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 1850 kg/h · 50% 설탕흐름 2ṁ₂ = ? · 15% 설탕제품30% 설탕

혼합 제품이 설탕을(를) 30% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 50 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F2500 kg/h · 17% 소금제품 PP = ? · 35%증기 W (순수)0% 소금

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

F = 2500 kg/hxF = 17 %xP = 35 %
P = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측글리콜 혼합액 · 140 °C70 °C물 · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2.5 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측글리콜 혼합액 · 150 °C70 °C물 · 10 °C80 °C · ṁ = ?10% 손실

뜨거운 글리콜 혼합액이(가) 열교환기에서 물을 가열하는데, 이 열교환기는 고온 흐름이 내놓은 열의 10%를 주위로 잃는다. 필요한 물의 유량 ṁc을(를) 구하시오.

ṁh = 3 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 70 °Ct: 10 → 80 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 10 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
N₂ 420 gV = 10 LT = 55 °CP = ?

부피 10 L인 탱크에 55 °C의 N₂ 420 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 420 gM = 28.01 g/molV = 10 LT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.이상 기체 법칙어려움
N₂, M = 28.01 g/molP = 700 kPaT = 40 °Cρ = ?

700 kPa, 40 °C에서 N₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 28.01 g/molP = 700 kPaT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

H2 30 g과 O2 80 g이 2H2 + O2 → 2H2O에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 H2O의 질량 m는 얼마일까요?

M(H2) = 2.016M(O2) = 32M(H2O) = 18.02 g/mol
m = g
8.화학량론어려움
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

반응 2H2 + O2 → 2H2O에서 H2 4 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) H2O 25.03 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(H2) = 2.016 g/molM(H2O) = 18.02 g/mol실제: 25.03 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 = 54. 평형 농도 [H2]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.2 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I0.100C−x+x+xE0.1 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.05. 용기에 처음에는 PCl₅만 0.1 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [PCl5]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 0.1 mol/LKc = 0.05
[PCl5] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?아연m = 75 gT = 150 °Cc = 0.388 J/(g·°C)물m = 150 gT = 15 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 150 °C이고 질량이 75 g인 아연 블록(c = 0.388 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 15 °C의 물 150 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 75 gcmetal = 0.388 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 150 gTwater = 15 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
H25 g CH4​CH4​ + 2O₂반응물CO₂ + 2H₂O(l)생성물q = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 CH4(M = 16.04 g/mol) 25 g이 완전 연소할 때 방출되는 열 q을(를) 구하시오: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). q는 양수로 답하시오.

ΔH°f(CH4) = −74.8 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)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

2차 반응(−rA = k·CA²)의 k = 0.25 L/(mol·min), 초기 농도는 0.8 mol/L이다. 첫 번째 반감기 t½을(를) 구하시오.

k = 0.25 L/(mol·min)CA0 = 0.8 mol/L
t½ = min
14.반응 속도론어려움
Tk30 °Ck1​?5·k1​

어떤 반응의 활성화 에너지는 55 kJ/mol이다. 30 °C에서는 너무 느리다. 5배 빠르게 하려면 몇 도 T2(°C)까지 가열해야 하는가?

Ea = 55 kJ/molT1 = 30 °Ck2/k1 = 5R = 8.314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
QX = 90%CSTR과 같은 Q, k, X

액상 1차 반응이 전환율 90%에 도달해야 한다. 공급 유량, 속도 상수, 전환율이 같을 때 CSTR은 PFR보다 몇 배 커야 하는가? 비 VCSTR/VPFR을(를) 구하시오.

X = 90%1차 반응, 같은 k와 Q
VCSTR/VPFR =
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 400 LQ = 5 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.15 min⁻¹)이 5 L/min으로 공급되는 400 L CSTR에서 진행된다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 400 LQ = 5 L/mink = 0.15 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T115 °C90 °C90 °C30 °CΔT₁ΔT₂대향류

향류 열교환기가 80 kW를 전달한다. 전열 면적은 10 m²이다. 고온 유체는 115 °C에서 90 °C로 냉각되고 저온 유체는 30 °C에서 90 °C로 가열된다. 총괄 열전달 계수 U을(를) 구하시오.

Q̇ = 80 kWA = 10 m²Th: 115 → 90 °CTc: 30 → 90 °C
U = W/(m²·K)
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T95 °C65 °C?15 °CΔT₁ΔT₂대향류

향류 이중관 열교환기에서 고온 기름(1 kg/s, cp = 2.5 kJ/(kg·K))이 내관을 흐르며 95 °C에서 65 °C로 냉각된다. 환형 공간의 물(1.5 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))은 15 °C로 들어간다. 내관의 지름은 50 mm이며 U = 500 W/(m²·K)는 이 지름을 기준으로 한다. 필요한 관 길이 L을(를) 구하시오.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 95 → 65 °Cṁc = 1.5 kg/sTc,in = 15 °CD = 50 mmU = 500 W/(m²·K)
L = m
19.열전도보통
석고보드, k = 0.17250 mm발포 폴리스티렌, k = 0.035150 mm15 °C-1 °CQ̇ = ?

벽은 석고보드 250 mm와 발포 폴리스티렌 150 mm(으)로 이루어지며 면적은 4 m²이다. 바깥 양면은 15 °C와 -1 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 15 °CT3 = -1 °C
Q̇ = W
20.열전도어려움
발포 폴리스티렌, k = 0.035150 mm유리, k = 0.96150 mm실내 20 °C실외 -13 °CQ̇ = ?

150 mm 발포 폴리스티렌와 150 mm 유리(으)로 된 벽이 20 °C인 방과 -13 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 8 W/(m²·K), 실외 25 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 20 m²이다. 벽을 통한 열손실 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 150 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -13 °C
Q̇ = W
21.관 마찰과 손실 수두보통
V = 0.9 m/sD = 50 mmL = 100 mf = 0.015

물이 길이 100 m, 안지름 50 mm인 관을 평균 유속 0.9 m/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.015, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

V = 0.9 m/sL = 100 mD = 50 mmf = 0.015g = 9.81 m/s²
hf = m
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 0.2Δz = 24 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0.0153× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 150 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015인 관으로 연결되어 있다. 위 저수지의 수면은 아래 저수지 수면보다 24 m 높다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 3개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 0.2), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 Q을(를) L/s 단위로 구하시오.

Δz = 24 mL = 150 mD = 150 mmf = 0.015Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 0.2Kexit = 1.0
Q = L/s
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 25 L/sH = 58 m

펌프가 양정 58 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 25 L/s 송출한다. 펌프 효율은 65%이고, 펌프를 구동하는 전동기의 효율은 92%이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 전동기가 소비하는 전력 Pel을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 25 L/sH = 58 mηpump = 65%ηmotor = 92%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 75 L/sΔz = 5 mL = 400 m, D = 200 mm, f = 0.02, ΣK = 6

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 75 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 5 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 400 m, 안지름 200 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 = 75 L/sΔz = 5 mL = 400 mD = 200 mmf = 0.02ΣK = 6
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 1133 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) = 850·(50 − 30)/(30 − 15) = 1133 kg/h

답

ṁ2 = 1133 kg/h
2.물질 수지

답: P = 1214 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 = 2500·17/35 = 1214 kg/h

답

P = 1214 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 90.36 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 2.5·3.6·(140 − 70) = 630 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 630/(2·4.18) = 90.36 °C

답

tout = 90.36 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 2.658 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 3·3.6·(150 − 70) = 864 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.1)·864 = 777.6 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 777.6/(4.18·70) = 2.658 kg/s

답

ṁc = 2.658 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: P = 4091 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 420/28.01 = 14.99 mol
T = 55 + 273.15 = 328.1 K

압력

P = nRT/V = 14.99·8.314·328.1/0.01 = 4091 kPa

답

P = 4091 kPa
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 7.531 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 40 + 273.15 = 313.1 K

밀도

ρ = 700·28.01/(8.314·313.1) = 7.531 kg/m³

답

ρ = 7.531 kg/m³
7.화학량론

답: m = 90.1 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(H2) = 30/2.016 = 14.88 mol
n(O2) = 80/32 = 2.5 mol

한계 반응물

14.88/2 = 7.44, 2.5/1 = 2.5 → O2

생성물의 질량

n(H2O) = 2.5·2 = 5 mol
m = 5·18.02 = 90.1 g

답

m = 90.1 g
8.화학량론

답: Y = 70.01 %

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(H2) = 4/2.016 = 1.984 mol
m = 1.984·2/2·18.02 = 35.75 g

수득률

Y = 25.03/35.75·100 = 70.01%

답

Y = 70.01%
9.화학 평형

답: [H2] = 0.04279 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

54 = (2x)²/(0.2 − x)²

제곱근 취하기

7.348 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·7.348/(2 + 7.348) = 0.1572 mol/L

평형 농도

[H₂] = 0.2 − x = 0.04279 mol/L

답

[H2] = 0.04279 mol/L
10.화학 평형

답: [PCl5] = 0.05 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

0.05 = x²/(0.1 − x) → x² + 0.05·x − 0.005 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.05 + √(0.05² + 4·0.005))/2 = 0.05 mol/L

평형 농도

[PCl₅] = 0.1 − 0.05 = 0.05 mol/L

답

[PCl5] = 0.05 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 20.99 °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

75·0.388·(150 − Tf) = 150·4.18·(Tf − 15)

최종 온도 구하기

Tf = (29.1·150 + 627·15)/(29.1 + 627) = 20.99 °C

답

Tf = 20.99 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: q = 1388 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° = [1·(−393.5) + 2·(−285.8)] − [1·(−74.8) + 2·0] = −890.3 kJ

주어진 질량에 대한 열

n = 25/16.04 = 1.559 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1.559·890.3 = 1388 kJ

답

q = 1388 kJ
13.반응 속도론

답: t½ = 5 min

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).

2차 반응의 반감기

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0.25·0.8) = 5 min

답

t½ = 5 min

C₀가 절반이 되었으므로 이후의 반감기는 매번 두 배로 길어집니다.

14.반응 속도론

답: T2 = 54.14 °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 = 303.1 K

아레니우스 식을 T₂에 대해 풀기

1/T2 = 1/303.1 − 8.314·ln(5)/55000 = 3.299 × 10⁻³ − 2.433 × 10⁻⁴ = 3.055 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 327.3 K = 54.14 °C

답

T2 = 54.14 °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: VCSTR/VPFR = 3.909

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) = 0.9/0.1 = 9
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(10) = 2.303

부피비

VCSTR/VPFR = 9/2.303 = 3.909

답

VCSTR/VPFR = 3.909

전환율이 높을수록 차이가 빠르게 커집니다.

16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 92.31 %

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 = 400/5 = 80 min, kτ = 0.15·80 = 12

전환율

X = kτ/(1 + kτ) = 12/(1 + 12) = 92.31%

답

X = 92.31%
17.열교환기 (LMTD)

답: U = 200.1 W/(m²·K)

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 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 115 − 90 = 25 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 90 − 30 = 60 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (25 − 60)/ln(25/60) = 39.98 K

총괄 열전달 계수

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 80000/(10·39.98) = 200.1 W/(m²·K)

답

U = 200.1 W/(m²·K)
18.열교환기 (LMTD)

답: L = 16.31 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 = 1·2.5·(95 − 65) = 75 kW
Tc,out = 15 + 75/(1.5·4.18) = 26.96 °C

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 95 − 26.96 = 68.04 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 15 = 50 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (68.04 − 50)/ln(68.04/50) = 58.56 K

면적과 길이

A = 75000/(500·58.56) = 2.562 m²
L = A/(πD) = 2.562/(π·0.05) = 16.31 m

답

L = 16.31 m
19.열전도

답: Q̇ = 11.12 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) = (250/1000)/(0.17·4) = 0.3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.035·4) = 1.071 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/1.439 = 11.12 W

답

Q̇ = 11.12 W
20.열전도

답: Q̇ = 143.3 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/(8·20) = 0.00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.035·20) = 0.2143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.96·20) = 0.007813 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0.002 K/W
ΣR = 0.2303 K/W

열손실

Q̇ = (20 − (-13))/0.2303 = 143.3 W

답

Q̇ = 143.3 W
21.관 마찰과 손실 수두

답: hf = 1.239 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 수두

V²/(2g) = 0.9²/(2·9.81) = 0.04128 m

다르시–바이스바흐 식

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(100/0.05)·0.9²/(2·9.81) = 1.239 m

답

hf = 1.239 m
22.관 마찰과 손실 수두

답: Q = 91.41 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 = 0.015·150/0.15 = 15
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 0.2 + 1.0 = 2.6

에너지 방정식

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

24 = (15 + 2.6)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·24/17.6) = 5.172 m/s

유량

Q = V·π·D²/4 = 5.172·0.01767 = 0.09141 m³/s = 91.41 L/s

답

Q = 91.41 L/s
23.펌프와 펌프 동력

답: Pel = 23.79 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 = 1000·9.81·0.025·58 = 14.22 kW

축동력

Pshaft = 14.22/0.65 = 21.88 kW

전기 입력 동력

Pel = 21.88/0.92 = 23.79 kW

답

Pel = 23.79 kW
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 18.36 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 = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s
V²/(2g) = 0.2905 m

손실 수두

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (40 + 6)·0.2905 = 13.36 m

펌프 양정

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

H = Δz + hL = 5 + 13.36 = 18.36 m

답

H = 18.36 m

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