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एक गर्म हवा वाला गुब्बारा आपने भारयोग (payload) के साथ हवा में ऊपर उठता है। मान लीजिए कि गोलीय आकृति वाले गुब्बारे का व्यास $11.7 \,m$ है एवं गुब्बारे और भारयोग (बिना गर्म हवा भरे हुए) का कुल द्रव्यमान $210 \,kg$ है। यदि बाहर की हवा का तापमान तथा दाब क्रमशः $27^{\circ} C$ एवं $1 atm =10^5 \,N / m ^2$ है और सूखी हवा का मोलर द्रव्यमान $30 \,g$ है, तब गुव्बारे के अंदर की गर्म हवा का तापमान निम्न के निकटतम होगा (गैस स्थिरांक $R =8.31 \,J / K / mol$ )
$27^{\circ} C$
$52^{\circ} C$
$105^{\circ} C$
$171^{\circ} C$
Solution
(c)
Hot air balloon will rise in the atmosphere when upthrust of buoyant force is greater than weight of balloon and its payload.
Upthrust $=$ Weight of atmospheric air displaced by balloon
So, upthrust $\geq$ weight of balloon and its payload
$\Rightarrow$ (Volume of air displaced $\times$ density of atmospheric air $\times$ Acceleration due to gravity) $\geq$ (Volume of air of inside balloon $\times$ density of air inside balloon $x$ acceleration due to gravity) $+$ (Weight of payload of balloon)
$\Rightarrow V \cdot \rho_o \cdot g \geq V \cdot \rho_i \cdot g+210 \times g$
where $\rho_0=$ density of outside air and $\rho_i=$ density of inside air.
$\Rightarrow \quad V\left(\rho_o-\rho_i\right)=210$
$\Rightarrow \quad \rho_0-\rho_i=\frac{210 \times 3}{4 \pi r^3}\left(\because V=\frac{4}{3} \pi r^3\right)$
$\Rightarrow \frac{P M}{R T_o}-\frac{P M}{R T_i}=\frac{210 \times 3}{4 \times \pi \times\left(\frac{11.7}{2}\right)^3} \Rightarrow \frac{1}{T_o}-\frac{1}{T_i}$
$=\frac{680\times 8 \times 8.31}{4\times \pi \times(1.7)^3 \times 10^5 \times 30 \times 10^{-3}}$
$\Rightarrow \frac{T_i-T_o}{T_o T_i}=\frac{1}{1387}$
$\Rightarrow T_o T_i=1387\left(T_i-T_o\right)$
$\Rightarrow 300 T_i=1387 T_i-300 \times 1387$ (as, $T_o=27^{\circ} C =300 K$ )
So, $T_i=\frac{300 \times 1387}{1087} \approx 383\, K$
$\therefore T_i=383-273=110^{\circ} C$
So, temperature of hot air is near to $105^{\circ} C$.