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 1650 kg/h · 20% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 45% gulaProduk25% gula

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 25% gula? Cari ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F3400 kg/h · 17% gulaProduk PP = ? · 50%Uap W (air murni)0% gula

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

F = 3400 kg/hxF = 17 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginoli ringan · 170 °C100 °Cair · 20 °Ct = ? °C

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 100 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginoli ringan · 120 °C70 °Cair · 25 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 25 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
20 g CO₂P = 800 kPaT = 25 °CV = ?

Berapa volume V yang ditempati 20 g CO₂ pada 800 kPa dan 25 °C? Anggap sebagai gas ideal.

m = 20 gM = 44,01 g/molP = 800 kPaT = 25 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Hukum gas idealSulit
CO₂, M = 44,01 g/molP = 250 kPaT = 130 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ CO₂ pada 250 kPa dan 130 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 250 kPaT = 130 °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)

6 g Fe2O3 dan 48 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(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Dalam reaksi N2 + 3H2 → 2NH3, 30 g N2 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 33,18 g NH3. Tentukan rendemen persen Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molaktual: 33,18 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 162,5 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) = 650·(20 − 25)/(25 − 45) = 162,5 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 162,5 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: P = 1156 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 = 3400·17/50 = 1156 kg/h

Jawaban

P = 1156 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 125,5 °C

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 3·2,1·(170 − 100) = 441 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 441/(1·4,18) = 125,5 °C

Jawaban

tout = 125,5 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 1,525 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 2,5·2,1·(120 − 70) = 262,5 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,15)·262,5 = 223,1 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 223,1/(4,18·35) = 1,525 kg/s

Jawaban

ṁc = 1,525 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: V = 1,408 L

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

Mol

n = 20/44,01 = 0,4544 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Volume

V = nRT/P = 0,4544·8,314·298,1/800 = 1,408 L

Jawaban

V = 1,408 L
6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 3,283 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 130 + 273,15 = 403,1 K

Massa jenis

ρ = 250·44,01/(8,314·403,1) = 3,283 kg/m³

Jawaban

ρ = 3,283 kg/m³
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 4,197 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) = 6/159,69 = 0,03757 mol
n(CO) = 48/28,01 = 1,714 mol

Pereaksi pembatas

0,03757/1 = 0,03757, 1,714/3 = 0,5712 → Fe2O3

Massa produk

n(Fe) = 0,03757·2 = 0,07515 mol
m = 0,07515·55,85 = 4,197 g

Jawaban

m = 4,197 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 90,99 %

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(N2) = 30/28,02 = 1,071 mol
m = 1,071·2/1·17,03 = 36,47 g

Rendemen persen

Y = 33,18/36,47·100 = 90,99%

Jawaban

Y = 90,99%

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