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 1350 kg/h · 20% 소금흐름 2ṁ₂ = ? · 50% 소금제품35% 소금

혼합 제품이 소금을(를) 35% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.

ṁ1 = 350 kg/hx1 = 20 %x2 = 50 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F1300 kg/h · 13% 설탕제품 P40% 설탕증기 W (순수)W = ? kg/h

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

F = 1300 kg/hxF = 13 %xP = 40 %
W = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측글리콜 혼합액 · 180 °C60 °C물 · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 0.5 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측글리콜 혼합액 · 140 °C100 °C물 · 10 °C65 °C · ṁ = ?5% 손실

뜨거운 글리콜 혼합액이(가) 열교환기에서 물을 가열하는데, 이 열교환기는 고온 흐름이 내놓은 열의 5%를 주위로 잃는다. 필요한 물의 유량 ṁc을(를) 구하시오.

ṁh = 2 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 100 °Ct: 10 → 65 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 5 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
CO₂ 240 gV = 10 LT = 15 °CP = ?

부피 10 L인 탱크에 15 °C의 CO₂ 240 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 240 gM = 44.01 g/molV = 10 LT = 15 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.이상 기체 법칙어려움
CO₂, M = 44.01 g/molP = 600 kPaT = 130 °Cρ = ?

600 kPa, 130 °C에서 CO₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 44.01 g/molP = 600 kPaT = 130 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

Mg 8 g과 O2 40 g이 2Mg + O2 → 2MgO에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 MgO의 질량 m는 얼마일까요?

M(Mg) = 24.31M(O2) = 32M(MgO) = 40.3 g/mol
m = g
8.화학량론어려움
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(C2​H5​OH)m(C2​H5​OH)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(C2​H5​OH)

반응 C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2에서 C6H12O6 10 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) C2H5OH 3.99 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(C6H12O6) = 180.16 g/molM(C2H5OH) = 46.07 g/mol실제: 3.99 g
Y = %
9.화학 평형보통
H2​I2​HII0.40.40C−x−x+2xE0.4 − x0.4 − x2x

0.4 mol/L의 H₂와 0.4 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 50. 평형 농도 [H2]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I1.500C−x+x+xE1.5 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.5. 용기에 처음에는 PCl₅만 1.5 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [PCl5]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LKc = 0.5
[PCl5] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?납m = 100 gT = 180 °Cc = 0.129 J/(g·°C)물m = 250 gT = 22 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 180 °C이고 질량이 100 g인 납 블록(c = 0.129 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 22 °C의 물 250 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 100 gcmetal = 0.129 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 250 gTwater = 22 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
HC2​H5​OH + 3O₂반응물2CO₂ + 3H₂O(l)생성물ΔH° = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 반응 C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l)의 ΔH°를 구하시오.

ΔH°f(C2H5OH) = −277.7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.반응 속도론보통
t (min)C (mol/L)40 min0.24

1차 반응에서 A의 농도가 40 min 동안 1.2 mol/L에서 0.24 mol/L로 감소한다. 속도 상수 k을(를) 구하시오.

CA0 = 1.2 mol/LCA = 0.24 mol/Lt = 40 min
k = min⁻¹
14.반응 속도론어려움
Tk40 °Ck1​?3·k1​

어떤 반응의 활성화 에너지는 55 kJ/mol이다. 40 °C에서는 너무 느리다. 3배 빠르게 하려면 몇 도 T2(°C)까지 가열해야 하는가?

Ea = 55 kJ/molT1 = 40 °Ck2/k1 = 3R = 8.314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
QX = 50%CSTR과 같은 Q, k, X

액상 1차 반응이 전환율 50%에 도달해야 한다. 공급 유량, 속도 상수, 전환율이 같을 때 CSTR은 PFR보다 몇 배 커야 하는가? 비 VCSTR/VPFR을(를) 구하시오.

X = 50%1차 반응, 같은 k와 Q
VCSTR/VPFR =
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 400 LQ = 25 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.1 min⁻¹)이 25 L/min으로 공급되는 400 L CSTR에서 진행된다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 400 LQ = 25 L/mink = 0.1 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T105 °C40 °C95 °C25 °CΔT₁ΔT₂대향류

대향류 열교환기가 240 kW을(를) 전달한다. 고온 유체는 105에서 40 °C까지 냉각되고 저온 유체는 25에서 95 °C까지 가열된다. 총괄 열전달 계수는 1000 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Q̇ = 240 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 105 → 40 °CTc: 25 → 95 °C
A = m²
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T90 °C??10 °CΔT₁ΔT₂대향류

향류 열교환기에서 두 유체의 열용량률이 같다: ṁ·cp = 1.5 kW/K. 고온 유체는 90 °C, 저온 유체는 10 °C로 들어간다. 열교환기는 A = 4 m², U = 500 W/(m²·K)이다. 고온 유체의 출구 온도 Th,out을(를) 구하시오.

Ch = Cc = 1.5 kW/KTh,in = 90 °CTc,in = 10 °CA = 4 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.열전도보통
발포 폴리스티렌, k = 0.035250 mm암면, k = 0.04100 mm24 °C7 °CTi​ = ?Q̇

벽은 발포 폴리스티렌 250 mm와 암면 100 mm(으)로 이루어지며 면적은 10 m²이다. 바깥 양면은 24 °C와 7 °C이다. 두 층 경계면의 온도 Ti을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 24 °CT3 = 7 °C
Ti = °C
20.열전도어려움
목재, k = 0.17100 mm벽돌, k = 0.7250 mm실내 22 °C실외 -15 °CQ̇ = ?

100 mm 목재와 50 mm 벽돌(으)로 된 벽이 22 °C인 방과 -15 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 8 W/(m²·K), 실외 30 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 4 m²이다. 벽을 통한 열손실 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 100 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.72 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -15 °C
Q̇ = W
21.관 마찰과 손실 수두보통
V = 2.5 m/sD = 150 mmL = 100 mf = 0.02

물(ρ = 1000 kg/m³)이 길이 100 m, 안지름 150 mm인 수평 관을 2.5 m/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.02, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 관 전체의 압력 강하 Δp을(를) kPa 단위로 구하시오.

V = 2.5 m/sL = 100 mD = 150 mmf = 0.02ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 2Δz = 20 mL = 100 m, D = 300 mm, f = 0.023× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 100 m, 안지름 300 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.02인 관으로 연결되어 있다. 위 저수지의 수면은 아래 저수지 수면보다 20 m 높다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 3개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 2), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 Q을(를) L/s 단위로 구하시오.

Δz = 20 mL = 100 mD = 300 mmf = 0.02Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1.0
Q = L/s
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 30 L/sH = 62 m

효율 82%인 펌프가 양정 62 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 30 L/s 송출한다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 필요한 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 30 L/sH = 62 mη = 82%g = 9.81 m/s²
Pshaft = kW
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 20 L/sΔz = 12 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0.018, ΣK = 6

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 20 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 12 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 100 m, 안지름 100 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.018이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 6(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율은 78%이다. 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 20 L/sΔz = 12 mL = 100 mD = 100 mmf = 0.018ΣK = 6η = 78%
Pshaft = kW

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 350 kg/h

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

수지

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

ṁ2에 대해 풀기

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 350·(20 − 35)/(35 − 50) = 350 kg/h

답

ṁ2 = 350 kg/h
2.물질 수지

답: W = 877.5 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 = 1300·13/40 = 422.5 kg/h

전체 수지

W = F − P = 1300 − 422.5 = 877.5 kg/h

답

W = 877.5 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 40.84 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 0.5·3.6·(180 − 60) = 216 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 216/(2·4.18) = 40.84 °C

답

tout = 40.84 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 1.19 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 2·3.6·(140 − 100) = 288 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.05)·288 = 273.6 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 273.6/(4.18·55) = 1.19 kg/s

답

ṁc = 1.19 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: P = 1306 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 240/44.01 = 5.453 mol
T = 15 + 273.15 = 288.1 K

압력

P = nRT/V = 5.453·8.314·288.1/0.01 = 1306 kPa

답

P = 1306 kPa
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 7.878 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 130 + 273.15 = 403.1 K

밀도

ρ = 600·44.01/(8.314·403.1) = 7.878 kg/m³

답

ρ = 7.878 kg/m³
7.화학량론

답: m = 13.26 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(Mg) = 8/24.31 = 0.3291 mol
n(O2) = 40/32 = 1.25 mol

한계 반응물

0.3291/2 = 0.1645, 1.25/1 = 1.25 → Mg

생성물의 질량

n(MgO) = 0.1645·2 = 0.3291 mol
m = 0.3291·40.3 = 13.26 g

답

m = 13.26 g
8.화학량론

답: Y = 78.02 %

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(C6H12O6) = 10/180.16 = 0.05551 mol
m = 0.05551·2/1·46.07 = 5.114 g

수득률

Y = 3.99/5.114·100 = 78.02%

답

Y = 78.02%
9.화학 평형

답: [H2] = 0.08819 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

50 = (2x)²/(0.4 − x)²

제곱근 취하기

7.071 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·7.071/(2 + 7.071) = 0.3118 mol/L

평형 농도

[H₂] = 0.4 − x = 0.08819 mol/L

답

[H2] = 0.08819 mol/L
10.화학 평형

답: [PCl5] = 0.8486 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

0.5 = x²/(1.5 − x) → x² + 0.5·x − 0.75 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.5 + √(0.5² + 4·0.75))/2 = 0.6514 mol/L

평형 농도

[PCl₅] = 1.5 − 0.6514 = 0.8486 mol/L

답

[PCl5] = 0.8486 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 23.93 °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

100·0.129·(180 − Tf) = 250·4.18·(Tf − 22)

최종 온도 구하기

Tf = (12.9·180 + 1045·22)/(12.9 + 1045) = 23.93 °C

답

Tf = 23.93 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: ΔH° = −1367 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° = [2·(−393.5) + 3·(−285.8)] − [1·(−277.7) + 3·0] = −1367 kJ

답

ΔH° = −1367 kJ

음수: 반응이 열을 내놓습니다(발열 반응).

13.반응 속도론

답: k = 0.04024 min⁻¹

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

1차 적분 속도식

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1.2/0.24)/40 = 1.609/40 = 0.04024 min⁻¹

답

k = 0.04024 min⁻¹
14.반응 속도론

답: T2 = 57.18 °C

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

T1 = 313.1 K

아레니우스 식을 T₂에 대해 풀기

1/T2 = 1/313.1 − 8.314·ln(3)/55000 = 3.193 × 10⁻³ − 1.661 × 10⁻⁴ = 3.027 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 330.3 K = 57.18 °C

답

T2 = 57.18 °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: VCSTR/VPFR = 1.443

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.

각 반응기의 k·τ

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0.5/0.5 = 1
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2) = 0.6931

부피비

VCSTR/VPFR = 1/0.6931 = 1.443

답

VCSTR/VPFR = 1.443

전환율이 높을수록 차이가 빠르게 커집니다.

16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 61.54 %

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 = 400/25 = 16 min, kτ = 0.1·16 = 1.6

전환율

X = kτ/(1 + kτ) = 1.6/(1 + 1.6) = 61.54%

답

X = 61.54%
17.열교환기 (LMTD)

답: A = 19.46 m²

LMTD 법: 두 흐름 사이의 온도 차는 열교환기를 따라 변하므로, 전열 식에는 그 대수 평균을 씁니다: Q̇ = U·A·ΔTlm, ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) (ΔT₁, ΔT₂는 양 끝의 온도 차). 입출구 온도가 같다면 대향류의 ΔTlm이 병류보다 큽니다.

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 105 − 95 = 10 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 25 = 15 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (10 − 15)/ln(10/15) = 12.33 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 240000/(1000·12.33) = 19.46 m²

답

A = 19.46 m²
18.열교환기 (LMTD)

답: Th,out = 44.29 °C

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.

일정한 온도차

저온 출구는 고온 입구 맞은편에 있습니다: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out)이므로 ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

에너지 수지 = 전열 방정식

1.5·(90 − Th,out) = 2·(Th,out − 10)
Th,out = (1.5·90 + 2·10)/(1.5 + 2) = 44.29 °C

답

Th,out = 44.29 °C

전달된 열: Q̇ = 68.57 kW. 저온 유체는 55.71 °C로 나갑니다.

19.열전도

답: Ti = 11.41 °C

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) = (250/1000)/(0.035·10) = 0.7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.04·10) = 0.25 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0.9643 = 17.63 W

경계면 온도

첫 번째 층에서 온도가 Q̇·R₁만큼 떨어집니다.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 24 − 17.63·0.7143 = 11.41 °C

답

Ti = 11.41 °C
20.열전도

답: Q̇ = 181.4 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/(8·4) = 0.03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.17·4) = 0.1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.72·4) = 0.01736 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0.008333 K/W
ΣR = 0.204 K/W

열손실

Q̇ = (22 − (-15))/0.204 = 181.4 W

답

Q̇ = 181.4 W
21.관 마찰과 손실 수두

답: Δp = 41.67 kPa

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.

손실 수두

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(100/0.15)·2.5²/(2·9.81) = 4.247 m

압력 강하

관이 수평이고 유속이 변하지 않으므로 에너지 방정식은 Δp = ρ·g·hf가 됩니다.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·4.247 = 41667 Pa = 41.67 kPa

답

Δp = 41.67 kPa
22.관 마찰과 손실 수두

답: Q = 420.9 L/s

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.

손실 계수

f·L/D = 0.02·100/0.3 = 6.667
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 2 + 1.0 = 4.4

에너지 방정식

두 수면 모두 대기에 열려 있고 사실상 정지해 있으므로 Δz 전체가 관에서 손실됩니다.

20 = (6.667 + 4.4)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·20/11.07) = 5.955 m/s

유량

Q = V·π·D²/4 = 5.955·0.07069 = 0.4209 m³/s = 420.9 L/s

답

Q = 420.9 L/s
23.펌프와 펌프 동력

답: Pshaft = 22.25 kW

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 = 1000·9.81·0.03·62 = 18.25 kW

축동력

Pshaft = Ph/η = 18.25/0.82 = 22.25 kW

답

Pshaft = 22.25 kW
24.펌프와 펌프 동력

답: Pshaft = 5.014 kW

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 = 0.02/0.007854 = 2.546 m/s
V²/(2g) = 0.3305 m

손실 수두

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 6)·0.3305 = 7.932 m

펌프 양정

H = Δz + hL = 12 + 7.932 = 19.93 m

축동력

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.02·19.93/0.78 = 5.014 kW

답

Pshaft = 5.014 kW

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