FE Chemical 시험 대비: 벼락치기 팩

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

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

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 1250 kg/h · 50% NaOH흐름 2ṁ₂ = ? · 5% NaOH제품25% NaOH

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

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 50 %x2 = 5 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F4300 kg/h · 13% 설탕제품 PP = ? · 50%증기 W (순수)0% 설탕

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

F = 4300 kg/hxF = 13 %xP = 50 %
P = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측글리콜 혼합액 · 170 °C100 °C물 · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 100 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측글리콜 혼합액 · 150 °C80 °C물 · 25 °C80 °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 = 1.5 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 80 °Ct: 25 → 80 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 5 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
CO₂ 210 gP = 300 kPaT = 0 °CV = ?

300 kPa, 0 °C에서 CO₂ 210 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 210 gM = 44.01 g/molP = 300 kPaT = 0 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.이상 기체 법칙어려움
CO₂, M = 44.01 g/molP = 800 kPaT = 140 °Cρ = ?

800 kPa, 140 °C에서 CO₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 44.01 g/molP = 800 kPaT = 140 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

C3H8 6 g과 O2 48 g이 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 CO2의 질량 m는 얼마일까요?

M(C3H8) = 44.1M(O2) = 32M(CO2) = 44.01 g/mol
m = g
8.화학량론어려움
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

반응 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3에서 Al 12 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) AlCl3 53.96 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(Al) = 26.98 g/molM(AlCl3) = 133.33 g/mol실제: 53.96 g
Y = %
9.화학 평형보통
H2​I2​HII0.50.50C−x−x+2xE0.5 − x0.5 − x2x

0.5 mol/L의 H₂와 0.5 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 36. 평형 농도 [HI]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.5 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I0.100C−x+x+xE0.1 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.01. 용기에 처음에는 PCl₅만 0.1 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [PCl5]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 0.1 mol/LKc = 0.01
[PCl5] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?납m = 75 gT = 100 °Cc = 0.129 J/(g·°C)물m = 100 gT = 23 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 100 °C이고 질량이 75 g인 납 블록(c = 0.129 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 23 °C의 물 100 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 75 gcmetal = 0.129 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 100 gTwater = 23 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
H2C2​H6​ + 7O₂반응물4CO₂ + 6H₂O(l)생성물ΔH° = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 반응 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l)의 ΔH°를 구하시오.

ΔH°f(C2H6) = −84.7 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)X (%)t = ?99%

회분 반응기에서 1차 반응의 k = 0.01 min⁻¹이다. 전환율 99%에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

k = 0.01 min⁻¹X = 99 %
t = min
14.반응 속도론어려움
1/Tln kT = 60 °Cln 0.02ln A = ?Ea​ = 75 kJ/mol

1차 반응의 속도 상수는 60 °C에서 0.02 s⁻¹이고 활성화 에너지는 75 kJ/mol이다. 아레니우스 식의 빈도 인자 A을(를) 구하시오.

k = 0.02 s⁻¹T = 60 °CEa = 75 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
Q = 10 L/minCA0​ = 0.5 mol/LCA​ = ?V = 150 L, k = 0.3 min⁻¹

액상 1차 반응 A → B(k = 0.3 min⁻¹)가 150 L 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 진행된다. 공급물은 10 L/min, CA0 = 0.5 mol/L로 들어온다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 출구 농도 CA을(를) 구하시오.

V = 150 LQ = 10 L/mink = 0.3 min⁻¹CA0 = 0.5 mol/L
CA = mol/L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
Q = 100 L/minX = ?V = 1000 L

액상 1차 반응(k = 0.4 min⁻¹)이 100 L/min으로 공급되는 1000 L 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 진행된다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 1000 LQ = 100 L/mink = 0.4 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T135 °C55 °C85 °C15 °CΔT₁ΔT₂대향류

셸 앤드 튜브 열교환기(셸 1패스, 튜브 2패스)가 520 kW를 전달해야 한다. 고온 유체는 135 °C에서 55 °C로 냉각되고 저온 유체는 15 °C에서 85 °C로 가열된다. 이 배치의 LMTD 보정 계수는 F = 0.85이고 U = 1000 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Q̇ = 520 kWF = 0.85U = 1000 W/(m²·K)Th: 135 → 55 °CTc: 15 → 85 °C
A = m²
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T120 °C20 °C?ΔT₁ΔT₂응축 증기

전열 면적 4 m², U = 1500 W/(m²·K)인 응축기의 관 바깥쪽에서 증기가 일정한 120 °C로 응축된다. 냉각수(1.5 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))는 20 °C로 관에 들어간다. 물의 출구 온도 Tc,out을(를) 구하시오.

Ts = 120 °CA = 4 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 1.5 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °C
Tc,out = °C
19.열전도보통
목재, k = 0.17150 mm유리, k = 0.9650 mm18 °C-15 °CQ̇ = ?

벽은 목재 150 mm와 유리 50 mm(으)로 이루어지며 면적은 15 m²이다. 바깥 양면은 18 °C와 -15 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 150 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 18 °CT3 = -15 °C
Q̇ = W
20.열전도어려움
발포 폴리스티렌, k = 0.035250 mm목재, k = 0.1775 mm실내 20 °C실외 -4 °CQ̇

250 mm 발포 폴리스티렌와 75 mm 목재(으)로 된 벽이 20 °C인 방과 -4 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 8 W/(m²·K), 실외 25 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 15 m²이다. 벽의 총괄 열전달 계수 U을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 15 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -4 °C
U = W/(m²·K)
21.관 마찰과 손실 수두보통
Q = 6 L/sD = 100 mmL = 300 mf = 0.03

물이 길이 300 m, 안지름 100 mm인 관을 6 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.03, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

Q = 6 L/sL = 300 mD = 100 mmf = 0.03g = 9.81 m/s²
hf = m
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 2Δz = 16 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0.0223× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 100 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.022인 관으로 연결되어 있다. 위 저수지의 수면은 아래 저수지 수면보다 16 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 = 16 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.022Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1.0
Q = L/s
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 15 L/sH = 38 m

효율 80%인 펌프가 양정 38 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 15 L/s 송출한다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 필요한 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 15 L/sH = 38 mη = 80%g = 9.81 m/s²
Pshaft = kW
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 80 L/sΔz = 21 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0.015, ΣK = 5

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 80 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 21 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 300 m, 안지름 200 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 5(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.

Q = 80 L/sΔz = 21 mL = 300 mD = 200 mmf = 0.015ΣK = 5
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 312.5 kg/h

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

수지

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

ṁ2에 대해 풀기

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 250·(50 − 25)/(25 − 5) = 312.5 kg/h

답

ṁ2 = 312.5 kg/h
2.물질 수지

답: P = 1118 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 = 4300·13/50 = 1118 kg/h

답

P = 1118 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 45.14 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 1·3.6·(170 − 100) = 252 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 252/(2·4.18) = 45.14 °C

답

tout = 45.14 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 1.562 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 1.5·3.6·(150 − 80) = 378 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.05)·378 = 359.1 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 359.1/(4.18·55) = 1.562 kg/s

답

ṁc = 1.562 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: V = 36.12 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 210/44.01 = 4.772 mol
T = 0 + 273.15 = 273.1 K

부피

V = nRT/P = 4.772·8.314·273.1/300 = 36.12 L

답

V = 36.12 L
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 10.25 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 140 + 273.15 = 413.1 K

밀도

ρ = 800·44.01/(8.314·413.1) = 10.25 kg/m³

답

ρ = 10.25 kg/m³
7.화학량론

답: m = 17.96 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) = 6/44.1 = 0.1361 mol
n(O2) = 48/32 = 1.5 mol

한계 반응물

0.1361/1 = 0.1361, 1.5/5 = 0.3 → C3H8

생성물의 질량

n(CO2) = 0.1361·3 = 0.4082 mol
m = 0.4082·44.01 = 17.96 g

답

m = 17.96 g
8.화학량론

답: Y = 90.99 %

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(Al) = 12/26.98 = 0.4448 mol
m = 0.4448·2/2·133.33 = 59.3 g

수득률

Y = 53.96/59.3·100 = 90.99%

답

Y = 90.99%
9.화학 평형

답: [HI] = 0.75 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/(0.5 − x)²

제곱근 취하기

6 = 2x/(0.5 − x) → x = 0.5·6/(2 + 6) = 0.375 mol/L

평형 농도

[HI] = 2x = 0.75 mol/L

답

[HI] = 0.75 mol/L
10.화학 평형

답: [PCl5] = 0.07298 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

0.01 = x²/(0.1 − x) → x² + 0.01·x − 0.001 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.01 + √(0.01² + 4·0.001))/2 = 0.02702 mol/L

평형 농도

[PCl₅] = 0.1 − 0.02702 = 0.07298 mol/L

답

[PCl5] = 0.07298 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 24.74 °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

75·0.129·(100 − Tf) = 100·4.18·(Tf − 23)

최종 온도 구하기

Tf = (9.675·100 + 418·23)/(9.675 + 418) = 24.74 °C

답

Tf = 24.74 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: ΔH° = −3119 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° = [4·(−393.5) + 6·(−285.8)] − [2·(−84.7) + 7·0] = −3119 kJ

답

ΔH° = −3119 kJ

음수: 반응이 열을 내놓습니다(발열 반응).

13.반응 속도론

답: t = 460.5 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 = 0.01

시간에 대해 풀기

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.01)/0.01 = 460.5 min

답

t = 460.5 min
14.반응 속도론

답: A = 1.15 × 10¹⁰ 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 = 60 + 273.15 = 333.1 K

아레니우스 식을 A에 대해 풀기

Ea/(RT) = 75000/(8.314·333.1) = 27.08
A = k·e27.08 = 0.02·5.750 × 10¹¹ = 1.15 × 10¹⁰ s⁻¹

답

A = 1.15 × 10¹⁰ s⁻¹
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: CA = 0.005554 mol/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 = V/Q = 150/10 = 15 min

출구 농도

CA = 0.5·e−0.3·15 = 0.005554 mol/L

답

CA = 0.005554 mol/L

전환율: X = 98.89%.

16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 98.17 %

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 = 1000/100 = 10 min, kτ = 0.4·10 = 4

전환율

X = 1 − e−kτ = 1 − e−4 = 98.17%

답

X = 98.17%
17.열교환기 (LMTD)

답: A = 13.65 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 = 135 − 85 = 50 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 15 = 40 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 40)/ln(50/40) = 44.81 K

면적

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 520000/(1000·0.85·44.81) = 13.65 m²

답

A = 13.65 m²
18.열교환기 (LMTD)

답: Tc,out = 81.59 °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.

에너지 수지와 전열 방정식 결합

ΔT₁ = Ts − Tc,in, ΔT₂ = Ts − Tc,out이면 ΔT₁ − ΔT₂는 물의 온도 상승과 같으므로 상승분이 약분됩니다.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 1500·4/(1.5·4180) = 0.9569

출구 온도

ΔT₂ = ΔT₁·e−0.9569 = 100·0.3841 = 38.41 K
Tc,out = 120 − 38.41 = 81.59 °C

답

Tc,out = 81.59 °C

전달된 열: Q̇ = 386.2 kW.

19.열전도

답: Q̇ = 529.7 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)/(0.17·15) = 0.05882 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.96·15) = 0.003472 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 33/0.0623 = 529.7 W

답

Q̇ = 529.7 W
20.열전도

답: U = 0.129 W/(m²·K)

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/(8·15) = 0.008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.035·15) = 0.4762 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.17·15) = 0.02941 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·15) = 0.002667 K/W
ΣR = 0.5166 K/W

총괄 열전달 계수

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0.5166) = 0.129 W/(m²·K)

답

U = 0.129 W/(m²·K)
21.관 마찰과 손실 수두

답: hf = 2.677 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·0.1²/4 = 0.007854 m²
V = Q/A = 0.006/0.007854 = 0.7639 m/s

속도 수두

V²/(2g) = 0.7639²/(2·9.81) = 0.02975 m

다르시–바이스바흐 식

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.03·(300/0.1)·0.7639²/(2·9.81) = 2.677 m

답

hf = 2.677 m
22.관 마찰과 손실 수두

답: Q = 71.7 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 = 0.022·100/0.15 = 14.67
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.

16 = (14.67 + 4.4)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·16/19.07) = 4.058 m/s

유량

Q = V·π·D²/4 = 4.058·0.01767 = 0.0717 m³/s = 71.7 L/s

답

Q = 71.7 L/s
23.펌프와 펌프 동력

답: Pshaft = 6.99 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 = 1000·9.81·0.015·38 = 5.592 kW

축동력

Pshaft = Ph/η = 5.592/0.8 = 6.99 kW

답

Pshaft = 6.99 kW
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 30.09 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 = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s
V²/(2g) = 0.3305 m

손실 수두

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22.5 + 5)·0.3305 = 9.089 m

펌프 양정

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

H = Δz + hL = 21 + 9.089 = 30.09 m

답

H = 30.09 m

이 자료는 독립적인 연습 자료입니다. ExamProblems는 이 시험을 주관하는 기관과 제휴하거나 그 기관의 승인을 받지 않았으며, 시험 이름은 내용을 설명하는 데에만 사용됩니다. FE exam 시험은 NCEES에서 주관하며, 이 기관은 ExamProblems와 제휴하지 않았고 이를 보증하지 않습니다.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical