கலோரிமெட்ரி கலந்துரையாடல் கேள்விகளுக்கான எடுத்துக்காட்டு
இயற்பியலில், கலோரிமெட்ரி என்பது வேதி வினைகள் அல்லது இயற்பியல் மாற்றங்களில் ஏற்படும் வெப்பத்தை அளவிடுவதைப் பற்றி ஆய்வு செய்யும் ஒரு அறிவியல் பிரிவாகும். வெப்பத்தின் அளவை அளவிடப் பயன்படும் கருவி கலோரிமீட்டர் என்று அழைக்கப்படுகிறது. வெப்ப ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்கள் கவனிக்கப்பட்டு அளவிடப்படும் வெப்ப இயக்கவியல் மற்றும் இயற்பியல் வேதியியல் போன்ற துறைகளில், கலோரிமெட்ரி ஒரு முக்கியப் பங்கு வகிக்கிறது.
கலோரி அளவீட்டின் அடிப்படைக் கோட்பாடுகள்
கலோரி அளவியலின் அடிப்படைக் கொள்கையானது ஆற்றல் பாதுகாப்பு விதியை அடிப்படையாகக் கொண்டது. அதாவது, ஆற்றலை ஆக்கவும் முடியாது, அழிக்கவும் முடியாது, ஆனால் அதை ஒரு ஆற்றல் வடிவத்திலிருந்து மற்றொரு வடிவத்திற்கு மாற்ற மட்டுமே முடியும். கலோரி அளவியலைப் பொறுத்தவரை, அமைப்பால் இழக்கப்படும் வெப்ப ஆற்றலானது, சுற்றுச்சூழலால் உறிஞ்சப்படும் வெப்ப ஆற்றலுக்குச் சமமாக இருக்க வேண்டும். கலோரி அளவியல் சோதனைகளில் முக்கியக் கருவியாகப் பொதுவாக ஒரு கலோரிமீட்டர் பயன்படுத்தப்படுகிறது. அது ஒரு எளிய கலோரிமீட்டராக, அதாவது நீர் கலோரிமீட்டராகவோ, அல்லது வெடிகுண்டு கலோரிமீட்டர் போன்ற மிகவும் சிக்கலான கலோரிமீட்டராகவோ இருக்கலாம்.
அடிப்படை கலோரி அளவீட்டு சூத்திரங்கள்
கலோரி அளவியலின் அடிப்படை சூத்திரம்:
\[ Q = m \cdot c \cdot \Delta T \]
எங்கே:
– \( Q \) என்பது வெப்பத்தின் அளவு (ஜூல் அல்லது கலோரிகளில்)
– \( m \) என்பது பொருளின் நிறை (கிராம் அல்லது கிலோகிராமில்) ஆகும்.
– \( c \) என்பது பொருளின் தன்வெப்பம் (J/(g°C) அல்லது cal/(g°C) அலகில்).
– \( \Delta T \) என்பது வெப்பநிலையில் ஏற்படும் மாற்றம் (டிகிரி செல்சியஸில்)
கலோரிமெட்ரியின் கருத்து மற்றும் பயன்பாட்டை நன்கு புரிந்துகொள்ள, சில எடுத்துக்காட்டுக் கேள்விகளையும் கலந்துரையாடல்களையும் பார்ப்போம்.
மாதிரி கேள்விகள் மற்றும் கலந்துரையாடல் 1
கேள்வி:
200 கிராம் எடையுள்ள ஒரு உலோகத் துண்டு 100°C வெப்பநிலைக்குச் சூடுபடுத்தப்பட்டு, பின்னர் 20°C வெப்பநிலையில் உள்ள 100 கிராம் நீரில் அமிழ்த்தப்படுகிறது. கலவையின் இறுதி வெப்பநிலை 27°C ஆகும். அந்த உலோகத்தின் தன்வெப்பத்தைக் கண்டறியவும்! (நீரின் தன்வெப்பம் = 4,18 J/(g°C))
கலந்துரையாடல்:
முதல் படி, நீரினால் உறிஞ்சப்பட்ட வெப்பத்தைக் கணக்கிடுவது. அடிப்படை சூத்திரத்தைப் பயன்படுத்தி:
\[ Q_{\text{air}} = m_{\text{air}} \cdot c_{\text{air}} \cdot \Delta T_{\text{air}} \]
\( m_{\text{air}} = 100 \) கிராம், \( c_{\text{air}} = 4.18 \) J/(g°C), மற்றும் \( \Delta T_{\text{air}} = 27°C – 20°C = 7°C \) உடன்,
\[ Q_{\text{air}} = 100 \times 4.18 \times 7 = 2926 \text{ J} \]
உலோகத்தால் வெளியிடப்படும் வெப்பம், நீரினால் உறிஞ்சப்படும் வெப்பத்திற்குச் சமம், எனவே:
\[ Q_{\text{metal}} = 2926 \text{ J} \]
வெப்ப சூத்திரத்தைப் பயன்படுத்தி:
\[ m_{\text{metal}} \cdot c_{\text{metal}} \cdot \Delta T_{\text{metal}} = Q_{\text{metal}} \]
\( m_{\text{metal}} = 200 \) கிராம், \(\Delta T_{\text{metal}} = 100°C – 27°C = 73°C \),
\[ 200 \cdot c_{\text{metal}} \cdot 73 = 2926 \text{ J} \]
\[ c_{\text{metal}} = \frac{2926}{200 \times 73} \]
\[ c_{\text{metal}} = 0.2 \text{ J/(g°C)} \]
எனவே, உலோகத்தின் தன்வெப்பம் 0.2 J/(g°C) ஆகும்.
மாதிரி கேள்விகள் மற்றும் கலந்துரையாடல் 2
கேள்வி:
0°C வெப்பநிலையில் உள்ள 50 கிராம் நிறையுள்ள ஒரு பனிக்கட்டி, 30°C வெப்பநிலையில் உள்ள 200 கிராம் நீரில் ஒரு கலோரிமீட்டரில் வைக்கப்படுகிறது. வெப்பச் சமநிலையை அடைந்த பிறகு கலவையின் இறுதி வெப்பநிலையைக் கண்டறியவும்! (பனிக்கட்டியின் உருகு வெப்பம் = 334 J/g, நீரின் தன்வெப்பம் = 4,18 J/g°C)
கலந்துரையாடல்:
பனியை உருக்குவதற்குத் தேவைப்படும் வெப்பத்தைக் கணக்கிடுவதே முதல் படியாகும்:
\[ Q_{\text{melt}} = m_{\text{es}} \cdot L \]
\( m_{\text{es}} = 50 \) கிராம் மற்றும் \( L = 334 \) J/g உடன்,
\[ Q_{\text{உருகுதல்}} = 50 \times 334 = 16700 \text{ J} \]
அடுத்து, இறுதி வெப்பநிலை \( T \) ஐ அடைய பனிக்கட்டி உருகிய பிறகு அது உறிஞ்சிய வெப்பத்தைக் கண்டறியவும் (T என்பது கலவையின் இறுதி வெப்பநிலை எனக் கருதி):
\[ Q_{\text{ice water}} = m_{\text{es}} \cdot c_{\text{air}} \cdot (T – 0°C) \]
\( c_{\text{air}} = 4.18 \text{ J/g°C} \) உடன்,
\[ Q_{\text{நீர் பனிக்கட்டி}} = 50 \times 4.18 \times T \]
குளிர்ந்த நீரால் வெளியிடப்படும் வெப்பம் (30°C முதல் T வரை):
\[ Q_{\text{air}} = m_{\text{air}} \cdot c_{\text{air}} \cdot (30°C – T) \]
\( m_{\text{air}} = 200 \) கிராம் உடன்,
\[ Q_{\text{air}} = 200 \times 4.18 \times (30 – T) \]
வெப்பச் சமநிலையில், பனிக்கட்டியால் (உருகி T வெப்பநிலையை அடைய) உறிஞ்சப்படும் வெப்பத்தின் அளவு, நீரினால் வெளியிடப்படும் வெப்பத்தின் அளவிற்குச் சமமாக இருக்கும்:
\[ Q_{\text{உருகல்}} + Q_{\text{பனிக்கட்டி நீர்}} = Q_{\text{நீர்}} \]
\[ 16700 + 50 \times 4.18 \times T = 200 \times 4.18 \times (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 8360 \times (30 – T) \]
\[ 16700 + 209T = 250800 – 8360T \]
\[ 8569T = 234100 \]
\[ T = \frac{234100}{8569} \approx 27.3°C \]
எனவே, வெப்பச் சமநிலையை அடைந்த பிறகு கலவையின் இறுதி வெப்பநிலை சுமார் 27.3°C ஆகும்.
முடிவுரை
கலோரிமெட்ரி என்பது இயற்பியல் அல்லது வேதியியல் செயல்முறையில் உள்ள வெப்ப ஆற்றலின் அளவைத் தீர்மானிக்கப் பயன்படும் இயற்பியல் மற்றும் வேதியியலில் உள்ள ஒரு முக்கியமான நுட்பமாகும். கலோரிமெட்ரியின் அடிப்படைக் கோட்பாடுகள் மற்றும் சூத்திரங்களைப் பயன்படுத்தி, ஒரு பொருளின் தன்வெப்பம், வெப்பநிலையில் ஏற்படும் மாற்றம், அல்லது ஒரு செயல்முறையில் உறிஞ்சப்படும்/வெளியிடப்படும் ஆற்றல் போன்ற பல்வேறு அளவுருக்களை நம்மால் கணக்கிட முடியும். இந்தக் கட்டுரையில், கலோரிமெட்ரியைப் புரிந்துகொள்ளும் நோக்கில் எடுத்துக்காட்டுக் கணக்குகளையும் அவற்றின் தீர்வுகளையும் நாம் பார்த்துள்ளோம். பல்வேறு வெப்ப இயக்கவியல் கணக்குகளையும் பிற நடைமுறைப் பயன்பாடுகளையும் தீர்ப்பதற்கு இந்தக் கருத்துகளைப் பற்றிய நல்ல புரிதல் அவசியமாகும்.
