สมดุลมวล
- สภาวะคงตัว
- เข้า = ออก
- สมดุลรวม
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- สมดุลองค์ประกอบ
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- เครื่องระเหย
- F·xF = P·xP, W = F − P
สมดุลมวลและพลังงาน: ชุดสรุปเร่งรัด
สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 8 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม
1สูตรและวิธีทำ
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 เพื่อให้ผลิตภัณฑ์ที่ผสมแล้วมีเกลือ 40% หา ṁ2
ṁ1 = 200 kg/hx1 = 15 %x2 = 50 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.สมดุลมวลยาก
เครื่องระเหยทำให้สารละลายน้ำตาลเข้มข้นขึ้นโดยต้มน้ำบริสุทธิ์ออก หา น้ำที่ระเหยออก W ในหน่วย kg/h
F = 4200 kg/hxF = 13 %xP = 40 %
W = kg/h
3.สมดุลพลังงานปานกลาง
ไกลคอลผสมร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก tout
ṁh = 1 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.สมดุลพลังงานยาก
ไกลคอลผสมร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 5% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁc ที่ต้องใช้
ṁh = 0.5 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 70 °Ct: 10 → 65 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 5 %
ṁc = kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติปานกลาง
370 g ของCO₂มีปริมาตร V เท่าใดที่ 100 kPa และ 55 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ
m = 370 gM = 44.01 g/molP = 100 kPaT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.กฎแก๊สอุดมคติยาก
CO₂ปริมาณคงที่เปลี่ยนจาก 350 kPa, 10 L, 40 °C ไปเป็น 750 kPa และ 160 °C หาปริมาตรใหม่ V2
P1 = 350 kPaV1 = 10 LT1 = 40 °CP2 = 750 kPaT2 = 160 °C
V2 = L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์ปานกลาง
N2 16 g และ H2 16 g ทำปฏิกิริยากันตาม N2 + 3H2 → 2NH3 จะเกิด NH3 มวล m ได้เท่าใด
M(N2) = 28.02M(H2) = 2.016M(NH3) = 17.03 g/mol
m = g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์ยาก
ในปฏิกิริยา 2Na + Cl2 → 2NaCl Na 12 g ทำปฏิกิริยาหมด (สารตั้งต้นอื่นมีมากเกินพอ) และเก็บ NaCl ได้ 18.91 g หาร้อยละผลได้ Y
M(Na) = 22.99 g/molM(NaCl) = 58.44 g/molจริง: 18.91 g
Y = %
3สารละลาย
1.สมดุลมวล
คำตอบ: ṁ2 = 500 kg/h
สมดุลมวลที่สภาวะคงตัว: เข้า = ออก สำหรับมวลรวมและแต่ละองค์ประกอบ โจทย์การผสมใช้ทั้งสองอย่างร่วมกัน
สมดุล
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
เกลือ: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
แก้หา ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 200·(15 − 40)/(40 − 50) = 500 kg/h
คำตอบ
ṁ2 = 500 kg/h
2.สมดุลมวล
คำตอบ: W = 2835 kg/h
องค์ประกอบเชื่อมโยง: องค์ประกอบที่ผ่านไปโดยไม่เปลี่ยนแปลงในสายหนึ่ง (ในที่นี้คือตัวถูกละลาย) เชื่อมอัตราการไหลเข้าด้วยกันโดยตรง จากนั้นสมดุลรวมจะให้ส่วนที่เหลือ
สมดุลตัวถูกละลาย
F·xF = P·xP → P = 4200·13/40 = 1365 kg/h
สมดุลรวม
W = F − P = 4200 − 1365 = 2835 kg/h
คำตอบ
W = 2835 kg/h
3.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: tout = 23.61 °C
สมดุลพลังงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน: เมื่อไม่มีการสูญเสีย ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)
ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก
Q = 1·3.6·(120 − 90) = 108 kW
ความร้อนที่น้ำรับไว้
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 108/(3·4.18) = 23.61 °C
คำตอบ
tout = 23.61 °C
4.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: ṁc = 0.7438 kg/s
สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย
ความร้อนที่ปล่อยออก
Qh = 0.5·3.6·(170 − 70) = 180 kW
ความร้อนที่ถึงน้ำ
Qc = (1 − 0.05)·180 = 171 kW
อัตราการไหลของน้ำ
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 171/(4.18·55) = 0.7438 kg/s
คำตอบ
ṁc = 0.7438 kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V = 229.4 L
กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M
โมล
n = 370/44.01 = 8.407 mol
T = 55 + 273.15 = 328.1 K
ปริมาตร
V = nRT/P = 8.407·8.314·328.1/100 = 229.4 L
คำตอบ
V = 229.4 L
6.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V2 = 6.455 L
กฎแก๊สรวม: สำหรับแก๊สอุดมคติปริมาณคงที่ P1V1/T1 = P2V2/T2
อุณหภูมิสัมบูรณ์
T1 = 313.1 K, T2 = 433.1 K
กฎแก๊สรวม
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(350/750)·(433.1/313.1) = 6.455 L
คำตอบ
V2 = 6.455 L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: m = 19.45 g
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
โมลของสารตั้งต้นแต่ละตัว
n(N2) = 16/28.02 = 0.571 mol
n(H2) = 16/2.016 = 7.937 mol
สารกำหนดปริมาณ
0.571/1 = 0.571, 7.937/3 = 2.646 → N2
มวลของผลิตภัณฑ์
n(NH3) = 0.571·2 = 1.142 mol
m = 1.142·17.03 = 19.45 g
คำตอบ
m = 19.45 g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: Y = 61.99 %
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
ผลได้เชิงทฤษฎี
n(Na) = 12/22.99 = 0.522 mol
m = 0.522·2/2·58.44 = 30.5 g
ร้อยละผลได้
Y = 18.91/30.5·100 = 61.99%
คำตอบ
Y = 61.99%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances