2016년 국회사무처 9급 기계일반 가책형 기출문제 풀이

2016 9급 국회사무처 기계일반 가책형

기계일반 기출문제 풀이 · AI 보조 해설

2016 9급 국회사무처 기계일반 가책형 썸네일

Q01

금속 박판의 성형 시 변형이 끝난 후 박판에 가해진 굽힘력이 제거되면 굽혀진 공작물 내에 남아 있는 탄성에너지로 인해 변형량의 일부분이 복원되는 현상을 나타내는 용어로 옳은 것은?

① 과도굽힘(overbending)
오답입니다 과도굽힘은 스프링백을 미리 감안해 목표보다 더 굽혀 두는 대응책입니다.
② 바터밍(bottoming)
오답입니다 바터밍은 펀치를 다이 바닥까지 눌러 스프링백을 줄이는 굽힘 방식입니다.
③ 스프링백(springback)
정답입니다 하중을 없앤 뒤 남은 탄성에너지로 변형이 되돌아가는 현상이 스프링백입니다.
④ 시밍(seaming)
오답입니다 시밍은 두 판재의 가장자리를 서로 접어 걸어 잇는 접합 공정입니다.
⑤ 헤밍(hemming)
오답입니다 헤밍은 판재 가장자리를 180° 접어 마무리하는 굽힘 공정입니다.

정답과 해설 보기

정답 ③ 스프링백(springback)

판재를 굽히면 단면 안에 탄성변형과 소성변형이 함께 생깁니다. 굽힘력을 제거하면 소성변형은 남지만 탄성변형분은 원래대로 돌아가려 하므로 굽힘각이 조금 펴지는데, 이것이 스프링백입니다. 탄성한도가 높고 판이 얇을수록, 굽힘반지름이 클수록 스프링백이 커집니다. 따라서 ③입니다.

키워드 # 소성가공 # 굽힘가공 # 스프링백 # 탄성회복 # 과도굽힘

Q02

다음 중 열가소성 수지와 열경화성 수지에 따라 적절한 제조공정으로 연결된 것으로 옳은 것은?

①　사출성형　-　열가소성 수지,　압축성형　-　열경화성 수지
정답입니다 사출성형은 열가소성 수지의 대표 공정이고, 압축성형은 열경화성 수지에 씁니다.
②　압출　-　열가소성 수지,　열성형　-　열경화성 수지
오답입니다 압출은 열가소성이 맞지만 열성형(진공성형)도 열가소성 수지 공정입니다.
③　취입성형　-　열가소성 수지,　압출　-　열경화성 수지
오답입니다 취입성형은 열가소성이 맞지만 압출 역시 열가소성 수지 공정입니다.
④　전사성형　-　열가소성 수지,　사출성형　-　열경화성 수지
오답입니다 전사성형은 오히려 열경화성 수지용이고 사출성형은 열가소성용이라 둘 다 반대입니다.
⑤　열성형　-　열가소성 수지,　취입성형　-　열경화성 수지
오답입니다 열성형은 열가소성이 맞지만 취입성형도 열가소성 수지 공정입니다.

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정답 ① 사출성형 - 열가소성 수지, 압축성형 - 열경화성 수지

열가소성 수지는 가열하면 다시 녹으므로 녹여서 형틀에 밀어 넣는 사출성형·압출·취입성형·열성형이 쓰입니다. 반면 열경화성 수지는 한 번 굳으면 다시 녹지 않으므로 형틀 안에서 열과 압력으로 경화시키는 압축성형·전사성형이 대표 공정입니다. 두 짝이 모두 바르게 연결된 것은 사출성형-열가소성, 압축성형-열경화성뿐입니다. 따라서 ①입니다.

키워드 # 기계재료 # 고분자재료 # 열가소성수지 # 열경화성수지 # 사출성형 # 압축성형

Q03

다음 중 숏피닝(shot peening)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 숏을 강재 표면에 분사하여 표면층에 압축응력을 발생시킨다.
오답입니다 숏의 타격으로 표면층이 소성변형되어 압축잔류응력이 생깁니다.
② 숏피닝은 재료 중심부의 연성을 증가시킨다.
정답입니다 숏피닝의 효과는 표면층에만 미치며 중심부 성질은 바뀌지 않습니다.
③ 숏의 재질로 냉간주철, 주강, 강철 등이 쓰인다.
오답입니다 숏의 재질로는 칠드주철(냉간주철), 주강, 강선 절단품 등이 쓰입니다.
④ 숏피닝 작업에는 피닝작업과 청정작업이 있다.
오답입니다 표면을 두들기는 피닝작업과 스케일을 털어내는 청정작업으로 나뉩니다.
⑤ 숏피닝은 냉간가공법이다.
오답입니다 상온에서 숏을 분사해 표면을 소성변형시키므로 냉간가공법입니다.

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정답 ② 숏피닝은 재료 중심부의 연성을 증가시킨다.

숏피닝은 작은 강구(숏)를 고속으로 표면에 뿌려 표면층만 소성변형시키는 냉간가공입니다. 표면에 압축잔류응력이 남아 균열이 잘 생기지 않으므로 피로강도와 내마모성이 좋아집니다. 그러나 효과는 얇은 표면층에 한정되며 재료 중심부의 연성을 키우지는 않습니다. 따라서 ②입니다.

키워드 # 기계공작법 # 숏피닝 # 압축잔류응력 # 피로강도 # 냉간가공

Q04

다음 중 판금가공의 절단 공정에 해당하는 것끼리 표시된 것으로 옳은 것은?

① 헤밍(hemming), 커팅오프(cutting off)
오답입니다 커팅오프는 절단이지만 헤밍은 가장자리를 접는 굽힘 공정입니다.
② V-벤딩(v-bending), 플랜징(flanging)
오답입니다 V-벤딩과 플랜징은 모두 판재를 구부리는 굽힘 공정입니다.
③ 전단, 시밍(seaming)
오답입니다 전단은 절단이지만 시밍은 판재를 접어 이어 붙이는 접합 공정입니다.
④ 코이닝(coining), 엠보싱(embossing)
오답입니다 코이닝과 엠보싱은 판재를 눌러 형상을 내는 압축 성형 공정입니다.
⑤ 블랭킹(blanking), 펀칭(punching)
정답입니다 블랭킹과 펀칭은 모두 펀치와 다이로 판을 뚫어 떼어내는 전단 절단 공정입니다.

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정답 ⑤ 블랭킹(blanking), 펀칭(punching)

판금가공은 크게 절단(전단), 굽힘, 성형(드로잉·엠보싱 등)으로 나뉩니다. 절단 공정에는 전단, 블랭킹, 펀칭, 노칭, 트리밍, 커팅오프, 슬리팅 등이 들어갑니다. 블랭킹은 떨어져 나온 조각이 제품이고 펀칭은 남은 판이 제품이라는 차이만 있을 뿐 둘 다 전단 절단입니다. 두 항목이 모두 절단인 것은 ⑤뿐입니다. 따라서 ⑤입니다.

키워드 # 소성가공 # 판금가공 # 전단가공 # 블랭킹 # 펀칭

Q05

다음 중 나사 풀림에 영향을 주는 요소들에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 나사각이 커지면, 풀림 경향이 커진다.
오답입니다 나사각(리드각)이 커지면 축방향 하중이 나사를 되돌리는 성분이 커져 잘 풀립니다.
② 초기 조임이 커지면, 풀림을 시작하기 위해 극복해야 할 마찰력이 커진다.
오답입니다 초기 조임력이 크면 나사면과 자리면의 마찰력이 커져 풀기 어려워집니다.
③ 마찰계수를 증가시키는 표면처리와 표면상태는 풀림을 감소시킨다.
오답입니다 마찰계수가 커지면 자립 조건이 좋아져 풀림이 줄어듭니다.
④ 헬리컬 와셔는 상대 금속표면에 맞물리도록 뾰족한 돌출부를 평평하게 만드는 원리에 의하여 풀림을 감소시킨다.
오답입니다 스프링(헬리컬) 와셔는 눌려 평평해지면서 절단면 모서리가 표면을 파고들어 풀림을 막습니다.
⑤ 가는 나사가 보통 나사보다 쉽게 풀리는 경향이 있다.
정답입니다 가는 나사는 피치가 작아 리드각이 작으므로 오히려 잘 풀리지 않습니다.

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정답 ⑤ 가는 나사가 보통 나사보다 쉽게 풀리는 경향이 있다.

나사의 자립(self-locking) 조건은 리드각이 마찰각보다 작을 때 성립합니다. 가는 나사는 같은 지름에서 피치가 작아 리드각이 작아지므로 보통 나사보다 자립성이 좋아 풀림에 강합니다. 따라서 가는 나사가 더 쉽게 풀린다는 설명이 옳지 않습니다. 따라서 ⑤입니다.

키워드 # 기계요소설계 # 나사 # 풀림방지 # 리드각 # 자립조건 # 와셔

Q06

다음 중 회전축의 위험속도에 대한 설명으로 옳은 것은?

① 3차 고유진동수가 1차, 2차 고유진동수보다 위험하다.
오답입니다 차수가 낮을수록 위험하며 실제로는 1차 위험속도가 가장 중요합니다.
② 위험속도는 가로 진동만 고려한다.
오답입니다 굽힘(횡)진동만이 아니라 비틀림진동·종진동에 의한 위험속도도 함께 봅니다.
③ 위험속도는 비틀림 진동만 고려한다.
오답입니다 비틀림 진동만 고려한다는 것도 마찬가지로 옳지 않습니다.
④ 위험속도에 도달하면 진폭이 커지게 된다.
정답입니다 회전수가 고유진동수와 일치하는 공진 상태이므로 진폭이 급격히 커집니다.
⑤ 축의 회전수를 고유진동수의 ±5% 이상 떨어지게 한다.
오답입니다 통상 상용 회전수는 위험속도의 ±25% 밖에 두도록 권장하며 ±5%로는 부족합니다.

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정답 ④ 위험속도에 도달하면 진폭이 커지게 된다.

회전축의 위험속도는 축의 회전수가 축계의 고유진동수와 일치해 공진이 일어나는 회전수입니다. 공진 상태에서는 작은 불평형에도 진폭이 급격히 커져 축이 손상될 수 있습니다. 위험속도는 굽힘·비틀림·종진동을 모두 고려해야 하고 저차일수록 위험하며, 설계에서는 상용 회전수를 위험속도로부터 충분히(통상 ±25% 이상) 떨어뜨립니다. 따라서 ④입니다.

키워드 # 진동학 # 위험속도 # 고유진동수 # 공진 # 회전축

Q07

두께가 $t$ 인 판재에 펀치를 사용하여 지름 $d$ 인 구멍을 만들고자 한다. 이때 펀치에 가해지는 하중 $P$ 를 구하는 식으로 옳은 것은? (단, 재료의 전단강도는 $τ$ 이며, 원주율은 $π$ 이다.)

① $P = π \cdot d \cdot t \cdot τ$
정답입니다 전단되는 면적이 πdt이므로 하중은 여기에 전단강도 τ 를 곱한 값입니다.
② $P = π / (d \cdot t \cdot τ)$
오답입니다 d, t, τ 가 모두 분모에 있어 차원도 물리적 의미도 맞지 않습니다.
③ $P = π \cdot d / (t \cdot τ)$
오답입니다 두께가 분모에 있어 판이 두꺼울수록 힘이 작아지는 잘못된 식입니다.
④ $P = π \cdot d \cdot t / τ$
오답입니다 전단강도가 분모에 있어 재료가 강할수록 힘이 줄어드는 잘못된 식입니다.
⑤ $P = 1 / (π \cdot d \cdot t \cdot τ)$
오답입니다 식 전체가 역수 꼴이라 힘의 차원이 나오지 않습니다.

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정답 ① P = π·d·t·τ

펀칭에서 실제로 잘려 나가는 면은 구멍 둘레를 따라 판 두께만큼 이어진 원통면입니다. 그 넓이는 둘레 πd 에 두께 t 를 곱한 πdt입니다. 전단강도 τ 는 단위면적당 필요한 전단력이므로 펀치 하중은 P = πdtτ 가 됩니다. 따라서 ①입니다.

키워드 # 소성가공 # 펀칭 # 전단하중 # 전단강도 # 전단면적

Q08

초기 온도 20°C에 양쪽 벽에 고정된 봉이 있으며 이때 내부 응력은 없다. 봉을 10°C까지 냉각시켰고 그 결과 봉의 내부에 응력이 발생하였다. 응력(MPa)으로 옳은 것은? (단, 봉의 탄성계수 $E$ =200 GPa이고, 선팽창계수 $α$ =1.5×10⁻⁶ (1/°C)이다.)

2016 9급 국회사무처 기계일반 가책형 8번 그림 1

① 3
정답입니다 σ = EαΔT = 200×10³ MPa × 1.5×10⁻⁶ × 10 = 3 MPa입니다.
② 6
오답입니다 온도차를 20 ℃로 잘못 잡으면 나오는 값입니다.
③ 12
오답입니다 온도차를 40 ℃로 잘못 잡으면 나오는 값입니다.
④ 24
오답입니다 온도차를 80 ℃로 잘못 잡으면 나오는 값입니다.
⑤ 30
오답입니다 선팽창계수의 지수를 10⁻⁵로 잘못 읽으면 나오는 값입니다.

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정답 ① 3

양단이 완전히 고정되어 있으면 열변형이 전혀 허용되지 않으므로 자유팽창 변형률 αΔT 만큼이 그대로 탄성변형률로 구속됩니다. 따라서 열응력은 σ = EαΔT이고, E = 200 GPa = 200×10³ MPa, α = 1.5×10⁻⁶ 1/℃, ΔT = 20 − 10 = 10 ℃이므로 σ = 200×10³ × 1.5×10⁻⁶ × 10 = 3 MPa입니다. 냉각이므로 봉에는 인장응력이 생깁니다. 따라서 ①입니다.

키워드 # 재료역학 # 열응력 # 선팽창계수 # 탄성계수 # 구속조건

Q09

인장항복강도가 400 MPa인 연강 원형봉에 62.8 kN의 인장하중이 가해지는 경우 안전하게(안전율 S=2) 사용이 가능한 최소 직경(cm)으로 옳은 것은? (단, 원주율은 3.14이다.)

① 1
오답입니다 안전율을 적용하지 않아도 응력이 800 MPa로 항복강도를 넘어 버립니다.
② 2
정답입니다 허용응력 200 MPa에서 필요 단면적 3.14 cm²에 해당하는 지름입니다.
③ 3
오답입니다 안전율을 4.5로 잡은 셈이라 필요 이상으로 굵습니다.
④ 4
오답입니다 안전율 8에 해당하는 지름으로 과설계입니다.
⑤ 5
오답입니다 안전율 12.5에 해당해 지나치게 큽니다.

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정답 ② 2

안전율이 2이므로 허용응력은 $σ_{a}$ = 400/2 = 200 MPa입니다. 필요한 단면적은 A = P/ $σ_{a}$ = 62.8×10³ / 200×10⁶ = 3.14×10⁻⁴ m² = 3.14 cm²입니다. A = πd²/4 에서 d² = 4×3.14×10⁻⁴/3.14 = 4×10⁻⁴이므로 d = 0.02 m = 2 cm입니다. 따라서 ②입니다.

키워드 # 재료역학 # 인장응력 # 안전율 # 허용응력 # 단면적설계

Q10

그림과 같이 길이가 $a$ 인 외팔보의 $b$ 지점에 집중하중 $P$ 가 가해질 때 굽힘모멘트 선도의 모양으로 옳은 것은?

2016 9급 국회사무처 기계일반 가책형 10번 그림 1

①
오답입니다 0~b 구간이 일정한 사각형으로, 이는 굽힘모멘트가 아니라 전단력 선도의 모양입니다.
②
오답입니다 a까지 일정한 사각형이라 하중점 바깥까지 모멘트가 남아 있어 틀립니다.
③
오답입니다 b를 지나 자유단 쪽에서 (+)로 커지는데, 하중 바깥 구간에는 모멘트가 생기지 않습니다.
④
정답입니다 고정단 −Pb에서 하중점 b까지 직선으로 0이 되고, b~a 구간은 0인 올바른 선도입니다.
⑤
오답입니다 자유단 a에서 0이 되는 직선이라 하중이 자유단에 걸렸을 때의 선도입니다.

정답과 해설 보기

정답 ④ 고정단에서 −Pb, 하중점 b에서 0인 직선이고 b~a 구간은 0인 선도

자유단 쪽 구간(b < x ≤ a)에는 하중이 없으므로 굽힘모멘트가 0입니다. 고정단에서 하중점까지의 구간(0 ≤ x ≤ b)에서는 단면 오른쪽에 하중 P 가 거리 (b - x) 만큼 떨어져 있어 M = -P(b - x) 로 1차식이 되고, 고정단에서 -Pb, 하중점에서 0이 됩니다. 즉 고정단에서 음의 최대값을 갖고 b까지 직선으로 0이 된 뒤 자유단까지 0을 유지하는 모양입니다. 따라서 ④입니다.

키워드 # 재료역학 # 외팔보 # 굽힘모멘트선도 # 집중하중 # 자유단

Q11

길이가 0.5 m이고, 직경이 10 mm인 원형단면봉이 수직하중만 받고 있으며 이때 응력이 $σ$ 이다. 동일한 하중조건에서 원형단면봉의 길이를 1 m로 늘리고 직경을 5 mm로 줄였을 때 수직응력으로 옳은 것은?

① $\frac{1}{4}$ $σ$
오답입니다 단면적이 4배로 늘어난다고 거꾸로 보았을 때 나오는 값입니다.
② $\frac{1}{2}$ $σ$
오답입니다 단면적이 2배가 된다고 잘못 보았을 때 나오는 값입니다.
③ $σ$
오답입니다 길이만 달라졌다고 보고 단면적 변화를 빠뜨렸을 때의 값입니다.
④ 2 $σ$
오답입니다 응력이 지름에 반비례한다고 잘못 보아 1/2배만 반영한 값입니다.
⑤ 4 $σ$
정답입니다 지름이 절반이면 단면적이 1/4이므로 같은 하중에서 응력은 4배가 됩니다.

정답과 해설 보기

정답 ⑤ 4σ

수직응력은 σ = P/A 로 하중과 단면적만의 함수이며 봉의 길이와는 무관합니다. 지름이 10 mm에서 5 mm로 절반이 되면 A = πd²/4이므로 단면적은 1/4로 줄어듭니다. 하중이 같으므로 응력은 4배가 되고, 길이를 0.5 m에서 1 m로 늘린 것은 응력에 아무 영향이 없습니다. 따라서 ⑤입니다.

키워드 # 재료역학 # 수직응력 # 단면적 # 하중 # 봉의인장

Q12

질량이 같은 당구공 A와 B가 일직선 상에서 각각 10 m/s, 5 m/s의 속도로 우측으로 이동 중이다. 반발계수가 0.8일 때, 당구공 A가 당구공 B와 충돌한 후 두 공의 속도(m/s)로 옳은 것은? (단, 모든 마찰은 무시한다.)

2016 9급 국회사무처 기계일반 가책형 12번 그림 1

①　 $V_{A}$ 　=　5　 $V_{B}$ 　=　10
오답입니다 반발계수를 1로 본 완전탄성충돌의 결과로, 질량이 같아 속도가 그대로 교환됩니다.
②　 $V_{A}$ 　=　5.5　 $V_{B}$ 　=　9.5
정답입니다 운동량 보존 $v_{A}$ ′ + $v_{B}$ ′ = 15 와 $v_{B}$ ′ − $v_{A}$ ′ = 4 를 연립한 결과입니다.
③　 $V_{A}$ 　=　6　 $V_{B}$ 　=　9
오답입니다 속도차가 3이므로 반발계수를 0.6으로 잡았을 때의 값입니다.
④　 $V_{A}$ 　=　6.5　 $V_{B}$ 　=　8.5
오답입니다 속도차가 2이므로 반발계수를 0.4로 잡았을 때의 값입니다.
⑤　 $V_{A}$ 　=　7　 $V_{B}$ 　=　8
오답입니다 속도차가 1이므로 반발계수를 0.2로 잡았을 때의 값입니다.

정답과 해설 보기

정답 ② $V_{A}$ = 5.5, $V_{B}$ = 9.5

질량이 같으므로 운동량 보존은 10 + 5 = $v_{A}$ ′ + $v_{B}$ ′ = 15입니다. 반발계수 정의 e = ( $v_{B}$ ′ − $v_{A}$ ′)/( $v_{A}$ − $v_{B}$ ) = ( $v_{B}$ ′ − $v_{A}$ ′)/(10 − 5) = 0.8 에서 $v_{B}$ ′ − $v_{A}$ ′ = 4입니다. 두 식을 연립하면 $v_{B}$ ′ = 9.5 m/s, $v_{A}$ ′ = 5.5 m/s 가 됩니다. 충돌 후에도 A가 B보다 느리므로 다시 부딪치지 않아 물리적으로 타당합니다. 따라서 ②입니다.

키워드 # 동역학 # 충돌 # 반발계수 # 운동량보존 # 직선충돌

Q13

물체가 스프링에 수직으로 매달려서 1 Hz의 주파수와 10 mm의 진폭으로 진동한다. 물체가 정적평형지점(변위=0 mm인 지점)을 통과한 후 0.5초 경과된 시점의 변위(mm)와 진동수(rad/s)로 옳은 것은? (단, 원주율은 3.14이다.)

① 0, 3.14
오답입니다 변위 0은 맞지만 각진동수를 ω = πf 로 잘못 계산한 값입니다.
② 5, 3.14
오답입니다 변위와 각진동수가 모두 틀린 값으로, 0.5초는 정확히 반주기입니다.
③ 0, 6.28
정답입니다 0.5초는 반주기라 다시 평형점(변위 0)이고, ω = 2πf = 6.28 rad/s입니다.
④ 10, 6.28
오답입니다 0.5초를 1/4주기로 잘못 보아 변위를 진폭 10 mm로 잡은 값입니다.
⑤ 10, 12.56
오답입니다 각진동수를 4πf 로 두 배 크게 잡고 변위도 잘못 잡은 값입니다.

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정답 ③ 0, 6.28

주파수가 1 Hz이므로 주기는 T = 1초이고 각진동수는 ω = 2πf = 2×3.14×1 = 6.28 rad/s입니다. 0.5초는 정확히 반주기(T/2)이므로 평형점을 지난 물체는 한쪽 끝까지 갔다가 다시 평형점으로 돌아옵니다. 즉 변위는 0 mm이고 진행 방향만 반대가 됩니다. 따라서 ③입니다.
※ 문제의 “진동수(rad/s)”는 각진동수(ω)를 가리키며, 원본 시험지 표기를 그대로 옮긴 것입니다.

키워드 # 진동학 # 단순조화운동 # 각진동수 # 주기 # 진폭

Q14

효율이 80%인 윈치(winch)가 50 kN의 화물을 12 m 올리는데 1분이 걸렸다. 윈치의 소요동력(kW)으로 옳은 것은?

① 8.0
오답입니다 효율을 나누지 않고 곱해 10 × 0.8 로 계산했을 때 나오는 값입니다.
② 10.0
오답입니다 효율을 고려하지 않은 출력(유효)동력입니다.
③ 12.5
정답입니다 출력 10 kW를 효율 0.8로 나눈 소요동력 12.5 kW입니다.
④ 19.5
오답입니다 출력 10 kW를 효율 0.8로 나눈 12.5 kW가 소요동력이므로 19.5 kW는 어느 단계에서도 얻어지지 않습니다.
⑤ 29.5
오답입니다 일 600 kJ을 60초와 효율 0.8로 나누면 12.5 kW가 되므로 29.5 kW가 나오는 계산 경로는 없습니다.

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정답 ③ 12.5

윈치가 실제로 한 일은 W = 50 kN × 12 m = 600 kJ이고, 걸린 시간은 1분 = 60초입니다. 따라서 출력동력은 600 kJ / 60 s = 10 kW입니다. 효율이 80%이므로 소요(입력)동력은 10 / 0.8 = 12.5 kW입니다. 따라서 ③입니다.

키워드 # 동역학 # 일과동력 # 효율 # 소요동력 # 단위환산

Q15

다음 중 유체에서 공동현상(캐비테이션, cavitation)에 대한 설명으로 옳은 것은?

① 유체의 압력이 국부적으로 매우 높아질 때 발생한다.
오답입니다 압력이 국부적으로 포화증기압 아래로 낮아질 때 발생합니다.
② 회전하는 프로펠러 끝단 유체의 저속·고압 와류에서 발생한다.
오답입니다 프로펠러 끝단의 고속·저압 와류에서 생기므로 설명이 반대입니다.
③ 캐비테이션수가 임계캐비테이션수보다 클 때 발생한다.
오답입니다 캐비테이션수가 임계값보다 작아질 때 발생합니다.
④ 유체가 액체에서 증기로 빠르게 변화한다.
정답입니다 국부 저압에서 액체가 순간적으로 기화해 기포가 생기는 현상이 맞습니다.
⑤ 유체에 압력파동을 만들어 주어서 캐비테이션을 방지할 수 있다.
오답입니다 압력파동을 주면 국부 저압이 생겨 오히려 캐비테이션을 유발합니다.

정답과 해설 보기

정답 ④ 유체가 액체에서 증기로 빠르게 변화한다.

공동현상은 유동 중 국부 압력이 그 온도의 포화증기압보다 낮아져 액체가 급격히 증발하면서 기포(공동)가 생기는 현상입니다. 이 기포가 압력이 회복되는 곳으로 흘러가 급격히 붕괴하면 충격압이 발생해 소음·진동과 깃면 침식을 일으킵니다. 따라서 액체가 증기로 빠르게 변한다는 ④가 옳은 설명입니다. 따라서 ④입니다.

키워드 # 유체역학 # 공동현상 # 포화증기압 # 캐비테이션수 # 침식

Q16

압축기로 100 kPa, 300 K의 기체가 흡입된 후 400 kPa, 600 K로 압축되었다. 이 기체가 100 kPa, 300 K의 상태로 흡입되어 900 kPa로 압축된다면 이때 온도(K)로 옳은 것은? (단, 기체는 이상기체이고 비열비는 두 경우에 같고 압축과정은 가역 단열과정이라고 가정한다.)

① 660
오답입니다 지수 (k−1)/k 를 0.5가 아닌 값으로 잘못 잡았을 때 나오는 값입니다.
② 750
오답입니다 압력비 9의 제곱근 3을 곱하면 900 K이므로, 750 K은 지수 0.5를 제대로 적용하지 않은 값입니다.
③ 900
정답입니다 (k−1)/k = 0.5이므로 T = 300 × 9^0.5 = 900 K입니다.
④ 1000
오답입니다 지수를 대충 잡아 반올림했을 때 나오는 값으로 정확한 값이 아닙니다.
⑤ 1200
오답입니다 첫 사례의 온도비 2배를 두 번 적용했을 때 나오는 값입니다.

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정답 ③ 900

가역 단열(등엔트로피) 압축에서는 T₂/T₁ = (P₂/P₁)^((k−1)/k) 가 성립합니다. 첫 번째 경우 600/300 = 2이고 압력비는 400/100 = 4이므로 4^((k−1)/k) = 2, 즉 (k−1)/k = 0.5입니다. 두 번째 경우 압력비는 900/100 = 9이므로 T = 300 × 9^0.5 = 300 × 3 = 900 K입니다. 따라서 ③입니다.

키워드 # 열역학 # 단열압축 # 등엔트로피 # 비열비 # 이상기체

Q17

두께가 25 mm이고, 안쪽 표면과 바깥 표면의 온도가 각각 30°C와 5°C인 나무 벽을 통한 두께 방향 일차원 열유속이 50 W/m²일 때, 나무의 열전도율(W/(m·K))로 옳은 것은?

① 0.05
정답입니다 k = qL/ΔT = 50 × 0.025 / 25 = 0.05 W/(m·K)입니다.
② 0.1
오답입니다 두께를 50 mm로 잘못 잡으면 나오는 값입니다.
③ 0.2
오답입니다 두께를 100 mm로 잘못 잡으면 나오는 값입니다.
④ 0.25
오답입니다 바깥 표면온도 5 ℃를 온도차로 잘못 보면 나오는 값입니다.
⑤ 0.5
오답입니다 두께 25 mm를 0.25 m로 잘못 환산하면 나오는 값입니다.

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정답 ① 0.05

일차원 정상 열전도의 푸리에 법칙은 열유속 q = k·ΔT/L입니다. ΔT = 30 − 5 = 25 ℃(= 25 K), L = 25 mm = 0.025 m, q = 50 W/m²이므로 k = qL/ΔT = 50 × 0.025 / 25 = 0.05 W/(m·K)입니다. 나무처럼 단열성이 좋은 재료다운 값입니다. 따라서 ①입니다.

키워드 # 열전달 # 푸리에법칙 # 열전도율 # 열유속 # 평판열전도

Q18

랭킨사이클(Rankine cycle)을 이상사이클로 적용하는 단순 증기원동소의 효율을 높이는 방법으로 옳은 것은?

① 압축기의 배출압력을 증가시킴
오답입니다 증기원동소의 랭킨사이클에는 압축기가 아니라 급수펌프가 쓰이므로 구성부터 맞지 않습니다.
② 터빈에서 배출압력을 증가시킴
오답입니다 터빈 배출(복수기) 압력은 낮출수록 효율이 올라갑니다.
③ 보일러에서 배출압력을 감소시킴
오답입니다 보일러 압력을 낮추면 평균 흡열온도가 내려가 효율이 떨어집니다.
④ 수증기의 최고 압력을 감소시킴
오답입니다 최고 압력을 낮추는 것도 평균 흡열온도를 낮춰 효율을 떨어뜨립니다.
⑤ 보일러에서 과열시킴
정답입니다 과열하면 평균 흡열온도가 올라가 효율이 높아지고 터빈 출구 건도도 좋아집니다.

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정답 ⑤ 보일러에서 과열시킴

랭킨사이클의 열효율은 평균 흡열온도가 높을수록, 평균 방열온도가 낮을수록 좋아집니다. 이를 위한 세 가지 기본 방법이 복수기 압력 낮추기, 보일러 압력 높이기, 그리고 증기의 과열입니다. 보일러에서 증기를 과열시키면 터빈 입구 온도가 올라가 평균 흡열온도가 높아지므로 효율이 좋아지고, 동시에 터빈 출구 습분이 줄어 날개 침식도 줄어듭니다. 따라서 ⑤입니다.

키워드 # 열역학 # 랭킨사이클 # 증기원동소 # 과열증기 # 열효율

Q19

균일한 밀도를 가진 물체를 비중이 2인 액체에 넣었더니 부피의 $\frac{3}{5}$ 이 액체 속에 잠겼다. 이 물체의 비중으로 옳은 것은?

① 0.5
오답입니다 액체 비중 2의 역수를 그대로 답한 값입니다.
② 0.8
오답입니다 잠긴 부피가 아니라 떠 있는 부피비 2/5에 2를 곱한 값입니다.
③ 1.0
오답입니다 물의 비중을 그대로 쓴 값으로 액체 비중 2가 반영되지 않았습니다.
④ 1.2
정답입니다 부력 평형에서 $S_{물체}$ = $S_{액체}$ × (잠긴 부피비) = 2 × 3/5 = 1.2입니다.
⑤ 1.5
오답입니다 잠긴 부피비를 3/4으로 잘못 읽으면 나오는 값입니다.

정답과 해설 보기

정답 ④ 1.2

물체가 떠 있으면 무게와 부력이 같으므로 $ρ_{물체}$ ·V = $ρ_{액체}$ · $V_{잠김}$ 입니다. 양변을 물의 밀도로 나누면 $S_{물체}$ = $S_{액체}$ × ( $V_{잠김}$ /V) 가 됩니다. $S_{액체}$ = 2이고 잠긴 부피비가 3/5이므로 $S_{물체}$ = 2 × 3/5 = 1.2입니다. 따라서 ④입니다.

키워드 # 유체역학 # 부력 # 아르키메데스원리 # 비중 # 부양

Q20

피스톤-실린더계 내부에 압력이 $P$ 이고 온도가 400 K인 이상기체가 있다. 실린더 내부 체적이 두 배가 되고 온도가 300 K가 되도록 피스톤을 움직였을 때 기체의 압력으로 옳은 것은?

① $\frac{1}{8}$ $P$
오답입니다 온도비를 300/400 대신 1/4로 잘못 잡았을 때 나오는 값입니다.
② $\frac{1}{4}$ $P$
오답입니다 체적비 1/2 에 온도비를 3/4 이 아닌 1/2 로 잘못 잡았을 때 나오는 값입니다.
③ $\frac{3}{8}$ $P$
정답입니다 P₂ = P × (V₁/V₂) × (T₂/T₁) = P × (1/2) × (300/400) = (3/8)P입니다.
④ $\frac{1}{2}$ $P$
오답입니다 온도 변화를 무시하고 체적이 2배가 된 효과만 반영한 값입니다.
⑤ $\frac{5}{8}$ $P$
오답입니다 체적비 1/2 에 온도비를 3/4 이 아닌 5/4 로 잘못 잡았을 때 나오는 값입니다.

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정답 ③ (3/8)P

닫힌계 안의 이상기체이므로 질량이 일정하고 PV/T = 일정이 성립합니다. P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ 에서 P₂ = P₁ × (V₁/V₂) × (T₂/T₁)입니다. 체적이 두 배가 되었으므로 V₁/V₂ = 1/2이고 온도비는 300/400 = 3/4이므로 P₂ = P × (1/2) × (3/4) = (3/8)P입니다. 따라서 ③입니다.

키워드 # 열역학 # 이상기체상태방정식 # 보일샤를법칙 # 피스톤실린더 # 압력계산

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