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 15% หา ṁ2
ṁ1 = 300 kg/hx1 = 10 %x2 = 50 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.สมดุลมวลยาก
เครื่องระเหยทำให้สารละลายเกลือเข้มข้นขึ้นโดยต้มน้ำบริสุทธิ์ออก หา อัตราการไหลของผลิตภัณฑ์ P ในหน่วย kg/h
F = 1700 kg/hxF = 6 %xP = 55 %
P = kg/h
3.สมดุลพลังงานปานกลาง
น้ำมันเบาร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก tout
ṁh = 0.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.สมดุลพลังงานยาก
เอทานอลร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 10% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁc ที่ต้องใช้
ṁh = 0.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Ct: 10 → 70 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 10 %
ṁc = kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติปานกลาง
70 g ของHeมีปริมาตร V เท่าใดที่ 350 kPa และ 5 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ
m = 70 gM = 4.003 g/molP = 350 kPaT = 5 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.กฎแก๊สอุดมคติยาก
N₂ปริมาณคงที่เปลี่ยนจาก 150 kPa, 2 L, 30 °C ไปเป็น 650 kPa และ 220 °C หาปริมาตรใหม่ V2
P1 = 150 kPaV1 = 2 LT1 = 30 °CP2 = 650 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์ปานกลาง
H2 4 g และ O2 16 g ทำปฏิกิริยากันตาม 2H2 + O2 → 2H2O จะเกิด H2O มวล m ได้เท่าใด
M(H2) = 2.016M(O2) = 32M(H2O) = 18.02 g/mol
m = g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์ยาก
ในปฏิกิริยา C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 C6H12O6 4 g ทำปฏิกิริยาหมด (สารตั้งต้นอื่นมีมากเกินพอ) และเก็บ C2H5OH ได้ 1.8 g หาร้อยละผลได้ Y
M(C6H12O6) = 180.16 g/molM(C2H5OH) = 46.07 g/molจริง: 1.8 g
Y = %
3สารละลาย
1.สมดุลมวล
คำตอบ: ṁ2 = 42.86 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) = 300·(10 − 15)/(15 − 50) = 42.86 kg/h
คำตอบ
ṁ2 = 42.86 kg/h
2.สมดุลมวล
คำตอบ: P = 185.5 kg/h
องค์ประกอบเชื่อมโยง: องค์ประกอบที่ผ่านไปโดยไม่เปลี่ยนแปลงในสายหนึ่ง (ในที่นี้คือตัวถูกละลาย) เชื่อมอัตราการไหลเข้าด้วยกันโดยตรง จากนั้นสมดุลรวมจะให้ส่วนที่เหลือ
สมดุลตัวถูกละลาย
F·xF = P·xP → P = 1700·6/55 = 185.5 kg/h
คำตอบ
P = 185.5 kg/h
3.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: tout = 14.19 °C
สมดุลพลังงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน: เมื่อไม่มีการสูญเสีย ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)
ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก
Q = 0.5·2.1·(120 − 70) = 52.5 kW
ความร้อนที่น้ำรับไว้
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 52.5/(3·4.18) = 14.19 °C
คำตอบ
tout = 14.19 °C
4.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: ṁc = 0.1751 kg/s
สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย
ความร้อนที่ปล่อยออก
Qh = 0.5·2.44·(170 − 130) = 48.8 kW
ความร้อนที่ถึงน้ำ
Qc = (1 − 0.1)·48.8 = 43.92 kW
อัตราการไหลของน้ำ
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 43.92/(4.18·60) = 0.1751 kg/s
คำตอบ
ṁc = 0.1751 kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V = 115.5 L
กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M
โมล
n = 70/4.003 = 17.49 mol
T = 5 + 273.15 = 278.1 K
ปริมาตร
V = nRT/P = 17.49·8.314·278.1/350 = 115.5 L
คำตอบ
V = 115.5 L
6.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V2 = 0.7508 L
กฎแก๊สรวม: สำหรับแก๊สอุดมคติปริมาณคงที่ P1V1/T1 = P2V2/T2
อุณหภูมิสัมบูรณ์
T1 = 303.1 K, T2 = 493.1 K
กฎแก๊สรวม
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(150/650)·(493.1/303.1) = 0.7508 L
คำตอบ
V2 = 0.7508 L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: m = 18.02 g
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
โมลของสารตั้งต้นแต่ละตัว
n(H2) = 4/2.016 = 1.984 mol
n(O2) = 16/32 = 0.5 mol
สารกำหนดปริมาณ
1.984/2 = 0.9921, 0.5/1 = 0.5 → O2
มวลของผลิตภัณฑ์
n(H2O) = 0.5·2 = 1 mol
m = 1·18.02 = 18.02 g
คำตอบ
m = 18.02 g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: Y = 87.99 %
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
ผลได้เชิงทฤษฎี
n(C6H12O6) = 4/180.16 = 0.0222 mol
m = 0.0222·2/1·46.07 = 2.046 g
ร้อยละผลได้
Y = 1.8/2.046·100 = 87.99%
คำตอบ
Y = 87.99%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances