สมดุลมวลและพลังงาน: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 8 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

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

  1. เขียนสมการเคมีและดุลสมการ
  2. แปลงมวลที่กำหนดเป็นโมล: n = m/M
  3. ใช้สัมประสิทธิ์เป็นอัตราส่วนโมลเพื่อหาโมลของสารที่ต้องการ
  4. แปลงกลับเป็นมวลด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว ให้หาสารกำหนดปริมาณก่อน

2โจทย์ฝึก

1.สมดุลมวลปานกลาง
เครื่องผสมสายที่ 1300 kg/h · 40% น้ำตาลสายที่ 2ṁ₂ = ? · 20% น้ำตาลผลิตภัณฑ์30% น้ำตาล

ต้องเติมสาย 2 ลงในสาย 1 ชั่วโมงละเท่าใด เพื่อให้ผลิตภัณฑ์ที่ผสมแล้วมีน้ำตาล 30% หา ṁ2

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.สมดุลมวลยาก
เครื่องระเหยสารป้อน F4600 kg/h · 7% เกลือผลิตภัณฑ์ PP = ? · 65%ไอ W (น้ำบริสุทธิ์)0% เกลือ

เครื่องระเหยทำให้สารละลายเกลือเข้มข้นขึ้นโดยต้มน้ำบริสุทธิ์ออก หา อัตราการไหลของผลิตภัณฑ์ P ในหน่วย kg/h

F = 4600 kg/hxF = 7 %xP = 65 %
P = kg/h
3.สมดุลพลังงานปานกลาง
ด้านร้อนด้านเย็นน้ำมันเบา · 120 °C80 °Cน้ำ · 15 °Ct = ? °C

น้ำมันเบาร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก tout

ṁh = 0.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.สมดุลพลังงานยาก
ด้านร้อนด้านเย็นไกลคอลผสม · 130 °C100 °Cน้ำ · 25 °C85 °C · ṁ = ?สูญเสีย 15%

ไกลคอลผสมร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 15% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁc ที่ต้องใช้

ṁh = 2.5 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Ct: 25 → 85 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 15 %
ṁc = kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติปานกลาง
340 g ของHeP = 550 kPaT = 80 °CV = ?

340 g ของHeมีปริมาตร V เท่าใดที่ 550 kPa และ 80 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ

m = 340 gM = 4.003 g/molP = 550 kPaT = 80 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.กฎแก๊สอุดมคติยาก
He, M = 4.003 g/molP = 450 kPaT = 50 °Cρ = ?

หาความหนาแน่น ρ ของHeที่ 450 kPa และ 50 °C โดยถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ

M = 4.003 g/molP = 450 kPaT = 50 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.ปริมาณสารสัมพันธ์ปานกลาง
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

C3H8 12 g และ O2 48 g ทำปฏิกิริยากันตาม C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O จะเกิด CO2 มวล m ได้เท่าใด

M(C3H8) = 44.1M(O2) = 32M(CO2) = 44.01 g/mol
m = g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์ยาก
m(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

ในปฏิกิริยา CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O CH4 6 g ทำปฏิกิริยาหมด (สารตั้งต้นอื่นมีมากเกินพอ) และเก็บ H2O ได้ 11.86 g หาร้อยละผลได้ Y

M(CH4) = 16.04 g/molM(H2O) = 18.02 g/molจริง: 11.86 g
Y = %

3สารละลาย

1.สมดุลมวล

คำตอบ: ṁ2 = 300 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) = 300·(40 − 30)/(30 − 20) = 300 kg/h

คำตอบ

ṁ2 = 300 kg/h
2.สมดุลมวล

คำตอบ: P = 495.4 kg/h

องค์ประกอบเชื่อมโยง: องค์ประกอบที่ผ่านไปโดยไม่เปลี่ยนแปลงในสายหนึ่ง (ในที่นี้คือตัวถูกละลาย) เชื่อมอัตราการไหลเข้าด้วยกันโดยตรง จากนั้นสมดุลรวมจะให้ส่วนที่เหลือ

สมดุลตัวถูกละลาย

F·xF = P·xP → P = 4600·7/65 = 495.4 kg/h

คำตอบ

P = 495.4 kg/h
3.สมดุลพลังงาน

คำตอบ: tout = 18.35 °C

สมดุลพลังงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน: เมื่อไม่มีการสูญเสีย ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)

ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก

Q = 0.5·2.1·(120 − 80) = 42 kW

ความร้อนที่น้ำรับไว้

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 42/(3·4.18) = 18.35 °C

คำตอบ

tout = 18.35 °C
4.สมดุลพลังงาน

คำตอบ: ṁc = 0.9151 kg/s

สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย

ความร้อนที่ปล่อยออก

Qh = 2.5·3.6·(130 − 100) = 270 kW

ความร้อนที่ถึงน้ำ

Qc = (1 − 0.15)·270 = 229.5 kW

อัตราการไหลของน้ำ

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 229.5/(4.18·60) = 0.9151 kg/s

คำตอบ

ṁc = 0.9151 kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติ

คำตอบ: V = 453.4 L

กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M

โมล

n = 340/4.003 = 84.94 mol
T = 80 + 273.15 = 353.1 K

ปริมาตร

V = nRT/P = 84.94·8.314·353.1/550 = 453.4 L

คำตอบ

V = 453.4 L
6.กฎแก๊สอุดมคติ

คำตอบ: ρ = 0.6705 kg/m³

ความหนาแน่นของแก๊สอุดมคติ: ρ = PM/(RT)

จัดรูปกฎแก๊สใหม่

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 50 + 273.15 = 323.1 K

ความหนาแน่น

ρ = 450·4.003/(8.314·323.1) = 0.6705 kg/m³

คำตอบ

ρ = 0.6705 kg/m³
7.ปริมาณสารสัมพันธ์

คำตอบ: m = 35.93 g

ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด

โมลของสารตั้งต้นแต่ละตัว

n(C3H8) = 12/44.1 = 0.2721 mol
n(O2) = 48/32 = 1.5 mol

สารกำหนดปริมาณ

0.2721/1 = 0.2721, 1.5/5 = 0.3 → C3H8

มวลของผลิตภัณฑ์

n(CO2) = 0.2721·3 = 0.8163 mol
m = 0.8163·44.01 = 35.93 g

คำตอบ

m = 35.93 g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์

คำตอบ: Y = 87.97 %

ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด

ผลได้เชิงทฤษฎี

n(CH4) = 6/16.04 = 0.3741 mol
m = 0.3741·2/1·18.02 = 13.48 g

ร้อยละผลได้

Y = 11.86/13.48·100 = 87.97%

คำตอบ

Y = 87.97%

ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances