2011학년도 6월 모의고사 문제 질문 (다소 스압)

Question

2011학년도 고3 6월 모의고사 38번 문항입니다. (2010년 6월 시행, 마닳 기준으로 2권 6회 27번 문항)

(지문과 문제 올리겠습니다. 지문이 있으신 분은 생략하시고 <질문>부분만 봐 주시면 됩니다!)

자동차의 에너지 효율은 연료량 대비 운행 거리의 비율인
연비로 나타내며, 이는 자동차의 성능을 평가하는 중요한 잣대
이다. 이러한 자동차의 연비는 엔진의 동력이 어떤 조건에서
발생되느냐에 따라 큰 차이를 보인다.
엔진의 동력은 흡기, 압축, 폭발, 배기의 4 행정을 순차적으
로 거쳐 생산된다. 흡기 행정에서는 흡기 밸브를 열고 피스톤
을 상사점에서 하사점으로 이동시킨다. 이때 실린더 내부 압력
이 대기압보다 낮아져 공기가 유입되는데, 흡입되는 공기에 연
료를 분사하여 공기와 함께
연료를 섞어 넣는다. 압축
행정에서는 ㉠ 실린더를 밀
폐시키고 피스톤을 다시 상
사점으로 밀어 공기와 연
료의 혼합 기체를 압축한다.
폭발 행정에서는 피스톤이
상사점에 이를 즈음에 점
화 플러그에 불꽃을 일으
켜 압축된 혼합 기체를 연소시킨다. 압축된 혼합 기체가 폭발
적으로 연소되면서 실린더 내부 압력이 급격히 높아지고, 외
부 대기압과의 압력 차이에 의해 피스톤이 하사점으로 밀리면
서 동력이 발생한다. 배기 행정에서는 배기 밸브가 열리고 남
아 있는 압력에 의해 연소 가스가 외부로 급격히 빠져나간다.
피스톤이 다시 상사점으로 움직이면 흡기 때와는 반대로 부피
가 줄면서 대기압보다 내부 압력이 높아지므로 잔류 가스가
모두 배출된다.
이러한 엔진의 동력 발생 주기에서 흡입되는 공기와 분사되
는 연료의 혼합비를 어떻게 유지해 주느냐에 따라 자동차의
연비가 크게 달라진다. 일정 질량의 연료를 완전 연소시키는
데 필요한 산소의 질량은 일정하다. 한편 실린더 안에서 피스
톤의 이동으로 흡입될 수 있는 공기의 부피는 정해져 있으므
로, 공기의 밀도가 변하지 않으면 한 주기 동안 완전 연소 가
능한 연료량의 최대치는 일정하다. 즉 최대 출력을 얻을 수 있
는 공기와 연료의 적정한 혼합비는 이론적으로는 일정하다. 혼
합비가 적절하지 않으면 출력이 떨어지면서 유해 가스의 배출
량이 늘어나는데, 적정 혼합비보다 혼합 기체에 포함된 연료의
비율이 높아지면 산소가 부족하여 일산화탄소, 탄화수소가 증
가한다. 반대로 연료의 비율이 낮아지면 공기 과잉으로 질소산
화물이 늘어나고 배기가스에 산소가 잔류한다.
이론과 달리 실제 환경에서의 적정 혼합비는 상황에 따라
조금씩 달라진다. 이는 대기압, 엔진의 회전수 등 여러 요인에
의해 실린더에 흡입되는 공기의 질량이 변하기 때문이다. 따라
서 자동차의 연비를 향상시키려면 엔진의 운행 상태를 실시간
으로 감지하여 혼합비를 지속적으로 제어해야 한다.

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38. <보기>의 밑줄 친 부분에 해당하는 것은?
<보 기>
해발 고도가 5,000 m 정도인 고원 지역에서는 대기압과 공
기의 밀도가 해수면 인접 지역에 비해 절반 정도로 줄어든
다. 이로 인해 해수면 인접 지역에서 에너지 효율이 최고가
되도록, 한 주기 동안 분사되는 연료량을 고정시킨 자동차를
고원 지역에서 운행하면 여러 가지 현상이 나타난다. 그러므
로 오늘날의 자동차 엔진은 흡입 공기의 압력을 감지하여 공
기와 연료의 혼합비가 적절하게 유지되도록 설계한다.
① 탄화수소의 발생량이 증가한다.
② 엔진의 에너지 효율이 높아진다.
③ 배기가스의 배출 속도가 느려진다.
④ 배기가스에서 잔류 산소가 검출된다.
⑤ 동일 양의 연료에서 얻는 출력이 커진다.

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<질문> 38번 문항의 3번 선지에 대한 판단입니다.

일단, 지문 두번째 문단에서 배출과정의 Key는 "압력차이"입니다.

외부와의 압력의 차이로 공기가 유입이 되며, 배기 행정에서도 대기압보다 내부 압력이 높아지는 원리를 통해 잔류 가스가 모두 배출됩니다. 즉, 압력의 차이가 배기의 속도와 관계가 있음을 추론할 수 있습니다.

문제로 돌아가 보면 해발고도가 5,000m의 고도에서는 공기의 밀도가 절반 정도 줄어든다고 돼 있습니다.

즉, 해수면 인접 지역에 비해 압력차이가 더 커집니다. 따라서, 3번 선지는

배출 속도가 빨라진다.

가 맞는 설명이라 생각했습니다.

(EBS 해설지에도

③ 배기 행정에서 외부 기압이 낮기에 오히려 배기가스의 배출 속도는 빨라진다.

라고 적혀 있습니다.) EBS해설은 그다지 신뢰가 안가지만...

그런데, 위 내용을 마닳 저자에 질문하니

ㅇ [학생] <보기>처럼 공기가 줄어든 지역에선 압력차이가 더욱 더 커지니
------->
실린더 내에서 혼합가스가 폭발할 때는 폭발가스의 팽창에 따라 엄청난 고압력이 발생하기 때문에,
엔진외부 대기와의 압력차는 매우 큽니다.

또 배기가스는 압력차에 의해서만 배출되기도 하지만,
피스톤이 하사점에서 상사점으로 움직이면서 물리적으로 밀어내어 배출하는 겁니다.

물론, 평지에 비해 고원 지대에서는 대기압은 좀 더 낮긴하지만,
그 압력 차이는 <엔진 내의 폭발 가스의 팽창에 다른 고압력>에 비해서는 무시할 수 있을 정도의 미미한 차이이고,
피스톤으로 밀어내는 잔류가스 배출은 <평지>나 <고원 지역>이나 다를 바가 없습니다.

그러니 <고원 지역>이라고 해서 배기 가스의 배출 속도가 특별히 빨라진다고 판단할 수 없습니다.

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"알 수 없음"이라고 판단하셨습니다. (마닳 해설지에도 알 수 없다고 적혀 있습니다.)

어찌 됐든 간에, 배출 속도가 느려지지 않는 것은 분명한데, 그렇다면 이 선지가

배출 속도가 빨라진다. 로 바뀌면 복수정답이 될까요, 아니면 여전히 3번 선지는 틀린 선지 일까요?

여러분의 생각이 궁금합니다!

학샘 · Accepted Answer

다른 조건은 모두 같은데 외부 기압만 낮아진다면 배기가스의 배출 속도는 빨라지는 것이 맞습니다. 하지만 해발고도 5,000m에서 외부 기압만 낮아지는 것이 아니라 (실린더도 해발 5,000m에 위치하고 있으므로) 실린더 내부 압력도 같이 낮아진다면 배출 속도가 꼭 빨라지리라 단언할 수는 없을 것 같습니다.

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