Heat Transfer MCQ Quiz in हिन्दी - Objective Question with Answer for Heat Transfer - मुफ्त [PDF] डाउनलोड करें

सही विकल्प: (3) 5 / 3 है। 

श्रेणीक्रम में, R_eq = R₁ + R₂ + R₃

= 1 / (2KA) + 1 / (KA) + 1 / (2KA)

= 4 / (2KA)

R_eq = 2 / (KA)

श्रेणीक्रम में ऊष्मा प्रवाह की दर समान होती है

(3T − T₁) / R₁ = (3T − T) / R_eq

((3T − T₁) KA) / 1 = (2T) KA / 2

⇒ 6T − 2T₁ = T

⇒ T₁ = 5T / 2 ...(1)

अब, तीसरे भाग और संपूर्ण भाग में ऊष्मा प्रवाह दर को बराबर करने पर,

(T₂ − T) / R₃ = (3T − T) / R_eq

((T₂ − T)(2KA)) / 1 = (2T KA) / 2

⇒ 2T₂ − 2T = T

⇒ T₂ = 3T / 2 ...(2)

समीकरण (1) और (2) से

T₁ / T₂ = (5T / 2) / (3T / 2) = 5 / 3

व्याख्या:

कृष्णिका:

• एक कृष्णिका एक आदर्श भौतिक वस्तु है जो आवृत्ति या आपतन कोण की परवाह किए बिना, सभी आपतित विद्युत चुम्बकीय विकिरण को अवशोषित करती है। एक कृष्णिका प्लांक के नियम द्वारा वर्णित, अपने तापमान पर निर्भर एक विशिष्ट स्पेक्ट्रम में विकिरण का उत्सर्जन भी करती है।

उत्सर्जन शक्ति:

• किसी कृष्णिका की उत्सर्जन शक्ति प्रति इकाई सतह क्षेत्रफल प्रति इकाई समय में विकीर्ण कुल ऊर्जा को संदर्भित करती है। यह स्टीफन-बोल्ट्जमान नियम द्वारा दिया गया है, जो कहता है:

E = σT⁴

जहाँ:

• E = उत्सर्जन शक्ति (W/m²)
• σ = स्टीफन-बोल्ट्जमान नियतांक (5.67 x 10^-8 W/m²K⁴)
• T = कृष्णिका का परम तापमान (केल्विन में)

गणना:

यदि तापमान दोगुना हो जाता है: T' = 2T

\( E' = \sigma (2T)^4 = 16 \cdot \sigma T^4 = 16E \)

व्याख्या:

धूसर पिंड (ग्रे बॉडी)

• एक धूसर पिंड एक सैद्धांतिक वस्तु है जिसकी उत्सर्जकता 1 से कम होती है, लेकिन विकिरण के सभी तरंगदैर्ध्य पर स्थिर रहती है। इसका मतलब है कि जबकि यह एक कृष्णिका (जिसकी उत्सर्जकता 1 होती है) की तरह पूरी तरह से विकिरण उत्सर्जित नहीं करता है, इसकी उत्सर्जकता उस विकिरण की तरंगदैर्ध्य के साथ नहीं बदलती है जिसे यह उत्सर्जित करता है।

उत्सर्जकता:

• उत्सर्जकता किसी पदार्थ की तापीय विकिरण के रूप में ऊर्जा उत्सर्जित करने की क्षमता का एक माप है। इसे किसी सतह द्वारा उत्सर्जित विकिरण और समान तापमान पर एक कृष्णिका द्वारा उत्सर्जित विकिरण के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है। एक कृष्णिका, जिसकी उत्सर्जकता 1 होती है, एक आदर्श उत्सर्जक है जो किसी भी दिए गए तापमान पर अधिकतम संभव ऊर्जा विकीर्ण करता है। वास्तविक वस्तुओं की उत्सर्जकता 1 से कम होती है, यह दर्शाता है कि वे एक कृष्णिका की तुलना में कम तापीय विकिरण उत्सर्जित करते हैं।

धूसर पिंड की विशेषताएँ:

• स्थिर उत्सर्जकता: धूसर पिंड की प्राथमिक विशेषता यह है कि इसकी उत्सर्जकता स्थिर होती है और विकिरण की तरंगदैर्ध्य के साथ नहीं बदलती है। यह वास्तविक पदार्थों के विपरीत है, जिनकी उत्सर्जकता तरंगदैर्ध्य के साथ काफी भिन्न हो सकती है।
• पूर्ण उत्सर्जन से कम: एक धूसर पिंड एक कृष्णिका की तरह कुशलतापूर्वक विकिरण उत्सर्जित नहीं करता है। एक धूसर पिंड की उत्सर्जकता 1 से कम होती है, यह दर्शाता है कि यह उसी तापमान पर एक कृष्णिका द्वारा उत्सर्जित ऊर्जा का एक अंश उत्सर्जित करता है।
• व्यावहारिक सन्निकटन: धूसर पिंड की अवधारणा व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उपयोगी है क्योंकि यह तापीय विकिरण के विश्लेषण को सरल बनाता है। स्थिर उत्सर्जकता मानकर, इंजीनियर और वैज्ञानिक पदार्थों के तापीय विकिरण गुणों की अधिक आसानी से गणना कर सकते हैं।

व्याख्या:

पदार्थों की तापीय चालकता

• तापीय चालकता पदार्थों का एक भौतिक गुण है जो उनकी ऊष्मा का संचालन करने की क्षमता को मापता है। इसे उस ऊष्मा की मात्रा (वाट में) के रूप में परिभाषित किया जाता है जो किसी दिए गए क्षेत्रफल और मोटाई वाले पदार्थ से गुजरती है जब पदार्थ में तापमान का अंतर मौजूद होता है। तापीय चालकता की इकाई वाट प्रति मीटर प्रति डिग्री सेल्सियस (W/m·°C) है।

कार्य सिद्धांत:

• तापीय चालकता का कार्य सिद्धांत पदार्थ के गर्म भाग से ठंडे भाग में ऊष्मा ऊर्जा के स्थानांतरण को शामिल करता है। यह स्थानांतरण परमाणुओं और अणुओं के कंपन या धातुओं की स्थिति में इलेक्ट्रॉनों की गति के माध्यम से होता है। उच्च तापीय चालकता वाले पदार्थ तेजी से और कुशलतापूर्वक ऊष्मा का स्थानांतरण कर सकते हैं, जबकि कम तापीय चालकता वाले पदार्थ बेहतर विद्युतरोधी होते हैं।

एल्यूमीनियम:

• एल्यूमीनियम अपनी उच्च तापीय चालकता के लिए जाना जाता है। यह लगभग 237 W/m·°C की तापीय चालकता मान वाली एक धातु है, जो विकल्पों में सूचीबद्ध अन्य पदार्थों की तुलना में काफी अधिक है। यह उच्च तापीय चालकता एल्यूमीनियम को कुशल ऊष्मा स्थानांतरण की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए एक उत्कृष्ट सामग्री बनाती है, जैसे कि हीट विनिमयक, शीतलन प्रणाली और इलेक्ट्रॉनिक घटक।
• ऊष्मा को जल्दी से संचालित करने की एल्यूमीनियम की क्षमता मुक्त इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति के कारण है जो सामग्री के माध्यम से आसानी से गति कर सकते हैं, तापीय ऊर्जा को एक भाग से दूसरे भाग में स्थानांतरित कर सकते हैं। यह गुण उन उद्योगों में विशेष रूप से उपयोगी है जहाँ अतितापन को रोकने और इष्टतम प्रदर्शन बनाए रखने के लिए तेजी से ऊष्मा अपव्यय महत्वपूर्ण है।

Additional Information विकल्प 1: रबर

• रबर एक इन्सुलेट सामग्री है जिसमें बहुत कम तापीय चालकता होती है। इसकी तापीय चालकता का मान आमतौर पर लगभग 0.1-0.2 W/m·°C होता है, जिसका अर्थ है कि यह ऊष्मा का अच्छी तरह से संचालन नहीं करता है। यह गुण रबर को तापीय विद्युतरोधन की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है, जैसे कि गर्मी प्रतिरोधी दस्ताने, मैट और सील के निर्माण में।

विकल्प 2: हवा

• हवा में भी कम तापीय चालकता होती है, लगभग 0.024 W/m·°C। यह इसे ऊष्मा का एक खराब संवाहक और एक उत्कृष्ट विद्युतरोधी बनाता है। हवा का उपयोग आमतौर पर विद्युतरोधी अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे कि डबल-ग्लेज़्ड खिड़कियों में, जहाँ फंसी हुई हवा की परत इमारतों के आंतरिक और बाहरी भाग के बीच ऊष्मा स्थानांतरण को कम करने में मदद करती है।

विकल्प 4: लकड़ी

• लकड़ी में मध्यम तापीय चालकता होती है, आमतौर पर लगभग 0.12-0.15 W/m·°C। जबकि रबर या हवा की तरह विद्युतरोधी नहीं है, लकड़ी एल्यूमीनियम जैसी धातुओं की तरह कुशलतापूर्वक ऊष्मा का संचालन नहीं करती है। लकड़ी की तापीय चालकता इसके घनत्व और नमी की मात्रा पर निर्भर करती है, लेकिन इसका उपयोग आम तौर पर उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जहाँ मध्यम विद्युतरोधन की आवश्यकता होती है, जैसे कि भवन निर्माण और फर्नीचर निर्माण में।

व्याख्या:

विकिरण की तीव्रता और व्युत्क्रम वर्ग नियम

परिभाषा: विकिरण की तीव्रता प्रति इकाई क्षेत्रफल प्रति इकाई समय में विकीर्ण ऊर्जा की मात्रा को संदर्भित करती है। यह भौतिकी में एक मौलिक अवधारणा है, विशेष रूप से विद्युत चुम्बकीय तरंगों और तापीय विकिरण के अध्ययन में।

सही विकल्प: व्युत्क्रम वर्ग नियम

व्युत्क्रम वर्ग नियम:

व्युत्क्रम वर्ग नियम एक भौतिक सिद्धांत है जो वर्णन करता है कि किसी भौतिक राशि (जैसे विकिरण, प्रकाश, ध्वनि, आदि) की तीव्रता स्रोत से दूरी बढ़ने पर कैसे घटती है। इस नियम के अनुसार, विकिरण की तीव्रता स्रोत से दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होती है। गणितीय रूप से, इसे इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

I ∝ 1/d²

जहाँ:

• I = विकिरण की तीव्रता
• d = विकिरण स्रोत से दूरी

इसका मतलब है कि यदि स्रोत से दूरी दोगुनी हो जाती है, तो विकिरण की तीव्रता एक-चौथाई हो जाती है। इसी प्रकार, यदि दूरी तिगुनी हो जाती है, तो तीव्रता एक-नौवाँ हो जाती है, और इसी तरह।

व्युत्पत्ति और व्याख्या:

व्युत्क्रम वर्ग नियम को ज्यामिति से प्राप्त किया जा सकता है कि कैसे विकिरण एक बिंदु स्रोत से फैलता है। एक बिंदु स्रोत की कल्पना करें जो सभी दिशाओं में समान रूप से विकिरण उत्सर्जित करता है। विकिरण गोलाकार तरंगों में बाहर की ओर यात्रा करता है। जैसे-जैसे स्रोत से दूरी बढ़ती है, गोले का पृष्ठीय क्षेत्रफल जिस पर विकिरण फैला हुआ है, बढ़ता जाता है।

एक गोले का पृष्ठीय क्षेत्रफल सूत्र द्वारा दिया गया है:
A = 4πd²

जहाँ:

• A = गोले का पृष्ठीय क्षेत्रफल
• d = गोले की त्रिज्या (स्रोत से दूरी)

जैसे-जैसे विकिरण बाहर की ओर यात्रा करता है, इसकी ऊर्जा गोले के पृष्ठीय क्षेत्रफल पर वितरित हो जाती है। चूँकि पृष्ठीय क्षेत्रफल दूरी के वर्ग के साथ बढ़ता है, इसलिए विकिरण की तीव्रता (प्रति इकाई क्षेत्रफल ऊर्जा) दूरी के वर्ग के साथ घटती है। इसलिए, दूरी d पर विकिरण की तीव्रता d² के व्युत्क्रमानुपाती होती है।

व्युत्क्रम वर्ग नियम के अनुप्रयोग:

• खगोल विज्ञान: तारों और अन्य खगोलीय पिंडों की चमक को समझने के लिए खगोल विज्ञान में व्युत्क्रम वर्ग नियम महत्वपूर्ण है। एक तारे की स्पष्ट चमक पर्यवेक्षक से दूरी के वर्ग के साथ घटती है।
• विकिरण सुरक्षा: विकिरण सुरक्षा में, विकिरण स्रोतों से सुरक्षित दूरी निर्धारित करने के लिए व्युत्क्रम वर्ग नियम का उपयोग किया जाता है ताकि जोखिम को कम किया जा सके। विकिरण स्रोत से दूरी बढ़ाकर, जोखिम की तीव्रता काफी कम हो जाती है।
• ध्वनिकी: ध्वनिकी में, व्युत्क्रम वर्ग नियम बताता है कि ध्वनि स्रोत से दूरी बढ़ने पर ध्वनि की तीव्रता कैसे घटती है। यह सिद्धांत ऑडियो सिस्टम और ध्वनिरोधी वातावरण के डिजाइन में महत्वपूर्ण है।
• प्रकाश व्यवस्था: प्रकाश डिजाइन में, व्युत्क्रम वर्ग नियम विभिन्न दूरियों पर प्रकाश स्रोतों से प्रकाश स्तरों की गणना करने में मदद करता है। यह विभिन्न वातावरणों में उचित प्रकाश व्यवस्था स्थापित करने के लिए आवश्यक है।

सही उत्तर 212° F है।

• दाब के 1 वातावरण (समुद्र तल) पर, जल 100° C (212° F) पर उबलता है।
• जब किसी तरल को गर्म किया जाता है, तो यह अंततः एक तापमान पर पहुंचता है, जिस पर वाष्प का दबाव काफी बड़ा होता है जिससे तरल के निकाय के अंदर बुलबुले बनते हैं। इस तापमान को क्वथनांक कहा जाता है।
  • एक बार जब तरल उबलना शुरू होता है, तो तापमान तब तक स्थिर रहता है जब तक कि सभी तरल गैस में परिवर्तित नहीं हो जाते।

Important Points

• जल का क्वथनांक वायुमंडलीय दाब पर निर्भर करता है, जो ऊंचाई के अनुसार बदलता रहता है।
  • जैसे-जैसे आप ऊँचाई पर जाते हैं, जल कम तापमान पर उबलता है (जैसे, एक पहाड़ पर ऊँचाई में जाना)।
  • यदि आप वायुमंडलीय दाब बढ़ाते हैं (समुद्र तल पर वापस आते हैं या नीचे जाते हैं) तो जल उच्च तापमान पर उबलता है।
• जल का क्वथनांक जल की शुद्धता पर भी निर्भर करता है।
  • जल जिसमें अशुद्धियाँ होती हैं (जैसे खारा जल) शुद्ध जल की तुलना में अधिक तापमान पर उबलता है। इस घटना को क्वथनांक उत्थान कहा जाता है।
  • यह पदार्थ के गुणात्मक गुणों में से एक है।

Key Points

• तरल पदार्थों का एक विशिष्ट तापमान होता है, जिस पर वे ठोस में बदल जाते हैं, जिसे उनका हिमांक कहा जाता है।
  • 32° F या 0° C या 273.15 केल्विन पर जल जम जाता है।
• शुद्ध, क्रिस्टलीय ठोस का एक विशिष्ट गलनांक होता है, जिस तापमान पर ठोस पिघलकर तरल बन जाता है।
• सैद्धांतिक रूप में, किसी ठोस का गलनांक बिंदु द्रव्य के हिमांक बिंदु के समान होना चाहिए।

स्पष्टीकरण:

एक विरोधी प्रवाह ऊष्मा विनियामक के मामले में जब दोनों तरल पदार्थों की ऊष्मा क्षमता समान होती है

यानी ṁhch = ṁccc

Q = ṁhch(Th1 – Th2) = ṁccc(Tc2 – Tc1)

⇒ (Th1 – Th2) = (Tc2 – Tc1)

⇒ (Th1 – Tc2) = (Th2 – Tc1)

⇒ ΔT1 = ΔT2

समानांतर प्रवाह ऊष्मा विनियामक के लिए ΔT1 हमेशा ΔT2 से अधिक होगा।

वर्णन:

गैस अणुओं के टकराव द्वारा ऊष्मा का स्थानांतरण करते हैं। 

जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, तो गैसों के अणुओं की गतिज ऊर्जा भी बढ़ती है तथा अंतिम में अणुओं के बीच टकराव भी बढ़ता है जो गैसों की तापीय चालकता बढ़ाती है। 

∴ जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, वैसे ही गैसों की तापीय चालकता भी बढ़ती है। 

द्रव्य और ठोस के लिए सामान्यतौर पर जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, तो तापीय चालकता भी कम होती है।

Concept:

Prandtl number Pr is defined as the ratio of momentum diffusivity to thermal diffusivity.

\(Pr = \frac{{\mu {C_p}}}{K} = \frac{{\left( {\frac{\mu }{\rho }} \right)}}{{\left( {\frac{K}{{\rho {C_p}}}} \right)}}\)

\(Pr = \frac{\nu }{\alpha } = \frac{{momentum\;diffusivity}}{{thermal\;diffusivity}}\)

In another way, we can define Prandtl number as, the ratio of the rate that viscous forces penetrate the material to the rate that thermal energy penetrates the material.

\(\frac{δ }{{{δ _T}}} = {\left( {Pr} \right)^{1/3}}\;\)where, δ is hydrodynamic boundary layer thickness and δ_T is thermal boundary layer thickness.

Calculation:

Given:

Pr = 0.7 

from, \(\frac{δ }{{{δ _T}}} = {\left( {Pr} \right)^{1/3}}\;\)=  \({0.7^{\frac{1}{3}}} = 0.88 < 1\)

thus, δ < δ_T .

When              P_r < 1               δ_T > δ 

                        P_r  > 1               δT < δ 

प्रांड्ल संख्या संवेग विस्तार और तापीय विस्तार का अनुपात होता है। 

\(Pr = \frac{\nu }{\alpha } = \frac{\mu }{{\frac{{\rho k}}{{\rho {C_p}}}}} = \frac{{\mu {C_p}}}{k}\)

प्रांड्ल संख्या की विशिष्ट सीमा को नीचे सूचीबद्ध किया गया है

तरल अवस्था में विभिन्न धातुओं की तापीय चालकता निम्नानुसार है

सोडियम(Na) – 140 W/m-K

पोटेशियम(K) – 100 W/m-K

लिथियम(Li) – 85 W/m-K

टिन(Sn) – 64 W/m-K

सीसा(Pb) – 36 W/m-K

पारा ( Hg) – 8 W/m-K

इसलिए दिए गए विकल्पों में से सोडियम में सबसे अधिक तापीय चालकता होती है।

अवधारणा:

व्याख्या:

• जैसा कि हम जानते हैं कि विकिरण प्रकाश की गति के साथ यात्रा करता है, इस प्रकार विद्युत चुम्बकीय विकिरण के रूप में विकिरण में ऊष्मा हस्तांतरण की दर अधिकतम होती है

स्पष्टीकरण:

अवरोधन:

• इसे अवरोधक सामग्रियों को सतह पर लगाने से निकाय से ऊष्मा के प्रवाह को रोकने की प्रक्रिया के रूप में परिभाषित किया जाता है जो ऊष्मा हस्तांतरण की दर को नियंत्रित करता है।
• एक अवरोधक की अवरोधन क्षमता विभिन्न कारकों पर निर्भर करती है:
  • अवरोधक की मोटाई
  • अवरोधक की सामग्री
  • आसपास की स्थिति
  • तापमान अंतर
• आमतौर पर, हवा के पैकेट छिद्रयुक्त अवरोधन सामग्री में मौजूद होते हैं।
• चूंकि पानी जो एक अधिक प्रवाहकीय सामग्री है, वह हवा की जगह ले रहा है जो कम प्रवाहकीय सामग्री है, इसलिए अवरोधक की समग्र अवरोधन क्षमता कम हो जाएगी। अधिकांश अवरोधक प्रकृति में छिद्रयुक्त हैं।
• यदि यह गैर-छिद्रपूर्ण अवरोधक के बारे में है, तो अवरोधन क्षमता अप्रभावित रहेगी।

वर्णन:

दो निकायों के बीच शुद्ध विकिरण ऊष्मा विनिमय को निम्न द्वारा ज्ञात किया गया है:

Q̇ = AF × σ × (T₁⁴ - T₂⁴)

जहाँ F, A, σ क्रमशः आकृति कारक, क्षेत्रफल और स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मान स्थिरांक हैं। 

अब (T14 - T24) विस्तारित करने पर

Q̇ = AF × σ × ((T1)²)² - (T2)²)²)

Q̇ = AF × σ × (T12 - T22) × (T12 + T22)

Q̇ = AF × σ × (T₁ - T₂)(T₁ + T₂) ×  (T12 + T22)

\(\dot Q =\frac{T_1-T_2}{\frac{1}{\sigma \times AF \times(T_1+T_2)\times(T_1^2+T_2^2)}}\)

विद्युतीय समानता \(i=\frac VR\) के साथ तुलना करने पर 

हमें \(\frac{1}{{FA\sigma \left( {{T_1} + {T_2}} \right)\left( {T_1^2 + T_2^2} \right)}}\) के रूप में तापीय प्रतिरोध प्राप्त होगा। 

स्पष्टीकरण:

• ब्याज की तापमान सीमा में तापमान के साथ एक पदार्थ की तापीय चालकता में भिन्नता निम्न दी गयी है:
• k(T) = k0 (1 + βT) जहाँ β को तापीय चालकता का तापमान गुणांक कहा जाता है।
• स्थिर और परिवर्तनीय तापीय चालकता की स्थितियों के लिए स्थिर एक-आयामी ऊष्मा संवहन के दौरान एक समतल दिवार में तापमान की भिन्नता निम्न है