본문내용
1. 서론
화학공학과 대학원 입학을 위한 면접 준비를 위해 화학공학 분야의 기초 이론과 개념을 깊이 있게 공부하는 것이 필요하다. 화학공학 분야의 다양한 원리와 법칙, 개념을 이해하고 이를 실제 문제 해결에 적용할 수 있는 능력을 갖추는 것이 중요하다. 또한 최근의 화학공학 분야 연구 동향과 발전 방향에 대한 관심과 이해를 넓히고, 자신만의 연구 계획과 포부를 체계적으로 구상하여 제시할 수 있어야 한다. 이를 통해 화학공학과 대학원 입학에 대한 열정과 잠재력을 보여줄 수 있을 것이다.
2. 화학공학과 대학원 면접 예상 문제
레이놀즈 수(Reynolds Number)는 유체의 흐름에서 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비율을 나타내는 무차원 수이다. 레이놀즈 수가 작은 경우 점성력이 지배적이므로 층류(laminar flow)가 나타나며, 레이놀즈 수가 큰 경우 관성력이 지배적이므로 난류(turbulent flow)가 나타난다. 일반적인 파이프 내 유동에서는 레이놀즈 수가 4000 이상일 때 난류가 발생한다.
열전달은 전도, 대류, 복사 등 3가지 방식으로 일어난다. 전도는 고체 내부나 정지 유체 내 온도차에 의해 일어나며, 푸리에 법칙으로 설명될 수 있다. 대류는 유체의 유동에 의해 일어나며, 뉴턴의 냉각 법칙으로 설명될 수 있다. 복사는 물체의 온도 차이에 의해 일어나며, 스테판-볼츠만 법칙으로 설명될 수 있다. 물질 전달 또한 피크의 확산 법칙으로 설명될 수 있다.
반응기 종류에는 회분식 반응기, 연속식 교반탱크 반응기, 플러그 흐름 반응기 등이 있다. 회분식 반응기는 반응물의 유입과 유출이 없는 반면, 연속식 교반탱크 반응기는 반응물의 유입과 유출이 지속적으로 일어나는 특징이 있다. 플러그 흐름 반응기는 반응물의 유속, 농도, 온도 변화가 반경 방향으로 없는 유동 특성을 갖는다. 이들 반응기를 직렬로 연결하거나 순환 구조로 배열하여 최적의 반응기를 구성할 수 있다.
화학반응 속도론에서는 0차 반응과 1차 반응의 특성을 이해해야 한다. 0차 반응은 반응 속도가 감소하는 반면, 자동 촉매 반응은 초기에 느린 반응 속도가 생성물 생성에 따라 점차 증가하는 특징을 보인다.
화학 반응 메커니즘에서는 첨가 반응과 중합 반응이 중요하다. 첨가 반응은 다중 결합을 가진 분자가 새로운 시그마 결합을 형성하는 반응이며, 첨가 중합과 축합 중합의 차이를 이해해야 한다. 공액 효과와 하이퍼공액화, stereospecific 및 stereoselective 반응 등 분자 구조와 물성의 관계도 중요하다.
용매 효과와 반응성에서는 극성 용매와 무극성 용매, 프로틱 용매와 아프로틱 용매의 특성을 이해해야 한다. 극성 용매는 반응 중간체를 안정화시켜 SN1 반응을 촉진하고, 아프로틱 용매는 강염기와 함께 사용될 수 있다.
유기 반응 메커니즘에서는 SN1, SN2, E1, E2 반응과 라디칼 반응의 특성을 이해해야 한다. 이들 반응은 반응물의 성질, 용매, 반응 조건 등에 따라 선택적으로 일어난다.
화학 평형과 이동 현상에서는 화학 평형 상수, 라울의 법칙, 헨리의 법칙 등을 이해해야 한다. 화학 평형 상수는 반응 물질의 활동도를 이용하여 정의되며, 라울의 법칙과 헨리의 법칙은 이상 용액과 실제 용액의 증기압 관계를 설명한다.
화학 공정 최적화에서는 무차원 수와 화학공학 설계, 공정 모사와 시뮬레이션의 중요성을 이해해야 한다. 무차원 수는 유체 역학, 열전달, 물질 전달 등 다양한 분야에서 활용되며, 공정 모사와 시뮬레이션은 실험 없이도 공정을 최적화할 수 있게 해준다.
생명화학공학 기초에서는 미생물 성장 곡선, 효소 반응 속도론, 단백질 분리 정제 등의 개념을 이해해야 한다. 이를 통해 생물공정 설계와 제어에 필요한 기초 지식을 습득할 수 있다.
3. 레이놀즈 수(Reynolds Number)
3.1. 정의
레이놀즈 수(Reynolds Number)는 유체 흐름을 층류와 난류로 구분하는 척도이다. 레이놀즈 수는 관성력과 점성력의 비로 정의되며, 값이 작을수록 점성력이 지배적인 층류 유동이고 값이 클수록 관성력이 크게 작용하는 난류 유동이다. 따라서 레이놀즈 수가 4,000 이하일 경우 층류 유동이 나타나며, 4,000 이상일 경우 난류 유동이 발생한다.
3.2. 층류와 난류의 구분
레이놀즈 수(Reynolds Number)는 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로, 이를 통해 흐름의 종류를 구분할 수 있다. 층류인 경우 점성력이 지배적인 유동으로 Re 수가 작으며, 난류인 경우 관성력이 지배적인 유동으로 Re 수가 크다. 일반적으로 파이프에서 Re 수가 4,000 이하일 때는 층류 흐름이 나타나고, 4,000 이상일 때는 난류 흐름이 발생한다. 층류 흐름에서는 유체의 속도가 느리고 점도가 높아 Re 수가 작지만, 난류 흐름에서는 유체의 속도가 �르고 점도가 낮아 Re 수가 크다. 따라서 Re 수는 유체의 흐름 특성을 결정하는 중요한 지표이다.
4. 열전달 법칙
4.1. 전도, 대류, 복사
열은 전도, 대류, 복사의 3가지 방식으로 전달된다. 전도는 고체나 정지 상태의 물질 내에서 분자의 진동과 충돌에 의해 열이 전달되는 것이다. 대류는 움직이는 유체 내부 또는 고체 표면과 유체 사이에서 열이 이동하는 것이다. 복사는 전자기파로 이루어진 에너지가 매개체 없이 열로 전달되는 것이다.
열전도의 경우, 매개체가 필요하며 고체, 액체, 기체 내부의 입자 간 열전달에 의해 발생한다. 열전달계수를 나타내는 식은 q/A=-k(dT/dx)로, 여기서 q는 열 전달량, A는 단위 면적, k는 열전도계수, dT/dx는 온도구배이다.
대류열전달은 유체의 흐름에 따른 대류 현상에 의해 발생하며, 매개체인 유체의 이동이 필요하다. 열전달계수는 q/A=h(T-T')와 같이 표현되며, h는 대류열전달계수, T는 표면온도, T'는 유체 온도이다.
복사열전달은 전자기파에 의한 에너지 전달로, 매개체가 필요 없다. 복사열전달은 모든 물체가 0K 이상에서 발생하며, Stefan-Boltzmann 법칙으로 나타낼 수 있다.
4.2. 푸리에 법칙과 피크 법칙
열전달은 전도, 대류, 복사의 세 가지 메커니즘으로 이루어지며, 그중 전도에 관한 법칙이 푸리에 법칙이다. 푸리에 법칙에 따르면 단위 면적당 단위 시간당 전달되는 열량은 온도차에 비례하고 거리에 반비례한다. 이는 q/A=-k(dT/dx)의 식으로 표현할 수 있으며, 여기서 k는 열전도계수를 나타낸다. 즉, 열전도계수가 클수록 단위 면적당 단위 시간당 전달되는 열량이 증가한다는 것을 의미한다. 한편, 피크 법칙은 물질...
