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

एक विमान को उड़ान भरने के लिए 240 km/h की चाल चाहिए और उपयोगी रनवे 1500 m लंबा है। विराम से शुरू करते हुए, उसे कितना स्थिर त्वरण a चाहिए?

v₀ = 0v = 240 km/hs = 1500 m

a = m/s²

2.शुद्ध गतिकीकठिन

गेंद A को 45 m की ऊँचाई से विराम से गिराया जाता है। उसी क्षण गेंद B को ठीक नीचे ज़मीन से 18 m/s से सीधे ऊपर फेंका जाता है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। गेंदें कब मिलती हैं? t ज्ञात कीजिए।

H = 45 mv_0B = 18 m/sg = 9.81 m/s²

t = s

3.न्यूटन के नियममध्यम

7.5 kg और 2 kg के द्रव्यमान एक हल्की, घर्षणरहित घिरनी के दोनों ओर लटके हैं, एक हल्की डोरी से जुड़े। तंत्र को विराम से छोड़ा जाता है। g = 9.81 m/s² लें। डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m₁ = 7.5 kgm₂ = 2 kgg = 9.81 m/s²

T = N

4.न्यूटन के नियमकठिन

क्षैतिज मेज़ पर रखा 2.5 kg का एक गुटका एक हल्की डोरी द्वारा, जो घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से जाती है, 2.5 kg के लटकते द्रव्यमान से जुड़ा है। गुटके और मेज़ के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.3 है। g = 9.81 m/s² लें। डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m₁ = 2.5 kgm₂ = 2.5 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²

T = N

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद क्षैतिज से 65° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है और 85 m दूर गिरती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रक्षेपण चाल v₀ ज्ञात कीजिए।

θ = 65°R = 85 mg = 9.81 m/s²

v₀ = m/s

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक गेंद 55 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से क्षैतिज से 40° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने तक उड़ान का समय t ज्ञात कीजिए।

v₀ = 32 m/sθ = 40°h = 55 mg = 9.81 m/s²

t = s

7.कार्य और ऊर्जामध्यम

10 kg का एक गुटका क्षैतिज से 30° पर झुकी ढलान पर 20 m फिसलता है, गतिज घर्षण गुणांक 0.35 है। घर्षण के विरुद्ध किया गया कार्य W_f ज्ञात कीजिए।

m = 10 kgθ = 30°μ = 0.35d = 20 mg = 9.81 m/s²

W_f = J

8.कार्य और ऊर्जाकठिन

एक 10 kg गुटका 25° की ढलान के तल पर विराम से शुरू होता है और ढलान के समांतर 140 N के स्थिर बल से ऊपर खींचा जाता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.3 है। ढलान पर 3 m ऊपर चलने के बाद गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 10 kgF = 140 Nθ = 25°μ = 0.3d = 3 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

9.संवेग और टक्करेंमध्यम

11 m/s से चल रहा 2.5 kg का एक ग्लाइडर घर्षणरहित पटरी पर विरामावस्था में रखे 2 kg के ग्लाइडर से पूर्णतः प्रत्यास्थ आमने-सामने टक्कर करता है। टक्कर के बाद दूसरे ग्लाइडर का वेग v′₂ ज्ञात कीजिए।

m₁ = 2.5 kgm₂ = 2 kgv₁ = 11 m/sv₂ = 0

v′₂ = m/s

10.संवेग और टक्करेंकठिन

0.35 kg की एक गेंद 17 m/s से दीवार से टकराती है और 5 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 = 0.35 kgv_in = 17 m/sv_out = 5 m/sΔt = 40 ms

F_avg = N

11.द्रवस्थैतिक बलमध्यम

2 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 = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

12.द्रवस्थैतिक बलकठिन

3 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक ग्लिसरीन 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 = 1 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²

y_cp = m

13.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक क्षैतिज वेंचुरी मीटर से बहता है जिसका प्रवेश व्यास 150 mm और कंठ व्यास 75 mm है। प्रवेश पर दाब कंठ की तुलना में 24 kPa अधिक है। हानियों को नगण्य मानते हुए प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए।

d₁ = 150 mmd₂ = 75 mmp₁ − p₂ = 24 kPaρ = 1000 kg/m³

Q = L/s

14.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

एक बंद पानी की टंकी में पानी के ऊपर 20 kPa गेज दाब पर संपीडित वायु है। पानी सतह से 1.5 m नीचे 30 mm व्यास वाले छिद्र से खुली हवा में निकलता है। हानियों को नगण्य मानते हुए ज्ञात कीजिए: प्रवाह दर Q। g = 9.81 m/s² लें।

p_air = 20 kPa (गेज)h = 1.5 md = 30 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

Q = L/s

15.आदर्श गैस नियममध्यम

5 L की टंकी में 20 °C पर He का 160 g है। इसे आदर्श गैस मानकर दाब P ज्ञात कीजिए।

m = 160 gM = 4.003 g/molV = 5 LT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

16.आदर्श गैस नियमकठिन

550 kPa और 80 °C पर N₂ का घनत्व ρ आदर्श गैस मानकर ज्ञात कीजिए।

M = 28.01 g/molP = 550 kPaT = 80 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 275 °C पर गर्म भंडार और 25 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। अधिकतम संभव तापीय दक्षता η_max ज्ञात कीजिए।

T_H = 275 °CT_L = 25 °C

η_max = %

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक ऊष्मा इंजन प्रति चक्र 350 °C वाले भंडार से 2500 kJ ऊष्मा लेता है, 775 kJ कार्य उत्पन्न करता है और शेष को 30 °C वाले भंडार को त्यागता है। प्रति चक्र उत्पन्न कुल एन्ट्रॉपी S_gen ज्ञात कीजिए।

T_H = 350 °CT_L = 30 °CQ_H = 2500 kJW = 775 kJ

S_gen = kJ/K

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम

एक छोटा स्रोत ध्वनि को सभी दिशाओं में समान रूप से भेजता है। उससे 10 m पर स्तर 100 dB है। अवशोषण और परावर्तन को अनदेखा करते हुए 20 m पर स्तर β₂ ज्ञात करें।

β₁ = 100 dBr₁ = 10 mr₂ = 20 m

β₂ = dB

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन

एक प्रकाशिक तंतु का क्रोड n₁ = 1.52 का है और आवरण n₂ = 1.49 का। तंतु अक्ष से वह अधिकतम कोण θ_a ज्ञात करें जिस पर हवा से आया प्रकाश तंतु के सिरे में प्रवेश कर पूर्ण आंतरिक परावर्तन द्वारा निर्देशित हो सके।

n₁ = 1.52n₂ = 1.49n₀ = 1.00

θ_a = °

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: a = 1.481 m/s²

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.

इकाइयाँ

v = 240/3.6 = 66.67 m/s

त्वरण

a = v²/(2s) = 66.67²/(2·1500) = 1.481 m/s²

उत्तर

a = 1.481 m/s²

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: t = 2.5 s

मिलने का समय

ऊपर धनात्मक है, ज़मीन y = 0 है।

45 − ½g·t² = 18·t − ½g·t² → t = 45/18 = 2.5 s

उत्तर

t = 2.5 s

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: T = 30.98 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.

त्वरण

नेट चालक बल भारों का अंतर है; यह कुल द्रव्यमान को चलाता है।

a = (7.5 − 2)·9.81/(7.5 + 2) = 5.679 m/s²

हल्के द्रव्यमान से तनाव

T − m₂·g = m₂·a → T = 2·(9.81 + 5.679) = 30.98 N

उत्तर

T = 30.98 N

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: T = 15.94 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) = (24.53 − 7.357)/5 = 3.433 m/s²

मेज़ पर रखे गुटके से तनाव

T − μ·m₁·g = m₁·a

T = 2.5·3.433 + 7.357 = 15.94 N

उत्तर

T = 15.94 N

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: v₀ = 32.99 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) = √(9.81·85/sin 130°) = 32.99 m/s

उत्तर

v₀ = 32.99 m/s

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: t = 6.048 s

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 = 32·cos 40° = 24.51 m/s

v_y = v₀·sin θ = 32·sin 40° = 20.57 m/s

उड़ान का समय

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

0 = 55 + 20.57·t − 4.905·t²

t = (v_y + √(v_y² + 2gh))/g = (20.57 + √(423.1 + 1079))/9.81 = 6.048 s

उत्तर

t = 6.048 s

7.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: W_f = 594.7 J

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)।

घर्षण बल

N = mg·cos θ = 98.1·0.866 = 84.96 N

F = μN = 0.35·84.96 = 29.73 N

घर्षण के विरुद्ध कार्य

W_f = F·d = 29.73·20 = 594.7 J

उत्तर

W_f = 594.7 J

8.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 6.567 m/s

ढलान के अनुदिश बल

m·g = 10·9.81 = 98.1 N

mg·sin θ = 41.46 N

μ·mg·cos θ = 26.67 N

कार्य–ऊर्जा

½mv² = (140 − 68.13)·3 = 215.6 J

v = √(2·215.6/10) = 6.567 m/s

उत्तर

v = 6.567 m/s

9.संवेग और टक्करें

उत्तर: v′₂ = 12.22 m/s

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।

विरामावस्था वाले लक्ष्य से प्रत्यास्थ टक्कर

संवेग और ऊर्जा संरक्षण को साथ हल करने पर ये दो परिणाम मिलते हैं।

v′₁ = (2.5 − 2)/(2.5 + 2)·11 = 1.222 m/s

v′₂ = 2·2.5/(2.5 + 2)·11 = 12.22 m/s

उत्तर

v′₂ = 12.22 m/s

10.संवेग और टक्करें

उत्तर: F_avg = 192.5 N

संवेग में परिवर्तन

J = m·Δv = 0.35·(5 + 17) = 7.7 N·s

औसत बल

F_avg = J/Δt = 7.7/0.04 = 192.5 N

उत्तर

F_avg = 192.5 N

11.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 208.5 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 = 2.5·2 = 5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·4.25·5 = 208.5 kN

उत्तर

F = 208.5 kN

12.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: y_cp = 1.083 m

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 0.5 + 1/2 = 1 m

A = H·b = 1·3 = 3 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1260·9.81·1·3 = 37.08 kN

दाब केंद्र

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

I_c = b·H³/12 = 3·1³/12 = 0.25 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 1 + 0.25/(1·3) = 1.083 m

उत्तर

y_cp = 1.083 m

13.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 31.61 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.

सांतत्य

v₁ = v₂·(75/150)² = 0.25·v₂

प्रवेश और कंठ के बीच बर्नूली

पाइप क्षैतिज है, इसलिए केवल दाब और वेग बदलते हैं।

p₁ − p₂ = ½ρv₂²(1 − β⁴)

v₂ = √(2·24000/(1000·(1 − 0.0625))) = 7.155 m/s

v₁ = 1.789 m/s

प्रवाह दर

Q = A₂·v₂ = 0.004418·7.155 = 0.03161 m³/s = 31.61 L/s

उत्तर

Q = 31.61 L/s

14.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 5.89 L/s

सतह से जेट तक बर्नूली

v = √(2·(20000/1000 + 9.81·1.5)) = 8.332 m/s

प्रवाह दर

Q = A·v = 0.0007069·8.332 = 0.00589 m³/s = 5.89 L/s

उत्तर

Q = 5.89 L/s

15.आदर्श गैस नियम

उत्तर: P = 19483 kPa

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

मोल

n = m/M = 160/4.003 = 39.97 mol

T = 20 + 273.15 = 293.1 K

दाब

P = nRT/V = 39.97·8.314·293.1/0.005 = 19483 kPa

उत्तर

P = 19483 kPa

16.आदर्श गैस नियम

उत्तर: ρ = 5.247 kg/m³

आदर्श गैस घनत्व: ρ = PM/(RT)।

गैस नियम पुनर्व्यवस्थित करें

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 80 + 273.15 = 353.1 K

घनत्व

ρ = 550·28.01/(8.314·353.1) = 5.247 kg/m³

उत्तर

ρ = 5.247 kg/m³

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: η_max = 45.61 %

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 = 275 + 273.15 = 548.1 K

T_L = 25 + 273.15 = 298.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 298.1/548.1 = 45.61 %

उत्तर

η_max = 45.61 %

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: S_gen = 1.678 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 = 2500 − 775 = 1725 kJ

परम तापमान

T_H = 350 + 273.15 = 623.1 K

T_L = 30 + 273.15 = 303.1 K

भंडारों के एन्ट्रॉपी परिवर्तन

ΔS_H = −2500/623.1 = −4.012 kJ/K

ΔS_L = 1725/303.1 = 5.69 kJ/K

S_gen = 5.69 − 4.012 = 1.678 kJ/K

उत्तर

S_gen = 1.678 kJ/K

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

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: β₂ = 93.98 dB

तरंगें: आवर्ती तरंग एक आवर्तकाल में एक तरंगदैर्ध्य चलती है, इसलिए v = fλ, जहाँ T = 1/f। तनी हुई डोरी पर v = √(T/μ), जहाँ T तनाव और μ = m/L प्रति मीटर द्रव्यमान है। 20 °C पर वायु में ध्वनि लगभग 343 m/s से चलती है, निर्वात में प्रकाश c = 3.00 × 10⁸ m/s से। प्रबलता लघुगणकीय पैमाने पर मापी जाती है: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, जहाँ I₀ = 10⁻¹² W/m², इसलिए तीव्रता 10 गुनी होने पर 10 dB जुड़ता है। बिंदु स्रोत अपनी शक्ति P को गोले पर फैलाता है: I = P/(4πr²)।

तीव्रता अनुपात

I₂/I₁ = (10/20)² = 0.25

नया स्तर

β₂ = 100 + 10·log₁₀(0.25) = 93.98 dB

उत्तर

β₂ = 93.98 dB

दूरी का हर दोगुना होना स्तर को लगभग 6 dB घटाता है।

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: θ_a = 17.49 °

ज्यामितीय प्रकाशिकी: सीमा पर n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (स्नेल का नियम), जहाँ कोण अभिलंब से मापे जाते हैं और n = c/v। धीमे माध्यम में जाने पर किरण अभिलंब की ओर मुड़ती है। सघन माध्यम (n₁ > n₂) से क्रांतिक कोण θ_c = arcsin(n₂/n₁) से आगे सारा प्रकाश परावर्तित हो जाता है: पूर्ण आंतरिक परावर्तन। पतले लेंस और गोलीय दर्पण 1/f = 1/d_o + 1/d_i का पालन करते हैं, आवर्धन m = −d_i/d_o के साथ। चिह्न परिपाटी: अभिसारी लेंस और अवतल दर्पण के लिए f > 0 (f = R/2), अपसारी लेंस और उत्तल दर्पण के लिए f < 0; वास्तविक प्रतिबिंब के लिए d_i > 0, आभासी के लिए d_i < 0, और उल्टे प्रतिबिंब के लिए m < 0।

आवरण पर क्रांतिक कोण

sin θc = 1.49/1.52 = 0.9803 → θc = 78.6°

संख्यात्मक द्वारक

NA = √(1.52² − 1.49²) = 0.3005

स्वीकृति कोण

θ_a = arcsin(0.3005) = 17.49°

उत्तर

θ_a = 17.49°

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