物質収支
- 定常状態
- 入量 = 出量
- 全体収支
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- 成分収支
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- 蒸発缶
- F·xF = P·xP, W = F − P
物質・エネルギー収支：直前対策パック
公式集、全トピックの解法の要点、8 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。
1公式と解法
エネルギー収支
- 顕熱
- Q = ṁ·cp·ΔT
- 潜熱
- Q = ṁ·hfg
- 混合
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- 水
- cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)
理想気体の状態方程式
- 理想気体の状態方程式
- pV = nRT
- 気体定数
- R = 8.314 J/(mol·K)
- ボイル・シャルルの法則
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- 物質量
- n = m/M
- 温度
- T[K] = T[°C] + 273.15
化学量論
- 物質量
- n = m/M
- 濃度
- c = n/V
- 物質量の比
- 釣り合った反応式の係数を使う
- 限定反応物
- 先になくなる物質
- 収率
- 実際の量 / 理論量 × 100%
解き方
- 化学反応式を書き、係数をそろえます。
- 与えられた質量を物質量に換算します：n = m/M。
- 係数を物質量の比として使い、求めたい物質の物質量を求めます。
- m = n·M で質量に戻します。反応物が 2 つあるときは、まず限定反応物を求めます。
2演習問題
1.物質収支ふつう
混合後の製品が砂糖を 30% 含むようにするには、流れ 1 に毎時どれだけ流れ 2 を加えればよいか。ṁ2 を求めよ。
ṁ1 = 950 kg/hx1 = 40 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.物質収支むずかしい
蒸発缶で純水を蒸発させ、砂糖水溶液を濃縮する。製品流量 Pを kg/h で求めよ。
F = 2000 kg/hxF = 19 %xP = 30 %
P = kg/h
3.エネルギー収支ふつう
高温の軽油が、熱損失のない向流熱交換器で水を冷やす。水の出口温度 tout を求めよ。
ṁh = 1 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.エネルギー収支むずかしい
高温のエタノールが熱交換器で水を加熱する。この熱交換器は高温流体が放出する熱の 10% を周囲に失う。必要な水の流量 ṁc を求めよ。
ṁh = 0.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 90 °Ct: 30 → 90 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)損失 = 10 %
ṁc = kg/s
5.理想気体の状態方程式ふつう
500 kPa、45 °C において、O₂ 500 g が占める体積 V はいくらか。理想気体として扱う。
m = 500 gM = 32 g/molP = 500 kPaT = 45 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.理想気体の状態方程式むずかしい
350 kPa、40 °C におけるCO₂の密度 ρ を、理想気体として求めよ。
M = 44.01 g/molP = 350 kPaT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.化学量論ふつう
24 g の CH4 と 40 g の O2 が CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O に従って反応します。生じうる H2O の質量 m はいくらですか？
M(CH4) = 16.04M(O2) = 32M(H2O) = 18.02 g/mol
m = g
8.化学量論むずかしい
反応 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O で、16 g の CH4 が完全に反応し（ほかの反応物は過剰）、39.95 g の CO2 が得られました。収率 Y を求めなさい。
M(CH4) = 16.04 g/molM(CO2) = 44.01 g/mol実際: 39.95 g
Y = %
3溶液
1.物質収支
答え: ṁ2 = 633.3 kg/h
定常状態の物質収支：全体と各成分で入量 = 出量。混合の問題では両方を組み合わせます。
収支
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
砂糖: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
ṁ2 について解く
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 950·(40 − 30)/(30 − 15) = 633.3 kg/h
答え
ṁ2 = 633.3 kg/h
2.物質収支
答え: P = 1267 kg/h
タイ成分：1 つの流れだけを変化せずに通る成分（ここでは溶質）は、流量どうしを直接結びつけます。残りは全体収支で求まります。
溶質収支
F·xF = P·xP → P = 2000·19/30 = 1267 kg/h
答え
P = 1267 kg/h
3.エネルギー収支
答え: tout = 31.7 °C
熱交換器のエネルギー収支：損失がなければ ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)。
高温流体が放出する熱
Q = 1·2.1·(120 − 80) = 84 kW
水が受け取る熱
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 84/(3·4.18) = 31.7 °C
答え
tout = 31.7 °C
4.エネルギー収支
答え: ṁc = 0.3502 kg/s
損失のあるエネルギー収支：放出熱 = 吸収熱 + 損失熱。
放出熱
Qh = 0.5·2.44·(170 − 90) = 97.6 kW
水に届く熱
Qc = (1 − 0.1)·97.6 = 87.84 kW
水の流量
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 87.84/(4.18·60) = 0.3502 kg/s
答え
ṁc = 0.3502 kg/s
5.理想気体の状態方程式
答え: V = 82.66 L
理想気体の状態方程式：PV = nRT、n = m/M。
物質量
n = 500/32 = 15.63 mol
T = 45 + 273.15 = 318.1 K
体積
V = nRT/P = 15.63·8.314·318.1/500 = 82.66 L
答え
V = 82.66 L
6.理想気体の状態方程式
答え: ρ = 5.916 kg/m³
理想気体の密度：ρ = PM/(RT)。
状態方程式を変形する
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 40 + 273.15 = 313.1 K
密度
ρ = 350·44.01/(8.314·313.1) = 5.916 kg/m³
答え
ρ = 5.916 kg/m³
7.化学量論
答え: m = 22.52 g
化学量論：化学反応式は粒子の数を表し、グラム数ではありません。n = m/M で質量を物質量に換算し、反応式の係数を物質量の比として使い、m = n·M で質量に戻します。反応物が 2 つあるとき、限定反応物は先になくなり、生成物の量を決めるほうです。
各反応物の物質量
n(CH4) = 24/16.04 = 1.496 mol
n(O2) = 40/32 = 1.25 mol
限定反応物
1.496/1 = 1.496, 1.25/2 = 0.625 → O2
生成物の質量
n(H2O) = 0.625·2 = 1.25 mol
m = 1.25·18.02 = 22.52 g
答え
m = 22.52 g
8.化学量論
答え: Y = 91 %
化学量論：化学反応式は粒子の数を表し、グラム数ではありません。n = m/M で質量を物質量に換算し、反応式の係数を物質量の比として使い、m = n·M で質量に戻します。反応物が 2 つあるとき、限定反応物は先になくなり、生成物の量を決めるほうです。
理論収量
n(CH4) = 16/16.04 = 0.9975 mol
m = 0.9975·1/1·44.01 = 43.9 g
収率
Y = 39.95/43.9·100 = 91%
答え
Y = 91%
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