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 1350 kg/h · 45% NaOHAliran 2ṁ₂ = ? · 15% NaOHProduk40% NaOH

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

ṁ1 = 350 kg/hx1 = 45 %x2 = 15 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F3900 kg/h · 9% NaOHProduk PP = ? · 65%Uap W (air murni)0% NaOH

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

F = 3900 kg/hxF = 9 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dingincampuran glikol · 170 °C120 °Cair · 20 °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: 170 → 120 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginoli ringan · 130 °C70 °Cair · 30 °C60 °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: 130 → 70 °Ct: 30 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
330 g N₂V = 30 LT = 60 °CP = ?

Tangki 30 L berisi 330 g N₂ pada 60 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 330 gM = 28,01 g/molV = 30 LT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Hukum gas idealSulit
Ar, M = 39,95 g/molP = 900 kPaT = 90 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ Ar pada 900 kPa dan 90 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 39,95 g/molP = 900 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoikiometriSedang
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

30 g Fe2O3 dan 8 g CO bereaksi menurut Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Berapa massa m Fe yang dapat terbentuk?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 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, 6 g CaCO3 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 3,06 g CaO. Tentukan rendemen persen Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molaktual: 3,06 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 70 kg/h

Neraca massa keadaan tunak: masuk = keluar untuk total dan setiap komponen. Soal pencampuran menggabungkan keduanya.

Neraca

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 350·(45 − 40)/(40 − 15) = 70 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 70 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: P = 540 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 = 3900·9/65 = 540 kg/h

Jawaban

P = 540 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 48,71 °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·(170 − 120) = 360 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 360/(3·4,18) = 48,71 °C

Jawaban

tout = 48,71 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 1,281 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 1,5·2,1·(130 − 70) = 189 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,15)·189 = 160,7 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 160,7/(4,18·30) = 1,281 kg/s

Jawaban

ṁc = 1,281 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 1088 kPa

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

Mol

n = m/M = 330/28,01 = 11,78 mol
T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 11,78·8,314·333,1/0,03 = 1088 kPa

Jawaban

P = 1088 kPa
6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 11,91 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Massa jenis

ρ = 900·39,95/(8,314·363,1) = 11,91 kg/m³

Jawaban

ρ = 11,91 kg/m³
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 10,63 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(Fe2O3) = 30/159,69 = 0,1879 mol
n(CO) = 8/28,01 = 0,2856 mol

Pereaksi pembatas

0,1879/1 = 0,1879, 0,2856/3 = 0,0952 → CO

Massa produk

n(Fe) = 0,0952·2 = 0,1904 mol
m = 0,1904·55,85 = 10,63 g

Jawaban

m = 10,63 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 91,02 %

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) = 6/100,09 = 0,05995 mol
m = 0,05995·1/1·56,08 = 3,362 g

Rendemen persen

Y = 3,06/3,362·100 = 91,02%

Jawaban

Y = 91,02%

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