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 1900 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 = 900 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Neraca massaSulit
EvaporatorUmpan F3300 kg/h · 11% garamProduk PP = ? · 35%Uap W (air murni)0% garam

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

F = 3300 kg/hxF = 11 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginetanol · 140 °C80 °Cair · 30 °Ct = ? °C

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

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginoli ringan · 140 °C60 °Cair · 20 °C60 °C · ṁ = ?5% hilang

oli ringan 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 = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Ct: 20 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %
ṁc = kg/s
5.Hukum gas idealSedang
240 g ArP = 400 kPaT = 90 °CV = ?

Berapa volume V yang ditempati 240 g Ar pada 400 kPa dan 90 °C? Anggap sebagai gas ideal.

m = 240 gM = 39,95 g/molP = 400 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Hukum gas idealSulit
CO₂, M = 44,01 g/molP = 350 kPaT = 80 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ CO₂ pada 350 kPa dan 80 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 350 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.StoikiometriSedang
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

16 g Na dan 32 g Cl2 bereaksi menurut 2Na + Cl2 → 2NaCl. Berapa massa m NaCl yang dapat terbentuk?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 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, 4 g C3H8 bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 4,9 g H2O. Tentukan rendemen persen Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(H2O) = 18,02 g/molaktual: 4,9 g
Y = %

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ2 = 225 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) = 900·(20 − 25)/(25 − 45) = 225 kg/h

Jawaban

ṁ2 = 225 kg/h
2.Neraca massa

Jawaban: P = 1037 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 = 3300·11/35 = 1037 kg/h

Jawaban

P = 1037 kg/h
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 65,02 °C

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 3·2,44·(140 − 80) = 439,2 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 439,2/(3·4,18) = 65,02 °C

Jawaban

tout = 65,02 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 0,9545 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 1·2,1·(140 − 60) = 168 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,05)·168 = 159,6 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 159,6/(4,18·40) = 0,9545 kg/s

Jawaban

ṁc = 0,9545 kg/s
5.Hukum gas ideal

Jawaban: V = 45,35 L

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

Mol

n = 240/39,95 = 6,008 mol
T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Volume

V = nRT/P = 6,008·8,314·363,1/400 = 45,35 L

Jawaban

V = 45,35 L
6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 5,246 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Massa jenis

ρ = 350·44,01/(8,314·353,1) = 5,246 kg/m³

Jawaban

ρ = 5,246 kg/m³
7.Stoikiometri

Jawaban: m = 40,67 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(Na) = 16/22,99 = 0,696 mol
n(Cl2) = 32/70,9 = 0,4513 mol

Pereaksi pembatas

0,696/2 = 0,348, 0,4513/1 = 0,4513 → Na

Massa produk

n(NaCl) = 0,348·2 = 0,696 mol
m = 0,696·58,44 = 40,67 g

Jawaban

m = 40,67 g
8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 74,95 %

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) = 4/44,1 = 0,0907 mol
m = 0,0907·4/1·18,02 = 6,538 g

Rendemen persen

Y = 4,9/6,538·100 = 74,95%

Jawaban

Y = 74,95%

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