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% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 20% gulaProduk35% gula

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

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 45 %x2 = 20 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F700 kg/h · 19% 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 = 700 kg/hxF = 19 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dingincampuran glikol · 120 °C90 °Cair · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginoli ringan · 140 °C100 °Cair · 10 °C65 °C · ṁ = ?15% hilang

oli ringan panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 15% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁc yang diperlukan.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 100 °Ct: 10 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
350 g HeV = 5 LT = 90 °CP = ?

Tangki 5 L berisi 350 g He pada 90 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 350 gM = 4,003 g/molV = 5 LT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Hukum gas idealSulit
O₂, M = 32 g/molP = 750 kPaT = 20 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ O₂ pada 750 kPa dan 20 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 32 g/molP = 750 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)

24 g H2 dan 40 g O2 bereaksi menurut 2H2 + O2 → 2H2O. Berapa massa m H2O yang dapat terbentuk?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 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, 12 g N2 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 12,84 g NH3. Tentukan rendemen persen Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molaktual: 12,84 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
gula: 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 = 241,8 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 = 700·19/55 = 241,8 kg/h

Jawaban

P = 241,8 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 66,67 °C

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 2·3,6·(120 − 90) = 216 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 216/(1·4,18) = 66,67 °C

Jawaban

tout = 66,67 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 0,4659 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 1,5·2,1·(140 − 100) = 126 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,15)·126 = 107,1 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 107,1/(4,18·55) = 0,4659 kg/s

Jawaban

ṁc = 0,4659 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 52797 kPa

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

Mol

n = m/M = 350/4,003 = 87,43 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 87,43·8,314·363,1/0,005 = 52797 kPa

Jawaban

P = 52797 kPa
6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 9,847 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 = 750·32/(8,314·293,1) = 9,847 kg/m³

Jawaban

ρ = 9,847 kg/m³
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 45,05 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(H2) = 24/2,016 = 11,9 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Pereaksi pembatas

11,9/2 = 5,952, 1,25/1 = 1,25 → O2

Massa produk

n(H2O) = 1,25·2 = 2,5 mol
m = 2,5·18,02 = 45,05 g

Jawaban

m = 45,05 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) = 12/28,02 = 0,4283 mol
m = 0,4283·2/1·17,03 = 14,59 g

Rendemen persen

Y = 12,84/14,59·100 = 88,03%

Jawaban

Y = 88,03%

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