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 1800 kg/h · 5% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 40% gulaProduk35% gula

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

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 5 %x2 = 40 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F1200 kg/h · 13% garamProduk P55% garamUap W (air murni)W = ? kg/h

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

F = 1200 kg/hxF = 13 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginoli ringan · 150 °C90 °Cair · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 90 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginetanol · 170 °C110 °Cair · 30 °C80 °C · ṁ = ?5% hilang

etanol 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 = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Ct: 30 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
60 g CO₂V = 30 LT = 100 °CP = ?

Tangki 30 L berisi 60 g CO₂ pada 100 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 60 gM = 44,01 g/molV = 30 LT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Hukum gas idealSulit
CO₂, M = 44,01 g/molP = 700 kPaT = 170 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ CO₂ pada 700 kPa dan 170 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 700 kPaT = 170 °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 16 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(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CaO)m(CaO)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CaO)

Dalam reaksi CaCO3 → CaO + CO2, 10 g CaCO3 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 3,47 g CaO. Tentukan rendemen persen Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molaktual: 3,47 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 4800 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) = 800·(5 − 35)/(35 − 40) = 4800 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 4800 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: W = 916,4 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 = 1200·13/55 = 283,6 kg/h

Neraca total

W = F − P = 1200 − 283,6 = 916,4 kg/h

Jawaban

W = 916,4 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 37,54 °C

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 0,5·2,1·(150 − 90) = 63 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 63/(2·4,18) = 37,54 °C

Jawaban

tout = 37,54 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 1,331 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 2·2,44·(170 − 110) = 292,8 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,05)·292,8 = 278,2 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 278,2/(4,18·50) = 1,331 kg/s

Jawaban

ṁc = 1,331 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 141 kPa

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

Mol

n = m/M = 60/44,01 = 1,363 mol
T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 1,363·8,314·373,1/0,03 = 141 kPa

Jawaban

P = 141 kPa
6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 8,362 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 170 + 273,15 = 443,1 K

Massa jenis

ρ = 700·44,01/(8,314·443,1) = 8,362 kg/m³

Jawaban

ρ = 8,362 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) = 16/2,016 = 7,937 mol

Pereaksi pembatas

0,3569/1 = 0,3569, 7,937/3 = 2,646 → 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 = 61,93 %

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) = 10/100,09 = 0,09991 mol
m = 0,09991·1/1·56,08 = 5,603 g

Rendemen persen

Y = 3,47/5,603·100 = 61,93%

Jawaban

Y = 61,93%

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