موازنات المادة والطاقة: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و8 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

موازنة الكتلة

الحالة المستقرة
الداخل = الخارج
الموازنة الكلية
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
موازنة المكوّن
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
المبخّر
F·xF = P·xP, W = F − P

موازنة الطاقة

الحرارة المحسوسة
Q = ṁ·cp·ΔT
الحرارة الكامنة
Q = ṁ·hfg
الخلط
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
الماء
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

قانون الغاز المثالي

قانون الغاز المثالي
pV = nRT
ثابت الغاز
R = 8,314 J/(mol·K)
قانون الغاز العام
p1V1/T1 = p2V2/T2
المولات
n = m/M
درجة الحرارة
T[K] = T[°C] + 273,15

الحسابات الكيميائية

المولات
n = m/M
التركيز
c = n/V
النسبة المولية
استخدم معاملات المعادلة الموزونة
المتفاعل المحدِّد
المتفاعل الذي ينفد أولًا
المردود المئوي
الفعلي / النظري × 100%

الطريقة

  1. اكتب المعادلة الكيميائية ووازنها.
  2. حوّل الكتلة المعطاة إلى مولات: n = m/M.
  3. استخدم المعاملات كنسبة مولية لإيجاد مولات المادة المطلوبة.
  4. حوّل مرة أخرى إلى كتلة بـ m = n·M. مع متفاعلين، أوجد المتفاعل المحدِّد أولًا.

2مسائل تدريبية

1.موازنة الكتلةمتوسطة
الخلّاطالتيار 1250 kg/h · 5% NaOHالتيار 2ṁ₂ = ? · 30% NaOHالمنتج15% NaOH

كم من التيار 2 يجب إضافته كل ساعة إلى التيار 1 حتى يحتوي المنتج المخلوط على 15% من NaOH؟ أوجد ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 5 %x2 = 30 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.موازنة الكتلةصعبة
المبخّرالتغذية F3300 kg/h · 10% NaOHالمنتج P55% NaOHالبخار W (ماء نقي)W = ? kg/h

يركّز مبخّر محلولًا من NaOH بتبخير ماء نقي. أوجد الماء المتبخّر W بوحدة kg/h.

F = 3300 kg/hxF = 10 %xP = 55 %
W = kg/h
3.موازنة الطاقةمتوسطة
الجانب الساخنالجانب الباردالإيثانول · 170 °C100 °Cماء · 15 °Ct = ? °C

يبرّد الإيثانول ساخن الماءَ في مبادل حراري متعاكس الجريان دون فقد حراري. أوجد درجة حرارة الماء الخارج tout.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 100 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.موازنة الطاقةصعبة
الجانب الساخنالجانب الباردالإيثانول · 130 °C100 °Cماء · 10 °C90 °C · ṁ = ?فقد 5%

يسخّن الإيثانول ساخن الماءَ في مبادل يفقد إلى المحيط 5% من الحرارة التي يطلقها التيار الساخن. أوجد تدفّق الماء اللازم ṁc.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Ct: 10 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)الفقد = 5 %
ṁc = kg/s
5.قانون الغاز المثاليمتوسطة
460 g من HeP = 800 kPaT = 50 °CV = ?

ما الحجم V الذي يشغله 460 g من He عند 800 kPa و 50 °C؟ اعتبره غازًا مثاليًا.

m = 460 gM = 4,003 g/molP = 800 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.قانون الغاز المثاليصعبة
Ar, M = 39,95 g/molP = 900 kPaT = 130 °Cρ = ?

أوجد كثافة ρ لـ Ar عند 900 kPa و 130 °C، معتبرًا إياه غازًا مثاليًا.

M = 39,95 g/molP = 900 kPaT = 130 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.الحسابات الكيميائيةمتوسطة
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

يتفاعل 24 g من N2 و64 g من H2 وفق N2 + 3H2 → 2NH3. ما كتلة m من NH3 التي يمكن أن تتكون؟

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.الحسابات الكيميائيةصعبة
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

في التفاعل 2H2 + O2 → 2H2O، يتفاعل 4 g من H2 تمامًا (المتفاعلات الأخرى بكميات زائدة) ويُجمع 22,17 g من H2O. أوجد المردود المئوي Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molالفعلي: 22,17 g
Y = %

3المحاليل

1.موازنة الكتلة

الإجابة: ṁ2 = 166,7 kg/h

موازنة الكتلة في الحالة المستقرة: الداخل = الخارج للكلي ولكل مكوّن. مسائل الخلط تجمع الاثنين.

الموازنات

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

حلّ لإيجاد ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 250·(5 − 15)/(15 − 30) = 166,7 kg/h

الإجابة

ṁ2 = 166,7 kg/h
2.موازنة الكتلة

الإجابة: W = 2700 kg/h

المكوّن الرابط: المكوّن الذي يمرّ دون تغيّر في تيار واحد (هنا المذاب) يربط التدفّقات مباشرة. ثم تعطي الموازنة الكلية الباقي.

موازنة المذاب

F·xF = P·xP → P = 3300·10/55 = 600 kg/h

الموازنة الكلية

W = F − P = 3300 − 600 = 2700 kg/h

الإجابة

W = 2700 kg/h
3.موازنة الطاقة

الإجابة: tout = 28,62 °C

موازنة طاقة المبادل: دون فقد، ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

الحرارة التي يطلقها التيار الساخن

Q = 0,5·2,44·(170 − 100) = 85,4 kW

الحرارة التي يكتسبها الماء

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 85,4/(1,5·4,18) = 28,62 °C

الإجابة

tout = 28,62 °C
4.موازنة الطاقة

الإجابة: ṁc = 0,6239 kg/s

موازنة الطاقة مع الفقد: الحرارة المنطلقة = الحرارة الممتصة + الحرارة المفقودة.

الحرارة المنطلقة

Qh = 3·2,44·(130 − 100) = 219,6 kW

الحرارة التي تصل إلى الماء

Qc = (1 − 0,05)·219,6 = 208,6 kW

تدفّق الماء

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 208,6/(4,18·80) = 0,6239 kg/s

الإجابة

ṁc = 0,6239 kg/s
5.قانون الغاز المثالي

الإجابة: V = 385,9 L

قانون الغاز المثالي: PV = nRT، مع n = m/M.

المولات

n = 460/4,003 = 114,9 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

الحجم

V = nRT/P = 114,9·8,314·323,1/800 = 385,9 L

الإجابة

V = 385,9 L
6.قانون الغاز المثالي

الإجابة: ρ = 10,73 kg/m³

كثافة الغاز المثالي: ρ = PM/(RT).

أعد ترتيب قانون الغاز

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 130 + 273,15 = 403,1 K

الكثافة

ρ = 900·39,95/(8,314·403,1) = 10,73 kg/m³

الإجابة

ρ = 10,73 kg/m³
7.الحسابات الكيميائية

الإجابة: m = 29,17 g

الحسابات الكيميائية: المعادلة الموزونة تعدّ الجسيمات لا الغرامات. حوّل الكتلة إلى مولات بـ n = m/M، واستخدم معاملات المعادلة كنسبة مولية، ثم حوّل مجددًا بـ m = n·M. مع متفاعلين، المتفاعل المحدِّد هو الذي ينفد أولًا ويحدد كمية الناتج.

مولات كل متفاعل

n(N2) = 24/28,02 = 0,8565 mol
n(H2) = 64/2,016 = 31,75 mol

المتفاعل المحدِّد

0,8565/1 = 0,8565, 31,75/3 = 10,58 → N2

كتلة الناتج

n(NH3) = 0,8565·2 = 1,713 mol
m = 1,713·17,03 = 29,17 g

الإجابة

m = 29,17 g
8.الحسابات الكيميائية

الإجابة: Y = 62,01 %

الحسابات الكيميائية: المعادلة الموزونة تعدّ الجسيمات لا الغرامات. حوّل الكتلة إلى مولات بـ n = m/M، واستخدم معاملات المعادلة كنسبة مولية، ثم حوّل مجددًا بـ m = n·M. مع متفاعلين، المتفاعل المحدِّد هو الذي ينفد أولًا ويحدد كمية الناتج.

المردود النظري

n(H2) = 4/2,016 = 1,984 mol
m = 1,984·2/2·18,02 = 35,75 g

المردود المئوي

Y = 22,17/35,75·100 = 62,01%

الإجابة

Y = 62,01%

ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances