개념 한 쪽
가스계측은 연료의 완전연소에 필요한 산소와 공기량 계산, 기체의 상태 보정, 열용량 개념, 그리고 연소성·폭발성 판단 및 법규상 정해진 분석법을 포함한다. 시험에서는 화학량론적 계산과 기체 상태 방정식 적용, 몰-부피 변환, 열용량 정의, 폭굉·폭발 범위의 성질 구분, 그리고 규정된 분석법 식별 능력을 묻는다.
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출제기준 단원 「가스계측」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 화학량론적 공기비 계산 | 1 | 연료의 완전연소에 필요한 공기 질량비를 구하는 계산 |
| 연료 질량→기체부피 환산 | 1 | 연료 kg를 몰수로 환산해 공기량을 Nm3로 구하는 절차 |
| 열용량 정의 판별 | 1 | 몰 열용량과 비열의 관계를 정확히 구별하는 개념 판단 |
가스의 완전연소 계산은 화학반응식의 계수를 맞추어 연료 1몰당 필요한 산소 몰수를 구하는 것에서 출발한다. 예를 들어 옥탄(C8H18)은 반응식에서 산소 12.5몰이 필요하고, 프로판(C3H8)은 산소 5몰이 필요하므로 연료 몰수에 이 계수를 곱해 산소 몰수를 산출한다.
공기량으로 환산할 때는 공기 중 산소의 체적비 또는 몰비를 이용한다. 공기 중 산소 비율을 약 21%로 보면, 필요한 공기 몰수는 필요한 산소 몰수를 0.21로 나누어 구한다. 표준상태에서 1몰 기체는 약 22.4L(혹은 22.4×10^-3 m3)이므로 몰수를 곱하여 Nm3로 환산한다는 점을 기억한다.
기체 상태가 표준 상태와 다를 때는 온도·압력 보정을 적용한다. 주어진 온도와 압력에서의 부피는 표준부피에 T/T0×P0/P의 비례 보정 계수를 곱해 구하므로, 조건 보정이 필요한 문제에서는 몰수 계산 후 상태 방정식에 따라 보정해야 한다.
열용량 개념에서는 정압·정적 몰 열용량과 비열의 관계를 확인한다. 몰 열용량은 단위 질량당 비열에 몰질량(분자량)을 곱해 얻는 값이며, 이상기체에서는 Cp - Cv = R 관계가 성립하고 공기의 비열비 Cp/Cv는 약 1.4로 알려져 있다.
연소성·폭발 특성에서는 암모니아 같은 연소성 가스가 공기와 혼합하면 폭발성 혼합가스를 형성할 수 있음을 구분해야 한다. 폭굉은 초속 수천 m/s의 매우 빠른 전파 속도와 좁은 발생 농도 범위를 특징으로 하며, 압력 상승은 폭발 하한계를 낮추고 상한계를 높여 폭발범위를 넓힌다는 점을 기억한다.
대표 계산 1 — 옥탄의 공기-연료비 계산 절차: 1. 반응식에서 옥탄 1몰당 필요한 O2는 12.5몰임을 확인한다. 2. 필요한 공기 몰수 = 산소 몰수 ÷ 0.21으로 계산한다. 3. 몰수에 공기 몰의 평균분자량과 몰수-질량 환산을 적용하면 질량단위 공기/연료비가 도출되는데, 주어진 자료에 따르면 약 15.1 kg공기/kg연료가 나온다. 이 절차는 연소 반응식 → 산소 몰수 → 공기 환산 → 질량 환산 순으로 진행한다는 원리를 보여준다.
대표 계산 2 — 프로판 10 kg의 필요 공기량(Nm3) 계산 절차: 1. 프로판 분자량 약 44 g/mol로 10,000 g ÷ 44 ≈ 227.3 mol을 구한다. 2. 산소 필요몰수 = 연료몰수 × 5 = 1,136.5 mol이다. 3. 공기 몰수 = 1,136.5 ÷ 0.21 ≈ 5,412 mol이다. 4. 표준상태에서의 부피 = 5,412 × 22.4 L ≈ 121,228 L ≈ 121.2 Nm3가 된다. 이 계산은 몰 변환 → 산소→공기 환산 → 표준부피 환산의 순서를 따른다.
옥탄 (C8H18)이 완전연소 하는 경우의 공기-연료비는 약 몇 kg공기/kg 연료인가? (단, 공기의 평균분자량은 28.97로 한다.)
정답 ① · 옥탄의 완전연소에 필요한 이론 공기-연료비를 계산하는 문제이다. 연소반응식은 C8H18 + 12.5O2 -> 8CO2 + 9H2O이므로 옥탄 1mol(114g)당 산소 12.5mol이 필요하다.
옥탄 완전연소 화학량론적 공기비 계산 시 약 15.1kg공기/kg연료가 도출된다.
프로판가스 10[kg]을 완전 연소시키는데 필요한 공기량은 약 몇 [Nm3]인가? (단, 공기 중 산소와 질소의 체적비는 21:79 이다.)
정답 ④ · 프로판가스(C3H8)의 완전 연소 반응식은 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O 입니다. 이에 따라 프로판가스 1몰에 필요한 산소는 5몰입니다.
프로판(C3H8) 1몰 연소에 산소 5몰 필요, 공기 중 산소 21% 고려해 공기 몰수 산출 후 22.4 곱한다.
기체의 열용량에 대한 설명으로 틀린 것은?
정답 ④ · 열용량은 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량으로, 열용량이 클수록 온도 변화가 어렵습니다. 이상 기체에서 Cp - Cv = R이며, 공기의 비열비(Cp/Cv)는 약 1.4입니다.
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