FE Chemical 시험 대비: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 24개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

물질 수지

정상 상태
유입 = 유출
전체 수지
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
성분 수지
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
증발기
F·xF = P·xP, W = F − P

에너지 수지

현열
Q = ṁ·cp·ΔT
잠열
Q = ṁ·hfg
혼합
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
물
cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

이상 기체 법칙

이상 기체 법칙
pV = nRT
기체 상수
R = 8.314 J/(mol·K)
보일-샤를 법칙
p1V1/T1 = p2V2/T2
몰수
n = m/M
온도
T[K] = T[°C] + 273.15

화학량론

몰수
n = m/M
농도
c = n/V
몰비
균형 맞춘 반응식의 계수를 사용
한계 반응물
가장 먼저 소진되는 물질
수득률
실제 수득량 / 이론 수득량 × 100%

방법

  1. 화학 반응식을 쓰고 계수를 맞추세요.
  2. 주어진 질량을 몰로 바꾸세요: n = m/M.
  3. 계수를 몰비로 이용해 원하는 물질의 몰수를 구하세요.
  4. m = n·M으로 다시 질량으로 바꾸세요. 반응물이 둘이면 먼저 한계 반응물을 찾으세요.

화학 평형

평형 상수
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
ICE 표
초기(Initial), 변화(×계수, Change), 평형(Equilibrium)
이차방정식
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

방법

  1. Kc는 생성물을 분자에, 반응물을 분모에 두고 각각 계수만큼 거듭제곱하여 쓰세요.
  2. ICE 표를 만드세요: 초기(Initial), 변화(Change, 계수 × x 단위), 평형(Equilibrium).
  3. 평형 농도식을 Kc에 넣고 x를 구하세요.
  4. x가 근사를 쓸 만큼 작은지 확인하세요. 그렇지 않으면 이차방정식을 푸세요.

열량 측정과 엔탈피

열
q = m·c·ΔT
물
c = 4.18 J/(g·°C)
열량계
잃은 열 = 얻은 열
반응 엔탈피
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

반응 속도론

1차
ln(CA/CA0) = −kt
반감기 (1차)
t½ = ln 2/k
2차
1/CA = 1/CA0 + kt
아레니우스
k = A·e−Ea/(RT)
두 온도
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

공간 시간
τ = V/Q
CSTR, 1차 반응
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, 1차 반응
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
부피로부터 전환율 구하기
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
직렬로 연결된 동일한 CSTR N개
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

열교환기 (LMTD)

열부하
Q = U·A·ΔTlm
대수 평균 온도차
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
유체별 열수지
Q = ṁcp(Tin − Tout)

열전도

푸리에 법칙
Q̇ = kAΔT/L
전도 열저항
R = L/(kA)
대류 열저항
R = 1/(hA)
직렬 열저항
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U값
U = 1/(ΣR·A)

관 마찰과 손실 수두

레이놀즈 수
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
유동 영역
Re ≈ 2000 미만은 층류, Re ≈ 4000 초과는 난류
평균 유속
V = Q/A, A = π·D²/4
다르시–바이스바흐 식
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
부차 손실
hm = ΣK·V²/(2g)
대표적인 K 값
입구 0.5, 출구 1.0, 90° 엘보 ≈ 0.3
압력 강하
Δp = ρ·g·hf
두 개의 개방 저수지
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
자유 유출
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

펌프와 펌프 동력

수동력
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
축동력
Pshaft = Ph/ηpump
전기 입력 동력
Pel = Pshaft/ηmotor
펌프 양정
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
시스템 손실
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2연습 문제

1.물질 수지보통
혼합기흐름 1650 kg/h · 35% 설탕흐름 2ṁ₂ = ? · 5% 설탕제품25% 설탕

혼합 제품이 설탕을(를) 25% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 35 %x2 = 5 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F4100 kg/h · 17% 소금제품 P35% 소금증기 W (순수)W = ? kg/h

증발기가 순수를 증발시켜 소금 용액을 농축한다. 증발한 물의 양 W을(를) kg/h 단위로 구하시오.

F = 4100 kg/hxF = 17 %xP = 35 %
W = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측에탄올 · 140 °C110 °C물 · 10 °Ct = ? °C

뜨거운 에탄올이(가) 열손실 없는 대향류 열교환기에서 물을 냉각한다. 물의 출구 온도 tout을(를) 구하시오.

ṁh = 2.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 110 °Cṁc = 1.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측에탄올 · 170 °C140 °C물 · 30 °C75 °C · ṁ = ?15% 손실

뜨거운 에탄올이(가) 열교환기에서 물을 가열하는데, 이 열교환기는 고온 흐름이 내놓은 열의 15%를 주위로 잃는다. 필요한 물의 유량 ṁc을(를) 구하시오.

ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 140 °Ct: 30 → 75 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 15 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
He 180 gP = 550 kPaT = 60 °CV = ?

550 kPa, 60 °C에서 He 180 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 180 gM = 4.003 g/molP = 550 kPaT = 60 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.이상 기체 법칙어려움
CO₂, M = 44.01 g/molP = 150 kPaT = 100 °Cρ = ?

150 kPa, 100 °C에서 CO₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 44.01 g/molP = 150 kPaT = 100 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

C3H8 16 g과 O2 64 g이 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 H2O의 질량 m는 얼마일까요?

M(C3H8) = 44.1M(O2) = 32M(H2O) = 18.02 g/mol
m = g
8.화학량론어려움
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(C3​H8​)× 4/1× M(H2​O)

반응 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O에서 C3H8 8 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) H2O 7.19 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(C3H8) = 44.1 g/molM(H2O) = 18.02 g/mol실제: 7.19 g
Y = %
9.화학 평형보통
H2​I2​HII0.10.10C−x−x+2xE0.1 − x0.1 − x2x

0.1 mol/L의 H₂와 0.1 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 36. 평형 농도 [H2]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.1 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I0.2500C−x+x+xE0.25 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.2. 용기에 처음에는 PCl₅만 0.25 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [Cl2]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 0.25 mol/LKc = 0.2
[Cl2] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?납m = 250 gT = 120 °Cc = 0.129 J/(g·°C)물m = 300 gT = 15 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 120 °C이고 질량이 250 g인 납 블록(c = 0.129 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 15 °C의 물 300 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 250 gcmetal = 0.129 J/(g·°C)Tmetal = 120 °Cmwater = 300 gTwater = 15 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
H20 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂반응물6CO₂ + 6H₂O(l)생성물q = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 C6H12O6(M = 180.16 g/mol) 20 g이 완전 연소할 때 방출되는 열 q을(를) 구하시오: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). q는 양수로 답하시오.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.반응 속도론보통
t (min)X (%)t = ?90%

회분 반응기에서 1차 반응의 k = 0.1 min⁻¹이다. 전환율 90%에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

k = 0.1 min⁻¹X = 90 %
t = min
14.반응 속도론어려움
1/Tln kT = 50 °Cln 0.1ln A = ?Ea​ = 100 kJ/mol

1차 반응의 속도 상수는 50 °C에서 0.1 s⁻¹이고 활성화 에너지는 100 kJ/mol이다. 아레니우스 식의 빈도 인자 A을(를) 구하시오.

k = 0.1 s⁻¹T = 50 °CEa = 100 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
Q = 80 L/minX = 75%V = ?, k = 0.05 min⁻¹

k = 0.05 min⁻¹인 액상 1차 반응 A → B를 80 L/min으로 공급되는 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 수행한다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. A의 전환율 75%를 얻기 위한 반응기 부피 V을(를) 리터 단위로 구하시오.

Q = 80 L/mink = 0.05 min⁻¹X = 75%
V = L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 1000 LQ = 20 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.12 min⁻¹)이 20 L/min으로 공급되는 1000 L CSTR에서 진행된다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 1000 LQ = 20 L/mink = 0.12 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T110 °C50 °C95 °C30 °CΔT₁ΔT₂대향류

셸 앤드 튜브 열교환기(셸 1패스, 튜브 2패스)가 640 kW를 전달해야 한다. 고온 유체는 110 °C에서 50 °C로 냉각되고 저온 유체는 30 °C에서 95 °C로 가열된다. 이 배치의 LMTD 보정 계수는 F = 0.9이고 U = 1000 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Q̇ = 640 kWF = 0.9U = 1000 W/(m²·K)Th: 110 → 50 °CTc: 30 → 95 °C
A = m²
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T105 °C75 °C?10 °CΔT₁ΔT₂대향류

향류 이중관 열교환기에서 고온 기름(1 kg/s, cp = 2.3 kJ/(kg·K))이 내관을 흐르며 105 °C에서 75 °C로 냉각된다. 환형 공간의 물(1 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))은 10 °C로 들어간다. 내관의 지름은 20 mm이며 U = 500 W/(m²·K)는 이 지름을 기준으로 한다. 필요한 관 길이 L을(를) 구하시오.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2.3 kJ/(kg·K)Th: 105 → 75 °Cṁc = 1 kg/sTc,in = 10 °CD = 20 mmU = 500 W/(m²·K)
L = m
19.열전도보통
목재, k = 0.17150 mm벽돌, k = 0.7250 mm18 °C-11 °CQ̇ = ?

벽은 목재 150 mm와 벽돌 50 mm(으)로 이루어지며 면적은 8 m²이다. 바깥 양면은 18 °C와 -11 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 150 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.72 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 18 °CT3 = -11 °C
Q̇ = W
20.열전도어려움
발포 폴리스티렌, k = 0.035200 mm암면, k = 0.04100 mm실내 22 °C실외 0 °CQ̇ = ?

200 mm 발포 폴리스티렌와 100 mm 암면(으)로 된 벽이 22 °C인 방과 0 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 10 W/(m²·K), 실외 25 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 8 m²이다. 벽을 통한 열손실 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 200 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 0 °C
Q̇ = W
21.관 마찰과 손실 수두보통
Q = 6 L/sD = 75 mmL = 300 mf = 0.022

물이 길이 300 m, 안지름 75 mm인 관을 6 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.022, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

Q = 6 L/sL = 300 mD = 75 mmf = 0.022g = 9.81 m/s²
hf = m
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 0.2자유 유출구H = ?L = 150 m, D = 250 mm, f = 0.023× 엘보 (K = 0.3)

길이 150 m, 안지름 250 mm(다르시 마찰 계수 f = 0.02)인 관이 개방 저수지에서 나와 대기 중으로 자유 분류로 유출된다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 3개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 0.2)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 50 L/s를 얻으려면 저수지 수면이 관 출구보다 얼마나 높아야 하는가(H)?

Q = 50 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0.02Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 0.2
H = m
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 150 L/sH = 24 m

시험에서 펌프가 양정 24 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 150 L/s 송출하고, 이때 축 동력은 41.5 kW이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율 η을(를) 퍼센트로 구하시오.

Q = 150 L/sH = 24 mPshaft = 41.5 kWg = 9.81 m/s²
η = %
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 50 L/sΔz = 31 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0.02, ΣK = 6

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 50 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 31 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 200 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.02이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 6(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.

Q = 50 L/sΔz = 31 mL = 200 mD = 150 mmf = 0.02ΣK = 6
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 325 kg/h

정상 상태 물질 수지: 전체와 각 성분에서 입력 = 출력. 혼합 문제는 둘을 함께 씁니다.

수지

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
설탕: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

ṁ2에 대해 풀기

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(35 − 25)/(25 − 5) = 325 kg/h

답

ṁ2 = 325 kg/h
2.물질 수지

답: W = 2109 kg/h

연결 성분: 한 흐름에서만 변하지 않고 지나가는 성분(여기서는 용질)은 유량들을 직접 연결합니다. 나머지는 전체 수지로 구합니다.

용질 수지

F·xF = P·xP → P = 4100·17/35 = 1991 kg/h

전체 수지

W = F − P = 4100 − 1991 = 2109 kg/h

답

W = 2109 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 39.19 °C

열교환기 에너지 수지: 손실이 없으면 ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 2.5·2.44·(140 − 110) = 183 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 183/(1.5·4.18) = 39.19 °C

답

tout = 39.19 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 0.4962 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 1.5·2.44·(170 − 140) = 109.8 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.15)·109.8 = 93.33 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 93.33/(4.18·45) = 0.4962 kg/s

답

ṁc = 0.4962 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: V = 226.5 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 180/4.003 = 44.97 mol
T = 60 + 273.15 = 333.1 K

부피

V = nRT/P = 44.97·8.314·333.1/550 = 226.5 L

답

V = 226.5 L
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 2.128 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 100 + 273.15 = 373.1 K

밀도

ρ = 150·44.01/(8.314·373.1) = 2.128 kg/m³

답

ρ = 2.128 kg/m³
7.화학량론

답: m = 26.15 g

화학량론: 균형 맞춘 반응식은 그램이 아니라 입자 수를 셉니다. n = m/M으로 질량을 몰로 바꾸고, 반응식의 계수를 몰비로 쓴 다음, m = n·M으로 다시 질량으로 바꿉니다. 반응물이 두 개일 때 한계 반응물은 먼저 다 소모되어 생성물의 양을 정하는 쪽입니다.

각 반응물의 몰수

n(C3H8) = 16/44.1 = 0.3628 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol

한계 반응물

0.3628/1 = 0.3628, 2/5 = 0.4 → C3H8

생성물의 질량

n(H2O) = 0.3628·4 = 1.451 mol
m = 1.451·18.02 = 26.15 g

답

m = 26.15 g
8.화학량론

답: Y = 54.99 %

화학량론: 균형 맞춘 반응식은 그램이 아니라 입자 수를 셉니다. n = m/M으로 질량을 몰로 바꾸고, 반응식의 계수를 몰비로 쓴 다음, m = n·M으로 다시 질량으로 바꿉니다. 반응물이 두 개일 때 한계 반응물은 먼저 다 소모되어 생성물의 양을 정하는 쪽입니다.

이론적 수득량

n(C3H8) = 8/44.1 = 0.1814 mol
m = 0.1814·4/1·18.02 = 13.08 g

수득률

Y = 7.19/13.08·100 = 54.99%

답

Y = 54.99%
9.화학 평형

답: [H2] = 0.025 mol/L

화학 평형: aA + bB ⇌ cC + dD에서 평형 상수는 평형 농도를 써서 Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)입니다. ICE 표(초기, 변화, 평형)는 계수를 곱한 미지수 x 하나로 처음 양과 평형 상태의 양을 연결합니다.

평형 식

36 = (2x)²/(0.1 − x)²

제곱근 취하기

6 = 2x/(0.1 − x) → x = 0.1·6/(2 + 6) = 0.075 mol/L

평형 농도

[H₂] = 0.1 − x = 0.025 mol/L

답

[H2] = 0.025 mol/L
10.화학 평형

답: [Cl2] = 0.1449 mol/L

화학 평형: aA + bB ⇌ cC + dD에서 평형 상수는 평형 농도를 써서 Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)입니다. ICE 표(초기, 변화, 평형)는 계수를 곱한 미지수 x 하나로 처음 양과 평형 상태의 양을 연결합니다.

평형 식

0.2 = x²/(0.25 − x) → x² + 0.2·x − 0.05 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.2 + √(0.2² + 4·0.05))/2 = 0.1449 mol/L

평형 농도

[Cl₂] = x = 0.1449 mol/L

답

[Cl2] = 0.1449 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 17.63 °C

열과 엔탈피: 물질을 가열하는 데는 q = m·c·ΔT가 듭니다. 열량계에서는 뜨거운 물체가 잃은 열이 차가운 물체가 얻은 열과 같습니다. 반응의 엔탈피 변화는 생성 엔탈피로 구합니다: ΔH° = ΣΔH°f(생성물) − ΣΔH°f(반응물), 각각 계수를 곱합니다.

열 수지

250·0.129·(120 − Tf) = 300·4.18·(Tf − 15)

최종 온도 구하기

Tf = (32.25·120 + 1254·15)/(32.25 + 1254) = 17.63 °C

답

Tf = 17.63 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: q = 311 kJ

열과 엔탈피: 물질을 가열하는 데는 q = m·c·ΔT가 듭니다. 열량계에서는 뜨거운 물체가 잃은 열이 차가운 물체가 얻은 열과 같습니다. 반응의 엔탈피 변화는 생성 엔탈피로 구합니다: ΔH° = ΣΔH°f(생성물) − ΣΔH°f(반응물), 각각 계수를 곱합니다.

반응 엔탈피

ΔH° = [6·(−393.5) + 6·(−285.8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

주어진 질량에 대한 열

n = 20/180.16 = 0.111 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0.111·2802 = 311 kJ

답

q = 311 kJ
13.반응 속도론

답: t = 23.03 min

반응 속도: 1차 반응은 −dC/dt = kC이므로 C = C₀·e−kt이고, 반감기 ln 2/k는 농도와 무관합니다. 2차 반응은 1/C = 1/C₀ + kt. 속도 상수는 아레니우스 식에 따라 온도와 함께 커집니다: k = A·e−Ea/(RT).

전환율과 농도

C/C0 = 1 − X = 0.1

시간에 대해 풀기

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.1)/0.1 = 23.03 min

답

t = 23.03 min
14.반응 속도론

답: A = 1.461 × 10¹⁵ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

절대 온도

T = 50 + 273.15 = 323.1 K

아레니우스 식을 A에 대해 풀기

Ea/(RT) = 100000/(8.314·323.1) = 37.22
A = k·e37.22 = 0.1·1.461 × 10¹⁶ = 1.461 × 10¹⁵ s⁻¹

답

A = 1.461 × 10¹⁵ s⁻¹
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: V = 2218 L

정상 상태에서 1차 반응(−rA = k·CA)의 이상 반응기, 공간 시간 τ = V/Q. CSTR은 완전 혼합되므로 부피 전체가 낮은 출구 농도에서 반응합니다: τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + k·τ). PFR에서는 유체의 각 단면이 작은 회분식 반응기처럼 반응합니다: τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−k·τ. 같은 전환율에서 CSTR은 항상 PFR보다 큰 부피가 필요합니다.

공간 시간

τ = ln(1/(1 − 0.75))/0.05 = 1.386/0.05 = 27.73 min

부피

V = Q·τ = 80·27.73 = 2218 L

답

V = 2218 L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 85.71 %

정상 상태에서 1차 반응(−rA = k·CA)의 이상 반응기, 공간 시간 τ = V/Q. CSTR은 완전 혼합되므로 부피 전체가 낮은 출구 농도에서 반응합니다: τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + k·τ). PFR에서는 유체의 각 단면이 작은 회분식 반응기처럼 반응합니다: τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−k·τ. 같은 전환율에서 CSTR은 항상 PFR보다 큰 부피가 필요합니다.

공간 시간

τ = V/Q = 1000/20 = 50 min, kτ = 0.12·50 = 6

전환율

X = kτ/(1 + kτ) = 6/(1 + 6) = 85.71%

답

X = 85.71%
17.열교환기 (LMTD)

답: A = 40.91 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

양 끝 온도차(향류)

대향류에서는 고온 입구가 저온 출구와, 고온 출구가 저온 입구와 마주 봅니다.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 110 − 95 = 15 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 30 = 20 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (15 − 20)/ln(15/20) = 17.38 K

면적

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 640000/(1000·0.9·17.38) = 40.91 m²

답

A = 40.91 m²
18.열교환기 (LMTD)

답: L = 30.7 m

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

열부하와 물의 출구 온도

Q̇ = 1·2.3·(105 − 75) = 69 kW
Tc,out = 10 + 69/(1·4.18) = 26.51 °C

양 끝의 온도 차

대향류에서는 고온 입구가 저온 출구와, 고온 출구가 저온 입구와 마주 봅니다.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 105 − 26.51 = 78.49 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 10 = 65 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (78.49 − 65)/ln(78.49/65) = 71.53 K

면적과 길이

A = 69000/(500·71.53) = 1.929 m²
L = A/(πD) = 1.929/(π·0.02) = 30.7 m

답

L = 30.7 m
19.열전도

답: Q̇ = 243.7 W

열저항: 직렬 층을 지나는 정상 열흐름은 직렬 저항을 흐르는 전류처럼 동작합니다: Q̇ = ΔT/ΣR. 전도층은 R = L/(kA), 대류면은 R = 1/(hA). 각 층의 온도 강하는 그 열저항에 비례합니다.

층별 열저항

R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.17·8) = 0.1103 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.72·8) = 0.008681 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 29/0.119 = 243.7 W

답

Q̇ = 243.7 W
20.열전도

답: Q̇ = 21.07 W

열저항: 직렬 층을 지나는 정상 열흐름은 직렬 저항을 흐르는 전류처럼 동작합니다: Q̇ = ΔT/ΣR. 전도층은 R = L/(kA), 대류면은 R = 1/(hA). 각 층의 온도 강하는 그 열저항에 비례합니다.

직렬 열저항

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·8) = 0.0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0.035·8) = 0.7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.04·8) = 0.3125 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0.005 K/W
ΣR = 1.044 K/W

열손실

Q̇ = (22 − (0))/1.044 = 21.07 W

답

Q̇ = 21.07 W
21.관 마찰과 손실 수두

답: hf = 8.273 m

관로 유동: 레이놀즈 수 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ로 층류(Re 약 2000 미만)와 난류(약 4000 초과)를 구분합니다. 관을 따라 생기는 마찰은 다르시–바이스바흐 손실 수두 hf = f·(L/D)·V²/(2g)를 일으킵니다. 이음쇠, 밸브, 입구, 출구는 부차 손실 hm = ΣK·V²/(2g)를 더합니다. 두 개방 저수지 수면 사이에서는 에너지 방정식이 Δz = hf + hm을 주며, 여기에는 출구 손실 K = 1이 포함됩니다.

평균 유속

A = π·0.075²/4 = 0.004418 m²
V = Q/A = 0.006/0.004418 = 1.358 m/s

속도 수두

V²/(2g) = 1.358²/(2·9.81) = 0.09401 m

다르시–바이스바흐 식

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.022·(300/0.075)·1.358²/(2·9.81) = 8.273 m

답

hf = 8.273 m
22.관 마찰과 손실 수두

답: H = 0.7721 m

관로 유동: 레이놀즈 수 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ로 층류(Re 약 2000 미만)와 난류(약 4000 초과)를 구분합니다. 관을 따라 생기는 마찰은 다르시–바이스바흐 손실 수두 hf = f·(L/D)·V²/(2g)를 일으킵니다. 이음쇠, 밸브, 입구, 출구는 부차 손실 hm = ΣK·V²/(2g)를 더합니다. 두 개방 저수지 수면 사이에서는 에너지 방정식이 Δz = hf + hm을 주며, 여기에는 출구 손실 K = 1이 포함됩니다.

속도

V = Q/A = 0.05/0.04909 = 1.019 m/s
V²/(2g) = 0.05288 m

손실 계수

f·L/D = 0.02·150/0.25 = 12
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 0.2 = 1.6

에너지 방정식

출구 분류는 여전히 속도 수두를 가지고 있습니다. 손실은 아니지만 공급되어야 합니다.

H = (1 + 12 + 1.6)·0.05288 = 0.7721 m

답

H = 0.7721 m
23.펌프와 펌프 동력

답: η = 85.1 %

펌프 동력: 물에 주어지는 동력은 수동력 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp입니다. 펌프에 손실이 있으므로 축은 이보다 많이 전달해야 합니다: Pshaft = Ph/ηpump, 그리고 전동기는 Pel = Pshaft/ηmotor를 소비합니다. 펌프 양정 H는 에너지 방정식에서 나옵니다: 실양정 + 압력 수두 + 모든 마찰 손실과 부차 손실.

수동력

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.15·24 = 35.32 kW

효율

η = Ph/Pshaft = 35.32/41.5 = 85.1%

답

η = 85.1%
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 44.33 m

펌프 동력: 물에 주어지는 동력은 수동력 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp입니다. 펌프에 손실이 있으므로 축은 이보다 많이 전달해야 합니다: Pshaft = Ph/ηpump, 그리고 전동기는 Pel = Pshaft/ηmotor를 소비합니다. 펌프 양정 H는 에너지 방정식에서 나옵니다: 실양정 + 압력 수두 + 모든 마찰 손실과 부차 손실.

속도

V = Q/A = 0.05/0.01767 = 2.829 m/s
V²/(2g) = 0.408 m

손실 수두

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (26.67 + 6)·0.408 = 13.33 m

펌프 양정

두 수면 모두 개방되어 있고 사실상 정지해 있으므로 압력 항과 속도 항은 없어집니다.

H = Δz + hL = 31 + 13.33 = 44.33 m

답

H = 44.33 m

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