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 1850 kg/h · 10% 소금흐름 2ṁ₂ = ? · 45% 소금제품35% 소금

혼합 제품이 소금을(를) 35% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 10 %x2 = 45 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F1100 kg/h · 6% 소금제품 PP = ? · 60%증기 W (순수)0% 소금

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

F = 1100 kg/hxF = 6 %xP = 60 %
P = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측에탄올 · 160 °C100 °C물 · 20 °Ct = ? °C

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

ṁh = 0.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 100 °Cṁc = 1.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측에탄올 · 180 °C60 °C물 · 15 °C45 °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 = 2.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 60 °Ct: 15 → 45 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 5 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
Ar 50 gP = 250 kPaT = 85 °CV = ?

250 kPa, 85 °C에서 Ar 50 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 50 gM = 39.95 g/molP = 250 kPaT = 85 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.이상 기체 법칙어려움
CH₄, M = 16.04 g/molP = 700 kPaT = 200 °Cρ = ?

700 kPa, 200 °C에서 CH₄의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 16.04 g/molP = 700 kPaT = 200 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

CH4 10 g과 O2 16 g이 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 H2O의 질량 m는 얼마일까요?

M(CH4) = 16.04M(O2) = 32M(H2O) = 18.02 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 10 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) MgO 11.6 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(Mg) = 24.31 g/molM(MgO) = 40.3 g/mol실제: 11.6 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 = 49. 평형 농도 [HI]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.1 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I0.400C−x+x+xE0.4 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.5. 용기에 처음에는 PCl₅만 0.4 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [PCl5]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LKc = 0.5
[PCl5] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?철m = 100 gT = 180 °Cc = 0.449 J/(g·°C)물m = 250 gT = 24 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 180 °C이고 질량이 100 g인 철 블록(c = 0.449 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 24 °C의 물 250 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 100 gcmetal = 0.449 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 250 gTwater = 24 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.열량 측정과 엔탈피어려움
H25 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂반응물2CO₂ + 4H₂O(l)생성물q = ?

표준 생성 엔탈피를 이용해 CH3OH(M = 32.04 g/mol) 25 g이 완전 연소할 때 방출되는 열 q을(를) 구하시오: 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). q는 양수로 답하시오.

ΔH°f(CH3OH) = −238.7 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)C (mol/L)40 min0.64

1차 반응에서 A의 농도가 40 min 동안 0.8 mol/L에서 0.64 mol/L로 감소한다. 속도 상수 k을(를) 구하시오.

CA0 = 0.8 mol/LCA = 0.64 mol/Lt = 40 min
k = min⁻¹
14.반응 속도론어려움
Tk50 °Ck1​?3·k1​

어떤 반응의 활성화 에너지는 90 kJ/mol이다. 50 °C에서는 너무 느리다. 3배 빠르게 하려면 몇 도 T2(°C)까지 가열해야 하는가?

Ea = 90 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 3R = 8.314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
Q = 5 L/minX = 80%V = ?, k = 0.15 min⁻¹

k = 0.15 min⁻¹인 액상 1차 반응 A → B를 5 L/min으로 공급되는 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 수행한다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. A의 전환율 80%를 얻기 위한 반응기 부피 V을(를) 리터 단위로 구하시오.

Q = 5 L/mink = 0.15 min⁻¹X = 80%
V = L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 2000 LQ = 5 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.05 min⁻¹)이 5 L/min으로 공급되는 2000 L CSTR에서 진행된다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 2000 LQ = 5 L/mink = 0.05 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T100 °C15 °C70 °CΔT₁ΔT₂응축 증기

응축기에서 증기가 관 바깥쪽에서 일정한 100 °C로 응축된다. 냉각수(1 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K))가 관 안을 흐르며 15 °C에서 70 °C로 가열된다. 총괄 열전달 계수는 2000 W/(m²·K)이다. 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

Ts = 100 °Cṁ = 1 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc: 15 → 70 °CU = 2000 W/(m²·K)
A = m²
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T130 °C??25 °CΔT₁ΔT₂대향류

향류 열교환기에서 두 유체의 열용량률이 같다: ṁ·cp = 1.5 kW/K. 고온 유체는 130 °C, 저온 유체는 25 °C로 들어간다. 열교환기는 A = 4 m², U = 500 W/(m²·K)이다. 고온 유체의 출구 온도 Th,out을(를) 구하시오.

Ch = Cc = 1.5 kW/KTh,in = 130 °CTc,in = 25 °CA = 4 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.열전도보통
유리, k = 0.9650 mm암면, k = 0.0450 mm21 °C-14 °CQ̇ = ?

벽은 유리 50 mm와 암면 50 mm(으)로 이루어지며 면적은 15 m²이다. 바깥 양면은 21 °C와 -14 °C이다. 벽을 통한 열흐름 Q̇을(를) 구하시오.

L1 = 50 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 21 °CT3 = -14 °C
Q̇ = W
20.열전도어려움
석고보드, k = 0.1750 mm발포 폴리스티렌, k = 0.035100 mm실내 21 °C실외 3 °CTs​ = ?Q̇

50 mm 석고보드와 100 mm 발포 폴리스티렌(으)로 된 벽이 21 °C인 방과 3 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 8 W/(m²·K), 실외 20 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 4 m²이다. 벽 안쪽 표면의 온도 Ts을(를) 구하시오.

L1 = 50 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 3 °C
Ts = °C
21.관 마찰과 손실 수두보통
V = 2.4 m/sD = 50 mmL = 50 mf = 0.03

물(ρ = 1000 kg/m³)이 길이 50 m, 안지름 50 mm인 수평 관을 2.4 m/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.03, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 관 전체의 압력 강하 Δp을(를) kPa 단위로 구하시오.

V = 2.4 m/sL = 50 mD = 50 mmf = 0.03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 10Δz = ?L = 300 m, D = 250 mm, f = 0.0224× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 300 m, 안지름 250 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.022인 관으로 연결되어 있다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 4개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 10), 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 = 300 mD = 250 mmf = 0.022Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1.0
Δz = m
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 40 L/sH = 46 m

펌프가 양정 46 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 40 L/s 송출한다. 펌프 효율은 80%이고, 펌프를 구동하는 전동기의 효율은 88%이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 전동기가 소비하는 전력 Pel을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 40 L/sH = 46 mηpump = 80%ηmotor = 88%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 100 L/sΔz = 18 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0.022, ΣK = 6

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 100 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 18 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 200 m, 안지름 250 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 = 100 L/sΔz = 18 mL = 200 mD = 250 mmf = 0.022ΣK = 6
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 2125 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) = 850·(10 − 35)/(35 − 45) = 2125 kg/h

답

ṁ2 = 2125 kg/h
2.물질 수지

답: P = 110 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 = 1100·6/60 = 110 kg/h

답

P = 110 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 31.67 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 0.5·2.44·(160 − 100) = 73.2 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 73.2/(1.5·4.18) = 31.67 °C

답

tout = 31.67 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 5.545 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 2.5·2.44·(180 − 60) = 732 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.05)·732 = 695.4 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 695.4/(4.18·30) = 5.545 kg/s

답

ṁc = 5.545 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: V = 14.91 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 50/39.95 = 1.252 mol
T = 85 + 273.15 = 358.1 K

부피

V = nRT/P = 1.252·8.314·358.1/250 = 14.91 L

답

V = 14.91 L
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 2.854 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 200 + 273.15 = 473.1 K

밀도

ρ = 700·16.04/(8.314·473.1) = 2.854 kg/m³

답

ρ = 2.854 kg/m³
7.화학량론

답: m = 9.01 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(CH4) = 10/16.04 = 0.6234 mol
n(O2) = 16/32 = 0.5 mol

한계 반응물

0.6234/1 = 0.6234, 0.5/2 = 0.25 → O2

생성물의 질량

n(H2O) = 0.25·2 = 0.5 mol
m = 0.5·18.02 = 9.01 g

답

m = 9.01 g
8.화학량론

답: Y = 69.97 %

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) = 10/24.31 = 0.4114 mol
m = 0.4114·2/2·40.3 = 16.58 g

수득률

Y = 11.6/16.58·100 = 69.97%

답

Y = 69.97%
9.화학 평형

답: [HI] = 0.1556 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

49 = (2x)²/(0.1 − x)²

제곱근 취하기

7 = 2x/(0.1 − x) → x = 0.1·7/(2 + 7) = 0.07778 mol/L

평형 농도

[HI] = 2x = 0.1556 mol/L

답

[HI] = 0.1556 mol/L
10.화학 평형

답: [PCl5] = 0.1377 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

0.5 = x²/(0.4 − x) → x² + 0.5·x − 0.2 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.5 + √(0.5² + 4·0.2))/2 = 0.2623 mol/L

평형 농도

[PCl₅] = 0.4 − 0.2623 = 0.1377 mol/L

답

[PCl5] = 0.1377 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 30.43 °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·(180 − Tf) = 250·4.18·(Tf − 24)

최종 온도 구하기

Tf = (44.9·180 + 1045·24)/(44.9 + 1045) = 30.43 °C

답

Tf = 30.43 °C
12.열량 측정과 엔탈피

답: q = 566.8 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) + 4·(−285.8)] − [2·(−238.7) + 3·0] = −1453 kJ

주어진 질량에 대한 열

n = 25/32.04 = 0.7803 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0.7803·726.4 = 566.8 kJ

답

q = 566.8 kJ
13.반응 속도론

답: k = 0.005579 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(0.8/0.64)/40 = 0.2231/40 = 0.005579 min⁻¹

답

k = 0.005579 min⁻¹
14.반응 속도론

답: T2 = 60.96 °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 = 323.1 K

아레니우스 식을 T₂에 대해 풀기

1/T2 = 1/323.1 − 8.314·ln(3)/90000 = 3.095 × 10⁻³ − 1.015 × 10⁻⁴ = 2.993 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 334.1 K = 60.96 °C

답

T2 = 60.96 °C
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: V = 53.65 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 − 0.8))/0.15 = 1.609/0.15 = 10.73 min

부피

V = Q·τ = 5·10.73 = 53.65 L

답

V = 53.65 L
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 95.24 %

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 = 2000/5 = 400 min, kτ = 0.05·400 = 20

전환율

X = kτ/(1 + kτ) = 20/(1 + 20) = 95.24%

답

X = 95.24%
17.열교환기 (LMTD)

답: A = 2.177 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.

물 쪽에서 구한 열부하

Q̇ = 1·4.18·(70 − 15) = 229.9 kW

양 끝의 온도 차

ΔT₁ = 100 − 15 = 85 K
ΔT₂ = 100 − 70 = 30 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 30)/ln(85/30) = 52.81 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 229900/(2000·52.81) = 2.177 m²

답

A = 2.177 m²
18.열교환기 (LMTD)

답: Th,out = 70 °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

1.5·(130 − Th,out) = 2·(Th,out − 25)
Th,out = (1.5·130 + 2·25)/(1.5 + 2) = 70 °C

답

Th,out = 70 °C

전달된 열: Q̇ = 90 kW. 저온 유체는 85 °C로 나갑니다.

19.열전도

답: Q̇ = 403.2 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) = (50/1000)/(0.96·15) = 0.003472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.04·15) = 0.08333 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 35/0.08681 = 403.2 W

답

Q̇ = 403.2 W
20.열전도

답: Ts = 20.32 °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/(8·4) = 0.03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0.17·4) = 0.07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.035·4) = 0.7143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0.0125 K/W
ΣR = 0.8316 K/W

열손실

Q̇ = (21 − (3))/0.8316 = 21.65 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 21.65·0.03125 = 20.32 °C

답

Ts = 20.32 °C
21.관 마찰과 손실 수두

답: Δp = 86.4 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) = 0.03·(50/0.05)·2.4²/(2·9.81) = 8.807 m

압력 강하

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

Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·8.807 = 86400 Pa = 86.4 kPa

답

Δp = 86.4 kPa
22.관 마찰과 손실 수두

답: Δz = 2.068 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 = 0.022·300/0.25 = 26.4
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 + 1.0 = 12.7

전체 손실 수두

hf = 26.4·0.05288 = 1.396 m
hm = 12.7·0.05288 = 0.6716 m
Δz = hf + hm = 2.068 m

답

Δz = 2.068 m
23.펌프와 펌프 동력

답: Pel = 25.64 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 = 1000·9.81·0.04·46 = 18.05 kW

축동력

Pshaft = 18.05/0.8 = 22.56 kW

전기 입력 동력

Pel = 22.56/0.88 = 25.64 kW

답

Pel = 25.64 kW
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 22.99 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 = 0.1/0.04909 = 2.037 m/s
V²/(2g) = 0.2115 m

손실 수두

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (17.6 + 6)·0.2115 = 4.992 m

펌프 양정

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

H = Δz + hL = 18 + 4.992 = 22.99 m

답

H = 22.99 m

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