Neraca Massa dan Energi: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Neraca massa

Keadaan tunak
masuk = keluar
Neraca total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Neraca komponen
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporator
F·xF = P·xP, W = F − P

Neraca energi

Kalor sensibel
Q = ṁ·cp·ΔT
Kalor laten
Q = ṁ·hfg
Pencampuran
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Air
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Hukum gas ideal

Hukum gas ideal
pV = nRT
Konstanta gas
R = 8,314 J/(mol·K)
Hukum gas gabungan
p1V1/T1 = p2V2/T2
Mol
n = m/M
Suhu
T[K] = T[°C] + 273,15

Stoikiometri

Mol
n = m/M
Konsentrasi
c = n/V
Perbandingan mol
gunakan koefisien persamaan reaksi yang setara
Pereaksi pembatas
zat yang habis lebih dulu
Rendemen persen
aktual / teoretis × 100%

Metode

  1. Tulis dan setarakan persamaan reaksi kimianya.
  2. Ubah massa yang diberikan ke mol: n = m/M.
  3. Gunakan koefisien sebagai perbandingan mol untuk mencari mol zat yang Anda inginkan.
  4. Ubah kembali ke massa dengan m = n·M. Dengan dua pereaksi, cari pereaksi pembatas dulu.

2Soal latihan

1.Neraca massaSedang
PencampurAliran 1250 kg/h · 40% NaOHAliran 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHProduk25% NaOH

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 25% NaOH? Cari ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F3900 kg/h · 15% garamProduk P45% garamUap W (air murni)W = ? kg/h

Evaporator memekatkan larutan garam dengan menguapkan air murni. Cari air yang diuapkan W dalam kg/h.

F = 3900 kg/hxF = 15 %xP = 45 %
W = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginoli ringan · 180 °C130 °Cair · 15 °Ct = ? °C

oli ringan panas mendinginkan air dalam penukar panas aliran berlawanan tanpa kehilangan panas. Cari suhu keluar air tout.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginetanol · 120 °C80 °Cair · 25 °C85 °C · ṁ = ?15% hilang

etanol panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 15% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁc yang diperlukan.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Ct: 25 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
180 g HeV = 50 LT = 50 °CP = ?

Tangki 50 L berisi 180 g He pada 50 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 180 gM = 4,003 g/molV = 50 LT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Hukum gas idealSulit
Keadaan 1Keadaan 2

Sejumlah tetap CH₄ berubah dari 250 kPa, 2 L, 30 °C menjadi 250 kPa dan 60 °C. Cari volume baru V2.

P1 = 250 kPaV1 = 2 LT1 = 30 °CP2 = 250 kPaT2 = 60 °C
V2 = L
7.StoikiometriSedang
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

12 g CH4 dan 64 g O2 bereaksi menurut CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Berapa massa m H2O yang dapat terbentuk?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StoikiometriSulit
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Dalam reaksi 2H2 + O2 → 2H2O, 20 g H2 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 157,3 g H2O. Tentukan rendemen persen Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molaktual: 157,3 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 750 kg/h

Neraca massa keadaan tunak: masuk = keluar untuk total dan setiap komponen. Soal pencampuran menggabungkan keduanya.

Neraca

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

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 250·(40 − 25)/(25 − 20) = 750 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 750 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: W = 2600 kg/h

Komponen pengikat: komponen yang lewat tanpa berubah di satu aliran saja (di sini zat terlarut) menghubungkan laju alir secara langsung. Lalu neraca total memberi sisanya.

Neraca zat terlarut

F·xF = P·xP → P = 3900·15/45 = 1300 kg/h

Neraca total

W = F − P = 3900 − 1300 = 2600 kg/h

Jawaban

W = 2600 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 27,56 °C

Neraca energi penukar panas: tanpa kehilangan, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 1,5·2,1·(180 − 130) = 157,5 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 157,5/(3·4,18) = 27,56 °C

Jawaban

tout = 27,56 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 0,4962 kg/s

Neraca energi dengan kehilangan: panas dilepas = panas diserap + panas hilang.

Panas dilepas

Qh = 1,5·2,44·(120 − 80) = 146,4 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,15)·146,4 = 124,4 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 124,4/(4,18·60) = 0,4962 kg/s

Jawaban

ṁc = 0,4962 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 2416 kPa

Hukum gas ideal: PV = nRT, dengan n = m/M.

Mol

n = m/M = 180/4,003 = 44,97 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 44,97·8,314·323,1/0,05 = 2416 kPa

Jawaban

P = 2416 kPa
6.Hukum gas ideal

Jawaban: V2 = 2,198 L

Hukum gas gabungan: untuk jumlah gas ideal yang tetap, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Suhu mutlak

T1 = 303,1 K, T2 = 333,1 K

Hukum gas gabungan

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(250/250)·(333,1/303,1) = 2,198 L

Jawaban

V2 = 2,198 L
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 26,96 g

Stoikiometri: persamaan setara menghitung partikel, bukan gram. Ubah massa ke mol dengan n = m/M, gunakan koefisien persamaan sebagai perbandingan mol, lalu ubah kembali dengan m = n·M. Dengan dua pereaksi, pereaksi pembatas adalah yang habis lebih dulu dan menentukan banyaknya produk.

Mol setiap pereaksi

n(CH4) = 12/16,04 = 0,7481 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol

Pereaksi pembatas

0,7481/1 = 0,7481, 2/2 = 1 → CH4

Massa produk

n(H2O) = 0,7481·2 = 1,496 mol
m = 1,496·18,02 = 26,96 g

Jawaban

m = 26,96 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 88 %

Stoikiometri: persamaan setara menghitung partikel, bukan gram. Ubah massa ke mol dengan n = m/M, gunakan koefisien persamaan sebagai perbandingan mol, lalu ubah kembali dengan m = n·M. Dengan dua pereaksi, pereaksi pembatas adalah yang habis lebih dulu dan menentukan banyaknya produk.

Hasil teoretis

n(H2) = 20/2,016 = 9,921 mol
m = 9,921·2/2·18,02 = 178,8 g

Rendemen persen

Y = 157,3/178,8·100 = 88%

Jawaban

Y = 88%

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