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 15% หา ṁ2
ṁ1 = 200 kg/hx1 = 5 %x2 = 30 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.สมดุลมวลยาก
เครื่องระเหยทำให้สารละลายNaOHเข้มข้นขึ้นโดยต้มน้ำบริสุทธิ์ออก หา อัตราการไหลของผลิตภัณฑ์ P ในหน่วย kg/h
F = 4300 kg/hxF = 11 %xP = 50 %
P = kg/h
3.สมดุลพลังงานปานกลาง
ไกลคอลผสมร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก tout
ṁh = 1 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.สมดุลพลังงานยาก
เอทานอลร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 5% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁc ที่ต้องใช้
ṁh = 2 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 80 °Ct: 30 → 75 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 5 %
ṁc = kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติปานกลาง
370 g ของCO₂มีปริมาตร V เท่าใดที่ 250 kPa และ 70 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ
m = 370 gM = 44.01 g/molP = 250 kPaT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.กฎแก๊สอุดมคติยาก
N₂ปริมาณคงที่เปลี่ยนจาก 100 kPa, 2 L, 15 °C ไปเป็น 700 kPa และ 110 °C หาปริมาตรใหม่ V2
P1 = 100 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 700 kPaT2 = 110 °C
V2 = L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์ปานกลาง
Fe2O3 10 g และ CO 20 g ทำปฏิกิริยากันตาม Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 จะเกิด Fe มวล m ได้เท่าใด
M(Fe2O3) = 159.69M(CO) = 28.01M(Fe) = 55.85 g/mol
m = g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์ยาก
ในปฏิกิริยา C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O C3H8 24 g ทำปฏิกิริยาหมด (สารตั้งต้นอื่นมีมากเกินพอ) และเก็บ H2O ได้ 34.52 g หาร้อยละผลได้ Y
M(C3H8) = 44.1 g/molM(H2O) = 18.02 g/molจริง: 34.52 g
Y = %
3สารละลาย
1.สมดุลมวล
คำตอบ: ṁ2 = 133.3 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) = 200·(5 − 15)/(15 − 30) = 133.3 kg/h
2.สมดุลมวล
คำตอบ: P = 946 kg/h
องค์ประกอบเชื่อมโยง: องค์ประกอบที่ผ่านไปโดยไม่เปลี่ยนแปลงในสายหนึ่ง (ในที่นี้คือตัวถูกละลาย) เชื่อมอัตราการไหลเข้าด้วยกันโดยตรง จากนั้นสมดุลรวมจะให้ส่วนที่เหลือ
สมดุลตัวถูกละลาย
F·xF = P·xP → P = 4300·11/50 = 946 kg/h
3.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: tout = 36.53 °C
สมดุลพลังงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน: เมื่อไม่มีการสูญเสีย ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)
ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก
Q = 1·3.6·(150 − 100) = 180 kW
ความร้อนที่น้ำรับไว้
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 180/(2·4.18) = 36.53 °C
4.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: ṁc = 1.972 kg/s
สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย
ความร้อนที่ปล่อยออก
Qh = 2·2.44·(160 − 80) = 390.4 kW
ความร้อนที่ถึงน้ำ
Qc = (1 − 0.05)·390.4 = 370.9 kW
อัตราการไหลของน้ำ
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 370.9/(4.18·45) = 1.972 kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V = 95.94 L
กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M
โมล
n = 370/44.01 = 8.407 mol
T = 70 + 273.15 = 343.1 K
ปริมาตร
V = nRT/P = 8.407·8.314·343.1/250 = 95.94 L
6.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V2 = 0.3799 L
กฎแก๊สรวม: สำหรับแก๊สอุดมคติปริมาณคงที่ P1V1/T1 = P2V2/T2
อุณหภูมิสัมบูรณ์
T1 = 288.1 K, T2 = 383.1 K
กฎแก๊สรวม
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(100/700)·(383.1/288.1) = 0.3799 L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: m = 6.995 g
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
โมลของสารตั้งต้นแต่ละตัว
n(Fe2O3) = 10/159.69 = 0.06262 mol
n(CO) = 20/28.01 = 0.714 mol
สารกำหนดปริมาณ
0.06262/1 = 0.06262, 0.714/3 = 0.238 → Fe2O3
มวลของผลิตภัณฑ์
n(Fe) = 0.06262·2 = 0.1252 mol
m = 0.1252·55.85 = 6.995 g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: Y = 88 %
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
ผลได้เชิงทฤษฎี
n(C3H8) = 24/44.1 = 0.5442 mol
m = 0.5442·4/1·18.02 = 39.23 g
ร้อยละผลได้
Y = 34.52/39.23·100 = 88%