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 1350 kg/h · 35% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 15% gulaProduk20% gula

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 20% gula? Cari ṁ2.

ṁ1 = 350 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F1400 kg/h · 5% garamProduk P40% garamUap W (air murni)W = ? kg/h

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

F = 1400 kg/hxF = 5 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginetanol · 160 °C120 °Cair · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 120 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginetanol · 180 °C140 °Cair · 15 °C80 °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: 180 → 140 °Ct: 15 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
390 g CH₄V = 20 LT = 0 °CP = ?

Tangki 20 L berisi 390 g CH₄ pada 0 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 390 gM = 16,04 g/molV = 20 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Hukum gas idealSulit
He, M = 4,003 g/molP = 1000 kPaT = 10 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ He pada 1000 kPa dan 10 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 4,003 g/molP = 1000 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoikiometriSedang
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

8 g Na dan 24 g Cl2 bereaksi menurut 2Na + Cl2 → 2NaCl. Berapa massa m NaCl yang dapat terbentuk?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.StoikiometriSulit
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CaO)m(CaO)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CaO)

Dalam reaksi CaCO3 → CaO + CO2, 6 g CaCO3 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 2,62 g CaO. Tentukan rendemen persen Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molaktual: 2,62 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 1050 kg/h

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

Neraca

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

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 350·(35 − 20)/(20 − 15) = 1050 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 1050 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: W = 1225 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 = 1400·5/40 = 175 kg/h

Neraca total

W = F − P = 1400 − 175 = 1225 kg/h

Jawaban

W = 1225 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 25,57 °C

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 1·2,44·(160 − 120) = 97,6 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 97,6/(1,5·4,18) = 25,57 °C

Jawaban

tout = 25,57 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 0,458 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 1,5·2,44·(180 − 140) = 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/(4,18·65) = 0,458 kg/s

Jawaban

ṁc = 0,458 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 2761 kPa

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

Mol

n = m/M = 390/16,04 = 24,31 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 24,31·8,314·273,1/0,02 = 2761 kPa

Jawaban

P = 2761 kPa
6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 1,7 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Massa jenis

ρ = 1000·4,003/(8,314·283,1) = 1,7 kg/m³

Jawaban

ρ = 1,7 kg/m³
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 20,34 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(Na) = 8/22,99 = 0,348 mol
n(Cl2) = 24/70,9 = 0,3385 mol

Pereaksi pembatas

0,348/2 = 0,174, 0,3385/1 = 0,3385 → Na

Massa produk

n(NaCl) = 0,174·2 = 0,348 mol
m = 0,348·58,44 = 20,34 g

Jawaban

m = 20,34 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 77,94 %

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(CaCO3) = 6/100,09 = 0,05995 mol
m = 0,05995·1/1·56,08 = 3,362 g

Rendemen persen

Y = 2,62/3,362·100 = 77,94%

Jawaban

Y = 77,94%

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