उष्मा व कॅलरिमिट्री
उष्मा नेहमी जास्त गरम वस्तूकडून कमी गरम वस्तूकडे वाहते, कधीच उलट नाही, दोघे समान तापमानावर पोहोचेपर्यंत. त्याला किती ऊर्जा लागते ते तीन गोष्टींवर अवलंबूण असते: किती पदार्थ गरम करत आहात, तो कशापासून बनलेला आहे, व तापमान किती बदलायचे आहे.
सूत्र
Q = m · c · ΔT
- Q — उष्मा-ऊर्जा (J): वस्तूमध्ये उष्मा म्हणून आत नेलेली किंवा बाहेर गेलेली ऊर्जा
- m — वस्तुमान (kg): किती पदार्थ गरम केला किंवा गार केला जात आहे
- c — विशिष्ट उष्मा (J/(kg·K)): त्या पदार्थाचे एक किलोग्रॅम एका केल्व्हिनने गरम करण्यास लागणारी ऊर्जा
- ΔT — तापमान-बदल (K): अंतिम व सुरुवातीच्या तापमानातील फरक
सोडवलेले उदाहरण
2 kg पाणी 5 केल्व्हिनने गरम करण्यास किती उष्मा-ऊर्जा लागते? (पाण्याची विशिष्ट उष्मा ≈ 4000 J/(kg·K))
- m = 2 kg
- c = 4000 J/(kg·K)
- ΔT = 5 K
- Q = m · c · ΔT
- Q = 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K
Q = 40,000 J
स्वतःची चाचणी घ्या
2 kg ऐवजी आता 4 kg पाणी आहे व ते तेवढेच 5 केल्व्हिनने गरम करायचे आहे. किती उष्मा-ऊर्जा लागते?
- 40,000 J
- 160,000 J
- बरोबर उत्तर: 80,000 J
बरोबर! वस्तुमान दुप्पट म्हणजे ऊर्जा दुप्पट: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80,000 J.
पुन्हा तेच 2 kg पाणी, पण आता तापमान 5 ऐवजी 10 केल्व्हिनने वाढवायचे. किती उष्मा-ऊर्जा लागते?
- बरोबर उत्तर: 80,000 J
- 40,000 J
- 20,000 J
नेमके — तापमान-बदल दुप्पट म्हणजे ऊर्जा दुप्पट: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80,000 J.
हे कुठे दिसते
त्याच दुपारी समुद्रकिनाऱ्यावरची वाळू पाया जाळते व समुद्र गार राहतो — एक किलोग्रॅम पाणी प्रति केल्व्हिन सुमारे 4000 जूल शोषते, वाळूला लागणाऱ्या ऊर्जेपेक्षा कित्येक पट जास्त, म्हणून समुद्र संपूर्ण हंगामभर हळूहळू तापतो. गरम सूपमधला धातूचा चमचा दुसरी बाजू दाखवतो: कमी विशिष्ट उष्मा, झटपट तापमान-बदल.
सामान्य चुका
सर्वांत खोल गोंधळ म्हणजे उष्मा व तापमान एकच गोष्ट समजणे — तापमान म्हणजे रेणू सरासरीने किती जलद हालत आहेत, उष्मा म्हणजे वाहत असलेली ऊर्जा, व त्यांच्यातला देवाणघेवाणीचा दर या नियमाने सांगतो: Q = m · c · ΔT. मग प्रमाणबद्धता पहा: वस्तुमान दुप्पट केल्यावर ऊर्जा दुप्पट होते (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40,000 J हे 4 kg वर 80,000 J होते), व तापमान-बदल दुप्पट केल्यावरही तेच. वेगळे पदार्थ खरोखर वेगळे दर देतात.
कसे जोडले जाते
आदर्श वायू नियमाने सांगितले होते की वायूचे तापमान त्याचा दाब कसा ठरवते; हे म्हणजे तापमान बदलण्याची किंमतपत्रक आहे — वस्तुमान, पदार्थ व बदल, गुणून काढलेले. पुढील ऊष्मा इंजिन ती उष्मा-धार एका चक्रातून चालवून तिच्यातून कार्य काढण्याचा प्रयत्न करतात, व त्यांना त्यांनी किती उष्मा खर्च केली ते फार मोठ्या प्रमाणात माहीत असणार आहे.