धडा ५: उष्णता

नियम 1 : संगलनाची आणि बाष्पीभवनाची सुप्त उष्णता — बर्फ 0 °C ला वितळताना किंवा पाणी 100 °C ला उकळताना उष्णता शोषली जाते पण तापमान स्थिर राहते, कारण ती उष्णता कणांमधील बंध तोडण्यात खर्च होते. वितळताना शोषलेली उष्णता म्हणजे संगलनाची सुप्त उष्णता; उकळताना शोषलेली म्हणजे बाष्पीभवनाची सुप्त उष्णता.

आकृतीत : आकृतीत अवस्था बदलत असताना तापमान स्थिर राहते.

• सोपे : बर्फ आणि पाण्याचे मिश्रण बर्फ वितळत असताना, उबदार खोलीतही, 0 °C वर राहते.
• मध्यम : उघड्या भांड्यातील उकळते पाणी 100 °C वरच राहते; ज्योत वाढवली तर ते फक्त जलद उकळते, जास्त गरम होत नाही.
• परीक्षेसाठी : 100 °C ची वाफ 100 °C च्या उकळत्या पाण्यापेक्षा जास्त भाजते, कारण प्रत्येक किलो वाफेत अतिरिक्त 2256 kJ सुप्त उष्णता असते जी ती घनीभवनाच्या वेळी त्वचेला देते.

नियम 2 : विशिष्ट सुप्त उष्णता — विशिष्ट सुप्त उष्णता म्हणजे अवस्था बदलताना स्थिर तापमानाला एकक वस्तुमानाने शोषलेली उष्णता : Q = m L. पाणी व बर्फासाठी : संगलन 333 kJ/kg (80 cal/g); बाष्पीभवन 2256 kJ/kg (540 cal/g). मूल्ये वातावरणीय दाबावर अवलंबून असतात.

• सोपे : 0 °C चा 2 kg बर्फ वितळवणे : Q = 2 × 333 = 666 kJ.
• मध्यम : 100 °C च्या 50 g उकळत्या पाण्याचे वाफेत रूपांतर : Q = 50 × 540 = 27,000 cal.
• परीक्षेसाठी : 0 °C च्या 1 kg बर्फाची 100 °C ची वाफ करण्यासाठी उष्णता : वितळवणे 333 kJ + पाणी तापवणे (1 × 4.18 × 100 = 418 kJ) + बाष्पीभवन 2256 kJ = 3007 kJ.

फरक ओळखा

नियम 1 : पुनर्हिमायन — दाबामुळे बर्फाचा वितळबिंदू 0 °C पेक्षा कमी होतो, म्हणून बर्फ दाबाखाली वितळतो आणि दाब गेला की पुन्हा गोठतो. वजन लावलेली तार बर्फाच्या लादीतून तिचे दोन तुकडे न करता हळूहळू आरपार जाते. बर्फाचा गोळा बर्फ दाबून बनवतात.

आकृतीत : आकृतीत बर्फाचे पुनर्हिमायन.

• सोपे : बर्फाचा गोळा दाबला की बर्फाचा पातळ थर वितळतो आणि पुन्हा गोठून बर्फ चिकटवतो.
• मध्यम : स्केटिंग करणारा पात्याच्या दाबाने बनलेल्या पाण्याच्या पातळ थरावर घसरतो.
• परीक्षेसाठी : तारेच्या प्रयोगात तार ठोकळ्यातून जाते आणि ठोकळा तरीही एकसंध राहतो, कारण तारेच्या वरचे पाणी पुन्हा गोठते.

नियम 2 : पाण्याचे असंगत वर्तन — 0 °C ते 4 °C पर्यंत पाणी तापवल्यावर आकुंचन पावते, म्हणून 4 °C ला त्याचे आकारमान सर्वात कमी आणि घनता सर्वाधिक असते. हे होपच्या उपकरणाने (Hope's apparatus) अभ्यासता येते. यामुळे गोठलेल्या तलावाखाली जलचर जगतात. पण गोठताना पाणी प्रसरण पावते, म्हणून थंड प्रदेशांत नळ आणि खडक तडकतात.

आकृतीत : आकृतीत पाण्याचे असंगत प्रसरण.

• सोपे : 4 °C पेक्षा थंड पाणी हलके असते, म्हणून ते वर येते आणि तलावाच्या वरच्या भागात गोठते.
• मध्यम : गोठलेल्या तलावाचा तळ 4 °C च्या आसपास राहतो, जिथे पाणी सर्वात घन असते, म्हणून मासे जगतात.
• परीक्षेसाठी : फ्रीझरमध्ये ठेवलेली पाण्याने पूर्ण भरलेली काचेची बाटली तडकते, कारण बर्फ होताना पाणी सुमारे 9% प्रसरण पावते.

फरक ओळखा

नियम 1 : संतृप्त हवा आणि दवबिंदू — हवा त्या तापमानाला शक्य तेवढे कमाल बाष्प धारण करत असेल तर ती संतृप्त असते : 40 °C ला 49 g/kg आणि 20 °C ला 14.7 g/kg. थंड करताना असंतृप्त हवा ज्या तापमानाला संतृप्त होते ते दवबिंदू (dew point).

आकृतीत : आकृतीत संतृप्तता तापमानावर अवलंबून असते.

• सोपे : गरम हवा थंड हवेपेक्षा जास्त बाष्प धारण करू शकते : 40 °C ला 49 g/kg, 20 °C ला 14.7 g/kg.
• मध्यम : 40 °C ची हवा 14.7 g/kg बाष्प धरते आणि थंड केली; 20 °C ला ती संतृप्त होते, म्हणून तिचा दवबिंदू 20 °C.
• परीक्षेसाठी : थंड पाण्याच्या ग्लासाचे तापमान आजूबाजूच्या हवेच्या दवबिंदूपेक्षा कमी असेल तर त्यावर दवबिंदू जमतात; बाष्प त्यावर घनरूप होते.

नियम 2 : निरपेक्ष आणि सापेक्ष आर्द्रता — निरपेक्ष आर्द्रता = हवेच्या एकक आकारमानातील बाष्पाचे वस्तुमान (kg/m³). सापेक्ष आर्द्रता = (बाष्पाचे प्रत्यक्ष वस्तुमान ÷ त्या तापमानाला संतृप्तीसाठी लागणारे वस्तुमान) × 100. दवबिंदूला ती 100% असते. 60% पेक्षा जास्त असेल तर हवा दमट; 60% पेक्षा कमी असेल तर कोरडी वाटते.

• सोपे : 20 °C च्या हवेत 7.35 g/kg बाष्प आहे : सापेक्ष आर्द्रता = 7.35 ÷ 14.7 × 100 = 50%.
• मध्यम : 40 °C च्या हवेत 24.5 g/kg : RH = 24.5 ÷ 49 × 100 = 50% सुद्धा, जरी जास्त बाष्प असले तरी; सापेक्ष आर्द्रता तापमानावर अवलंबून असते.
• परीक्षेसाठी : 20 °C च्या खोलीतील हवेत 14.7 g/kg बाष्प आहे. तिची RH 100% आणि ती दवबिंदूला आहे, म्हणून थंड भिंतीवर पाण्याचे थेंब जमू शकतात.

फरक ओळखा

नियम 1 : उष्णतेची एकके — उष्णतेची एकके जूल (SI) आणि कॅलरी. 1 cal म्हणजे 1 g पाण्याचे तापमान 14.5 °C पासून 15.5 °C पर्यंत, म्हणजे 1 °C ने, वाढवण्यास लागणारी उष्णता. 1 kcal = 1000 cal आणि 1 cal = 4.18 J. जूल हे एकक जेम्स प्रेस्कॉट जूल यांच्या नावावरून.

• सोपे : 3 cal = 3 × 4.18 = 12.54 J.
• मध्यम : 2 kcal = 2000 cal = 2000 × 4.18 = 8360 J.
• परीक्षेसाठी : अन्न पाकिटावर 250 kcal लिहिले आहे. जूलमध्ये : 250 × 1000 × 4.18 = 10,45,000 J = 1045 kJ.

नियम 2 : Q = m c ΔT — शोषलेली किंवा सोडलेली उष्णता Q = m c ΔT. c चे SI एकक J/kg °C; CGS एकक cal/g °C. पाण्याचा c = 1.0 cal/g °C, जो जास्त आहे.

आकृतीत : आकृतीत पाणी तापवण्यासाठी लागणारी उष्णता.

• सोपे : 200 g पाणी 20 °C पासून 70 °C पर्यंत तापवा : Q = 200 × 1 × 50 = 10,000 cal.
• मध्यम : तेच जूलमध्ये : 10,000 × 4.18 = 41,800 J, किंवा 10 kcal.
• परीक्षेसाठी : 500 g तांबे (c = 0.09 cal/g °C) 50 °C ने तापवले : Q = 500 × 0.09 × 50 = 2250 cal, पाण्याला लागेल त्यापेक्षा (500 × 1 × 50 = 25,000 cal) खूप कमी.

फरक ओळखा

नियम 1 : तत्त्व आणि उष्णतामापक — विलग प्रणालीत उष्ण वस्तूने गमावलेली उष्णता थंड वस्तूने मिळवलेल्या उष्णतेइतकी असते. उष्णतामापकातील (calorimeter) मिश्रण पद्धतीत उष्ण घनाने गमावलेली उष्णता = पाण्याने मिळवलेली उष्णता + उष्णतामापकाने मिळवलेली उष्णता.

आकृतीत : आकृतीत गमावलेली उष्णता मिळवलेल्या उष्णतेइतकी असते.

• सोपे : 80 °C चे 100 g पाणी आणि 20 °C चे 100 g पाणी मिसळा : अंतिम तापमान मधले, 50 °C.
• मध्यम : 60 °C चे 200 g आणि 20 °C चे 300 g पाणी मिसळा : 200 × (60 − T) = 300 × (T − 20), म्हणून 12,000 − 200T = 300T − 6000; 18,000 = 500T; T = 36 °C.
• परीक्षेसाठी : 100 °C चा 150 g धातूचा गोळा (c = 0.2 cal/g °C) 20 °C च्या 300 g पाण्यात टाकला : 150 × 0.2 × (100 − T) = 300 × 1 × (T − 20); 3000 − 30T = 300T − 6000; 9000 = 330T; T ≈ 27.3 °C.

फरक ओळखा