FE Chemical sınav hazırlığı: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 24 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorularDerse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Kütle denkliği

Kararlı hâl
giren = çıkan
Toplam denklik
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Bileşen denkliği
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Buharlaştırıcı
F·xF = P·xP, W = F − P

Enerji denkliği

Duyulur ısı
Q = ṁ·cp·ΔT
Gizli ısı
Q = ṁ·hfg
Karışma
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Su
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

İdeal gaz yasası

İdeal gaz yasası
pV = nRT
Gaz sabiti
R = 8,314 J/(mol·K)
Birleşik gaz yasası
p1V1/T1 = p2V2/T2
Mol
n = m/M
Sıcaklık
T[K] = T[°C] + 273,15

Stokiyometri

Mol
n = m/M
Konsantrasyon
c = n/V
Mol oranı
denkleştirilmiş denklemin katsayılarını kullanın
Sınırlayıcı reaktan
ilk tükenen
Yüzde verim
gerçek / teorik × 100%

Yöntem

  1. Kimyasal denklemi yazın ve denkleştirin.
  2. Verilen kütleyi mole çevirin: n = m/M.
  3. İstediğiniz maddenin mol sayısını bulmak için katsayıları mol oranı olarak kullanın.
  4. m = n·M ile kütleye geri çevirin. İki reaktan varsa önce sınırlayıcı reaktanı bulun.

Kimyasal denge

Denge sabiti
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
ICE tablosu
Başlangıç, Değişim (×katsayı), Denge
İkinci derece denklem
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Yöntem

  1. Kc’yi, her biri katsayısı kadar kuvveti alınmış ürünler bölü reaktanlar olarak yazın.
  2. Bir ICE tablosu kurun: Başlangıç, Değişim (katsayılar çarpı x adımlarıyla), Denge.
  3. Denge ifadelerini Kc’ye yerleştirin ve x için çözün.
  4. x’in bir yaklaşım için yeterince küçük olup olmadığını kontrol edin; değilse ikinci derece denklemi çözün.

Kalorimetri ve entalpi

Isı
q = m·c·ΔT
Su
c = 4,18 J/(g·°C)
Kalorimetre
verilen ısı = alınan ısı
Tepkime entalpisi
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Tepkime kinetiği

Birinci derece
ln(CA/CA0) = −kt
Yarılanma süresi (birinci derece)
t½ = ln 2/k
İkinci derece
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
İki sıcaklık
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Alıkonma süresi
τ = V/Q
CSTR, birinci derece
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, birinci derece
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Hacimden dönüşüm
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
Seri bağlı N eşit CSTR
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Isı değiştiriciler (LMTD)

Isı yükü
Q = U·A·ΔTlm
Logaritmik ortalama sıcaklık farkı
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Akım denkliği
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Isı iletimi

Fourier yasası
Q̇ = kAΔT/L
İletim direnci
R = L/(kA)
Taşınım direnci
R = 1/(hA)
Seri dirençler
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U değeri
U = 1/(ΣR·A)

Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Reynolds sayısı
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Akış rejimi
Re ≈ 2000’in altında laminer, Re ≈ 4000’in üstünde türbülanslı
Ortalama hız
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Yerel kayıplar
hm = ΣK·V²/(2g)
Tipik K değerleri
giriş 0,5, çıkış 1,0, 90° dirsek ≈ 0,3
Basınç düşüşü
Δp = ρ·g·hf
İki açık hazne
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Serbest çıkış
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompalar ve pompa gücü

Hidrolik güç
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Mil gücü
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrik gücü
Pel = Pshaft/ηmotor
Pompa basma yüksekliği
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Sistem kayıpları
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Alıştırma soruları

1.Kütle denkliğiOrta
KarıştırıcıAkım 1650 kg/h · 20% şekerAkım 2ṁ₂ = ? · 35% şekerÜrün30% şeker

Karışım ürünü %30 şeker içersin diye akım 1’e saatte ne kadar akım 2 eklenmeli? ṁ2 değerini bulun.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 20 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Kütle denkliğiZor
BuharlaştırıcıBesleme F3900 kg/h · 10% tuzÜrün PP = ? · 40%Buhar W (saf su)0% tuz

Bir buharlaştırıcı saf su buharlaştırarak bir tuz çözeltisini deriştiriyor. ürün debisi P değerini kg/h cinsinden bulun.

F = 3900 kg/hxF = 10 %xP = 40 %
P = kg/h
3.Enerji denkliğiOrta
sıcak tarafsoğuk tarafetanol · 140 °C90 °Csu · 15 °Ct = ? °C

Sıcak etanol, ısı kaybı olmayan ters akışlı bir ısı değiştiricide suyu soğutuyor. Suyun çıkış sıcaklığı tout değerini bulun.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Enerji denkliğiZor
sıcak tarafsoğuk tarafhafif yağ · 160 °C90 °Csu · 20 °C60 °C · ṁ = ?%15 kayıp

Sıcak hafif yağ, sıcak akımın verdiği ısının %15’ini çevreye kaybeden bir değiştiricide suyu ısıtıyor. Gereken su debisi ṁc değerini bulun.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 90 °Ct: 20 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kayıp = %15
ṁc = kg/s
5.İdeal gaz yasasıOrta
90 g O₂V = 20 LT = 30 °CP = ?

20 L hacimli bir tank, 30 °C sıcaklığında 90 g O₂ içeriyor. İdeal gaz kabul edip basınç P değerini bulun.

m = 90 gM = 32 g/molV = 20 LT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.İdeal gaz yasasıZor
Durum 1Durum 2

Sabit miktarda He, 150 kPa, 5 L, 40 °C durumundan 600 kPa ve 120 °C durumuna geçiyor. Yeni hacim V2 değerini bulun.

P1 = 150 kPaV1 = 5 LT1 = 40 °CP2 = 600 kPaT2 = 120 °C
V2 = L
7.StokiyometriOrta
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

8 g Mg ve 40 g O2, 2Mg + O2 → 2MgO denklemine göre tepkimeye giriyor. En fazla ne kadar kütle m MgO oluşabilir?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.StokiyometriZor
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

2Al + 3Cl2 → 2AlCl3 tepkimesinde 24 g Al tamamen tepkimeye giriyor (diğer reaktanlar fazla) ve 83,02 g AlCl3 toplanıyor. Yüzde verim Y'i bulun.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molgerçek: 83,02 g
Y = %
9.Kimyasal dengeOrta
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

Bir kaba 0,5 mol/L H₂ ve 0,5 mol/L I₂ konuyor ve H₂ + I₂ ⇌ 2HI tepkimesi gerçekleşiyor; Kc = 16. Denge derişimi [HI] değerini bulun.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Kimyasal dengeZor
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ ayrışıyor: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, tepkime sıcaklığında Kc = 0,2. Kapta başlangıçta yalnızca 0,1 mol/L PCl₅ var. Denge derişimi [PCl5] değerini bulun.

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Kalorimetri ve entalpiOrta
Tf​ = ?Bakırm = 50 gT = 190 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Sum = 250 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

190 °C’deki 50 g’lık bir bakır bloğu (c = 0,385 J/(g·°C)), yalıtılmış bir kaptaki 19 °C’de 250 g suya (c = 4,18 J/(g·°C)) bırakılıyor. Son sıcaklık Tf değerini bulun.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 190 °Cmwater = 250 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Kalorimetri ve entalpiZor
H25 g CH4​CH4​ + 2O₂reaktanlarCO₂ + 2H₂O(l)ürünlerq = ?

Standart oluşum entalpilerini kullanarak 25 g CH4 (M = 16,04 g/mol) tamamen yandığında açığa çıkan ısı q değerini bulun: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). q’yu pozitif bir sayı olarak verin.

ΔH°f(CH4) = −74,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Tepkime kinetiğiOrta
t (min)X (%)t = ?95%

Kesikli bir reaktördeki ikinci dereceden bir tepkimede (−rA = k·CA²) k = 0,25 L/(mol·min) ve başlangıç 0,5 mol/L’dir. %95 dönüşüme ulaşmak ne kadar sürer? t değerini bulun.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/LX = 95 %
t = min
14.Tepkime kinetiğiZor
Tk40 °C0,0280 °C?

Bir tepkimenin 40 °C’deki hız sabiti 0,02 min⁻¹ ve aktivasyon enerjisi 90 kJ/mol. 80 °C’deki hız sabiti k2 değerini bulun.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 80 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Orta
Q = 100 L/minX = 80%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

k = 0,3 min⁻¹ olan sıvı fazda birinci derece bir A → B reaksiyonu, 100 L/min ile beslenen bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. A’nın %80 dönüşümü için reaktör hacmi V değerini litre cinsinden bulun.

Q = 100 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Zor
Q = 40 L/minX = ?V = 500 L

Sıvı fazda birinci derece bir reaksiyon (k = 0,12 min⁻¹), 40 L/min ile beslenen 500 L’lik bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. Dönüşüm X değerini yüzde olarak bulun.

V = 500 LQ = 40 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Isı değiştiriciler (LMTD)Orta
uzunlukT90 °C70 °C35 °C25 °CΔT₁ΔT₂ters akış

Bir gövde-boru ısı değiştiricisi (bir gövde geçişi, iki boru geçişi) 300 kW aktarmalıdır. Sıcak akışkan 90 değerinden 70 °C değerine soğuyor, soğuk akışkan 25 değerinden 35 °C değerine ısınıyor. Bu düzen için LMTD düzeltme çarpanı F = 0,92 ve U = 200 W/(m²·K)’dir. Gereken ısı transfer alanı A değerini bulun.

Q̇ = 300 kWF = 0,92U = 200 W/(m²·K)Th: 90 → 70 °CTc: 25 → 35 °C
A = m²
18.Isı değiştiriciler (LMTD)Zor
uzunlukT155 °C??20 °CΔT₁ΔT₂ters akış

Ters akışlı bir ısı değiştiricide iki akımın ısıl kapasite debisi aynıdır: ṁ·cp = 3 kW/K. Sıcak akım 155 °C’de, soğuk akım 20 °C’de giriyor. Değiştiricinin A = 2 m² ve U = 500 W/(m²·K) değerleri vardır. Sıcak akımın çıkış sıcaklığı Th,out değerini bulun.

Ch = Cc = 3 kW/KTh,in = 155 °CTc,in = 20 °CA = 2 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Isı iletimiOrta
Ahşap, k = 0,1750 mmAlçı levha, k = 0,17100 mm20 °C-10 °CQ̇ = ?

Bir duvar, 4 m² alanında, 50 mm ahşap ve 100 mm alçı levha katmanlarından oluşuyor. Dış yüzeyleri 20 °C ve -10 °C sıcaklığında. Duvardan geçen ısı akısı Q̇ değerini bulun.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 20 °CT3 = -10 °C
Q̇ = W
20.Isı iletimiZor
Alçı levha, k = 0,17250 mmAhşap, k = 0,1725 mmoda 22 °Cdış ortam -15 °CQ̇

250 mm alçı levha ve 25 mm ahşap katmanlarından oluşan bir duvar, 22 °C sıcaklığındaki bir odayı -15 °C sıcaklığındaki dış havadan ayırıyor. Taşınım katsayıları içeride 7,7 W/(m²·K), dışarıda 25 W/(m²·K) ve duvar alanı 4 m². Duvarın toplam ısı geçiş katsayısı U değerini bulun.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -15 °C
U = W/(m²·K)
21.Boru sürtünmesi ve yük kaybıOrta
Q = 30 L/sD = 150 mmL = 50 mf = 0,02

Su, 50 m uzunluğunda ve iç çapı 150 mm olan bir borudan 30 L/s debiyle akıyor. Darcy sürtünme faktörü f = 0,02 ve g = 9,81 m/s² kullanın. Sürtünme yük kaybı hf değerini bulun.

Q = 30 L/sL = 50 mD = 150 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Boru sürtünmesi ve yük kaybıZor
K = 10Δz = 36 mL = 200 m, D = 100 mm, f = 0,0152× dirsek (K = 0,3)

İki açık hazne, 200 m uzunluğunda, iç çapı 100 mm ve Darcy sürtünme faktörü f = 0,015 olan bir boruyla birleştirilmiştir. Üst haznenin su yüzeyi alttakinden 36 m yüksektedir. Yerel kayıplar: keskin kenarlı bir giriş (K = 0,5), 2 dirsek (her biri K = 0,3), bir vana (K = 10) ve alt hazneye çıkış (K = 1,0). g = 9,81 m/s² kullanın. Debi Q değerini L/s cinsinden bulun.

Δz = 36 mL = 200 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Pompalar ve pompa gücüOrta
PQ = 40 L/sH = 62 m

Bir pompa 62 m basma yüksekliğine karşı 40 L/s su (ρ = 1000 kg/m³) basıyor. Pompa verimi %85, onu çalıştıran elektrik motorunun verimi %90. g = 9,81 m/s² kullanın. Motorun çektiği elektrik gücü Pel değerini kW cinsinden bulun.

Q = 40 L/sH = 62 mηpump = 85%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Pompalar ve pompa gücüZor
PQ = 40 L/sΔz = 18 mL = 400 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 8

Bir pompa 40 L/s suyu (ρ = 1000 kg/m³) açık bir alt hazneden, su yüzeyi 18 m daha yüksekte olan bir üst tanka basıyor. Boru 400 m uzunluğunda, iç çapı 150 mm ve Darcy sürtünme faktörü f = 0,025; yerel kayıp katsayılarının toplamı ΣK = 8 (giriş ve çıkış dahil). g = 9,81 m/s² kullanın. Pompanın eklemesi gereken basma yüksekliği H değerini bulun.

Q = 40 L/sΔz = 18 mL = 400 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 8
H = m

3Çözeltiler

1.Kütle denkliği

Cevap: ṁ2 = 1300 kg/h

Kararlı hal kütle denkliği: toplam ve her bileşen için giren = çıkan. Karıştırma problemleri ikisini birleştirir.

Denklikler

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
şeker: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

ṁ2 için çözün

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(20 − 30)/(30 − 35) = 1300 kg/h

Cevap

ṁ2 = 1300 kg/h
2.Kütle denkliği

Cevap: P = 975 kg/h

Bağlayıcı bileşen: tek bir akımda değişmeden geçen bileşen (burada çözünen) debileri doğrudan bağlar. Gerisini toplam denklik verir.

Çözünen denkliği

F·xF = P·xP → P = 3900·10/40 = 975 kg/h

Cevap

P = 975 kg/h
3.Enerji denkliği

Cevap: tout = 63,64 °C

Değiştirici enerji denkliği: kayıp yokken ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Sıcak akımın verdiği ısı

Q = 2,5·2,44·(140 − 90) = 305 kW

Suyun aldığı ısı

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 305/(1,5·4,18) = 63,64 °C

Cevap

tout = 63,64 °C
4.Enerji denkliği

Cevap: ṁc = 2,242 kg/s

Kayıplı enerji denkliği: verilen ısı = alınan ısı + kaybedilen ısı.

Verilen ısı

Qh = 3·2,1·(160 − 90) = 441 kW

Suya ulaşan ısı

Qc = (1 − 0,15)·441 = 374,9 kW

Su debisi

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 374,9/(4,18·40) = 2,242 kg/s

Cevap

ṁc = 2,242 kg/s
5.İdeal gaz yasası

Cevap: P = 354,4 kPa

İdeal gaz yasası: PV = nRT, n = m/M ile.

Mol

n = m/M = 90/32 = 2,813 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Basınç

P = nRT/V = 2,813·8,314·303,1/0,02 = 354,4 kPa

Cevap

P = 354,4 kPa
6.İdeal gaz yasası

Cevap: V2 = 1,569 L

Birleşik gaz yasası: sabit miktarda ideal gaz için P1V1/T1 = P2V2/T2.

Mutlak sıcaklıklar

T1 = 313,1 K, T2 = 393,1 K

Birleşik gaz yasası

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(150/600)·(393,1/313,1) = 1,569 L

Cevap

V2 = 1,569 L
7.Stokiyometri

Cevap: m = 13,26 g

Stokiyometri: denkleştirilmiş denklem gramları değil tanecikleri sayar. Kütleyi n = m/M ile mole çevirin, denklemin katsayılarını mol oranı olarak kullanın, sonra m = n·M ile geri çevirin. İki reaktan varsa sınırlayıcı reaktan önce tükenen ve ürün miktarını belirleyen reaktandır.

Her reaktanın mol sayısı

n(Mg) = 8/24,31 = 0,3291 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Sınırlayıcı reaktan

0,3291/2 = 0,1645, 1,25/1 = 1,25 → Mg

Ürünün kütlesi

n(MgO) = 0,1645·2 = 0,3291 mol
m = 0,3291·40,3 = 13,26 g

Cevap

m = 13,26 g
8.Stokiyometri

Cevap: Y = 70 %

Stokiyometri: denkleştirilmiş denklem gramları değil tanecikleri sayar. Kütleyi n = m/M ile mole çevirin, denklemin katsayılarını mol oranı olarak kullanın, sonra m = n·M ile geri çevirin. İki reaktan varsa sınırlayıcı reaktan önce tükenen ve ürün miktarını belirleyen reaktandır.

Teorik verim

n(Al) = 24/26,98 = 0,8895 mol
m = 0,8895·2/2·133,33 = 118,6 g

Yüzde verim

Y = 83,02/118,6·100 = 70%

Cevap

Y = 70%
9.Kimyasal denge

Cevap: [HI] = 0,6667 mol/L

Kimyasal denge: aA + bB ⇌ cC + dD için denge sabiti, denge derişimleri kullanılarak Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) şeklindedir. ICE tablosu (Başlangıç, Değişim, Denge), başlangıç miktarlarını katsayılarla ölçeklenmiş tek bir x bilinmeyeni üzerinden denge miktarlarına bağlar.

Denge ifadesi

16 = (2x)²/(0,5 − x)²

Karekök alın

4 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·4/(2 + 4) = 0,3333 mol/L

Denge derişimi

[HI] = 2x = 0,6667 mol/L

Cevap

[HI] = 0,6667 mol/L
10.Kimyasal denge

Cevap: [PCl5] = 0,02679 mol/L

Kimyasal denge: aA + bB ⇌ cC + dD için denge sabiti, denge derişimleri kullanılarak Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) şeklindedir. ICE tablosu (Başlangıç, Değişim, Denge), başlangıç miktarlarını katsayılarla ölçeklenmiş tek bir x bilinmeyeni üzerinden denge miktarlarına bağlar.

Denge ifadesi

0,2 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,2·x − 0,02 = 0

İkinci derece denklemi çözün

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,02))/2 = 0,07321 mol/L

Denge derişimi

[PCl₅] = 0,1 − 0,07321 = 0,02679 mol/L

Cevap

[PCl5] = 0,02679 mol/L
11.Kalorimetri ve entalpi

Cevap: Tf = 22,09 °C

Isı ve entalpi: bir maddeyi ısıtmak q = m·c·ΔT gerektirir. Kalorimetrede sıcak cismin verdiği ısı, soğuk cismin aldığı ısıya eşittir. Bir tepkimenin entalpi değişimi oluşum entalpilerinden bulunur: ΔH° = ΣΔH°f(ürünler) − ΣΔH°f(reaktanlar), her biri kendi katsayısıyla çarpılır.

Isı dengesi

50·0,385·(190 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 19)

Son sıcaklık için çözün

Tf = (19,25·190 + 1045·19)/(19,25 + 1045) = 22,09 °C

Cevap

Tf = 22,09 °C
12.Kalorimetri ve entalpi

Cevap: q = 1388 kJ

Isı ve entalpi: bir maddeyi ısıtmak q = m·c·ΔT gerektirir. Kalorimetrede sıcak cismin verdiği ısı, soğuk cismin aldığı ısıya eşittir. Bir tepkimenin entalpi değişimi oluşum entalpilerinden bulunur: ΔH° = ΣΔH°f(ürünler) − ΣΔH°f(reaktanlar), her biri kendi katsayısıyla çarpılır.

Tepkime entalpisi

ΔH° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Verilen kütle için ısı

n = 25/16,04 = 1,559 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1,559·890,3 = 1388 kJ

Cevap

q = 1388 kJ
13.Tepkime kinetiği

Cevap: t = 152 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Sondaki derişim

CA = 0,5·(1 − 0,95) = 0,025 mol/L

İntegre ikinci derece yasası

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (40 − 2)/0,25 = 152 min

Cevap

t = 152 min
14.Tepkime kinetiği

Cevap: k2 = 1,003 min⁻¹

Tepkime hızları: birinci dereceden tepkime için −dC/dt = kC, dolayısıyla C = C₀·e−kt ve yarılanma süresi ln 2/k derişime bağlı değildir. İkinci dereceden tepkime için 1/C = 1/C₀ + kt. Hız sabiti Arrhenius’a göre sıcaklıkla artar: k = A·e−Ea/(RT).

Mutlak sıcaklıklar

T1 = 313,1 K, T2 = 353,1 K

Arrhenius oranı

ln(k2/k1) = −(90000/8,314)·(1/353,1 − 1/313,1) = 3,915
k2 = 0,02·e3,915 = 1,003 min⁻¹

Cevap

k2 = 1,003 min⁻¹
15.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Cevap: V = 536,5 L

Kararlı hâlde, alıkonma süresi τ = V/Q ile ideal reaktörler, birinci derece reaksiyon (−rA = k·CA). CSTR tam karışımlıdır, bu yüzden tüm hacim düşük çıkış derişiminde reaksiyona girer: τ = X/(k·(1 − X)) ve CA = CA0/(1 + k·τ). PFR’de akışkanın her dilimi küçük bir kesikli reaktör gibi reaksiyona girer: τ = ln(1/(1 − X))/k ve CA = CA0·e−k·τ. Aynı dönüşüm için CSTR her zaman PFR’den daha fazla hacim gerektirir.

Alıkonma süresi

τ = ln(1/(1 − 0,8))/0,3 = 1,609/0,3 = 5,365 min

Hacim

V = Q·τ = 100·5,365 = 536,5 L

Cevap

V = 536,5 L
16.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Cevap: X = 77,69 %

Kararlı hâlde, alıkonma süresi τ = V/Q ile ideal reaktörler, birinci derece reaksiyon (−rA = k·CA). CSTR tam karışımlıdır, bu yüzden tüm hacim düşük çıkış derişiminde reaksiyona girer: τ = X/(k·(1 − X)) ve CA = CA0/(1 + k·τ). PFR’de akışkanın her dilimi küçük bir kesikli reaktör gibi reaksiyona girer: τ = ln(1/(1 − X))/k ve CA = CA0·e−k·τ. Aynı dönüşüm için CSTR her zaman PFR’den daha fazla hacim gerektirir.

Alıkonma süresi

τ = V/Q = 500/40 = 12,5 min, kτ = 0,12·12,5 = 1,5

Dönüşüm

X = 1 − e−kτ = 1 − e−1,5 = 77,69%

Cevap

X = 77,69%
17.Isı değiştiriciler (LMTD)

Cevap: A = 32,72 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Uç sıcaklık farkları (ters akış)

Ters akışta sıcak giriş soğuk çıkışın, sıcak çıkış soğuk girişin karşısındadır.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 90 − 35 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 25 = 45 K

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 45)/ln(55/45) = 49,83 K

Alan

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 300000/(200·0,92·49,83) = 32,72 m²

Cevap

A = 32,72 m²
18.Isı değiştiriciler (LMTD)

Cevap: Th,out = 121,3 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Sabit sıcaklık farkı

Soğuk çıkış sıcak girişin karşısındadır: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), yani ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Enerji dengesi = hız denklemi

3·(155 − Th,out) = 1·(Th,out − 20)
Th,out = (3·155 + 1·20)/(3 + 1) = 121,3 °C

Cevap

Th,out = 121,3 °C

Aktarılan ısı: Q̇ = 101,3 kW; soğuk akım 53,75 °C’de çıkar.

19.Isı iletimi

Cevap: Q̇ = 136 W

Isıl direnç: seri katmanlardan geçen kararlı ısı akışı, seri dirençlerden geçen akım gibi davranır: Q̇ = ΔT/ΣR; iletken bir katman için R = L/(kA), taşınımlı bir yüzey için R = 1/(hA). Her katmandaki sıcaklık düşümü direnciyle orantılıdır.

Katman dirençleri

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·4) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·4) = 0,1471 K/W

Isı akısı

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,2206 = 136 W

Cevap

Q̇ = 136 W
20.Isı iletimi

Cevap: U = 0,5594 W/(m²·K)

Isıl direnç: seri katmanlardan geçen kararlı ısı akışı, seri dirençlerden geçen akım gibi davranır: Q̇ = ΔT/ΣR; iletken bir katman için R = L/(kA), taşınımlı bir yüzey için R = 1/(hA). Her katmandaki sıcaklık düşümü direnciyle orantılıdır.

Seri dirençler

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·4) = 0,03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·4) = 0,3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,17·4) = 0,03676 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,4469 K/W

Toplam ısı geçiş katsayısı

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0,4469) = 0,5594 W/(m²·K)

Cevap

U = 0,5594 W/(m²·K)
21.Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Cevap: hf = 0,9793 m

Boru akışı: Reynolds sayısı Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ, laminer akışı (Re yaklaşık 2000’in altında) türbülanslı akıştan (yaklaşık 4000’in üstünde) ayırır. Boru boyunca sürtünme, Darcy–Weisbach yük kaybına hf = f·(L/D)·V²/(2g) yol açar. Bağlantı parçaları, vanalar, giriş ve çıkış yerel kayıplar hm = ΣK·V²/(2g) ekler. İki açık hazne yüzeyi arasında enerji denklemi, çıkış kaybı K = 1 dahil, Δz = hf + hm verir.

Ortalama hız

A = π·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s

Hız yüksekliği

V²/(2g) = 1,698²/(2·9,81) = 0,1469 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(50/0,15)·1,698²/(2·9,81) = 0,9793 m

Cevap

hf = 0,9793 m
22.Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Cevap: Q = 32,17 L/s

Boru akışı: Reynolds sayısı Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ, laminer akışı (Re yaklaşık 2000’in altında) türbülanslı akıştan (yaklaşık 4000’in üstünde) ayırır. Boru boyunca sürtünme, Darcy–Weisbach yük kaybına hf = f·(L/D)·V²/(2g) yol açar. Bağlantı parçaları, vanalar, giriş ve çıkış yerel kayıplar hm = ΣK·V²/(2g) ekler. İki açık hazne yüzeyi arasında enerji denklemi, çıkış kaybı K = 1 dahil, Δz = hf + hm verir.

Kayıp katsayıları

f·L/D = 0,015·200/0,1 = 30
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Enerji denklemi

İki yüzey de havaya açıktır ve pratikte durgundur, bu yüzden Δz’nin tamamı boruda kaybolur.

36 = (30 + 12,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·36/42,1) = 4,096 m/s

Debi

Q = V·π·D²/4 = 4,096·0,007854 = 0,03217 m³/s = 32,17 L/s

Cevap

Q = 32,17 L/s
23.Pompalar ve pompa gücü

Cevap: Pel = 31,8 kW

Pompa gücü: suya verilen güç hidrolik güç Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp’dir. Pompada kayıplar olduğu için mil daha fazlasını vermelidir: Pshaft = Ph/ηpump; motor ise Pel = Pshaft/ηmotor çeker. Pompa basma yüksekliği H enerji denkleminden bulunur: statik yükseklik + basınç yüksekliği + tüm sürtünme ve yerel kayıplar.

Hidrolik güç

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·62 = 24,33 kW

Mil gücü

Pshaft = 24,33/0,85 = 28,62 kW

Elektrik gücü

Pel = 28,62/0,9 = 31,8 kW

Cevap

Pel = 31,8 kW
24.Pompalar ve pompa gücü

Cevap: H = 37,5 m

Pompa gücü: suya verilen güç hidrolik güç Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp’dir. Pompada kayıplar olduğu için mil daha fazlasını vermelidir: Pshaft = Ph/ηpump; motor ise Pel = Pshaft/ηmotor çeker. Pompa basma yüksekliği H enerji denkleminden bulunur: statik yükseklik + basınç yüksekliği + tüm sürtünme ve yerel kayıplar.

Hız

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Yük kayıpları

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66,67 + 8)·0,2611 = 19,5 m

Pompa basma yüksekliği

İki yüzey de açıktır ve pratikte durgundur, bu yüzden basınç ve hız terimleri düşer.

H = Δz + hL = 18 + 19,5 = 37,5 m

Cevap

H = 37,5 m

Bu bağımsız bir alıştırma materyalidir. ExamProblems bu sınavı düzenleyen kuruluşla bağlantılı değildir ve onun tarafından onaylanmamıştır; sınav adı yalnızca içeriği tanımlamak için kullanılmaktadır. FE exam sınavı NCEES tarafından yürütülür; bu kuruluş ExamProblems ile bağlantılı değildir ve onu desteklemez.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical