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 1950 kg/h · 15% الملحالتيار 2ṁ₂ = ? · 30% الملحالمنتج25% الملح

كم من التيار 2 يجب إضافته كل ساعة إلى التيار 1 حتى يحتوي المنتج المخلوط على 25% من الملح؟ أوجد ṁ2.

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 15 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.موازنة الكتلةصعبة
المبخّرالتغذية F3300 kg/h · 16% السكرالمنتج PP = ? · 35%البخار W (ماء نقي)0% السكر

يركّز مبخّر محلولًا من السكر بتبخير ماء نقي. أوجد تدفّق المنتج P بوحدة kg/h.

F = 3300 kg/hxF = 16 %xP = 35 %
P = kg/h
3.موازنة الطاقةمتوسطة
الجانب الساخنالجانب الباردزيت خفيف · 130 °C100 °Cماء · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.موازنة الطاقةصعبة
الجانب الساخنالجانب الباردزيت خفيف · 160 °C70 °Cماء · 15 °C65 °C · ṁ = ?فقد 15%

يسخّن زيت خفيف ساخن الماءَ في مبادل يفقد إلى المحيط 15% من الحرارة التي يطلقها التيار الساخن. أوجد تدفّق الماء اللازم ṁc.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Ct: 15 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)الفقد = 15 %
ṁc = kg/s
5.قانون الغاز المثاليمتوسطة
300 g من ArV = 10 LT = 10 °CP = ?

خزان سعته 10 L يحتوي على 300 g من Ar عند 10 °C. اعتبره غازًا مثاليًا وأوجد الضغط P.

m = 300 gM = 39,95 g/molV = 10 LT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.قانون الغاز المثاليصعبة
الحالة 1الحالة 2

كمية ثابتة من CO₂ تنتقل من 150 kPa، 5 L، 25 °C إلى 400 kPa و 220 °C. أوجد الحجم الجديد V2.

P1 = 150 kPaV1 = 5 LT1 = 25 °CP2 = 400 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
7.الحسابات الكيميائيةمتوسطة
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

يتفاعل 16 g من H2 و20 g من O2 وفق 2H2 + O2 → 2H2O. ما كتلة m من H2O التي يمكن أن تتكون؟

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.الحسابات الكيميائيةصعبة
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(CO2​)

في التفاعل C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2، يتفاعل 24 g من C6H12O6 تمامًا (المتفاعلات الأخرى بكميات زائدة) ويُجمع 10,67 g من CO2. أوجد المردود المئوي Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molالفعلي: 10,67 g
Y = %

3المحاليل

1.موازنة الكتلة

الإجابة: ṁ2 = 1900 kg/h

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

الموازنات

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

حلّ لإيجاد ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 950·(15 − 25)/(25 − 30) = 1900 kg/h

الإجابة

ṁ2 = 1900 kg/h
2.موازنة الكتلة

الإجابة: P = 1509 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 = 3300·16/35 = 1509 kg/h

الإجابة

P = 1509 kg/h
3.موازنة الطاقة

الإجابة: tout = 60,14 °C

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

الحرارة التي يطلقها التيار الساخن

Q = 1·2,1·(130 − 100) = 63 kW

الحرارة التي يكتسبها الماء

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 63/(0,5·4,18) = 60,14 °C

الإجابة

tout = 60,14 °C
4.موازنة الطاقة

الإجابة: ṁc = 1,153 kg/s

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

الحرارة المنطلقة

Qh = 1,5·2,1·(160 − 70) = 283,5 kW

الحرارة التي تصل إلى الماء

Qc = (1 − 0,15)·283,5 = 241 kW

تدفّق الماء

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 241/(4,18·50) = 1,153 kg/s

الإجابة

ṁc = 1,153 kg/s
5.قانون الغاز المثالي

الإجابة: P = 1768 kPa

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

المولات

n = m/M = 300/39,95 = 7,509 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

الضغط

P = nRT/V = 7,509·8,314·283,1/0,01 = 1768 kPa

الإجابة

P = 1768 kPa
6.قانون الغاز المثالي

الإجابة: V2 = 3,101 L

قانون الغاز العام: لكمية ثابتة من غاز مثالي، P1V1/T1 = P2V2/T2.

درجات الحرارة المطلقة

T1 = 298,1 K, T2 = 493,1 K

قانون الغاز العام

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(150/400)·(493,1/298,1) = 3,101 L

الإجابة

V2 = 3,101 L
7.الحسابات الكيميائية

الإجابة: m = 22,52 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(H2) = 16/2,016 = 7,937 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

المتفاعل المحدِّد

7,937/2 = 3,968, 0,625/1 = 0,625 → O2

كتلة الناتج

n(H2O) = 0,625·2 = 1,25 mol
m = 1,25·18,02 = 22,52 g

الإجابة

m = 22,52 g
8.الحسابات الكيميائية

الإجابة: Y = 91 %

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(C6H12O6) = 24/180,16 = 0,1332 mol
m = 0,1332·2/1·44,01 = 11,73 g

المردود المئوي

Y = 10,67/11,73·100 = 91%

الإجابة

Y = 91%

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