단위공정관리(1) 물질수지 기초지식 목차 정리

1. 단위환산

1. 차원과 단위

 1) 차원(Dimension)

    길이, 시간, 질량, 온도와 같은 측정의 기본 개념

 

 2) 단위(unit)

    차원을 나타내는 수단

  (1) SI 단위(국제표준단위)

  (2) 단위

     - 기본단위: 길이, 질량, 시간, 온도

     - 유도단위: 기본단위를 곱하거나 나누어서 얻은 새로운 단위 ex) 밀도, 힘, 가속도

 

 3) 단위계

  (1) 절대 단위계 : MLT를 기본 단위로 하는 단위계를 절대 단위계라고 한다. 

  (2) 중력 단위계 : 질량 대신 힘이 기본이 되는 단위계

     F = ma

  (3) 공학 단위계 : 절대단위계 + 중력 단위계

                        힘, 질량, 길이, 시간을 기본단위로 하는 단위계

 

2. 단위

1) 질량

1. 물체가 가지는 고유한 양
2. 장소에 따라 변하지 않는다. 
3. 단위: kg, g, lb

 2) 무게

1. 중력이 물체를 끌어당기는 힘의 크기
2. 장소에 따라 변한다. 
3. 단위: [힘의 단위] N, dyne

 3) 힘(무게)

    물체의 운동상태나 형태를 변화시키는 원인이 되는 물리량

   (1) newton의 제2법칙

     중력상수 gc = 9.8 kg·m/kgf·s^2

                         = 980 g·m/gf·s^2

                         = 32.17 lb·ft/lbf·s^2

      1kgf = 9.8N

 

 4) 온도

  (1) 섭씨온도(℃)

    T(K) = t(℃) +273

 

  (2) 화씨온도(℉)

    T(˚R) = t(℉) +460

    T(℉) = 9/5*t(℃)+32

 

 5) 밀도

    단위부피에 대한 질량의 비

    *물의 밀도 = 1g/cm^3 = 1000kg/m^3 = 62.431lb/ft^3

 

 6) 비중

    기준물질의 밀도에 대한 목적물질 A의 밀도의 비(단위 없음, 무차원)

    기준물질은 주로 물

   (1) Baume 비중도

   (2) API도

   (3) Tw도

 

 7) 비용

    단위질량당 부피(cm^3/g) = 1/밀도

 

 8) 압력

    단위면적에 작용하는 힘

     대기압 = 1atm = 76cmHg = 760mmHg = 10.3mH2O = 760torr = 1.0336kgf/cm^2 = 14.7psi = 1.013bar

     절대압 = 게이지압 + 대기압

     진공압 = 대기압 - 절대압

     (진공압 : 절대압이 대기압보다 낮을 때 그 차를 진공압이라 한다. )

     진공도 = 진공압/대기압 * 100(%)

 

 9) 일(Work)

     물체에 작용한 힘에 그 방향으로 움직인 거리를 곱한 것

 

 10) 에너지 : 일을 할 수 있는 능력(J)

      1cal = 4.184J

      1BTU = 252cal = 778ft·lbf

   (1) 운동에너지 : 1/2 m v^2

     

 

 11) 열 : 물체의 온도를 올리거나 내리는 원인

      1cal = 4.184J

  

 12) 동력 : 단위시간에 하는 일

 

 14) 점도

   (1) 동점도(v) : 온동점도 = 점도/밀도

   (2) 단위 : 1Poist = 100cP = 1g/cm·s = 0.1kg/m·s = 0.0672lb/ft·s

3. 기본성질

 1) 크기성질과 세기성질

  (1) 크기성질(시량변수) : 물질의 양과 크기에 따라 변하는 물성

  (2) 세기성질(시강변수) : 물질의 양과 크기에 상관없는 물성

 

 2) 상태함수과 경로함수

  (1) 상태합수 : 경로에 관계 없이 처음과 끝의 상태에만 영향을 받는 함수

     ex) 온도, 압력, 밀도, 내부에너지, 엔탈피, 헬름홀츠자유에너지, 깁스자유에너지

  (2) 경로함수 : 경로에 영향을 받는 함수

     ex) 열, 일

 

4. 데이터(Data)의 수학적 처리

1) 평균값(Mean)

1. 산술평균
2. 대수평균
3. 기하평균
4. 기대치

 2) 방정식과 Graph용지

  (1) 그래프 용지의 종류

1. 보통 그래프 용지
2. 대수 그래프 용지(log - log 그래프 용지) : 식에 log를 취하고, "log x"로 정리
3. 반대수 그래프 용지(semi - log 그래프 용지, 편대수 용지) : 식에 log를 취하고, "x"로 정리

  (2) 방정식에 따른 그래프 용지(직선을 얻기 위함)

  

2. 기체의 성질 및 법칙

1. 농도

 1) 농도

   표준상태 (STP) 0℃, 1atm에서 기체 1mol이 차지하는 부피 = 22.4L

 

 2) 화학 양론적 기본 사항

 

2. 기체의 법칙

 1) 기체의 기본 법칙

    : 보일의 법칙, 샤를의 법칙, 보일-샤를의 법칙, 아보가드로의 법칙, 돌턴의 분압법칙, 아마갓의 분용법칙

 

 2) 이상기체의 법칙

    기체상수 R = PV/NT

           

 3) 실제 기체의 법칙

    분자 상호 간 인력 존재, 분자 자체의 부피

 

   (1) 반데르발스 식

   (2) 상태방정식

      * Z : 압축인자

      * 표준 상태에서 가스를 액화할 때, PV = ZWRT/M

   (3) 헨리의 법칙 : 일정온도에서 액체 내에 용해되어 있는 기체의 증기압은 액상에서의 그 성분의 농도에 비례한다. 

   (4) 라울의 법칙 : 용액 중 한 성분의 증기분압은 용액과 같은 온도에서 그 성분의 순수증기압과 액 조성의 곱과 같다. 

   (5) 증기압 : 일정온도, 일정압력에서 증발과 응축이 평형상태에 있을 때 평형압력을 증기압이라 한다. 

 

3. 용해도

 1) 고체의 용해도

 2) 액체의 용해도 : 극성 액체는 극성 용매에, 무극성 액체는 무극성 용매에 용해한다. 

 3) 기체의 용해도 : 온도가 상승하면 감소한다. 기체의 부분압력에 비례하여 증가한다.(Henry의 법칙)

 4) 결정화 : 과포화 상태를 만들어 결정화시키는 조작

    - 용매를 증발시킨다. 

    - 온도를 내린다. (용해도를 감소시킨다.)

    - 결정화수율 = 석출한 용질의 양/처음 용질의 양

 

4. 상률(Phase Rule)

 F = 2 - P + C

F : 자유도
P : 상의 수
C : 성분의 수

F(자유도) : 계의 평형상태를 정의하기 위해 고정되어야 하는 독립적 세기 변수의 수

5. 상평형

 

3. 습도

1. 개요

1) 함수율(건량기준) = 수분량(kg H2O)/건조된 물질(kg)

 

2) 수분율(습량기준) = 수분량/전체 물질의 양

 

3) 습량기준과 건량기준의 수분환산

 

4) 자유함수율- 제거할 수 있는 수분

    F = W - We

     W : 전체 물질의 양, We : 평형 함수율

 

2. 습도(포화도)

1) 절대습도 : 건조공기 1kg에 존재하는 증기의 양(kg)

 

2) 포화습도 : 건조공기 1kg에 존재하는 포화수증기의 양(kg)

 

3) 몰습도 : 증기의 분압/건조기체의 분압

 

4) 상대습도(관계습도) = 증기의 분압/포화증기압

 

5) 비교습도 = 절대습도/포화습도*100(%)

 

4. 물질수지

1. 기본법칙 - 질량 보존의 법칙

1) 물질수지식 : 입량 - 소모량 + 생성량 - 출량 = 축적량

2) 물질수지 문제풀이 요령

1. 문제를 이해하고 그림을 그린다. 
2. 입량, 출량을 적는다
3. 농도나 질량을 적는다. 
4. 화학반응식을 적는다
5. 대응성분을 정하고 물질수지식을 세워서 푼다. 

 

2. 공정

1) 조건에 의한 분류

 (1) 정상 공정

     - 계의 어느 한 지점에서 조건이(온도, 압력) 시간에 따라 변하지 않는 공정

     - 축적량이 0인 공정

 

 (2) 비정상 공정

     - 조건이 시간에 따라 변하는 공정

 

2) 조작에 의한 분류

 (1) 회분식(Batch) 공정 : 반응물질을 용기 내에 넣어 물리적, 화학적 변화를 일으킨 다음 생성물을 모두 회수한 후 다시 시작하는 공정을 말한다. 

 

 (2) 연속식 공정 : 원료가 연속적으로 계에 공급되며 동시에 제품이 연속적으로 나오도록 된 공정

 

3. 지렛대 법칙

4. 분류와 순환

1) 분류(Bymass) : 흐름의 일부가 공정을 거치지 않고 나온 흐름과 합하여 나가는 조작

 

2) 순환(Recycle) : 공정을 거쳐 나온 흐름의 일부를 다시 되돌아가게 하여 공정으로 들어가는 흐름에 결합하여 공정에 들어가는 조작

 

5. 증발과 증류

1) 증발

 * 대응성분: 대응성분에 대해 물질 수지식을 세우면 간략하다. 

 

2) 증류

6. 유속