화공기사 2019년 1회 기출 풀이(*6번,7번,8번,9번,10번)

* 합격을 위해 맞춰야할 문제 : 7번, 9번, 10번

6. 다음 화학평형에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

 ① 화학평형 판정기준은 일정 T와 P에서 폐쇄계의 총 깁스(Gibbs) 에너지가 최소가 되는 상태를 말한다.

 ② 화학평형 판정기준은 일정 T와 P에서 수학적으로 표현하면 이다. (단, : 성분 i의 양론 수, : 성분 i의 화학포텐셜)

 ③ 화학반응의 표준 깁스(Gibbs)에너지 변화()와 화학평형상수(K)의 관계는 이다.

 ④ 화학반응에서 평형전환율은 열역학적 계산으로 알 수 있다.

정답 : 3번

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전체적으로 어려운 개념들이다..

1번 : 

일정 T와 P에서 폐쇄계의 총 깁스에너지는 비가역 과정중에 감소한다.

이 총 깁스에너지를 y축, 반응좌표(Reaction Coordinate)를 x축으로 그리면,

U자형으로 그려지고, 최소점에서 평형이다. (미분하면 0인점)

2번 : 일련의 유도과정을 거쳐 보기와 같은 판정기준이 나온다. 

3번 :  (다행히도 단위만 맞춰봐도 보기가 틀린 것은 알 수 있다..)

4번 : 그렇다고 한다..

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7. 이상기체에 대하여 일(W)이 다음과 같은 식으로 나타나면 이 계는 어떤 과정으로 변화하였는가?

(단, Q 는 열, 은 초기압력, 는 최종압력, T 는 온도이다.)

 ① 정온과정

 ② 정용과정

 ③ 정압과정

 ④ 단열과정

정답 : 1번

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공부를 좀 했다면 대충 문제의 식이 등온과정이라는 것을 추측할 수 있을 것이다..

등온이라고 생각하고 검증해보자..

이상기체 식 PV=nRT를 적용하면,

(부호는 책마다, 사용하는 사람마다 다른 것을 많이들 알고 있을거다..

문제의 경우엔 )

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8. 단열된 상자가 같은 부피로 3등분 되었는데, 2개의 상자에는 각각 아보가드로(Avogadro) 수의 이상기체 분자가 들어 있고 나머지 한 개에는 아무 분자도 들어 있지 않다고 한다. 모든 칸막이가 없어져서 기체가 전체 부피를 차지하게 되었다면 이때 엔트로피 변화 값 기체 1몰 당 ΔS에 해당하는 것은?

 ① ΔS = R ln(2/3)

 ② ΔS = RT ln(2/3)

 ③ ΔS = R ln(3/2)

 ④ ΔS = RT ln(3/2)

정답 : 1번

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가답안이 1번으로 나왔는데..3번이 답이지 싶다..

무엇보다 문제의 상황은 엔트로피가 증가하는 상황이고, 엔트로피 변화는 양수인 상황이다.

1번은 음수이고, 2번,4번은 아얘 엔트로피 단위가 아니고, 그럼 3번만 남는다.....

18년 1회 5번 문제도 유사한 문제이다.

좀 쉽게 풀 수 있는 방법이 있어 얘기해보면,

고전열역학 식들로 풀 수 있다. 

먼저 이 공정은 일을 동반하지 않는 단열팽창이므로 W=0, Q=0,

ΔU=0, 즉, 동온이다.

등온에서 엔트로피 변화는,

칸막이를 제거하면서 부피가 3/2배 증가하므로

ΔS = R ln(3/2)

통계역학 식으로 보면,

S=klnΩ

열역학 제3법칙에 볼츠만 식이라고 하는 식이다.

k : Boltzmann 상수 = R(기체상수)/아보가드로 수

매우 큰 n에 대하여 다음과 같은 스털링 공식이 있다.(근사)

lnn! = nlnn-n

아보가드로 수는 매우 크므로 이를 적용하면,

전체가 2몰이었으므로 2로나눠주면 ΔS = R ln(3/2)

결국 확정답안도 변함없이 1번이 답으로 처리되었다.

굉장히 신뢰가 떨어지는 부분이 아닐 수 없다.

2010년 2회 1번 문제에서 2등분한 칸막이를 제거할 때

ΔS 를 구하는 문제가 출제되었고, 답은 Rln2(양수) 로 처리되었다.

여러모로 답은 3번이다. 아무도 이의 신청을 하지 않은걸까?

충분히 그럴 수 있다고 본다.

솔직히 이 문제 이의신청할 정도 실력이면 컷트라인 60점과 거리가 먼 사람일거다.

나 같아도 이의신청 안할 것 같다. 그냥 한 문제 틀리고 말지.

(이의신청 들어갔어도 무시되었을 지도..음모론..)

기출문제들 풀다보면 정말 이해할 수 없는 문제들이 하나씩 있는데

그런 문제들도 이런식으로 처리되어왔던걸까.

그런데 그런문제들이 반복 출제되어 또 똑같은 답안으로 처리되는 경우도 봤다.

조심스럽게 예상컨대 이 문제도 미래에 다시 출제되어 1번으로 정답처리 될 것이다.

(출제자들이 기출 문제들 뒤적거리다가 오류를 알아봤다면 정답을 바꿔서 출제하기 보다는

아얘 그 문제를 출제하지 않을 것 같다.) 

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9. 다음 그림은 열기관 사이클이다. 에서 열을 받고 에서 열을 방출할 때 이 사이클의 열효율은 얼마인가?

 ① 

 ② 

 ③ 

 ④ 

정답 : 4번

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T-S 선도에 직사각형 형태로 표현됐으니 카르노 기관이다. (가역단열2개, 등온2개)

카르노 기관의 열효율은 

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10. 열역학 제2법칙에 대한 설명이 아닌 것은?

 ① 가역 공정에서 총 엔트로피 변화량은 0 이 될 수 있다.

 ② 외부로부터 아무런 작용을 받지 않는다면 열은 저열원에서 고열원으로 이동할 수 없다.

 ③ 효율이 1 인 열기관을 만들 수 있다.

 ④ 자연계의 엔트로피 총량은 증가한다.

정답 : 3번

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효율이 1인 열기관은 만들 수 없다.

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