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 · 35% 소금흐름 2ṁ₂ = ? · 10% 소금제품15% 소금

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

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 35 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F4300 kg/h · 8% 설탕제품 P65% 설탕증기 W (순수)W = ? kg/h

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

F = 4300 kg/hxF = 8 %xP = 65 %
W = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측경유 · 130 °C60 °C물 · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측에탄올 · 140 °C90 °C물 · 15 °C90 °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 = 1 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Ct: 15 → 90 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 15 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
He 140 gP = 150 kPaT = 40 °CV = ?

150 kPa, 40 °C에서 He 140 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 140 gM = 4.003 g/molP = 150 kPaT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.이상 기체 법칙어려움
Ar, M = 39.95 g/molP = 800 kPaT = 0 °Cρ = ?

800 kPa, 0 °C에서 Ar의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 39.95 g/molP = 800 kPaT = 0 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

N2 6 g과 H2 40 g이 N2 + 3H2 → 2NH3에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 NH3의 질량 m는 얼마일까요?

M(N2) = 28.02M(H2) = 2.016M(NH3) = 17.03 g/mol
m = g
8.화학량론어려움
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

반응 N2 + 3H2 → 2NH3에서 N2 24 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) NH3 25.67 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(N2) = 28.02 g/molM(NH3) = 17.03 g/mol실제: 25.67 g
Y = %
9.화학 평형보통
H2​I2​HII0.10.10C−x−x+2xE0.1 − x0.1 − x2x

0.1 mol/L의 H₂와 0.1 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 25. 평형 농도 [H2]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.1 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.08. 용기에 처음에는 PCl₅만 1 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [Cl2]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0.08
[Cl2] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?구리m = 200 gT = 160 °Cc = 0.385 J/(g·°C)물m = 250 gT = 17 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 160 °C이고 질량이 200 g인 구리 블록(c = 0.385 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 = 200 gcmetal = 0.385 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 250 gTwater = 17 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
H10 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂반응물6CO₂ + 6H₂O(l)생성물q = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 C6H12O6(M = 180.16 g/mol) 10 g이 완전 연소할 때 방출되는 열 q을(를) 구하시오: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). q는 양수로 답하시오.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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)15 min1

1차 반응에서 A의 농도가 15 min 동안 2 mol/L에서 1 mol/L로 감소한다. 속도 상수 k을(를) 구하시오.

CA0 = 2 mol/LCA = 1 mol/Lt = 15 min
k = min⁻¹
14.반응 속도론어려움
1/Tln kT = 40 °Cln 0.05ln A = ?Ea​ = 100 kJ/mol

1차 반응의 속도 상수는 40 °C에서 0.05 s⁻¹이고 활성화 에너지는 100 kJ/mol이다. 아레니우스 식의 빈도 인자 A을(를) 구하시오.

k = 0.05 s⁻¹T = 40 °CEa = 100 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
Q = 10 L/minX = 85%V = ?, k = 0.05 min⁻¹

k = 0.05 min⁻¹인 액상 1차 반응 A → B를 10 L/min으로 공급되는 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 수행한다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. A의 전환율 85%를 얻기 위한 반응기 부피 V을(를) 리터 단위로 구하시오.

Q = 10 L/mink = 0.05 min⁻¹X = 85%
V = L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
Q = 40 L/minX = ?V = 400 L

액상 1차 반응(k = 0.4 min⁻¹)이 40 L/min으로 공급되는 400 L 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 진행된다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 400 LQ = 40 L/mink = 0.4 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T100 °C85 °C65 °C20 °CΔT₁ΔT₂대향류

셸 앤드 튜브 열교환기(셸 1패스, 튜브 2패스)가 170 kW를 전달해야 한다. 고온 유체는 100 °C에서 85 °C로 냉각되고 저온 유체는 20 °C에서 65 °C로 가열된다. 이 배치의 LMTD 보정 계수는 F = 0.92이고 U = 200 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Q̇ = 170 kWF = 0.92U = 200 W/(m²·K)Th: 100 → 85 °CTc: 20 → 65 °C
A = m²
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T80 °C50 °C37.94 °C20 °CΔT₁ΔT₂대향류

뜨거운 기름(2 kg/s, cp = 2.5 kJ/(kg·K))이 대향류 열교환기에서 80에서 50 °C까지 냉각된다. 기름은 20 °C로 들어오는 물 2 kg/s(cp = 4.18 kJ/(kg·K))을(를) 가열한다. U = 1500 W/(m²·K)일 때 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 80 → 50 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.열전도보통
암면, k = 0.04150 mm석고보드, k = 0.1775 mm23 °C-15 °CQ̇ = ?

벽은 암면 150 mm와 석고보드 75 mm(으)로 이루어지며 면적은 8 m²이다. 바깥 양면은 23 °C와 -15 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 150 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 23 °CT3 = -15 °C
Q̇ = W
20.열전도어려움
암면, k = 0.04250 mm발포 폴리스티렌, k = 0.035100 mm실내 20 °C실외 -11 °CTs​ = ?Q̇

250 mm 암면와 100 mm 발포 폴리스티렌(으)로 된 벽이 20 °C인 방과 -11 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 6 W/(m²·K), 실외 30 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 10 m²이다. 벽 안쪽 표면의 온도 Ts을(를) 구하시오.

L1 = 250 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 10 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -11 °C
Ts = °C
21.관 마찰과 손실 수두보통
V = 2.6 m/sD = 300 mmL = 800 mf = 0.02

물(ρ = 1000 kg/m³)이 길이 800 m, 안지름 300 mm인 수평 관을 2.6 m/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.02, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 관 전체의 압력 강하 Δp을(를) kPa 단위로 구하시오.

V = 2.6 m/sL = 800 mD = 300 mmf = 0.02ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 10자유 유출구H = ?L = 500 m, D = 300 mm, f = 0.0152× 엘보 (K = 0.3)

길이 500 m, 안지름 300 mm(다르시 마찰 계수 f = 0.015)인 관이 개방 저수지에서 나와 대기 중으로 자유 분류로 유출된다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 2개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 10)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 150 L/s를 얻으려면 저수지 수면이 관 출구보다 얼마나 높아야 하는가(H)?

Q = 150 L/sL = 500 mD = 300 mmf = 0.015Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 10
H = m
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 40 L/sH = 58 m

시험에서 펌프가 양정 58 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 40 L/s 송출하고, 이때 축 동력은 27.8 kW이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율 η을(를) 퍼센트로 구하시오.

Q = 40 L/sH = 58 mPshaft = 27.8 kWg = 9.81 m/s²
η = %
24.펌프와 펌프 동력어려움
150 kPa (게이지압)PQ = 80 L/sΔz = 7 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0.025, ΣK = 6

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 80 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 7 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 200 m, 안지름 250 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.025이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 6(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 = 80 L/sΔz = 7 mL = 200 mD = 250 mmf = 0.025ΣK = 6ptank = 150 kPa
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 1600 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) = 400·(35 − 15)/(15 − 10) = 1600 kg/h

답

ṁ2 = 1600 kg/h
2.물질 수지

답: W = 3771 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 = 4300·8/65 = 529.2 kg/h

전체 수지

W = F − P = 4300 − 529.2 = 3771 kg/h

답

W = 3771 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 51.38 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 1.5·2.1·(130 − 60) = 220.5 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 220.5/(2·4.18) = 51.38 °C

답

tout = 51.38 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 0.3308 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 1·2.44·(140 − 90) = 122 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.15)·122 = 103.7 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 103.7/(4.18·75) = 0.3308 kg/s

답

ṁc = 0.3308 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: V = 607 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 140/4.003 = 34.97 mol
T = 40 + 273.15 = 313.1 K

부피

V = nRT/P = 34.97·8.314·313.1/150 = 607 L

답

V = 607 L
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 14.07 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 0 + 273.15 = 273.1 K

밀도

ρ = 800·39.95/(8.314·273.1) = 14.07 kg/m³

답

ρ = 14.07 kg/m³
7.화학량론

답: m = 7.293 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(N2) = 6/28.02 = 0.2141 mol
n(H2) = 40/2.016 = 19.84 mol

한계 반응물

0.2141/1 = 0.2141, 19.84/3 = 6.614 → N2

생성물의 질량

n(NH3) = 0.2141·2 = 0.4283 mol
m = 0.4283·17.03 = 7.293 g

답

m = 7.293 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(N2) = 24/28.02 = 0.8565 mol
m = 0.8565·2/1·17.03 = 29.17 g

수득률

Y = 25.67/29.17·100 = 87.99%

답

Y = 87.99%
9.화학 평형

답: [H2] = 0.02857 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

25 = (2x)²/(0.1 − x)²

제곱근 취하기

5 = 2x/(0.1 − x) → x = 0.1·5/(2 + 5) = 0.07143 mol/L

평형 농도

[H₂] = 0.1 − x = 0.02857 mol/L

답

[H2] = 0.02857 mol/L
10.화학 평형

답: [Cl2] = 0.2457 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/(1 − x) → x² + 0.08·x − 0.08 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.08))/2 = 0.2457 mol/L

평형 농도

[Cl₂] = x = 0.2457 mol/L

답

[Cl2] = 0.2457 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 26.81 °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

200·0.385·(160 − Tf) = 250·4.18·(Tf − 17)

최종 온도 구하기

Tf = (77·160 + 1045·17)/(77 + 1045) = 26.81 °C

답

Tf = 26.81 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: q = 155.5 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

주어진 질량에 대한 열

n = 10/180.16 = 0.05551 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0.05551·2802 = 155.5 kJ

답

q = 155.5 kJ
13.반응 속도론

답: k = 0.04621 min⁻¹

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).

1차 적분 속도식

k = ln(CA0/CA)/t = ln(2/1)/15 = 0.6931/15 = 0.04621 min⁻¹

답

k = 0.04621 min⁻¹
14.반응 속도론

답: A = 2.399 × 10¹⁵ 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 = 40 + 273.15 = 313.1 K

아레니우스 식을 A에 대해 풀기

Ea/(RT) = 100000/(8.314·313.1) = 38.41
A = k·e38.41 = 0.05·4.797 × 10¹⁶ = 2.399 × 10¹⁵ s⁻¹

답

A = 2.399 × 10¹⁵ s⁻¹
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: V = 379.4 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 − 0.85))/0.05 = 1.897/0.05 = 37.94 min

부피

V = Q·τ = 10·37.94 = 379.4 L

답

V = 379.4 L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 98.17 %

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 = 400/40 = 10 min, kτ = 0.4·10 = 4

전환율

X = 1 − e−kτ = 1 − e−4 = 98.17%

답

X = 98.17%
17.열교환기 (LMTD)

답: A = 19.06 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.

양 끝 온도차(향류)

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 100 − 65 = 35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 20 = 65 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 65)/ln(35/65) = 48.46 K

면적

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 170000/(200·0.92·48.46) = 19.06 m²

답

A = 19.06 m²
18.열교환기 (LMTD)

답: A = 2.802 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) = 2·2.5·30 = 150 kW
Tc,out = 20 + 150/(2·4.18) = 37.94 °C

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 80 − 37.94 = 42.06 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 20 = 30 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (42.06 − 30)/ln(42.06/30) = 35.69 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 150000/(1500·35.69) = 2.802 m²

답

A = 2.802 m²
19.열전도

답: Q̇ = 72.53 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)/(0.04·8) = 0.4688 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.17·8) = 0.05515 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 38/0.5239 = 72.53 W

답

Q̇ = 72.53 W
20.열전도

답: Ts = 19.44 °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/(6·10) = 0.01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.04·10) = 0.625 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.035·10) = 0.2857 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0.003333 K/W
ΣR = 0.9307 K/W

열손실

Q̇ = (20 − (-11))/0.9307 = 33.31 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 33.31·0.01667 = 19.44 °C

답

Ts = 19.44 °C
21.관 마찰과 손실 수두

답: Δp = 180.3 kPa

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 수두

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(800/0.3)·2.6²/(2·9.81) = 18.38 m

압력 강하

관이 수평이고 유속이 변하지 않으므로 에너지 방정식은 Δp = ρ·g·hf가 됩니다.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·18.38 = 180267 Pa = 180.3 kPa

답

Δp = 180.3 kPa
22.관 마찰과 손실 수두

답: H = 8.515 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 = 0.15/0.07069 = 2.122 m/s
V²/(2g) = 0.2295 m

손실 계수

f·L/D = 0.015·500/0.3 = 25
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 10 = 11.1

에너지 방정식

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

H = (1 + 25 + 11.1)·0.2295 = 8.515 m

답

H = 8.515 m
23.펌프와 펌프 동력

답: η = 81.87 %

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 = 1000·9.81·0.04·58 = 22.76 kW

효율

η = Ph/Pshaft = 22.76/27.8 = 81.87%

답

η = 81.87%
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 25.81 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 = 0.08/0.04909 = 1.63 m/s
V²/(2g) = 0.1354 m

손실 수두

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 6)·0.1354 = 3.52 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 = 7 + 15.29 + 3.52 = 25.81 m

답

H = 25.81 m

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