. 경사면과의 수직거리 $y$에 따른 유체의 $x$방향 속도의 분포 $V_x(y)$가 $\frac{\rho g{L}^2}{2\mu }\left[\frac{y}{L}-\frac{1}{2}{\left(\frac{y}{L}\right)}^2\right]$일 때, 유체의 $x$방향 평균속도는? (단, $\rho$는 유체의 밀도, $\mu$는 유체의 점도, $g$는 중력가속도, $L$은 유체의 두께이다)

주어진 유선 함수(stream function)로부터 결정되는 $x$방향 속도와 $y$방향 속도를 바르게 연결한 것은? (단, 모든 변수는 무차원화 되어있다)

유선 함수: $8y^2-xy-8x^2$

$x$방향 속도 $y$방향 속도

그림과 같이 구성된 저장고 내부의 기름, 물, 수은의 비중은 각각 0.8, 1.0, 13.6이다. 저장고 내부의 공기압($P_A$)이 대기압($P_{\mathrm{atm}}$)보다 60 Pa 클 때, 저장고 내부의 기름의 높이($x$)[cm]는? (단, 물의 밀도는 1,000 kg m^-3, 중력가속도($g$)는 10 m s^-2로 계산한다)

열확산계수(thermal diffusivity)와 차원이 동일한 것만을 모두 고르면?

ㄱ. 동점도(kinematic viscosity)

ㄴ. 열전도도(thermal conductivity)

ㄷ. 체적팽창계수(volume expansion coefficient)

ㄹ. 물질확산계수(mass diffusivity)

복사 열전달에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

어떤 현상에 대해 9개의 변수가 있고, 변수들의 독립된 차원이 5개이다. 무차원 매개변수의 개수는? (단, 무차원 매개변수는 서로 독립이다)

Grashof 수는 유체의 자연대류 현상을 분석하는 데 필요한 무차원수이다. Grashof 수를 구성하는 요소가 아닌 것은?

동일한 원통형 기공에서 Knudsen 확산계수가 가장 큰 것은? (단, 네온과 아르곤의 원자량은 각각 20, 40이다)

비정상상태의 유선(streamline)에 대한 설명으로 옳은 것은?

그림은 내면과 외면의 온도가 각각 500 K와 400 K로 유지되는 사각 도관의 단면이다. 도관에서의 열 발생은 없으며, 열전도도는 일정하다. 정상상태에서 열전도만을 고려할 때, ${\mathrm{T}}_1$과 ${\mathrm{T}}_2$에서의 온도 차이[K]는? (단, 그림 내 격자의 간격은 모두 동일하고, 온도 차이는 절댓값으로 계산한다)

단열상태의 일회 통과형 향류흐름 열교환기에 온도가 450 K인 기름을 2 kg s^-1의 질량 유량으로 통과시켜 350 K로 냉각시킨다. 냉각 매체로는 온도가 300 K인 물이 사용되며, 열교환기에 유입되는 물의 질량 유량은 2 kg s^-1이다. 총괄열전달계수가 400 W m^-2 K^-1일 때, 열전달 면적[m²]은? (단, 열교환기는 열 손실이 없는 정상상태로 운전되며, 내부 도관의 열저항은 무시한다. 기름과 물의 비열은 각각 2,000 J kg^-1 K^-1과 4,000 J kg^-1 K^-1로 일정하며, ln2 ＝ 0.7로 계산한다)

초기 온도 $T_0$의 금속구 A, B를 각각 온도 $T_{\infty }$의 유체로 채워진 용기에 담갔다. A의 반지름은 B의 2배이고, 대류 열전달계수는 서로 동일하다. 구의 온도 $T$가 주어진 관계식을 따를 때, $T$ ＝ $2T_0$가 되는 데 걸리는 시간은 A가 B의 몇 배인가? (단, A와 B는 동일한 금속이고, 용기는 매우 크다)

$\frac{T-T_{\infty }}{T_0-T_{\infty }}=\exp (-\mathrm{Bi}\cdot \mathrm{Fo})$

Bi는 Biot 수, Fo는 Fourier 수

그림과 같이 의료용 패치 상단 면에 약물을 지속적으로 공급하여, 패치 영역 최상단에서의 약물 농도를 0.1 $\mu$mol cm^-3으로 유지한다. 패치의 두께는 1 mm이고, 피부와의 접촉 면적은 10 cm²이다. 패치 내에서 약물의 확산계수가 1.0 × 10^-7 cm² s^-1일 때, 1,000초 동안 체내로 흡수되는 약물의 총량[mol]은? (단, 정상상태의 단일방향 확산을 통한 약물의 전달만을 고려하며, 피부까지 전달된 약물은 즉시 체내로 흡수된다)

A ＋ 2B → 3C의 반응이 일어나는 표면에서 A의 몰 플럭스와 같은 것은? (단, $N_{\mathrm{B}}$와 $N_{\mathrm{C}}$는 각각 B와 C의 몰 플럭스이다)

필름 근처의 흐름이 두께 $\delta$의 층류 경계층을 형성한다. 필름은 용해되어 두께 ${\delta }_c$의 농도 경계층을 형성하며, 용해된 필름의 확산계수($D$)는 일정하다. 주어진 관계식을 이용할 때, ${\delta }_c$에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 모든 변수는 0보다 크다)

$\delta =5\sqrt{\frac{\mu L}{\rho U}}$

${\delta }_c=\frac{\delta }{{\mathrm{Sc}}^{\frac{1}{3}}}$

$\mu$는 유체의 점도, $L$은 선단(leading edge)으로부터의 거리, $\rho$는 유체의 밀도, $U$는 벌크흐름 유속, $\mathrm{Sc}$는 Schmidt 수

두께가 0.01 mm, 면적이 0.2 cm²인 평판을 이용하여 기체 A를 두 영역으로 분리하였다. 기체 A의 분자량은 50 g mol^-1이고, 평판에 대한 기체 A의 용해도와 확산계수는 각각 1.0 × 10^-3 mol cm^-3 atm^-1과 1.0 × 10^-8 cm² s^-1이다. 분리된 두 영역의 압력을 각각 1.2 atm과 1.1 atm으로 일정하게 유지했을 때, 10분 동안 평판을 투과한 기체 A의 질량[g]은? (단, 분리된 두 영역 내에는 기체 A만 존재하며, 정상상태의 단일방향 확산을 통한 기체 A의 투과만을 고려한다)

그림과 같이 단면적이 같은 3가지 종류의 단열재를 공극 없이 완전히 밀착시켜 복합 단열재를 구성한다. 각 단열재의 열전도도를 배열 순서에 따라 $k_1$, $k_2$, $k_3$라고 할 때, $k_2=\frac{1}{2}{k}_1$이고 $k_3=\frac{1}{2}{k}_2$이다. 정상상태에서 복합 단열재의 유효 열전도도(effective thermal conductivity, $k_{eff}$)는 $k_1$의 몇 배인가? (단, 열전도도는 일정하고, 단열재의 깊이와 높이는 두께에 비하여 매우 크며, 두께 방향으로의 열전도만 고려한다)

관벽의 내부 반지름($r_i$)과 외부 반지름($r_o$)이 각각 2 cm, 4 cm이고, 길이가 1 m인 원통관이 있다. 관 내부 면의 온도($T_i$)는 80 °C이고, 외부 면의 온도($T_o$)는 40 °C이다. 관벽에서는 원통형 좌표계의 $r$방향 열전도만 존재한다. 정상상태에서 형상인자의 값[m]은? (단, 관벽 내 열원은 없고 관벽은 균일하며, 열전도도는 일정하다)

(열전달 속도[W]) ＝ (열전도도) × (형상인자) × ($T_i$ － $T_o$)