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 40% หา ṁ2
ṁ1 = 250 kg/hx1 = 50 %x2 = 15 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.สมดุลมวลยาก
เครื่องระเหยทำให้สารละลายNaOHเข้มข้นขึ้นโดยต้มน้ำบริสุทธิ์ออก หา น้ำที่ระเหยออก W ในหน่วย kg/h
F = 2500 kg/hxF = 12 %xP = 40 %
W = kg/h
3.สมดุลพลังงานปานกลาง
ไกลคอลผสมร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก tout
ṁh = 1 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 100 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.สมดุลพลังงานยาก
น้ำมันเบาร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 10% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁc ที่ต้องใช้
ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Ct: 15 → 65 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 10 %
ṁc = kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติปานกลาง
ถังขนาด 50 L บรรจุO₂ปริมาณ 490 g ที่ 0 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ แล้วหาความดัน P
m = 490 gM = 32 g/molV = 50 LT = 0 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.กฎแก๊สอุดมคติยาก
CH₄ปริมาณคงที่เปลี่ยนจาก 100 kPa, 10 L, 35 °C ไปเป็น 350 kPa และ 250 °C หาปริมาตรใหม่ V2
P1 = 100 kPaV1 = 10 LT1 = 35 °CP2 = 350 kPaT2 = 250 °C
V2 = L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์ปานกลาง
C3H8 20 g และ O2 24 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
ในปฏิกิริยา C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 C6H12O6 24 g ทำปฏิกิริยาหมด (สารตั้งต้นอื่นมีมากเกินพอ) และเก็บ C2H5OH ได้ 10.8 g หาร้อยละผลได้ Y
M(C6H12O6) = 180.16 g/molM(C2H5OH) = 46.07 g/molจริง: 10.8 g
Y = %
3สารละลาย
1.สมดุลมวล
คำตอบ: ṁ2 = 100 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) = 250·(50 − 40)/(40 − 15) = 100 kg/h
2.สมดุลมวล
คำตอบ: W = 1750 kg/h
องค์ประกอบเชื่อมโยง: องค์ประกอบที่ผ่านไปโดยไม่เปลี่ยนแปลงในสายหนึ่ง (ในที่นี้คือตัวถูกละลาย) เชื่อมอัตราการไหลเข้าด้วยกันโดยตรง จากนั้นสมดุลรวมจะให้ส่วนที่เหลือ
สมดุลตัวถูกละลาย
F·xF = P·xP → P = 2500·12/40 = 750 kg/h
สมดุลรวม
W = F − P = 2500 − 750 = 1750 kg/h
3.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: tout = 44.45 °C
สมดุลพลังงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน: เมื่อไม่มีการสูญเสีย ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)
ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก
Q = 1·3.6·(140 − 100) = 144 kW
ความร้อนที่น้ำรับไว้
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 144/(1·4.18) = 44.45 °C
4.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: ṁc = 0.4069 kg/s
สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย
ความร้อนที่ปล่อยออก
Qh = 1.5·2.1·(120 − 90) = 94.5 kW
ความร้อนที่ถึงน้ำ
Qc = (1 − 0.1)·94.5 = 85.05 kW
อัตราการไหลของน้ำ
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 85.05/(4.18·50) = 0.4069 kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: P = 695.5 kPa
กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M
โมล
n = m/M = 490/32 = 15.31 mol
T = 0 + 273.15 = 273.1 K
ความดัน
P = nRT/V = 15.31·8.314·273.1/0.05 = 695.5 kPa
6.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V2 = 4.851 L
กฎแก๊สรวม: สำหรับแก๊สอุดมคติปริมาณคงที่ P1V1/T1 = P2V2/T2
อุณหภูมิสัมบูรณ์
T1 = 308.1 K, T2 = 523.1 K
กฎแก๊สรวม
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(100/350)·(523.1/308.1) = 4.851 L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: m = 19.8 g
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
โมลของสารตั้งต้นแต่ละตัว
n(C3H8) = 20/44.1 = 0.4535 mol
n(O2) = 24/32 = 0.75 mol
สารกำหนดปริมาณ
0.4535/1 = 0.4535, 0.75/5 = 0.15 → O2
มวลของผลิตภัณฑ์
n(CO2) = 0.15·3 = 0.45 mol
m = 0.45·44.01 = 19.8 g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: Y = 87.99 %
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
ผลได้เชิงทฤษฎี
n(C6H12O6) = 24/180.16 = 0.1332 mol
m = 0.1332·2/1·46.07 = 12.27 g
ร้อยละผลได้
Y = 10.8/12.27·100 = 87.99%