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 1300 kg/h · 20% 설탕흐름 2ṁ₂ = ? · 30% 설탕제품25% 설탕

혼합 제품이 설탕을(를) 25% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 20 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.물질 수지어려움
증발기원료 F1900 kg/h · 9% 소금제품 P55% 소금증기 W (순수)W = ? kg/h

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

F = 1900 kg/hxF = 9 %xP = 55 %
W = kg/h
3.에너지 수지보통
고온측저온측글리콜 혼합액 · 170 °C130 °C물 · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Cṁc = 1.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.에너지 수지어려움
고온측저온측경유 · 120 °C70 °C물 · 10 °C40 °C · ṁ = ?15% 손실

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 10 → 40 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)손실 = 15 %
ṁc = kg/s
5.이상 기체 법칙보통
CH₄ 230 gP = 200 kPaT = 65 °CV = ?

200 kPa, 65 °C에서 CH₄ 230 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 230 gM = 16.04 g/molP = 200 kPaT = 65 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.이상 기체 법칙어려움
He, M = 4.003 g/molP = 400 kPaT = 200 °Cρ = ?

400 kPa, 200 °C에서 He의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 4.003 g/molP = 400 kPaT = 200 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.화학량론보통
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

Fe2O3 12 g과 CO 40 g이 Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 Fe의 질량 m는 얼마일까요?

M(Fe2O3) = 159.69M(CO) = 28.01M(Fe) = 55.85 g/mol
m = g
8.화학량론어려움
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

반응 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O에서 C3H8 8 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) CO2 18.68 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.

M(C3H8) = 44.1 g/molM(CO2) = 44.01 g/mol실제: 18.68 g
Y = %
9.화학 평형보통
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L의 H₂와 1 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 25. 평형 농도 [H2]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I1.500C−x+x+xE1.5 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.08. 용기에 처음에는 PCl₅만 1.5 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [Cl2]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LKc = 0.08
[Cl2] = mol/L
11.열량 측정과 엔탈피보통
Tf​ = ?알루미늄m = 100 gT = 80 °Cc = 0.897 J/(g·°C)물m = 250 gT = 19 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

온도가 80 °C이고 질량이 100 g인 알루미늄 블록(c = 0.897 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 19 °C의 물 250 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.

mmetal = 100 gcmetal = 0.897 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 250 gTwater = 19 °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)30 min0.24

1차 반응에서 A의 농도가 30 min 동안 1.2 mol/L에서 0.24 mol/L로 감소한다. 속도 상수 k을(를) 구하시오.

CA0 = 1.2 mol/LCA = 0.24 mol/Lt = 30 min
k = min⁻¹
14.반응 속도론어려움
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))실험 10.20.002실험 20.60.018n = ?

두 실험으로 A → 생성물의 초기 속도를 측정한다. CA0 = 0.2 mol/L일 때 속도는 0.002 mol/(L·s)이고, CA0 = 0.6 mol/L일 때 0.018 mol/(L·s)이다. A에 대한 반응 차수 n을(를) 구하시오.

CA0,1 = 0.2 mol/Lr1 = 0.002 mol/(L·s)CA0,2 = 0.6 mol/Lr2 = 0.018 mol/(L·s)
n =
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
QX = 85%CSTR과 같은 Q, k, X

액상 1차 반응이 전환율 85%에 도달해야 한다. 공급 유량, 속도 상수, 전환율이 같을 때 CSTR은 PFR보다 몇 배 커야 하는가? 비 VCSTR/VPFR을(를) 구하시오.

X = 85%1차 반응, 같은 k와 Q
VCSTR/VPFR =
16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
V = 400 LV = 400 LQ = 100 L/minX = ?

액상 1차 반응(k = 0.08 min⁻¹)이 직렬로 연결된 같은 크기의 CSTR 두 개(각각 400 L)에서 진행된다. 공급 유량은 100 L/min, 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전체 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 400 L (×2)Q = 100 L/mink = 0.08 min⁻¹
X = %
17.열교환기 (LMTD)보통
길이T90 °C70 °C20 °C45 °CΔT₁ΔT₂병류

병류 열교환기가 260 kW를 전달한다. 전열 면적은 5 m²이다. 고온 유체는 90 °C에서 70 °C로 냉각되고 저온 유체는 20 °C에서 45 °C로 가열된다. 총괄 열전달 계수 U을(를) 구하시오.

Q̇ = 260 kWA = 5 m²Th: 90 → 70 °CTc: 20 → 45 °C
U = W/(m²·K)
18.열교환기 (LMTD)어려움
길이T160 °C115 °C73.83 °C20 °CΔT₁ΔT₂대향류

뜨거운 기름(2 kg/s, cp = 2.5 kJ/(kg·K))이 대향류 열교환기에서 160에서 115 °C까지 냉각된다. 기름은 20 °C로 들어오는 물 1 kg/s(cp = 4.18 kJ/(kg·K))을(를) 가열한다. U = 800 W/(m²·K)일 때 필요한 전열 면적 A을(를) 구하시오.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2.5 kJ/(kg·K)Th: 160 → 115 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.열전도보통
벽돌, k = 0.72200 mm유리, k = 0.9650 mm17 °C-3 °CTi​ = ?Q̇

벽은 벽돌 200 mm와 유리 50 mm(으)로 이루어지며 면적은 8 m²이다. 바깥 양면은 17 °C와 -3 °C이다. 두 층 경계면의 온도 Ti을(를) 구하시오.

L1 = 200 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 17 °CT3 = -3 °C
Ti = °C
20.열전도어려움
암면, k = 0.0450 mm목재, k = 0.1750 mm실내 20 °C실외 -14 °CQ̇

50 mm 암면와 50 mm 목재(으)로 된 벽이 20 °C인 방과 -14 °C인 바깥 공기를 나눈다. 대류 열전달 계수는 실내 8 W/(m²·K), 실외 20 W/(m²·K)이고, 벽 면적은 10 m²이다. 벽의 총괄 열전달 계수 U을(를) 구하시오.

L1 = 50 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -14 °C
U = W/(m²·K)
21.관 마찰과 손실 수두보통
Q = 15 L/sD = 150 mmL = 50 mf = 0.018

물이 길이 50 m, 안지름 150 mm인 관을 15 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.018, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 hf을(를) 구하시오.

Q = 15 L/sL = 50 mD = 150 mmf = 0.018g = 9.81 m/s²
hf = m
22.관 마찰과 손실 수두어려움
K = 5Δz = ?L = 200 m, D = 300 mm, f = 0.0223× 엘보 (K = 0.3)

두 개방 저수지가 길이 200 m, 안지름 300 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.022인 관으로 연결되어 있다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 3개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 5), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 75 L/s를 얻으려면 두 저수지의 수위 차 Δz은(는) 얼마여야 하는가?

Q = 75 L/sL = 200 mD = 300 mmf = 0.022Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 5Kexit = 1.0
Δz = m
23.펌프와 펌프 동력보통
PQ = 20 L/sH = 80 m

펌프가 양정 80 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 20 L/s 송출한다. 펌프 효율은 78%이고, 펌프를 구동하는 전동기의 효율은 94%이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 전동기가 소비하는 전력 Pel을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 20 L/sH = 80 mηpump = 78%ηmotor = 94%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
24.펌프와 펌프 동력어려움
PQ = 40 L/sΔz = 5 mL = 400 m, D = 150 mm, f = 0.015, ΣK = 4

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 40 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 5 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 400 m, 안지름 150 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 4(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.

Q = 40 L/sΔz = 5 mL = 400 mD = 150 mmf = 0.015ΣK = 4
H = m

3용액

1.물질 수지

답: ṁ2 = 300 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) = 300·(20 − 25)/(25 − 30) = 300 kg/h

답

ṁ2 = 300 kg/h
2.물질 수지

답: W = 1589 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 = 1900·9/55 = 310.9 kg/h

전체 수지

W = F − P = 1900 − 310.9 = 1589 kg/h

답

W = 1589 kg/h
3.에너지 수지

답: tout = 32.97 °C

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

고온 흐름이 내놓은 열

Q = 1·3.6·(170 − 130) = 144 kW

물이 받은 열

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 144/(1.5·4.18) = 32.97 °C

답

tout = 32.97 °C
4.에너지 수지

답: ṁc = 2.135 kg/s

손실이 있는 에너지 수지: 방출 열 = 흡수 열 + 손실 열.

방출 열

Qh = 3·2.1·(120 − 70) = 315 kW

물에 전달되는 열

Qc = (1 − 0.15)·315 = 267.8 kW

물의 유량

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 267.8/(4.18·30) = 2.135 kg/s

답

ṁc = 2.135 kg/s
5.이상 기체 법칙

답: V = 201.6 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 230/16.04 = 14.34 mol
T = 65 + 273.15 = 338.1 K

부피

V = nRT/P = 14.34·8.314·338.1/200 = 201.6 L

답

V = 201.6 L
6.이상 기체 법칙

답: ρ = 0.407 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 = 400·4.003/(8.314·473.1) = 0.407 kg/m³

답

ρ = 0.407 kg/m³
7.화학량론

답: m = 8.394 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(Fe2O3) = 12/159.69 = 0.07515 mol
n(CO) = 40/28.01 = 1.428 mol

한계 반응물

0.07515/1 = 0.07515, 1.428/3 = 0.476 → Fe2O3

생성물의 질량

n(Fe) = 0.07515·2 = 0.1503 mol
m = 0.1503·55.85 = 8.394 g

답

m = 8.394 g
8.화학량론

답: Y = 77.99 %

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(C3H8) = 8/44.1 = 0.1814 mol
m = 0.1814·3/1·44.01 = 23.95 g

수득률

Y = 18.68/23.95·100 = 77.99%

답

Y = 77.99%
9.화학 평형

답: [H2] = 0.2857 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/(1 − x)²

제곱근 취하기

5 = 2x/(1 − x) → x = 1·5/(2 + 5) = 0.7143 mol/L

평형 농도

[H₂] = 1 − x = 0.2857 mol/L

답

[H2] = 0.2857 mol/L
10.화학 평형

답: [Cl2] = 0.3087 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/(1.5 − x) → x² + 0.08·x − 0.12 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.12))/2 = 0.3087 mol/L

평형 농도

[Cl₂] = x = 0.3087 mol/L

답

[Cl2] = 0.3087 mol/L
11.열량 측정과 엔탈피

답: Tf = 23.82 °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

100·0.897·(80 − Tf) = 250·4.18·(Tf − 19)

최종 온도 구하기

Tf = (89.7·80 + 1045·19)/(89.7 + 1045) = 23.82 °C

답

Tf = 23.82 °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: k = 0.05365 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(1.2/0.24)/30 = 1.609/30 = 0.05365 min⁻¹

답

k = 0.05365 min⁻¹
14.반응 속도론

답: n = 2

초기 속도법: r = k·Cⁿ에서 초기 농도만 다른 두 실험을 비교하면 k가 없어집니다: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. C를 두 배로 하면 1차는 속도가 두 배, 2차는 네 배가 됩니다.

비

r2/r1 = 0.018/0.002 = 9
C2/C1 = 0.6/0.2 = 3

차수

n = ln(9)/ln(3) = 2

답

n = 2
15.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: VCSTR/VPFR = 2.987

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) = 0.85/0.15 = 5.667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6.667) = 1.897

부피비

VCSTR/VPFR = 5.667/1.897 = 2.987

답

VCSTR/VPFR = 2.987

전환율이 높을수록 차이가 빠르게 커집니다.

16.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 42.61 %

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 = 400/100 = 4 min, kτ = 0.08·4 = 0.32

전환율

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0.32) = 0.7576
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0.5739
X = 1 − 0.5739 = 42.61%

답

X = 42.61%
17.열교환기 (LMTD)

답: U = 1190 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 = 90 − 20 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 70 − 45 = 25 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 25)/ln(70/25) = 43.71 K

총괄 열전달 계수

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 260000/(5·43.71) = 1190 W/(m²·K)

답

U = 1190 W/(m²·K)
18.열교환기 (LMTD)

답: A = 3.107 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) = 2·2.5·45 = 225 kW
Tc,out = 20 + 225/(1·4.18) = 73.83 °C

양 끝의 온도 차

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

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 160 − 73.83 = 86.17 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 115 − 20 = 95 K

대수 평균 온도 차

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (86.17 − 95)/ln(86.17/95) = 90.51 K

면적

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 225000/(800·90.51) = 3.107 m²

답

A = 3.107 m²
19.열전도

답: Ti = 0.1579 °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) = (200/1000)/(0.72·8) = 0.03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.96·8) = 0.00651 K/W

열흐름

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 20/0.04123 = 485.1 W

경계면 온도

첫 번째 층에서 온도가 Q̇·R₁만큼 떨어집니다.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 485.1·0.03472 = 0.1579 °C

답

Ti = 0.1579 °C
20.열전도

답: U = 0.5817 W/(m²·K)

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/(8·10) = 0.0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0.04·10) = 0.125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.17·10) = 0.02941 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0.005 K/W
ΣR = 0.1719 K/W

총괄 열전달 계수

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0.1719) = 0.5817 W/(m²·K)

답

U = 0.5817 W/(m²·K)
21.관 마찰과 손실 수두

답: hf = 0.2203 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·0.15²/4 = 0.01767 m²
V = Q/A = 0.015/0.01767 = 0.8488 m/s

속도 수두

V²/(2g) = 0.8488²/(2·9.81) = 0.03672 m

다르시–바이스바흐 식

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.018·(50/0.15)·0.8488²/(2·9.81) = 0.2203 m

답

hf = 0.2203 m
22.관 마찰과 손실 수두

답: Δz = 1.266 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 = 0.075/0.07069 = 1.061 m/s
V²/(2g) = 0.05738 m

손실 계수

f·L/D = 0.022·200/0.3 = 14.67
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 5 + 1.0 = 7.4

전체 손실 수두

hf = 14.67·0.05738 = 0.8416 m
hm = 7.4·0.05738 = 0.4246 m
Δz = hf + hm = 1.266 m

답

Δz = 1.266 m
23.펌프와 펌프 동력

답: Pel = 21.41 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 = 1000·9.81·0.02·80 = 15.7 kW

축동력

Pshaft = 15.7/0.78 = 20.12 kW

전기 입력 동력

Pel = 20.12/0.94 = 21.41 kW

답

Pel = 21.41 kW
24.펌프와 펌프 동력

답: H = 16.49 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 = 0.04/0.01767 = 2.264 m/s
V²/(2g) = 0.2611 m

손실 수두

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (40 + 4)·0.2611 = 11.49 m

펌프 양정

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

H = Δz + hL = 5 + 11.49 = 16.49 m

답

H = 16.49 m

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