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 1650 kg/h · 45% 설탕흐름 2ṁ₂ = ? · 15% 설탕제품30% 설탕

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

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 45 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F1100 kg/h · 10% NaOH제품 P50% NaOH증기 W (순수)W = ? kg/h

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

F = 1100 kg/hxF = 10 %xP = 50 %
W = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측에탄올 · 130 °C80 °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: 130 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측에탄올 · 130 °C60 °C물 · 15 °C80 °C · ṁ = ?15% 손실

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 15 → 80 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 15 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
O₂ 320 gV = 50 LT = 60 °CP = ?

부피 50 L인 탱크에 60 °C의 O₂ 320 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 320 gM = 32 g/molV = 50 LT = 60 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.이상 기체 법칙어려움
CH₄, M = 16.04 g/molP = 100 kPaT = 110 °Cρ = ?

100 kPa, 110 °C에서 CH₄의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 16.04 g/molP = 100 kPaT = 110 °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 24 g과 O2 48 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(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(CO2​)

반응 C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2에서 C6H12O6 20 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) CO2 7.62 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(C6H12O6) = 180.16 g/molM(CO2) = 44.01 g/mol실제: 7.62 g
Y = %
9.화학 평형보통
H2​I2​HII0.40.40C−x−x+2xE0.4 − x0.4 − x2x

0.4 mol/L의 H₂와 0.4 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 9. 평형 농도 [H2]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.2. 용기에 처음에는 PCl₅만 1 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [Cl2]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0.2
[Cl2] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?철m = 100 gT = 140 °Cc = 0.449 J/(g·°C)물m = 400 gT = 22 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 140 °C이고 질량이 100 g인 철 블록(c = 0.449 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 22 °C의 물 400 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 100 gcmetal = 0.449 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 400 gTwater = 22 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
H50 g C2​H5​OHC2​H5​OH + 3O₂반응물2CO₂ + 3H₂O(l)생성물q = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 C2H5OH(M = 46.07 g/mol) 50 g이 완전 연소할 때 방출되는 열 q을(를) 구하시오: C2H5OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). q는 양수로 답하시오.

ΔH°f(C2H5OH) = −277.7 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 = ?60%

회분 반응기에서 2차 반응(−rA = k·CA²)의 k = 0.1 L/(mol·min)이고 초기 농도는 1 mol/L이다. 전환율 60%에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

k = 0.1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 60 %
t = min
14.반응 속도론어려움
1/Tln kT = 60 °Cln 0.005ln A = ?Ea​ = 100 kJ/mol

1차 반응의 속도 상수는 60 °C에서 0.005 s⁻¹이고 활성화 에너지는 100 kJ/mol이다. 아레니우스 식의 빈도 인자 A을(를) 구하시오.

k = 0.005 s⁻¹T = 60 °CEa = 100 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
QX = 95%CSTR과 같은 Q, k, X

액상 1차 반응이 전환율 95%에 도달해야 한다. 공급 유량, 속도 상수, 전환율이 같을 때 CSTR은 PFR보다 몇 배 커야 하는가? 비 VCSTR/VPFR을(를) 구하시오.

X = 95%1차 반응, 같은 k와 Q
VCSTR/VPFR =
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 250 LQ = 25 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.2 min⁻¹)이 25 L/min으로 공급되는 250 L CSTR에서 진행된다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 250 LQ = 25 L/mink = 0.2 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T170 °C130 °C145 °C30 °CΔT₁ΔT₂대향류

대향류 열교환기가 500 kW을(를) 전달한다. 고온 유체는 170에서 130 °C까지 냉각되고 저온 유체는 30에서 145 °C까지 가열된다. 총괄 열전달 계수는 200 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Q̇ = 500 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 170 → 130 °CTc: 30 → 145 °C
A = m²
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T135 °C85 °C?20 °CΔT₁ΔT₂대향류

향류 이중관 열교환기에서 고온 기름(0.2 kg/s, cp = 2.5 kJ/(kg·K))이 내관을 흐르며 135 °C에서 85 °C로 냉각된다. 환형 공간의 물(0.8 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))은 20 °C로 들어간다. 내관의 지름은 20 mm이며 U = 500 W/(m²·K)는 이 지름을 기준으로 한다. 필요한 관 길이 L을(를) 구하시오.

ṁh = 0.2 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 135 → 85 °Cṁc = 0.8 kg/sTc,in = 20 °CD = 20 mmU = 500 W/(m²·K)
L = m
19.열전도보통
유리, k = 0.96250 mm벽돌, k = 0.72150 mm19 °C2 °CQ̇ = ?

벽은 유리 250 mm와 벽돌 150 mm(으)로 이루어지며 면적은 6 m²이다. 바깥 양면은 19 °C와 2 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.72 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 19 °CT3 = 2 °C
Q̇ = W
20.열전도어려움
석고보드, k = 0.17250 mm콘크리트, k = 1.450 mm실내 22 °C실외 5 °CTs​ = ?Q̇

250 mm 석고보드와 50 mm 콘크리트(으)로 된 벽이 22 °C인 방과 5 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 6 W/(m²·K), 실외 20 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 4 m²이다. 벽 안쪽 표면의 온도 Ts을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 5 °C
Ts = °C
21.관 마찰과 손실 수두보통
Q = 5 L/sD = 100 mmL = 200 mf = 0.03

물이 길이 200 m, 안지름 100 mm인 관을 5 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.03, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

Q = 5 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0.03g = 9.81 m/s²
hf = m
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 0.2Δz = ?L = 100 m, D = 150 mm, f = 0.0252× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 100 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.025인 관으로 연결되어 있다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 2개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 0.2), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 60 L/s를 얻으려면 두 저수지의 수위 차 Δz은(는) 얼마여야 하는가?

Q = 60 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0.025Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 0.2Kexit = 1.0
Δz = m
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 25 L/sH = 56 m

효율 85%인 펌프가 양정 56 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 25 L/s 송출한다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 필요한 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 25 L/sH = 56 mη = 85%g = 9.81 m/s²
Pshaft = kW
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 75 L/sΔz = 5 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0.015, ΣK = 2.5

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 75 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 5 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 150 m, 안지름 200 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 2.5(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.

Q = 75 L/sΔz = 5 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.015ΣK = 2.5
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 650 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) = 650·(45 − 30)/(30 − 15) = 650 kg/h

답

ṁ2 = 650 kg/h
2.물질 수지

답: W = 880 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 = 1100·10/50 = 220 kg/h

전체 수지

W = F − P = 1100 − 220 = 880 kg/h

답

W = 880 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 34.59 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 1·2.44·(130 − 80) = 122 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 122/(2·4.18) = 34.59 °C

답

tout = 34.59 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 1.069 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 2·2.44·(130 − 60) = 341.6 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.15)·341.6 = 290.4 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 290.4/(4.18·65) = 1.069 kg/s

답

ṁc = 1.069 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: P = 554 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 320/32 = 10 mol
T = 60 + 273.15 = 333.1 K

압력

P = nRT/V = 10·8.314·333.1/0.05 = 554 kPa

답

P = 554 kPa
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 0.5035 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 110 + 273.15 = 383.1 K

밀도

ρ = 100·16.04/(8.314·383.1) = 0.5035 kg/m³

답

ρ = 0.5035 kg/m³
7.화학량론

답: m = 39.79 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) = 24/24.31 = 0.9872 mol
n(O2) = 48/32 = 1.5 mol

한계 반응물

0.9872/2 = 0.4936, 1.5/1 = 1.5 → Mg

생성물의 질량

n(MgO) = 0.4936·2 = 0.9872 mol
m = 0.9872·40.3 = 39.79 g

답

m = 39.79 g
8.화학량론

답: Y = 77.98 %

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(C6H12O6) = 20/180.16 = 0.111 mol
m = 0.111·2/1·44.01 = 9.771 g

수득률

Y = 7.62/9.771·100 = 77.98%

답

Y = 77.98%
9.화학 평형

답: [H2] = 0.16 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/(0.4 − x)²

제곱근 취하기

3 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·3/(2 + 3) = 0.24 mol/L

평형 농도

[H₂] = 0.4 − x = 0.16 mol/L

답

[H2] = 0.16 mol/L
10.화학 평형

답: [Cl2] = 0.3583 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

0.2 = x²/(1 − x) → x² + 0.2·x − 0.2 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.2 + √(0.2² + 4·0.2))/2 = 0.3583 mol/L

평형 농도

[Cl₂] = x = 0.3583 mol/L

답

[Cl2] = 0.3583 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 25.09 °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

100·0.449·(140 − Tf) = 400·4.18·(Tf − 22)

최종 온도 구하기

Tf = (44.9·140 + 1672·22)/(44.9 + 1672) = 25.09 °C

답

Tf = 25.09 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: q = 1483 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) + 3·(−285.8)] − [1·(−277.7) + 3·0] = −1367 kJ

주어진 질량에 대한 열

n = 50/46.07 = 1.085 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1.085·1367 = 1483 kJ

답

q = 1483 kJ
13.반응 속도론

답: t = 15 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 = 1·(1 − 0.6) = 0.4 mol/L

2차 적분형 속도식

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2.5 − 1)/0.1 = 15 min

답

t = 15 min
14.반응 속도론

답: A = 2.391 × 10¹³ 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) = 100000/(8.314·333.1) = 36.1
A = k·e36.1 = 0.005·4.782 × 10¹⁵ = 2.391 × 10¹³ s⁻¹

답

A = 2.391 × 10¹³ s⁻¹
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: VCSTR/VPFR = 6.342

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) = 0.95/0.05 = 19
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2.996

부피비

VCSTR/VPFR = 19/2.996 = 6.342

답

VCSTR/VPFR = 6.342

전환율이 높을수록 차이가 빠르게 커집니다.

16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 66.67 %

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 = 250/25 = 10 min, kτ = 0.2·10 = 2

전환율

X = kτ/(1 + kτ) = 2/(1 + 2) = 66.67%

답

X = 66.67%
17.열교환기 (LMTD)

답: A = 46.21 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 = 170 − 145 = 25 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 130 − 30 = 100 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (25 − 100)/ln(25/100) = 54.1 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 500000/(200·54.1) = 46.21 m²

답

A = 46.21 m²
18.열교환기 (LMTD)

답: L = 9.419 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 = 0.2·2.5·(135 − 85) = 25 kW
Tc,out = 20 + 25/(0.8·4.18) = 27.48 °C

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 135 − 27.48 = 107.5 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 20 = 65 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (107.5 − 65)/ln(107.5/65) = 84.49 K

면적과 길이

A = 25000/(500·84.49) = 0.5918 m²
L = A/(πD) = 0.5918/(π·0.02) = 9.419 m

답

L = 9.419 m
19.열전도

답: Q̇ = 217.6 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)/(0.96·6) = 0.0434 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.72·6) = 0.03472 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 17/0.07813 = 217.6 W

답

Q̇ = 217.6 W
20.열전도

답: Ts = 20.36 °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/(6·4) = 0.04167 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.17·4) = 0.3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1.4·4) = 0.008929 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0.0125 K/W
ΣR = 0.4307 K/W

열손실

Q̇ = (22 − (5))/0.4307 = 39.47 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 39.47·0.04167 = 20.36 °C

답

Ts = 20.36 °C
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.

평균 유속

A = π·0.1²/4 = 0.007854 m²
V = Q/A = 0.005/0.007854 = 0.6366 m/s

속도 수두

V²/(2g) = 0.6366²/(2·9.81) = 0.02066 m

다르시–바이스바흐 식

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.03·(200/0.1)·0.6366²/(2·9.81) = 1.239 m

답

hf = 1.239 m
22.관 마찰과 손실 수두

답: Δz = 11.14 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 = 0.06/0.01767 = 3.395 m/s
V²/(2g) = 0.5876 m

손실 계수

f·L/D = 0.025·100/0.15 = 16.67
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 0.2 + 1.0 = 2.3

전체 손실 수두

hf = 16.67·0.5876 = 9.793 m
hm = 2.3·0.5876 = 1.351 m
Δz = hf + hm = 11.14 m

답

Δz = 11.14 m
23.펌프와 펌프 동력

답: Pshaft = 16.16 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 = 1000·9.81·0.025·56 = 13.73 kW

축동력

Pshaft = Ph/η = 13.73/0.85 = 16.16 kW

답

Pshaft = 16.16 kW
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 8.994 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) = (11.25 + 2.5)·0.2905 = 3.994 m

펌프 양정

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

H = Δz + hL = 5 + 3.994 = 8.994 m

답

H = 8.994 m

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