ऊष्मा और अवस्था परिवर्तन – समस्याएं और समाधान

ऊष्मा और अवस्था परिवर्तन – समस्याएं और समाधान

1. ग्राफ के आधार पर, सीडी प्रक्रिया के दौरान 5 किलोग्राम पानी द्वारा अवशोषित ऊष्मा कितनी है? पानी की विशिष्ट ऊष्मा = 4,200 जूल/किलोग्राम (0 ^° C)।

ज्ञात :

द्रव्यमान (मीटर) = 5 किलोग्राम

जल की विशिष्ट ऊष्मा (c) = 4200 जूल/किलोग्राम ^(° C)

प्रारंभिक तापमान (T ₁ ) = 0 ^o C

अंतिम तापमान (T ₂ ) = 10 ^o C

तापमान में परिवर्तन (ΔT) = 10 ^° C – 0 ^° C = 10 ^° C

आवश्यकता है: ऊष्मा (Q)

समाधान:

Q = mc ΔT = (5 kg)(4200 J/kg ^o C)(10 ^o C) = (5)(4200 J)(10) = (50)(4200 J) = 210,000 जूल

^{2. यदि बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा 2100 जूल/किलोग्राम सेल्सियस} है और बर्फ के लिए संलयन ऊष्मा 336,000 जूल/किलोग्राम है, तो एसी प्रक्रिया के दौरान 20 ग्राम बर्फ द्वारा अवशोषित ऊष्मा क्या है?

ज्ञात :

बर्फ का द्रव्यमान (मील) = 200 ग्राम = 200/1000 किलोग्राम = 0.2 किलोग्राम

विशिष्ट ऊष्मा ( c) = 2100 जूल/किलोग्राम ^{सेल्सियस}

बर्फ के लिए संलयन ऊष्मा (L _F ) = 336,000 J/kg

आवश्यकता है: एयर कंडीशनिंग प्रक्रिया के दौरान बर्फ द्वारा अवशोषित ऊष्मा की।

समाधान:

प्रक्रिया AB के दौरान, बर्फ द्वारा ऊष्मा अवशोषित की जाती है जिससे उसका तापमान -10 ^° C से 0 ^° C तक बदल जाता है।

Q = mc ΔT

Q = ऊष्मा, m = बर्फ का द्रव्यमान, c = बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा, ΔT = तापमान में परिवर्तन

Q ₁ = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 जूल

बर्फ पिघलने की प्रक्रिया के दौरान, ऊष्मा अवशोषित करके सारी बर्फ को पानी में परिवर्तित किया जाता है। इस प्रक्रिया में केवल अवस्था परिवर्तन होता है, तापमान में कोई परिवर्तन नहीं होता। बर्फ और पानी का तापमान 0 ^° C ही रहता है।

प्रक्रिया BC के दौरान अवशोषित ऊष्मा:

Q ₂ = m L _F = (0.2 kg)(336,000 J/kg) = 67,200 जूल

एयर कंडीशनिंग प्रक्रिया के दौरान अवशोषित ऊष्मा:

Q = Q ₁ + Q ₂ = 4200 जूल + 67,200 जूल = 71,400 जूल

3. 2 किलोग्राम पानी को गर्म किया जाता है, और पानी के वाष्पीकरण की ऊष्मा = 2.27 x 10⁶ ^जूल /किलोग्राम, पानी की विशिष्ट ऊष्मा = 4,200 जूल/किलोग्राम ^° C और वायुमंडलीय दाब 1 atm है, तो प्रक्रिया BC के दौरान पानी द्वारा अवशोषित ऊष्मा क्या है?

ज्ञात :

द्रव्यमान (मीटर) = 2 किलोग्राम

जल के वाष्पीकरण की ऊष्मा (L _V ) = 2.27 x 10⁶ ^जूल /किलोग्राम

जल की विशिष्ट ऊष्मा (c) = 4,200 जूल/ किलोग्राम ^{सेल्सियस}

आवश्यकता है: प्रक्रिया BC के दौरान अवशोषित ऊष्मा।

समाधान:

प्रक्रिया AB में, पानी का तापमान 60 ^{डिग्री} सेल्सियस से बढ़ाकर 100 ^{डिग्री} सेल्सियस करने के लिए ऊष्मा अवशोषित की जाती है।

Q = m L _V = (2 kg)(2.27 x 10⁶ ^जूल /किग्रा) = 4.54 x 10⁶ ^जूल = 4540 x 10³ ^जूल = 4540 किलो जूल

4. नीचे दिए गए चित्र के आधार पर, यदि बर्फ का द्रव्यमान 500 ग्राम है, विशिष्ट ऊष्मा 2100 जूल/किलोग्राम ^(° C) है और बर्फ के गलने की गुप्त ऊष्मा 336,000 जूल/किलोग्राम है, तो प्रक्रिया P–Q–R में आवश्यक ऊष्मा ज्ञात कीजिए।

ज्ञात :

बर्फ का द्रव्यमान (मील) = 500 ग्राम = 500/1000 किलोग्राम = 0.5 किलोग्राम

बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा (c) = 2100 J/kg ^° C

संलयन की गुप्त ऊष्मा (L _F ) = 336,000 जूल/किलोग्राम

आवश्यकता है: गर्मी

समाधान:

प्रक्रिया PQ = बर्फ का तापमान -4 ^° C से 0 ^° C तक बढ़ाने के लिए अवशोषित ऊष्मा

प्रक्रिया QR = बर्फ को पिघलाकर पानी में बदलने के लिए बर्फ द्वारा अवशोषित ऊष्मा

प्रक्रिया के दौरान अवशोषित ऊष्मा PQ की गणना निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके की जाती है:

Q = mc ΔT

Q = ऊष्मा, m = द्रव्यमान, c = बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा, ΔT = तापमान में परिवर्तन

प्रक्रिया के दौरान बर्फ द्वारा अवशोषित ऊष्मा PQ की गणना इस समीकरण का उपयोग करके की जाती है:

क्यू = (0.5 किग्रा)(2100 जूल/किग्रा ^ओ सी)(0 ^ओ सी-(-4 ^ओ सी))

क्यू = (0.5 किग्रा)(2100 जे/किलो ^ओ सी)(0 ^ओ सी + 4 ^ओ सी)

क्यू = (0.5 किग्रा)(2100 जे/किग्रा ^ओ सी)(4 ^ओ सी)

Q = (0.5)(2100 J)(4)

Q = 4200 जूल

इस समीकरण का उपयोग करके प्रक्रिया के दौरान अवशोषित ऊष्मा QR की गणना की जाती है:

Q = m L _F

Q = (0.5 kg)(336,000 J/kg)

Q = (0.5)(336,000 जूल)

Q = 168,000 जूल

कुल ऊष्मा:

Q = 4200 जूल + 168,000 जूल

Q = 172,200 जूल

Q = 172.2 किलो जूल

क्यू = 172.2 केजे

5. 50 ग्राम द्रव्यमान वाली बर्फ को -5 ^{° C से 60 °} C पर पानी में गर्म किया जाता है । यदि बर्फ की संलयन ऊष्मा 80 कैलोरी/ग्राम है, बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा 0.5 कैलोरी/ग्राम ^° C है और पानी की विशिष्ट ऊष्मा 1 कैलोरी/ग्राम ^° C है, तो प्रक्रिया CD में आवश्यक ऊष्मा ज्ञात कीजिए।

ज्ञात :

बर्फ का द्रव्यमान = पानी का द्रव्यमान (मीट्रिक मीटर) = 50 ग्राम

बर्फ के लिए गुप्त ऊष्मा (L _F ) = 80 कैलोरी/ग्राम

बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा (c ice) = 0.5 कैलोरी/ग्राम ^o C

पानी की विशिष्ट ऊष्मा (c पानी) = 1 कैलोरी/ग्राम ^o C

आवश्यकता: प्रक्रिया सीडी में आवश्यक ऊष्मा।

समाधान:

प्रक्रिया A से B में, बर्फ का तापमान -5 ^° C से 0 ^{° C तक बढ़ाने के लिए ऊष्मा का उपयोग किया जाता है। ऊष्मा की गणना इस समीकरण का उपयोग करके की जाती है: Q = mc ΔT, जहाँ Q = ऊष्मा, m = बर्फ का द्रव्यमान, c = बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा, ΔT = -5 °} C से 0 ^° C तक तापमान में परिवर्तन ।

प्रक्रिया B से C में, बर्फ को पिघलाकर पानी बनाने के लिए ऊष्मा का उपयोग किया जाता है। इस प्रक्रिया में तापमान में कोई परिवर्तन नहीं होता है। ऊष्मा की गणना इस समीकरण का उपयोग करके की जाती है: Q = m L _F , जहाँ Q = ऊष्मा, m = बर्फ का द्रव्यमान, L _F = बर्फ के पिघलने की गुप्त ऊष्मा।

प्रक्रिया C से D में, पानी का तापमान 0 ^° C से 60 ^{° C तक बढ़ाने के लिए ऊष्मा का उपयोग किया जाता है। ऊष्मा की गणना इस समीकरण का उपयोग करके की जाती है: Q = mc ΔT, जहाँ Q = ऊष्मा, m = पानी का द्रव्यमान, c = पानी की विशिष्ट ऊष्मा, ΔT = 0 °} C से 60 ^° C तक तापमान में परिवर्तन ।

प्रक्रिया C से D तक के लिए आवश्यक ऊष्मा:

Q = mc ΔT = (50 ग्राम)(1 कैलोरी/ग्राम ^o C)(60 ^o C-0 ^o C) = (50)(1)(60) कैलोरी = 3000 कैलोरी

6. यदि बर्फ का द्रव्यमान 1 किलोग्राम है, बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा 2100 जूल/किलोग्राम ^° C है, बर्फ के लिए गुप्त ऊष्मा 336,000 जूल/किलोग्राम है और पानी की विशिष्ट ऊष्मा 4200 जूल/किलोग्राम ^° C है, तो प्रक्रिया PQR में आवश्यक ऊष्मा ज्ञात कीजिए।

ज्ञात :

बर्फ का द्रव्यमान = 1 किलोग्राम

बर्फ के गलने की गुप्त ऊष्मा (L _F ) = 336,000 जूल/किलोग्राम

बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा (c ice) = 2,100 J/kg ^o C

जल की विशिष्ट ऊष्मा (c जल) = 4,200 जूल/किलोग्राम ^° C

आवश्यकता: प्रक्रिया पीक्यूआर में आवश्यक ऊष्मा।

समाधान:

प्रक्रिया P से Q में, बर्फ का तापमान -5 ^° C से 0 ^° C तक बढ़ाने के लिए ऊष्मा का उपयोग किया जाता है। ऊष्मा की गणना इस समीकरण का उपयोग करके की जाती है: Q = mc ΔT, जहाँ Q = ऊष्मा , m = बर्फ का द्रव्यमान , c = बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा, और ΔT = तापमान में -5 ^° C से 0 ^° C तक का परिवर्तन।

प्रक्रिया P से Q तक के लिए आवश्यक ऊष्मा:

Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 जूल

प्रक्रिया Q से R में, बर्फ को पूरी तरह पिघलाकर पानी में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की गणना की जाती है। इस प्रक्रिया में तापमान अपरिवर्तित रहता है। ऊष्मा की गणना इस समीकरण का उपयोग करके की जाती है: Q = m L _F , जहाँ Q = ऊष्मा , m = बर्फ का द्रव्यमान , L _F = बर्फ के गलने की गुप्त ऊष्मा ।

प्रक्रिया Q से R में आवश्यक ऊष्मा:

क्यू = एम एल _एफ = (1)(336,000) = 336,000 जूल

कुल ऊष्मा:

10,500 + 336,000 = 346,500 जूल

1. गुप्त ऊष्मा क्या है?
   • उत्तरगुप्त ऊष्मा वह ऊष्मा ऊर्जा है जो किसी पदार्थ के तापमान में परिवर्तन किए बिना उसकी अवस्था को बदलने के लिए आवश्यक होती है। यह अवस्था परिवर्तन के दौरान अंतर-आणविक बंधों को तोड़ने या बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा को दर्शाती है।
2. अवस्था परिवर्तन के दौरान तापमान स्थिर क्यों रहता है?
   • उत्तरअवस्था परिवर्तन के दौरान, प्रदान की गई या निकाली गई सभी ऊष्मा ऊर्जा पदार्थ की अवस्था को बदलने में उपयोग होती है। इस ऊर्जा का उपयोग अंतर-आणविक बंधों को तोड़ने या बनाने में होता है, न कि पदार्थ की गतिज ऊर्जा या तापमान को बढ़ाने में।
3. संलयन की गुप्त ऊष्मा और वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा में क्या अंतर है?
   • उत्तरगलनांक की गुप्त ऊष्मा किसी पदार्थ को उसके गलनांक पर ठोस से द्रव (या इसके विपरीत) अवस्था में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा ऊर्जा को संदर्भित करती है। वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा किसी पदार्थ को उसके क्वथनांक पर द्रव से गैस (या इसके विपरीत) अवस्था में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा ऊर्जा को संदर्भित करती है।
4. तेज हवा वाले दिन स्विमिंग पूल से बाहर निकलने पर हमें ठंड क्यों लगती है, जबकि हवा का तापमान गर्म होता है?
   • उत्तरजब हमारी त्वचा से पानी वाष्पित होता है, तो यह तरल अवस्था से वाष्प अवस्था में परिवर्तित हो जाता है। इस प्रक्रिया में ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो हमारी त्वचा से ऊष्मा के रूप में ली जाती है, जिससे हमारी त्वचा ठंडी महसूस होती है।
5. 100 डिग्री सेल्सियस पर भाप, 100 डिग्री सेल्सियस पर उबलते पानी से अधिक खतरनाक क्यों होती है?
   • उत्तरभाप में उबलते पानी की तुलना में अधिक ऊर्जा होती है क्योंकि पानी से भाप में परिवर्तित होने की प्रक्रिया के दौरान यह वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा को अवशोषित कर लेती है। जब भाप त्वचा पर संघनित होती है, तो यह अतिरिक्त ऊर्जा मुक्त करती है, जिससे उबलते पानी की तुलना में अधिक गंभीर जलन होती है।
6. बर्फ में नमक मिलाने से उसका गलनांक कैसे कम हो जाता है?
   • उत्तरनमक मिलाने से बर्फ और पानी के मिश्रण के पिघलने और जमने के बीच का संतुलन बिगड़ जाता है। इससे सामान्य से कम तापमान पर अधिक बर्फ पिघलने लगती है, जिससे मिश्रण का हिमांक कम हो जाता है।
7. गर्मी के दिनों में पसीना आना शरीर को ठंडा रखने में क्यों मदद करता है?
   • उत्तरजब पसीना त्वचा से वाष्पित होता है, तो वह द्रव अवस्था से गैसीय अवस्था में परिवर्तित हो जाता है। इस वाष्पीकरण प्रक्रिया में ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो त्वचा से ली जाती है, जिससे त्वचा ठंडी हो जाती है।
8. अवस्था परिवर्तनों के संदर्भ में ऊर्ध्वपातन क्या है?
   • उत्तरऊर्ध्वपातन वह प्रक्रिया है जिसमें ठोस अवस्था से सीधे गैसीय अवस्था में परिवर्तन होता है, द्रव अवस्था से गुजरे बिना। इसका एक सामान्य उदाहरण शुष्क बर्फ (ठोस कार्बन डाइऑक्साइड) का सीधे कार्बन डाइऑक्साइड गैस में परिवर्तित होना है।
9. तापमान 0°C रहने के बावजूद बर्फ को पिघलाने के लिए ऊष्मा ऊर्जा की आवश्यकता क्यों होती है?
   • उत्तरऊष्मा ऊर्जा का उपयोग बर्फ को उसकी ठोस संरचना में बांधे रखने वाले अंतर-आणविक बंधों को तोड़ने के लिए किया जाता है। एक बार ये बंध टूट जाते हैं, तो तापमान में कोई परिवर्तन न होने के बावजूद बर्फ तरल अवस्था में परिवर्तित हो जाती है।
10. दाब किसी द्रव के क्वथनांक को कैसे प्रभावित करता है?

• उत्तरसामान्यतः, बाह्य दाब बढ़ाने से द्रव का क्वथनांक बढ़ जाता है, जबकि दाब घटाने से क्वथनांक घट जाता है। यही कारण है कि अधिक ऊंचाई पर, जहां वायुमंडलीय दाब कम होता है, पानी 100°C से कम तापमान पर उबलता है।