ऊष्मा और ऊष्मागतिकी: नियम, गुप्त ऊष्मा और ऊष्मा संचरण

सही उत्तर B, जूल है। ऊष्मा गतिशील ऊर्जा का एक रूप है, इसलिए इसे कार्य और ऊर्जा के समान मात्रक जूल में मापा जाता है, जो एक न्यूटन मीटर के बराबर होता है।

विकल्प A कैलोरी ऊष्मा का पुराना और परिचित मात्रक है, जिसे एक ग्राम जल का ताप एक डिग्री सेल्सियस बढ़ाने वाली ऊष्मा के रूप में परिभाषित किया गया है; यह लगभग 4.2 जूल के बराबर है, पर एसआई मात्रक नहीं है। विकल्प C केल्विन ताप का एसआई मात्रक है, ऊष्मा का नहीं, और ऊष्मा तथा ताप का यही अंतर इस प्रश्न में परखा जाता है। विकल्प D वाट शक्ति का मात्रक है, अर्थात कार्य करने या ऊर्जा देने की दर, एक जूल प्रति सेकंड; इसलिए वाट में दी गई हीटर की क्षमता बताती है कि वह कितनी तेजी से ऊष्मा देता है, कुल कितनी नहीं।

सही उत्तर B, 4 डिग्री सेल्सियस है। शून्य से चार डिग्री के बीच जल असामान्य व्यवहार करता है: इस परास में गर्म करने पर यह सिकुड़ता है और चार डिग्री से ऊपर फिर फैलने लगता है, इसलिए उतना ही द्रव्यमान चार डिग्री पर सबसे कम आयतन घेरता है और उसका घनत्व सबसे अधिक होता है।

विकल्प A हिमांक है, जहाँ जल बर्फ में बदलता है; बर्फ का घनत्व जल से कम होता है, इसीलिए वह तैरती है। विकल्प C सामान्य वायुमंडलीय दाब पर क्वथनांक है, जहाँ द्रव रूप में जल सबसे अधिक फैला होता है। विकल्प D हिमांक से नीचे है, जहाँ सामान्य दाब पर शुद्ध जल ठोस रहता है। यही गुण प्रकृति में महत्वपूर्ण है, क्योंकि शीत ऋतु में चार डिग्री वाला जल तल में बैठ जाता है, ठंडा जल ऊपर जमता है और बर्फ के नीचे मछलियाँ जीवित रहती हैं।

सही उत्तर B, लगभग 540 कैलोरी प्रति ग्राम है। यह वह ऊष्मा है जो सौ डिग्री सेल्सियस पर एक ग्राम जल को उसी ताप की भाप में बदलने के लिए चाहिए, जिसमें ताप बिल्कुल नहीं बढ़ता; भाप के वापस जल में संघनित होने पर यही मात्रा मुक्त होती है।

विकल्प A 80 कैलोरी प्रति ग्राम बर्फ के गलन की गुप्त ऊष्मा है, अर्थात शून्य डिग्री पर एक ग्राम बर्फ को गलाने के लिए आवश्यक ऊष्मा, और इन दोनों मानों की अदला बदली इस अध्याय की सबसे आम भूल है। विकल्प C 336 वही गलन की गुप्त ऊष्मा है, पर कैलोरी के बजाय जूल प्रति ग्राम में, और यहाँ गलत मात्रक के साथ रखी गई है। विकल्प D 2260 वाष्पन की गुप्त ऊष्मा जूल प्रति ग्राम में है; राशि सही पर मात्रक गलत है, क्योंकि 2260 जूल लगभग 540 कैलोरी के बराबर होते हैं।

सही उत्तर A, चालन और संवहन है। इन दोनों विधियों के लिए द्रव्य आवश्यक है: चालन में ऊर्जा कण से कण तक जाती है और संवहन में तरल स्वयं चलकर ऊर्जा ले जाता है। निर्वात में कण लगभग नहीं होते, इसलिए इनमें से कोई भी विधि वहाँ काम नहीं कर सकती।

विकल्प B इसलिए गलत है कि विकिरण निर्वात से भी भली भाँति गुजर जाता है, क्योंकि वह विद्युत चुंबकीय तरंग है; फ्लास्क उसे दूसरे उपाय से रोकता है, अर्थात आमने सामने की सतहों की रजतित परत से, जो विकिरण को लौटा देती है। विकल्प C अधूरा है, क्योंकि निर्वात चालन के साथ संवहन भी रोकता है। विकल्प D सत्य के विपरीत है। ढक्कन गर्म वाष्प को निकलने से रोककर इस रचना को पूरा करता है, और परीक्षक यही तीनों भाग वाला उत्तर चाहते हैं।

सही उत्तर A, ऊर्जा संरक्षण है। पहला नियम कहता है कि किसी निकाय को दी गई ऊष्मा उसकी आंतरिक ऊर्जा की वृद्धि और उसके द्वारा किए गए बाह्य कार्य के योग के बराबर होती है। न कुछ नष्ट होता है न बनता है; ऊर्जा केवल रूप बदलती है, और यही ऊष्मा पर लागू संरक्षण का सिद्धांत है।

विकल्प B दूसरे नियम से संबंधित है, जो एंट्रॉपी की अवधारणा देता है और कहता है कि विलगित निकाय में वह कभी घटती नहीं। विकल्प C शून्यवें नियम से संबंधित है, जो कहता है कि किसी तीसरी वस्तु के साथ तापीय साम्य में रहने वाली दो वस्तुएँ आपस में भी साम्य में होती हैं और जिससे ताप मापना संभव होता है। विकल्प D तीसरे नियम से संबंधित है, जो कहता है कि परम शून्य की ओर बढ़ते हुए पूर्ण क्रिस्टल की एंट्रॉपी शून्य की ओर जाती है और परम शून्य प्राप्त नहीं किया जा सकता।

सही उत्तर A, शून्यवाँ नियम है। यह कहता है कि यदि वस्तु क वस्तु ग के साथ तापीय साम्य में है और वस्तु ख भी वस्तु ग के साथ तापीय साम्य में है, तो क और ख आपस में भी तापीय साम्य में होंगी। इसी से तापमापी का प्रयोग संभव होता है, क्योंकि तापमापी उसी तीसरी वस्तु की भूमिका निभाता है और जिन दो वस्तुओं पर वह एक ही पाठ्यांक दे उनका ताप समान होता है।

विकल्प B पहला नियम ऊर्जा के हिसाब किताब से संबंधित है, ताप के अर्थ से नहीं। विकल्प C दूसरा नियम ऊष्मा के बहने की दिशा तय करता है और इंजन की दक्षता पर सीमा लगाता है। विकल्प D तीसरा नियम परम शून्य के निकट के व्यवहार से संबंधित है। शून्यवें नियम को तब पहचाना और नाम दिया गया जब शेष तीन नियमों की संख्या पहले ही तय हो चुकी थी, इसीलिए इसे शून्य कहा गया।

सही उत्तर C, विकिरण है। सूर्य और पृथ्वी के बीच का स्थान लगभग खाली है, और विकिरण ही ऊष्मा संचरण की वह विधि है जिसे किसी माध्यम की आवश्यकता नहीं होती: ऊर्जा विद्युत चुंबकीय तरंगों के रूप में प्रकाश की चाल से चलती है और द्रव्य से टकराने पर अवशोषित होती है।

विकल्प A चालन के लिए संपर्क में रहे कणों का होना आवश्यक है, इसलिए वह खाली अंतरिक्ष में काम नहीं कर सकता। विकल्प B संवहन के लिए ऐसा तरल चाहिए जो स्वयं चलकर ऊर्जा ले जा सके, जो सूर्य और पृथ्वी के बीच उपलब्ध नहीं है, यद्यपि वायुमंडल में आने के बाद उसी ऊष्मा को संवहन ही फैलाता है। विकल्प D दोनों कारणों से गलत है। विकिरण का अच्छा अवशोषक अच्छा उत्सर्जक भी होता है, इसीलिए काली सतह धूप में सबसे तेज गर्म होती है।

सही उत्तर A, 40 प्रतिशत है। आदर्श कार्नो इंजन की दक्षता एक में से सिंक ताप और स्रोत ताप का अनुपात घटाने पर मिलती है, और दोनों ताप केल्विन में लिए जाते हैं। यहाँ यह अनुपात 300 बटा 500 अर्थात 0.6 है, और एक में से 0.6 घटाने पर 0.4 आता है, जो 40 प्रतिशत है।

विकल्प B 60 प्रतिशत स्वयं वही अनुपात है, दक्षता नहीं, अर्थात उस छात्र का उत्तर जो एक में से घटाना भूल जाता है। विकल्प C 20 प्रतिशत दोनों तापों के अंतर को उनके योग से भाग देने पर आता है, जो सूत्र ही नहीं है। विकल्प D लगभग 66.7 प्रतिशत स्रोत को सिंक से भाग देने पर आता है, जो सूत्र का फिर से गलत प्रयोग है। यह भी ध्यान रहे कि ताप केल्विन में ही लेने चाहिए; डिग्री सेल्सियस रखने पर उत्तर सदा गलत आएगा।

सही उत्तर A है। कुकर बंद रहता है, इसलिए उसमें बनी भाप बाहर नहीं निकल पाती और भीतर का दाब बढ़ जाता है। चूँकि दाब बढ़ने पर द्रव का क्वथनांक बढ़ता है, कुकर में जल सौ डिग्री सेल्सियस से काफी ऊपर उबलता है और उसी ऊँचे ताप पर पकने वाला भोजन जल्दी तैयार हो जाता है।

विकल्प B इसका उल्टा कहता है और वह स्थिति पर्वत पर बनती है, जहाँ दाब कम होने से जल सौ डिग्री से नीचे उबलता है और पकने में अधिक समय लगता है। विकल्प C कारण के रूप में गलत है, और भाप की जलाने की क्षमता विशिष्ट ऊष्मा से नहीं, गुप्त ऊष्मा से आती है। विकल्प D इसलिए गलत है कि बर्तन का पदार्थ केवल यह तय करता है कि ऊष्मा जल तक कितनी जल्दी पहुँचे; वह उस ताप को नहीं बढ़ा सकता जिस पर जल उबलता है, और समय की बचत उसी से होती है।

सही उत्तर B, रुद्धोष्म है। रुद्धोष्म परिवर्तन वह है जिसमें परिवेश के साथ ऊष्मा का आदान प्रदान नहीं होता। टायर इतनी तेजी से फटता है कि निकलती हुई वायु को ऊष्मा लेने या देने का समय ही नहीं मिलता; वह फैलने में कार्य करती है, उसकी आंतरिक ऊर्जा घटती है और इसलिए वह ठंडी हो जाती है, यही कारण है कि निकलती वायु ठंडी लगती है।

विकल्प A समतापी परिवर्तन स्थिर ताप पर होता है, जिसके लिए प्रक्रम इतना धीमा होना चाहिए कि ऊष्मा आती जाती रहे और ताप स्थिर बना रहे। विकल्प C समदाबी परिवर्तन स्थिर दाब पर होता है, जैसे स्वतंत्र रूप से चलने वाले पिस्टन के नीचे गैस को गर्म करना। विकल्प D समआयतनी परिवर्तन स्थिर आयतन पर होता है, जैसे दृढ़ बंद पात्र में गैस को गर्म करना। बादल बनाने वाली नम वायु का ऊपर उठना भी रुद्धोष्म प्रक्रम है।

सही उत्तर A, एक, दो और तीन है। गर्म करने पर यदि ठोस की प्रत्येक लंबाई किसी छोटे अंश से बढ़ती है, तो क्षेत्रफल, जो दो लंबाइयों का गुणनफल है, लगभग उसी अंश के दुगुने से बढ़ता है, और आयतन, जो तीन लंबाइयों का गुणनफल है, लगभग तिगुने से। इसलिए क्षेत्रीय गुणांक रैखिक का दुगुना और आयतन गुणांक रैखिक का तिगुना होता है।

विकल्प B क्रम उलट देता है, जिसका अर्थ यह होता कि वस्तु का आयतन सबसे कम बढ़े, जो वास्तविकता के विपरीत है। विकल्प C तभी सही होता जब क्षेत्रफल और आयतन एक से अधिक लंबाई पर निर्भर न करते, जो संभव नहीं। विकल्प D किसी नियम पर आधारित नहीं है। यही अनुपात बताता है कि रेल पटरियों के बीच अंतराल क्यों छोड़ा जाता है और अलग अलग रैखिक गुणांक वाली दो धातुओं की द्विधात्विक पट्टी गर्म होने पर क्यों मुड़ जाती है और तापस्थापी में स्विच का काम करती है।