ऊष्मागतिकी 1: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 8 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

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

ऊर्जा संतुलन

संवेद्य ऊष्मा: Q = ṁ·c_p·ΔT
गुप्त ऊष्मा: Q = ṁ·h_fg
मिश्रण: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
पानी: c_p ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

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

गैस शक्ति चक्र

समएन्ट्रॉपिक, आयतन अनुपात: T₂/T₁ = r^k−1
समएन्ट्रॉपिक, दाब अनुपात: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
ऑटो दक्षता: η = 1 − 1/r^k−1
डीज़ल दक्षता: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
ब्रेटन दक्षता: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
दी गई ऊष्मा: ऑटो: c_v(T₃ − T₂) डीज़ल, ब्रेटन: c_p(T₃ − T₂)
ब्रेटन शुद्ध कार्य: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
समएन्ट्रॉपिक दक्षताएँ: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
ठंडी वायु: k = 1.4, c_p = 1.005, c_v = 0.718 kJ/(kg·K)

2अभ्यास प्रश्न

1.आदर्श गैस नियममध्यम

20 L की टंकी में 75 °C पर CH₄ का 430 g है। इसे आदर्श गैस मानकर दाब P ज्ञात कीजिए।

m = 430 gM = 16.04 g/molV = 20 LT = 75 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

2.आदर्श गैस नियमकठिन

CH₄ की एक निश्चित मात्रा 250 kPa, 2 L, 30 °C से 450 kPa और 70 °C पर जाती है। नया आयतन V₂ ज्ञात कीजिए।

P₁ = 250 kPaV₁ = 2 LT₁ = 30 °CP₂ = 450 kPaT₂ = 70 °C

V₂ = L

3.ऊर्जा संतुलनमध्यम

गर्म हल्का तेल बिना ऊष्मा हानि वाले प्रतिप्रवाह ऊष्मा विनिमयक में पानी को ठंडा करता है। पानी का निर्गम तापमान t_out ज्ञात कीजिए।

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 120 °Cṁ_c = 1.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.ऊर्जा संतुलनकठिन

गर्म ग्लाइकॉल मिश्रण एक विनिमयक में पानी को गर्म करता है जो गर्म धारा द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा का 15% परिवेश में खो देता है। आवश्यक पानी प्रवाह दर ṁ_c ज्ञात कीजिए।

ṁ_h = 2.5 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 60 °Ct: 25 → 70 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)हानि = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 525 °C पर गर्म भंडार और 15 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। यह 5000 kJ ऊष्मा लेता है। यह अधिकतम कितना कार्य W_max उत्पन्न कर सकता है, ज्ञात कीजिए।

T_H = 525 °CT_L = 15 °CQ_H = 5000 kJ

W_max = kJ

6.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

दो कार्नो इंजन श्रेणी में काम करते हैं। इंजन A 950 °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 10 °C वाले भंडार को ऊष्मा त्यागता है। दोनों इंजनों की तापीय दक्षता समान है। T_m को °C में ज्ञात कीजिए।

T_H = 950 °CT_L = 10 °C

T_m = °C

7.गैस शक्ति चक्रमध्यम

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 14 और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ = 1.5 है। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। इसकी ऊष्मीय दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

r = 14r_c = 1.5k = 1.4

η = %

8.गैस शक्ति चक्रकठिन

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 20 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 310 K पर संपीडक में और 1400 K पर टरबाइन में प्रवेश करती है। संपीडक की समएन्ट्रॉपिक दक्षता 82% और टरबाइन की 88% है। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। प्रति किलोग्राम वायु शुद्ध कार्य निर्गत w_net kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

r_p = 20T₁ = 310 KT₃ = 1400 Kη_c = 82%η_t = 88%k = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3विलयन

1.आदर्श गैस नियम

उत्तर: P = 3880 kPa

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

मोल

n = m/M = 430/16.04 = 26.81 mol

T = 75 + 273.15 = 348.1 K

दाब

P = nRT/V = 26.81·8.314·348.1/0.02 = 3880 kPa

उत्तर

P = 3880 kPa

2.आदर्श गैस नियम

उत्तर: V₂ = 1.258 L

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

परम तापमान

T₁ = 303.1 K, T₂ = 343.1 K

संयुक्त गैस नियम

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(250/450)·(343.1/303.1) = 1.258 L

उत्तर

V₂ = 1.258 L

3.ऊर्जा संतुलन

उत्तर: t_out = 36.75 °C

विनिमयक ऊर्जा संतुलन: बिना हानि के ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in)।

गर्म धारा द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा

Q = 1·2.1·(170 − 120) = 105 kW

पानी द्वारा ली गई ऊष्मा

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 105/(1.5·4.18) = 36.75 °C

उत्तर

t_out = 36.75 °C

4.ऊर्जा संतुलन

उत्तर: ṁ_c = 2.44 kg/s

हानि सहित ऊर्जा संतुलन: छोड़ी गई ऊष्मा = अवशोषित ऊष्मा + खोई ऊष्मा।

छोड़ी गई ऊष्मा

Q_h = 2.5·3.6·(120 − 60) = 540 kW

पानी तक पहुँचने वाली ऊष्मा

Q_c = (1 − 0.15)·540 = 459 kW

पानी प्रवाह दर

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 459/(4.18·45) = 2.44 kg/s

उत्तर

ṁ_c = 2.44 kg/s

5.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: W_max = 3195 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 = 525 + 273.15 = 798.1 K

T_L = 15 + 273.15 = 288.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 288.1/798.1 = 63.9 %

अधिकतम कार्य

W_max = η_max·Q_H = 0.639·5000 = 3195 kJ

उत्तर

W_max = 3195 kJ

6.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: T_m = 315.4 °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.

परम तापमान

T_H = 950 + 273.15 = 1223 K

T_L = 10 + 273.15 = 283.1 K

समान दक्षताएँ

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

T_m = √(1223·283.1) = 588.5 K = 315.4 °C

उत्तर

T_m = 315.4 °C

7.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 62.02 %

डीज़ल चक्र (संपीडन-इग्निशन इंजन): 1→2 समएन्ट्रॉपिक संपीडन, 2→3 नियत दाब पर ऊष्मा का योग, 3→4 समएन्ट्रॉपिक प्रसार, 4→1 नियत आयतन पर ऊष्मा का निष्कासन। संपीडन अनुपात r = v₁/v₂ और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ के साथ: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) और η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1))।

कटऑफ़ पद

(1.5^1.4 − 1)/(1.4·(1.5 − 1)) = 1.092

तापीय दक्षता

η = 1 − 0.348·1.092 = 62.02%

उत्तर

η = 62.02%

8.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: w_net = 197.8 kJ/kg

ब्रेटन चक्र (गैस टरबाइन): 1→2 समएन्ट्रॉपिक संपीडन, 2→3 नियत दाब पर ऊष्मा का योग, 3→4 टरबाइन में समएन्ट्रॉपिक प्रसार, 4→1 नियत दाब पर ऊष्मा का निष्कासन। दाब अनुपात r_p = P₂/P₁ के साथ: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k और η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k। शुद्ध कार्य w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]। समएन्ट्रॉपिक दक्षताओं के साथ संपीडक को w_s/η_c चाहिए और टरबाइन η_t·w_s देती है।

समएन्ट्रॉपिक तापमान

T_2s = 310·20^0.2857 = 729.6 K

T_4s = 1400/20^0.2857 = 594.8 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

w_c = 1.005·(729.6 − 310)/0.82 = 514.3 kJ/kg

w_t = 0.88·1.005·(1400 − 594.8) = 712.1 kJ/kg

शुद्ध कार्य

w_net = 712.1 − 514.3 = 197.8 kJ/kg

उत्तर

w_net = 197.8 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: w_c/w_t = 72.22%।

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