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 25% NaOH? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 850 kg/hx₁ = 20 %x₂ = 30 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 2200 kg/hx_F = 6 %x_P = 50 %

P = kg/h

3.Imbangan tenagaSederhana

etanol 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 = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 100 °Cṁ_c = 3 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 = 0.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 60 °Ct: 25 → 45 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Satu tangki 20 L mengandungi 390 g He pada 35 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 390 gM = 4.003 g/molV = 20 LT = 35 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah Ar yang tetap berubah daripada 150 kPa, 2 L, 30 °C kepada 500 kPa dan 250 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 150 kPaV₁ = 2 LT₁ = 30 °CP₂ = 500 kPaT₂ = 250 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

4 g Mg dan 48 g O₂ bertindak balas mengikut 2Mg + O₂ → 2MgO. Berapakah jisim m bagi MgO yang boleh terbentuk?

M(Mg) = 24.31M(O₂) = 32M(MgO) = 40.3 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂, 6 g C₆H₁₂O₆ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 2.29 g CO₂ dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(C₆H₁₂O₆) = 180.16 g/molM(CO₂) = 44.01 g/molsebenar: 2.29 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.8 mol/L H₂ dan 0.8 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 25. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LK_c = 25

[HI] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.04 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LK_c = 0.04

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah plumbum 200 g (c = 0.129 J/(g·°C)) pada 150 °C dijatuhkan ke dalam 200 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 21 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 200 gc_metal = 0.129 J/(g·°C)T_metal = 150 °Cm_water = 200 gT_water = 21 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari haba q yang dibebaskan apabila 20 g C₃H₈ (M = 44.1 g/mol) terbakar sepenuhnya: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(C₃H₈) = −103.8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Kinetik tindak balasSederhana

Satu tindak balas peringkat sifar mempunyai k = 0.02 mol/(L·min) dan bermula pada 0.8 mol/L. Berapa lamakah masa yang diambil untuk mencapai penukaran 75%? Cari t.

k = 0.02 mol/(L·min)C_A0 = 0.8 mol/LX = 75 %

t = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai pemalar kadar 0.005 s⁻¹ pada 80 °C dan tenaga pengaktifan 100 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponen A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0.005 s⁻¹T = 80 °CE_a = 100 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 = 0.08 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 800 L. Suapan masuk pada 80 L/min dengan C_A0 = 0.5 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran C_A.

V = 800 LQ = 80 L/mink = 0.08 min⁻¹C_A0 = 0.5 mol/L

C_A = mol/L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.1 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 800 L yang disuap pada 10 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 800 LQ = 10 L/mink = 0.1 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran berlawanan memindahkan 220 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 165 kepada 145 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 30 kepada 130 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 500 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 220 kWU = 500 W/(m²·K)T_h: 165 → 145 °CT_c: 30 → 130 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Stim memeluwap pada 100 °C yang malar di luar tiub sebuah kondenser dengan luas pemindahan haba 2 m² dan U = 3000 W/(m²·K). Air penyejuk (3 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) masuk ke dalam tiub pada 10 °C. Cari suhu keluar air T_c,out.

T_s = 100 °CA = 2 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 3 kg/sc_p = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 10 °C

T_c,out = °C

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 150 mm konkrit dan 50 mm kaca, dengan luas 4 m². Muka luarnya berada pada 25 °C dan -11 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 1.4 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.96 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 25 °CT₃ = -11 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 100 mm konkrit dan 150 mm kayu memisahkan bilik pada 20 °C daripada udara luar pada -9 °C. Pekali perolakan ialah 10 W/(m²·K) di dalam dan 20 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 15 m². Cari kehilangan haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 100 mm, k₁ = 1.4 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -9 °C

Q̇ = W

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir pada 2 m/s melalui paip mengufuk sepanjang 300 m dengan diameter dalam 150 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.028 dan g = 9.81 m/s². Cari susutan tekanan Δp sepanjang paip dalam kPa.

V = 2 m/sL = 300 mD = 150 mmf = 0.028ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 100 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.02. Permukaan air takungan atas berada 12 m di atas takungan bawah. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 3 lengkuk (K = 0.3 setiap satu), injap (K = 5) dan keluaran ke dalam takungan bawah (K = 1.0). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kadar alir Q dalam L/s.

Δz = 12 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.02K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 5K_exit = 1.0

Q = L/s

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 150 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 34 m manakala acinya mengambil 71.5 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 150 L/sH = 34 mP_shaft = 71.5 kWg = 9.81 m/s²

η = %

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 5 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 600 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.025; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 8 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 25 L/sΔz = 5 mL = 600 mD = 150 mmf = 0.025ΣK = 8

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 850 kg/h

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

Imbangan

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

NaOH: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 850·(20 − 25)/(25 − 30) = 850 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 850 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 264 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 = 2200·6/50 = 264 kg/h

Jawapan

P = 264 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 38.35 °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 = 1.5·2.44·(180 − 100) = 292.8 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 292.8/(3·4.18) = 38.35 °C

Jawapan

t_out = 38.35 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 1.182 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 0.5·2.44·(150 − 60) = 109.8 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.1)·109.8 = 98.82 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 98.82/(4.18·20) = 1.182 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 1.182 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 12480 kPa

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

Mol

n = m/M = 390/4.003 = 97.43 mol

T = 35 + 273.15 = 308.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 97.43·8.314·308.1/0.02 = 12480 kPa

Jawapan

P = 12480 kPa

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 1.035 L

Hukum gas gabungan: bagi jumlah gas unggul yang tetap, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Suhu mutlak

T₁ = 303.1 K, T₂ = 523.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(150/500)·(523.1/303.1) = 1.035 L

Jawapan

V₂ = 1.035 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 6.631 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(Mg) = 4/24.31 = 0.1645 mol

n(O₂) = 48/32 = 1.5 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.1645/2 = 0.08227, 1.5/1 = 1.5 → Mg

Jisim hasil

n(MgO) = 0.08227·2 = 0.1645 mol

m = 0.1645·40.3 = 6.631 g

Jawapan

m = 6.631 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 78.12 %

Hasil teori

n(C₆H₁₂O₆) = 6/180.16 = 0.0333 mol

m = 0.0333·2/1·44.01 = 2.931 g

Hasil peratusan

Y = 2.29/2.931·100 = 78.12%

Jawapan

Y = 78.12%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 1.143 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

25 = (2x)²/(0.8 − x)²

Ambil punca kuasa dua

5 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·5/(2 + 5) = 0.5714 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 1.143 mol/L

Jawapan

[HI] = 1.143 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 0.819 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.04 = x²/(1 − x) → x² + 0.04·x − 0.04 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.04 + √(0.04² + 4·0.04))/2 = 0.181 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 1 − 0.181 = 0.819 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.819 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 24.86 °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

200·0.129·(150 − T_f) = 200·4.18·(T_f − 21)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (25.8·150 + 836·21)/(25.8 + 836) = 24.86 °C

Jawapan

T_f = 24.86 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 1007 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [3·(−393.5) + 4·(−285.8)] − [1·(−103.8) + 5·0] = −2220 kJ

Haba untuk jisim yang diberi

n = 20/44.1 = 0.4535 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0.4535·2220 = 1007 kJ

Jawapan

q = 1007 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 30 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).

Jumlah yang ditukar

C_A0·X = 0.8·0.75 = 0.6 mol/L

Masa

t = C_A0·X/k = 0.6/0.02 = 30 min

Jawapan

t = 30 min

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: A = 3.094 × 10¹² 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 = 80 + 273.15 = 353.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk A

E_a/(RT) = 100000/(8.314·353.1) = 34.06

A = k·e^34.06 = 0.005·6.189 × 10¹⁴ = 3.094 × 10¹² s⁻¹

Jawapan

A = 3.094 × 10¹² s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: C_A = 0.2247 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 = 800/80 = 10 min

Kepekatan keluaran

C_A = 0.5·e^−0.08·10 = 0.2247 mol/L

Jawapan

C_A = 0.2247 mol/L

Penukaran: X = 55.07%.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 88.89 %

Masa ruang

τ = V/Q = 800/10 = 80 min, kτ = 0.1·80 = 8

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 8/(1 + 8) = 88.89%

Jawapan

X = 88.89%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 6.543 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 = 165 − 130 = 35 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 145 − 30 = 115 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 115)/ln(35/115) = 67.25 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 220000/(500·67.25) = 6.543 m²

Jawapan

A = 6.543 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: T_c,out = 44.22 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔT_lm, with ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔT_lm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Gabungkan imbangan tenaga dan persamaan kadar

Dengan ΔT₁ = T_s − T_c,in dan ΔT₂ = T_s − T_c,out, beza ΔT₁ − ΔT₂ sama dengan kenaikan suhu air, maka kenaikan itu saling batal.

ṁc_p(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 3000·2/(3·4180) = 0.4785

Suhu keluar

ΔT₂ = ΔT₁·e^−0.4785 = 90·0.6197 = 55.78 K

T_c,out = 100 − 55.78 = 44.22 °C

Jawapan

T_c,out = 44.22 °C

Haba yang dipindahkan: Q̇ = 429.2 kW.

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 904.4 W

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) = (150/1000)/(1.4·4) = 0.02679 K/W

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

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 36/0.03981 = 904.4 W

Jawapan

Q̇ = 904.4 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 394.1 W

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·15) = 0.006667 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(1.4·15) = 0.004762 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.17·15) = 0.05882 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·15) = 0.003333 K/W

ΣR = 0.07359 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (20 − (-9))/0.07359 = 394.1 W

Jawapan

Q̇ = 394.1 W

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δp = 112 kPa

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.

Kehilangan turus

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.028·(300/0.15)·2²/(2·9.81) = 11.42 m

Susutan tekanan

Paip itu mengufuk dan halaju tidak berubah, jadi persamaan tenaga dipermudahkan kepada Δp = ρ·g·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9.81·11.42 = 112000 Pa = 112 kPa

Jawapan

Δp = 112 kPa

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 59.55 L/s

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.02·100/0.15 = 13.33

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 5 + 1.0 = 7.4

Persamaan tenaga

Kedua-dua permukaan terbuka kepada udara dan hampir pegun, jadi seluruh Δz hilang dalam paip.

12 = (13.33 + 7.4)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·12/20.73) = 3.37 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 3.37·0.01767 = 0.05955 m³/s = 59.55 L/s

Jawapan

Q = 59.55 L/s

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 69.97 %

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 = 1000·9.81·0.15·34 = 50.03 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 50.03/71.5 = 69.97%

Jawapan

η = 69.97%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 16.02 m

Halaju

V = Q/A = 0.025/0.01767 = 1.415 m/s

V²/(2g) = 0.102 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (100 + 8)·0.102 = 11.02 m

Turus pam

Kedua-dua permukaan terbuka dan hampir pegun, jadi sebutan tekanan dan halaju tersingkir.

H = Δz + h_L = 5 + 11.02 = 16.02 m

Jawapan

H = 16.02 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

Suhu mutlak

Hukum gas gabungan

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

Haba untuk jisim yang diberi

Jawapan

Jumlah yang ditukar

Masa

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

Gabungkan imbangan tenaga dan persamaan kadar

Suhu keluar

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Jawapan

Rintangan secara bersiri

Selesaikan untuk ṁ₂