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

100 km/h से चल रही एक कार रुकने तक 4 m/s² के नियत मंदन से ब्रेक लगाती है। ब्रेकिंग दूरी s ज्ञात कीजिए।

v₀ = 100 km/ha = −4 m/s²v = 0

s = m

2.शुद्ध गतिकीकठिन

ज़मीन से 25 m ऊँची छत के किनारे से एक गेंद 16 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 = 16 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²

h_max = m

3.न्यूटन के नियममध्यम

8 kg का एक गुटका क्षैतिज से 25° पर झुकी ढलान पर नीचे फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.25 है। g = 9.81 m/s² लें। ढलान के अनुदिश गुटके का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m = 8 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²

a = m/s²

4.न्यूटन के नियमकठिन

क्षैतिज मेज़ पर रखा 9.5 kg का एक गुटका एक हल्की डोरी द्वारा, जो घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से जाती है, 5 kg के लटकते द्रव्यमान से जुड़ा है। मेज़ घर्षणरहित है। g = 9.81 m/s² लें। निकाय का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m₁ = 9.5 kgm₂ = 5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²

a = m/s²

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद को 20 m/s से क्षैतिज से 65° ऊपर 9 m दूर एक दीवार की ओर किक मारी जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। गेंद किस ऊँचाई y पर दीवार से गुज़रती है?

v₀ = 20 m/sθ = 65°x = 9 mg = 9.81 m/s²

y = m

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

ज़मीन के स्तर से एक गेंद 20 m/s से क्षैतिज से 35° ऊपर फेंकी जाती है। यह नीचे आते समय 2 m ऊँची इमारत की समतल छत पर गिरती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रक्षेपण बिंदु से गिरने के स्थान तक क्षैतिज दूरी x ज्ञात कीजिए।

v₀ = 20 m/sθ = 35°h_roof = 2 mg = 9.81 m/s²

x = m

7.कार्य और ऊर्जामध्यम

2.5 kg का एक गुटका क्षैतिज से 30° पर झुकी ढलान पर 8 m फिसलता है, गतिज घर्षण गुणांक 0.4 है। घर्षण के विरुद्ध किया गया कार्य W_f ज्ञात कीजिए।

m = 2.5 kgθ = 30°μ = 0.4d = 8 mg = 9.81 m/s²

W_f = J

8.कार्य और ऊर्जाकठिन

2 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 1 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 5 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.1) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 5000 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग का अधिकतम संपीडन x ज्ञात कीजिए।

m = 2 kgh = 1 mL = 5 mμ = 0.1k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²

x = cm

9.संवेग और टक्करेंमध्यम

8 m/s से चल रहा 5 kg का एक ग्लाइडर घर्षणरहित पटरी पर विरामावस्था में रखे 1 kg के ग्लाइडर से पूर्णतः प्रत्यास्थ आमने-सामने टक्कर करता है। टक्कर के बाद दूसरे ग्लाइडर का वेग v′₂ ज्ञात कीजिए।

m₁ = 5 kgm₂ = 1 kgv₁ = 8 m/sv₂ = 0

v′₂ = m/s

10.संवेग और टक्करेंकठिन

एक चौराहे पर 9 m/s से पूर्व की ओर जा रही एक 2000 kg कार 25 m/s से उत्तर की ओर जा रही एक 1100 kg कार से टकराती है। कारें आपस में जुड़ जाती हैं। टक्कर के ठीक बाद मलबे की दिशा θ, पूर्व से उत्तर की ओर मापकर, ज्ञात कीजिए।

m₁ = 2000 kgv₁ = 9 m/s (E)m₂ = 1100 kgv₂ = 25 m/s (N)

θ = °

11.द्रवस्थैतिक बलमध्यम

2 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 0.5 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

d = 0.5 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 पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 3 m नीचे है। सतह के नीचे दाब केंद्र की गहराई y_cp ज्ञात कीजिए।

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

y_cp = m

13.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी के पाइप में एक पिटो-स्थैतिक नली अवरोध दाब और स्थैतिक दाब के बीच 33 kPa का अंतर दिखाती है। सिरे पर पानी का वेग v ज्ञात कीजिए।

p₀ − p = 33 kPaρ = 1000 kg/m³

v = m/s

14.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

पानी एक पाइप में ऊपर की ओर बहता है जो 100 mm से 50 mm तक संकरा होता है और 5 m ऊपर उठता है। खंड 1 पर दाब 120 kPa और वेग 2.25 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर खंड 2 पर दाब p₂ ज्ञात कीजिए।

d₁ = 100 mmd₂ = 50 mmp₁ = 120 kPav₁ = 2.25 m/sΔz = 5 mρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

15.आदर्श गैस नियममध्यम

450 kPa और 55 °C पर O₂ का 100 g कितना आयतन V घेरता है? इसे आदर्श गैस मानें।

m = 100 gM = 32 g/molP = 450 kPaT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

16.आदर्श गैस नियमकठिन

850 kPa और 160 °C पर CO₂ का घनत्व ρ आदर्श गैस मानकर ज्ञात कीजिए।

M = 44.01 g/molP = 850 kPaT = 160 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 250 °C पर गर्म भंडार और 35 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। यह 4800 kJ ऊष्मा लेता है। यह अधिकतम कितना कार्य W_max उत्पन्न कर सकता है, ज्ञात कीजिए।

T_H = 250 °CT_L = 35 °CQ_H = 4800 kJ

W_max = kJ

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक ऊष्मा पंप 2 °C वाले स्रोत से ऊष्मा लेकर 55 °C वाले तापन तंत्र को 8.5 kW ऊष्मा देता है। इसका वास्तविक COP इन तापमानों के बीच कार्नो COP का 50% है। इसके द्वारा ली गई विद्युत शक्ति Ẇ ज्ञात कीजिए।

T_H = 55 °CT_L = 2 °Cη_II = 50%Q̇_H = 8.5 kW

Ẇ = kW

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम

एक छोटा स्रोत ध्वनि को सभी दिशाओं में समान रूप से भेजता है। उससे 2 m पर स्तर 75 dB है। अवशोषण और परावर्तन को अनदेखा करते हुए 4 m पर स्तर β₂ ज्ञात करें।

β₁ = 75 dBr₁ = 2 mr₂ = 4 m

β₂ = dB

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन

स्थिर सेंसर 40 kHz की पराश्रव्य ध्वनि एक कार की ओर भेजता है जो 10 m/s से पास आ रही है और प्रतिध्वनि को उत्सर्जित संकेत से मिलाता है। विस्पंद आवृत्ति f_b ज्ञात करें (ध्वनि की चाल 343 m/s)।

f = 40 kHzu = 10 m/sv = 343 m/s

f_b = Hz

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: s = 96.45 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

ब्रेकिंग दूरी

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·4) = 96.45 m

उत्तर

s = 96.45 m

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: h_max = 38.05 m

छत के ऊपर उठान

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 16²/(2·9.81) = 13.05 m

ज़मीन से ऊँचाई

h_max = 25 + 13.05 = 38.05 m

उत्तर

h_max = 38.05 m

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 1.923 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 25° − 0.25·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.2266) = 1.923 m/s²

उत्तर

a = 1.923 m/s²

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 3.383 m/s²

निकाय का त्वरण

a = (m₂·g − μ·m₁·g)/(m₁ + m₂) = (49.05 − 0)/14.5 = 3.383 m/s²

उत्तर

a = 3.383 m/s²

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: y = 13.74 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.

दीवार तक समय

v_x = 20·cos 65° = 8.452 m/s

t = x/v_x = 9/8.452 = 1.065 s

उस समय ऊँचाई

y = 18.13·1.065 − ½·9.81·1.065² = 13.74 m

उत्तर

y = 13.74 m

दीवार पर गेंद अभी ऊपर उठ रही है।

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 35.21 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.

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

v_x = 16.38 m/s, v_y = 11.47 m/s

छत पर गिरने का समय

बड़ा मूल: गेंद नीचे आ रही है।

2 = 11.47·t − 4.905·t²

t = (11.47 + √(11.47² − 2·9.81·2))/9.81 = 2.149 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 16.38·2.149 = 35.21 m

उत्तर

x = 35.21 m

7.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: W_f = 67.97 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 = 24.53·0.866 = 21.24 N

F = μN = 0.4·21.24 = 8.496 N

घर्षण के विरुद्ध कार्य

W_f = F·d = 8.496·8 = 67.97 J

उत्तर

W_f = 67.97 J

8.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: x = 6.264 cm

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 19.62·(1 − 0.1·5) = 9.81 J

अधिकतम संपीडन

½kx² = 9.81 → x = √(2·9.81/5000) = 0.06264 m = 6.264 cm

उत्तर

x = 6.264 cm

9.संवेग और टक्करें

उत्तर: v′₂ = 13.33 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 = (5 − 1)/(5 + 1)·8 = 5.333 m/s

v′₂ = 2·5/(5 + 1)·8 = 13.33 m/s

उत्तर

v′₂ = 13.33 m/s

10.संवेग और टक्करें

उत्तर: θ = 56.79 °

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.

संवेग घटक

p_x = 2000·9 = 18000 kg·m/s

p_y = 1100·25 = 27500 kg·m/s

दिशा

tan θ = p_y/p_x = 1.528 → θ = 56.79°

उत्तर

θ = 56.79°

11.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 85.84 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 = 0.5 + 2.5/2 = 1.75 m

A = H·b = 2.5·2 = 5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·1.75·5 = 85.84 kN

उत्तर

F = 85.84 kN

12.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: y_cp = 4.667 m

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 3 + 3/2 = 4.5 m

A = H·b = 3·3 = 9 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·4.5·9 = 397.3 kN

दाब केंद्र

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

I_c = b·H³/12 = 3·3³/12 = 6.75 m⁴

y_cp = y_c + I_c/(y_c·A) = 4.5 + 6.75/(4.5·9) = 4.667 m

उत्तर

y_cp = 4.667 m

13.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: v = 8.124 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 = √(2·33000/1000) = 8.124 m/s

उत्तर

v = 8.124 m/s

14.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₂ = 32.98 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·(100/50)² = 9 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(2.25² − 9²)/1000 = −37.97 kPa

ρgΔz = 1000·9.81·5/1000 = 49.05 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) − ρgΔz = 120 + (−37.97) − 49.05 = 32.98 kPa

उत्तर

p₂ = 32.98 kPa

15.आदर्श गैस नियम

उत्तर: V = 18.95 L

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

मोल

n = 100/32 = 3.125 mol

T = 55 + 273.15 = 328.1 K

आयतन

V = nRT/P = 3.125·8.314·328.1/450 = 18.95 L

उत्तर

V = 18.95 L

16.आदर्श गैस नियम

उत्तर: ρ = 10.39 kg/m³

आदर्श गैस घनत्व: ρ = PM/(RT)।

गैस नियम पुनर्व्यवस्थित करें

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 160 + 273.15 = 433.1 K

घनत्व

ρ = 850·44.01/(8.314·433.1) = 10.39 kg/m³

उत्तर

ρ = 10.39 kg/m³

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: W_max = 1973 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 = 250 + 273.15 = 523.1 K

T_L = 35 + 273.15 = 308.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 308.1/523.1 = 41.1 %

अधिकतम कार्य

W_max = η_max·Q_H = 0.411·4800 = 1973 kJ

उत्तर

W_max = 1973 kJ

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇ = 2.746 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 = 55 + 273.15 = 328.1 K

T_L = 2 + 273.15 = 275.1 K

कार्नो और वास्तविक COP

COP_max = 328.1/(328.1 − 275.1) = 6.192

COP = 0.5·6.192 = 3.096

निवेश शक्ति

Ẇ = Q̇_H/COP = 8.5/3.096 = 2.746 kW

उत्तर

Ẇ = 2.746 kW

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: β₂ = 68.98 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 = (2/4)² = 0.25

नया स्तर

β₂ = 75 + 10·log₁₀(0.25) = 68.98 dB

उत्तर

β₂ = 68.98 dB

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

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: f_b = 2402 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।

कार पर आवृत्ति

f′ = 40000·(343 + 10)/343 = 41166 Hz

प्रतिध्वनि की आवृत्ति

f″ = f′·343/(343 − 10) = 42402 Hz

विस्पंद आवृत्ति

f_b = |f″ − f| = 2402 Hz

उत्तर

f_b = 2402 Hz

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