द्रव्यमान संतुलन
- स्थायी अवस्था
- अंदर = बाहर
- कुल संतुलन
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- घटक संतुलन
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- वाष्पित्र
- F·xF = P·xP, W = F − P
FE Chemical परीक्षा अभ्यास: क्रैम पैक
सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 24 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।
1सूत्र और विधियाँ
ऊर्जा संतुलन
- संवेद्य ऊष्मा
- Q = ṁ·cp·ΔT
- गुप्त ऊष्मा
- Q = ṁ·hfg
- मिश्रण
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- पानी
- cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)
आदर्श गैस नियम
- आदर्श गैस नियम
- pV = nRT
- गैस नियतांक
- R = 8.314 J/(mol·K)
- संयुक्त गैस नियम
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- मोल
- n = m/M
- तापमान
- T[K] = T[°C] + 273.15
स्टॉइकियोमेट्री
- मोल
- n = m/M
- सांद्रता
- c = n/V
- मोल अनुपात
- संतुलित समीकरण के गुणांकों का उपयोग करें
- सीमांत अभिकारक
- वह जो सबसे पहले खत्म होता है
- प्रतिशत उपज
- वास्तविक / सैद्धांतिक × 100%
विधि
- रासायनिक समीकरण लिखें और संतुलित करें।
- दिए गए द्रव्यमान को मोल में बदलें: n = m/M।
- वांछित पदार्थ के मोल ज्ञात करने के लिए गुणांकों को मोल अनुपात के रूप में उपयोग करें।
- m = n·M से वापस द्रव्यमान में बदलें। दो अभिकारकों के साथ पहले सीमांत अभिकारक ज्ञात करें।
रासायनिक साम्य
- साम्य स्थिरांक
- Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
- ICE तालिका
- प्रारंभिक, परिवर्तन (×गुणांक), साम्य
- द्विघात समीकरण
- x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)
विधि
- Kc को उत्पाद बटा अभिकारक के रूप में लिखें, हर एक को उसके गुणांक की घात पर।
- एक ICE तालिका बनाएँ: प्रारंभिक (Initial), परिवर्तन (Change, गुणांकों के x गुना के चरणों में), साम्य (Equilibrium)।
- साम्य व्यंजकों को Kc में रखें और x के लिए हल करें।
- जाँचें कि x सन्निकटन के लिए पर्याप्त छोटा है या नहीं; अन्यथा द्विघात समीकरण हल करें।
कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
- ऊष्मा
- q = m·c·ΔT
- पानी
- c = 4.18 J/(g·°C)
- कैलोरीमीटर
- दी गई ऊष्मा = ली गई ऊष्मा
- अभिक्रिया की एन्थैल्पी
- ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)
अभिक्रिया गतिकी
- प्रथम कोटि
- ln(CA/CA0) = −kt
- अर्धायु (प्रथम कोटि)
- t½ = ln 2/k
- द्वितीय कोटि
- 1/CA = 1/CA0 + kt
- आरेनियस
- k = A·e−Ea/(RT)
- दो तापमान
- ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)
रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)
- स्पेस टाइम
- τ = V/Q
- CSTR, प्रथम कोटि
- τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
- PFR, प्रथम कोटि
- τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
- आयतन से रूपांतरण
- CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
- श्रेणी में N समान CSTR
- X = 1 − 1/(1 + kτi)N
ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
- ऊष्मा भार
- Q = U·A·ΔTlm
- लघुगणकीय माध्य तापमान अंतर
- ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
- धारा संतुलन
- Q = ṁcp(Tin − Tout)
ऊष्मा चालन
- फ़ूरिये नियम
- Q̇ = kAΔT/L
- चालन प्रतिरोध
- R = L/(kA)
- संवहन प्रतिरोध
- R = 1/(hA)
- श्रेणी प्रतिरोध
- Q̇ = ΔTtotal/ΣR
- U-मान
- U = 1/(ΣR·A)
पाइप घर्षण और शीर्ष हानि
- रेनॉल्ड्स संख्या
- Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
- प्रवाह व्यवस्था
- Re ≈ 2000 से नीचे स्तरीय, Re ≈ 4000 से ऊपर विक्षुब्ध
- औसत वेग
- V = Q/A, A = π·D²/4
- डार्सी–वाइसबाख
- hf = f·(L/D)·V²/(2g)
- लघु हानियाँ
- hm = ΣK·V²/(2g)
- K के सामान्य मान
- प्रवेश 0.5, निकास 1.0, 90° मोड़ ≈ 0.3
- दाब पात
- Δp = ρ·g·hf
- दो खुले जलाशय
- Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
- मुक्त निकास
- H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
पंप और पंप शक्ति
- द्रवीय शक्ति
- Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
- शाफ़्ट शक्ति
- Pshaft = Ph/ηpump
- विद्युत शक्ति
- Pel = Pshaft/ηmotor
- पंप शीर्ष
- H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
- तंत्र हानियाँ
- hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
2अभ्यास प्रश्न
1.द्रव्यमान संतुलनमध्यम
धारा 1 में हर घंटे धारा 2 की कितनी मात्रा मिलाई जाए ताकि मिश्रित उत्पाद में 25% नमक हो? ṁ2 ज्ञात कीजिए।
ṁ1 = 750 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.द्रव्यमान संतुलनकठिन
एक वाष्पित्र शुद्ध पानी उबालकर NaOH विलयन को सांद्र करता है। उत्पाद प्रवाह P को kg/h में ज्ञात कीजिए।
F = 2600 kg/hxF = 16 %xP = 55 %
P = kg/h
3.ऊर्जा संतुलनमध्यम
गर्म ग्लाइकॉल मिश्रण बिना ऊष्मा हानि वाले प्रतिप्रवाह ऊष्मा विनिमयक में पानी को ठंडा करता है। पानी का निर्गम तापमान tout ज्ञात कीजिए।
ṁh = 1.5 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.ऊर्जा संतुलनकठिन
गर्म ग्लाइकॉल मिश्रण एक विनिमयक में पानी को गर्म करता है जो गर्म धारा द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा का 5% परिवेश में खो देता है। आवश्यक पानी प्रवाह दर ṁc ज्ञात कीजिए।
ṁh = 2.5 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 150 °Ct: 25 → 60 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)हानि = 5 %
ṁc = kg/s
5.आदर्श गैस नियममध्यम
250 kPa और 50 °C पर O₂ का 420 g कितना आयतन V घेरता है? इसे आदर्श गैस मानें।
m = 420 gM = 32 g/molP = 250 kPaT = 50 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.आदर्श गैस नियमकठिन
Ar की एक निश्चित मात्रा 100 kPa, 20 L, 25 °C से 200 kPa और 180 °C पर जाती है। नया आयतन V2 ज्ञात कीजिए।
P1 = 100 kPaV1 = 20 LT1 = 25 °CP2 = 200 kPaT2 = 180 °C
V2 = L
7.स्टॉइकियोमेट्रीमध्यम
4 g C3H8 और 24 g O2, C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O के अनुसार अभिक्रिया करते हैं। H2O का कितना द्रव्यमान m बन सकता है?
M(C3H8) = 44.1M(O2) = 32M(H2O) = 18.02 g/mol
m = g
8.स्टॉइकियोमेट्रीकठिन
अभिक्रिया Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 में 8 g Fe2O3 पूरी तरह अभिक्रिया करता है (बाकी अभिकारक अधिक मात्रा में) और 4.96 g CO2 एकत्र होता है। प्रतिशत उपज Y ज्ञात करें।
M(Fe2O3) = 159.69 g/molM(CO2) = 44.01 g/molवास्तविक: 4.96 g
Y = %
9.रासायनिक साम्यमध्यम
एक पात्र में 0.2 mol/L H₂ और 0.2 mol/L I₂ डालकर अभिक्रिया कराई जाती है: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, जहाँ Kc = 16। साम्य सांद्रता [HI] ज्ञात कीजिए।
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.2 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.रासायनिक साम्यकठिन
PCl₅ विघटित होता है: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, अभिक्रिया ताप पर Kc = 0.1। पात्र में शुरू में केवल 1.5 mol/L PCl₅ है। साम्य सांद्रता [PCl5] ज्ञात कीजिए।
[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LKc = 0.1
[PCl5] = mol/L
11.कैलोरीमिति और एन्थैल्पीमध्यम
150 °C पर एल्युमिनियम का 150 g का एक टुकड़ा (c = 0.897 J/(g·°C)) एक ऊष्मारोधी कप में 15 °C पर रखे 100 g पानी (c = 4.18 J/(g·°C)) में डाला जाता है। अंतिम ताप Tf ज्ञात कीजिए।
mmetal = 150 gcmetal = 0.897 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 100 gTwater = 15 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.कैलोरीमिति और एन्थैल्पीकठिन
मानक संभवन एन्थैल्पियों से वह ऊष्मा q ज्ञात कीजिए जो 10 g CH4 (M = 16.04 g/mol) के पूर्ण दहन पर मुक्त होती है: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l)। q को धनात्मक संख्या के रूप में दें।
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.अभिक्रिया गतिकीमध्यम
एक बैच रिएक्टर में द्वितीय-कोटि अभिक्रिया (−rA = k·CA²) में k = 0.8 L/(mol·min) है और यह 1 mol/L से शुरू होती है। 50% रूपांतरण तक पहुँचने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।
k = 0.8 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 50 %
t = min
14.अभिक्रिया गतिकीकठिन
एक प्रथम-कोटि अभिक्रिया का 50 °C पर दर स्थिरांक 0.001 s⁻¹ और सक्रियण ऊर्जा 60 kJ/mol है। आरेनियस समीकरण में पूर्व-चरघातांकी गुणक A ज्ञात कीजिए।
k = 0.001 s⁻¹T = 50 °CEa = 60 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)मध्यम
एक द्रव-प्रावस्था प्रथम कोटि अभिक्रिया A → B (k = 0.25 min⁻¹) 100 L के प्लग-फ़्लो रिएक्टर (PFR) में चलती है। फ़ीड 20 L/min पर CA0 = 1 mol/L के साथ प्रवेश करता है। घनत्व नियत है और रिएक्टर स्थायी अवस्था में है। निकास सांद्रता CA ज्ञात कीजिए।
V = 100 LQ = 20 L/mink = 0.25 min⁻¹CA0 = 1 mol/L
CA = mol/L
16.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)कठिन
एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया (k = 0.08 min⁻¹) 20 L/min फ़ीड वाले 100 L प्लग-फ़्लो रिएक्टर (PFR) में चलती है। घनत्व नियत है और रिएक्टर स्थायी अवस्था में है। रूपांतरण X प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।
V = 100 LQ = 20 L/mink = 0.08 min⁻¹
X = %
17.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)मध्यम
एक संघनित्र में भाप नलियों के बाहर स्थिर 105 °C पर संघनित होती है। ठंडा करने वाला पानी (5 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K)) नलियों से होकर बहता है और 15 से 55 °C तक गर्म होता है। समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक 2500 W/(m²·K) है। आवश्यक ऊष्मा अंतरण क्षेत्रफल A ज्ञात कीजिए।
Ts = 105 °Cṁ = 5 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc: 15 → 55 °CU = 2500 W/(m²·K)
A = m²
18.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)कठिन
एक प्रतिप्रवाह ऊष्मा विनिमयक में दोनों धाराओं की ऊष्मा धारिता दर समान है, ṁ·cp = 1 kW/K। गर्म धारा 85 °C पर और ठंडी धारा 20 °C पर प्रवेश करती है। विनिमयक में A = 3 m² और U = 300 W/(m²·K) है। गर्म निर्गम तापमान Th,out ज्ञात कीजिए।
Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 85 °CTc,in = 20 °CA = 3 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.ऊष्मा चालनमध्यम
एक दीवार लकड़ी की 100 mm और ईंट की 150 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 4 m²। बाहरी फलक 16 °C और 9 °C पर हैं। दीवार से ऊष्मा प्रवाह Q̇ ज्ञात कीजिए।
L1 = 100 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.72 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 16 °CT3 = 9 °C
Q̇ = W
20.ऊष्मा चालनकठिन
150 mm काँच और 25 mm खनिज ऊन की दीवार 20 °C वाले कमरे को -11 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 7.7 W/(m²·K) और बाहर 20 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 12 m² है। दीवार की भीतरी सतह का तापमान Ts ज्ञात कीजिए।
L1 = 150 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 12 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -11 °C
Ts = °C
21.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम
जल (ρ = 1000 kg/m³) 250 mm आंतरिक व्यास वाले 100 m लंबे क्षैतिज पाइप से 1.2 m/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.02 और g = 9.81 m/s² लें। पाइप पर दाब पात Δp kPa में ज्ञात कीजिए।
V = 1.2 m/sL = 100 mD = 250 mmf = 0.02ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन
100 mm आंतरिक व्यास (डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018) वाला 100 m लंबा पाइप एक खुले जलाशय से निकलता है और वायु में मुक्त जेट के रूप में निकास करता है। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 2 मोड़ (हर एक K = 0.3) और एक वाल्व (K = 5)। g = 9.81 m/s² लें। 25 L/s की प्रवाह दर के लिए जलाशय की सतह पाइप निकास से कितनी H ऊपर होनी चाहिए?
Q = 25 L/sL = 100 mD = 100 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 5
H = m
23.पंप और पंप शक्तिमध्यम
75% दक्षता वाला एक पंप 12 m शीर्ष के विरुद्ध 25 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। g = 9.81 m/s² लें। आवश्यक शाफ़्ट शक्ति Pshaft kW में ज्ञात कीजिए।
Q = 25 L/sH = 12 mη = 75%g = 9.81 m/s²
Pshaft = kW
24.पंप और पंप शक्तिकठिन
एक पंप 120 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 7 m ऊँची है। पाइप 200 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 250 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 4 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।
Q = 120 L/sΔz = 7 mL = 200 mD = 250 mmf = 0.018ΣK = 4
H = m
3विलयन
1.द्रव्यमान संतुलन
उत्तर: ṁ2 = 750 kg/h
स्थायी अवस्था द्रव्यमान संतुलन: कुल और हर घटक के लिए अंदर = बाहर। मिश्रण के प्रश्न दोनों को जोड़ते हैं।
संतुलन
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
नमक: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
ṁ2 के लिए हल करें
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 750·(35 − 25)/(25 − 15) = 750 kg/h
उत्तर
ṁ2 = 750 kg/h
2.द्रव्यमान संतुलन
उत्तर: P = 756.4 kg/h
बंधक घटक: वह घटक जो केवल एक धारा में बिना बदले गुज़रता है (यहाँ विलेय) प्रवाहों को सीधे जोड़ता है। फिर कुल संतुलन बाकी देता है।
विलेय संतुलन
F·xF = P·xP → P = 2600·16/55 = 756.4 kg/h
उत्तर
P = 756.4 kg/h
3.ऊर्जा संतुलन
उत्तर: tout = 159.2 °C
विनिमयक ऊर्जा संतुलन: बिना हानि के ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)।
गर्म धारा द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा
Q = 1.5·3.6·(180 − 80) = 540 kW
पानी द्वारा ली गई ऊष्मा
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 540/(1·4.18) = 159.2 °C
उत्तर
tout = 159.2 °C
4.ऊर्जा संतुलन
उत्तर: ṁc = 1.753 kg/s
हानि सहित ऊर्जा संतुलन: छोड़ी गई ऊष्मा = अवशोषित ऊष्मा + खोई ऊष्मा।
छोड़ी गई ऊष्मा
Qh = 2.5·3.6·(180 − 150) = 270 kW
पानी तक पहुँचने वाली ऊष्मा
Qc = (1 − 0.05)·270 = 256.5 kW
पानी प्रवाह दर
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 256.5/(4.18·35) = 1.753 kg/s
उत्तर
ṁc = 1.753 kg/s
5.आदर्श गैस नियम
उत्तर: V = 141.1 L
आदर्श गैस नियम: PV = nRT, n = m/M के साथ।
मोल
n = 420/32 = 13.13 mol
T = 50 + 273.15 = 323.1 K
आयतन
V = nRT/P = 13.13·8.314·323.1/250 = 141.1 L
उत्तर
V = 141.1 L
6.आदर्श गैस नियम
उत्तर: V2 = 15.2 L
संयुक्त गैस नियम: आदर्श गैस की निश्चित मात्रा के लिए P1V1/T1 = P2V2/T2।
परम तापमान
T1 = 298.1 K, T2 = 453.1 K
संयुक्त गैस नियम
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/200)·(453.1/298.1) = 15.2 L
उत्तर
V2 = 15.2 L
7.स्टॉइकियोमेट्री
उत्तर: m = 6.538 g
स्टॉइकियोमेट्री: संतुलित समीकरण कण गिनता है, ग्राम नहीं। n = m/M से द्रव्यमान को मोल में बदलें, समीकरण के गुणांकों को मोल अनुपात के रूप में लें, फिर m = n·M से वापस बदलें। दो अभिकारकों में सीमांत अभिकारक वह है जो पहले खत्म होता है और उत्पाद की मात्रा तय करता है।
हर अभिकारक के मोल
n(C3H8) = 4/44.1 = 0.0907 mol
n(O2) = 24/32 = 0.75 mol
सीमांत अभिकारक
0.0907/1 = 0.0907, 0.75/5 = 0.15 → C3H8
उत्पाद का द्रव्यमान
n(H2O) = 0.0907·4 = 0.3628 mol
m = 0.3628·18.02 = 6.538 g
उत्तर
m = 6.538 g
8.स्टॉइकियोमेट्री
उत्तर: Y = 74.99 %
स्टॉइकियोमेट्री: संतुलित समीकरण कण गिनता है, ग्राम नहीं। n = m/M से द्रव्यमान को मोल में बदलें, समीकरण के गुणांकों को मोल अनुपात के रूप में लें, फिर m = n·M से वापस बदलें। दो अभिकारकों में सीमांत अभिकारक वह है जो पहले खत्म होता है और उत्पाद की मात्रा तय करता है।
सैद्धांतिक उपज
n(Fe2O3) = 8/159.69 = 0.0501 mol
m = 0.0501·3/1·44.01 = 6.614 g
प्रतिशत उपज
Y = 4.96/6.614·100 = 74.99%
उत्तर
Y = 74.99%
9.रासायनिक साम्य
उत्तर: [HI] = 0.2667 mol/L
रासायनिक साम्य: aA + bB ⇌ cC + dD के लिए साम्य स्थिरांक Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) है, जिसमें साम्य पर सांद्रताएँ ली जाती हैं। ICE तालिका (प्रारंभिक, परिवर्तन, साम्य) प्रारंभिक मात्राओं को साम्य मात्राओं से एक अज्ञात x के ज़रिए जोड़ती है, जिसे गुणांकों से मापित किया जाता है।
साम्य व्यंजक
16 = (2x)²/(0.2 − x)²
वर्गमूल लें
4 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·4/(2 + 4) = 0.1333 mol/L
साम्य सांद्रता
[HI] = 2x = 0.2667 mol/L
उत्तर
[HI] = 0.2667 mol/L
10.रासायनिक साम्य
उत्तर: [PCl5] = 1.159 mol/L
रासायनिक साम्य: aA + bB ⇌ cC + dD के लिए साम्य स्थिरांक Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) है, जिसमें साम्य पर सांद्रताएँ ली जाती हैं। ICE तालिका (प्रारंभिक, परिवर्तन, साम्य) प्रारंभिक मात्राओं को साम्य मात्राओं से एक अज्ञात x के ज़रिए जोड़ती है, जिसे गुणांकों से मापित किया जाता है।
साम्य व्यंजक
0.1 = x²/(1.5 − x) → x² + 0.1·x − 0.15 = 0
द्विघात समीकरण हल करें
x = (−0.1 + √(0.1² + 4·0.15))/2 = 0.3405 mol/L
साम्य सांद्रता
[PCl₅] = 1.5 − 0.3405 = 1.159 mol/L
उत्तर
[PCl5] = 1.159 mol/L
11.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
उत्तर: Tf = 47.87 °C
ऊष्मा और एन्थैल्पी: किसी पदार्थ को गर्म करने के लिए q = m·c·ΔT लगती है। कैलोरीमीटर में गर्म वस्तु द्वारा दी गई ऊष्मा ठंडी वस्तु द्वारा ली गई ऊष्मा के बराबर होती है। अभिक्रिया का एन्थैल्पी परिवर्तन संभवन एन्थैल्पियों से मिलता है: ΔH° = ΣΔH°f(उत्पाद) − ΣΔH°f(अभिकारक), हर एक को उसके गुणांक से गुणा करके।
ऊष्मा संतुलन
150·0.897·(150 − Tf) = 100·4.18·(Tf − 15)
अंतिम ताप के लिए हल करें
Tf = (134.6·150 + 418·15)/(134.6 + 418) = 47.87 °C
उत्तर
Tf = 47.87 °C
12.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
उत्तर: q = 555 kJ
ऊष्मा और एन्थैल्पी: किसी पदार्थ को गर्म करने के लिए q = m·c·ΔT लगती है। कैलोरीमीटर में गर्म वस्तु द्वारा दी गई ऊष्मा ठंडी वस्तु द्वारा ली गई ऊष्मा के बराबर होती है। अभिक्रिया का एन्थैल्पी परिवर्तन संभवन एन्थैल्पियों से मिलता है: ΔH° = ΣΔH°f(उत्पाद) − ΣΔH°f(अभिकारक), हर एक को उसके गुणांक से गुणा करके।
अभिक्रिया की एन्थैल्पी
ΔH° = [1·(−393.5) + 2·(−285.8)] − [1·(−74.8) + 2·0] = −890.3 kJ
दिए गए द्रव्यमान के लिए ऊष्मा
n = 10/16.04 = 0.6234 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0.6234·890.3 = 555 kJ
उत्तर
q = 555 kJ
13.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: t = 1.25 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).
अंत में सांद्रता
CA = 1·(1 − 0.5) = 0.5 mol/L
समाकलित द्वितीय-कोटि नियम
t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2 − 1)/0.8 = 1.25 min
उत्तर
t = 1.25 min
14.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: A = 4.999 × 10⁶ s⁻¹
Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).
परम तापमान
T = 50 + 273.15 = 323.1 K
आरेनियस को A के लिए हल करें
Ea/(RT) = 60000/(8.314·323.1) = 22.33
A = k·e22.33 = 0.001·4.999 × 10⁹ = 4.999 × 10⁶ s⁻¹
उत्तर
A = 4.999 × 10⁶ s⁻¹
15.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)
उत्तर: CA = 0.2865 mol/L
आदर्श रिएक्टर, प्रथम कोटि अभिक्रिया (−rA = k·CA) स्थायी अवस्था में, स्पेस टाइम τ = V/Q के साथ। CSTR पूर्णतः मिश्रित होता है, इसलिए पूरा आयतन निम्न निकास सांद्रता पर अभिक्रिया करता है: τ = X/(k·(1 − X)) और CA = CA0/(1 + k·τ)। PFR में तरल की हर परत एक छोटे बैच रिएक्टर की तरह अभिक्रिया करती है: τ = ln(1/(1 − X))/k और CA = CA0·e−k·τ। समान रूपांतरण के लिए CSTR को हमेशा PFR से अधिक आयतन चाहिए।
स्पेस टाइम
τ = V/Q = 100/20 = 5 min
निकास सांद्रता
CA = 1·e−0.25·5 = 0.2865 mol/L
उत्तर
CA = 0.2865 mol/L
रूपांतरण: X = 71.35%।
16.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)
उत्तर: X = 32.97 %
आदर्श रिएक्टर, प्रथम कोटि अभिक्रिया (−rA = k·CA) स्थायी अवस्था में, स्पेस टाइम τ = V/Q के साथ। CSTR पूर्णतः मिश्रित होता है, इसलिए पूरा आयतन निम्न निकास सांद्रता पर अभिक्रिया करता है: τ = X/(k·(1 − X)) और CA = CA0/(1 + k·τ)। PFR में तरल की हर परत एक छोटे बैच रिएक्टर की तरह अभिक्रिया करती है: τ = ln(1/(1 − X))/k और CA = CA0·e−k·τ। समान रूपांतरण के लिए CSTR को हमेशा PFR से अधिक आयतन चाहिए।
स्पेस टाइम
τ = V/Q = 100/20 = 5 min, kτ = 0.08·5 = 0.4
रूपांतरण
X = 1 − e−kτ = 1 − e−0.4 = 32.97%
उत्तर
X = 32.97%
17.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
उत्तर: A = 4.914 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.
पानी पक्ष से ऊष्मा भार
Q̇ = 5·4.18·(55 − 15) = 836 kW
सिरों पर तापांतर
ΔT₁ = 105 − 15 = 90 K
ΔT₂ = 105 − 55 = 50 K
लघुगणकीय माध्य तापांतर
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 50)/ln(90/50) = 68.05 K
क्षेत्रफल
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 836000/(2500·68.05) = 4.914 m²
उत्तर
A = 4.914 m²
18.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
उत्तर: Th,out = 54.21 °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.
स्थिर तापांतर
ठंडा निर्गम गर्म प्रवेश के सामने है: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), इसलिए ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂।
ΔTlm = Th,out − Tc,in
ऊर्जा संतुलन = दर समीकरण
1·(85 − Th,out) = 0.9·(Th,out − 20)
Th,out = (1·85 + 0.9·20)/(1 + 0.9) = 54.21 °C
उत्तर
Th,out = 54.21 °C
स्थानांतरित ऊष्मा: Q̇ = 30.79 kW; ठंडी धारा 50.79 °C पर निकलती है।
19.ऊष्मा चालन
उत्तर: Q̇ = 35.15 W
तापीय प्रतिरोध: श्रेणी परतों से स्थिर ऊष्मा प्रवाह श्रेणी प्रतिरोधकों में धारा जैसा व्यवहार करता है: Q̇ = ΔT/ΣR, चालक परत के लिए R = L/(kA) और संवहन सतह के लिए R = 1/(hA)। हर परत पर तापमान पात उसके प्रतिरोध के अनुपात में होता है।
परत प्रतिरोध
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.17·4) = 0.1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.72·4) = 0.05208 K/W
ऊष्मा प्रवाह
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 7/0.1991 = 35.15 W
उत्तर
Q̇ = 35.15 W
20.ऊष्मा चालन
उत्तर: Ts = 15.81 °C
तापीय प्रतिरोध: श्रेणी परतों से स्थिर ऊष्मा प्रवाह श्रेणी प्रतिरोधकों में धारा जैसा व्यवहार करता है: Q̇ = ΔT/ΣR, चालक परत के लिए R = L/(kA) और संवहन सतह के लिए R = 1/(hA)। हर परत पर तापमान पात उसके प्रतिरोध के अनुपात में होता है।
श्रेणी प्रतिरोध
Ri = 1/(hiA) = 1/(7.7·12) = 0.01082 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.96·12) = 0.01302 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0.04·12) = 0.05208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0.004167 K/W
ΣR = 0.08009 K/W
ऊष्मा हानि
Q̇ = (20 − (-11))/0.08009 = 387 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 387·0.01082 = 15.81 °C
उत्तर
Ts = 15.81 °C
21.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि
उत्तर: Δp = 5.76 kPa
पाइप प्रवाह: रेनॉल्ड्स संख्या Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ स्तरीय प्रवाह (Re लगभग 2000 से कम) को विक्षुब्ध प्रवाह (लगभग 4000 से अधिक) से अलग करती है। पाइप के अनुदिश घर्षण से डार्सी–वाइसबाख शीर्ष हानि hf = f·(L/D)·V²/(2g) होती है। फ़िटिंग, वाल्व, प्रवेश और निकास लघु हानियाँ hm = ΣK·V²/(2g) जोड़ते हैं। दो खुले जलाशय सतहों के बीच ऊर्जा समीकरण Δz = hf + hm देता है, जिसमें निकास हानि K = 1 शामिल है।
शीर्ष हानि
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(100/0.25)·1.2²/(2·9.81) = 0.5872 m
दाब पात
पाइप क्षैतिज है और वेग नहीं बदलता, इसलिए ऊर्जा समीकरण Δp = ρ·g·hf बन जाता है।
Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·0.5872 = 5760 Pa = 5.76 kPa
उत्तर
Δp = 5.76 kPa
22.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि
उत्तर: H = 12.96 m
पाइप प्रवाह: रेनॉल्ड्स संख्या Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ स्तरीय प्रवाह (Re लगभग 2000 से कम) को विक्षुब्ध प्रवाह (लगभग 4000 से अधिक) से अलग करती है। पाइप के अनुदिश घर्षण से डार्सी–वाइसबाख शीर्ष हानि hf = f·(L/D)·V²/(2g) होती है। फ़िटिंग, वाल्व, प्रवेश और निकास लघु हानियाँ hm = ΣK·V²/(2g) जोड़ते हैं। दो खुले जलाशय सतहों के बीच ऊर्जा समीकरण Δz = hf + hm देता है, जिसमें निकास हानि K = 1 शामिल है।
वेग
V = Q/A = 0.025/0.007854 = 3.183 m/s
V²/(2g) = 0.5164 m
हानि गुणांक
f·L/D = 0.018·100/0.1 = 18
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 5 = 6.1
ऊर्जा समीकरण
निकास जेट अभी भी अपना वेग शीर्ष वहन करता है; यह हानि नहीं है, पर इसे देना पड़ता है।
H = (1 + 18 + 6.1)·0.5164 = 12.96 m
उत्तर
H = 12.96 m
23.पंप और पंप शक्ति
उत्तर: Pshaft = 3.924 kW
पंप शक्ति: जल को दी गई शक्ति द्रवीय शक्ति Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp है। शाफ़्ट को अधिक देना पड़ता है क्योंकि पंप में कुछ हानि होती है: Pshaft = Ph/ηpump, और मोटर Pel = Pshaft/ηmotor लेती है। पंप शीर्ष H ऊर्जा समीकरण से मिलता है: स्थैतिक उठान + दाब शीर्ष + सभी घर्षण और लघु हानियाँ।
द्रवीय शक्ति
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.025·12 = 2.943 kW
शाफ़्ट शक्ति
Pshaft = Ph/η = 2.943/0.75 = 3.924 kW
उत्तर
Pshaft = 3.924 kW
24.पंप और पंप शक्ति
उत्तर: H = 12.6 m
पंप शक्ति: जल को दी गई शक्ति द्रवीय शक्ति Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp है। शाफ़्ट को अधिक देना पड़ता है क्योंकि पंप में कुछ हानि होती है: Pshaft = Ph/ηpump, और मोटर Pel = Pshaft/ηmotor लेती है। पंप शीर्ष H ऊर्जा समीकरण से मिलता है: स्थैतिक उठान + दाब शीर्ष + सभी घर्षण और लघु हानियाँ।
वेग
V = Q/A = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s
V²/(2g) = 0.3046 m
शीर्ष हानियाँ
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (14.4 + 4)·0.3046 = 5.605 m
पंप शीर्ष
दोनों सतहें खुली और लगभग विराम में हैं, इसलिए दाब और वेग पद हट जाते हैं।
H = Δz + hL = 7 + 5.605 = 12.6 m
उत्तर
H = 12.6 m
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