Latihan peperiksaan FE Kimia: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 24 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharu Kembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Imbangan jisim

Keadaan mantap: masuk = keluar
Imbangan jumlah: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Imbangan komponen: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Penyejat: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Imbangan tenaga

Haba ketara: Q = ṁ·c_p·ΔT
Haba pendam: Q = ṁ·h_fg
Pencampuran: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Air: c_p ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

Hukum gas unggul

Hukum gas unggul: pV = nRT
Pemalar 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
Kepekatan: c = n/V
Nisbah mol: gunakan pekali persamaan seimbang
Bahan tindak balas pengehad: yang habis dahulu
Hasil peratusan: sebenar / teori × 100%

Kaedah

Tulis dan seimbangkan persamaan kimia.
Tukar jisim yang diberi kepada mol: n = m/M.
Gunakan pekali sebagai nisbah mol untuk mencari mol bahan yang anda mahu.
Tukar balik kepada jisim dengan m = n·M. Dengan dua bahan tindak balas, cari bahan tindak balas pengehad dahulu.

Keseimbangan kimia

Pemalar keseimbangan: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Jadual ICE: Awal, Perubahan (×pekali), Keseimbangan
Kuadratik: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Kaedah

Tulis K_c dengan hasil di atas bahan tindak balas, setiap satu dinaikkan kepada kuasa pekalinya.
Sediakan jadual ICE: Awal, Perubahan (dalam langkah x darab pekali), Keseimbangan.
Masukkan ungkapan keseimbangan ke dalam K_c dan selesaikan untuk x.
Semak sama ada x cukup kecil untuk anggaran; jika tidak, selesaikan kuadratik.

Kalorimetri & entalpi

Haba: q = m·c·ΔT
Air: c = 4.18 J/(g·°C)
Kalorimeter: haba hilang = haba diperoleh
Entalpi tindak balas: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Kinetik tindak balas

Peringkat pertama: ln(C_A/C_A0) = −kt
Separuh hayat (peringkat pertama): t_½ = ln 2/k
Peringkat kedua: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Dua suhu: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Masa ruang: τ = V/Q
CSTR, peringkat pertama: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, peringkat pertama: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Penukaran daripada isi padu: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N CSTR yang sama secara bersiri: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Penukar haba (LMTD)

Beban haba: Q = U·A·ΔT_lm
Beza suhu min logaritma: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Imbangan aliran: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Pengaliran haba

Hukum Fourier: Q̇ = kAΔT/L
Rintangan pengaliran: R = L/(kA)
Rintangan perolakan: R = 1/(hA)
Rintangan secara bersiri: Q̇ = ΔT_total/ΣR
Nilai-U: U = 1/(ΣR·A)

Geseran paip & kehilangan turus

Nombor Reynolds: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Rejim aliran: lamina di bawah Re ≈ 2000, gelora di atas Re ≈ 4000
Halaju min: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Kehilangan kecil: h_m = ΣK·V²/(2g)
Nilai K lazim: masukan 0.5, keluaran 1.0, lengkuk 90° ≈ 0.3
Susutan tekanan: Δp = ρ·g·h_f
Dua takungan terbuka: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Keluaran bebas: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pam & kuasa pam

Kuasa hidraulik: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Kuasa aci: P_shaft = P_h/η_pump
Kuasa elektrik: P_el = P_shaft/η_motor
Turus pam: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Kehilangan sistem: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Soalan latihan

1.Imbangan jisimSederhana

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 40% gula? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 400 kg/hx₁ = 20 %x₂ = 50 %x₃ = 40 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

Satu penyejat memekatkan larutan garam dengan mendidihkan air tulen. Cari aliran hasil P dalam kg/h.

F = 1000 kg/hx_F = 8 %x_P = 55 %

P = kg/h

3.Imbangan tenagaSederhana

campuran glikol panas menyejukkan air dalam penukar haba aliran berlawanan tanpa kehilangan haba. Cari suhu keluaran air t_out.

ṁ_h = 1.5 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 90 °Cṁ_c = 1.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

etanol panas memanaskan air dalam penukar yang kehilangan 10% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 110 °Ct: 15 → 40 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Satu tangki 10 L mengandungi 70 g O₂ pada 45 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 70 gM = 32 g/molV = 10 LT = 45 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi N₂ pada 150 kPa dan 20 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 28.01 g/molP = 150 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

10 g Fe₂O₃ dan 32 g CO bertindak balas mengikut Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Berapakah jisim m bagi CO₂ yang boleh terbentuk?

M(Fe₂O₃) = 159.69M(CO) = 28.01M(CO₂) = 44.01 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, 16 g CH₄ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 22.29 g H₂O dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(CH₄) = 16.04 g/molM(H₂O) = 18.02 g/molsebenar: 22.29 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.5 mol/L H₂ dan 0.5 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 36. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.5 mol/LK_c = 36

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.2 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.2 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0.2 mol/LK_c = 0.2

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah aluminium 250 g (c = 0.897 J/(g·°C)) pada 150 °C dijatuhkan ke dalam 250 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 16 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0.897 J/(g·°C)T_metal = 150 °Cm_water = 250 gT_water = 16 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari ΔH° bagi tindak balas 2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH₃OH) = −238.7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.Kinetik tindak balasSederhana

Satu tindak balas peringkat kedua (−r_A = k·C_A²) mempunyai k = 0.25 L/(mol·min) dan kepekatan awal 0.5 mol/L. Cari separuh hayat pertamanya t_½.

k = 0.25 L/(mol·min)C_A0 = 0.5 mol/L

t_½ = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai pemalar kadar 0.02 s⁻¹ pada 40 °C dan tenaga pengaktifan 80 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponen A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0.02 s⁻¹T = 40 °CE_a = 80 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B (k = 0.1 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 100 L. Suapan masuk pada 25 L/min dengan C_A0 = 2 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran C_A.

V = 100 LQ = 25 L/mink = 0.1 min⁻¹C_A0 = 2 mol/L

C_A = mol/L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.2 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 250 L yang disuap pada 50 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 250 LQ = 50 L/mink = 0.2 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran berlawanan memindahkan 460 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 130 kepada 85 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 10 kepada 90 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 1500 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 460 kWU = 1500 W/(m²·K)T_h: 130 → 85 °CT_c: 10 → 90 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (1 kg/s, c_p = 2.1 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 115 kepada 65 °C dalam penukar aliran berlawanan. Ia memanaskan 2 kg/s air (c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 30 °C. Dengan U = 300 W/(m²·K), cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 115 → 65 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 30 °CU = 300 W/(m²·K)

A = m²

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 250 mm papan gipsum dan 75 mm bulu mineral, dengan luas 15 m². Muka luarnya berada pada 21 °C dan 8 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 15 m²T₁ = 21 °CT₃ = 8 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 200 mm bata dan 50 mm kaca memisahkan bilik pada 22 °C daripada udara luar pada -1 °C. Pekali perolakan ialah 7.7 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 4 m². Cari kehilangan haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.96 W/(m·K)A = 4 m²h_i = 7.7 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -1 °C

Q̇ = W

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada 150 L/s melalui paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 300 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.015 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

Q = 150 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0.015g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Satu paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 300 mm (faktor geseran Darcy f = 0.018) bermula dari takungan terbuka dan mengalir keluar sebagai pancutan bebas ke udara. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 2 lengkuk (K = 0.3 setiap satu) dan injap (K = 5). Gunakan g = 9.81 m/s². Seberapa tinggi H permukaan takungan mesti berada di atas keluaran paip untuk kadar alir 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 5

H = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 100 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 54 m manakala acinya mengambil 70.6 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 100 L/sH = 54 mP_shaft = 70.6 kWg = 9.81 m/s²

η = %

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 20 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 6 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 100 m dengan diameter dalam 100 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.022; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 4 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya berada pada tekanan tolok 200 kPa. Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 20 L/sΔz = 6 mL = 100 mD = 100 mmf = 0.022ΣK = 4p_tank = 200 kPa

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 800 kg/h

Imbangan jisim keadaan mantap: masuk = keluar bagi jumlah dan bagi setiap komponen. Masalah pengadunan menggabungkan kedua-duanya.

Imbangan

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

gula: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 400·(20 − 40)/(40 − 50) = 800 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 800 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 145.5 kg/h

Komponen penghubung: komponen yang melalui satu aliran tanpa berubah (di sini zat terlarut) menghubungkan aliran secara langsung. Kemudian imbangan jumlah memberikan yang selebihnya.

Imbangan zat terlarut

F·x_F = P·x_P → P = 1000·8/55 = 145.5 kg/h

Jawapan

P = 145.5 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 49.45 °C

Imbangan tenaga penukar: tanpa kehilangan, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Haba yang dibebaskan oleh aliran panas

Q = 1.5·3.6·(130 − 90) = 216 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 216/(1.5·4.18) = 49.45 °C

Jawapan

t_out = 49.45 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 2.522 kg/s

Imbangan tenaga dengan kehilangan: haba dibebaskan = haba diserap + haba hilang.

Haba dibebaskan

Q_h = 2·2.44·(170 − 110) = 292.8 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.1)·292.8 = 263.5 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 263.5/(4.18·25) = 2.522 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 2.522 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 578.6 kPa

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

Mol

n = m/M = 70/32 = 2.188 mol

T = 45 + 273.15 = 318.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 2.188·8.314·318.1/0.01 = 578.6 kPa

Jawapan

P = 578.6 kPa

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 1.724 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 20 + 273.15 = 293.1 K

Ketumpatan

ρ = 150·28.01/(8.314·293.1) = 1.724 kg/m³

Jawapan

ρ = 1.724 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 8.268 g

Stoikiometri: persamaan seimbang mengira zarah, bukan gram. Tukar jisim kepada mol dengan n = m/M, gunakan pekali persamaan sebagai nisbah mol, kemudian tukar balik dengan m = n·M. Dengan dua bahan tindak balas, bahan tindak balas pengehad ialah yang habis dahulu dan menentukan berapa banyak hasil terbentuk.

Mol setiap bahan tindak balas

n(Fe₂O₃) = 10/159.69 = 0.06262 mol

n(CO) = 32/28.01 = 1.142 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.06262/1 = 0.06262, 1.142/3 = 0.3808 → Fe₂O₃

Jisim hasil

n(CO₂) = 0.06262·3 = 0.1879 mol

m = 0.1879·44.01 = 8.268 g

Jawapan

m = 8.268 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 62 %

Hasil teori

n(CH₄) = 16/16.04 = 0.9975 mol

m = 0.9975·2/1·18.02 = 35.95 g

Hasil peratusan

Y = 22.29/35.95·100 = 62%

Jawapan

Y = 62%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.125 mol/L

Keseimbangan kimia: bagi aA + bB ⇌ cC + dD, pemalar keseimbangan ialah K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), menggunakan kepekatan pada keseimbangan. Jadual ICE (Awal, Perubahan, Keseimbangan) menghubungkan jumlah permulaan dengan jumlah keseimbangan melalui satu nilai tidak diketahui x, diskalakan oleh pekali.

Ungkapan keseimbangan

36 = (2x)²/(0.5 − x)²

Ambil punca kuasa dua

6 = 2x/(0.5 − x) → x = 0.5·6/(2 + 6) = 0.375 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.5 − x = 0.125 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.125 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.1236 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.2 = x²/(0.2 − x) → x² + 0.2·x − 0.04 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.2 + √(0.2² + 4·0.04))/2 = 0.1236 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.1236 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.1236 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 39.68 °C

Haba dan entalpi: memanaskan sesuatu bahan memerlukan q = m·c·ΔT. Dalam kalorimeter, haba yang hilang oleh objek panas sama dengan haba yang diperoleh objek sejuk. Perubahan entalpi sesuatu tindak balas diperoleh daripada entalpi pembentukan: ΔH° = ΣΔH°f(hasil) − ΣΔH°f(bahan tindak balas), setiap satu didarab dengan pekalinya.

Imbangan haba

250·0.897·(150 − T_f) = 250·4.18·(T_f − 16)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (224.3·150 + 1045·16)/(224.3 + 1045) = 39.68 °C

Jawapan

T_f = 39.68 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: ΔH° = −1453 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [2·(−393.5) + 4·(−285.8)] − [2·(−238.7) + 3·0] = −1453 kJ

Jawapan

ΔH° = −1453 kJ

Negatif: tindak balas membebaskan haba (eksotermik).

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t_½ = 8 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Separuh hayat peringkat kedua

t_½ = 1/(k·C_A0) = 1/(0.25·0.5) = 8 min

Jawapan

t_½ = 8 min

Setiap separuh hayat berikutnya dua kali lebih panjang, kerana C₀ telah menjadi separuh.

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: A = 4.424 × 10¹¹ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e^−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Suhu mutlak

T = 40 + 273.15 = 313.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk A

E_a/(RT) = 80000/(8.314·313.1) = 30.73

A = k·e^30.73 = 0.02·2.212 × 10¹³ = 4.424 × 10¹¹ s⁻¹

Jawapan

A = 4.424 × 10¹¹ s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: C_A = 1.341 mol/L

Reaktor unggul, tindak balas peringkat pertama (−r_A = k·C_A) pada keadaan mantap, dengan masa ruang τ = V/Q. CSTR bercampur sempurna, jadi seluruh isi padu bertindak balas pada kepekatan keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan C_A = C_A0/(1 + k·τ). Dalam PFR setiap hirisan bendalir bertindak balas seperti reaktor kelompok kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan C_A = C_A0·e^−k·τ. Untuk penukaran yang sama CSTR sentiasa memerlukan isi padu lebih besar daripada PFR.

Masa ruang

τ = V/Q = 100/25 = 4 min

Kepekatan keluaran

C_A = 2·e^−0.1·4 = 1.341 mol/L

Jawapan

C_A = 1.341 mol/L

Penukaran: X = 32.97%.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 50 %

Masa ruang

τ = V/Q = 250/50 = 5 min, kτ = 0.2·5 = 1

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 1/(1 + 1) = 50%

Jawapan

X = 50%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 5.508 m²

Kaedah LMTD: beza suhu antara kedua-dua aliran berubah sepanjang penukar, jadi persamaan kadar menggunakan min logaritmanya: Q̇ = U·A·ΔT_lm, dengan ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), dengan ΔT₁ dan ΔT₂ ialah beza pada kedua-dua hujung. Aliran berlawanan memberikan ΔT_lm yang lebih besar daripada aliran selari untuk suhu masuk dan keluar yang sama.

Beza suhu hujung

Dalam aliran berlawanan, masukan panas bertentangan dengan keluaran sejuk, dan keluaran panas bertentangan dengan masukan sejuk.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 130 − 90 = 40 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 85 − 10 = 75 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 75)/ln(40/75) = 55.68 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 460000/(1500·55.68) = 5.508 m²

Jawapan

A = 5.508 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 6.8 m²

Beban haba dan suhu keluaran air

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 1·2.1·50 = 105 kW

T_c,out = 30 + 105/(2·4.18) = 42.56 °C

Beza suhu hujung

Dalam aliran berlawanan, masukan panas bertentangan dengan keluaran sejuk, dan keluaran panas bertentangan dengan masukan sejuk.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 115 − 42.56 = 72.44 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 65 − 30 = 35 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (72.44 − 35)/ln(72.44/35) = 51.47 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 105000/(300·51.47) = 6.8 m²

Jawapan

A = 6.8 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 15.29 °C

Rintangan terma: aliran haba mantap melalui lapisan secara bersiri berkelakuan seperti arus melalui perintang secara bersiri: Q̇ = ΔT/ΣR, dengan R = L/(kA) bagi lapisan pengalir dan R = 1/(hA) bagi permukaan perolakan. Susutan suhu merentasi setiap lapisan berkadar dengan rintangannya.

Rintangan lapisan

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0.17·15) = 0.09804 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.04·15) = 0.125 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 13/0.223 = 58.29 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 21 − 58.29·0.09804 = 15.29 °C

Jawapan

T_i = 15.29 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 186.6 W

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7.7·4) = 0.03247 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0.72·4) = 0.06944 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0.96·4) = 0.01302 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·4) = 0.008333 K/W

ΣR = 0.1233 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (22 − (-1))/0.1233 = 186.6 W

Jawapan

Q̇ = 186.6 W

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 1.721 m

Aliran paip: nombor Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ membezakan aliran lamina (Re di bawah kira-kira 2000) daripada aliran gelora (di atas kira-kira 4000). Geseran sepanjang paip menyebabkan kehilangan turus Darcy–Weisbach h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Alat sambungan, injap, masukan dan keluaran menambah kehilangan kecil h_m = ΣK·V²/(2g). Antara dua permukaan takungan terbuka persamaan tenaga memberikan Δz = h_f + h_m, dengan kehilangan keluaran K = 1 disertakan.

Halaju min

A = π·0.3²/4 = 0.07069 m²

V = Q/A = 0.15/0.07069 = 2.122 m/s

Turus halaju

V²/(2g) = 2.122²/(2·9.81) = 0.2295 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(150/0.3)·2.122²/(2·9.81) = 1.721 m

Jawapan

h_f = 1.721 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 1.051 m

Halaju

V = Q/A = 0.08/0.07069 = 1.132 m/s

V²/(2g) = 0.06529 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.018·150/0.3 = 9

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 5 = 6.1

Persamaan tenaga

Pancutan keluaran masih membawa turus halajunya; ia bukan kehilangan tetapi mesti dibekalkan.

H = (1 + 9 + 6.1)·0.06529 = 1.051 m

Jawapan

H = 1.051 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 75.03 %

Kuasa pam: kuasa yang diberikan kepada air ialah kuasa hidraulik P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Aci mesti menyalurkan lebih kerana pam kehilangan sebahagian: P_shaft = P_h/η_pump, dan motor mengambil P_el = P_shaft/η_motor. Turus pam H diperoleh daripada persamaan tenaga: ketinggian statik + turus tekanan + semua kehilangan geseran dan kehilangan kecil.

Kuasa hidraulik

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.1·54 = 52.97 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 52.97/70.6 = 75.03%

Jawapan

η = 75.03%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 34.98 m

Halaju

V = Q/A = 0.02/0.007854 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 4)·0.3305 = 8.593 m

Turus tekanan

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9.81) = 20.39 m

Turus pam

Kedua-dua permukaan hampir pegun, jadi tiada sebutan turus halaju.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 6 + 20.39 + 8.593 = 34.98 m

Jawapan

H = 34.98 m

Ini ialah bahan latihan bebas. ExamProblems tidak berafiliasi dengan atau disokong oleh organisasi yang mengendalikan peperiksaan ini, dan nama peperiksaan hanya digunakan untuk menerangkan kandungannya. FE exam dikendalikan oleh NCEES, yang tidak bergabung dengan ExamProblems dan tidak menyokongnya.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical

Latihan peperiksaan FE Kimia: pek ulang kaji kilat

1Formula dan kaedah

Imbangan jisim

Imbangan tenaga

Hukum gas unggul

Stoikiometri

Kaedah

Keseimbangan kimia

Kaedah

Kalorimetri & entalpi

Kinetik tindak balas

Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Penukar haba (LMTD)

Pengaliran haba

Geseran paip & kehilangan turus

Pam & kuasa pam

2Soalan latihan

3Larutan

Imbangan

Selesaikan untuk ṁ2

Jawapan

Imbangan zat terlarut

Jawapan

Haba yang dibebaskan oleh aliran panas

Haba yang diserap oleh air

Jawapan

Haba dibebaskan

Haba yang sampai kepada air

Kadar alir air

Jawapan

Mol

Tekanan

Jawapan

Susun semula hukum gas

Ketumpatan

Jawapan

Mol setiap bahan tindak balas

Bahan tindak balas pengehad

Jisim hasil

Jawapan

Hasil teori

Hasil peratusan

Jawapan

Ungkapan keseimbangan

Ambil punca kuasa dua

Kepekatan keseimbangan

Jawapan

Ungkapan keseimbangan

Selesaikan kuadratik

Kepekatan keseimbangan

Jawapan

Imbangan haba

Selesaikan untuk suhu akhir

Jawapan

Entalpi tindak balas

Jawapan

Separuh hayat peringkat kedua

Jawapan

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk A

Jawapan

Masa ruang

Kepekatan keluaran

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Beban haba dan suhu keluaran air

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Suhu antara muka

Jawapan

Selesaikan untuk ṁ₂