Neraca energi: latihan soal dengan penyelesaian langkah demi langkah

Latihan soal Neraca energi gratis dengan diagram, petunjuk, dan pembahasan lengkap. Nilai baru setiap kali, dalam tiga tingkat: memanaskan aliran, penukar panas, penukar panas dengan kehilangan panas.

Soal latihan gratisMudah
Pemanascampuran glikol · 10 °C85 °CQ = ?

Aliran campuran glikol dengan laju 0,5 kg/s dipanaskan dari 10 °C ke 85 °C. Cari beban panas Q.

ṁ = 0,5 kg/scp = 3,6 kJ/(kg·K)Tin = 10 °CTout = 85 °C
kW
Soal berikutnya →
Berlatih Neraca energi secara gratisBerlatih Neraca energi sekarang5 soal gratis setiap hari. Tanpa kartu kredit.

Yang Anda latih

  1. Mudahmemanaskan aliran
  2. Sedangpenukar panas
  3. Sulitpenukar panas dengan kehilangan panas

Rumus utama

Kalor sensibel
Q = ṁ·cp·ΔT
Kalor laten
Q = ṁ·hfg
Pencampuran
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Air
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Pelajari Neraca energi dari nol

Sebelum ini: Neraca massa

1Apa itu neraca energi

Energi, seperti massa, kekal. Ketika suatu aliran dipanaskan atau didinginkan dalam suatu proses, panas yang masuk harus tampak sebagai perubahan suhu aliran itu, atau keluar di tempat lain.

Pada keadaan tunak tidak ada yang menumpuk di dalam peralatan, sehingga:

energi masuk = energi keluar

Dalam topik ini aliran hanya menghangat atau mendingin, tanpa mendidih atau bereaksi. Panas yang mengubah suhu suatu aliran disebut kalor sensibel.

Beban panas Q pemanas atau pendingin adalah panas yang dipindahkannya per detik, dalam kJ/s. Satu kJ/s sama dengan satu kilowatt (kW).

Tes mandiri Sebuah pemanas memindahkan 50 kJ panas setiap detik. Berapa beban panasnya?
  1. 3000 kW
  2. 50 W
  3. 50 kJ
  4. 50 kW

Jawaban: 50 kW. Beban adalah laju: 50 kJ per detik adalah 50 kJ/s = 50 kW. 50 kJ saja adalah jumlah energi, bukan laju.

2Kalor sensibel

Panas yang diperlukan untuk menghangatkan aliran bergantung pada tiga hal: seberapa banyak yang mengalir, zat apa itu, dan berapa derajat kenaikannya.

Q = ṁ · cp · ΔT
  • ṁ adalah laju aliran massa dalam kg/s.
  • cp adalah kapasitas kalor jenis dalam kJ/(kg·K): energi untuk menghangatkan 1 kg sebesar 1 K. Air: 4,18. Minyak ringan: sekitar 2,1.
  • ΔT = Tkeluar − Tmasuk. Selisih 1 °C sama dengan selisih 1 K, sehingga di sini Anda tidak menambahkan 273.
ṁ · 20 °C60 °CQ

Contoh: 0,5 kg/s air yang dipanaskan dari 20 °C ke 60 °C memerlukan Q = 0,5 · 4,18 · 40 = 83,6 kW.

Tes mandiri 0,5 kg/s air (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) dipanaskan dari 20 °C ke 60 °C. Berapa beban panasnya?
  1. 125,4 kW
  2. 167,2 kW
  3. 41,8 kW
  4. 83,6 kW

Jawaban: 83,6 kW. ΔT = 60 − 20 = 40 K, sehingga Q = 0,5 · 4,18 · 40 = 83,6 kW. Memakai 60 °C sebagai ΔT (125,4 kW) lupa mengurangkan suhu masuk.

3Penukar panas

Pada penukar panas, aliran panas dan aliran dingin mengalir berdampingan, dipisahkan oleh dinding logam. Panas mengalir dari sisi panas ke sisi dingin; fluidanya tidak bercampur.

T = 140 °C90 °Ct = 20 °Ct = ?hc

Jika tidak ada panas yang hilang ke lingkungan, panas yang dilepaskan aliran panas sama dengan panas yang diterima aliran dingin:

ṁh·cp,h·(Th,in − Th,out) = ṁc·cp,c·(tout − tin)

Jika sebagian panas lolos, aliran dingin menerima lebih sedikit: Qc = Qh − Qloss. Dengan kehilangan 10%, Qc = 0,90·Qh.

4Metode ini selangkah demi selangkah

  1. Gambar unitnya dengan setiap aliran. Tuliskan ṁ, cp, dan suhu yang Anda ketahui.
  2. Cari aliran yang kedua suhunya diketahui. Hitung panasnya: Q = ṁ·cp·ΔT.
  3. Jika ada kehilangan panas, kurangkan dari panas yang dilepaskan aliran panas untuk mendapatkan apa yang diterima aliran dingin.
  4. Pakai panas itu pada aliran lainnya untuk mencari yang tidak diketahui: suhu (tkeluar = tmasuk + Q/(ṁ·cp)) atau laju aliran (ṁ = Q/(cp·ΔT)).
  5. Periksa: suhu keluar aliran dingin harus tetap di bawah suhu masuk aliran panas.

5Contoh soal lengkap

Ikuti setiap langkah. Cobalah menebak langkah berikutnya sebelum membukanya.

Contoh soal

Minyak ringan panas (2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) mendingin dari 140 °C ke 90 °C dalam penukar panas aliran berlawanan. Minyak itu memanaskan 2 kg/s air (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 20 °C. Tidak ada kehilangan panas. Cari suhu keluar air tkeluar.

1

Gambar penukar panasnya

2 kg/s · 140 °C90 °C2 kg/s · 20 °Ct = ?hc

Kedua suhu minyak diketahui, jadi mulai dari sisi panas.

2

Panas yang dilepaskan minyak

Q = 2 · 2,1 · (140 − 90) = 2 · 2,1 · 50 = 210 kW
3

Panas yang diserap air

Tidak ada panas yang hilang, sehingga air menerima seluruh 210 kW.

Δt = Q/(ṁc·cp,c) = 210/(2 · 4,18) = 25,12 K
4

Suhu keluar

tout = 20 + 25,12 = 45,12 °C
5

Periksa jawabannya

Sisi air: 2 · 4,18 · (45,12 − 20) = 210 kW, sama dengan sisi minyak.

Air menghangat lebih sedikit daripada pendinginan minyak karena air memiliki kapasitas kalor dua kali lipat. Dan 45 °C jauh di bawah suhu masuk minyak 140 °C.

Jawaban

tkeluar ≈ 45,1 °C.

6Kesalahan umum

  • Memakai satu suhu, bukan selisih ΔT.
  • Memakai cp air untuk minyak, atau sebaliknya.
  • Menambahkan kehilangan panas ke sisi dingin, bukan mengurangkannya.
  • Mencampur kg/jam dan kg/s. Dengan kg/s dan kJ/(kg·K), beban keluar dalam kW.
  • Memberikan suhu keluar aliran dingin di atas suhu masuk aliran panas: ini mustahil dan menunjukkan kekeliruan.
Tes mandiri Aliran panas melepaskan 200 kW dan 10% hilang. Berapa banyak air (cp = 4,18) yang dapat dipanaskannya dari 20 °C ke 50 °C?
  1. 0,86 kg/s
  2. 1,44 kg/s
  3. 1,59 kg/s
  4. 1,75 kg/s

Jawaban: 1,44 kg/s. Air menerima 0,90 · 200 = 180 kW, sehingga ṁ = 180/(4,18 · 30) = 1,44 kg/s. Mengabaikan kehilangan menghasilkan 1,59 kg/s, dan memakai 50 °C sebagai ganti ΔT = 30 K menghasilkan 0,86 kg/s.

7Seperti apa soal ujiannya

  • Mudah: memanaskan satu aliran. Cari beban Q = ṁ·cp·ΔT.
  • Sedang: penukar panas tanpa kehilangan. Cari Q dari sisi panas, lalu suhu keluar air, seperti pada contoh.
  • Sulit: penukar panas yang kehilangan 5 sampai 15% dari panas yang dilepaskan. Cari laju aliran air yang diperlukan.

Selalu cari Q pada aliran yang kedua suhunya diketahui. Lalu aliran lainnya memberikan satu-satunya yang tersisa tidak diketahui.

Pelajari selangkah demi selangkah di aplikasiPelajari selangkah demi selangkah di aplikasi

Contoh dengan pembahasan

Contoh 1Mudah
Pemanascampuran glikol · 25 °C70 °CQ = ?

Aliran campuran glikol dengan laju 1 kg/s dipanaskan dari 25 °C ke 70 °C. Cari beban panas Q.

ṁ = 1 kg/scp = 3,6 kJ/(kg·K)Tin = 25 °CTout = 70 °C

Tentukan Q (kW)

Tampilkan petunjuk
  1. Panas sensibel tanpa perubahan fase: Q = ṁ·cp·ΔT.
  2. Selisih suhu dalam °C sama dengan selisih yang sama dalam K.
  3. ΔT = 45 K.
Tampilkan jawaban dan penyelesaian langkah demi langkah

Panas sensibel: Q̇ = ṁ·cp·ΔT. Dengan ṁ dalam kg/s dan cp dalam kJ/(kg·K), Q̇ keluar dalam kJ/s = kW.

Neraca energi

ΔT = 70 − 25 = 45 K
Q = ṁ·cp·ΔT = 1·3,6·45 = 162 kW

Jawaban

Q = 162 kW
Contoh 2Sedang
sisi panassisi dingincampuran glikol · 150 °C120 °Cair · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 120 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C

Tentukan tout (°C)

Tampilkan petunjuk
  1. Panas yang dilepas aliran panas sama dengan panas yang diterima aliran dingin.
  2. Cari Q dari sisi panas dulu, karena kedua suhunya diketahui.
  3. Q = 108 kW.
Tampilkan jawaban dan penyelesaian langkah demi langkah

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

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 1·3,6·(150 − 120) = 108 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 108/(1·4,18) = 40,84 °C

Jawaban

tout = 40,84 °C
Contoh 3Sulit
sisi panassisi dinginoli ringan · 140 °C90 °Cair · 30 °C75 °C · ṁ = ?10% hilang

oli ringan panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 10% 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 → 90 °Ct: 30 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

Tentukan ṁc (kg/s)

Tampilkan petunjuk
  1. Mulai dari panas yang dilepas aliran panas.
  2. Hanya 90% yang sampai ke air.
  3. Panas ke air = 141,8 kW.
Tampilkan jawaban dan penyelesaian langkah demi langkah

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

Panas dilepas

Qh = 1,5·2,1·(140 − 90) = 157,5 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,1)·157,5 = 141,8 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 141,8/(4,18·45) = 0,7536 kg/s

Jawaban

ṁc = 0,7536 kg/s

Tanya jawab

Apa itu Neraca energi?

Energi, seperti massa, kekal. Ketika suatu aliran dipanaskan atau didinginkan dalam suatu proses, panas yang masuk harus tampak sebagai perubahan suhu aliran itu, atau keluar di tempat lain.

Pada keadaan tunak tidak ada yang menumpuk di dalam peralatan, sehingga:

Bagaimana cara menyelesaikan soal Neraca energi langkah demi langkah?

Panas sensibel: Q̇ = ṁ·cp·ΔT. Dengan ṁ dalam kg/s dan cp dalam kJ/(kg·K), Q̇ keluar dalam kJ/s = kW.

Apa saja yang dilatih dalam soal Neraca energi?
  • Mudah: memanaskan aliran
  • Sedang: penukar panas
  • Sulit: penukar panas dengan kehilangan panas

Setiap soal memakai nilai baru, sehingga Anda mempelajari metodenya, bukan menghafal jawabannya. Buntu? Buka petunjuk kecil terlebih dahulu, dan penjelasan lengkap hanya jika Anda membutuhkannya.

Cara kerja latihan

  • Setiap soal memakai nilai baru, sehingga Anda mempelajari metodenya, bukan menghafal jawabannya.
  • Buntu? Buka petunjuk kecil terlebih dahulu, dan penjelasan lengkap hanya jika Anda membutuhkannya.
  • Kemajuan, kesalahan, dan soal tersimpan Anda disimpan, sehingga Anda dapat mengulasnya sebelum ujian.

Topik sebelum dan sesudah ini

Pelajari dulu

Neraca massa

Lanjutkan dengan

Penukar panas (LMTD)

Mata kuliah dengan topik ini

Termodinamika 1Neraca Massa dan EnergiLatihan ujian FE Chemical

Topik lain di Kimia

Neraca massaHukum gas idealKinetika reaksiPerancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Penukar panas (LMTD)

Lembar kerja yang dapat dicetak

Lembar kerja Neraca energi dengan jawaban
Berlatih Neraca energi secara gratisBerlatih Neraca energi sekarang5 soal gratis setiap hari. Tanpa kartu kredit.