ऊष्मा इंजन और रेफ्रिजरेटर

विषय: ऊष्मा इंजन और रेफ्रिजरेटर#

टॉपर्स के द्वारा विस्तृत नोट्स#

1. कार्नोट चक्र#

• कार्नोट चक्र एक सैद्धांतिक चक्र है जो सबसे अधिक कुशल संभव ऊष्मा इंजन का वर्णन करता है।
  • इसमें चार प्रक्रियाएँ होती हैं:
    • आइसोथर्मल विस्तार: उच्च-तापमान भंडार से ताप प्रणाली में जोड़ा जाता है।
    • एडियबैटिक विस्तार: प्रणाली का कोई भी ताप स्थानांतरण के बिना विस्तार होता है।
    • आइसोथर्मल संपीड़न: ताप प्रणाली से निचले-तापमान भंडार में छोड़ा जाता है।
    • एडियबैटिक संपीड़न: प्रणाली को कोई भी ताप स्थानांतरण के बिना संपीड़ित किया जाता है।
• कार्नोट चक्र की कुशलता द्वारा दी गई है:

$$\eta = 1 - \frac{T_L}{T_H}$$

जहाँ:

• $T_H$ उच्च-तापमान भंडार का तापमान
• $T_L$ निचले-तापमान भंडार का तापमान

2. ओटो चक्र#

• ओटो चक्र गैसोलीन इंजन का एक मॉडल है।

  • इसमें चार प्रक्रियाएँ होती हैं:
    • एडियबैटिक संपीड़न: हवा-ईंधन मिश्रण को संपीड़ित किया जाता है।
    • आइसोकोरिक ज्वाला: हवा-ईंधन मिश्रण को जलाया जाता है, जिससे तापमान और दबाव बढ़ जाता है।
    • एडियबैटिक विस्तार: गर्म गैस विस्तार होती है, जिससे पिस्टन को बढ़ाव मिलता है।
    • आइसोकोरिक ताप छोड़ना: निर्वाह गैस ठंडे होते हैं, जिससे दबाव और तापमान कम हो जाता है।

• ओटो चक्र की कुशलता द्वारा दी गई है:

$$\eta = 1 - \frac{1}{r^{k-1}}$$

जहाँ:

• $r$ संपीड़न अनुपात
• $k$ हवा-ईंधन मिश्रण के विशिष्ट ताप अनुपात

3. डीजल चक्र#

• डीजल चक्र डीजल इंजन का एक मॉडल है।

  • इसमें चार प्रक्रियाएँ होती हैं:
    • एडियबैटिक संपीड़न: हवा को संपीड़ित किया जाता है।
    • आइसोबारिक ताप जोड़ना: ईंधन हवा में डाला जाता है, जिससे तापमान और दबाव बढ़ जाते हैं।
    • एडियबैटिक विस्तार: गर्म गैस विस्तार होती है, जिससे पिस्टन को बढ़ाव मिलता है।
    • आइसोकोरिक ताप छोड़ना: निर्वाह गैस ठंडे होते हैं, जिससे दबाव और तापमान कम हो जाता है।

• डीजल चक्र की कुशलता द्वारा दी गई है:

$$η=1−\frac{1}{r^k}\left[\frac{k}{k−1}\left(1−(\frac{V_4}{V_3})^k\right)\right]$$

जहाँ:

• $r$ संपीड़न अनुपात
• $k$ हवा के विशिष्ट ताप अनुपात
• $V_3$ संपीड़न स्ट्रोक के अंत में आवाज़
• $V_4$ विस्तार स्ट्रोक के अंत में आवाज़

4. रेफ्रिजरेटर चक्र#

रेफ्रिजरेटर द्वारा द्रव को ठंडा करने के लिए दबाव और विस्तार के चक्र का उपयोग किया जाता है।

• रेफ्रिजरेटर चक्र का सबसे आम प्रकार वायु-संपीड़न चक्र है।
• इसमें चार प्रक्रियाएँ होती हैं:
  • आइसोथर्मल संपीड़न: एक संपीड़क द्वारा भरण गैस को संपीड़ित किया जाता है।
  • एडियबैटिक संपीड़न: गर्म भरण गैस को एक कंडेंसर के माध्यम से पार करके ठंडा किया जाता है।
  • आइसोथर्मल विस्तार: भरण गैस एक विस्तार वैल्व के माध्यम से विस्तार होता है।
  • एडियबैटिक विस्तार: ठंडा भरण गैस उल्टी होता है, रेफ्रिजरेटर के आंतरिक भाग से ताप ग्रहण करता है।

5. हीट पंप चक्र#

हीट पंप द्वारा द्रव को गर्म किया जाता है। हीट पंप चक्र का सबसे आम प्रकार वायु-संपीड़न चक्र है। इसमें चार प्रक्रियाएँ होती हैं:

• आइसोथर्मल संपीड़न: भरण गैस एक संपीड़क द्वारा संपीड़ित किया जाता है।
• एडियबैटिक संपीड़न: गर्म भरण गैस को एक कंडेंसर के माध्यम से पार करके ठंडा किया जाता है।
• आइसोथर्मल विस्तार: भरण गैस एक विस्तार वैल्व के माध्यम से विस्तार होता है।
• एडियबैटिक विस्तार: ठंडा भरण गैस उल्टी होता है, बाहरी हवा या जमीन से ताप ग्रहण करता है।

6. एंट्रॉपी#

• एंट्रॉपी एक प्रणाली की अव्यवस्था का माप है।
• थर्मोडाइनैमिक्स में, एंट्रॉपी को ताप ऊर्जा के परिवर्तन को तापमान से भाग करके परिभाषित किया जाता है:

$$S = \frac{Q}{T}$$

जहाँ:

• $S$ एंट्रॉपी
• $Q$ स्थानांतरित ताप ऊर्जा
• $T$ तापमान

7. थर्मोडाइनैमिक्स का दूसरा नियम#

• थर्मोडाइनैमिक्स का दूसरा नियम कहता है कि एक अलग प्रणाली की एंट्रॉपी समय के साथ हमेशा बढ़ती रहती है।
• इस नियम के प्रभाव ऊष्मा इंजन और रेफ्रिजरेटर की कुशलता पर हैं:
  • ऊष्मा इंजन की कुशलता 100% नहीं हो सकती।
  • रेफ्रिजरेटर के प्रदर्शन अनुपात अनंत नहीं हो सकता।

संदर्भ:

• NCERT भौतिकी क्लास 11, अध्याय 12: थर्मोडाइनैमिक्स
• NCERT भौतिकी क्लास 12, अध्याय 6: विकिरण और पदार्थ की द्वैत प्रकृति
• NCERT भौतिकी क्लास 12, अध्याय 7: वृद्धिमान धारा