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 1450 kg/h · 20% NaOH흐름 2ṁ₂ = ? · 45% NaOH제품25% NaOH

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

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F600 kg/h · 18% 소금제품 P35% 소금증기 W (순수)W = ? kg/h

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

F = 600 kg/hxF = 18 %xP = 35 %
W = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측경유 · 130 °C100 °C물 · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Cṁc = 0.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측경유 · 170 °C70 °C물 · 30 °C65 °C · ṁ = ?15% 손실

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

ṁh = 2.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 70 °Ct: 30 → 65 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 15 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
CH₄ 350 gP = 250 kPaT = 35 °CV = ?

250 kPa, 35 °C에서 CH₄ 350 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 350 gM = 16.04 g/molP = 250 kPaT = 35 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.이상 기체 법칙어려움
O₂, M = 32 g/molP = 300 kPaT = 70 °Cρ = ?

300 kPa, 70 °C에서 O₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 32 g/molP = 300 kPaT = 70 °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 16 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(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

반응 Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2에서 Fe2O3 16 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) CO2 11.64 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(Fe2O3) = 159.69 g/molM(CO2) = 44.01 g/mol실제: 11.64 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 = 50. 평형 농도 [H2]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.2 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I0.2500C−x+x+xE0.25 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.02. 용기에 처음에는 PCl₅만 0.25 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [PCl5]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 0.25 mol/LKc = 0.02
[PCl5] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?납m = 250 gT = 80 °Cc = 0.129 J/(g·°C)물m = 100 gT = 16 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 80 °C이고 질량이 250 g인 납 블록(c = 0.129 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 16 °C의 물 100 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 250 gcmetal = 0.129 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 100 gTwater = 16 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
HC6​H12​O6​ + 6O₂반응물6CO₂ + 6H₂O(l)생성물ΔH° = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 반응 C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l)의 ΔH°를 구하시오.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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 = ?80%

회분 반응기에서 2차 반응(−rA = k·CA²)의 k = 0.5 L/(mol·min)이고 초기 농도는 2 mol/L이다. 전환율 80%에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

k = 0.5 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/LX = 80 %
t = min
14.반응 속도론어려움
Tk20 °Ck1​?5·k1​

어떤 반응의 활성화 에너지는 60 kJ/mol이다. 20 °C에서는 너무 느리다. 5배 빠르게 하려면 몇 도 T2(°C)까지 가열해야 하는가?

Ea = 60 kJ/molT1 = 20 °Ck2/k1 = 5R = 8.314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
Q = 10 L/minX = 80%V = ?, k = 0.5 min⁻¹

k = 0.5 min⁻¹인 액상 1차 반응 A → B를 10 L/min으로 공급되는 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 수행한다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. A의 전환율 80%를 얻기 위한 반응기 부피 V을(를) 리터 단위로 구하시오.

Q = 10 L/mink = 0.5 min⁻¹X = 80%
V = L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 50 LV = 50 LQ = 40 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.2 min⁻¹)이 직렬로 연결된 같은 크기의 CSTR 두 개(각각 50 L)에서 진행된다. 공급 유량은 40 L/min, 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전체 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 50 L (×2)Q = 40 L/mink = 0.2 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T120 °C30 °C110 °CΔT₁ΔT₂응축 증기

응축기에서 증기가 관 바깥쪽에서 일정한 120 °C로 응축된다. 냉각수(1.5 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))가 관 안을 흐르며 30 °C에서 110 °C로 가열된다. 총괄 열전달 계수는 2500 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Ts = 120 °Cṁ = 1.5 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 110 °CU = 2500 W/(m²·K)
A = m²
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T150 °C30 °C54.02 °C10 °CΔT₁ΔT₂대향류

뜨거운 기름(2 kg/s, cp = 2.3 kJ/(kg·K))이 대향류 열교환기에서 150에서 30 °C까지 냉각된다. 기름은 10 °C로 들어오는 물 3 kg/s(cp = 4.18 kJ/(kg·K))을(를) 가열한다. U = 500 W/(m²·K)일 때 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2.3 kJ/(kg·K)Th: 150 → 30 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.열전도보통
발포 폴리스티렌, k = 0.035100 mm암면, k = 0.0450 mm22 °C-8 °CTi​ = ?Q̇

벽은 발포 폴리스티렌 100 mm와 암면 50 mm(으)로 이루어지며 면적은 15 m²이다. 바깥 양면은 22 °C와 -8 °C이다. 두 층 경계면의 온도 Ti을(를) 구하시오.

L1 = 100 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 22 °CT3 = -8 °C
Ti = °C
20.열전도어려움
유리, k = 0.96150 mm벽돌, k = 0.72150 mm실내 21 °C실외 -14 °CTs​ = ?Q̇

150 mm 유리와 150 mm 벽돌(으)로 된 벽이 21 °C인 방과 -14 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 10 W/(m²·K), 실외 20 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 15 m²이다. 벽 안쪽 표면의 온도 Ts을(를) 구하시오.

L1 = 150 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.72 W/(m·K)A = 15 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -14 °C
Ts = °C
21.관 마찰과 손실 수두보통
V = 2 m/sD = 200 mmL = 300 mf = 0.028

물이 길이 300 m, 안지름 200 mm인 관을 평균 유속 2 m/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.028, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

V = 2 m/sL = 300 mD = 200 mmf = 0.028g = 9.81 m/s²
hf = m
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 10Δz = ?L = 500 m, D = 300 mm, f = 0.0184× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 500 m, 안지름 300 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.018인 관으로 연결되어 있다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 4개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 10), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 200 L/s를 얻으려면 두 저수지의 수위 차 Δz은(는) 얼마여야 하는가?

Q = 200 L/sL = 500 mD = 300 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1.0
Δz = m
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 15 L/sH = 48 m

펌프가 양정 48 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 15 L/s 송출한다. 펌프 효율은 60%이고, 펌프를 구동하는 전동기의 효율은 95%이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 전동기가 소비하는 전력 Pel을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 15 L/sH = 48 mηpump = 60%ηmotor = 95%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
24.펌프와 펌프 동력어려움
150 kPa (게이지압)PQ = 50 L/sΔz = 9 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0.025, ΣK = 4

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 50 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 9 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 200 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.025이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 4(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 위 탱크는 밀폐되어 있고 수면 위 공기의 게이지 압력은 150 kPa이다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.

Q = 50 L/sΔz = 9 mL = 200 mD = 150 mmf = 0.025ΣK = 4ptank = 150 kPa
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 112.5 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) = 450·(20 − 25)/(25 − 45) = 112.5 kg/h

답

ṁ2 = 112.5 kg/h
2.물질 수지

답: W = 291.4 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 = 600·18/35 = 308.6 kg/h

전체 수지

W = F − P = 600 − 308.6 = 291.4 kg/h

답

W = 291.4 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 40.14 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 1·2.1·(130 − 100) = 63 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 63/(0.5·4.18) = 40.14 °C

답

tout = 40.14 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 3.05 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 − 0.15)·525 = 446.3 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 446.3/(4.18·35) = 3.05 kg/s

답

ṁc = 3.05 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: V = 223.6 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 350/16.04 = 21.82 mol
T = 35 + 273.15 = 308.1 K

부피

V = nRT/P = 21.82·8.314·308.1/250 = 223.6 L

답

V = 223.6 L
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 3.365 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 70 + 273.15 = 343.1 K

밀도

ρ = 300·32/(8.314·343.1) = 3.365 kg/m³

답

ρ = 3.365 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) = 16/32 = 0.5 mol

한계 반응물

0.3291/2 = 0.1645, 0.5/1 = 0.5 → 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 = 87.99 %

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(Fe2O3) = 16/159.69 = 0.1002 mol
m = 0.1002·3/1·44.01 = 13.23 g

수득률

Y = 11.64/13.23·100 = 87.99%

답

Y = 87.99%
9.화학 평형

답: [H2] = 0.0441 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/(0.2 − x)²

제곱근 취하기

7.071 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·7.071/(2 + 7.071) = 0.1559 mol/L

평형 농도

[H₂] = 0.2 − x = 0.0441 mol/L

답

[H2] = 0.0441 mol/L
10.화학 평형

답: [PCl5] = 0.1886 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

0.02 = x²/(0.25 − x) → x² + 0.02·x − 0.005 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.005))/2 = 0.06141 mol/L

평형 농도

[PCl₅] = 0.25 − 0.06141 = 0.1886 mol/L

답

[PCl5] = 0.1886 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 20.58 °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·(80 − Tf) = 100·4.18·(Tf − 16)

최종 온도 구하기

Tf = (32.25·80 + 418·16)/(32.25 + 418) = 20.58 °C

답

Tf = 20.58 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: ΔH° = −2802 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

답

ΔH° = −2802 kJ

음수: 반응이 열을 내놓습니다(발열 반응).

13.반응 속도론

답: t = 4 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).

마지막 농도

CA = 2·(1 − 0.8) = 0.4 mol/L

2차 적분형 속도식

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2.5 − 0.5)/0.5 = 4 min

답

t = 4 min
14.반응 속도론

답: T2 = 40.51 °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 = 293.1 K

아레니우스 식을 T₂에 대해 풀기

1/T2 = 1/293.1 − 8.314·ln(5)/60000 = 3.411 × 10⁻³ − 2.230 × 10⁻⁴ = 3.188 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 313.7 K = 40.51 °C

답

T2 = 40.51 °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: V = 32.19 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 − 0.8))/0.5 = 1.609/0.5 = 3.219 min

부피

V = Q·τ = 10·3.219 = 32.19 L

답

V = 32.19 L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 36 %

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 = 50/40 = 1.25 min, kτ = 0.2·1.25 = 0.25

전환율

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0.25) = 0.8
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0.64
X = 1 − 0.64 = 36%

답

X = 36%
17.열교환기 (LMTD)

답: A = 5.511 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.

물 쪽에서 구한 열부하

Q̇ = 1.5·4.18·(110 − 30) = 501.6 kW

양 끝의 온도 차

ΔT₁ = 120 − 30 = 90 K
ΔT₂ = 120 − 110 = 10 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 10)/ln(90/10) = 36.41 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 501600/(2500·36.41) = 5.511 m²

답

A = 5.511 m²
18.열교환기 (LMTD)

답: A = 22.79 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.

열부하와 물의 출구 온도

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 2·2.3·120 = 552 kW
Tc,out = 10 + 552/(3·4.18) = 54.02 °C

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 150 − 54.02 = 95.98 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 30 − 10 = 20 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95.98 − 20)/ln(95.98/20) = 48.44 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 552000/(500·48.44) = 22.79 m²

답

A = 22.79 m²
19.열전도

답: Ti = 1.13 °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) = (100/1000)/(0.035·15) = 0.1905 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.04·15) = 0.08333 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0.2738 = 109.6 W

경계면 온도

첫 번째 층에서 온도가 Q̇·R₁만큼 떨어집니다.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 22 − 109.6·0.1905 = 1.13 °C

답

Ti = 1.13 °C
20.열전도

답: Ts = 14.2 °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/(10·15) = 0.006667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.96·15) = 0.01042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.72·15) = 0.01389 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·15) = 0.003333 K/W
ΣR = 0.03431 K/W

열손실

Q̇ = (21 − (-14))/0.03431 = 1020 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 1020·0.006667 = 14.2 °C

답

Ts = 14.2 °C
21.관 마찰과 손실 수두

답: hf = 8.563 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) = 2²/(2·9.81) = 0.2039 m

다르시–바이스바흐 식

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.028·(300/0.2)·2²/(2·9.81) = 8.563 m

답

hf = 8.563 m
22.관 마찰과 손실 수두

답: Δz = 17.42 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 = 0.2/0.07069 = 2.829 m/s
V²/(2g) = 0.408 m

손실 계수

f·L/D = 0.018·500/0.3 = 30
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 + 1.0 = 12.7

전체 손실 수두

hf = 30·0.408 = 12.24 m
hm = 12.7·0.408 = 5.182 m
Δz = hf + hm = 17.42 m

답

Δz = 17.42 m
23.펌프와 펌프 동력

답: Pel = 12.39 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 = 1000·9.81·0.015·48 = 7.063 kW

축동력

Pshaft = 7.063/0.6 = 11.77 kW

전기 입력 동력

Pel = 11.77/0.95 = 12.39 kW

답

Pel = 12.39 kW
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 39.52 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) = (33.33 + 4)·0.408 = 15.23 m

압력 수두

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9.81) = 15.29 m

펌프 양정

두 수면 모두 사실상 정지해 있으므로 속도 수두 항은 없습니다.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 9 + 15.29 + 15.23 = 39.52 m

답

H = 39.52 m

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