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 เพื่อให้ผลิตภัณฑ์ที่ผสมแล้วมีน้ำตาล 40% หา ṁ2
ṁ1 = 400 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.สมดุลมวลยาก
เครื่องระเหยทำให้สารละลายNaOHเข้มข้นขึ้นโดยต้มน้ำบริสุทธิ์ออก หา อัตราการไหลของผลิตภัณฑ์ P ในหน่วย kg/h
F = 2300 kg/hxF = 5 %xP = 55 %
P = kg/h
3.สมดุลพลังงานปานกลาง
น้ำมันเบาร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก tout
ṁh = 1 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 60 °Cṁc = 1.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.สมดุลพลังงานยาก
น้ำมันเบาร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 15% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁc ที่ต้องใช้
ṁh = 0.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Ct: 20 → 70 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 15 %
ṁc = kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติปานกลาง
240 g ของCO₂มีปริมาตร V เท่าใดที่ 600 kPa และ 20 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ
m = 240 gM = 44.01 g/molP = 600 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.กฎแก๊สอุดมคติยาก
CH₄ปริมาณคงที่เปลี่ยนจาก 100 kPa, 5 L, 35 °C ไปเป็น 100 kPa และ 70 °C หาปริมาตรใหม่ V2
P1 = 100 kPaV1 = 5 LT1 = 35 °CP2 = 100 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์ปานกลาง
Fe2O3 30 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 N2 + 3H2 → 2NH3 N2 24 g ทำปฏิกิริยาหมด (สารตั้งต้นอื่นมีมากเกินพอ) และเก็บ NH3 ได้ 23.92 g หาร้อยละผลได้ Y
M(N2) = 28.02 g/molM(NH3) = 17.03 g/molจริง: 23.92 g
Y = %
3สารละลาย
1.สมดุลมวล
คำตอบ: ṁ2 = 1600 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) = 400·(20 − 40)/(40 − 45) = 1600 kg/h
คำตอบ
ṁ2 = 1600 kg/h
2.สมดุลมวล
คำตอบ: P = 209.1 kg/h
องค์ประกอบเชื่อมโยง: องค์ประกอบที่ผ่านไปโดยไม่เปลี่ยนแปลงในสายหนึ่ง (ในที่นี้คือตัวถูกละลาย) เชื่อมอัตราการไหลเข้าด้วยกันโดยตรง จากนั้นสมดุลรวมจะให้ส่วนที่เหลือ
สมดุลตัวถูกละลาย
F·xF = P·xP → P = 2300·5/55 = 209.1 kg/h
คำตอบ
P = 209.1 kg/h
3.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: tout = 58.49 °C
สมดุลพลังงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน: เมื่อไม่มีการสูญเสีย ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)
ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก
Q = 1·2.1·(160 − 60) = 210 kW
ความร้อนที่น้ำรับไว้
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 210/(1.5·4.18) = 58.49 °C
คำตอบ
tout = 58.49 °C
4.สมดุลพลังงาน
คำตอบ: ṁc = 0.1281 kg/s
สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย
ความร้อนที่ปล่อยออก
Qh = 0.5·2.1·(120 − 90) = 31.5 kW
ความร้อนที่ถึงน้ำ
Qc = (1 − 0.15)·31.5 = 26.77 kW
อัตราการไหลของน้ำ
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 26.77/(4.18·50) = 0.1281 kg/s
คำตอบ
ṁc = 0.1281 kg/s
5.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V = 22.15 L
กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M
โมล
n = 240/44.01 = 5.453 mol
T = 20 + 273.15 = 293.1 K
ปริมาตร
V = nRT/P = 5.453·8.314·293.1/600 = 22.15 L
คำตอบ
V = 22.15 L
6.กฎแก๊สอุดมคติ
คำตอบ: V2 = 5.568 L
กฎแก๊สรวม: สำหรับแก๊สอุดมคติปริมาณคงที่ P1V1/T1 = P2V2/T2
อุณหภูมิสัมบูรณ์
T1 = 308.1 K, T2 = 343.1 K
กฎแก๊สรวม
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(100/100)·(343.1/308.1) = 5.568 L
คำตอบ
V2 = 5.568 L
7.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: m = 20.98 g
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
โมลของสารตั้งต้นแต่ละตัว
n(Fe2O3) = 30/159.69 = 0.1879 mol
n(CO) = 20/28.01 = 0.714 mol
สารกำหนดปริมาณ
0.1879/1 = 0.1879, 0.714/3 = 0.238 → Fe2O3
มวลของผลิตภัณฑ์
n(Fe) = 0.1879·2 = 0.3757 mol
m = 0.3757·55.85 = 20.98 g
คำตอบ
m = 20.98 g
8.ปริมาณสารสัมพันธ์
คำตอบ: Y = 81.99 %
ปริมาณสารสัมพันธ์: สมการเคมีที่ดุลแล้วนับอนุภาค ไม่ใช่กรัม แปลงมวลเป็นโมลด้วย n = m/M ใช้สัมประสิทธิ์ของสมการเป็นอัตราส่วนโมล แล้วแปลงกลับด้วย m = n·M เมื่อมีสารตั้งต้นสองตัว สารกำหนดปริมาณคือสารที่หมดก่อนและกำหนดว่าเกิดผลิตภัณฑ์ได้เท่าใด
ผลได้เชิงทฤษฎี
n(N2) = 24/28.02 = 0.8565 mol
m = 0.8565·2/1·17.03 = 29.17 g
ร้อยละผลได้
Y = 23.92/29.17·100 = 81.99%
คำตอบ
Y = 81.99%
ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances