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 1300 kg/h · 30% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 5% garamProduk10% garam

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 10% garam? Cari ṁ2.

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F3600 kg/h · 12% gulaProduk P60% gulaUap W (air murni)W = ? kg/h

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

F = 3600 kg/hxF = 12 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginetanol · 120 °C70 °Cair · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dingincampuran glikol · 120 °C70 °Cair · 30 °C50 °C · ṁ = ?5% hilang

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 30 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
500 g CH₄V = 30 LT = 80 °CP = ?

Tangki 30 L berisi 500 g CH₄ pada 80 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 500 gM = 16,04 g/molV = 30 LT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Hukum gas idealSulit
Keadaan 1Keadaan 2

Sejumlah tetap O₂ berubah dari 250 kPa, 5 L, 10 °C menjadi 600 kPa dan 200 °C. Cari volume baru V2.

P1 = 250 kPaV1 = 5 LT1 = 10 °CP2 = 600 kPaT2 = 200 °C
V2 = L
7.StoikiometriSedang
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

24 g Fe2O3 dan 64 g CO bereaksi menurut Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Berapa massa m Fe yang dapat terbentuk?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 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, 6 g N2 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 6,42 g NH3. Tentukan rendemen persen Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molaktual: 6,42 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 1200 kg/h

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

Neraca

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

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 300·(30 − 10)/(10 − 5) = 1200 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 1200 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: W = 2880 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 = 3600·12/60 = 720 kg/h

Neraca total

W = F − P = 3600 − 720 = 2880 kg/h

Jawaban

W = 2880 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 49,46 °C

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 2·2,44·(120 − 70) = 244 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 244/(3·4,18) = 49,46 °C

Jawaban

tout = 49,46 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 4,091 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 2·3,6·(120 − 70) = 360 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,05)·360 = 342 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 342/(4,18·20) = 4,091 kg/s

Jawaban

ṁc = 4,091 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 3051 kPa

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

Mol

n = m/M = 500/16,04 = 31,17 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 31,17·8,314·353,1/0,03 = 3051 kPa

Jawaban

P = 3051 kPa
6.Hukum gas ideal

Jawaban: V2 = 3,481 L

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

Suhu mutlak

T1 = 283,1 K, T2 = 473,1 K

Hukum gas gabungan

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(250/600)·(473,1/283,1) = 3,481 L

Jawaban

V2 = 3,481 L
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 16,79 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) = 24/159,69 = 0,1503 mol
n(CO) = 64/28,01 = 2,285 mol

Pereaksi pembatas

0,1503/1 = 0,1503, 2,285/3 = 0,7616 → Fe2O3

Massa produk

n(Fe) = 0,1503·2 = 0,3006 mol
m = 0,3006·55,85 = 16,79 g

Jawaban

m = 16,79 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 88,03 %

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) = 6/28,02 = 0,2141 mol
m = 0,2141·2/1·17,03 = 7,293 g

Rendemen persen

Y = 6,42/7,293·100 = 88,03%

Jawaban

Y = 88,03%

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