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 1600 kg/h · 30% 소금흐름 2ṁ₂ = ? · 10% 소금제품20% 소금

혼합 제품이 소금을(를) 20% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 30 %x2 = 10 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F2200 kg/h · 14% 설탕제품 PP = ? · 50%증기 W (순수)0% 설탕

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

F = 2200 kg/hxF = 14 %xP = 50 %
P = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측에탄올 · 120 °C60 °C물 · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 1.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측에탄올 · 120 °C90 °C물 · 25 °C40 °C · ṁ = ?5% 손실

뜨거운 에탄올이(가) 열교환기에서 물을 가열하는데, 이 열교환기는 고온 흐름이 내놓은 열의 5%를 주위로 잃는다. 필요한 물의 유량 ṁc을(를) 구하시오.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Ct: 25 → 40 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 5 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
CH₄ 490 gV = 30 LT = 5 °CP = ?

부피 30 L인 탱크에 5 °C의 CH₄ 490 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 490 gM = 16.04 g/molV = 30 LT = 5 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.이상 기체 법칙어려움
He, M = 4.003 g/molP = 350 kPaT = 180 °Cρ = ?

350 kPa, 180 °C에서 He의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 4.003 g/molP = 350 kPaT = 180 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

Al 8 g과 Cl2 16 g이 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 AlCl3의 질량 m는 얼마일까요?

M(Al) = 26.98M(Cl2) = 70.9M(AlCl3) = 133.33 g/mol
m = g
8.화학량론어려움
m(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

반응 2Mg + O2 → 2MgO에서 Mg 30 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) MgO 42.27 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(Mg) = 24.31 g/molM(MgO) = 40.3 g/mol실제: 42.27 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 = 50. 평형 농도 [HI]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 50
[HI] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I0.400C−x+x+xE0.4 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.01. 용기에 처음에는 PCl₅만 0.4 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [Cl2]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LKc = 0.01
[Cl2] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?알루미늄m = 250 gT = 160 °Cc = 0.897 J/(g·°C)물m = 250 gT = 17 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 160 °C이고 질량이 250 g인 알루미늄 블록(c = 0.897 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 17 °C의 물 250 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 250 gcmetal = 0.897 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 250 gTwater = 17 °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 = ?95%

회분 반응기에서 1차 반응의 k = 0.02 min⁻¹이다. 전환율 95%에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

k = 0.02 min⁻¹X = 95 %
t = min
14.반응 속도론어려움
Tk25 °Ck1​?5·k1​

어떤 반응의 활성화 에너지는 55 kJ/mol이다. 25 °C에서는 너무 느리다. 5배 빠르게 하려면 몇 도 T2(°C)까지 가열해야 하는가?

Ea = 55 kJ/molT1 = 25 °Ck2/k1 = 5R = 8.314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
QX = 75%CSTR과 같은 Q, k, X

액상 1차 반응이 전환율 75%에 도달해야 한다. 공급 유량, 속도 상수, 전환율이 같을 때 CSTR은 PFR보다 몇 배 커야 하는가? 비 VCSTR/VPFR을(를) 구하시오.

X = 75%1차 반응, 같은 k와 Q
VCSTR/VPFR =
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 500 LV = 500 LQ = 50 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.5 min⁻¹)이 직렬로 연결된 같은 크기의 CSTR 두 개(각각 500 L)에서 진행된다. 공급 유량은 50 L/min, 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전체 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 500 L (×2)Q = 50 L/mink = 0.5 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T170 °C115 °C50 °C15 °CΔT₁ΔT₂대향류

대향류 열교환기가 340 kW을(를) 전달한다. 고온 유체는 170에서 115 °C까지 냉각되고 저온 유체는 15에서 50 °C까지 가열된다. 총괄 열전달 계수는 800 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Q̇ = 340 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 170 → 115 °CTc: 15 → 50 °C
A = m²
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T125 °C55 °C?20 °CΔT₁ΔT₂대향류

향류 이중관 열교환기에서 고온 기름(0.3 kg/s, cp = 2.1 kJ/(kg·K))이 내관을 흐르며 125 °C에서 55 °C로 냉각된다. 환형 공간의 물(1 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))은 20 °C로 들어간다. 내관의 지름은 50 mm이며 U = 400 W/(m²·K)는 이 지름을 기준으로 한다. 필요한 관 길이 L을(를) 구하시오.

ṁh = 0.3 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 125 → 55 °Cṁc = 1 kg/sTc,in = 20 °CD = 50 mmU = 400 W/(m²·K)
L = m
19.열전도보통
목재, k = 0.17100 mm발포 폴리스티렌, k = 0.035150 mm17 °C-7 °CTi​ = ?Q̇

벽은 목재 100 mm와 발포 폴리스티렌 150 mm(으)로 이루어지며 면적은 4 m²이다. 바깥 양면은 17 °C와 -7 °C이다. 두 층 경계면의 온도 Ti을(를) 구하시오.

L1 = 100 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 17 °CT3 = -7 °C
Ti = °C
20.열전도어려움
석고보드, k = 0.17250 mm콘크리트, k = 1.4150 mm실내 21 °C실외 -10 °CQ̇ = ?

250 mm 석고보드와 150 mm 콘크리트(으)로 된 벽이 21 °C인 방과 -10 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 6 W/(m²·K), 실외 30 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 12 m²이다. 벽을 통한 열손실 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 12 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -10 °C
Q̇ = W
21.관 마찰과 손실 수두보통
V = 1.8 m/sD = 75 mmL = 150 mf = 0.028

물이 길이 150 m, 안지름 75 mm인 관을 평균 유속 1.8 m/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.028, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

V = 1.8 m/sL = 150 mD = 75 mmf = 0.028g = 9.81 m/s²
hf = m
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 10자유 유출구H = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0.024× 엘보 (K = 0.3)

길이 150 m, 안지름 150 mm(다르시 마찰 계수 f = 0.02)인 관이 개방 저수지에서 나와 대기 중으로 자유 분류로 유출된다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 4개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 10)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 30 L/s를 얻으려면 저수지 수면이 관 출구보다 얼마나 높아야 하는가(H)?

Q = 30 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0.02Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 10
H = m
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 25 L/sH = 42 m

펌프가 양정 42 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 25 L/s 송출한다. 펌프 효율은 70%이고, 펌프를 구동하는 전동기의 효율은 88%이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 전동기가 소비하는 전력 Pel을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 25 L/sH = 42 mηpump = 70%ηmotor = 88%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 40 L/sΔz = 7 mL = 600 m, D = 150 mm, f = 0.02, ΣK = 6

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 40 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 7 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 600 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.02이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 6(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율은 72%이다. 축동력 Pshaft을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 40 L/sΔz = 7 mL = 600 mD = 150 mmf = 0.02ΣK = 6η = 72%
Pshaft = kW

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 600 kg/h

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

수지

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

ṁ2에 대해 풀기

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 600·(30 − 20)/(20 − 10) = 600 kg/h

답

ṁ2 = 600 kg/h
2.물질 수지

답: P = 616 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 = 2200·14/50 = 616 kg/h

답

P = 616 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 88.37 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 2.5·2.44·(120 − 60) = 366 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 366/(1.5·4.18) = 88.37 °C

답

tout = 88.37 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 3.327 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 3·2.44·(120 − 90) = 219.6 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.05)·219.6 = 208.6 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 208.6/(4.18·15) = 3.327 kg/s

답

ṁc = 3.327 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: P = 2355 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 490/16.04 = 30.55 mol
T = 5 + 273.15 = 278.1 K

압력

P = nRT/V = 30.55·8.314·278.1/0.03 = 2355 kPa

답

P = 2355 kPa
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 0.3719 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 180 + 273.15 = 453.1 K

밀도

ρ = 350·4.003/(8.314·453.1) = 0.3719 kg/m³

답

ρ = 0.3719 kg/m³
7.화학량론

답: m = 20.06 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(Al) = 8/26.98 = 0.2965 mol
n(Cl2) = 16/70.9 = 0.2257 mol

한계 반응물

0.2965/2 = 0.1483, 0.2257/3 = 0.07522 → Cl2

생성물의 질량

n(AlCl3) = 0.07522·2 = 0.1504 mol
m = 0.1504·133.33 = 20.06 g

답

m = 20.06 g
8.화학량론

답: Y = 84.99 %

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(Mg) = 30/24.31 = 1.234 mol
m = 1.234·2/2·40.3 = 49.73 g

수득률

Y = 42.27/49.73·100 = 84.99%

답

Y = 84.99%
9.화학 평형

답: [HI] = 0.6236 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/(0.4 − x)²

제곱근 취하기

7.071 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·7.071/(2 + 7.071) = 0.3118 mol/L

평형 농도

[HI] = 2x = 0.6236 mol/L

답

[HI] = 0.6236 mol/L
10.화학 평형

답: [Cl2] = 0.05844 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/(0.4 − x) → x² + 0.01·x − 0.004 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.01 + √(0.01² + 4·0.004))/2 = 0.05844 mol/L

평형 농도

[Cl₂] = x = 0.05844 mol/L

답

[Cl2] = 0.05844 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 42.27 °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

250·0.897·(160 − Tf) = 250·4.18·(Tf − 17)

최종 온도 구하기

Tf = (224.3·160 + 1045·17)/(224.3 + 1045) = 42.27 °C

답

Tf = 42.27 °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 = 149.8 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 = 0.05

시간에 대해 풀기

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.05)/0.02 = 149.8 min

답

t = 149.8 min
14.반응 속도론

답: T2 = 48.32 °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 = 298.1 K

아레니우스 식을 T₂에 대해 풀기

1/T2 = 1/298.1 − 8.314·ln(5)/55000 = 3.354 × 10⁻³ − 2.433 × 10⁻⁴ = 3.111 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 321.5 K = 48.32 °C

답

T2 = 48.32 °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: VCSTR/VPFR = 2.164

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) = 0.75/0.25 = 3
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(4) = 1.386

부피비

VCSTR/VPFR = 3/1.386 = 2.164

답

VCSTR/VPFR = 2.164

전환율이 높을수록 차이가 빠르게 커집니다.

16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 97.22 %

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 = 500/50 = 10 min, kτ = 0.5·10 = 5

전환율

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 5) = 0.1667
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0.02778
X = 1 − 0.02778 = 97.22%

답

X = 97.22%
17.열교환기 (LMTD)

답: A = 3.874 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 − 50 = 120 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 115 − 15 = 100 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 100)/ln(120/100) = 109.7 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 340000/(800·109.7) = 3.874 m²

답

A = 3.874 m²
18.열교환기 (LMTD)

답: L = 11.72 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 = 0.3·2.1·(125 − 55) = 44.1 kW
Tc,out = 20 + 44.1/(1·4.18) = 30.55 °C

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 125 − 30.55 = 94.45 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 20 = 35 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (94.45 − 35)/ln(94.45/35) = 59.89 K

면적과 길이

A = 44100/(400·59.89) = 1.841 m²
L = A/(πD) = 1.841/(π·0.05) = 11.72 m

답

L = 11.72 m
19.열전도

답: Ti = 14.1 °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)/(0.17·4) = 0.1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.035·4) = 1.071 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/1.218 = 19.7 W

경계면 온도

첫 번째 층에서 온도가 Q̇·R₁만큼 떨어집니다.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 19.7·0.1471 = 14.1 °C

답

Ti = 14.1 °C
20.열전도

답: Q̇ = 209.3 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/(6·12) = 0.01389 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.17·12) = 0.1225 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1.4·12) = 0.008929 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·12) = 0.002778 K/W
ΣR = 0.1481 K/W

열손실

Q̇ = (21 − (-10))/0.1481 = 209.3 W

답

Q̇ = 209.3 W
21.관 마찰과 손실 수두

답: hf = 9.248 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) = 1.8²/(2·9.81) = 0.1651 m

다르시–바이스바흐 식

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.028·(150/0.075)·1.8²/(2·9.81) = 9.248 m

답

hf = 9.248 m
22.관 마찰과 손실 수두

답: H = 4.803 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 = 0.03/0.01767 = 1.698 m/s
V²/(2g) = 0.1469 m

손실 계수

f·L/D = 0.02·150/0.15 = 20
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 = 11.7

에너지 방정식

출구 분류는 여전히 속도 수두를 가지고 있습니다. 손실은 아니지만 공급되어야 합니다.

H = (1 + 20 + 11.7)·0.1469 = 4.803 m

답

H = 4.803 m
23.펌프와 펌프 동력

답: Pel = 16.72 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 = 1000·9.81·0.025·42 = 10.3 kW

축동력

Pshaft = 10.3/0.7 = 14.71 kW

전기 입력 동력

Pel = 14.71/0.88 = 16.72 kW

답

Pel = 16.72 kW
24.펌프와 펌프 동력

답: Pshaft = 16.05 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.

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) = (80 + 6)·0.2611 = 22.46 m

펌프 양정

H = Δz + hL = 7 + 22.46 = 29.46 m

축동력

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.04·29.46/0.72 = 16.05 kW

답

Pshaft = 16.05 kW

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