उष्णता स्वाध्याय इयत्ता दहावी विज्ञान आणि तंत्रज्ञान भाग 1
1. खालील रिकाम्या जागी योग्य शब्द लिहून वाक्य पुन्हा लिहा.
अ. हवेतील पाण्याचे प्रमाण ज्या राशीच्या साहाय्याने मोजले जाते तिला ……………….. म्हणतात.
उत्तर :
हवेतील पाण्याचे प्रमाण ज्या राशीच्या साहाय्याने मोजले जाते तिला निरपेक्ष आर्द्रता म्हणतात.
आ. समान वस्तुमान असलेल्या वेगवेगळ्या पदार्थांस समान उष्णता दिली असता त्यांचे वाढणारे तापमान त्यांच्या ………………. गुणधर्मामुळे समान नसते.
उत्तर :
समान वस्तुमान असलेल्या वेगवेगळ्या पदार्थांस समान उष्णता दिली असता त्यांचे वाढणारे तापमान त्यांच्या विशिष्ट उष्माधारकता गुणधर्मामुळे समान नसते.
इ. पदार्थाचे द्रवातून स्थायूत रुपांतर होत असताना पदार्थातील अप्रकट उष्मा ………………
उत्तर :
पदार्थाचे द्रवातून स्थायूत रुपांतर होत असताना पदार्थातील अप्रकट उष्मा गोठणाचा अप्रकट उष्मा.
2. खालील आलेखाचे निरीक्षण करा. पाण्याचे तापमान 0°C पासून वाढवत नेल्यास त्याच्या आकारमानात होणारा बदल विचारात घेऊन पाणी व इतर पदार्थ यांच्या आचरणात नक्की काय फरक आहे ते स्पष्ट करा. पाण्याच्या या प्रकारच्या आचरणास काय म्हणतात ?
उत्तर :
पाण्याचे तापमान 0°C पासून 4°C वाढवत नेल्यास, 4°C पर्यंत त्याचे आकारमान कमी होत जाते व 4°C ला ते कमीत कमी असते. त्यानंतर त्याचे आकारमान वाढत जाते. सर्वसाधारणपणे इतर पदार्थांच्या बाबतीत मात्र तापमान वाढवत गेल्यास आकारमान सतत वाढतच जाते. या फरकामुळे 0°C ते 4°C या तापमानादरम्यानच्या पाण्याच्या आचरणास पाण्याचे असंगत आचरण म्हणतात.
3. विशिष्ट उष्माधारकता म्हणजे काय ? प्रत्येक पदार्थाची विशिष्ट उष्माधारकता वेगवेगळी असते हे प्रयोगाच्या साहाय्याने कसे सिद्ध कराल ?
उत्तर :
एकक वस्तुमानाच्या पदार्थाचे तापमान 1°C ने वाढवण्यासाठी लागणारी उष्णता म्हणजे त्या पदार्थाची विशिष्ट उष्माधारकता होय.
प्रयोग
साहित्य : मेणाचा जाड थर असलेला ट्रे, लोखंड, तांबे व शिसे यांचे समान वस्तुमानांचे भरीव गोळे, बर्नर अथवा स्पिरीटचा दिवा, मोठे चंचुपात्र इत्यादी.
i) समान वस्तुमान असलेले लोखंड, तांबे व शिसे यांचे भरीव गोळे घ्या.
ii) तीनही गोळे उकळत्या पाण्यात काही काळ ठेवा.
iii) काही वेळानंतर त्यांना उकळत्या पाण्यातून बाहेर काढा. तीनही गोळ्यांचे तापमान उकळत्या पाण्याच्या तापमानाएवढे, म्हणजेच 100°C एवढे असेल. त्यांना लगेच मेणाच्या जाड थरावर ठेवा.
iv) प्रत्येक गोळा मेणामध्ये किती खोलीपर्यंत गेला ? नोंद करा.
जो गोळा जास्त उष्णता शोषून घेईल तो गोळा मेणालाही जास्त उष्णता देईल त्यामुळे मेण जास्त प्रमाणात वितळेल व गोळा मेणामध्ये खोलवर जाईल.
वरील कृतीत लोखंडाचा गोळा मेणामध्ये जास्त खोलवर जातो. शिशाचा गोळा मेणामध्ये सर्वांत कमी खोल जातो. तांब्याचा गोळा दोहोंच्यादरम्यान त्या मेणामध्ये बुडालेला दिसतो. यावरून असे दिसून येते की, तापमान सारख्या प्रमाणात वाढण्यासाठी तीनही गोळ्यांनी उकळत्या पाण्यापासून शोषलेली उष्णता ही भिन्न आहे. म्हणजेच उष्णता शोधून घेण्याचा प्रत्येक गोळ्याचा गुणधर्म वेगळा आहे.
यावरून लोखंड, तांबे व शिसे यांची विशिष्ट उष्माधारकता वेगवेगळी आहे, हे सिद्ध होते. लोखंड, तांबे व शिसे याऐवजी इतर पदार्थ घेतल्यासही त्यांची विशिष्ट उष्माधारकता वेगवेगळी असते असे दिसून येते.
4. उष्णतेचे एकक ठरवताना कोणता तापमान खंड निवडतात ? का ?
उत्तर :
एका किलोग्राम पाण्याचे तापमान 14.5°C ते 15.5°C तापमानापेक्षा वेगळ्या तापमानास तापवले, तर 1°C तापमान वाढवण्यासाठी द्यावी लागणारी उष्णता 1 किलोकॅलरीपेक्षा थोडी भिन्न राहील. म्हणून उष्मा एकक, म्हणजेच उष्णतेचे एकक ठरवताना आपण 14.5°C ते 15.5°C हाच विशिष्ट तापमान खंड निवडतो.
5. खालील तापमान-काल आलेख स्पष्ट करा.
उत्तर :
i) बर्फ व पाणी या मिश्रणास सतत उष्णता दिल्यास काय होते हे दिलेल्या तापमान-काल आलेखात दाखवले आहे.
ii) या आलेखात रेख AB हा 0°C या स्थिर तापमानाला बर्फाचे पाण्यात रुपांतर होण्याची क्रिया दर्शवतो.
iii) हा बदल होत असताना बर्फ उष्णतेचे शोषण करतो. मात्र यादरम्यान मिश्रणाचे तापमान 0°C असे स्थिर राहते. हे तापमान म्हणजे बर्फाचा द्रवणांक होय.
iv) बर्फाचे पाण्यामध्ये पूर्ण रूपांतर झाल्यानंतर पाण्याचे तापमान वाढू लागते. रेख BC हा पाण्याच्या तापमानातील 0°C ते 100°C अशी वाढ दर्शवितो.
v) यानंतर उष्णता देऊनही पाण्याचे तापमान वाढत नाही. मात्र पाण्याचे रुपांतर वाफेत होऊ लागते.
vi) सर्व पाण्याचे वाफेत रुपांतर होत असताना उष्णता ग्रहण केली जाते, पण तापमान 100°C असे स्थिर राहते. हे तापमान म्हणजे पाण्याचा उत्कल नांक होय.
6. स्पष्टीकरण लिहा.
अ. थंड प्रदेशात जलीय वनस्पती व जलचर यांना जिवंत ठेवण्यात पाण्याच्या असंगत आचरणाची भूमिका स्पष्ट करा.
उत्तर :
i) पाणी थंड झाल्यावर आकुंचन पावते. त्यामुळे पाण्याची घनता वाढते आणि ते खाली जाते. त्याची जागा खालचे उबदार पाणी वर येऊन घेते.
ii) तलावाच्या तळातील पाण्याचे तापमान 4°C होईपर्यंत ही प्रक्रिया सुरू राहते.
iii) पाण्याचे तापमान आणखी कमी झाल्यास पाण्याच्या पृष्ठभागावर बर्फ तयार होऊन त्याखालील उबदार पाणी तसेच राहते.
iv) बर्फ उष्णतेचा वाहक नसल्यामुळे बर्फाच्या पृष्ठभागाखालील पाण्यावर बाहेरच्या थंडीचा फारसा परिणाम होत नाही.
v) त्यामुळे, बर्फाच्या पृष्ठभागाखालील पाण्याचे तापमान 4°C ला स्थिर राहते.
परिणामी, थंड प्रदेशात पाण्याच्या असंगत आचरणामुळे जलीय वनस्पती व जलचर जिवंत राहू शकतात.
आ. शीतपेयाची बाटली फ्रीजमधून काढून ठेवल्यास बाटलीच्या बाह्य पृष्ठभागावर पाण्याचे थेंब जमा झालेले दिसतात. याचे स्पष्टीकरण दवबिंदूच्या साहाय्याने करा.
उत्तर :
i) थंड हवेची बाष्प धारण करण्याची क्षमता कमी असते.
ii) शीतपेयाची बाटली फ्रीजमधून बाहेर काढून ठेवल्यास बाटलीच्या भोवतीची हवा थंड होते.
iii) परिणामी बाटली भोवतीच्या हवेची बाष्प धारण करण्याची क्षमता कमी होते. त्यामुळे त्या हवेतील अतिरिक्त बाष्पाचे संगणन होऊन बाटलीच्या बाह्य पृष्ठभागावर पाण्याचे थेंब जमा झालेले दिसतात.
इ. ‘पाण्याच्या असंगत आचरणामुळे खडक फुटून त्याचे तुकडे होतात’ हे वाक्य स्पष्ट करा.
उत्तर :
i) पाण्याच्या असंगत आचरणामुळे, पाण्याचे तापमान 4°C पासून 0°C पर्यंत कमी होत असताना पाण्याचे आकारमान सतत वाढत राहते.
ii) अशा परिस्थितीत, खडकाच्या भेगांमधील पाणी आकुंचन पावण्याऐवजी प्रसरण पावते.
iii) त्यामुळे, खडकाच्या भेगांमधील पाण्याने निर्माण केलेल्या दाबामुळे खडक फुटून त्यांचे तुकडे होतात.
7. खालील प्रश्नांची उत्तरे लिहा.
अ. अप्रकट उष्मा म्हणजे काय ? पदार्थातील अप्रकट उष्मा पदार्थातून बाहेर टाकला गेल्यास पदार्थाच्या अवस्था कशा बदलतील ?
उत्तर :
i) स्थिर तापमानाला पदार्थाचे एका अवस्थेतून दुसऱ्या अवस्थेत रुपांतर होण्यासाठी आवश्यक असलेल्या उष्णता ऊर्जेस अप्रकट उष्मा असे म्हणतात.
ii) जेव्हा अप्रकट उष्मा बाहेर टाकला जातो, तेव्हा पदार्थाच्या अणूंमधील किंवा रेणूंमधील बंध मजबूत होतात, त्यामुळे पदार्थाचे एका अवस्थेतून दुसऱ्या अवस्थेत म्हणजेच वायू अवस्थेतून द्रव अवस्थेत किंवा द्रव अवस्थेतून स्थायू अवस्थेत रुपांतर होते.
आ. पदार्थाच्या विशिष्ट उष्माधारकतेच्या मापनासाठी कोणत्या तत्त्वाचा वापर करतात ?
उत्तर :
पदार्थाच्या विशिष्ट उष्माधारकतेच्या मापनासाठी उष्णता विनिमयाचे तत्त्व वापरले जाते.
इ. पदार्थाच्या अवस्था बदलातील अप्रकट उष्म्याची भूमिका स्पष्ट करा.
उत्तर :
i) स्थिर तापमानाला पदार्थाचे एका अवस्थेतून दुसऱ्या अवस्थेत रुपांतर होण्यासाठी आवश्यक असलेल्या उष्णता ऊर्जेस अप्रकट उष्मा असे म्हणतात.
ii) जेव्हा पदार्थास अप्रकट उष्मा पुरवला जातो तेव्हा पदार्थाच्या अणूंमधील किंवा रेणूंमधील बंध कमकुवत होतात.
iii) जेव्हा स्थायू पदार्थास वितळणाचा अप्रकट उष्मा पुरवला जातो तेव्हा स्थायूचे द्रवात रुपांतर होते.
iv) तसेच जेव्हा द्रव पदार्थास बाष्पनाचा अप्रकट उष्मा पुरवला जातो तेव्हा द्रवाचे वायूत रुपांतर होते.
v) या उलट जेव्हा पदार्थातून अप्रकट उष्मा बाहेर टाकला जातो तेव्हा पदार्थाच्या अणू किंवा रेणूंमधील बंध मजबूत होतात.
vi) जेव्हा द्रव पदार्थातून वितळणाचा अप्रकट उष्मा बाहेर पडतो, तेव्हा द्रवाचे स्थायूत रुपांतर होते.
vii) तसेच, जेव्हा वायू पदार्थातून बाष्पनाचा अप्रकट उष्मा बाहेर पडतो तेव्हा वायूचे द्रवात रुपांतर होते.
ई. हवा संपृक्त आहे की असंपृक्त आहे हे कशाच्या आधारे व कसे ठरवाल ?
उत्तर :
i) वातावरणामध्ये असणाऱ्या बाष्पाच्या प्रमाणावरून म्हणजेच सापेक्ष आद्रतेवरून हवा संपृक्त आहे की असंपृक्त आहे हे ठरवतात.
ii) हवेची सापेक्ष आर्द्रता 100% असल्यास ती हवा बाष्पाने संपृक्त आहे असे म्हणतात.
iii) हवेची सापेक्ष आर्द्रता 100% पेक्षा कमी असल्यास ती हवा बाष्पाने असंपृक्त आहे असे म्हणतात.
iv) जेव्हा हवा बाष्पाने संपृक्त असते तेव्हा अतिरिक्त बाष्पाचे संघनन होऊन झाडाच्या पानांवर दवबिंदू तयार झालेले दिसतात.
8. खालील उताऱ्याचे वाचन करा व विचारलेल्या प्रश्नांची उत्तरे लिहा.
उष्ण व थंड वस्तूंमध्ये उष्णतेची देवाणघेवाण झाल्यास उष्ण वस्तूचे तापमान कमी होत जाते व थंड वस्तूचे तापमान वाढत जाते. जोपर्यंत दोन्ही वस्तूंचे तापमान सारखे होत नाही तोपर्यंत तापमानातील हा बदल होत राहतो. या क्रियेत गरम वस्तू उष्णता गमावते तर थंड वस्तू उष्णता ग्रहण करते. दोन्ही वस्तू फक्त एकमेकांमध्ये ऊर्जेची देवाणघेवाण करू शकतात अशा स्थितीत असल्यास म्हणजेच जर दोन्ही वस्तूंची प्रणाली (System) वातावरणापासून वेगळी केल्यास प्रणाली मधून उष्णता आतही येणार नाही किंवा बाहेरही जाणार नाही अशा स्थितीत आपणांस खालील तत्त्व मिळते.
उष्ण वस्तूने गमावलेली उष्णता = थंड वस्तूने ग्रहण केलेली उष्णता. या तत्वास उष्णता विनिमयाचे तत्त्व म्हणतात.
अ. उष्णता स्थानांतरण कोठून कोठे होते ?
उत्तर :
उष्ण वस्तूकडून थंड वस्तूकडे उष्णता स्थानांतरण होते.
आ. अशा स्थितीत आपणास उष्णतेच्या कोणत्या तत्वाचा बोध होतो ?
उत्तर :
उष्णता विनिमयाचे तत्त्व.
इ. ते तत्व थोडक्यात कसे सांगता येईल ?
उत्तर :
i) उष्णता विनिमयाचे तत्त्व : उष्णतारोधक पेटीत, उष्ण वस्तूने गमावलेली उष्णता ही थंड वस्तूने ग्रहण केलेल्या उष्णतेएवढी असते.
ii) या तत्त्वानुसार, उष्ण वस्तूने गमावलेली उष्णता = थंड वस्तूने ग्रहण केलेली उष्णता.
ई. या तत्वाचा उपयोग पदार्थाच्या कोणत्या गुणधर्माच्या मापनासाठी केला जातो ?
उत्तर :
या तत्त्वाचा उपयोग पदार्थाच्या विशिष्ट उष्माधारकेच्या मापनासाठी केला जातो.
9. उदाहरणे सोडवा.
अ. 1 g वस्तुमानाचे दोन पदार्थ अ आणि ब यांना एकसारखी उष्णता दिल्यावर अ चे तापमान 3°C ने तर ब चे तापमान 5°C ने वाढवले यावरून अ व ब पैकी कोणाची विशिष्ट उष्माधारकता जास्त आहे ? किती पटीने ?
उत्तर :
आ. बर्फ बनविण्याच्या कारखान्यात पाण्याचे तापमान कमी करून बर्फ बनविण्यासाठी द्रवरूप अमोनियाचा वापर करतात. जर 20°C तापमानाचे पाणी 0°C तापमानाच्या 2 kg बर्फात रूपांतरीत करायचे असेल तर किती ग्रॅम अमोनियाचे बाष्पन करावे लागेल ? (द्रवरूप अमोनियाच्या बाष्पनाचा अप्रकट उष्मा = 341 cal/g)
उत्तर :
इ. एका उष्णतारोधक भांड्यामध्ये 150 g वस्तुमानाचा 0°C तापमानाचा बर्फ ठेवला आहे. 100°C तापमानाची किती ग्रॅम पाण्याची वाफ त्यात मिसळावी म्हणजे 50°C तापमानाचे पाणी तयार होईल ?
(बर्फ वितळण्याचा अप्रकट उष्मा = 80 cal/g, पाण्याच्या बाष्पनाचा अप्रकट उष्मा = 540 cal/g, पाण्याची विशिष्ट उष्माधारकता = 1 cal/g)
उत्तर :
ई. एका कॅलरीमापीचे वस्तुमान 100 g असून विशिष्ट उष्माधारकता 0.1 kcal/kg °C आहे. त्यामध्ये 250 g वास्तुमानाचा, 0.4 kcal/kg °C विशिष्ट उष्माधारकतेचा, व 30°C तापमानाचा द्रव पदार्थ आहे. त्यामध्ये जर 10 g वस्तुमानाचा, 0°C तापमानाचा बर्फाचा खडा टाकला तर मिश्रणाचे तापमान किती होईल ?
उत्तर :
