ความสมดุลของวัสดุ: สมการทั่วไปประเภทและแบบฝึกหัด - เคมี - 2025

ความสมดุลของวัสดุคือการนับส่วนประกอบที่เป็นของระบบหรือกระบวนการที่อยู่ระหว่างการศึกษา ความสมดุลนี้สามารถนำไปใช้กับระบบเกือบทุกประเภทเนื่องจากสันนิษฐานว่าผลรวมของมวลขององค์ประกอบดังกล่าวจะต้องคงที่ในช่วงเวลาการวัดที่ต่างกัน

ส่วนประกอบสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นหินอ่อนแบคทีเรียสัตว์ท่อนไม้ส่วนผสมสำหรับเค้ก และในกรณีของเคมีโมเลกุลหรือไอออนหรือโดยเฉพาะอย่างยิ่งสารประกอบหรือสาร ดังนั้นมวลรวมของโมเลกุลที่เข้าสู่ระบบไม่ว่าจะมีปฏิกิริยาเคมีหรือไม่ก็ตามจะต้องคงที่ ตราบเท่าที่ไม่มีการสูญเสียการรั่วไหล

กองหิน: ตัวอย่างที่แท้จริงของสสารสมดุล ที่มา: pxhere.

ในทางปฏิบัติมีปัญหามากมายที่อาจส่งผลต่อความสมดุลของสสารนอกเหนือจากการคำนึงถึงปรากฏการณ์ต่างๆของสสารและผลกระทบของตัวแปรหลายอย่าง (อุณหภูมิความดันการไหลความปั่นป่วนขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ ฯลฯ )

อย่างไรก็ตามบนกระดาษการคำนวณสมดุลมวลจะต้องตรงกัน นั่นคือมวลของสารประกอบทางเคมีจะต้องไม่หายไปตลอดเวลา การปรับสมดุลนี้คล้ายกับการทำให้กองหินสมดุล หากฝูงใดฝูงหนึ่งลุกขึ้นจากที่ใดทุกอย่างก็แตกสลาย ในกรณีนี้หมายความว่าการคำนวณผิดพลาด

สมการทั่วไปของสมดุลมวล

ในระบบหรือกระบวนการใด ๆ จะต้องกำหนดขอบเขตของมันก่อน จากนั้นจะทำให้ทราบว่าสารประกอบใดเข้าหรือออก วิธีนี้สะดวกเป็นพิเศษหากมีหน่วยกระบวนการหลายหน่วยที่ต้องพิจารณา เมื่อพิจารณาหน่วยหรือระบบย่อยทั้งหมดแล้วเราจะพูดถึงสมดุลมวลทั่วไป

ความสมดุลนี้มีสมการซึ่งสามารถนำไปใช้กับระบบใดก็ได้ที่เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์มวล สมการมีดังนี้:

E + G - S - C = A

โดยที่ E คือปริมาณของสสารที่เข้าสู่ระบบ G คือสิ่งที่เกิดขึ้นหากปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นในกระบวนการ (เช่นเดียวกับในเครื่องปฏิกรณ์) S คือสิ่งที่ออกมาจากระบบ C คือสิ่งที่บริโภคอีกครั้งหากมีปฏิกิริยา และในที่สุดก็เป็นสิ่งที่สะสม

การทำให้เข้าใจง่าย

หากไม่มีปฏิกิริยาเคมีในระบบหรือกระบวนการที่อยู่ระหว่างการศึกษา G และ C จะมีค่าเป็นศูนย์ ดังนั้นสมการจึงมีลักษณะดังนี้:

E - S = A

หากระบบได้รับการพิจารณาว่าอยู่ในสภาวะคงที่โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่เห็นได้ชัดเจนในตัวแปรหรือโฟลว์ของส่วนประกอบก็จะบอกว่าไม่มีสิ่งใดสะสมอยู่ภายใน ดังนั้น A จึงมีค่าเป็นศูนย์และสมการจะทำให้ง่ายขึ้น:

E = S

กล่าวอีกนัยหนึ่งปริมาณของสสารที่เข้ามาจะเท่ากับปริมาณที่เหลืออยู่ ไม่มีสิ่งใดสามารถสูญหายหรือหายไปได้

ในทางกลับกันหากมีปฏิกิริยาเคมี แต่ระบบอยู่ในสภาวะคงที่ G และ C จะมีค่าและ A จะยังคงเป็นศูนย์:

E + G - S - C = 0

E + G = S + C

หมายความว่าในเครื่องปฏิกรณ์มวลของรีเอเจนต์ที่เข้าสู่และของผลิตภัณฑ์ที่สร้างขึ้นในนั้นเท่ากับมวลของผลิตภัณฑ์และรีเอเจนต์ที่ปล่อยออกไปและของรีเอเจนต์ที่บริโภค

ตัวอย่างการใช้: ปลาในแม่น้ำ

สมมติว่าคุณกำลังศึกษาจำนวนปลาในแม่น้ำซึ่งมีตลิ่งเป็นตัวแทนขอบเขตของระบบ เป็นที่ทราบกันดีว่าโดยเฉลี่ยแล้วมีปลาเข้าสู่ 568 ตัวต่อปี 424 ตัวเกิด (สร้าง) ตาย 353 ตัว (บริโภค) และ 236 ตัวอพยพหรือทิ้ง

ใช้สมการทั่วไปที่เรามีแล้ว:

568 + 424 - 353 - 236 = 403

นั่นหมายความว่าต่อปีมีปลาสะสมในแม่น้ำ 403 ตัว; กล่าวคือในแต่ละปีแม่น้ำจะมีปลามากขึ้น หาก A มีค่าเป็นลบหมายความว่าจำนวนปลากำลังลดลงซึ่งอาจเป็นผลมาจากผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อม

ประเภท

จากสมการทั่วไปสามารถคิดได้ว่ามีสี่สมการสำหรับกระบวนการทางเคมีประเภทต่างๆ อย่างไรก็ตามความสมดุลของมวลแบ่งออกเป็นสองประเภทตามเกณฑ์อื่น: เวลา

สมดุลที่แตกต่างกัน

ในสมดุลวัสดุที่แตกต่างเรามีปริมาณของส่วนประกอบภายในระบบ ณ เวลาหรือช่วงเวลาที่กำหนด ปริมาณมวลดังกล่าวแสดงเป็นหน่วยเวลาดังนั้นจึงแสดงถึงความเร็ว ตัวอย่างเช่น Kg / h ระบุจำนวนกิโลเมตรที่เข้าออกสะสมสร้างหรือบริโภคในหนึ่งชั่วโมง

เพื่อให้มีการไหลของมวล (หรือปริมาตรโดยมีความหนาแน่นอยู่ในมือ) โดยทั่วไประบบจะต้องเปิดอยู่

ยอดดุลที่ครอบคลุม

เมื่อระบบปิดเช่นเดียวกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์แบบไม่ต่อเนื่อง (แบบแบทช์) มวลของส่วนประกอบมักจะน่าสนใจกว่าก่อนและหลังกระบวนการ นั่นคือระหว่างครั้งแรกและครั้งสุดท้าย t

ดังนั้นปริมาณจึงแสดงเป็นเพียงมวลไม่ใช่ความเร็ว ความสมดุลประเภทนี้สร้างขึ้นโดยจิตใจเมื่อใช้เครื่องปั่น: มวลของส่วนผสมที่ป้อนจะต้องเท่ากับส่วนที่เหลือหลังจากดับเครื่องยนต์

ตัวอย่างการออกกำลังกาย

ต้องการเจือจางการไหลของสารละลายเมทานอล 25% ในน้ำโดยมีความเข้มข้น 10% เจือจางมากขึ้นในลักษณะที่ 100 Kg / h ของสารละลายเมทานอล 17% สารละลายเมทานอล 25% และ 10% ต้องเข้าสู่ระบบเท่าใดต่อชั่วโมงจึงจะบรรลุเป้าหมายนี้ สมมติว่าระบบอยู่ในสถานะคงที่

แผนภาพต่อไปนี้เป็นตัวอย่างคำสั่ง:

แผนภาพการไหลสำหรับสมดุลมวลของการเจือจางของสารละลายเมทานอล ที่มา: Gabriel Bolívar

ไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีดังนั้นปริมาณเมทานอลที่ป้อนจะต้องเท่ากับจำนวนที่ปล่อยออกไป:

E _{เมทานอล} = S _{เมทานอล}

0.25 น₁ ^· + 0.10 น₂ ^· = 0.17 น₃ ^·

ทราบเฉพาะค่าของ n ₃ ^·เท่านั้น ส่วนที่เหลือไม่ทราบ ในการแก้สมการของสองสิ่งที่ไม่รู้จักนี้จำเป็นต้องมีความสมดุลอีกอย่างหนึ่งนั่นคือค่าของน้ำ ทำให้สมดุลของน้ำเท่ากันเรามี:

0.75 น₁ ^· + 0.90 น₂ ^· = 0.83 น₃ ^·

ค่าของ n ₁ ^·แก้ไขได้สำหรับน้ำ(สามารถเป็น n ₂ ^· ):

n ₁ ^· = (83 กก. / ชม. - 0.90 น₂ ^· ) / (0.75)

การแทนที่ n ₁ ^·ในสมการสมดุลมวลสำหรับเมทานอลและการแก้สำหรับ n ₂ ^·เรามี:

0.25 + 0.10 น₂ ^· = 0.17 (100 กก. / ชม.)

n ₂ ^· = 53.33 กก. / ชม

และสำหรับ n ₁ ^·ลบ:

n ₁ ^· = (100- 53.33) กก. / ชม

= 46.67 กก. / ชม

ดังนั้นต่อชั่วโมง 46.67 กก. ของสารละลายเมทานอล 25% และสารละลาย 10% 53.33 กก. จะต้องเข้าสู่ระบบ

อ้างอิง

1. Felder และ Rousseau (2000) หลักการพื้นฐานของกระบวนการทางเคมี (พิมพ์ครั้งที่สอง.). แอดดิสันเวสลีย์
2. FernándezGermán (20 ตุลาคม 2555). ความหมายของสมดุลมวล. ดึงมาจาก: Industriaquimica.net
3. สมดุลของสสาร: กระบวนการทางอุตสาหกรรม I .. กู้คืนจาก: 3.fi.mdp.edu.ar
4. UNT Regional College La Plata (เอสเอฟ) ความสมดุลของวัสดุ . กู้คืนจาก: frlp.utn.edu.ar
5. Gómez Claudia S. Quintero (เอสเอฟ) เครื่องชั่งวัสดุ . ดึงมาจาก: webdelprofesor.ula.ve