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 1550 kg/h · 10% NaOHAliran 2ṁ₂ = ? · 45% NaOHProduk30% NaOH

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 30% NaOH? Cari ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 10 %x2 = 45 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F2500 kg/h · 7% NaOHProduk P65% NaOHUap W (air murni)W = ? kg/h

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

F = 2500 kg/hxF = 7 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dingincampuran glikol · 170 °C60 °Cair · 20 °Ct = ? °C

campuran glikol panas mendinginkan air dalam penukar panas aliran berlawanan tanpa kehilangan panas. Cari suhu keluar air tout.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 60 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginetanol · 140 °C80 °Cair · 25 °C75 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Ct: 25 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
300 g CH₄V = 10 LT = 20 °CP = ?

Tangki 10 L berisi 300 g CH₄ pada 20 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 300 gM = 16,04 g/molV = 10 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Hukum gas idealSulit
Keadaan 1Keadaan 2

Sejumlah tetap CH₄ berubah dari 300 kPa, 5 L, 10 °C menjadi 150 kPa dan 190 °C. Cari volume baru V2.

P1 = 300 kPaV1 = 5 LT1 = 10 °CP2 = 150 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
7.StoikiometriSedang
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

6 g Fe2O3 dan 20 g CO bereaksi menurut Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Berapa massa m CO2 yang dapat terbentuk?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StoikiometriSulit
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Dalam reaksi N2 + 3H2 → 2NH3, 30 g N2 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 22,61 g NH3. Tentukan rendemen persen Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molaktual: 22,61 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 733,3 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) = 550·(10 − 30)/(30 − 45) = 733,3 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 733,3 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: W = 2231 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 = 2500·7/65 = 269,2 kg/h

Neraca total

W = F − P = 2500 − 269,2 = 2231 kg/h

Jawaban

W = 2231 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 67,37 °C

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 1,5·3,6·(170 − 60) = 594 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 594/(3·4,18) = 67,37 °C

Jawaban

tout = 67,37 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 1,489 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 2,5·2,44·(140 − 80) = 366 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,15)·366 = 311,1 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 311,1/(4,18·50) = 1,489 kg/s

Jawaban

ṁc = 1,489 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 4558 kPa

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

Mol

n = m/M = 300/16,04 = 18,7 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 18,7·8,314·293,1/0,01 = 4558 kPa

Jawaban

P = 4558 kPa
6.Hukum gas ideal

Jawaban: V2 = 16,36 L

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

Suhu mutlak

T1 = 283,1 K, T2 = 463,1 K

Hukum gas gabungan

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(300/150)·(463,1/283,1) = 16,36 L

Jawaban

V2 = 16,36 L
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 4,961 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(Fe2O3) = 6/159,69 = 0,03757 mol
n(CO) = 20/28,01 = 0,714 mol

Pereaksi pembatas

0,03757/1 = 0,03757, 0,714/3 = 0,238 → Fe2O3

Massa produk

n(CO2) = 0,03757·3 = 0,1127 mol
m = 0,1127·44,01 = 4,961 g

Jawaban

m = 4,961 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 62 %

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(N2) = 30/28,02 = 1,071 mol
m = 1,071·2/1·17,03 = 36,47 g

Rendemen persen

Y = 22,61/36,47·100 = 62%

Jawaban

Y = 62%

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