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

व्याख्या:

प्रणोदित संवहन

• प्रणोदित संवहन ऊष्मा स्थानांतरण का एक तंत्र है जिसमें एक द्रव (जैसे हवा, पानी, या कोई अन्य तरल या गैस) को किसी सतह पर या किसी चैनल के माध्यम से बाहरी उपकरण, जैसे पंखे, पंप या ब्लोअर द्वारा प्रवाहित करने के लिए मजबूर किया जाता है। बाहरी उपकरण द्रव में गति उत्पन्न करता है, सतह और द्रव के बीच ऊष्मा के स्थानांतरण की सुविधा प्रदान करता है। बड़ी सतहों या आयतनों पर ऊष्मा को स्थानांतरित करने में इसकी दक्षता के कारण प्रणोदित संवहन का व्यापक रूप से विभिन्न औद्योगिक और इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है।
• प्रणोदित संवहन में, ऊष्मा स्थानांतरण की दर प्राकृतिक संवहन की तुलना में काफी अधिक होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि बाहरी बल द्रव के वेग को बढ़ाता है, तापीय सीमा परत मोटाई को कम करता है और ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक को बढ़ाता है।
• प्रणोदित संवहन में, ऊष्मा स्थानांतरण प्रक्रिया को बढ़ाने के लिए एक बाहरी उपकरण (जैसे पंखा, पंप या ब्लोअर) का उपयोग द्रव में गति को प्रेरित करने के लिए किया जाता है। बाहरी बल द्रव के प्रतिरोध पर काबू पा लेता है, एक नियंत्रित और कुशल ऊष्मा स्थानांतरण तंत्र सुनिश्चित करता है। यह प्रणोदित संवहन को प्राकृतिक संवहन से अलग करता है, जहाँ द्रव गति प्राकृतिक उत्प्लावन बलों द्वारा संचालित होती है। प्रणोदित संवहन में ऊष्मा स्थानांतरण न्यूटन के शीतलन के नियम का पालन करता है, जो कहता है:

Q = h × A × ΔT

जहाँ:

• Q = ऊष्मा स्थानांतरण की दर (W)
• h = संवहनी ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक (W/m²·K)
• A = ऊष्मा स्थानांतरण का सतह क्षेत्र (m²)
• ΔT = सतह और द्रव के बीच तापमान अंतर (K)

प्रणोदित संवहन के उदाहरण:

• वायु कंडीशनिंग सिस्टम: हवा को प्रसारित करने के लिए पंखों का उपयोग किया जाता है, जिससे हवा और शीतलन/हीटिंग कॉइल के बीच ऊष्मा का स्थानांतरण बेहतर होता है।
• कार रेडिएटर: एक पंप इंजन और रेडिएटर के माध्यम से शीतलक को प्रसारित करता है, जबकि एक पंखा रेडिएटर से आसपास की हवा में ऊष्मा को फैलाने में मदद करता है।
• ऊष्मा विनिमायक: द्रवों को ऊष्मा विनिमायक के माध्यम से स्थानांतरित करने के लिए पंप और ब्लोअर का उपयोग किया जाता है, जिससे द्रवों के बीच ऊष्मा का स्थानांतरण बढ़ जाता है।
• इलेक्ट्रॉनिक्स कूलिंग: हीट सिंक या सर्किट बोर्ड पर हवा को मजबूर करके इलेक्ट्रॉनिक घटकों को ठंडा करने के लिए पंखों का उपयोग किया जाता है।

व्याख्या:

स्टीफन-बोल्ट्जमान नियम

• स्टीफन-बोल्ट्जमान नियम ऊष्मीय विकिरण में एक मौलिक सिद्धांत है, जो बताता है कि एक कृष्णिका के प्रति इकाई सतह क्षेत्र द्वारा विकीर्ण कुल ऊर्जा उसके निरपेक्ष तापमान की चौथी घात के समानुपाती होती है। गणितीय रूप से, स्टीफन-बोल्ट्जमान नियम को इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

E = σ × T⁴

जहाँ:

• E: प्रति इकाई सतह क्षेत्र द्वारा विकीर्ण कुल ऊर्जा (W/m²)
• σ: स्टीफन-बोल्ट्जमान स्थिरांक (5.67 × 10^-8 W/m²K⁴)
• T: कृष्णिका का निरपेक्ष तापमान (K)

स्टीफन-बोल्ट्जमान नियम प्लांक के नियम से व्युत्पन्न किया गया है, जो ऊष्मीय साम्यावस्था में एक कृष्णिका द्वारा उत्सर्जित विद्युत चुम्बकीय विकिरण के वर्णक्रमीय वितरण का वर्णन करता है। प्लांक के नियम को सभी तरंगदैर्ध्य पर समाकलित करके, स्टीफन-बोल्ट्जमान नियम प्राप्त किया जा सकता है। यह समाकलन प्रक्रिया प्रभावी रूप से सभी तरंगदैर्ध्य से विकिरण के योगदानों को जोड़ती है, जिससे कृष्णिका की कुल उत्सर्जन शक्ति प्राप्त होती है।

प्लांक का नियम:

• प्लांक का नियम किसी दिए गए तापमान T पर ऊष्मीय साम्यावस्था में एक कृष्णिका द्वारा उत्सर्जित विद्युत चुम्बकीय विकिरण के वर्णक्रमीय घनत्व का वर्णन करता है।
• प्लांक के नियतांक (h), प्रकाश की गति (c = λ × v), बोल्ट्जमान नियतांक (k), और निरपेक्ष तापमान (T) के संदर्भ में तरंगदैर्ध्य अंतराल λ से λ + Δλ में एक कृष्णिका की गुहा द्वारा प्रति इकाई आयतन विकीर्ण ऊर्जा Eλ के लिए प्लांक का नियम लिखा जा सकता है:

प्रति इकाई आयतन प्रति इकाई तरंगदैर्ध्य ऊर्जा:

प्रति इकाई आयतन प्रति इकाई आवृत्ति ऊर्जा:

इसलिए प्लांक का वितरण फलन:

प्लांक के नियम का उपयोग करते हुए, जब हम Ebλ को λ के साथ प्लॉट करते हैं, तो हमें नीचे दिखाए गए अनुसार वक्र प्राप्त होता है।

जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, वक्र का शिखर कम तरंगदैर्ध्य की ओर खिसक जाता है।

व्याख्या:

ऊष्मा विकिरण और इसकी क्रियाविधि

• ऊष्मा विकिरण ऊष्मा स्थानांतरण का एक तरीका है जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों के उत्सर्जन के माध्यम से होता है, मुख्य रूप से अवरक्त स्पेक्ट्रम में, लेकिन इसमें दृश्य प्रकाश और अन्य तरंग दैर्ध्य भी शामिल हो सकते हैं। ऊर्जा स्थानांतरण के इस रूप को किसी माध्यम की आवश्यकता नहीं होती है, जिसका अर्थ है कि यह निर्वात में भी हो सकता है। ऊर्जा उनके अणुओं और परमाणुओं के तापीय कंपनों के कारण, पूर्ण शून्य से ऊपर तापमान वाले सभी पिंडों द्वारा उत्सर्जित की जाती है। विकिरण की मात्रा और प्रकृति निकाय के तापमान और सतह के गुणों पर निर्भर करती है।

ऊष्मा स्थानांतरण तंत्र के रूप में विकिरण स्टीफन-बोल्ट्जमान के नियम द्वारा नियंत्रित होता है, जो कहता है:

Q = σ × A × T⁴

जहाँ:

• Q = विकिरण के माध्यम से ऊष्मा स्थानांतरण (W)
• σ = स्टीफन-बोल्ट्जमान स्थिरांक (5.67 × 10⁻⁸ W/m²K⁴)
• A = निकाय का सतह क्षेत्रफल (m²)
• T = निकाय का निरपेक्ष तापमान (K)

ऊष्मा विकिरण की विशेषता निम्नलिखित है:

• विद्युत चुम्बकीय तरंगें: यह प्राथमिक तंत्र है जिसके द्वारा ऊष्मा विकिरण होता है। ये तरंगें निर्वात से होकर यात्रा कर सकती हैं, जिससे विकिरण बाहरी अंतरिक्ष में ऊष्मा स्थानांतरण का प्रमुख रूप बन जाता है।
• उत्सर्जन क्षमता: ऊष्मा विकिरण के रूप में ऊर्जा उत्सर्जित करने की किसी पदार्थ की क्षमता उसकी उत्सर्जन क्षमता द्वारा निर्धारित की जाती है, जो 0 (पूर्ण परावर्तक) से 1 (पूर्ण उत्सर्जक या कृष्णिका) तक होती है।
• तापमान निर्भरता: उत्सर्जित विकिरण की तीव्रता और तरंग दैर्ध्य वितरण वस्तु के तापमान पर निर्भर करता है।

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

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.

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.

where, δ is hydrodynamic boundary layer thickness and δ_T is thermal boundary layer thickness.

Calculation:

Given:

Pr = 0.7 

from, =  

thus, δ T .

When              P_r T > δ 

                        P_r  > 1               δT                          P_r  = 1               δ_t = δ

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

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।

• दो प्रणालियों के बीच ताप के स्थानांतरण के तीन तरीके हैं। वे चालन, संवहन और विकिरण हैं।
• चालन, गर्मी में ताप के स्थानांतरण की एक विधि है और कणों की गति के बिना ताप स्थानांतरित होती है।
• संवहन तरल पदार्थ (गैसों और तरल) में ताप के स्थानांतरण की एक विधि है और कणों की गति के कारण ताप स्थानांतरित होती है।
• विकिरण ताप के स्थानांतरण की एक विधि है जहाँ ताप के स्थानांतरण के माध्यम को प्रभावित किए बिना ताप एक स्थान से दूसरे स्थान तक स्थानांतरित की जाती है।

एक वाष्प बॉयलर को दहन की प्रक्रिया से मुक्त ताप की अधिकतम मात्रा को अवशोषित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। वाष्प बॉयलर के भीतर ताप स्थानांतरण तीन तरीकों से किया जाता है: विकिरण, संवहन, और चालन। फर्नेस क्षेत्र में तापन सतह मुख्य रूप से विकिरण द्वारा गर्मी प्राप्त करती है। वाष्प बॉयलर में शेष तापन सतह गर्म फ़्लू गैसों से संवहन द्वारा गर्मी प्राप्त करती है। तापन सतह से प्राप्त गर्मी धातु के माध्यम से चालन द्वारा चालित होती है। ताप को धातु से संवहन द्वारा पानी में स्थानांतरित कर दिया जाता है।

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)

विद्युतीय समानता  के साथ तुलना करने पर 

हमें  के रूप में तापीय प्रतिरोध प्राप्त होगा।