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 · 15% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 45% gulaProduk40% gula

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 40% gula? Cari ṁ2.

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 15 %x2 = 45 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F3000 kg/h · 20% garamProduk P65% garamUap W (air murni)W = ? kg/h

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

F = 3000 kg/hxF = 20 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginoli ringan · 150 °C80 °Cair · 30 °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: 150 → 80 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dingincampuran glikol · 130 °C70 °Cair · 20 °C55 °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 = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Ct: 20 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
250 g O₂V = 50 LT = 85 °CP = ?

Tangki 50 L berisi 250 g O₂ pada 85 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 250 gM = 32 g/molV = 50 LT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Hukum gas idealSulit
N₂, M = 28,01 g/molP = 300 kPaT = 150 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ N₂ pada 300 kPa dan 150 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 28,01 g/molP = 300 kPaT = 150 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoikiometriSedang
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

20 g CH4 dan 80 g O2 bereaksi menurut CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Berapa massa m CO2 yang dapat terbentuk?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StoikiometriSulit
m(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

Dalam reaksi CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 8 g CH4 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 13,48 g H2O. Tentukan rendemen persen Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molaktual: 13,48 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 4250 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·(15 − 40)/(40 − 45) = 4250 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 4250 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: W = 2077 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 = 3000·20/65 = 923,1 kg/h

Neraca total

W = F − P = 3000 − 923,1 = 2077 kg/h

Jawaban

W = 2077 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 100,3 °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·(150 − 80) = 147 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 147/(0,5·4,18) = 100,3 °C

Jawaban

tout = 100,3 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 1,403 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 1·3,6·(130 − 70) = 216 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,05)·216 = 205,2 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 205,2/(4,18·35) = 1,403 kg/s

Jawaban

ṁc = 1,403 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 465,3 kPa

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

Mol

n = m/M = 250/32 = 7,813 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 7,813·8,314·358,1/0,05 = 465,3 kPa

Jawaban

P = 465,3 kPa
6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 2,389 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 = 300·28,01/(8,314·423,1) = 2,389 kg/m³

Jawaban

ρ = 2,389 kg/m³
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 54,88 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(CH4) = 20/16,04 = 1,247 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Pereaksi pembatas

1,247/1 = 1,247, 2,5/2 = 1,25 → CH4

Massa produk

n(CO2) = 1,247·1 = 1,247 mol
m = 1,247·44,01 = 54,88 g

Jawaban

m = 54,88 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 74,99 %

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(CH4) = 8/16,04 = 0,4988 mol
m = 0,4988·2/1·18,02 = 17,98 g

Rendemen persen

Y = 13,48/17,98·100 = 74,99%

Jawaban

Y = 74,99%

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