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 विराम से शुरू होकर रनवे पर 1.75 m/s² से एकसमान रूप से त्वरित होता है। 1900 m के बाद इसकी चाल v ज्ञात कीजिए।

v₀ = 0a = 1.75 m/s²s = 1900 m

v = m/s

2.शुद्ध गतिकीकठिन

गेंद A को 35 m की ऊँचाई से विराम से गिराया जाता है। उसी क्षण गेंद B को ठीक नीचे ज़मीन से 23 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 = 35 mv_0B = 23 m/sg = 9.81 m/s²

t = s

3.न्यूटन के नियममध्यम

एक डिब्बा 2.5 m/s की प्रारंभिक चाल से समतल फ़र्श पर फिसलता है और 0.8 m के बाद रुक जाता है। g = 9.81 m/s² लें। गतिज घर्षण गुणांक μ ज्ञात कीजिए।

v₀ = 2.5 m/sd = 0.8 mg = 9.81 m/s²

μ =

4.न्यूटन के नियमकठिन

समतल फ़र्श पर दो गुटके एक हल्की क्षैतिज डोरी से जुड़े हैं। 70 N का एक क्षैतिज बल आगे वाले 1 kg गुटके को खींचता है; 9 kg गुटका पीछे घसीटा जाता है। दोनों गुटकों के लिए गतिज घर्षण गुणांक 0.15 है। g = 9.81 m/s² लें। गुटकों का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m₁ = 9 kgm₂ = 1 kgF = 70 Nμ = 0.15g = 9.81 m/s²

a = m/s²

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद को 24 m/s से क्षैतिज से 70° ऊपर 8 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 = 24 m/sθ = 70°x = 8 mg = 9.81 m/s²

y = m

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक 25 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 13 m/s से क्षैतिज से 25° 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 = 13 m/sθ = 25°h = 25 mg = 9.81 m/s²

H = m

7.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक गुटका क्षैतिज से 45° पर झुकी ढलान पर विराम से फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.35 है। ढलान के साथ 15 m फिसलने के बाद उसकी चाल v ज्ञात कीजिए।

θ = 45°μ = 0.35d = 15 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

8.कार्य और ऊर्जाकठिन

2 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 4.5 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 5 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.25) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 4000 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग तक पहुँचने पर गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 2 kgh = 4.5 mL = 5 mμ = 0.25k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²

v = m/s

9.संवेग और टक्करेंमध्यम

एक 10 g गोली हल्की डोरियों पर लटके 5 kg लकड़ी के गुटके में क्षैतिज रूप से दागी जाती है और उसके अंदर रह जाती है। गुटका प्रारंभ से 5 cm ऊँचा होने तक ऊपर झूलता है। g = 9.81 m/s² लें। टक्कर से पहले गोली की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 10 gM = 5 kgh = 5 cmg = 9.81 m/s²

v = m/s

10.संवेग और टक्करेंकठिन

एक 1700 kg कार एक खड़ी 1500 kg कार से टकराती है। मलबे आपस में जुड़ जाते हैं और रुकने से पहले 22 m फिसलते हैं। टायरों और सड़क के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.8 है। g = 9.81 m/s² लें। टक्कर से ठीक पहले पहली कार की चाल v₁ ज्ञात कीजिए।

m₁ = 1700 kgm₂ = 1500 kgd = 22 mμ = 0.8g = 9.81 m/s²

v₁ = m/s

11.द्रवस्थैतिक बलमध्यम

1 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 1.5 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

d = 1.5 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

12.द्रवस्थैतिक बलकठिन

1.5 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक समुद्री जल 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 = 3 mb = 1.5 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

13.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक क्षैतिज वेंचुरी मीटर से बहता है जिसका प्रवेश व्यास 150 mm और कंठ व्यास 100 mm है। प्रवेश पर दाब कंठ की तुलना में 54 kPa अधिक है। हानियों को नगण्य मानते हुए प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए।

d₁ = 150 mmd₂ = 100 mmp₁ − p₂ = 54 kPaρ = 1000 kg/m³

Q = L/s

14.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

एक फ़व्वारे का नोज़ल सीधे ऊपर की ओर है। नोज़ल के ठीक नीचे आपूर्ति पाइप का व्यास 50 mm और गेज दाब 80 kPa है। नोज़ल निकास व्यास 30 mm है, और नोज़ल के आर-पार ऊँचाई अंतर नगण्य है। हानियों और वायु प्रतिरोध को नगण्य मानते हुए वह ऊँचाई H ज्ञात कीजिए जिस तक जेट नोज़ल से ऊपर उठता है। g = 9.81 m/s² लें।

d₁ = 50 mmp₁ = 80 kPa (गेज)d₂ = 30 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

H = m

15.आदर्श गैस नियममध्यम

300 kPa और 90 °C पर CH₄ का 30 g कितना आयतन V घेरता है? इसे आदर्श गैस मानें।

m = 30 gM = 16.04 g/molP = 300 kPaT = 90 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

16.आदर्श गैस नियमकठिन

900 kPa और 100 °C पर He का घनत्व ρ आदर्श गैस मानकर ज्ञात कीजिए।

M = 4.003 g/molP = 900 kPaT = 100 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक उत्क्रमणीय (कार्नो) ऊष्मा इंजन 375 °C वाले भंडार से प्रति चक्र 3700 kJ ऊष्मा लेता है और 1616 kJ त्यागता है। ठंडे भंडार का तापमान T_L °C में ज्ञात कीजिए।

T_H = 375 °CQ_H = 3700 kJQ_L = 1616 kJ

T_L = °C

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक ऊष्मा इंजन प्रति चक्र 600 °C वाले भंडार से 700 kJ ऊष्मा लेता है, 273 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 = 600 °CT_L = 30 °CQ_H = 700 kJW = 273 kJ

S_gen = kJ/K

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम

एक सिरे पर बंद नली का संनादी संख्या 3 257 Hz पर होना चाहिए। ध्वनि की चाल 343 m/s है। नली की लंबाई L ज्ञात करें।

v = 343 m/sn = 3f₃ = 257 Hz

L = m

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन

स्थिर पार्किंग सेंसर 40 kHz की पराश्रव्य ध्वनि एक कार की ओर भेजता है जो 30 m/s से दूर जा रही है। सेंसर पर वापस प्राप्त प्रतिध्वनि की आवृत्ति f″ ज्ञात करें (ध्वनि की चाल 343 m/s)।

f = 40 kHzu = 30 m/sv = 343 m/s

f″ = Hz

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: v = 81.55 m/s

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.

दूरी के बाद चाल

v = √(2·a·s) = √(2·1.75·1900) = 81.55 m/s

उत्तर

v = 81.55 m/s

(293.6 km/h)

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: t = 1.522 s

मिलने का समय

ऊपर धनात्मक है, ज़मीन y = 0 है।

35 − ½g·t² = 23·t − ½g·t² → t = 35/23 = 1.522 s

उत्तर

t = 1.522 s

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: μ = 0.3982

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.

मंदन

a = v₀²/(2d) = 2.5²/(2·0.8) = 3.906 m/s²

घर्षण गुणांक

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3.906/9.81 = 0.3982

उत्तर

μ = 0.3982

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 5.529 m/s²

पूरा तंत्र

a = (F − μ·(m₁ + m₂)·g)/(m₁ + m₂) = (70 − 14.71)/10 = 5.529 m/s²

उत्तर

a = 5.529 m/s²

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: y = 17.32 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 = 24·cos 70° = 8.208 m/s

t = x/v_x = 8/8.208 = 0.9746 s

उस समय ऊँचाई

y = 22.55·0.9746 − ½·9.81·0.9746² = 17.32 m

उत्तर

y = 17.32 m

दीवार पर गेंद अभी ऊपर उठ रही है।

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: H = 26.54 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 = 13·sin 25° = 5.494 m/s

चट्टान से ऊपर उठान

Δh = v_y²/(2g) = 5.494²/(2·9.81) = 1.538 m

ज़मीन से ऊँचाई

H = 25 + 1.538 = 26.54 m

उत्तर

H = 26.54 m

7.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 11.63 m/s

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)।

ढलान के साथ ऊर्जा संतुलन

गुटका d·sin θ ऊँचाई गिरता है जबकि घर्षण μmg·cos θ·d हटाता है। द्रव्यमान कट जाता है।

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)

v = √(2·9.81·15·(0.7071 − 0.35·0.7071)) = 11.63 m/s

उत्तर

v = 11.63 m/s

8.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 7.985 m/s

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 19.62·(4.5 − 0.25·5) = 63.77 J

स्प्रिंग पर चाल

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·3.25) = 7.985 m/s

उत्तर

v = 7.985 m/s

9.संवेग और टक्करें

उत्तर: v = 496.2 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.

टक्कर के बाद झूलना

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.05) = 0.9905 m/s

टक्कर

m·v = (m + M)·V → v = (0.01 + 5)·0.9905/0.01 = 496.2 m/s

उत्तर

v = 496.2 m/s

10.संवेग और टक्करें

उत्तर: v₁ = 34.98 m/s

टक्कर के बाद चाल

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.8·9.81·22) = 18.58 m/s

टक्कर में संवेग

m₁·v₁ = (m₁ + m₂)·V → v₁ = 3200·18.58/1700 = 34.98 m/s

उत्तर

v₁ = 34.98 m/s

(125.9 km/h)

11.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 88.29 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 = 1.5 + 3/2 = 3 m

A = H·b = 3·1 = 3 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·3·3 = 88.29 kN

उत्तर

F = 88.29 kN

12.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 90.5 kN

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 0.5 + 3/2 = 2 m

A = H·b = 3·1.5 = 4.5 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1025·9.81·2·4.5 = 90.5 kN

उत्तर

F = 90.5 kN

13.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 91.11 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·(100/150)² = 0.4444·v₂

प्रवेश और कंठ के बीच बर्नूली

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

p₁ − p₂ = ½ρv₂²(1 − β⁴)

v₂ = √(2·54000/(1000·(1 − 0.1975))) = 11.6 m/s

v₁ = 5.156 m/s

प्रवाह दर

Q = A₂·v₂ = 0.007854·11.6 = 0.09111 m³/s = 91.11 L/s

उत्तर

Q = 91.11 L/s

14.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: H = 9.369 m

निकास वेग

β = 30/50 = 0.6

v₂ = √(2p₁/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·80000/(1000·0.8704)) = 13.56 m/s

जेट की ऊँचाई

जेट के साथ बर्नूली: शीर्ष पर वेग शून्य है और दाब फिर से वायुमंडलीय है।

H = v₂²/(2g) = 13.56²/(2·9.81) = 9.369 m

उत्तर

H = 9.369 m

15.आदर्श गैस नियम

उत्तर: V = 18.82 L

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

मोल

n = 30/16.04 = 1.87 mol

T = 90 + 273.15 = 363.1 K

आयतन

V = nRT/P = 1.87·8.314·363.1/300 = 18.82 L

उत्तर

V = 18.82 L

16.आदर्श गैस नियम

उत्तर: ρ = 1.161 kg/m³

आदर्श गैस घनत्व: ρ = PM/(RT)।

गैस नियम पुनर्व्यवस्थित करें

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 100 + 273.15 = 373.1 K

घनत्व

ρ = 900·4.003/(8.314·373.1) = 1.161 kg/m³

उत्तर

ρ = 1.161 kg/m³

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: T_L = 9.934 °C

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.

स्रोत का परम तापमान

T_H = 375 + 273.15 = 648.1 K

उत्क्रमणीय ऊष्मा अनुपात

T_L = T_H·Q_L/Q_H = 648.1·1616/3700 = 283.1 K = 9.934 °C

उत्तर

T_L = 9.934 °C

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: S_gen = 0.6068 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 = 700 − 273 = 427 kJ

परम तापमान

T_H = 600 + 273.15 = 873.1 K

T_L = 30 + 273.15 = 303.1 K

भंडारों के एन्ट्रॉपी परिवर्तन

ΔS_H = −700/873.1 = −0.8017 kJ/K

ΔS_L = 427/303.1 = 1.409 kJ/K

S_gen = 1.409 − 0.8017 = 0.6068 kJ/K

उत्तर

S_gen = 0.6068 kJ/K

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

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: L = 1.001 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 = 343/257 = 1.335 m

लंबाई

L = nλ/4 = 3·1.335/4 = 1.001 m

उत्तर

L = 1.001 m

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: f″ = 33566 Hz

कार पर आवृत्ति

f′ = 40000·(343 − 30)/343 = 36501 Hz

प्रतिध्वनि की आवृत्ति

f″ = f′·343/(343 + 30) = 33566 Hz

उत्तर

f″ = 33566 Hz

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