यह मानता है कि इस सीमा में c स्थिर रहता है और बीच में कोई पिघलना या उबलना नहीं होता।
c = 4,186 J/(kg·K) वाले 1 kg पदार्थ को 334.88 kJ देने पर उसका तापमान 20 °C से 100 °C हो जाता है, यानी 80 K का परिवर्तन।
दी गई ऊष्मा के साथ तापमान
गणना कैसे होती है S
तापमान परिवर्तन
ΔT=T2−T1=100−(20)=80K
1 °C का परिवर्तन 1 K के परिवर्तन के बराबर है।
ऊष्मा
Q=mcΔT=(1)(4,186)(100−20)=334,880J
विशिष्ट ऊष्मा, गुप्त ऊष्मा और कार्नो दक्षता कैलकुलेटर के बारे में
किसी पदार्थ को गर्म या ठंडा करने में ऊष्मा Q = mcΔT लगती है, जहाँ m द्रव्यमान, c विशिष्ट ऊष्मा धारिता और ΔT तापमान परिवर्तन है; कैलकुलेटर ऊष्मा, द्रव्यमान, अंतिम तापमान या विशिष्ट ऊष्मा में से कोई एक निकालता है। पिघलने या उबलने में स्थिर ताप पर Q = mL लगती है, जहाँ L गुप्त ऊष्मा है। कार्नो मोड किसी भी ऊष्मा इंजन की दक्षता की ऊपरी सीमा देता है, 1 − Tc/Th, दोनों तापमान केल्विन में।
डिफ़ॉल्ट मान, 1 kg पानी को 20 °C से 100 °C तक गर्म करना, 334,880 J (0.093 kWh) लेता है; बिना किसी हानि के 2 kW की केतली इतनी ऊष्मा 2 मिनट 47 सेकंड में देती है। उसी पानी को उबालकर पूरा भाप बनाने में 2,256 kJ और लगते हैं, यानी लगभग सात गुना।
विशिष्ट ऊष्मा के मान OpenStax University Physics (तालिका 1.3) से कमरे के ताप के मान हैं। वास्तव में c ताप के साथ बदलता है, और गणना मानती है कि दोनों तापमानों के बीच कोई पिघलना या उबलना नहीं होता।
Q = mcΔT से ऊष्मा ऊर्जा कैसे निकालें
द्रव्यमान, विशिष्ट ऊष्मा धारिता और तापमान परिवर्तन को गुणा करें: Q = m × c × ΔT। 1 kg पानी (c = 4,186 J/(kg·K)) को 20 °C से 100 °C तक गर्म करने में 1 × 4,186 × 80 = 334,880 J लगते हैं, यानी 0.093 kWh। कैलकुलेटर का डिफ़ॉल्ट यही उदाहरण है: ऊष्मा 334880 J, तापमान परिवर्तन 80 K और 0.093022 kWh। भारत में बिजली का बिल kWh, यानी "यूनिट" में बनता है, इसलिए बिना किसी हानि के यह ऊष्मा लगभग 0.093 यूनिट बिजली के बराबर है; 2 kW की केतली इसे लगभग 2 मिनट 47 सेकंड में देती है। यह सूत्र तभी तक मान्य है जब तक पदार्थ एक ही प्रावस्था में रहे; पिघलने और उबलने के लिए गुप्त ऊष्मा चाहिए।
कैलकुलेटर की तीन विधियाँ हैं: तापमान परिवर्तन (Q = mcΔT, जिसमें ऊष्मा, द्रव्यमान, अंतिम तापमान या विशिष्ट ऊष्मा में से कोई एक निकलती है), प्रावस्था परिवर्तन (Q = mL) और कार्नो दक्षता।
Q = mcΔT से द्रव्यमान, तापमान या विशिष्ट ऊष्मा निकालना
जो राशि अज्ञात है उसके लिए सूत्र पुनर्व्यवस्थित करें:
द्रव्यमान: m = Q/(cΔT)
अंतिम तापमान: T₂ = T₁ + Q/(mc)
विशिष्ट ऊष्मा: c = Q/(mΔT)
500 g ऐलुमिनियम (c = 900 J/(kg·K)) में 9 kJ ऊष्मा देने पर ताप 9,000 ÷ (0.5 × 900) = 20 K बढ़ता है, इसलिए 20 °C से 40 °C हो जाता है। अगर 3,870 J किसी अज्ञात धातु के 1 kg को 10 K गर्म करे, तो उसका c = 387 J/(kg·K) है, जो कॉपर से मेल खाता है; कैलकुलेटर ऐसा मेल मिलने पर उस पदार्थ का नाम भी बताता है।
निकाली गई ऊष्मा ऋणात्मक होती है। 1 kg पानी को 80 °C से 20 °C तक ठंडा करने पर Q = 1 × 4,186 × (20 − 80) = −251,160 J आता है।
अन्य ठोस: बर्फ़ 2,090 (−50 से 0 °C का औसत), लकड़ी 1,700, काँच 840, कंक्रीट या ग्रेनाइट 840
मानव शरीर: औसतन 3,500
विशिष्ट ऊष्मा ताप के साथ धीरे-धीरे बदलती है, इसलिए एक मान सीमित ताप-परास के लिए ही ठीक है। चौड़ी परास में गणना को टुकड़ों में बाँटें या गुण-सारणी से ताप पर निर्भर मान लें।
°C, K और °F में तापमान परिवर्तन
1 °C का परिवर्तन 1 K के परिवर्तन के बराबर है, इसलिए दोनों पैमानों पर ΔT की संख्या एक ही रहती है। 1 °F का परिवर्तन 5/9 K है। ऊपर वाला ऐलुमिनियम का उदाहरण 20 K बढ़ता है, जो 36 °F है: 68 °F से 104 °F।
अमेरिकी इकाइयों (BTU, पाउंड, °F) में पानी को प्रति पाउंड प्रति °F लगभग 1 BTU चाहिए। 10 lb पानी को 50 °F से 120 °F तक, यानी 38.89 K, गर्म करने में 699.9 BTU लगते हैं। अमेरिकी उपकरणों की रेटिंग पढ़ते समय ये इकाइयाँ काम आती हैं।
पिघलने और उबलने की गुप्त ऊष्मा: Q = mL
प्रावस्था परिवर्तन के दौरान ताप स्थिर रहता है और ऊष्मा केवल प्रावस्था बदलती है। गलनांक और क्वथनांक के साथ गुप्त ऊष्मा, OpenStax Table 1.4 से:
पानी: 0 °C पर पिघलता है, Lf = 334 kJ/kg; 100 °C पर उबलता है, Lv = 2,256 kJ/kg
एथेनॉल: −114 °C पर पिघलता है, 104 kJ/kg; 78.3 °C पर उबलता है, 854 kJ/kg
नाइट्रोजन: −210 °C पर पिघलती है, 25.5 kJ/kg; −195.8 °C पर उबलती है, 201 kJ/kg
लेड: 327 °C पर पिघलता है, 24.5 kJ/kg; 1,750 °C पर उबलता है, 871 kJ/kg
2 kg बर्फ़ पिघलाने में 2 × 334,000 = 668,000 J लगते हैं। 0.5 kg पानी को पूरी तरह भाप बनाने में 0.5 × 2,256,000 = 1,128,000 J लगते हैं। दाब घटने पर क्वथनांक घटता है, इसलिए ऊँचाई वाले स्थानों पर पानी 100 °C से कम पर उबलता है।
बर्फ़ से भाप तक: हर चरण जोड़ें
−10 °C की 1 kg बर्फ़ को 100 °C की भाप बनाने के लिए चार अलग चरण चाहिए:
बर्फ़ को 0 °C तक गर्म करना: 1 × 2,090 × 10 = 20,900 J
उसे पिघलाना: 1 × 334,000 = 334,000 J
पानी को 100 °C तक गर्म करना: 1 × 4,186 × 100 = 418,600 J
उसे उबालकर भाप बनाना: 1 × 2,256,000 = 2,256,000 J
कुल 3,029,500 J, लगभग 3.03 MJ, होता है, और इसमें से 74% अकेले उबालने में जाता है।
कार्नो दक्षता और ऊष्मा पंप का COP
तप्त भंडार Th और शीत भंडार Tc के बीच काम करने वाला कोई भी ऊष्मा इंजन η = 1 − Tc/Th से अधिक दक्ष नहीं हो सकता; दोनों ताप केल्विन में लिए जाते हैं।
500 K और 300 K के बीच यह सीमा 40% है, इसलिए तप्त भंडार से ली गई 1,000 J ऊष्मा से अधिकतम 400 J कार्य मिलता है। उबलते और जमते पानी के बीच यह सीमा 26.80% है।
इंजन को उल्टा चलाएँ तो यही ताप-युग्म सबसे अच्छा संभव निष्पादन गुणांक तय करता है: प्रशीतक के लिए Tc/(Th − Tc) और ऊष्मा पंप के लिए Th/(Th − Tc); 500 K और 300 K के लिए ये 1.5 और 2.5 हैं।
1 से बड़ा COP बताता है कि प्रति इकाई कार्य कितनी ऊष्मा एक जगह से दूसरी जगह पहुँची; यह 100% से अधिक दक्षता नहीं है (कार्नो चक्र पर OpenStax)।
ऊष्मा गणनाओं की तुलना
पंक्तियाँ हैं: 1 kg पानी वाला उदाहरण (डिफ़ॉल्ट), 20 °C के 500 g ऐलुमिनियम में 9 kJ (अंतिम तापमान), 0 °C पर पिघलाई गई 2 kg बर्फ़ (बर्फ़ पिघलाना) और 500 K से 300 K के बीच का इंजन (कार्नो)।
स्थिति
चुना गया परिणाम
डिफ़ॉल्ट
334,880 J
अंतिम तापमान
40 °C
बर्फ़ पिघलाना
668,000 J
कार्नो
40%
आम गलतियाँ
कार्नो सूत्र में सेल्सियस। 100 और 0 रखने पर उबलते और जमते पानी के बीच 100% दक्षता का दावा बनेगा; केल्विन में सीमा 26.80% है।
परिवर्तन को पाठ्यांक की तरह बदलना। 20 K की वृद्धि 20 °C की वृद्धि ही है; 273.15 केवल पाठ्यांक बदलने में जोड़ा जाता है।
ग्राम को किलोग्राम मान लेना। 500 g = 0.5 kg। इसे 500 kg भर देने पर ऊष्मा 1,000 गुना बड़ी आती है।
प्रावस्था परिवर्तन के आर-पार एक ही c। बर्फ़ को −10 °C से 10 °C तक एक ही c से गर्म करने पर पिघलने के लिए लगने वाले 334 kJ/kg छूट जाते हैं।
ऊष्मा को बिजली का बिल समझना। कुछ ऊष्मा केतली, बर्तन और हवा में निकल जाती है, इसलिए उपकरण पानी द्वारा सोखी गई ऊर्जा से अधिक बिजली लेता है।
जाँचने लायक इनपुट
ऊष्मा ऋणात्मक हो सकती है, जिसका अर्थ है ऊष्मा निकाली गई।
पदार्थों के तैयार मान ऊपर दिए कमरे के ताप वाले मान हैं; किसी और पदार्थ के लिए अपना c भरें।
कार्नो विधि के ताप °C या °F में भरे जा सकते हैं; अनुपात लेने से पहले उन्हें केल्विन में बदला जाता है।
संबंधित कैलकुलेटर
ताप बदलने पर गैस का दाब और आयतन कैसे बदलता है, यह आदर्श गैस नियम कैलकुलेटर से देखें। पाठ्यांकों को एक पैमाने से दूसरे में बदलने के लिए तापमान परिवर्तक का उपयोग करें।
जाँच का स्रोत: 3870/(1 × 10) = 387 J/(kg·K), OpenStax तालिका 1.3 में कॉपर
सवाल
पानी गर्म करने में कितनी ऊर्जा लगती है?
प्रति किलोग्राम प्रति डिग्री सेल्सियस 4,186 J, जो पानी की विशिष्ट ऊष्मा धारिता है। 1 लीटर (1 kg) पानी को 20 °C से 100 °C तक गर्म करने में 1 × 4,186 × 80 = 334,880 J, यानी 0.093 kWh, लगते हैं। अमेरिकी इकाइयों में यह लगभग 1 BTU प्रति पाउंड प्रति °F है, और BTU की मूल परिभाषा यही थी।
विशिष्ट ऊष्मा धारिता क्या है?
किसी पदार्थ के 1 kg का ताप 1 K (यानी 1 °C) बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा, J/(kg·K) में। पानी की 4,186 है, जो आम पदार्थों में सबसे अधिक में से है, जबकि कॉपर की 387 और लेड की 128। वही 10 kJ, 1 kg पानी को 2.4 °C पर 1 kg कॉपर को 25.8 °C गर्म करता है; इसी कारण ठंडा करने और ऊष्मा जमा करने में पानी का उपयोग होता है।
गुप्त ऊष्मा क्या है?
स्थिर ताप पर प्रावस्था परिवर्तन के दौरान अवशोषित या मुक्त ऊर्जा, Q = mL। पानी के लिए गलन की गुप्त ऊष्मा 0 °C पर 334 kJ/kg और वाष्पन की गुप्त ऊष्मा 100 °C पर 2,256 kJ/kg है (OpenStax तालिका 1.4)। 2 kg बर्फ़ पिघलाने में 668 kJ लगते हैं, जो उसी 2 kg पानी को लगभग 80 °C गर्म करने के लिए काफ़ी है।
कार्नो दक्षता क्या है?
η = 1 − Tc/Th, ऊष्मा का वह सबसे बड़ा अंश जिसे कोई भी इंजन Th पर तप्त भंडार और Tc पर शीत भंडार के बीच कार्य में बदल सकता है, दोनों केल्विन में। 500 K और 300 K के बीच यह 40% है; उबलते और जमते पानी के बीच 26.8%। वास्तविक इंजन इससे पीछे रहते हैं: कोयला आधारित बिजलीघर आमतौर पर ईंधन की ऊष्मा का लगभग 37% बिजली में बदलते हैं।
ऊष्मा पंप का अधिकतम COP कितना होता है?
COP = Th/(Th − Tc), तापमान केल्विन में; यह प्रति इकाई कार्य दी गई ऊष्मा की कार्नो सीमा है। बाहर के 0 °C से 35 °C के हीटिंग लूप में ऊष्मा पंप करने पर अधिकतम 308.15/35 ≈ 8.8 संभव है। बाहर −10 °C होने पर सीमा 6.8 रह जाती है, और कंप्रेसर तथा ऊष्मा-विनिमयक की हानियों के कारण वास्तविक मशीनें इससे काफ़ी नीचे रहती हैं।
इस कैलकुलेटर में स्वतंत्र स्रोतों के उत्तरों वाले 10 हल किए गए उदाहरण शामिल हैं। ये परीक्षण समूह में चलते हैं और आप इन्हें यहाँ भी चला सकते हैं।
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