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 1650 kg/h · 5% السكرالتيار 2ṁ₂ = ? · 40% السكرالمنتج10% السكر

كم من التيار 2 يجب إضافته كل ساعة إلى التيار 1 حتى يحتوي المنتج المخلوط على 10% من السكر؟ أوجد ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 5 %x2 = 40 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.موازنة الكتلةصعبة
المبخّرالتغذية F1100 kg/h · 18% السكرالمنتج P65% السكرالبخار W (ماء نقي)W = ? kg/h

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

F = 1100 kg/hxF = 18 %xP = 65 %
W = kg/h
3.موازنة الطاقةمتوسطة
الجانب الساخنالجانب الباردالإيثانول · 180 °C60 °Cماء · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.موازنة الطاقةصعبة
الجانب الساخنالجانب الباردزيت خفيف · 140 °C60 °Cماء · 25 °C60 °C · ṁ = ?فقد 10%

يسخّن زيت خفيف ساخن الماءَ في مبادل يفقد إلى المحيط 10% من الحرارة التي يطلقها التيار الساخن. أوجد تدفّق الماء اللازم ṁc.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Ct: 25 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)الفقد = 10 %
ṁc = kg/s
5.قانون الغاز المثاليمتوسطة
430 g من N₂P = 800 kPaT = 10 °CV = ?

ما الحجم V الذي يشغله 430 g من N₂ عند 800 kPa و 10 °C؟ اعتبره غازًا مثاليًا.

m = 430 gM = 28,01 g/molP = 800 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.قانون الغاز المثاليصعبة
الحالة 1الحالة 2

كمية ثابتة من N₂ تنتقل من 300 kPa، 5 L، 15 °C إلى 150 kPa و 90 °C. أوجد الحجم الجديد V2.

P1 = 300 kPaV1 = 5 LT1 = 15 °CP2 = 150 kPaT2 = 90 °C
V2 = L
7.الحسابات الكيميائيةمتوسطة
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

يتفاعل 24 g من H2 و16 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(CH4​)n(CH4​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CH4​)× 1/1× M(CO2​)

في التفاعل CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O، يتفاعل 12 g من CH4 تمامًا (المتفاعلات الأخرى بكميات زائدة) ويُجمع 20,41 g من CO2. أوجد المردود المئوي Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(CO2) = 44,01 g/molالفعلي: 20,41 g
Y = %

3المحاليل

1.موازنة الكتلة

الإجابة: ṁ2 = 108,3 kg/h

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

الموازنات

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

حلّ لإيجاد ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(5 − 10)/(10 − 40) = 108,3 kg/h

الإجابة

ṁ2 = 108,3 kg/h
2.موازنة الكتلة

الإجابة: W = 795,4 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 = 1100·18/65 = 304,6 kg/h

الموازنة الكلية

W = F − P = 1100 − 304,6 = 795,4 kg/h

الإجابة

W = 795,4 kg/h
3.موازنة الطاقة

الإجابة: tout = 85,05 °C

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

الحرارة التي يطلقها التيار الساخن

Q = 2·2,44·(180 − 60) = 585,6 kW

الحرارة التي يكتسبها الماء

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 585,6/(2·4,18) = 85,05 °C

الإجابة

tout = 85,05 °C
4.موازنة الطاقة

الإجابة: ṁc = 2,067 kg/s

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

الحرارة المنطلقة

Qh = 2·2,1·(140 − 60) = 336 kW

الحرارة التي تصل إلى الماء

Qc = (1 − 0,1)·336 = 302,4 kW

تدفّق الماء

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 302,4/(4,18·35) = 2,067 kg/s

الإجابة

ṁc = 2,067 kg/s
5.قانون الغاز المثالي

الإجابة: V = 45,17 L

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

المولات

n = 430/28,01 = 15,35 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

الحجم

V = nRT/P = 15,35·8,314·283,1/800 = 45,17 L

الإجابة

V = 45,17 L
6.قانون الغاز المثالي

الإجابة: V2 = 12,6 L

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

درجات الحرارة المطلقة

T1 = 288,1 K, T2 = 363,1 K

قانون الغاز العام

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(300/150)·(363,1/288,1) = 12,6 L

الإجابة

V2 = 12,6 L
7.الحسابات الكيميائية

الإجابة: m = 18,02 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) = 24/2,016 = 11,9 mol
n(O2) = 16/32 = 0,5 mol

المتفاعل المحدِّد

11,9/2 = 5,952, 0,5/1 = 0,5 → O2

كتلة الناتج

n(H2O) = 0,5·2 = 1 mol
m = 1·18,02 = 18,02 g

الإجابة

m = 18,02 g
8.الحسابات الكيميائية

الإجابة: Y = 61,99 %

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(CH4) = 12/16,04 = 0,7481 mol
m = 0,7481·1/1·44,01 = 32,93 g

المردود المئوي

Y = 20,41/32,93·100 = 61,99%

الإجابة

Y = 61,99%

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