हीट कैपेसिटी क्या है?

विषय

• थर्मोडायनामिक्स का विज्ञान
• हीट कैपेसिटी क्या है?
• हीट कैपेसिटी: सरल गणना
• Cv से Cv अनुपात to क्या है?
• वायु का Cp और Cv

ताप क्षमता भौतिकी में एक शब्द है जो बताता है कि किसी पदार्थ को 1 डिग्री सेल्सियस तक तापमान बढ़ाने के लिए कितना ताप जोड़ा जाना चाहिए। यह संबंधित है, लेकिन इससे अलग है, विशिष्ट ताप, जो किसी पदार्थ के ठीक 1 ग्राम (या द्रव्यमान की कुछ अन्य निश्चित इकाई) को 1 डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा है। किसी पदार्थ की ताप क्षमता C को उसकी विशिष्ट ऊष्मा S से प्राप्त करना उस पदार्थ की मात्रा से गुणा करने का एक मामला है जो मौजूद है और यह सुनिश्चित करता है कि आप समस्या के दौरान द्रव्यमान की समान इकाइयों का उपयोग कर रहे हैं। ऊष्मा क्षमता, सादे शब्दों में, ऊष्मा ऊर्जा के अतिरिक्त गर्म होने से रोकने के लिए किसी वस्तु की क्षमता का सूचकांक है।

पदार्थ एक ठोस, एक तरल या गैस के रूप में मौजूद हो सकता है। गैसों के उदाहरण में, ताप क्षमता परिवेशीय दबाव और परिवेश तापमान दोनों पर निर्भर कर सकती है। वैज्ञानिक अक्सर एक निरंतर दबाव पर गैस की गर्मी क्षमता जानना चाहते हैं, जबकि अन्य चर जैसे तापमान को बदलने की अनुमति है; इसे C के नाम से जाना जाता है_पी। इसी तरह, एक स्थिर मात्रा, या C पर एक गास ताप क्षमता निर्धारित करने के लिए यह उपयोगी हो सकता है_v। C का अनुपात_पी से सी_v एक गैस के थर्मोडायनामिक गुणों के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करता है।

थर्मोडायनामिक्स का विज्ञान

गर्मी की क्षमता और विशिष्ट गर्मी की चर्चा शुरू करने से पहले, पहले भौतिकी में गर्मी हस्तांतरण की मूल बातें समझना और सामान्य रूप से गर्मी की अवधारणा को समझना उपयोगी है, और अनुशासन के कुछ मूलभूत समीकरणों से खुद को परिचित करना उपयोगी है।

ऊष्मप्रवैगिकी एक प्रणाली के काम और ऊर्जा के साथ काम करने वाली भौतिकी की शाखा है। कार्य, ऊर्जा और ऊष्मा सभी के अलग-अलग अर्थ और अनुप्रयोग होने के बावजूद भौतिकी में समान इकाइयाँ हैं। ऊष्मा की SI (मानक अंतर्राष्ट्रीय) इकाई जूल है। काम को बल से गुणा के रूप में परिभाषित किया गया है, इसलिए, इनमें से प्रत्येक मात्रा के लिए एसआई इकाइयों पर एक नज़र के साथ, एक जूल एक न्यूटन-मीटर के समान है। अन्य इकाइयों से आप गर्मी के लिए मुठभेड़ कर सकते हैं, इसमें कैलोरी (कैल), ब्रिटिश थर्मल यूनिट (बीटीयू) और एर्ग शामिल हैं।(ध्यान दें कि खाद्य पोषण लेबल पर आपको दिखाई देने वाली "कैलोरी" वास्तव में किलोकलरीज हैं, "किलो-" ग्रीक उपसर्ग है "एक हजार" को दर्शाते हुए; इस प्रकार, जब आप यह देखते हैं कि, कहते हैं, 12-औंस का सोडा 120 ग्राम हो सकता है; कैलोरी, "यह वास्तव में औपचारिक भौतिक शब्दों में 120,000 कैलोरी के बराबर है।"

गैसें तरल और ठोस पदार्थों से अलग व्यवहार करती हैं। इसलिए, वायुगतिकी और संबंधित विषयों की दुनिया में भौतिक विज्ञानी, जो स्वाभाविक रूप से उच्च गति वाले इंजन और उड़ान मशीनों के साथ अपने काम में हवा और अन्य गैसों के व्यवहार से बहुत चिंतित हैं, उनकी गर्मी की क्षमता और अन्य क्वांटिफैक्टिक मापदंडों से संबंधित विशेष चिंताएं हैं इस स्थिति में बात करने के लिए। एक उदाहरण है तापीय धारिता, जो एक बंद प्रणाली की आंतरिक गर्मी का एक उपाय है। यह सिस्टम की ऊर्जा और इसके दबाव और आयतन के गुणनफल का योग है:

एच = ई + पीवी

विशेष रूप से, थैलेपी में परिवर्तन संबंध से गैस की मात्रा में परिवर्तन से संबंधित है:

∆H = E + P∆V

ग्रीक प्रतीक ", या डेल्टा, का अर्थ है भौतिकी और गणित में सम्मेलन द्वारा" परिवर्तन "या" अंतर "। इसके अलावा, आप सत्यापित कर सकते हैं कि दबाव की मात्रा काम की इकाइयों को देती है; दबाव न्यूटन / मी में मापा जाता है², जबकि मात्रा मीटर में व्यक्त किया जा सकता है³.

इसके अलावा, गैस का दबाव और आयतन समीकरण से संबंधित हैं:

PV = R∆T

जहां T तापमान है, और R एक स्थिर है जिसका प्रत्येक गैस के लिए एक अलग मूल्य है।

आपको याद करने के लिए इन समीकरणों को करने की आवश्यकता नहीं है, लेकिन बाद में सी के बारे में चर्चा में उनका पुनरीक्षण किया जाएगा_पी और सी_v.

हीट कैपेसिटी क्या है?

जैसा कि उल्लेख किया गया है, गर्मी की क्षमता और विशिष्ट गर्मी संबंधित मात्रा हैं। पहला वास्तव में दूसरे से उत्पन्न होता है। विशिष्ट गर्मी एक राज्य चर है, जिसका अर्थ है कि यह केवल किसी पदार्थ के आंतरिक गुणों से संबंधित है और न कि यह कितना मौजूद है। इसलिए इसे प्रति इकाई द्रव्यमान ताप के रूप में व्यक्त किया जाता है। दूसरी ओर, ताप क्षमता, इस बात पर निर्भर करती है कि विचाराधीन पदार्थ का कितना हिस्सा गर्मी हस्तांतरण के दौर से गुजर रहा है, और यह एक राज्य चर नहीं है।

सभी मामलों में एक तापमान जुड़ा होता है। यह पहली चीज नहीं हो सकती है जो किसी वस्तु को नोटिस करते समय आपके दिमाग में आती है ("मुझे आश्चर्य है कि वह पुस्तक कितनी गर्म है?"), लेकिन रास्ते में, आप जान गए होंगे कि वैज्ञानिक कभी भी पूर्ण शून्य का तापमान हासिल करने में कामयाब नहीं हुए हैं किसी भी परिस्थिति में, हालांकि वे तड़पते हुए करीब आए हैं। (जिस कारण से लोग ऐसा करने का लक्ष्य रखते हैं, उन्हें अत्यधिक ठंड सामग्री के अत्यंत उच्च चालकता गुणों के साथ करना पड़ता है; बस भौतिक बिजली के कंडक्टर के मूल्य के बारे में सोचते हैं, वस्तुतः कोई प्रतिरोध नहीं है।) तापमान अणुओं की गति का एक उपाय है। । ठोस पदार्थों में, पदार्थ को एक जाली या ग्रिड में व्यवस्थित किया जाता है, और अणुओं को स्थानांतरित करने के लिए स्वतंत्र नहीं होता है। एक तरल में, अणुओं को स्थानांतरित करने के लिए अधिक स्वतंत्र होते हैं, लेकिन वे अभी भी काफी हद तक विवश हैं। एक गैस में, अणु बहुत स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं। किसी भी घटना में, बस याद रखें कि कम तापमान का मतलब थोड़ा आणविक आंदोलन है।

जब आप किसी वस्तु को एक भौतिक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाना चाहते हैं, तो आपको ऊर्जा खर्च करनी होगी - या वैकल्पिक रूप से, ऐसा करने के लिए कार्य करना चाहिए। आपको एक कमरे में उठना और चलना होगा, या आपको अपने इंजन के माध्यम से ईंधन के लिए कार के त्वरक पेडल को दबाना होगा और कार को चलने के लिए मजबूर करना होगा। इसी प्रकार, एक सूक्ष्म स्तर पर, एक प्रणाली में ऊर्जा का एक इनपुट इसके अणुओं को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक होता है। यदि ऊर्जा का यह इनपुट आणविक गति में वृद्धि का कारण बनने के लिए पर्याप्त है, तो उपरोक्त चर्चा के आधार पर, यह जरूरी है कि पदार्थ का तापमान भी बढ़ जाता है।

विभिन्न सामान्य पदार्थों में विशिष्ट ताप के व्यापक रूप से भिन्न मूल्य होते हैं। धातुओं में, उदाहरण के लिए, 0.129 J / g ° C पर सोने की जाँच, जिसका अर्थ है कि 0.129 जूल का ताप 1 ग्राम सोने का तापमान 1 डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए पर्याप्त है। याद रखें, यह मान सोने की मात्रा के आधार पर नहीं बदलता है, क्योंकि द्रव्यमान पहले से ही विशिष्ट गर्मी इकाइयों के हर में हिसाब होता है। गर्मी की क्षमता के लिए ऐसा नहीं है, जैसा कि आप जल्द ही पता चल जाएगा।

हीट कैपेसिटी: सरल गणना

यह परिचयात्मक भौतिकी के कई छात्रों को आश्चर्यचकित करता है कि पानी की विशिष्ट गर्मी, 4.179, आम धातुओं की तुलना में काफी अधिक है। (इस लेख में, विशिष्ट ऊष्मा के सभी मान J / g ° C में दिए गए हैं।) इसके अलावा, बर्फ की ऊष्मा की क्षमता, 2.03, पानी के आधे से भी कम है, भले ही दोनों में H शामिल हो।₂ओ। यह दर्शाता है कि एक यौगिक की स्थिति, और न केवल इसके आणविक मेकअप, इसकी विशिष्ट गर्मी के मूल्य को प्रभावित करता है।

किसी भी घटना में, आपको यह निर्धारित करने के लिए कहा जाता है कि 5 सी। से 150 ग्राम लोहे के तापमान को बढ़ाने के लिए कितना आवश्यक है (जिसमें एक विशिष्ट गर्मी है, या 0.450 का एस), आप इस बारे में कैसे जाएंगे?

गणना बहुत सरल है; सामग्री की मात्रा और तापमान में परिवर्तन से विशिष्ट गर्मी एस को गुणा करें। चूंकि S = 0.450 J / g ° C, J में जोड़े जाने वाली ऊष्मा की मात्रा (0.450) (g) ()T) = (0.450) (150) (5) = 337.5 J. व्यक्त करने का दूसरा तरीका यह कहना है कि 150 ग्राम लोहे की गर्मी क्षमता 67.5 J है, जो कि मौजूद पदार्थ के द्रव्यमान से गुणा की जाने वाली विशिष्ट S से कुछ भी नहीं है। जाहिर है, भले ही तरल पानी की ताप क्षमता किसी दिए गए तापमान पर स्थिर हो, लेकिन ग्रेट लेक्स में से एक को गर्म करने के लिए एक डिग्री के दसवें हिस्से की तुलना में यह एक डिग्री पानी गर्म करने के लिए काफी अधिक गर्मी लेगा। , या 10 या 50 भी।

Cv से Cv अनुपात to क्या है?

पिछले अनुभाग में, आपको गैसों के लिए आकस्मिक ताप क्षमताओं के विचार से परिचित कराया गया था - अर्थात, ताप-क्षमता मान जो किसी दिए गए पदार्थ पर लागू होते हैं जिसमें या तो तापमान (T) या दबाव (P) को स्थिर रखा जाता है समस्या के दौरान। आपको मूल समीकरण =H = E + P andV और P =V = R∆T भी दिए गए थे।

आप बाद के दो समीकरणों से देख सकते हैं कि थैलीसी, ,H में परिवर्तन को व्यक्त करने का एक और तरीका है:

ई + आर∆टी

यद्यपि यहां कोई व्युत्पत्ति प्रदान नहीं की गई है, लेकिन थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम को व्यक्त करने का एक तरीका, जो बंद प्रणालियों पर लागू होता है और जिसे आपने बोलचाल की भाषा में सुना होगा कि "ऊर्जा न तो बनाई जाती है और न ही नष्ट होती है," है:

∆E = सी_vΔT

सरल भाषा में, इसका मतलब है कि जब गैस सहित एक सिस्टम में एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा जोड़ी जाती है, और उस गैस की मात्रा को बदलने की अनुमति नहीं है (सी में सबस्क्रिप्ट वी द्वारा इंगित)_v), इसका तापमान उस गैस की ताप क्षमता के मूल्य के प्रत्यक्ष अनुपात में बढ़ना चाहिए।

इन चरों के बीच एक और संबंध मौजूद है जो निरंतर दबाव, सी पर गर्मी क्षमता की व्युत्पत्ति की अनुमति देता है_पी, निरंतर मात्रा के बजाय। यह संबंध थाल्पी का वर्णन करने का एक और तरीका है:

CH = सी_पीΔT

यदि आप बीजगणित में एड्रोइट हैं, तो आप C के बीच महत्वपूर्ण संबंध पर पहुंच सकते हैं_v तथा सी_पी:

सी_पी = सी_v + आर

यही है, निरंतर दबाव पर एक गैस की गर्मी क्षमता कुछ निरंतर आर द्वारा निरंतर मात्रा में इसकी गर्मी क्षमता से अधिक है जो जांच के तहत गैस के विशिष्ट गुणों से संबंधित है। यह सहज ज्ञान युक्त बनाता है; यदि आप कल्पना करते हैं कि एक गैस को बढ़ते हुए आंतरिक दबाव के जवाब में विस्तारित करने की अनुमति दी जा रही है, तो आप शायद यह महसूस कर सकते हैं कि ऊर्जा के दिए गए जोड़ के जवाब में उसे कम गर्म करना पड़ेगा, यदि वह उसी स्थान पर सीमित है।

अंत में, आप इस जानकारी का उपयोग किसी अन्य पदार्थ-विशिष्ट चर को परिभाषित करने के लिए कर सकते हैं, all, जो C का अनुपात है_पी से सी_v, या सी_पी/सी_v। आप पिछले समीकरण से देख सकते हैं कि आर के उच्च मूल्यों वाले गैसों के लिए यह अनुपात बढ़ता है।

वायु का Cp और Cv

द सी_पी और सी_v तरल गतिकी के अध्ययन में दोनों महत्वपूर्ण हैं क्योंकि हवा (ज्यादातर नाइट्रोजन और ऑक्सीजन के मिश्रण से युक्त) सबसे आम गैस है जो मनुष्य अनुभव करते हैं। दोनों सी_पी और सी_v तापमान-निर्भर हैं, और ठीक उसी सीमा तक नहीं; जैसा कि होता है, सी_v बढ़ते तापमान के साथ थोड़ा तेज हो जाता है। इसका मतलब यह है कि "निरंतर" constant वास्तव में स्थिर नहीं है, लेकिन यह आश्चर्यजनक रूप से संभावित तापमान की सीमा के करीब है। उदाहरण के लिए, 300 डिग्री केल्विन या के (27 सी के बराबर) पर,; का मान 1.400 है; 400 K के तापमान पर, जो 127 C है और पानी के क्वथनांक से काफी ऊपर है, K का मान 1.395 है।