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 1750 kg/h · 30% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 5% gulaProduk15% gula

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 15% gula? Cari ṁ2.

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F1600 kg/h · 18% NaOHProduk P30% NaOHUap W (air murni)W = ? kg/h

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

F = 1600 kg/hxF = 18 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginoli ringan · 160 °C60 °Cair · 20 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginoli ringan · 170 °C120 °Cair · 10 °C55 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 120 °Ct: 10 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
270 g ArP = 250 kPaT = 70 °CV = ?

Berapa volume V yang ditempati 270 g Ar pada 250 kPa dan 70 °C? Anggap sebagai gas ideal.

m = 270 gM = 39,95 g/molP = 250 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Hukum gas idealSulit
He, M = 4,003 g/molP = 100 kPaT = 150 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ He pada 100 kPa dan 150 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 4,003 g/molP = 100 kPaT = 150 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoikiometriSedang
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

10 g N2 dan 40 g H2 bereaksi menurut N2 + 3H2 → 2NH3. Berapa massa m NH3 yang dapat terbentuk?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.StoikiometriSulit
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Dalam reaksi 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 16 g Al bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 67,21 g AlCl3. Tentukan rendemen persen Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molaktual: 67,21 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 1125 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) = 750·(30 − 15)/(15 − 5) = 1125 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 1125 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: W = 640 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 = 1600·18/30 = 960 kg/h

Neraca total

W = F − P = 1600 − 960 = 640 kg/h

Jawaban

W = 640 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 45,12 °C

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 1·2,1·(160 − 60) = 210 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 210/(2·4,18) = 45,12 °C

Jawaban

tout = 45,12 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 0,2652 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 0,5·2,1·(170 − 120) = 52,5 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,05)·52,5 = 49,88 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 49,88/(4,18·45) = 0,2652 kg/s

Jawaban

ṁc = 0,2652 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: V = 77,13 L

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

Mol

n = 270/39,95 = 6,758 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Volume

V = nRT/P = 6,758·8,314·343,1/250 = 77,13 L

Jawaban

V = 77,13 L
6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 0,1138 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 150 + 273,15 = 423,1 K

Massa jenis

ρ = 100·4,003/(8,314·423,1) = 0,1138 kg/m³

Jawaban

ρ = 0,1138 kg/m³
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 12,16 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(N2) = 10/28,02 = 0,3569 mol
n(H2) = 40/2,016 = 19,84 mol

Pereaksi pembatas

0,3569/1 = 0,3569, 19,84/3 = 6,614 → N2

Massa produk

n(NH3) = 0,3569·2 = 0,7138 mol
m = 0,7138·17,03 = 12,16 g

Jawaban

m = 12,16 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 85 %

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(Al) = 16/26,98 = 0,593 mol
m = 0,593·2/2·133,33 = 79,07 g

Rendemen persen

Y = 67,21/79,07·100 = 85%

Jawaban

Y = 85%

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