7급 국가직 화공열역학 2021년 기출문제

단열된 비커에 있는 10 °C 물 300 g을 전기 열선으로 가열한다. 전압 12 V에서 2 A 전류가 500 s 동안 열선에 흐를 때, 물의 최종온도[°C]는? (단, 물의 비열은 1 cal g^-1 °C^-1, 1 J ＝ 0.24 cal이며, 열선에 공급된 전기 에너지는 모두 물의 온도를 높이는 데 사용된다)

압축기를 사용하여 질량유량이 0.02 kg s^-1인 공기 흐름을 정상상태에서 압축한다. 압축기 출구와 입구 사이의 공기 단위질량당 엔탈피 변화량은 120 kJ kg^-1이고 공기 단위질량당 10 kJ kg^-1의 열이 외부로 방출될 때, 공기 흐름에 가해지는 단위시간당 일의 크기[kW]는? (단, 운동에너지와 위치에너지의 변화는 무시한다)

열용량에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, $C$는 열용량, $C_P$는 정압 열용량, $C_V$는 정적 열용량, $H$는 몰 엔탈피, $Q$는 열, $R$은 기체상수, $T$는 온도이다)

압축인자(compressibility factor) $Z$를 다음과 같이 표현하는 비리얼(virial) 상태방정식에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면? (단, $B$, $C$, $D$는 비리얼 계수이고 $V$는 몰 부피이다)

$Z=1+\frac{B}{V}+\frac{C}{V^2}+\frac{D}{V^3}+\cdots$

ㄱ. 이상기체의 압축인자는 1이다.

ㄴ. 압력이 0에 가까워질수록 압축인자는 1에 가까워진다.

ㄷ. 비리얼 계수 값은 분자의 크기와 원자간 결합에너지에 의존한다.

ㄹ. 우변에서 분모의 차수가 높은 항일수록 분자들 사이에 더 높은 빈도의 상호작용을 반영한다.

작동 기체가 이상기체인 Carnot 기관에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

힘(force)의 크기를 큰 것부터 순서대로 바르게 나열한 것은?

내부에너지에 대한 관계식으로 옳지 않은 것은? (단, $U$는 몰 내부에너지, $C_V$는 정적 열용량, $P$는 압력, $S$는 몰 엔트로피, $T$는 온도, $V$는 몰 부피이다)

환산압력(reduced pressure)이 1.25일 때, 퓨개시티(fugacity) 계수가 0.5인 순수한 기체의 퓨개시티[bar]는? (단, 이 기체의 임계압력 $P_c$는 40 bar이다)

대응상태 이론에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면?

ㄱ. Ar, Kr, Xe은 같은 환산온도와 환산압력에서 거의 같은 압축인자를 가진다.

ㄴ. 이심인자(acentric factor)를 제3의 대응상태 파라미터로 사용할 수 있다.

ㄷ. 이심인자는 임의의 유체에 대하여 임계온도와 임계압력 그리고 특정한 환산온도에서 측정된 단 하나의 증기압에 의해 결정될 수 있다.

ㄹ. Ar, Kr, Xe의 이심인자 값은 0.7이다.

부피 3 L인 용기에 373 K의 기체 30 mol이 있을 때, van der Waals 상태방정식으로 계산한 기체의 압력[atm]은? (단, 이 기체의 van der Waals 상태방정식 상수 $a$, $b$는 각각 1.370 atm L² mol^-2과 0.018 L mol^-1이고, 기체상수 $R$은 0.082 L atm mol^-1 K^-1이다)

온도 500 K의 열 저장고가 600 K의 또 다른 열 저장고로부터 6 × 10⁶ kJ의 열을 받았다. 열 전달과정에서 각 열 저장고의 온도변화가 없을 때, 이 과정에서 전체 엔트로피의 변화 $\Delta$S_tot [kJ K^-1]는?

Clapeyron 식을 적용하여 순수한 물질의 상변화에 수반되는 잠열을 계산할 때 필요한 자료로 옳지 않은 것은?

이상기체 혼합물의 단위 몰당 열역학 성질에 대한 표현으로 옳지 않은 것은? (단, $G$는 몰 Gibbs 에너지, $H$는 몰 엔탈피, $S$는 몰 엔트로피, $P$는 압력, $R$은 기체상수, $y_i$와 ${\Gamma }_i(T)$는 각각 성분 $i$의 몰분율과 일정 온도 $T$에서의 적분 상수, 상첨자 $ig$는 이상기체를 의미하며, $M_i^{ig}$($M$ = $G$, $H$ 또는 $S$)는 순수한 이상기체 성분 $i$의 열역학 성질이다)

조름공정에 의해 425 °C, 200 kPa의 기체 압력이 50 kPa로 감소할 때 온도[°C]는? (단, Joule-Thomson 계수는 0.6 °C kPa^-1로 일정하다)

성능계수가 3.5인 Carnot 냉동기가 분당 2,520 kJ의 열을 흡수할 때, 이 냉동기를 작동시키기 위한 전력량[kW]은? (단, 냉동기에 공급된 전력은 모두 냉동기의 알짜 일로 전환된다)

표는 화학반응 2A ＋ B ＋ 3C → D의 반응물과 생성물의 정압 열용량을 나타내며 298 K에서 D의 표준생성열은 －65,000 J mol^-1이다. 298 K에서 3 mol의 A, 2 mol의 B와 4 mol의 C가 반응하여 1 mol의 D가 생성되었을 때, 일정 압력 단열 반응에서 도달할 수 있는 최고 온도[K]는? (단, 정압 열용량 $C_P$는 일정하며 A, B, C는 원소이다)

물질	A	B	C	D
$C_P$ [J mol-1 K-1]	35	15	10	40

다음은 섭취된 에탄올(C₂H₅OH)이 NAD와 반응하여 아세트알데하이드(C₂H₄O)와 NADH로 분해되는 반응식과 298 K에서 물질들의 표준생성 엔탈피($\Delta H_{f,298}^{\circ }$)를 나타낸 표이다. 섭취한 모든 에탄올을 298 K 일정 온도에서 분해하기 위해 1,105 J의 열량이 소비되었다면 섭취한 에탄올의 양[g]은? (단, 에탄올의 분자량은 46 g mol^-1이며 생성된 아세트알데하이드와 NADH는 더 이상 반응하지 않는다)

C₂H₅OH ＋ NAD → C₂H₄O ＋ NADH

물질	C2H5OH	NAD	C2H4O	NADH
$\Delta H_{f,298}^{\circ }$ [J mol-1]	－288.3	0	－212.2	－31.9

일정한 온도에서 내부에너지의 부피 의존성을 나타내는 열역학적 성질을 내부적 압력(${\pi }_T$)이라 한다. 내부에너지가 부피와 엔트로피에 대한 함수로 표현될 때, 다음 비리얼(virial) 상태방정식으로 구한 ${\pi }_T$는? (단, ${\pi }_T={\left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)}_T$이며, 2차 비리얼 계수 $B$는 온도의 함수이고, $R$은 기체상수, $P$는 압력, $T$는 온도, $U$는 몰 내부에너지, $V$는 몰 부피이다)

$P=\frac{RT}{V}\left(1+\frac{B}{V}\right)$

그림은 이상적인 내연기관 사이클의 압력($P$)－부피($V$) 선도로, (가)와 (나)는 각각 Brayton 사이클과 공기표준 Otto 사이클이다. 일정한 열용량을 갖는 이상기체 상태 공기 1 mol을 기준으로 할 때, 두 내연기관의 열효율을 바르게 연결한 것은? (단, $T_i$는 $i$지점의 온도이다)

(가) (나)

그림은 초기압력이 $P_1$인 이상기체 1 mol이 일정한 외부압력 $P_0$($P_0<P_1$)에 대해 피스톤－실린더 장치에서 최종압력 $P_0$까지 등온 팽창하는 과정을 나타낸 것이다. 이 장치의 외부 온도는 $T$로 유지되며 장치 및 기체와 열적 평형을 이루고 있다. 팽창 과정 동안에는 피스톤과 실린더 사이 마찰력에 의해 피스톤은 매우 천천히 가속 없이 움직인다. 팽창 과정에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, $R$은 기체상수이다)

그림은 증기－압축 냉동 사이클의 온도($T$)－엔트로피($S$) 선도와 공정 개략도이고, 표는 $T$－$S$ 선도 일부 지점에서 냉매의 엔탈피를 나타낸다. $T$－$S$ 선도에서 점선(2 → 3^S)은 등엔트로피 공정이고, 냉동용량은 45 kJ s^-1, 압축기의 효율은 0.8일 때, 이 증기－압축 사이클의 성능계수($\omega$)와 냉매의 순환유량($\dot{m}$)[kg s^-1]을 바르게 연결한 것은? (단, 위치에너지와 운동에너지 변화는 무시한다)

$T$-$S$ 선도 지점	2	3S	4
냉매의 엔탈피 [kJ kg-1]	240	270	90

$\omega$ $\dot{m}$

그림은 반투막을 통해 전해질 수용액으로부터 순수한 물을 얻는 역삼투압 분리장치이다. 순수한 물은 1 atm에 노출되어 있고 300 K에서 전해질 수용액 내 용질의 몰분율이 0.009일 때, 삼투 평형이 이루어지는 용액의 압력 $P$[atm]는? (단, 순수한 물의 몰 부피는 18 cm³ mol^-1이고 기체상수 $R$은 82 cm³ atm mol^-1 K^-1이며, 용질 분자는 수용액에서 두 개의 이온으로 완전 해리된다)

혼합물의 기액 상평형에서 성분 $i$의 평형비 $K_i$는 $\frac{y_i}{x_i}$로 정의된다. $K_i$에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, $x_i$와 $y_i$는 각각 성분 $i$의 액상 몰분율과 기상 몰분율이고, $P_i^{sat}$은 성분 $i$의 포화증기압, $f_i$는 순수한 성분 $i$의 퓨개시티(fugacity), ${\gamma }_i$는 성분 $i$의 활동도 계수, $H_i$는 성분 $i$의 Henry 상수이며, 상첨자 $V$와 $L$은 각각 기상과 액상을 의미한다)

그림은 두 물질 A와 B 혼합물에 대해 B의 몰분율과 온도($T$)에 대한 정압 기－액 상도이다. 그림에 점 (가)로 표시된 상태($x_B$ ＝ 0.9, $T=T_1$)의 혼합물을 일정 압력하에 가열하여 온도를 상승시키는 과정에 대한 설명으로 옳은 것만을 모두 고르면? (단, $x_B$, $y_B$는 각각 B의 액상과 기상 몰분율이다)

ㄱ. 처음으로 끓기 시작하는 온도는 $T_2$이다.

ㄴ. 온도 $T_3$와 $T_4$ 사이에서는 기상이 액상보다 더 안정하다.

ㄷ. 끓기 시작할 때 발생한 기체 혼합물 내 A의 몰분율은 0.3이다.

ㄹ. 끓기 시작한 후부터 모두 끓을 때까지 $x_B$는 증가한다.

온도 500 K에서 기상 가역반응인 A ＋ B ⇄ C ＋ D의 표준반응열은 －4,600$R$ [J mol^-1]이고 평형상수는 1이다. 온도 1,000 K에서 초기 1 mol의 A와 1 mol의 B가 반응하여 평형에 도달했을 때, D의 몰분율은? (단, 혼합물은 이상기체이며, $R$은 기체상수[J mol^-1 K^-1]이고, 표준반응열은 온도에 무관하며, ln(0.1) ＝ -2.3이다)