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 35% चीनी हो? ṁ2 ज्ञात कीजिए।
ṁ1 = 350 kg/hx1 = 5 %x2 = 40 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.द्रव्यमान संतुलनकठिन
एक वाष्पित्र शुद्ध पानी उबालकर चीनी विलयन को सांद्र करता है। वाष्पित पानी W को kg/h में ज्ञात कीजिए।
F = 2800 kg/hxF = 20 %xP = 50 %
W = kg/h
3.ऊर्जा संतुलनमध्यम
गर्म हल्का तेल बिना ऊष्मा हानि वाले प्रतिप्रवाह ऊष्मा विनिमयक में पानी को ठंडा करता है। पानी का निर्गम तापमान tout ज्ञात कीजिए।
ṁh = 1 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.ऊर्जा संतुलनकठिन
गर्म हल्का तेल एक विनिमयक में पानी को गर्म करता है जो गर्म धारा द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा का 10% परिवेश में खो देता है। आवश्यक पानी प्रवाह दर ṁc ज्ञात कीजिए।
ṁh = 3 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 90 °Ct: 15 → 35 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)हानि = 10 %
ṁc = kg/s
5.आदर्श गैस नियममध्यम
5 L की टंकी में 40 °C पर Ar का 220 g है। इसे आदर्श गैस मानकर दाब P ज्ञात कीजिए।
m = 220 gM = 39.95 g/molV = 5 LT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.आदर्श गैस नियमकठिन
1000 kPa और 20 °C पर Ar का घनत्व ρ आदर्श गैस मानकर ज्ञात कीजिए।
M = 39.95 g/molP = 1000 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.स्टॉइकियोमेट्रीमध्यम
12 g C3H8 और 64 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 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3 में 4 g Al पूरी तरह अभिक्रिया करता है (बाकी अभिकारक अधिक मात्रा में) और 15.42 g AlCl3 एकत्र होता है। प्रतिशत उपज Y ज्ञात करें।
M(Al) = 26.98 g/molM(AlCl3) = 133.33 g/molवास्तविक: 15.42 g
Y = %
9.रासायनिक साम्यमध्यम
एक पात्र में 0.1 mol/L H₂ और 0.1 mol/L I₂ डालकर अभिक्रिया कराई जाती है: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, जहाँ Kc = 16। साम्य सांद्रता [H2] ज्ञात कीजिए।
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.1 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
10.रासायनिक साम्यकठिन
PCl₅ विघटित होता है: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, अभिक्रिया ताप पर Kc = 0.5। पात्र में शुरू में केवल 0.1 mol/L PCl₅ है। साम्य सांद्रता [Cl2] ज्ञात कीजिए।
[PCl₅]₀ = 0.1 mol/LKc = 0.5
[Cl2] = mol/L
11.कैलोरीमिति और एन्थैल्पीमध्यम
150 °C पर लोहा का 200 g का एक टुकड़ा (c = 0.449 J/(g·°C)) एक ऊष्मारोधी कप में 18 °C पर रखे 250 g पानी (c = 4.18 J/(g·°C)) में डाला जाता है। अंतिम ताप Tf ज्ञात कीजिए।
mmetal = 200 gcmetal = 0.449 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 250 gTwater = 18 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.कैलोरीमिति और एन्थैल्पीकठिन
मानक संभवन एन्थैल्पियों से अभिक्रिया C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l) का ΔH° ज्ञात कीजिए।
ΔH°f(C3H8) = −103.8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.अभिक्रिया गतिकीमध्यम
एक बैच रिएक्टर में द्वितीय-कोटि अभिक्रिया (−rA = k·CA²) में k = 0.2 L/(mol·min) है और यह 1.5 mol/L से शुरू होती है। 60% रूपांतरण तक पहुँचने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।
k = 0.2 L/(mol·min)CA0 = 1.5 mol/LX = 60 %
t = min
14.अभिक्रिया गतिकीकठिन
एक अभिक्रिया की सक्रियण ऊर्जा 75 kJ/mol है। 20 °C पर यह बहुत धीमी है। इसे 3 गुना तेज़ बनाने के लिए किस तापमान T2 (°C में) तक गर्म करना होगा?
Ea = 75 kJ/molT1 = 20 °Ck2/k1 = 3R = 8.314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)मध्यम
एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया को 50% रूपांतरण तक पहुँचना है। समान फ़ीड दर, दर स्थिरांक और रूपांतरण के लिए CSTR को PFR से कितने गुना बड़ा होना चाहिए? अनुपात VCSTR/VPFR ज्ञात कीजिए।
X = 50%प्रथम कोटि, समान k और Q
VCSTR/VPFR =
16.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)कठिन
एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया (k = 0.3 min⁻¹) 40 L/min फ़ीड वाले 250 L प्लग-फ़्लो रिएक्टर (PFR) में चलती है। घनत्व नियत है और रिएक्टर स्थायी अवस्था में है। रूपांतरण X प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।
V = 250 LQ = 40 L/mink = 0.3 min⁻¹
X = %
17.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)मध्यम
एक प्रतिप्रवाह ऊष्मा विनिमयक 370 kW स्थानांतरित करता है। गर्म तरल 145 से 105 °C तक ठंडा होता है और ठंडा तरल 15 से 70 °C तक गर्म होता है। समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक 1000 W/(m²·K) है। आवश्यक ऊष्मा अंतरण क्षेत्रफल A ज्ञात कीजिए।
Q̇ = 370 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 145 → 105 °CTc: 15 → 70 °C
A = m²
18.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)कठिन
गर्म तेल (1 kg/s, cp = 2.3 kJ/(kg·K)) एक प्रतिप्रवाह विनिमयक में 110 से 50 °C तक ठंडा होता है। यह 25 °C पर प्रवेश करने वाले 1 kg/s पानी (cp = 4.18 kJ/(kg·K)) को गर्म करता है। U = 800 W/(m²·K) के साथ आवश्यक ऊष्मा अंतरण क्षेत्रफल A ज्ञात कीजिए।
ṁh = 1 kg/scp,h = 2.3 kJ/(kg·K)Th: 110 → 50 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.ऊष्मा चालनमध्यम
एक दीवार जिप्सम बोर्ड की 250 mm और लकड़ी की 100 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 6 m²। बाहरी फलक 20 °C और -14 °C पर हैं। दीवार से ऊष्मा प्रवाह Q̇ ज्ञात कीजिए।
L1 = 250 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 20 °CT3 = -14 °C
Q̇ = W
20.ऊष्मा चालनकठिन
200 mm काँच और 25 mm विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की दीवार 21 °C वाले कमरे को -3 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 10 W/(m²·K) और बाहर 20 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 12 m² है। दीवार से ऊष्मा हानि Q̇ ज्ञात कीजिए।
L1 = 200 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 12 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -3 °C
Q̇ = W
21.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम
जल (ρ = 1000 kg/m³) 100 mm आंतरिक व्यास वाले 100 m लंबे क्षैतिज पाइप से 2.6 m/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022 और g = 9.81 m/s² लें। पाइप पर दाब पात Δp kPa में ज्ञात कीजिए।
V = 2.6 m/sL = 100 mD = 100 mmf = 0.022ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन
200 mm आंतरिक व्यास (डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018) वाला 200 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), 3 मोड़ (हर एक K = 0.3) और एक वाल्व (K = 10)। g = 9.81 m/s² लें। 75 L/s की प्रवाह दर के लिए जलाशय की सतह पाइप निकास से कितनी H ऊपर होनी चाहिए?
Q = 75 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 10
H = m
23.पंप और पंप शक्तिमध्यम
75% दक्षता वाला एक पंप 42 m शीर्ष के विरुद्ध 10 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। g = 9.81 m/s² लें। आवश्यक शाफ़्ट शक्ति Pshaft kW में ज्ञात कीजिए।
Q = 10 L/sH = 42 mη = 75%g = 9.81 m/s²
Pshaft = kW
24.पंप और पंप शक्तिकठिन
एक पंप 80 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 18 m ऊँची है। पाइप 400 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 200 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 8 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।
Q = 80 L/sΔz = 18 mL = 400 mD = 200 mmf = 0.022ΣK = 8
H = m
3विलयन
1.द्रव्यमान संतुलन
उत्तर: ṁ2 = 2100 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
चीनी: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
ṁ2 के लिए हल करें
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 350·(5 − 35)/(35 − 40) = 2100 kg/h
उत्तर
ṁ2 = 2100 kg/h
2.द्रव्यमान संतुलन
उत्तर: W = 1680 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 = 2800·20/50 = 1120 kg/h
कुल संतुलन
W = F − P = 2800 − 1120 = 1680 kg/h
उत्तर
W = 1680 kg/h
3.ऊर्जा संतुलन
उत्तर: tout = 27.58 °C
विनिमयक ऊर्जा संतुलन: बिना हानि के ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)।
गर्म धारा द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा
Q = 1·2.1·(150 − 80) = 147 kW
पानी द्वारा ली गई ऊष्मा
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 147/(2·4.18) = 27.58 °C
उत्तर
tout = 27.58 °C
4.ऊर्जा संतुलन
उत्तर: ṁc = 2.035 kg/s
हानि सहित ऊर्जा संतुलन: छोड़ी गई ऊष्मा = अवशोषित ऊष्मा + खोई ऊष्मा।
छोड़ी गई ऊष्मा
Qh = 3·2.1·(120 − 90) = 189 kW
पानी तक पहुँचने वाली ऊष्मा
Qc = (1 − 0.1)·189 = 170.1 kW
पानी प्रवाह दर
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 170.1/(4.18·20) = 2.035 kg/s
उत्तर
ṁc = 2.035 kg/s
5.आदर्श गैस नियम
उत्तर: P = 2867 kPa
आदर्श गैस नियम: PV = nRT, n = m/M के साथ।
मोल
n = m/M = 220/39.95 = 5.507 mol
T = 40 + 273.15 = 313.1 K
दाब
P = nRT/V = 5.507·8.314·313.1/0.005 = 2867 kPa
उत्तर
P = 2867 kPa
6.आदर्श गैस नियम
उत्तर: ρ = 16.39 kg/m³
आदर्श गैस घनत्व: ρ = PM/(RT)।
गैस नियम पुनर्व्यवस्थित करें
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273.15 = 293.1 K
घनत्व
ρ = 1000·39.95/(8.314·293.1) = 16.39 kg/m³
उत्तर
ρ = 16.39 kg/m³
7.स्टॉइकियोमेट्री
उत्तर: m = 19.61 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) = 12/44.1 = 0.2721 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol
सीमांत अभिकारक
0.2721/1 = 0.2721, 2/5 = 0.4 → C3H8
उत्पाद का द्रव्यमान
n(H2O) = 0.2721·4 = 1.088 mol
m = 1.088·18.02 = 19.61 g
उत्तर
m = 19.61 g
8.स्टॉइकियोमेट्री
उत्तर: Y = 78.01 %
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(Al) = 4/26.98 = 0.1483 mol
m = 0.1483·2/2·133.33 = 19.77 g
प्रतिशत उपज
Y = 15.42/19.77·100 = 78.01%
उत्तर
Y = 78.01%
9.रासायनिक साम्य
उत्तर: [H2] = 0.03333 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/(0.1 − x)²
वर्गमूल लें
4 = 2x/(0.1 − x) → x = 0.1·4/(2 + 4) = 0.06667 mol/L
साम्य सांद्रता
[H₂] = 0.1 − x = 0.03333 mol/L
उत्तर
[H2] = 0.03333 mol/L
10.रासायनिक साम्य
उत्तर: [Cl2] = 0.08541 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
0.5 = x²/(0.1 − x) → x² + 0.5·x − 0.05 = 0
द्विघात समीकरण हल करें
x = (−0.5 + √(0.5² + 4·0.05))/2 = 0.08541 mol/L
साम्य सांद्रता
[Cl₂] = x = 0.08541 mol/L
उत्तर
[Cl2] = 0.08541 mol/L
11.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
उत्तर: Tf = 28.45 °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
200·0.449·(150 − Tf) = 250·4.18·(Tf − 18)
अंतिम ताप के लिए हल करें
Tf = (89.8·150 + 1045·18)/(89.8 + 1045) = 28.45 °C
उत्तर
Tf = 28.45 °C
12.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
उत्तर: ΔH° = −2220 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° = [3·(−393.5) + 4·(−285.8)] − [1·(−103.8) + 5·0] = −2220 kJ
उत्तर
ΔH° = −2220 kJ
ऋणात्मक: अभिक्रिया ऊष्मा छोड़ती है (ऊष्माक्षेपी)।
13.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: t = 5 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 = 1.5·(1 − 0.6) = 0.6 mol/L
समाकलित द्वितीय-कोटि नियम
t = (1/CA − 1/CA0)/k = (1.667 − 0.6667)/0.2 = 5 min
उत्तर
t = 5 min
14.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: T2 = 30.85 °C
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
T1 = 293.1 K
आरेनियस को T₂ के लिए हल करें
1/T2 = 1/293.1 − 8.314·ln(3)/75000 = 3.411 × 10⁻³ − 1.218 × 10⁻⁴ = 3.289 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 304 K = 30.85 °C
उत्तर
T2 = 30.85 °C
15.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)
उत्तर: VCSTR/VPFR = 1.443
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।
हर रिएक्टर के लिए k·τ
CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0.5/0.5 = 1
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2) = 0.6931
आयतनों का अनुपात
VCSTR/VPFR = 1/0.6931 = 1.443
उत्तर
VCSTR/VPFR = 1.443
उच्च रूपांतरण पर अंतर तेज़ी से बढ़ता है।
16.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)
उत्तर: X = 84.66 %
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 = 250/40 = 6.25 min, kτ = 0.3·6.25 = 1.875
रूपांतरण
X = 1 − e−kτ = 1 − e−1.875 = 84.66%
उत्तर
X = 84.66%
17.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
उत्तर: A = 4.497 m²
LMTD विधि: विनिमयक के साथ धाराओं के बीच तापांतर बदलता है, इसलिए दर समीकरण उसका लघुगणकीय माध्य लेता है: Q̇ = U·A·ΔTlm, जहाँ ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), और ΔT₁ व ΔT₂ दोनों सिरों पर अंतर हैं। समान इनलेट और आउटलेट तापमानों के लिए प्रतिप्रवाह, समांतर प्रवाह से बड़ा ΔTlm देता है।
सिरों पर तापांतर
प्रतिप्रवाह में गर्म इनलेट ठंडे आउटलेट के सामने और गर्म आउटलेट ठंडे इनलेट के सामने होता है।
ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 145 − 70 = 75 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 15 = 90 K
लघुगणकीय माध्य तापांतर
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 90)/ln(75/90) = 82.27 K
क्षेत्रफल
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 370000/(1000·82.27) = 4.497 m²
उत्तर
A = 4.497 m²
18.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
उत्तर: A = 4.68 m²
LMTD विधि: विनिमयक के साथ धाराओं के बीच तापांतर बदलता है, इसलिए दर समीकरण उसका लघुगणकीय माध्य लेता है: Q̇ = U·A·ΔTlm, जहाँ ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), और ΔT₁ व ΔT₂ दोनों सिरों पर अंतर हैं। समान इनलेट और आउटलेट तापमानों के लिए प्रतिप्रवाह, समांतर प्रवाह से बड़ा ΔTlm देता है।
ऊष्मा भार और पानी का निर्गम तापमान
Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2.3·60 = 138 kW
Tc,out = 25 + 138/(1·4.18) = 58.01 °C
सिरों पर तापांतर
प्रतिप्रवाह में गर्म इनलेट ठंडे आउटलेट के सामने और गर्म आउटलेट ठंडे इनलेट के सामने होता है।
ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 110 − 58.01 = 51.99 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 25 = 25 K
लघुगणकीय माध्य तापांतर
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (51.99 − 25)/ln(51.99/25) = 36.86 K
क्षेत्रफल
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 138000/(800·36.86) = 4.68 m²
उत्तर
A = 4.68 m²
19.ऊष्मा चालन
उत्तर: Q̇ = 99.09 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) = (250/1000)/(0.17·6) = 0.2451 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.17·6) = 0.09804 K/W
ऊष्मा प्रवाह
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 34/0.3431 = 99.09 W
उत्तर
Q̇ = 99.09 W
20.ऊष्मा चालन
उत्तर: Q̇ = 268.5 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।
श्रेणी प्रतिरोध
Ri = 1/(hiA) = 1/(10·12) = 0.008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0.96·12) = 0.01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0.035·12) = 0.05952 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0.004167 K/W
ΣR = 0.08938 K/W
ऊष्मा हानि
Q̇ = (21 − (-3))/0.08938 = 268.5 W
उत्तर
Q̇ = 268.5 W
21.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि
उत्तर: Δp = 74.36 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) = 0.022·(100/0.1)·2.6²/(2·9.81) = 7.58 m
दाब पात
पाइप क्षैतिज है और वेग नहीं बदलता, इसलिए ऊर्जा समीकरण Δp = ρ·g·hf बन जाता है।
Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·7.58 = 74360 Pa = 74.36 kPa
उत्तर
Δp = 74.36 kPa
22.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि
उत्तर: H = 8.831 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 = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s
V²/(2g) = 0.2905 m
हानि गुणांक
f·L/D = 0.018·200/0.2 = 18
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 10 = 11.4
ऊर्जा समीकरण
निकास जेट अभी भी अपना वेग शीर्ष वहन करता है; यह हानि नहीं है, पर इसे देना पड़ता है।
H = (1 + 18 + 11.4)·0.2905 = 8.831 m
उत्तर
H = 8.831 m
23.पंप और पंप शक्ति
उत्तर: Pshaft = 5.494 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 = 1000·9.81·0.01·42 = 4.12 kW
शाफ़्ट शक्ति
Pshaft = Ph/η = 4.12/0.75 = 5.494 kW
उत्तर
Pshaft = 5.494 kW
24.पंप और पंप शक्ति
उत्तर: H = 35.19 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 = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s
V²/(2g) = 0.3305 m
शीर्ष हानियाँ
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (44 + 8)·0.3305 = 17.19 m
पंप शीर्ष
दोनों सतहें खुली और लगभग विराम में हैं, इसलिए दाब और वेग पद हट जाते हैं।
H = Δz + hL = 18 + 17.19 = 35.19 m
उत्तर
H = 35.19 m
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