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 เพื่อให้ผลิตภัณฑ์ที่ผสมแล้วมีNaOH 20% หา ṁ2
ṁ1 = 950 kg/hx1 = 5 %x2 = 45 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.สมดุลมวลยาก
เครื่องระเหยทำให้สารละลายน้ำตาลเข้มข้นขึ้นโดยต้มน้ำบริสุทธิ์ออก หา น้ำที่ระเหยออก W ในหน่วย kg/h
F = 2900 kg/hxF = 15 %xP = 65 %
W = kg/h
3.สมดุลพลังงานปานกลาง
เอทานอลร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก tout
ṁh = 0.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Cṁc = 1.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.สมดุลพลังงานยาก
เอทานอลร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 15% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁc ที่ต้องใช้
ṁh = 2 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 70 °Ct: 15 → 60 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 15 %
ṁc = kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติปานกลาง
180 g ของArมีปริมาตร V เท่าใดที่ 600 kPa และ 45 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ
m = 180 gM = 39.95 g/molP = 600 kPaT = 45 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.กฎแก๊สอุดมคติยาก
O₂ปริมาณคงที่เปลี่ยนจาก 400 kPa, 2 L, 15 °C ไปเป็น 700 kPa และ 100 °C หาปริมาตรใหม่ V2
P1 = 400 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 700 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์ปานกลาง
Na 12 g และ Cl2 20 g ทำปฏิกิริยากันตาม 2Na + Cl2 → 2NaCl จะเกิด NaCl มวล m ได้เท่าใด
M(Na) = 22.99M(Cl2) = 70.9M(NaCl) = 58.44 g/mol
m = g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์ยาก
ในปฏิกิริยา 2H2 + O2 → 2H2O H2 10 g ทำปฏิกิริยาหมด (สารตั้งต้นอื่นมีมากเกินพอ) และเก็บ H2O ได้ 73.3 g หาร้อยละผลได้ Y
M(H2) = 2.016 g/molM(H2O) = 18.02 g/molจริง: 73.3 g
Y = %
3สารละลาย
1.สมดุลมวล
คำตอบ: ṁ2 = 570 kg/h
สมดุลมวลที่สภาวะคงตัว: เข้า = ออก สำหรับมวลรวมและแต่ละองค์ประกอบ โจทย์การผสมใช้ทั้งสองอย่างร่วมกัน
สมดุล
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
แก้หา ṁ2
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 950·(5 − 20)/(20 − 45) = 570 kg/h
คำตอบ
ṁ2 = 570 kg/h
2.สมดุลมวล
คำตอบ: W = 2231 kg/h
องค์ประกอบเชื่อมโยง: องค์ประกอบที่ผ่านไปโดยไม่เปลี่ยนแปลงในสายหนึ่ง (ในที่นี้คือตัวถูกละลาย) เชื่อมอัตราการไหลเข้าด้วยกันโดยตรง จากนั้นสมดุลรวมจะให้ส่วนที่เหลือ
สมดุลตัวถูกละลาย
F·xF = P·xP → P = 2900·15/65 = 669.2 kg/h
สมดุลรวม
W = F − P = 2900 − 669.2 = 2231 kg/h
คำตอบ
W = 2231 kg/h
3.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: tout = 25.84 °C
สมดุลพลังงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน: เมื่อไม่มีการสูญเสีย ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)
ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก
Q = 0.5·2.44·(130 − 100) = 36.6 kW
ความร้อนที่น้ำรับไว้
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 36.6/(1.5·4.18) = 25.84 °C
คำตอบ
tout = 25.84 °C
4.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: ṁc = 2.205 kg/s
สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย
ความร้อนที่ปล่อยออก
Qh = 2·2.44·(170 − 70) = 488 kW
ความร้อนที่ถึงน้ำ
Qc = (1 − 0.15)·488 = 414.8 kW
อัตราการไหลของน้ำ
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 414.8/(4.18·45) = 2.205 kg/s
คำตอบ
ṁc = 2.205 kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V = 19.86 L
กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M
โมล
n = 180/39.95 = 4.506 mol
T = 45 + 273.15 = 318.1 K
ปริมาตร
V = nRT/P = 4.506·8.314·318.1/600 = 19.86 L
คำตอบ
V = 19.86 L
6.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V2 = 1.48 L
กฎแก๊สรวม: สำหรับแก๊สอุดมคติปริมาณคงที่ P1V1/T1 = P2V2/T2
อุณหภูมิสัมบูรณ์
T1 = 288.1 K, T2 = 373.1 K
กฎแก๊สรวม
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(400/700)·(373.1/288.1) = 1.48 L
คำตอบ
V2 = 1.48 L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: m = 30.5 g
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
โมลของสารตั้งต้นแต่ละตัว
n(Na) = 12/22.99 = 0.522 mol
n(Cl2) = 20/70.9 = 0.2821 mol
สารกำหนดปริมาณ
0.522/2 = 0.261, 0.2821/1 = 0.2821 → Na
มวลของผลิตภัณฑ์
n(NaCl) = 0.261·2 = 0.522 mol
m = 0.522·58.44 = 30.5 g
คำตอบ
m = 30.5 g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: Y = 82 %
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
ผลได้เชิงทฤษฎี
n(H2) = 10/2.016 = 4.96 mol
m = 4.96·2/2·18.02 = 89.38 g
ร้อยละผลได้
Y = 73.3/89.38·100 = 82%
คำตอบ
Y = 82%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances