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 1250 kg/h · 45% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 20% garamProduk35% garam

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

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 45 %x2 = 20 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F4900 kg/h · 8% garamProduk PP = ? · 55%Uap W (air murni)0% garam

Evaporator memekatkan larutan garam dengan menguapkan air murni. Cari laju alir produk P dalam kg/h.

F = 4900 kg/hxF = 8 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginetanol · 140 °C90 °Cair · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginetanol · 170 °C110 °Cair · 20 °C60 °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 = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Ct: 20 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
470 g ArV = 5 LT = 70 °CP = ?

Tangki 5 L berisi 470 g Ar pada 70 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 470 gM = 39,95 g/molV = 5 LT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Hukum gas idealSulit
CO₂, M = 44,01 g/molP = 900 kPaT = 20 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ CO₂ pada 900 kPa dan 20 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 900 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoikiometriSedang
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

20 g CH4 dan 16 g O2 bereaksi menurut CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Berapa massa m H2O yang dapat terbentuk?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.StoikiometriSulit
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(C3​H8​)× 4/1× M(H2​O)

Dalam reaksi C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 12 g C3H8 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 15,3 g H2O. Tentukan rendemen persen Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molaktual: 15,3 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 166,7 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) = 250·(45 − 35)/(35 − 20) = 166,7 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 166,7 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: P = 712,7 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 = 4900·8/55 = 712,7 kg/h

Jawaban

P = 712,7 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 46,89 °C

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 1,5·2,44·(140 − 90) = 183 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 183/(2·4,18) = 46,89 °C

Jawaban

tout = 46,89 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 0,8318 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 1·2,44·(170 − 110) = 146,4 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,05)·146,4 = 139,1 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 139,1/(4,18·40) = 0,8318 kg/s

Jawaban

ṁc = 0,8318 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 6713 kPa

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

Mol

n = m/M = 470/39,95 = 11,76 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 11,76·8,314·343,1/0,005 = 6713 kPa

Jawaban

P = 6713 kPa
6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 16,25 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Massa jenis

ρ = 900·44,01/(8,314·293,1) = 16,25 kg/m³

Jawaban

ρ = 16,25 kg/m³
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 9,01 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) = 16/32 = 0,5 mol

Pereaksi pembatas

1,247/1 = 1,247, 0,5/2 = 0,25 → O2

Massa produk

n(H2O) = 0,25·2 = 0,5 mol
m = 0,5·18,02 = 9,01 g

Jawaban

m = 9,01 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 78,01 %

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) = 12/44,1 = 0,2721 mol
m = 0,2721·4/1·18,02 = 19,61 g

Rendemen persen

Y = 15,3/19,61·100 = 78,01%

Jawaban

Y = 78,01%

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