विषय: ऊष्मा इंजन और रेफ्रिजरेटर

टॉपर्स के विस्तृत नोट्स

1. कार्नो साइकल

• कार्नो साइकल एक सिद्धांतिक साइकल है जो सबसे कुशल पोषक ऊष्मा इंजन का वर्णन करती है।
  • इसमें चार प्रक्रियाएं होती हैं:
    • आइसोथर्मल विस्तार: ऊष्मा हाई-तापमान संग्रहधारी से प्रणाली में जोड़ी जाती है।
    • अद्यापकीय विस्तार: प्रणाली बिना किसी ऊष्मा सुरक्षा के विस्तारित होती है।
    • आइसोथर्मल संपीड़न: ऊष्मा संग्रहधारी से निर्णित प्रणाली को तापमाननिच्छेदन संग्रहधारी में अस्वीकार किया जाता है।
    • अद्यापकीय संपीड़न: प्रणाली को किसी भी ऊष्मा संचार के बिना संकुचित किया जाता है।
• कार्नो साइकल की कुशलता निम्नलिखित से दी जाती है:

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

जहां:

• $T_H$ है हाई-तापमान संग्रहधारी का तापमान
• $T_L$ है निम्न-तापमान संग्रहधारी का तापमान

2. ओटो साइकल

• ओटो साइकल गैसोलीन इंजन का एक मॉडल है।

  • इसमें चार प्रक्रियाएं होती हैं:
    • अद्यापकीय संपीड़न: हवा-ईंधन मिश्रण को संकुचित किया जाता है।
    • आइसोकोरिक दहन: हवा-ईंधन मिश्रण को उज्ज्वलित किया जाता है, जिससे तापमान और दबाव बढ़ता है।
    • अद्यापकीय विस्तार: गर्म गैसें फैलाकर पिस्तन को चालित करती हैं।
    • आइसोकोरिक ऊष्मा अनुप्रयोग: निकास गैसों को शीतलित किया जाता है, जिससे दबाव और तापमान कम होते हैं।

• ओटो साइकल की कुशलता निम्नलिखित से दी जाती है:

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

जहां:

• $r$ संकुचन अनुपात है -$k$ हवा-ईंधन मिश्रण की विशेष ऊष्मा अनुपात है

3. डीजल साइकल

• डीजल साइकल डीजल इंजन का एक मॉडल है।

  • इसमें चार प्रक्रियाएं होती हैं:
    • अद्यापकीय संपीड़न: हवा को संकुचित किया जाता है।
    • समस्त ऊष्मा संग्रहधारी: एयर में ईंधन डाला जाता है, जिससे तापमान और दबाव बढ़ता है।
    • अद्यापकीय विस्तार: गर्म गैसें फैलाकर पिस्तन को चालित करती हैं।
    • समस्त ऊष्मा अनुप्रयोग: निकास गैसों को शीतलित किया जाता है, जिससे दबाव और तापमान कम होते हैं।

• डीजल साइकल की कुशलता निम्नलिखित से दी जाती है:

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

जहां:

• $r$ संकुचन अनुपात है
• $k$ वायु की विशेष ऊष्मा अनुपात है
• $V_3$ संकुचन स्ट्रोक के अंत में वाल्यू है
• $V_4$ विस्तार स्ट्रोक के अंत में वाल्यू है

4. रेफ्रिजरेटर साइकल

रेफ्रिजरेटर्स वस्तुओं को ठंडा करने के लिए संकुचन और विस्तार की साइकल का उपयोग करते हैं।

• सबसे सामान्य प्रकार की रेफ्रिजरेटर साइकल वाष्पीभूत संकुचन साइकल होती है।
• इसमें चार प्रक्रियाएं होती हैं:
  • आइसोथर्मल संकुचन: रेफ्रिजरेंट गैस को एक कंप्रेसर द्वारा संकुचित किया जाता है।
  • अद्यापकीय संकुचन: गर्म रेफ्रिजरेंट गैस को उसे कंडेंसर के माध्यम से ठंडा किया जाता है।
  • आइसोथर्मल विस्तार: रेफ्रिजरेंट गैस एक विस्तार क्षेत्र से फैलता है।
  • अद्यापकीय विस्तार: शीतल रेफ्रिजरेंट गैस अपघट्तन से निकलता है, जिससे रेफ्रिजरेटर के अंदर से ऊष्मा का अवशोषण होता है।

5. ऊष्मा पंप साइकल

उस्तनों को गर्म करने के लिए हीट पंप का उपयोग किया जाता है। हीट पंप का सबसे सामान्य प्रकार वेपर-संपीड़न चक्र होता है। यह चार प्रक्रियाओं से मिलकर बना होता है:

• इसोथर्मल संपीड़न: रेफ्रिजरेंट गैस को कंप्रेसर द्वारा संपीड़ित किया जाता है।
• एडियाबैटिक संपीड़न: गर्म रेफ्रिजरेंट गैस, उसे कंडेन्सर में जाकर ठंडा किया जाता है।
• इसोथर्मल विस्तार: रेफ्रिजरेंट गैस विस्तार वाल्व से विस्तृत होता है।
• एडियाबैटिक विस्तार: शीत रेफ्रिजरेंट गैस वाष्पीकरण होता है, जिसमें शीत वायु या पृथ्वी के बाहरी हवा से ऊष्मा शोषित की जाती है।

6. एंट्रोपी

• एंट्रोपी एक प्रणाली की अव्यवस्था का माप है।
• थर्मोडायनामिक में, एंट्रोपी को ऊष्मा ऊर्जा के बदले में तापमान से भाग किया जाता है:

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

जहां:

• $S$ एंट्रोपी है
• $Q$ संक्रमित की गई ऊष्मा ऊर्जा है
• $T$ तापमान है

7. थर्मोडायनामिक का द्वितीय नियम

• थर्मोडायनामिक का द्वितीय नियम कहता है कि एक संगत प्रणाली की एंट्रोपी समय के साथ हमेशा बढ़ती है।
• इस नियम का उच्चतम उपयोग गर्म उद्योगों और रेफ्रिजरेटरों के प्रदर्शन पर पड़ता है:
  • गर्म इंजन की प्रदर्शन क्षमता 100% नहीं हो सकती है।
  • रेफ्रिजरेटर की प्रदर्शन क्षमता अनंत नहीं हो सकती है।

संदर्भ:

• NCERT भौतिकी कक्षा 11, अध्याय 12: थर्मोडायनामिक्स
• NCERT भौतिकी कक्षा 12, अध्याय 6: प्रकाश और वस्तु की द्विधा
• NCERT भौतिकी कक्षा 12, अध्याय 7: प्रतिछेदी धारा