इंजीनियरिंग भौतिकी: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 20 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

शुद्ध गतिकी

वेग: v = v₀ + a·t
विस्थापन: s = v₀·t + ½·a·t²
समय के बिना: v² = v₀² + 2·a·s
इकाइयाँ: 1 m/s = 3.6 km/h

विधि

जो ज्ञात है उसे सूचीबद्ध करें: v₀, v, a, t और s, इकाइयों सहित।
वह समीकरण चुनें जिसमें आपकी तीन ज्ञात राशियाँ और अज्ञात हो।
एक धनात्मक दिशा चुनें और विपरीत राशियों को ऋण चिह्न दें।
हल करें और जाँचें कि उत्तर भौतिक रूप से उचित है।

न्यूटन के नियम

द्वितीय नियम: ΣF = m·a
भार: W = m·g
गतिज घर्षण: F_f = μ·N
ढलान पर: ढलान के अनुदिश: m·g·sin θ, अभिलंब: m·g·cos θ

विधि

पिंड पर हर बल के साथ मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ।
गति के अनुदिश एक धनात्मक दिशा चुनें।
बलों को गति के अनुदिश और उसके लंबवत घटकों में विभाजित करें (ढलान पर: अनुदिश m·g·sin θ, ढलान में m·g·cos θ)।
गति के अनुदिश ΣF = m·a लगाएँ; घर्षण गति के विरुद्ध μ·N है।

प्रक्षेप्य गति

घटक: v_x = v₀cos θ, v_y = v₀sin θ
स्थिति: x = v_xt, y = h + v_yt − ½gt²
अधिकतम ऊँचाई: H = h + v_y²/(2g)
परास (समतल भूमि): R = v₀²·sin 2θ/g

विधि

प्रक्षेपण वेग को घटकों में विभाजित करें: v_x = v₀·cos θ और v_y = v₀·sin θ।
क्षैतिज गति की चाल नियत होती है; ऊर्ध्वाधर गति का त्वरण −g होता है।
ऊर्ध्वाधर गति से उड़ान का समय ज्ञात करें।
परास ज्ञात करने के लिए उस समय का क्षैतिज गति में उपयोग करें।

कार्य और ऊर्जा

गतिज ऊर्जा: E_k = ½mv²
स्थितिज ऊर्जा: E_p = mgh
ऊर्जा संतुलन: E_k1 + E_p1 + W = E_k2 + E_p2 + losses
घर्षण का कार्य: W = μ·N·d
शक्ति: P = W/t

संवेग और टक्करें

संवेग: p = m·v
संरक्षण: Σm·v (before) = Σm·v (after)
पूर्णतः अप्रत्यास्थ: v′ = (m₁v₁ + m₂v₂)/(m₁ + m₂)
आवेग: J = F·Δt = m·Δv

विधि

एक धनात्मक दिशा चुनें और हर वेग को उसका चिह्न दें।
पहले का कुल संवेग लिखें: Σm·v।
पूर्णतः अप्रत्यास्थ टक्कर में पिंड बाद में साथ चलते हैं; प्रत्यास्थ टक्कर में गतिज ऊर्जा भी संरक्षित रहती है।
पहले के संवेग को बाद के संवेग के बराबर रखें और हल करें।

द्रवस्थैतिक बल

गहराई पर दाब: p = ρgh
ऊर्ध्वाधर दीवार पर बल: F = ρg·h_c·A
दाब केंद्र: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
आयत: I_c = bH³/12

सांतत्य और बर्नूली

सांतत्य: A₁v₁ = A₂v₂
बर्नूली: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
प्रवाह दर: Q = A·v
वृत्त का क्षेत्रफल: A = πd²/4

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

ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

दक्षता: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
कार्नो दक्षता: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
रेफ्रिजरेटर का COP: COP_R = Q_C/W
हीट पंप का COP: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
ऊर्जा संतुलन: Q_H = W + Q_C

तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

तरंग चाल: v = fλ, T = 1/f
डोरी: v = √(T/μ), μ = m/L
ध्वनि स्तर: β = 10·log₁₀(I/I₀), I₀ = 10⁻¹² W/m²
बिंदु स्रोत: I = P/(4πr²)
अप्रगामी तरंगें: डोरी या खुली नली f_n = n·v/(2L); बंद नली f_n = n·v/(4L), n विषम
डॉप्लर प्रभाव: f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s)
अपवर्तनांक: n = c/v, λ = λ₀/n
स्नेल का नियम: n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂
क्रांतिक कोण: sin θ_c = n₂/n₁
प्रकाशिक तंतु: NA = sin θ_a = √(n₁² − n₂²)
लेंस और दर्पण: 1/f = 1/d_o + 1/d_i, m = −d_i/d_o, mirror f = R/2
द्वि-झिरी: d·sin θ = mλ, y_m = mλL/d
झरझरी: d = 1/N, d·sin θ = mλ, m_max ≤ d/λ
एकल झिरी: a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

विधि

प्रश्न का प्रकार पहचानें: तरंग चाल, ध्वनि स्तर, अप्रगामी तरंग, डॉप्लर, अपवर्तन, लेंस या दर्पण, या व्यतिकरण।
पहले संबंध लिखें: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) या n·v/(4L), f′ = f(v ± v_o)/(v ∓ v_s), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ।
इकाइयाँ बदलें: nm, mm और cm से m में, और जाँचें कि कोण अभिलंब से मापे गए हैं या नहीं।
चिह्न और औचित्य जाँचें: आभासी प्रतिबिंब का dᵢ < 0 होता है, पास आता स्रोत ऊँचा सुनाई देता है, बंद नली में केवल विषम संनादी होते हैं।

2अभ्यास प्रश्न

1.शुद्ध गतिकीमध्यम

80 km/h से चल रही एक कार रुकने तक 3 m/s² के नियत मंदन से ब्रेक लगाती है। ब्रेक लगाने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।

v₀ = 80 km/ha = −3 m/s²v = 0

t = s

2.शुद्ध गतिकीकठिन

ज़मीन से 30 m ऊँची छत के किनारे से एक गेंद 5 m/s से सीधे ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। ज़मीन से अधिकतम ऊँचाई h_max ज्ञात कीजिए।

v₀ = 5 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²

h_max = m

3.न्यूटन के नियममध्यम

एक 5 kg डिब्बे को ढलान के समांतर बल से क्षैतिज से 40° पर झुके रैंप पर स्थिर चाल से ऊपर धकेला जाता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.15 है। g = 9.81 m/s² लें। धकेलने वाला बल F ज्ञात कीजिए।

m = 5 kgθ = 40°μ = 0.15g = 9.81 m/s²

F = N

4.न्यूटन के नियमकठिन

क्षैतिज मेज़ पर रखा 4.5 kg का एक गुटका एक हल्की डोरी द्वारा, जो घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से जाती है, 1.5 kg के लटकते द्रव्यमान से जुड़ा है। गुटके और मेज़ के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.25 है। g = 9.81 m/s² लें। डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m₁ = 4.5 kgm₂ = 1.5 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²

T = N

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद क्षैतिज से 15° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है और 40 m दूर गिरती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रक्षेपण चाल v₀ ज्ञात कीजिए।

θ = 15°R = 40 mg = 9.81 m/s²

v₀ = m/s

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक गेंद 30 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से क्षैतिज से 50° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने से पहले तय की गई क्षैतिज दूरी x ज्ञात कीजिए।

v₀ = 14 m/sθ = 50°h = 30 mg = 9.81 m/s²

x = m

7.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक खिलौना प्रक्षेपक में 1000 N/m कठोरता वाला ऊर्ध्वाधर स्प्रिंग है। उस पर 0.05 kg गेंद रखी जाती है और स्प्रिंग को 10 cm संपीडित करके छोड़ा जाता है। वायु प्रतिरोध और स्प्रिंग के द्रव्यमान को नगण्य मानते हुए वह ऊँचाई h ज्ञात कीजिए जिस तक गेंद उठती है, स्प्रिंग संपीडित होने पर उसकी स्थिति से मापकर।

m = 0.05 kgk = 1000 N/mx = 10 cmg = 9.81 m/s²

h = m

8.कार्य और ऊर्जाकठिन

एक 2 kg गुटका 35° की ढलान के तल पर विराम से शुरू होता है और ढलान के समांतर 20 N के स्थिर बल से ऊपर खींचा जाता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.15 है। ढलान पर 4 m ऊपर चलने के बाद गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 2 kgF = 20 Nθ = 35°μ = 0.15d = 4 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

9.संवेग और टक्करेंमध्यम

21 m/s से चल रही एक 1600 kg कार खड़ी 1400 kg कार से टकराती है और दोनों आपस में जुड़ जाती हैं। टक्कर में कितनी गतिज ऊर्जा ΔK नष्ट होती है?

m₁ = 1600 kgv₁ = 21 m/sm₂ = 1400 kgv₂ = 0

ΔK = J

10.संवेग और टक्करेंकठिन

एक चौराहे पर 14 m/s से पूर्व की ओर जा रही एक 1400 kg कार 8 m/s से उत्तर की ओर जा रही एक 1900 kg कार से टकराती है। कारें आपस में जुड़ जाती हैं। टक्कर के ठीक बाद मलबे की चाल v′ ज्ञात कीजिए।

m₁ = 1400 kgv₁ = 14 m/s (E)m₂ = 1900 kgv₂ = 8 m/s (N)

v′ = m/s

11.द्रवस्थैतिक बलमध्यम

3 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 3 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

d = 3 mH = 2.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

12.द्रवस्थैतिक बलकठिन

2 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 0.5 m नीचे है। सतह के नीचे दाब केंद्र की गहराई y_cp ज्ञात कीजिए।

d = 0.5 mH = 2 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

13.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक क्षैतिज पाइप में बहता है जो 100 mm से 40 mm तक संकरा होता है। चौड़े भाग में दाब 310 kPa और वेग 2.25 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर संकरे भाग में दाब p₂ ज्ञात कीजिए।

d₁ = 100 mmd₂ = 40 mmp₁ = 310 kPav₁ = 2.25 m/sρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

14.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

25 mm भीतरी व्यास वाला एक होज़ खुली टंकी से पानी साइफ़न करता है। होज़ का उच्चतम बिंदु C पानी की सतह से 1 m ऊपर है, और निकास (हवा में खुला) पानी की सतह से 2 m नीचे है। हानियों को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए।

d = 25 mmz_C = +1 mz₂ = −2 mg = 9.81 m/s²

Q = L/s

15.आदर्श गैस नियममध्यम

200 kPa और 5 °C पर CO₂ का 460 g कितना आयतन V घेरता है? इसे आदर्श गैस मानें।

m = 460 gM = 44.01 g/molP = 200 kPaT = 5 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

16.आदर्श गैस नियमकठिन

900 kPa और 20 °C पर O₂ का घनत्व ρ आदर्श गैस मानकर ज्ञात कीजिए।

M = 32 g/molP = 900 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 400 °C पर गर्म भंडार और 5 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। यह 3600 kJ ऊष्मा लेता है। यह अधिकतम कितना कार्य W_max उत्पन्न कर सकता है, ज्ञात कीजिए।

T_H = 400 °CT_L = 5 °CQ_H = 3600 kJ

W_max = kJ

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक ऊष्मा इंजन प्रति चक्र 400 °C वाले भंडार से 3400 kJ ऊष्मा लेता है, 1190 kJ कार्य उत्पन्न करता है और शेष को 10 °C वाले भंडार को त्यागता है। प्रति चक्र उत्पन्न कुल एन्ट्रॉपी S_gen ज्ञात कीजिए।

T_H = 400 °CT_L = 10 °CQ_H = 3400 kJW = 1190 kJ

S_gen = kJ/K

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम

दोनों सिरों पर बँधी डोरी 1.5 m लंबी है; उस पर तरंगें 180 m/s से चलती हैं। उसके संनादी संख्या 5 की आवृत्ति f₅ ज्ञात करें।

v = 180 m/sn = 5L = 1.5 m

f₅ = Hz

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन

633 nm तरंगदैर्ध्य का प्रकाश 200 रेखाएँ प्रति मिलीमीटर वाली झरझरी पर समकोण पर पड़ता है। कोटि-1 उच्चिष्ठ का कोण θ₁ ज्ञात करें।

N = 200 mm⁻¹λ = 633 nmm = 1

θ₁ = °

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: t = 7.407 s

नियत त्वरण वाली गति: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² और v² = v₀² + 2·a·s। वह समीकरण चुनें जिसमें आपकी तीन ज्ञात राशियाँ और एक वांछित राशि हो, और एक धनात्मक दिशा के अनुसार चिह्न एकसमान रखें।

इकाइयाँ

v₀ = 80/3.6 = 22.22 m/s

ब्रेकिंग समय

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 22.22/3 = 7.407 s

उत्तर

t = 7.407 s

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: h_max = 31.27 m

छत के ऊपर उठान

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 5²/(2·9.81) = 1.274 m

ज़मीन से ऊँचाई

h_max = 30 + 1.274 = 31.27 m

उत्तर

h_max = 31.27 m

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: F = 37.16 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

ढलान के अनुदिश बल

स्थिर चाल: बल संतुलित हैं।

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

धकेलने वाला बल

F = 31.53 + 5.636 = 37.16 N

उत्तर

F = 37.16 N

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: T = 13.8 N

न्यूटन का द्वितीय नियम: किसी पिंड पर नेट बल उसके द्रव्यमान और त्वरण के गुणनफल के बराबर होता है, ΣF = m·a। एक मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ, गति की दिशा में एक धनात्मक दिशा चुनें, और उस दिशा में सभी बल जोड़ें: लगाए गए बल, गति के विरुद्ध घर्षण μ·N, और गुरुत्व के घटक।

निकाय का त्वरण

a = (m₂·g − μ·m₁·g)/(m₁ + m₂) = (14.71 − 11.04)/6 = 0.6131 m/s²

मेज़ पर रखे गुटके से तनाव

T − μ·m₁·g = m₁·a

T = 4.5·0.6131 + 11.04 = 13.8 N

उत्तर

T = 13.8 N

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: v₀ = 28.01 m/s

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

परास सूत्र को v₀ के लिए हल करें

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·40/sin 30°) = 28.01 m/s

उत्तर

v₀ = 28.01 m/s

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 34.17 m

प्रक्षेप्य गति: वायु प्रतिरोध के बिना x = v_xt और y = h + v_yt − ½gt²। दोनों दिशाएँ स्वतंत्र हैं, सिवाय इसके कि उनका समय एक ही है।

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

क्षैतिज वेग स्थिर रहता है; ऊर्ध्वाधर गति का नीचे की ओर स्थिर त्वरण g = 9.81 m/s² है।

v_x = v₀·cos θ = 14·cos 50° = 8.999 m/s

v_y = v₀·sin θ = 14·sin 50° = 10.72 m/s

उड़ान का समय

y(t) = h + v_y·t − ½gt² = 0 को धनात्मक मूल के लिए हल करें।

0 = 30 + 10.72·t − 4.905·t²

t = (v_y + √(v_y² + 2gh))/g = (10.72 + √(115 + 588.6))/9.81 = 3.797 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 8.999·3.797 = 34.17 m

उत्तर

x = 34.17 m

7.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: h = 10.19 m

कार्य–ऊर्जा सिद्धांत: गतिज ऊर्जा में परिवर्तन सभी बलों द्वारा किए गए कार्य के बराबर है। गुरुत्व और स्प्रिंग को स्थितिज ऊर्जा (mgh और ½kx²) के रूप में लिखने से यह एक संतुलन बन जाता है: प्रारंभिक ऊर्जा = अंतिम ऊर्जा + घर्षण में खोई ऊर्जा (μN·d)।

स्प्रिंग ऊर्जा

x = 10 cm = 0.1 m

½kx² = ½·1000·0.1² = 5 J

ऊँचाई

m·g = 0.05·9.81 = 0.4905 N

h = ½kx²/(mg) = 5/0.4905 = 10.19 m

उत्तर

h = 10.19 m

8.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 5.034 m/s

ढलान के अनुदिश बल

m·g = 2·9.81 = 19.62 N

mg·sin θ = 11.25 N

μ·mg·cos θ = 2.411 N

कार्य–ऊर्जा

½mv² = (20 − 13.66)·4 = 25.34 J

v = √(2·25.34/2) = 5.034 m/s

उत्तर

v = 5.034 m/s

9.संवेग और टक्करें

उत्तर: ΔK = 164640 J

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

उभयनिष्ठ वेग

v′ = m₁·v₁/(m₁ + m₂) = 1600·21/3000 = 11.2 m/s

पहले और बाद की गतिज ऊर्जा

K_before = ½·1600·21² = 352800 J

K_after = ½·3000·11.2² = 188160 J

नष्ट ऊर्जा

ΔK = 352800 − 188160 = 164640 J

उत्तर

ΔK = 164640 J

नष्ट ऊर्जा विरूपण, ऊष्मा और ध्वनि में जाती है।

10.संवेग और टक्करें

उत्तर: v′ = 7.516 m/s

संवेग घटक

p_x = 1400·14 = 19600 kg·m/s

p_y = 1900·8 = 15200 kg·m/s

मलबे की चाल

v′ = √(p_x² + p_y²)/(m₁ + m₂) = 24803/3300 = 7.516 m/s

उत्तर

v′ = 7.516 m/s

11.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 312.7 kN

समतल सतह पर द्रवस्थैतिक बल: F = ρ·g·y_c·A। यह दाब केंद्र y_cp = y_c + I_c/(y_cA) पर कार्य करता है, जो हमेशा केंद्रक के नीचे होता है।

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 3 + 2.5/2 = 4.25 m

A = H·b = 2.5·3 = 7.5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·4.25·7.5 = 312.7 kN

उत्तर

F = 312.7 kN

12.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: y_cp = 1.722 m

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 0.5 + 2/2 = 1.5 m

A = H·b = 2·2 = 4 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·1.5·4 = 58.86 kN

दाब केंद्र

दाब गहराई के साथ बढ़ता है, इसलिए परिणामी केंद्रक के नीचे कार्य करता है।

I_c = b·H³/12 = 2·2³/12 = 1.333 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 1.5 + 1.333/(1.5·4) = 1.722 m

उत्तर

y_cp = 1.722 m

13.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₂ = 213.7 kPa

सांतत्य और बर्नूली: असंपीड्य तरल के लिए हर खंड पर प्रवाह दर समान है, Q = A₁v₁ = A₂v₂। बिना हानि के धारारेखा के साथ p + ½ρv² + ρgz स्थिर रहता है, इसलिए जहाँ तरल तेज़ या ऊँचा हो वहाँ उसका दाब कम होता है।

सांतत्य और बर्नूली

Pa में काम करें, फिर kPa पाने के लिए 1000 से भाग दें।

v₂ = v₁·(d₁/d₂)² = 2.25·(100/40)² = 14.06 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(2.25² − 14.06²)/1000 = −96.35 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) = 310 + (−96.35) = 213.7 kPa

उत्तर

p₂ = 213.7 kPa

14.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 3.075 L/s

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

होज़ में वेग

सतह और निकास दोनों हवा में खुले हैं, इसलिए दाब पद कट जाते हैं।

v = √(2g·2) = √(2·9.81·2) = 6.264 m/s

प्रवाह दर

Q = A·v = 0.0004909·6.264 = 0.003075 m³/s = 3.075 L/s

उत्तर

Q = 3.075 L/s

15.आदर्श गैस नियम

उत्तर: V = 120.9 L

आदर्श गैस नियम: PV = nRT, n = m/M के साथ।

मोल

n = 460/44.01 = 10.45 mol

T = 5 + 273.15 = 278.1 K

आयतन

V = nRT/P = 10.45·8.314·278.1/200 = 120.9 L

उत्तर

V = 120.9 L

16.आदर्श गैस नियम

उत्तर: ρ = 11.82 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 = 900·32/(8.314·293.1) = 11.82 kg/m³

उत्तर

ρ = 11.82 kg/m³

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: W_max = 2112 kJ

द्वितीय नियम की सीमाएँ: परम तापमान T_H और T_L वाले भंडारों के बीच कोई भी चक्र उत्क्रमणीय (कार्नो) चक्र से बेहतर नहीं हो सकता: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) और COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L)। ऊर्जा हमेशा संरक्षित रहती है: Q_H = W + Q_L।

परम तापमान

T_H = 400 + 273.15 = 673.1 K

T_L = 5 + 273.15 = 278.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 278.1/673.1 = 58.68 %

अधिकतम कार्य

W_max = η_max·Q_H = 0.5868·3600 = 2112 kJ

उत्तर

W_max = 2112 kJ

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: S_gen = 2.754 kJ/K

एन्ट्रॉपी उत्पादन: पूरे चक्र में कार्यकारी तरल का कोई नेट एन्ट्रॉपी परिवर्तन नहीं होता। गर्म भंडार Q_H/T_H खोता है और ठंडा भंडार Q_L/T_L पाता है। इनका योग उत्पन्न एन्ट्रॉपी है, जो उत्क्रमणीय चक्र के लिए शून्य और हर वास्तविक चक्र के लिए धनात्मक है।

त्यागी गई ऊष्मा

Q_L = Q_H − W = 3400 − 1190 = 2210 kJ

परम तापमान

T_H = 400 + 273.15 = 673.1 K

T_L = 10 + 273.15 = 283.1 K

भंडारों के एन्ट्रॉपी परिवर्तन

ΔS_H = −3400/673.1 = −5.051 kJ/K

ΔS_L = 2210/283.1 = 7.805 kJ/K

S_gen = 7.805 − 5.051 = 2.754 kJ/K

उत्तर

S_gen = 2.754 kJ/K

S_gen > 0, इसलिए इंजन संभव है पर अनुत्क्रमणीय है।

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: f₅ = 300 Hz

अप्रगामी तरंगें और डॉप्लर प्रभाव: दोनों सिरों पर बँधी डोरी, या दोनों सिरों पर खुली नली, में पूरी अर्ध-तरंगदैर्ध्य समाती हैं: L = nλ/2, f_n = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … एक सिरे पर बंद नली में बंद सिरे पर निस्पंद और खुले सिरे पर प्रस्पंद होता है: L = nλ/4, केवल विषम n के साथ, f_n = n·v/(4L)। जब स्रोत या प्रेक्षक उनके बीच की रेखा के अनुदिश चलते हैं, f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s): एक-दूसरे की ओर गति के लिए ऊपरी चिह्न उपयोग करें। लगभग समान आवृत्ति की दो तरंगें |f₁ − f₂| पर विस्पंद बनाती हैं।

इस विधा की तरंगदैर्ध्य

λ = 2L/n = 2·1.5/5 = 0.6 m

आवृत्ति

f = v/λ = 180/0.6 = 300 Hz

उत्तर

f₅ = 300 Hz

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: θ₁ = 7.273 °

व्यतिकरण और विवर्तन: दूरी d पर स्थित दो झिरियों से आया प्रकाश परदे के किसी बिंदु पर पथांतर d·sin θ के साथ पहुँचता है। दीप्त फ्रिंज वहाँ बनते हैं जहाँ d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …)। दूरी L ≫ d पर स्थित परदे के लिए m-वाँ दीप्त फ्रिंज y = mλL/d पर होता है और फ्रिंज अंतराल Δy = λL/d है। प्रति मिलीमीटर N रेखाओं वाली झरझरी का d = 1/N होता है और d·sin θ = mλ पर तीक्ष्ण उच्चिष्ठ होते हैं; चूँकि sin θ ≤ 1, उच्चतम कोटि सबसे बड़ा पूर्णांक m ≤ d/λ है। चौड़ाई a की एकल झिरी में a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, … पर अदीप्त फ्रिंज होते हैं।

रेखा अंतराल

d = 1/200 mm = 5 × 10⁻⁶ m

झरझरी समीकरण

sin θ = mλ/d = 1·633 × 10⁻⁹/(5 × 10⁻⁶) = 0.1266

θ = 7.273°

उत्तर

θ₁ = 7.273°

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