개념 한 쪽
연료가 완전연소하려면 화학량론적 산소량이 필요하고, 이를 공기량으로 환산하여 이론 공기량이라 칭한다. 실제 연소에서는 이론 공기량보다 더 많은 공기를 공급하여 과잉 공기량 또는 공기 과잉계수를 정의한다. 연소 계산 문제는 원자량·분자량의 질량비와 공기 중 산소 비율을 사용해 풀이한다.
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출제기준 단원 「연소의 성상」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 탄소 공기량 계산 | 1 | 주어진 탄소 질량에 대한 이론 공기량을 상수에 비례하여 계산하는 능력을 묻는다 |
| 수소 공기량(무게) 계산 | 1 | 수소 연소에 필요한 산소량을 공기 중 산소비율로 나누어 필요한 공기 무게를 구하는 과정을 묻는다 |
| 탄소의 산소 필요량 계산 | 1 | 반응식의 질량비를 사용하여 주어진 탄소 질량에 필요한 산소 질량을 산정하는 방법을 묻는다 |
이론 공기량은 연료 1kg이 완전연소하기 위해 공급해야 하는 최소한의 공기량을 의미한다. 연료의 화학 반응식에서 필요한 산소량을 구하고, 공기 중 산소의 질량비로 나누어 공기량(무게 또는 부피)을 얻는 절차로 계산한다. 예를 들어 탄소의 연소 반응 C + O2 → CO2에서 탄소 12g에 산소 32g이 필요하므로 질량비로부터 산소 필요량을 산출한다.
공기 중 산소의 비율을 적용하여 산소 필요량을 공기 필요량으로 환산한다. 재료는 공기 중 산소의 질량비를 약 23%(또는 23.2%)로 제시하며, 이를 이용해 공기 무게를 구한 뒤 표준 상태의 공기 밀도 등을 적용하여 부피 단위(Nm3)로 환산하기도 한다. 문제 해석 시 재료의 제시값(예: 탄소 1kg당 이론 공기량 8.89Nm3, 수소 1kg에 필요한 산소 8kg 등)을 그대로 사용하는 것이 안전하다.
과잉 공기량은 실제 공급한 공기량에서 이론 공기량을 뺀 값으로 정의한다. 공기 과잉계수(λ)는 실제 공기량을 이론 공기량으로 나눈 비율로 정의한다. 과잉 공기가 너무 적으면 불완전 연소가 발생하고 과잉이 지나치면 열손실이 증가하므로 적정 과잉공기 제어가 중요하다.
연소 관련 계산 유형은 크게 질량비를 이용한 산소량 산정, 공기 비율을 적용한 공기량 환산, 과잉공기 관련 정의 확인의 세 가지로 구분된다. 문제 풀이 시 기본 상수(예: 탄소 1kg당 이론 공기량 8.89Nm3, 수소 1kg당 산소 8kg 등)를 숙지하고 식에 대입하여 계산하는 절차를 따르면 해결할 수 있다.
연소 문제의 함정은 단위와 비율을 섞어 쓰거나 기본 상수를 다른 연료값으로 착각하는 것에 있다. 예컨대 탄소의 이론 공기량을 수소의 상수와 혼동하면 오답이 되므로, 문제에서 요구하는 연료의 종류와 제시된 상수를 먼저 확인한다. 과잉 공기량과 공기 과잉계수의 정의를 반대로 이해하지 않도록 주의한다.
탄소 1 kg 을 완전 연소시키는 데 필요한 공기량은?
정답 ① · 탄소 1kg을 완전 연소시키는 데 필요한 이론 공기량을 계산하는 문제이다. 반응식 C + O2 = CO2에서 탄소 12kg이 연소하는 데 산소 32kg이 필요하므로, 탄소 1kg당 산소 32/12 = 2.67kg이 필요하다.
탄소 1kg 완전연소 필요 공기량은 이론 공기량 공식에 따라 약 8.89Nm3이다.
수소 1 kg 을 완전 연소시키는데 필요한 공기량은? (단, 공기 중의 산소 중량 백분율은 23.2 % 임.)
정답 ④ · 수소(H₂) 1kg을 완전 연소시키기 위해서는 산소 8kg이 필요합니다(2H₂ + O₂ → 2H₂O). 문제에서 공기 중 산소 중량 백분율을 23.2%로 제시했으므로, 필요한 공기량은 산소 필요량을 0.232로 나누어 계산합니다.
수소 1kg 연소엔 산소 8kg 필요하며, 공기 중 산소 비율 23.2%로 나누면 약 34.5kg입니다.
탄소(C) 6 kg 을 완전연소 시키는데 필요한 산소량은?
정답 ③ · 탄소 6kg을 완전연소시키는 데 필요한 산소량을 화학량론적 질량비로 계산하는 문제이다. 반응식 C + O2 → CO2에서 질량비는 탄소 12 : 산소 32이다.
탄소 완전연소 반응식 C+O2→CO2에서 질량비로 탄소 12g에 산소 32g이 필요하므로, 6kg 탄소에는 16kg 산소가 필요합니다.
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