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 · 20% 설탕흐름 2ṁ₂ = ? · 45% 설탕제품40% 설탕

혼합 제품이 설탕을(를) 40% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F1800 kg/h · 20% NaOH제품 PP = ? · 40%증기 W (순수)0% NaOH

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

F = 1800 kg/hxF = 20 %xP = 40 %
P = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측경유 · 150 °C80 °C물 · 20 °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: 150 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측글리콜 혼합액 · 130 °C60 °C물 · 25 °C70 °C · ṁ = ?5% 손실

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

ṁh = 1.5 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Ct: 25 → 70 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 5 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
CH₄ 400 gV = 30 LT = 95 °CP = ?

부피 30 L인 탱크에 95 °C의 CH₄ 400 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 400 gM = 16.04 g/molV = 30 LT = 95 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.이상 기체 법칙어려움
Ar, M = 39.95 g/molP = 300 kPaT = 120 °Cρ = ?

300 kPa, 120 °C에서 Ar의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 39.95 g/molP = 300 kPaT = 120 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

C3H8 8 g과 O2 10 g이 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 CO2의 질량 m는 얼마일까요?

M(C3H8) = 44.1M(O2) = 32M(CO2) = 44.01 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 20 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) CO2 14.55 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(Fe2O3) = 159.69 g/molM(CO2) = 44.01 g/mol실제: 14.55 g
Y = %
9.화학 평형보통
H2​I2​HII0.50.50C−x−x+2xE0.5 − x0.5 − x2x

0.5 mol/L의 H₂와 0.5 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 50. 평형 농도 [H2]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.5 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.01. 용기에 처음에는 PCl₅만 1 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [Cl2]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0.01
[Cl2] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?철m = 200 gT = 110 °Cc = 0.449 J/(g·°C)물m = 400 gT = 21 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 110 °C이고 질량이 200 g인 철 블록(c = 0.449 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 21 °C의 물 400 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 200 gcmetal = 0.449 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 400 gTwater = 21 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
H2C4​H10​ + 13O₂반응물8CO₂ + 10H₂O(l)생성물ΔH° = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 반응 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l)의 ΔH°를 구하시오.

ΔH°f(C4H10) = −125.6 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)C (mol/L)10 minC = ?

속도식이 −rA = k·CA²인 반응에서 k = 1 L/(mol·min)이고 초기 농도는 1 mol/L이다. 10 min 후의 농도 CA을(를) 구하시오.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
14.반응 속도론어려움
Tk30 °C0.0560 °C0.298

어떤 반응의 속도 상수는 30 °C에서 0.05 min⁻¹, 60 °C에서 0.298 min⁻¹이다. 활성화 에너지 Ea을(를) 구하시오.

k1 = 0.05 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0.298 min⁻¹T2 = 60 °CR = 8.314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
Q = 40 L/minX = 60%V = ?, k = 0.4 min⁻¹

k = 0.4 min⁻¹인 액상 1차 반응 A → B를 40 L/min으로 공급되는 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 수행한다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. A의 전환율 60%를 얻기 위한 반응기 부피 V을(를) 리터 단위로 구하시오.

Q = 40 L/mink = 0.4 min⁻¹X = 60%
V = L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 500 LV = 500 LQ = 10 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.05 min⁻¹)이 직렬로 연결된 같은 크기의 CSTR 두 개(각각 500 L)에서 진행된다. 공급 유량은 10 L/min, 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전체 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 500 L (×2)Q = 10 L/mink = 0.05 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T125 °C110 °C25 °C90 °CΔT₁ΔT₂병류

병류 열교환기가 250 kW를 전달한다. 전열 면적은 2 m²이다. 고온 유체는 125 °C에서 110 °C로 냉각되고 저온 유체는 25 °C에서 90 °C로 가열된다. 총괄 열전달 계수 U을(를) 구하시오.

Q̇ = 250 kWA = 2 m²Th: 125 → 110 °CTc: 25 → 90 °C
U = W/(m²·K)
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T95 °C65 °C43.01 °C10 °CΔT₁ΔT₂대향류

뜨거운 기름(2 kg/s, cp = 2.3 kJ/(kg·K))이 대향류 열교환기에서 95에서 65 °C까지 냉각된다. 기름은 10 °C로 들어오는 물 1 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: 95 → 65 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.열전도보통
석고보드, k = 0.17200 mm목재, k = 0.17150 mm24 °C-1 °CQ̇ = ?

벽은 석고보드 200 mm와 목재 150 mm(으)로 이루어지며 면적은 6 m²이다. 바깥 양면은 24 °C와 -1 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 200 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 24 °CT3 = -1 °C
Q̇ = W
20.열전도어려움
목재, k = 0.1750 mm콘크리트, k = 1.475 mm실내 20 °C실외 -4 °CQ̇ = ?

50 mm 목재와 75 mm 콘크리트(으)로 된 벽이 20 °C인 방과 -4 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 10 W/(m²·K), 실외 25 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 8 m²이다. 벽을 통한 열손실 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 50 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -4 °C
Q̇ = W
21.관 마찰과 손실 수두보통
V = 1.8 m/sD = 200 mmL = 200 mf = 0.03

물이 길이 200 m, 안지름 200 mm인 관을 평균 유속 1.8 m/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.03, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

V = 1.8 m/sL = 200 mD = 200 mmf = 0.03g = 9.81 m/s²
hf = m
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 2Δz = ?L = 150 m, D = 250 mm, f = 0.0152× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 150 m, 안지름 250 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015인 관으로 연결되어 있다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 2개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 2), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 50 L/s를 얻으려면 두 저수지의 수위 차 Δz은(는) 얼마여야 하는가?

Q = 50 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0.015Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1.0
Δz = m
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 50 L/sH = 64 m

시험에서 펌프가 양정 64 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 50 L/s 송출하고, 이때 축 동력은 48.3 kW이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율 η을(를) 퍼센트로 구하시오.

Q = 50 L/sH = 64 mPshaft = 48.3 kWg = 9.81 m/s²
η = %
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 80 L/sΔz = 10 mL = 600 m, D = 200 mm, f = 0.022, ΣK = 6

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 80 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 10 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 600 m, 안지름 200 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.022이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 6(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.

Q = 80 L/sΔz = 10 mL = 600 mD = 200 mmf = 0.022ΣK = 6
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 2400 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) = 600·(20 − 40)/(40 − 45) = 2400 kg/h

답

ṁ2 = 2400 kg/h
2.물질 수지

답: P = 900 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 = 1800·20/40 = 900 kg/h

답

P = 900 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 46.38 °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·(150 − 80) = 220.5 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 220.5/(2·4.18) = 46.38 °C

답

tout = 46.38 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 1.909 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 1.5·3.6·(130 − 60) = 378 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.05)·378 = 359.1 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 359.1/(4.18·45) = 1.909 kg/s

답

ṁc = 1.909 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: P = 2544 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 400/16.04 = 24.94 mol
T = 95 + 273.15 = 368.1 K

압력

P = nRT/V = 24.94·8.314·368.1/0.03 = 2544 kPa

답

P = 2544 kPa
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 3.667 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 120 + 273.15 = 393.1 K

밀도

ρ = 300·39.95/(8.314·393.1) = 3.667 kg/m³

답

ρ = 3.667 kg/m³
7.화학량론

답: m = 8.252 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) = 8/44.1 = 0.1814 mol
n(O2) = 10/32 = 0.3125 mol

한계 반응물

0.1814/1 = 0.1814, 0.3125/5 = 0.0625 → O2

생성물의 질량

n(CO2) = 0.0625·3 = 0.1875 mol
m = 0.1875·44.01 = 8.252 g

답

m = 8.252 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) = 20/159.69 = 0.1252 mol
m = 0.1252·3/1·44.01 = 16.54 g

수득률

Y = 14.55/16.54·100 = 87.99%

답

Y = 87.99%
9.화학 평형

답: [H2] = 0.1102 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/(0.5 − x)²

제곱근 취하기

7.071 = 2x/(0.5 − x) → x = 0.5·7.071/(2 + 7.071) = 0.3898 mol/L

평형 농도

[H₂] = 0.5 − x = 0.1102 mol/L

답

[H2] = 0.1102 mol/L
10.화학 평형

답: [Cl2] = 0.09512 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/(1 − x) → x² + 0.01·x − 0.01 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.01 + √(0.01² + 4·0.01))/2 = 0.09512 mol/L

평형 농도

[Cl₂] = x = 0.09512 mol/L

답

[Cl2] = 0.09512 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 25.54 °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

200·0.449·(110 − Tf) = 400·4.18·(Tf − 21)

최종 온도 구하기

Tf = (89.8·110 + 1672·21)/(89.8 + 1672) = 25.54 °C

답

Tf = 25.54 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: ΔH° = −5755 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° = [8·(−393.5) + 10·(−285.8)] − [2·(−125.6) + 13·0] = −5755 kJ

답

ΔH° = −5755 kJ

음수: 반응이 열을 내놓습니다(발열 반응).

13.반응 속도론

답: CA = 0.09091 mol/L

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).

2차 적분형 속도식

1/CA = 1/CA0 + kt = 1 + 1·10 = 11 L/mol
CA = 1/11 = 0.09091 mol/L

답

CA = 0.09091 mol/L
14.반응 속도론

답: Ea = 49.96 kJ/mol

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).

절대 온도

T1 = 303.1 K, T2 = 333.1 K

아레니우스 식에서 Ea 구하기

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8.314·1.785/(-2.970e-4) = 49962 J/mol
Ea = 49.96 kJ/mol

답

Ea = 49.96 kJ/mol
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: V = 91.63 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 − 0.6))/0.4 = 0.9163/0.4 = 2.291 min

부피

V = Q·τ = 40·2.291 = 91.63 L

답

V = 91.63 L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 91.84 %

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 = 500/10 = 50 min, kτ = 0.05·50 = 2.5

전환율

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2.5) = 0.2857
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0.08163
X = 1 − 0.08163 = 91.84%

답

X = 91.84%
17.열교환기 (LMTD)

답: U = 2515 W/(m²·K)

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 끝의 온도 차

병류에서는 두 입구가 같은 쪽 끝에, 두 출구가 반대쪽 끝에 있습니다.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 125 − 25 = 100 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 110 − 90 = 20 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 20)/ln(100/20) = 49.71 K

총괄 열전달 계수

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 250000/(2·49.71) = 2515 W/(m²·K)

답

U = 2515 W/(m²·K)
18.열교환기 (LMTD)

답: A = 5.161 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) = 2·2.3·30 = 138 kW
Tc,out = 10 + 138/(1·4.18) = 43.01 °C

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 95 − 43.01 = 51.99 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 10 = 55 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (51.99 − 55)/ln(51.99/55) = 53.48 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 138000/(500·53.48) = 5.161 m²

답

A = 5.161 m²
19.열전도

답: Q̇ = 72.86 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) = (200/1000)/(0.17·6) = 0.1961 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.17·6) = 0.1471 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 25/0.3431 = 72.86 W

답

Q̇ = 72.86 W
20.열전도

답: Q̇ = 393.7 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/(10·8) = 0.0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0.17·8) = 0.03676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(1.4·8) = 0.006696 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0.005 K/W
ΣR = 0.06096 K/W

열손실

Q̇ = (20 − (-4))/0.06096 = 393.7 W

답

Q̇ = 393.7 W
21.관 마찰과 손실 수두

답: hf = 4.954 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) = 0.03·(200/0.2)·1.8²/(2·9.81) = 4.954 m

답

hf = 4.954 m
22.관 마찰과 손실 수두

답: Δz = 0.6927 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 = 0.05/0.04909 = 1.019 m/s
V²/(2g) = 0.05288 m

손실 계수

f·L/D = 0.015·150/0.25 = 9
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 2 + 1.0 = 4.1

전체 손실 수두

hf = 9·0.05288 = 0.4759 m
hm = 4.1·0.05288 = 0.2168 m
Δz = hf + hm = 0.6927 m

답

Δz = 0.6927 m
23.펌프와 펌프 동력

답: η = 64.99 %

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 = 1000·9.81·0.05·64 = 31.39 kW

효율

η = Ph/Pshaft = 31.39/48.3 = 64.99%

답

η = 64.99%
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 33.8 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 = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s
V²/(2g) = 0.3305 m

손실 수두

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66 + 6)·0.3305 = 23.8 m

펌프 양정

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

H = Δz + hL = 10 + 23.8 = 33.8 m

답

H = 33.8 m

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