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 1850 kg/h · 5% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 50% gulaProduk35% gula

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 35% gula? Cari ṁ2.

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 5 %x2 = 50 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F5000 kg/h · 18% NaOHProduk P55% NaOHUap W (air murni)W = ? kg/h

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

F = 5000 kg/hxF = 18 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginetanol · 120 °C80 °Cair · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginoli ringan · 140 °C110 °Cair · 10 °C80 °C · ṁ = ?5% hilang

oli ringan panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 5% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁc yang diperlukan.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 110 °Ct: 10 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
90 g CH₄P = 400 kPaT = 95 °CV = ?

Berapa volume V yang ditempati 90 g CH₄ pada 400 kPa dan 95 °C? Anggap sebagai gas ideal.

m = 90 gM = 16,04 g/molP = 400 kPaT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Hukum gas idealSulit
He, M = 4,003 g/molP = 850 kPaT = 100 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ He pada 850 kPa dan 100 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 4,003 g/molP = 850 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoikiometriSedang
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

12 g C3H8 dan 24 g O2 bereaksi menurut C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Berapa massa m CO2 yang dapat terbentuk?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StoikiometriSulit
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

Dalam reaksi C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 4 g C3H8 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 10,18 g CO2. Tentukan rendemen persen Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molaktual: 10,18 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 1700 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) = 850·(5 − 35)/(35 − 50) = 1700 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 1700 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: W = 3364 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 = 5000·18/55 = 1636 kg/h

Neraca total

W = F − P = 5000 − 1636 = 3364 kg/h

Jawaban

W = 3364 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 20,84 °C

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 0,5·2,44·(120 − 80) = 48,8 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 48,8/(2·4,18) = 20,84 °C

Jawaban

tout = 20,84 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 0,3068 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 1,5·2,1·(140 − 110) = 94,5 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,05)·94,5 = 89,78 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 89,78/(4,18·70) = 0,3068 kg/s

Jawaban

ṁc = 0,3068 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: V = 42,94 L

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

Mol

n = 90/16,04 = 5,611 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Volume

V = nRT/P = 5,611·8,314·368,1/400 = 42,94 L

Jawaban

V = 42,94 L
6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 1,097 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Massa jenis

ρ = 850·4,003/(8,314·373,1) = 1,097 kg/m³

Jawaban

ρ = 1,097 kg/m³
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 19,8 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(C3H8) = 12/44,1 = 0,2721 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Pereaksi pembatas

0,2721/1 = 0,2721, 0,75/5 = 0,15 → O2

Massa produk

n(CO2) = 0,15·3 = 0,45 mol
m = 0,45·44,01 = 19,8 g

Jawaban

m = 19,8 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 85,01 %

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(C3H8) = 4/44,1 = 0,0907 mol
m = 0,0907·3/1·44,01 = 11,98 g

Rendemen persen

Y = 10,18/11,98·100 = 85,01%

Jawaban

Y = 85,01%

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