1สูตรและวิธีทำ
สมดุลมวล
- สภาวะคงตัว
- เข้า = ออก
- สมดุลรวม
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- สมดุลองค์ประกอบ
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- เครื่องระเหย
- F·xF = P·xP, W = F − P
สมดุลพลังงาน
- ความร้อนสัมผัส
- Q = ṁ·cp·ΔT
- ความร้อนแฝง
- Q = ṁ·hfg
- การผสม
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- น้ำ
- cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)
กฎแก๊สอุดมคติ
- กฎแก๊สอุดมคติ
- pV = nRT
- ค่าคงที่แก๊ส
- R = 8.314 J/(mol·K)
- กฎแก๊สรวม
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- โมล
- n = m/M
- อุณหภูมิ
- T[K] = T[°C] + 273.15
ปริมาณสารสัมพันธ์
- โมล
- n = m/M
- ความเข้มข้น
- c = n/V
- อัตราส่วนโมล
- ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการที่ดุลแล้ว
- สารกำหนดปริมาณ
- ตัวที่หมดก่อน
- ร้อยละผลได้
- จริง / ทฤษฎี × 100%
วิธีการ
- เขียนสมการเคมีและดุลสมการ
- แปลงมวลที่กำหนดเป็นโมล: n = m/M
- ใช้สัมประสิทธิ์เป็นอัตราส่วนโมลเพื่อหาโมลของสารที่ต้องการ
- แปลงกลับเป็นมวลด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว ให้หาสารกำหนดปริมาณก่อน
2โจทย์ฝึก
1.สมดุลมวลปานกลาง
ต้องเติมสาย 2 ลงในสาย 1 ชั่วโมงละเท่าใด เพื่อให้ผลิตภัณฑ์ที่ผสมแล้วมีน้ำตาล 20% หา ṁ2
ṁ1 = 650 kg/hx1 = 10 %x2 = 40 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.สมดุลมวลยาก
เครื่องระเหยทำให้สารละลายNaOHเข้มข้นขึ้นโดยต้มน้ำบริสุทธิ์ออก หา อัตราการไหลของผลิตภัณฑ์ P ในหน่วย kg/h
F = 3400 kg/hxF = 19 %xP = 50 %
P = kg/h
3.สมดุลพลังงานปานกลาง
น้ำมันเบาร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก tout
ṁh = 1 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.สมดุลพลังงานยาก
น้ำมันเบาร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 10% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁc ที่ต้องใช้
ṁh = 3 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 120 °Ct: 15 → 65 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 10 %
ṁc = kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติปานกลาง
ถังขนาด 10 L บรรจุCO₂ปริมาณ 460 g ที่ 90 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ แล้วหาความดัน P
m = 460 gM = 44.01 g/molV = 10 LT = 90 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.กฎแก๊สอุดมคติยาก
CO₂ปริมาณคงที่เปลี่ยนจาก 250 kPa, 5 L, 30 °C ไปเป็น 250 kPa และ 190 °C หาปริมาตรใหม่ V2
P1 = 250 kPaV1 = 5 LT1 = 30 °CP2 = 250 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์ปานกลาง
CH4 8 g และ O2 40 g ทำปฏิกิริยากันตาม CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O จะเกิด H2O มวล m ได้เท่าใด
M(CH4) = 16.04M(O2) = 32M(H2O) = 18.02 g/mol
m = g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์ยาก
ในปฏิกิริยา CaCO3 → CaO + CO2 CaCO3 16 g ทำปฏิกิริยาหมด (สารตั้งต้นอื่นมีมากเกินพอ) และเก็บ CaO ได้ 7.35 g หาร้อยละผลได้ Y
M(CaCO3) = 100.09 g/molM(CaO) = 56.08 g/molจริง: 7.35 g
Y = %
3สารละลาย
1.สมดุลมวล
คำตอบ: ṁ2 = 325 kg/h
สมดุลมวลที่สภาวะคงตัว: เข้า = ออก สำหรับมวลรวมและแต่ละองค์ประกอบ โจทย์การผสมใช้ทั้งสองอย่างร่วมกัน
สมดุล
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
น้ำตาล: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
แก้หา ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(10 − 20)/(20 − 40) = 325 kg/h
2.สมดุลมวล
คำตอบ: P = 1292 kg/h
องค์ประกอบเชื่อมโยง: องค์ประกอบที่ผ่านไปโดยไม่เปลี่ยนแปลงในสายหนึ่ง (ในที่นี้คือตัวถูกละลาย) เชื่อมอัตราการไหลเข้าด้วยกันโดยตรง จากนั้นสมดุลรวมจะให้ส่วนที่เหลือ
สมดุลตัวถูกละลาย
F·xF = P·xP → P = 3400·19/50 = 1292 kg/h
3.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: tout = 35.12 °C
สมดุลพลังงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน: เมื่อไม่มีการสูญเสีย ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)
ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก
Q = 1·2.1·(180 − 130) = 105 kW
ความร้อนที่น้ำรับไว้
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 105/(1·4.18) = 35.12 °C
4.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: ṁc = 1.356 kg/s
สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย
ความร้อนที่ปล่อยออก
Qh = 3·2.1·(170 − 120) = 315 kW
ความร้อนที่ถึงน้ำ
Qc = (1 − 0.1)·315 = 283.5 kW
อัตราการไหลของน้ำ
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 283.5/(4.18·50) = 1.356 kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: P = 3156 kPa
กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M
โมล
n = m/M = 460/44.01 = 10.45 mol
T = 90 + 273.15 = 363.1 K
ความดัน
P = nRT/V = 10.45·8.314·363.1/0.01 = 3156 kPa
6.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V2 = 7.639 L
กฎแก๊สรวม: สำหรับแก๊สอุดมคติปริมาณคงที่ P1V1/T1 = P2V2/T2
อุณหภูมิสัมบูรณ์
T1 = 303.1 K, T2 = 463.1 K
กฎแก๊สรวม
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(250/250)·(463.1/303.1) = 7.639 L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: m = 17.98 g
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
โมลของสารตั้งต้นแต่ละตัว
n(CH4) = 8/16.04 = 0.4988 mol
n(O2) = 40/32 = 1.25 mol
สารกำหนดปริมาณ
0.4988/1 = 0.4988, 1.25/2 = 0.625 → CH4
มวลของผลิตภัณฑ์
n(H2O) = 0.4988·2 = 0.9975 mol
m = 0.9975·18.02 = 17.98 g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: Y = 81.99 %
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
ผลได้เชิงทฤษฎี
n(CaCO3) = 16/100.09 = 0.1599 mol
m = 0.1599·1/1·56.08 = 8.965 g
ร้อยละผลได้
Y = 7.35/8.965·100 = 81.99%