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 · 40% 소금흐름 2ṁ₂ = ? · 15% 소금제품20% 소금

혼합 제품이 소금을(를) 20% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.

ṁ1 = 350 kg/hx1 = 40 %x2 = 15 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F2400 kg/h · 16% NaOH제품 PP = ? · 60%증기 W (순수)0% NaOH

증발기가 순수를 증발시켜 NaOH 용액을 농축한다. 제품 유량 P을(를) kg/h 단위로 구하시오.

F = 2400 kg/hxF = 16 %xP = 60 %
P = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측글리콜 혼합액 · 140 °C110 °C물 · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 110 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측경유 · 170 °C70 °C물 · 25 °C45 °C · ṁ = ?5% 손실

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

ṁh = 2.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 70 °Ct: 25 → 45 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 5 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
Ar 440 gP = 750 kPaT = 20 °CV = ?

750 kPa, 20 °C에서 Ar 440 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 440 gM = 39.95 g/molP = 750 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 He이(가) 150 kPa, 5 L, 15 °C에서 800 kPa, 220 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 150 kPaV1 = 5 LT1 = 15 °CP2 = 800 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

Mg 6 g과 O2 80 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(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

반응 Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2에서 Fe2O3 16 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) Fe 9.85 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(Fe2O3) = 159.69 g/molM(Fe) = 55.85 g/mol실제: 9.85 g
Y = %
9.화학 평형보통
H2​I2​HII0.20.20C−x−x+2xE0.2 − x0.2 − x2x

0.2 mol/L의 H₂와 0.2 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 25. 평형 농도 [HI]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.2 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I1.500C−x+x+xE1.5 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.04. 용기에 처음에는 PCl₅만 1.5 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [Cl2]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LKc = 0.04
[Cl2] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?알루미늄m = 100 gT = 100 °Cc = 0.897 J/(g·°C)물m = 200 gT = 24 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 100 °C이고 질량이 100 g인 알루미늄 블록(c = 0.897 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 24 °C의 물 200 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 100 gcmetal = 0.897 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 200 gTwater = 24 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
H2CH3​OH + 3O₂반응물2CO₂ + 4H₂O(l)생성물ΔH° = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 반응 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l)의 ΔH°를 구하시오.

ΔH°f(CH3OH) = −238.7 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)15 minC = ?

속도식이 −rA = k·CA²인 반응에서 k = 0.25 L/(mol·min)이고 초기 농도는 1.5 mol/L이다. 15 min 후의 농도 CA을(를) 구하시오.

k = 0.25 L/(mol·min)CA0 = 1.5 mol/Lt = 15 min
CA = mol/L
14.반응 속도론어려움
t (min)X (%)20 minX = ?

1차 반응의 k는 20 °C에서 0.01 min⁻¹이고 활성화 에너지는 90 kJ/mol이다. 이제 회분 반응기를 35 °C에서 20 min 동안 운전한다. 도달한 전환율 X을(를) 구하시오.

k1 = 0.01 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 90 kJ/molT2 = 35 °Ct = 20 minR = 8.314 J/(mol·K)
X = %
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
Q = 5 L/minX = 50%V = ?, k = 0.05 min⁻¹

k = 0.05 min⁻¹인 액상 1차 반응 A → B를 5 L/min으로 공급되는 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 수행한다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. A의 전환율 50%를 얻기 위한 반응기 부피 V을(를) 리터 단위로 구하시오.

Q = 5 L/mink = 0.05 min⁻¹X = 50%
V = L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 50 LV = 50 LQ = 10 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.25 min⁻¹)이 직렬로 연결된 같은 크기의 CSTR 두 개(각각 50 L)에서 진행된다. 공급 유량은 10 L/min, 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전체 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 50 L (×2)Q = 10 L/mink = 0.25 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T130 °C115 °C15 °C90 °CΔT₁ΔT₂병류

병류 열교환기가 470 kW을(를) 전달한다. 고온 유체는 130에서 115 °C까지 냉각되고 저온 유체는 15에서 90 °C까지 가열된다. 총괄 열전달 계수는 500 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Q̇ = 470 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 130 → 115 °CTc: 15 → 90 °C
A = m²
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T125 °C75 °C?25 °CΔT₁ΔT₂대향류

향류 이중관 열교환기에서 고온 기름(0.3 kg/s, cp = 2.5 kJ/(kg·K))이 내관을 흐르며 125 °C에서 75 °C로 냉각된다. 환형 공간의 물(0.5 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))은 25 °C로 들어간다. 내관의 지름은 25 mm이며 U = 250 W/(m²·K)는 이 지름을 기준으로 한다. 필요한 관 길이 L을(를) 구하시오.

ṁh = 0.3 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 125 → 75 °Cṁc = 0.5 kg/sTc,in = 25 °CD = 25 mmU = 250 W/(m²·K)
L = m
19.열전도보통
석고보드, k = 0.17200 mm발포 폴리스티렌, k = 0.035150 mm17 °C-10 °CTi​ = ?Q̇

벽은 석고보드 200 mm와 발포 폴리스티렌 150 mm(으)로 이루어지며 면적은 10 m²이다. 바깥 양면은 17 °C와 -10 °C이다. 두 층 경계면의 온도 Ti을(를) 구하시오.

L1 = 200 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 17 °CT3 = -10 °C
Ti = °C
20.열전도어려움
발포 폴리스티렌, k = 0.035250 mm콘크리트, k = 1.4100 mm실내 20 °C실외 4 °CTs​ = ?Q̇

250 mm 발포 폴리스티렌와 100 mm 콘크리트(으)로 된 벽이 20 °C인 방과 4 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 6 W/(m²·K), 실외 30 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 15 m²이다. 벽 안쪽 표면의 온도 Ts을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 15 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 4 °C
Ts = °C
21.관 마찰과 손실 수두보통
Q = 60 L/sD = 250 mmL = 100 mf = 0.018

물이 길이 100 m, 안지름 250 mm인 관을 60 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.018, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

Q = 60 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0.018g = 9.81 m/s²
hf = m
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 5Δz = 12 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0.0182× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 100 m, 안지름 200 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.018인 관으로 연결되어 있다. 위 저수지의 수면은 아래 저수지 수면보다 12 m 높다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 2개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 5), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 Q을(를) L/s 단위로 구하시오.

Δz = 12 mL = 100 mD = 200 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1.0
Q = L/s
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 20 L/sH = 50 m

효율 82%인 펌프가 양정 50 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 20 L/s 송출한다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 필요한 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 20 L/sH = 50 mη = 82%g = 9.81 m/s²
Pshaft = kW
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 50 L/sΔz = 29 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0.02, ΣK = 5

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 50 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 29 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 150 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.02이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 5(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.

Q = 50 L/sΔz = 29 mL = 150 mD = 150 mmf = 0.02ΣK = 5
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 1400 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·(40 − 20)/(20 − 15) = 1400 kg/h

답

ṁ2 = 1400 kg/h
2.물질 수지

답: P = 640 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 = 2400·16/60 = 640 kg/h

답

P = 640 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 35.84 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 3·3.6·(140 − 110) = 324 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 324/(3·4.18) = 35.84 °C

답

tout = 35.84 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 5.966 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 2.5·2.1·(170 − 70) = 525 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.05)·525 = 498.8 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 498.8/(4.18·20) = 5.966 kg/s

답

ṁc = 5.966 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: V = 35.79 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 440/39.95 = 11.01 mol
T = 20 + 273.15 = 293.1 K

부피

V = nRT/P = 11.01·8.314·293.1/750 = 35.79 L

답

V = 35.79 L
6.이상 기체 법칙

답: V2 = 1.604 L

보일-샤를 법칙: 일정량의 이상 기체에서 P1V1/T1 = P2V2/T2.

절대 온도

T1 = 288.1 K, T2 = 493.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(150/800)·(493.1/288.1) = 1.604 L

답

V2 = 1.604 L
7.화학량론

답: m = 9.947 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) = 6/24.31 = 0.2468 mol
n(O2) = 80/32 = 2.5 mol

한계 반응물

0.2468/2 = 0.1234, 2.5/1 = 2.5 → Mg

생성물의 질량

n(MgO) = 0.1234·2 = 0.2468 mol
m = 0.2468·40.3 = 9.947 g

답

m = 9.947 g
8.화학량론

답: Y = 88.01 %

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(Fe2O3) = 16/159.69 = 0.1002 mol
m = 0.1002·2/1·55.85 = 11.19 g

수득률

Y = 9.85/11.19·100 = 88.01%

답

Y = 88.01%
9.화학 평형

답: [HI] = 0.2857 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

25 = (2x)²/(0.2 − x)²

제곱근 취하기

5 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·5/(2 + 5) = 0.1429 mol/L

평형 농도

[HI] = 2x = 0.2857 mol/L

답

[HI] = 0.2857 mol/L
10.화학 평형

답: [Cl2] = 0.2258 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

0.04 = x²/(1.5 − x) → x² + 0.04·x − 0.06 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.04 + √(0.04² + 4·0.06))/2 = 0.2258 mol/L

평형 농도

[Cl₂] = x = 0.2258 mol/L

답

[Cl2] = 0.2258 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 31.36 °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

100·0.897·(100 − Tf) = 200·4.18·(Tf − 24)

최종 온도 구하기

Tf = (89.7·100 + 836·24)/(89.7 + 836) = 31.36 °C

답

Tf = 31.36 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: ΔH° = −1453 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) + 4·(−285.8)] − [2·(−238.7) + 3·0] = −1453 kJ

답

ΔH° = −1453 kJ

음수: 반응이 열을 내놓습니다(발열 반응).

13.반응 속도론

답: CA = 0.2264 mol/L

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).

2차 적분형 속도식

1/CA = 1/CA0 + kt = 0.6667 + 0.25·15 = 4.417 L/mol
CA = 1/4.417 = 0.2264 mol/L

답

CA = 0.2264 mol/L
14.반응 속도론

답: X = 70.09 %

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).

새 온도에서의 속도 상수

T1 = 293.1 K, T2 = 308.1 K
k2 = 0.01·e−(90000/8.314)·(1/308.1 − 1/293.1) = 0.06035 min⁻¹

전환율

X = 1 − e−0.06035·20 = 1 − 0.2991 = 70.09 %

답

X = 70.09 %
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: V = 69.31 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 − 0.5))/0.05 = 0.6931/0.05 = 13.86 min

부피

V = Q·τ = 5·13.86 = 69.31 L

답

V = 69.31 L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 80.25 %

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 = 50/10 = 5 min, kτ = 0.25·5 = 1.25

전환율

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1.25) = 0.4444
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0.1975
X = 1 − 0.1975 = 80.25%

답

X = 80.25%
17.열교환기 (LMTD)

답: A = 15.94 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

병류에서는 두 입구가 같은 쪽 끝에, 두 출구가 반대쪽 끝에 있습니다.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 130 − 15 = 115 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 115 − 90 = 25 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (115 − 25)/ln(115/25) = 58.98 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 470000/(500·58.98) = 15.94 m²

답

A = 15.94 m²
18.열교환기 (LMTD)

답: L = 29.51 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 = 0.3·2.5·(125 − 75) = 37.5 kW
Tc,out = 25 + 37.5/(0.5·4.18) = 42.94 °C

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 125 − 42.94 = 82.06 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 25 = 50 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (82.06 − 50)/ln(82.06/50) = 64.71 K

면적과 길이

A = 37500/(250·64.71) = 2.318 m²
L = A/(πD) = 2.318/(π·0.025) = 29.51 m

답

L = 29.51 m
19.열전도

답: Ti = 11.18 °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) = (200/1000)/(0.17·10) = 0.1176 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.035·10) = 0.4286 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/0.5462 = 49.43 W

경계면 온도

첫 번째 층에서 온도가 Q̇·R₁만큼 떨어집니다.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 49.43·0.1176 = 11.18 °C

답

Ti = 11.18 °C
20.열전도

답: Ts = 19.64 °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.

직렬 열저항

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·15) = 0.01111 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.035·15) = 0.4762 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1.4·15) = 0.004762 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·15) = 0.002222 K/W
ΣR = 0.4943 K/W

열손실

Q̇ = (20 − (4))/0.4943 = 32.37 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 32.37·0.01111 = 19.64 °C

답

Ts = 19.64 °C
21.관 마찰과 손실 수두

답: hf = 0.5483 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·0.25²/4 = 0.04909 m²
V = Q/A = 0.06/0.04909 = 1.222 m/s

속도 수두

V²/(2g) = 1.222²/(2·9.81) = 0.07615 m

다르시–바이스바흐 식

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.018·(100/0.25)·1.222²/(2·9.81) = 0.5483 m

답

hf = 0.5483 m
22.관 마찰과 손실 수두

답: Q = 120.1 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 = 0.018·100/0.2 = 9
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 5 + 1.0 = 7.1

에너지 방정식

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

12 = (9 + 7.1)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·12/16.1) = 3.824 m/s

유량

Q = V·π·D²/4 = 3.824·0.03142 = 0.1201 m³/s = 120.1 L/s

답

Q = 120.1 L/s
23.펌프와 펌프 동력

답: Pshaft = 11.96 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 = 1000·9.81·0.02·50 = 9.81 kW

축동력

Pshaft = Ph/η = 9.81/0.82 = 11.96 kW

답

Pshaft = 11.96 kW
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 39.2 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) = (20 + 5)·0.408 = 10.2 m

펌프 양정

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

H = Δz + hL = 29 + 10.2 = 39.2 m

답

H = 39.2 m

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