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

54 km/h से चल रही एक कार रुकने तक 3.5 m/s² के नियत मंदन से ब्रेक लगाती है। ब्रेकिंग दूरी s ज्ञात कीजिए।

v₀ = 54 km/ha = −3.5 m/s²v = 0

s = m

2.शुद्ध गतिकीकठिन

एक ट्राम विराम से शुरू होकर 11 s तक 3 m/s² से त्वरित होती है, फिर 29 s तक स्थिर चाल से चलती है, और अंत में रुकने तक 3 m/s² से ब्रेक लगाती है। दोनों स्टॉपों के बीच कुल दूरी s ज्ञात कीजिए।

a₁ = 3 m/s²t₁ = 11 st₂ = 29 sa₃ = −3 m/s²

s = m

3.न्यूटन के नियममध्यम

2 kg का एक गुटका क्षैतिज से 45° पर झुकी ढलान पर नीचे फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.2 है। g = 9.81 m/s² लें। ढलान के अनुदिश गुटके का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m = 2 kgθ = 45°μ = 0.2g = 9.81 m/s²

a = m/s²

4.न्यूटन के नियमकठिन

क्षैतिज मेज़ पर रखा 3 kg का एक गुटका एक हल्की डोरी द्वारा, जो घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से जाती है, 1 kg के लटकते द्रव्यमान से जुड़ा है। गुटके और मेज़ के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.1 है। g = 9.81 m/s² लें। निकाय का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m₁ = 3 kgm₂ = 1 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²

a = m/s²

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद 36 m/s से प्रक्षेपित की जाती है और उसे 95 m दूर गिरना है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। दो संभव प्रक्षेपण कोणों में से छोटा θ ज्ञात कीजिए।

v₀ = 36 m/sR = 95 mg = 9.81 m/s²

θ = °

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक 60 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 29 m/s से क्षैतिज से 65° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। चट्टान के आधार पर ज़मीन से अधिकतम ऊँचाई H ज्ञात कीजिए।

v₀ = 29 m/sθ = 65°h = 60 mg = 9.81 m/s²

H = m

7.कार्य और ऊर्जामध्यम

समतल सड़क पर 70 km/h से चल रही एक कार ज़ोर से ब्रेक लगाती है और पहिए जाम होकर फिसलते हुए रुक जाती है। टायरों और सड़क के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.5 है। रुकने की दूरी d ज्ञात कीजिए।

v = 70 km/hμ = 0.5g = 9.81 m/s²

d = m

8.कार्य और ऊर्जाकठिन

एक 2 kg गुटका खुरदरी क्षैतिज मेज़ (μ = 0.2) पर रखा है। एक हल्की डोरी उससे मेज़ के किनारे पर एक चिकनी घिरनी के ऊपर से होकर एक लटकते 6 kg गुटके तक जाती है। तंत्र को विराम से छोड़ा जाता है। लटकते गुटके के 2.5 m गिरने के बाद गुटकों की चाल v ज्ञात कीजिए।

m₁ = 2 kgm₂ = 6 kgμ = 0.2d = 2.5 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

9.संवेग और टक्करेंमध्यम

39 m/s से क्षैतिज रूप से चल रहा एक 16 kg प्रक्षेप्य दो टुकड़ों में फटता है जो उसी रेखा में चलते हैं। 15 kg टुकड़ा 69 m/s से आगे चलता रहता है। 1 kg टुकड़े का वेग v′₂ ज्ञात कीजिए (मूल दिशा में धनात्मक)।

M = 16 kgu = 39 m/sm₁ = 15 kgv′₁ = 69 m/sm₂ = 1 kg

v′₂ = m/s

10.संवेग और टक्करेंकठिन

0.25 kg की एक गेंद 11 m/s से दीवार से टकराती है और 4 m/s से सीधे वापस लौटती है। संपर्क 40 ms तक रहता है। दीवार द्वारा गेंद पर लगाया गया औसत बल F_avg ज्ञात कीजिए।

m = 0.25 kgv_in = 11 m/sv_out = 4 m/sΔt = 40 ms

F_avg = N

11.द्रवस्थैतिक बलमध्यम

3 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 2 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

d = 2 mH = 1.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

12.द्रवस्थैतिक बलकठिन

2 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक तेल वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 2 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

d = 2 mH = 2.5 mb = 2 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

13.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी के पाइप में एक पिटो-स्थैतिक नली अवरोध दाब और स्थैतिक दाब के बीच 18 kPa का अंतर दिखाती है। सिरे पर पानी का वेग v ज्ञात कीजिए।

p₀ − p = 18 kPaρ = 1000 kg/m³

v = m/s

14.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

एक क्षैतिज वेंचुरी मीटर (प्रवेश 200 mm, कंठ 150 mm) पानी ले जाता है। प्रवेश और कंठ के बीच जुड़ा पारे का U-नली मैनोमीटर 90 mm का स्तर अंतर दिखाता है। निस्सरण गुणांक 0.97 है। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए। पानी के लिए ρ = 1000 kg/m³, पारे के लिए 13 600 kg/m³ और g = 9.81 m/s² लें।

d₁ = 200 mmd₂ = 150 mmΔh = 90 mmC_d = 0.97ρ_Hg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²

Q = L/s

15.आदर्श गैस नियममध्यम

50 L की टंकी में 70 °C पर CO₂ का 400 g है। इसे आदर्श गैस मानकर दाब P ज्ञात कीजिए।

m = 400 gM = 44.01 g/molV = 50 LT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

16.आदर्श गैस नियमकठिन

CH₄ की एक निश्चित मात्रा 400 kPa, 2 L, 15 °C से 100 kPa और 50 °C पर जाती है। नया आयतन V₂ ज्ञात कीजिए।

P₁ = 400 kPaV₁ = 2 LT₁ = 15 °CP₂ = 100 kPaT₂ = 50 °C

V₂ = L

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक उत्क्रमणीय रेफ़्रिजरेटर 6 kW ऊष्मा निकालकर एक ठंडे कमरे को -10 °C पर रखता है, और 25 °C वाले परिवेश को ऊष्मा त्यागता है। वह दर Q̇_H ज्ञात कीजिए जिस पर यह ऊष्मा त्यागता है।

T_L = -10 °CT_H = 25 °CQ̇_L = 6 kW

Q̇_H = kW

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

दो कार्नो इंजन श्रेणी में काम करते हैं। इंजन A 500 °C वाले भंडार से ऊष्मा लेता है और तापमान T_m वाले मध्यवर्ती भंडार को ऊष्मा त्यागता है। इंजन B वह सारी ऊष्मा लेता है और 40 °C वाले भंडार को ऊष्मा त्यागता है। दोनों इंजनों की तापीय दक्षता समान है। T_m को °C में ज्ञात कीजिए।

T_H = 500 °CT_L = 40 °C

T_m = °C

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम

दोनों सिरों पर बँधी डोरी का संनादी संख्या 5 1000 Hz पर होना चाहिए; उस पर तरंगें 200 m/s से चलती हैं। उसकी लंबाई L ज्ञात करें।

v = 200 m/sn = 5f₅ = 1000 Hz

L = m

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन

450 nm तरंगदैर्ध्य का प्रकाश 0.2 mm की दूरी पर स्थित दो झिरियों पर पड़ता है। परदा 2 m दूर है। केंद्रीय दीप्त फ्रिंज से दीप्त फ्रिंज संख्या 3 तक की दूरी y₃ ज्ञात करें।

λ = 450 nmd = 0.2 mmL = 2 mm = 3

y₃ = mm

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: s = 32.14 m

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 = 54/3.6 = 15 m/s

ब्रेकिंग दूरी

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 15²/(2·3.5) = 32.14 m

उत्तर

s = 32.14 m

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: s = 1320 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

अधिकतम चाल

v = a₁·t₁ = 3·11 = 33 m/s

हर चरण की दूरी

s₁ = ½·3·11² = 181.5 m

s₂ = 33·29 = 957 m

s₃ = 33²/(2·3) = 181.5 m

कुल दूरी

s = 181.5 + 957 + 181.5 = 1320 m

उत्तर

s = 1320 m

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 5.549 m/s²

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।

ढलान के अनुदिश बल

ढलान से नीचे की दिशा धनात्मक है।

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

त्वरण

a = 9.81·(sin 45° − 0.2·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0.1414) = 5.549 m/s²

उत्तर

a = 5.549 m/s²

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 1.717 m/s²

निकाय का त्वरण

a = (m₂·g − μ·m₁·g)/(m₁ + m₂) = (9.81 − 2.943)/4 = 1.717 m/s²

उत्तर

a = 1.717 m/s²

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: θ = 22.99 °

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

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·95/36² = 0.7191

कोण

2θ = 45.98° → θ = 22.99°

उत्तर

θ = 22.99°

दूसरा हल 90° − θ = 67.01° है।

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: H = 95.21 m

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.

ऊर्ध्वाधर प्रक्षेपण चाल

v_y = 29·sin 65° = 26.28 m/s

चट्टान से ऊपर उठान

Δh = v_y²/(2g) = 26.28²/(2·9.81) = 35.21 m

ज़मीन से ऊँचाई

H = 60 + 35.21 = 95.21 m

उत्तर

H = 95.21 m

7.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: d = 38.54 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)।

मूल इकाइयों में चाल

v = 70/3.6 = 19.44 m/s

ऊर्जा संतुलन

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 19.44²/(2·0.5·9.81) = 38.54 m

उत्तर

d = 38.54 m

चाल दोगुनी करने से रुकने की दूरी चार गुना हो जाती है।

8.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 5.86 m/s

मुक्त और खोई गई ऊर्जा

m₂g·d = 58.86·2.5 = 147.2 J

μ·m₁g·d = 0.2·19.62·2.5 = 9.81 J

दोनों गुटकों की गतिज ऊर्जा

½(m₁ + m₂)v² = 137.3 → v = √(2·137.3/8) = 5.86 m/s

उत्तर

v = 5.86 m/s

9.संवेग और टक्करें

उत्तर: v′₂ = −411 m/s

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.

पहले का संवेग

p = M·u = 16·39 = 624 kg·m/s

बाद का संवेग

624 = 15·69 + 1·v′₂

v′₂ = (624 − 1035)/1 = −411 m/s

उत्तर

v′₂ = −411 m/s

ऋण चिह्न का अर्थ है कि दूसरा टुकड़ा पीछे की ओर उड़ता है।

10.संवेग और टक्करें

उत्तर: F_avg = 93.75 N

संवेग संरक्षण: जब टक्कर के दौरान कोई बाह्य बल कार्य नहीं करता, तो पहले का कुल संवेग Σm·v बाद के कुल संवेग के बराबर होता है। वेगों की दिशा होती है, इसलिए एक धनात्मक दिशा चुनें और विपरीत दिशा के वेगों को ऋण चिह्न दें। प्रत्यास्थ टक्कर में गतिज ऊर्जा भी संरक्षित रहती है; पूर्णतः अप्रत्यास्थ टक्कर में पिंड आपस में चिपक जाते हैं।

संवेग में परिवर्तन

J = m·Δv = 0.25·(4 + 11) = 3.75 N·s

औसत बल

F_avg = J/Δt = 3.75/0.04 = 93.75 N

उत्तर

F_avg = 93.75 N

11.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 121.4 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 = 2 + 1.5/2 = 2.75 m

A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·2.75·4.5 = 121.4 kN

उत्तर

F = 121.4 kN

12.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 140.3 kN

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 2 + 2.5/2 = 3.25 m

A = H·b = 2.5·2 = 5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 880·9.81·3.25·5 = 140.3 kN

उत्तर

F = 140.3 kN

13.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: v = 6 m/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.

अवरोध बिंदु तक बर्नूली

प्रवाह सिरे पर विराम में आता है, इसलिए उसकी गतिज ऊर्जा अतिरिक्त दाब के रूप में दिखती है।

p₀ − p = ½ρv²

v = √(2·18000/1000) = 6 m/s

उत्तर

v = 6 m/s

14.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 97.79 L/s

मैनोमीटर से दाबांतर

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.09 = 11125 Pa

कंठ वेग

सांतत्य और बर्नूली मिलकर आदर्श कंठ वेग देते हैं।

β = 150/200 = 0.75

v₂ = √(2·11125/(1000·(1 − 0.3164))) = 5.705 m/s

वास्तविक प्रवाह दर

Q = C_d·A₂·v₂ = 0.97·0.01767·5.705 = 0.09779 m³/s = 97.79 L/s

उत्तर

Q = 97.79 L/s

15.आदर्श गैस नियम

उत्तर: P = 518.6 kPa

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

मोल

n = m/M = 400/44.01 = 9.089 mol

T = 70 + 273.15 = 343.1 K

दाब

P = nRT/V = 9.089·8.314·343.1/0.05 = 518.6 kPa

उत्तर

P = 518.6 kPa

16.आदर्श गैस नियम

उत्तर: V₂ = 8.972 L

संयुक्त गैस नियम: आदर्श गैस की निश्चित मात्रा के लिए P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂।

परम तापमान

T₁ = 288.1 K, T₂ = 323.1 K

संयुक्त गैस नियम

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(400/100)·(323.1/288.1) = 8.972 L

उत्तर

V₂ = 8.972 L

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Q̇_H = 6.798 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

परम तापमान

T_H = 25 + 273.15 = 298.1 K

T_L = -10 + 273.15 = 263.1 K

उत्क्रमणीय ऊष्मा अनुपात

Q̇_H = Q̇_L·T_H/T_L = 6·298.1/263.1 = 6.798 kW

उत्तर

Q̇_H = 6.798 kW

निवेश शक्ति: Ẇ = 0.798 kW।

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: T_m = 218.9 °C

परम तापमान

T_H = 500 + 273.15 = 773.1 K

T_L = 40 + 273.15 = 313.1 K

समान दक्षताएँ

1 − T_m/T_H = 1 − T_L/T_m से T_m² = T_H·T_L मिलता है।

T_m = √(773.1·313.1) = 492 K = 218.9 °C

उत्तर

T_m = 218.9 °C

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: L = 0.5 m

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।

तरंगदैर्ध्य

λ = v/f = 200/1000 = 0.2 m

लंबाई

L = nλ/2 = 5·0.2/2 = 0.5 m

उत्तर

L = 0.5 m

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: y₃ = 13.5 mm

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।

फ्रिंज अंतराल

Δy = λL/d = 450 × 10⁻⁹·2/(0.2 × 10⁻³) = 4.5 mm

फ्रिंज संख्या 3

y₃ = 3·4.5 = 13.5 mm

उत्तर

y₃ = 13.5 mm

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