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 1400 kg/h · 5% NaOH흐름 2ṁ₂ = ? · 30% NaOH제품15% NaOH

혼합 제품이 NaOH을(를) 15% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 5 %x2 = 30 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F2700 kg/h · 17% 설탕제품 PP = ? · 65%증기 W (순수)0% 설탕

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

F = 2700 kg/hxF = 17 %xP = 65 %
P = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측에탄올 · 160 °C130 °C물 · 20 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 130 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측경유 · 130 °C60 °C물 · 20 °C70 °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 = 0.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 20 → 70 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 15 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
O₂ 380 gP = 150 kPaT = 10 °CV = ?

150 kPa, 10 °C에서 O₂ 380 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 380 gM = 32 g/molP = 150 kPaT = 10 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 CO₂이(가) 300 kPa, 10 L, 15 °C에서 750 kPa, 130 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 300 kPaV1 = 10 LT1 = 15 °CP2 = 750 kPaT2 = 130 °C
V2 = L
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

C3H8 20 g과 O2 24 g이 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 H2O의 질량 m는 얼마일까요?

M(C3H8) = 44.1M(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 12 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) H2O 75.08 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(H2) = 2.016 g/molM(H2O) = 18.02 g/mol실제: 75.08 g
Y = %
9.화학 평형보통
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L의 H₂와 1 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 9. 평형 농도 [H2]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I0.500C−x+x+xE0.5 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.08. 용기에 처음에는 PCl₅만 0.5 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [Cl2]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 0.5 mol/LKc = 0.08
[Cl2] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?구리m = 150 gT = 80 °Cc = 0.385 J/(g·°C)물m = 150 gT = 15 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 80 °C이고 질량이 150 g인 구리 블록(c = 0.385 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 = 150 gcmetal = 0.385 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 150 gTwater = 15 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
H20 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂반응물4CO₂ + 6H₂O(l)생성물q = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 C2H6(M = 30.07 g/mol) 20 g이 완전 연소할 때 방출되는 열 q을(를) 구하시오: 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). q는 양수로 답하시오.

ΔH°f(C2H6) = −84.7 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)X (%)t = ?50%

0차 반응의 k = 0.01 mol/(L·min)이고 초기 농도는 0.8 mol/L이다. 전환율 50%에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

k = 0.01 mol/(L·min)CA0 = 0.8 mol/LX = 50 %
t = min
14.반응 속도론어려움
Tk20 °Ck1​?4·k1​

어떤 반응의 활성화 에너지는 40 kJ/mol이다. 20 °C에서는 너무 느리다. 4배 빠르게 하려면 몇 도 T2(°C)까지 가열해야 하는가?

Ea = 40 kJ/molT1 = 20 °Ck2/k1 = 4R = 8.314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
QX = 80%CSTR과 같은 Q, k, X

액상 1차 반응이 전환율 80%에 도달해야 한다. 공급 유량, 속도 상수, 전환율이 같을 때 CSTR은 PFR보다 몇 배 커야 하는가? 비 VCSTR/VPFR을(를) 구하시오.

X = 80%1차 반응, 같은 k와 Q
VCSTR/VPFR =
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 400 LQ = 10 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.12 min⁻¹)이 10 L/min으로 공급되는 400 L CSTR에서 진행된다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 400 LQ = 10 L/mink = 0.12 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T130 °C30 °C105 °C15 °CΔT₁ΔT₂대향류

대향류 열교환기가 280 kW을(를) 전달한다. 고온 유체는 130에서 30 °C까지 냉각되고 저온 유체는 15에서 105 °C까지 가열된다. 총괄 열전달 계수는 1500 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Q̇ = 280 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 130 → 30 °CTc: 15 → 105 °C
A = m²
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T120 °C??15 °CΔT₁ΔT₂대향류

향류 열교환기에서 두 유체의 열용량률이 같다: ṁ·cp = 3 kW/K. 고온 유체는 120 °C, 저온 유체는 15 °C로 들어간다. 열교환기는 A = 2 m², U = 800 W/(m²·K)이다. 고온 유체의 출구 온도 Th,out을(를) 구하시오.

Ch = Cc = 3 kW/KTh,in = 120 °CTc,in = 15 °CA = 2 m²U = 800 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.열전도보통
발포 폴리스티렌, k = 0.035150 mm유리, k = 0.9675 mm20 °C7 °CQ̇ = ?

벽은 발포 폴리스티렌 150 mm와 유리 75 mm(으)로 이루어지며 면적은 15 m²이다. 바깥 양면은 20 °C와 7 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 150 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 20 °CT3 = 7 °C
Q̇ = W
20.열전도어려움
발포 폴리스티렌, k = 0.035250 mm암면, k = 0.04150 mm실내 22 °C실외 -4 °CTs​ = ?Q̇

250 mm 발포 폴리스티렌와 150 mm 암면(으)로 된 벽이 22 °C인 방과 -4 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 7.7 W/(m²·K), 실외 20 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 6 m²이다. 벽 안쪽 표면의 온도 Ts을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -4 °C
Ts = °C
21.관 마찰과 손실 수두보통
Q = 50 L/sD = 150 mmL = 100 mf = 0.022

물이 길이 100 m, 안지름 150 mm인 관을 50 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.022, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

Q = 50 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0.022g = 9.81 m/s²
hf = m
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 0.2Δz = 5 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0.0183× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 100 m, 안지름 100 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.018인 관으로 연결되어 있다. 위 저수지의 수면은 아래 저수지 수면보다 5 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 = 5 mL = 100 mD = 100 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 0.2Kexit = 1.0
Q = L/s
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 150 L/sH = 32 m

시험에서 펌프가 양정 32 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 150 L/s 송출하고, 이때 축 동력은 62.8 kW이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율 η을(를) 퍼센트로 구하시오.

Q = 150 L/sH = 32 mPshaft = 62.8 kWg = 9.81 m/s²
η = %
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 40 L/sΔz = 32 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0.02, ΣK = 8

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 40 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 32 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 100 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.02이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 8(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.

Q = 40 L/sΔz = 32 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.02ΣK = 8
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 266.7 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) = 400·(5 − 15)/(15 − 30) = 266.7 kg/h

답

ṁ2 = 266.7 kg/h
2.물질 수지

답: P = 706.2 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 = 2700·17/65 = 706.2 kg/h

답

P = 706.2 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 37.51 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 1·2.44·(160 − 130) = 73.2 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 73.2/(1·4.18) = 37.51 °C

답

tout = 37.51 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 0.2989 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 0.5·2.1·(130 − 60) = 73.5 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.15)·73.5 = 62.48 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 62.48/(4.18·50) = 0.2989 kg/s

답

ṁc = 0.2989 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: V = 186.4 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 380/32 = 11.88 mol
T = 10 + 273.15 = 283.1 K

부피

V = nRT/P = 11.88·8.314·283.1/150 = 186.4 L

답

V = 186.4 L
6.이상 기체 법칙

답: V2 = 5.596 L

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

절대 온도

T1 = 288.1 K, T2 = 403.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(300/750)·(403.1/288.1) = 5.596 L

답

V2 = 5.596 L
7.화학량론

답: m = 10.81 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) = 20/44.1 = 0.4535 mol
n(O2) = 24/32 = 0.75 mol

한계 반응물

0.4535/1 = 0.4535, 0.75/5 = 0.15 → O2

생성물의 질량

n(H2O) = 0.15·4 = 0.6 mol
m = 0.6·18.02 = 10.81 g

답

m = 10.81 g
8.화학량론

답: Y = 70 %

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) = 12/2.016 = 5.952 mol
m = 5.952·2/2·18.02 = 107.3 g

수득률

Y = 75.08/107.3·100 = 70%

답

Y = 70%
9.화학 평형

답: [H2] = 0.4 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

9 = (2x)²/(1 − x)²

제곱근 취하기

3 = 2x/(1 − x) → x = 1·3/(2 + 3) = 0.6 mol/L

평형 농도

[H₂] = 1 − x = 0.4 mol/L

답

[H2] = 0.4 mol/L
10.화학 평형

답: [Cl2] = 0.164 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

0.08 = x²/(0.5 − x) → x² + 0.08·x − 0.04 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.04))/2 = 0.164 mol/L

평형 농도

[Cl₂] = x = 0.164 mol/L

답

[Cl2] = 0.164 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 20.48 °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

150·0.385·(80 − Tf) = 150·4.18·(Tf − 15)

최종 온도 구하기

Tf = (57.75·80 + 627·15)/(57.75 + 627) = 20.48 °C

답

Tf = 20.48 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: q = 1037 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

주어진 질량에 대한 열

n = 20/30.07 = 0.6651 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0.6651·1560 = 1037 kJ

답

q = 1037 kJ
13.반응 속도론

답: t = 40 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).

전환된 양

CA0·X = 0.8·0.5 = 0.4 mol/L

시간

t = CA0·X/k = 0.4/0.01 = 40 min

답

t = 40 min
14.반응 속도론

답: T2 = 47.05 °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(4)/40000 = 3.411 × 10⁻³ − 2.881 × 10⁻⁴ = 3.123 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 320.2 K = 47.05 °C

답

T2 = 47.05 °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: VCSTR/VPFR = 2.485

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) = 0.8/0.2 = 4
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(5) = 1.609

부피비

VCSTR/VPFR = 4/1.609 = 2.485

답

VCSTR/VPFR = 2.485

전환율이 높을수록 차이가 빠르게 커집니다.

16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 82.76 %

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 = 400/10 = 40 min, kτ = 0.12·40 = 4.8

전환율

X = kτ/(1 + kτ) = 4.8/(1 + 4.8) = 82.76%

답

X = 82.76%
17.열교환기 (LMTD)

답: A = 9.535 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 = 130 − 105 = 25 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 30 − 15 = 15 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (25 − 15)/ln(25/15) = 19.58 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 280000/(1500·19.58) = 9.535 m²

답

A = 9.535 m²
18.열교환기 (LMTD)

답: Th,out = 83.48 °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

3·(120 − Th,out) = 1.6·(Th,out − 15)
Th,out = (3·120 + 1.6·15)/(3 + 1.6) = 83.48 °C

답

Th,out = 83.48 °C

전달된 열: Q̇ = 109.6 kW. 저온 유체는 51.52 °C로 나갑니다.

19.열전도

답: Q̇ = 44.69 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)/(0.035·15) = 0.2857 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.96·15) = 0.005208 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 13/0.2909 = 44.69 W

답

Q̇ = 44.69 W
20.열전도

답: Ts = 21.7 °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/(7.7·6) = 0.02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.035·6) = 1.19 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.04·6) = 0.625 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0.008333 K/W
ΣR = 1.845 K/W

열손실

Q̇ = (22 − (-4))/1.845 = 14.09 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 14.09·0.02165 = 21.7 °C

답

Ts = 21.7 °C
21.관 마찰과 손실 수두

답: hf = 5.984 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·0.15²/4 = 0.01767 m²
V = Q/A = 0.05/0.01767 = 2.829 m/s

속도 수두

V²/(2g) = 2.829²/(2·9.81) = 0.408 m

다르시–바이스바흐 식

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.022·(100/0.15)·2.829²/(2·9.81) = 5.984 m

답

hf = 5.984 m
22.관 마찰과 손실 수두

답: Q = 17.14 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 = 0.018·100/0.1 = 18
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.

5 = (18 + 2.6)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·5/20.6) = 2.182 m/s

유량

Q = V·π·D²/4 = 2.182·0.007854 = 0.01714 m³/s = 17.14 L/s

답

Q = 17.14 L/s
23.펌프와 펌프 동력

답: η = 74.98 %

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 = 1000·9.81·0.15·32 = 47.09 kW

효율

η = Ph/Pshaft = 47.09/62.8 = 74.98%

답

η = 74.98%
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 37.57 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 = 0.04/0.01767 = 2.264 m/s
V²/(2g) = 0.2611 m

손실 수두

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (13.33 + 8)·0.2611 = 5.571 m

펌프 양정

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

H = Δz + hL = 32 + 5.571 = 37.57 m

답

H = 37.57 m

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