મુખ્ય વિષયવસ્તુ

Course: રસાયણવિજ્ઞાન લાઈબ્રેરી > Unit 15

Lesson 1: આંતરિક ઊર્જા

ઉષ્મા અને તાપમાન

Google વર્ગખંડ

થરમૉડાયનેમિક્સમાં ઉષ્માનો અર્થ શું થાય, અને આપણે ઉષ્માનો ઉપયોગ કરીને ઉષ્માધારિતાની ગણતરી કઈ રીતે કરી શકીએ.

મુખ્ય બાબતો

ઉષ્મા, $q$ ‍, એકબીજાના સંપર્કમાં રહેલી ગરમ પ્રણાલીથી ઠંડી પ્રણાલી તરફ વાહન પામતી તાપીય ઊર્જા છે.
પ્રણાલીમાં અણુઓ/પરમાણુઓની સરેરાશ ગતિઊર્જાનું માપન તાપમાન છે.
ઉષ્માગતિશાસ્ત્રનો શૂન્ય ક્રમનો નિયમ કહે છે કે તાપીય સંતુલનમાં બે પદાર્થો વચ્ચે કોઈ ઉષ્માનું વહન થતું નથી; તેથી, તેઓ સમાન તાપમાને છે.
આપણે સમીકરણમાં વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા $C$ ‍, પદાર્થનું દળ $m$ ‍, અને તાપમાનમાં થતા ફેરફાર $Δ T$ ‍ નો ઉપયોગ કરીને મુક્ત થતી કે શોષાતી ઉષ્માની ગણતરી કરી શકીએ:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

ઉષ્માગતિશાસ્ત્રમાં ઉષ્મા

કોણ વધુ ઉષ્મા ધરાવે છે, કોફીનો કપ કે આઈસ ટીનો કપ? રસાયણવિજ્ઞાનના વર્ગમાં, તે થોડો ટ્રિકી પ્રશ્ન થાય. ઉષ્માગતિશાસ્ત્રમાં, ઉષ્મા પાસે એક ચોક્કસ અર્થ છે જે આપણે રોજીંદા જીવનમાં કઈ રીતે શબ્દનો ઉપયોગ કરીએ છીએ એના કરતા અલગ છે. વૈજ્ઞાનિકો ઉષ્માને એકબીજાના સંપર્કમાં જુદા જુદા તાપમાને બે પ્રણાલી વચ્ચે થતા તાપીય ઊર્જાના વહન તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરે છે. ઉષ્માને q અથવા Q સંજ્ઞા સાથે લખી શકાય, અને તેનો એકમ જૂલ (

J

) છે.

ઉષ્માને કેટલીક વાર પ્રક્રમ રાશિ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, કારણકે તેને પ્રક્રમના સંદર્ભમાં વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે જેના વડે ઊર્જાનું વહન થઈ શકે. આપણે ઉષ્મા ધરાવતા કોફીના કપ વિશે વાત નથી કરતા, પણ આપણે ગરમ કોફીના કપમાંથી તમારા હાથમાં થતા ઉષ્માના વહન વિશે વાત કરી શકીએ ઉષ્મા પણ અગત્યનો ગુણધર્મ છે, તેથી પ્રણાલીમાં ઉષ્માના વહન પરથી તાપમાનમાં થતો ફેરફાર પ્રણાલીમાં કેટલા અણુઓ છે એના પર આધાર રાખે છે.

ઉષ્મા અને તાપમાન વચ્ચેનો સંબંધ

ઉષ્મા અને તાપમાન બે જુદા જુદા છે પણ નજીકથી સંબંધ ધરાવતી સંકલ્પનાઓ છે. નોંધો કે તેમની પાસે જુદા જુદા એકમ છે: તાપમાન પાસે ડિગ્રી સેલ્સિયસ (

^{\circ} C

) અથવા કેલ્વિન (

K

) એકમ છે, અને ઉષ્મા પાસે ઊર્જાનો એકમ, જૂલ (

J

) છે. તાપમાન પ્રણાલીમાં અણુઓ અથવા પરમાણુઓની સરેરાશ ગતિઊર્જાનું માપન છે. ગરમ કોફીના કપમાં પાણીના અણુઓ પાસે આઈસ ટીના કપમાં પાણીના અણુઓ કરતા વધુ સરેરાશ ગતિઊર્જા હોય છે, જેનો અર્થ થાય કે તેઓ વધુ વેગે ગતિ કરી રહ્યા છે. તાપમાન સઘન ગુણધર્મ છે, જેનો અર્થ થાય કે તમારી પાસે ગમે તેટલો પદાર્થ હોય તો પણ તાપમાન બદલાતું નથી (જ્યાં સુધી તે બધા જ સમાન તાપમાને હોય!). તેથી જ રસાયણવિજ્ઞાનીઓ શુદ્ધ પદાર્થ ઓળખવા માટે ગલનબિંદુનો ઉપયોગ કરી શકે

-

તાપમાન જ્યાં તે પીગળે છે એ નમૂનાના દળથી સ્વતંત્ર પદાર્થનો ગુણધર્મ છે.

પરમાણ્વીય સ્તર પર, દરેક પદાર્થમાં અણુઓ સતત ગતિ કરે છે અને એકબીજા સાથે અથડામણ અનુભવે છે. દરેક વખતે અણુઓ અથડાય, ત્યારે ગતિઊર્જાનું વહન થાય છે. જ્યારે બે પ્રણાલીઓ સંપર્કમાં હોય, ત્યારે ગરમ પ્રણાલીથી ઠંડી પ્રણાલી તરફ આણ્વીય અથડામણ વડે ઉષ્માનું વહન થાય છે. જ્યાં સુધી બે પદાર્થો એકસમાન તાપમાને ન આવી જાય ત્યાં સુધી તે દિશામાં તાપીય ઊર્જાનું વહન થશે. જ્યારે સંપર્કમાં રહેલી બે પ્રણાલીઓ એકસમાન તાપમાને હોય, ત્યારે આપણે કહી શકીએ કે તેઓ તાપીય સંતુલનમાં છે.

ઉષ્માગતિશાસ્ત્રનો શૂન્ય ક્રમનો નિયમ: તાપીય સંતુલન વ્યાખ્યાયિત કરવું

ઉષ્માગતિશાસ્ત્રનો શૂન્ય ક્રમનો નિયમ અલગ કરેલી પ્રણાલીની અંદર તાપીય સંતુલનને વ્યાખ્યાયિત કરે છે. શૂન્ય ક્રમનો નિયમ કહે છે કે જ્યારે બે પદાર્થો તાપીય સંતુલન આગળ સંપર્કમાં હોય, ત્યારે પદાર્થોની વચ્ચે ઉષ્માનું વહન થતું નથી; તેથી, તેઓ સમાન તાપમાને છે. શૂન્ય ક્રમનો નિયમ દર્શાવવાની બીજી રીત જ્યારે બે પદાર્થો અલગ અલગ ત્રીજા પદાર્થ સાથે તાપીય સંતુલનમાં હોય, ત્યારે તેઓ એકબીજાની સાથે તાપીય સંતુલનમાં છે.

શૂન્ય ક્રમનો નિયમ આપણને પદાર્થના તાપમાનનું માપન કરવા દે છે. જ્યારે પણ આપણે થર્મોમીટરનો ઉપયોગ કરીએ, ત્યારે આપણે ઉષ્માગતિશાસ્ત્રના શૂન્ય ક્રમનો ઉપયોગ કરીએ છીએ. ધારો કે આપણે પાણીના બાથના તાપમાનનું માપન કરીએ છીએ. અવલોકન યોગ્ય મળે એની ખાતરી કરવા માટે, આપણે સામાન્ય રીતે તાપમાનના અવલોકનને અચળ થવાની રાહ જોઈએ છીએ. આપણે થર્મોમીટર અને પાણીને તાપીય સ્નાતુલન સુધી પહોંચવા પર રાહ જોઈએ છીએ! તાપીય સંતુલન આગળ, થર્મોમીટર બલ્બ અને પાણીના બાથનું તાપમાન સમાન હોય છે, અને એક પદાર્થમાંથી બીજામાં ઉષ્માનું ચોખ્ખું વહન થતું નથી (ધારી લઈએ કે આસપાસ ઉષ્માનો બીજો કોઈ વ્યય નથી).

ઉષ્માધારિતા: ઉષ્મા અને તાપમાનમાં ફેરફાર વચ્ચે ફેરવવું

આપણે ઉષ્માનું માપન કઈ રીતે કરી શકીએ? આપણે અત્યાર સુધી ઉષ્મા વિશે જાણીએ છીએ એ બાબતો અહીં છે:

જ્યારે પ્રણાલી ઉષ્મા ગુમાવે અથવા મેળવે, ત્યારે અણુઓની સરેરાશ ગતિઊર્જા બદલાશે. આમ, ઉષ્માનું વહન પ્રણાલીના તાપમાનના ફેરફારમાં પરિણમે જ્યાં સુધી પ્રણાલી અવસ્થામાં ફેરફાર ન કરે ત્યાં સુધી.
પ્રણાલીમાંથી અથવા તરફ ઉષ્માના વહનને કારણે તાપમાનમાં ફેરફાર પ્રણાલીમાં કેટલા અણુઓ છે એના પર આધાર રાખે છે.

આપણે પ્રણાલીના તાપમાનમાં થતા ફેરફારનું માપન કરવા થર્મોમીટરનો ઉપયોગ કરી શકીએ. આપણે ઉષ્માના સ્થળાંતરણની ગણતરી કરવા તાપમાનમાં ફેરફારનો ઉપયોગ કઈ રીતે કરી શકીએ?

પ્રણાલીમાં ઉષ્માનું સ્થાળંતરણ કઈ રીતે પ્રણાલીના તાપમાનમાં ફેરફાર કરે છે એ શોધવા માટે, આપણે

2

બાબતો જાણવાની જરૂર છે:

પ્રણાલીમાં અણુઓની સંખ્યા
પ્રણાલીની ઉષ્માધારિતા

ઉષ્માધારિતા આપણને અવસ્થામાં કોઈ ફેરફાર થતો નથી એ ધારીને આપેલા પદાર્થના તાપમાનમાં ફેરફાર કરવા કેટલી ઊર્જા જરૂરી છે એ જણાવે છે. ત્યાં મુખ્ય બે રીત છે જેના વડે ઉષ્માધારિતા નોંધી શકાય છે. વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા (વિશિષ્ટ ઉષ્મા પણ કહેવમાં આવે છે), સંજ્ઞા

c

અથવા

C

વડે દર્શાવવામાં આવે છે, એક ગ્રામ પદાર્થનું તાપમાન

1^{\circ} C

અથવા

1 K

વધારવા કેટલી ઊર્જા જરૂરી છે એ છે. વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા પાસે એકમ

\frac{J}{ગ્રામ \cdot K}

હોય છે. મોલર ઉષ્માધારિતા, અથવા, એક મોલ પદાર્થનું તાપમાન

1^{\circ} C

અથવા

1 K

વધારવા તેને જરૂરી તાપીય ઊર્જાના જથ્થાનું માપન કરે છે, અને સામાન્ય રીતે તેનો એકમ

\frac{J}{mol \cdot K}

છે. ઉદાહરણ તરીકે, લેડની ઉષ્માધારિતા,

0.129 \frac{J}{g \cdot K}

, અથવા મોલર ઉષ્માધારિતા,

26.65 \frac{J}{mol \cdot K}

વડે આપવામાં આવે છે.

જ્યારે આપણે કેટલાક અણુઓમાં તાપીય ઊર્જાને ઉમેરીએ ત્યારે આણ્વીય સ્તરે શું થાય છે એના વિશે વિચારીએ. અણુઓની અંદર પરમાણુઓની વચ્ચે તાપીય ઊર્જાનો સંગ્રહ કંપન અને ભ્રમણ તરીકે કરી શકાય, જે પ્રણાલીનું તાપમાન અસરકારક રીતે વધારતું નથી. આ ઊર્જાનો ઉપયોગ આંતરઆણ્વીય આંતરક્રિયાઓમાં વિક્ષેપ પહોંચાડવા અને આખા અણુનો વેગ વધારવા માટે પણ કરી શકાય છે, જે અણુની સ્થળાંતરણ ગતિઊર્જા વધારે.

તાપમાન પ્રાથમિક રીતે પ્રણાલીની સ્થળાંતરણ ગતિઊર્જાનું માપન છે. આણ્વીય બંધારણ અને આંતરઆણ્વીય આંતરક્રિયાઓને આધારે, જુદા જુદા પદાર્થો તાપમાન વધે એ પહેલા કંપન અને ભ્રમણ તરીકે તાપીય ઊર્જાના જુદા જુદા જથ્થાનો સંગ્રહ કરી શકે છે.

ઉષ્માધારિતાનો ઉપયોગ કરીને $q$ ‍ ની ગણતરી

આપણે નીચેના સૂત્રનો ઉપયોગ કરીને દ્રવ્ય વડે શોષાતી અથવા મુક્ત થતી ઉષ્મા નક્કી કરવા માટે ઉષ્માધારિતાનો ઉપયોગ કરી શકીએ:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

જ્યાં

m

પદાર્થનું દળ (ગ્રામમાં),

C

વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા, અને

Δ T

ઉષ્મા વહન દરમિયાન તાપમાનમાં થતો ફેરફાર છે. નોંધો કે દળ અને વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા બંને પાસે ફક્ત ધન કિંમતો જ હોઈ શકે, તેથી

q

ની નિશાની

Δ T

ની નિશાની પર આધાર રાખે છે. આપણે નીચેના સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને

Δ T

ની ગણતરી કરી શકીએ:

$Δ T = T_{અંતિમ} - T_{પ્રારંભિક}$ ‍

જ્યાં

T_{અંતિમ}

અને

T_{પ્રારંભિક}

પાસે એકમ

^{\circ} C

અથવા

K

હોઈ શકે. આ સમીકરણને આધારે, જો

q

ધન હોય (પ્રણાલીની ઊર્જા વધે), તો પ્રણાલી તાપમાનમાં વધારે કરે છે અને

T_{અંતિમ} > T_{પ્રારંભિક}

. જો

q

ઋણ હોય (પ્રણાલીની ઊર્જા ઘટે છે), તો આપણી પ્રણાલીનું તાપમાન ઘટે છે અને

T_{અંતિમ} < T_{પ્રારંભિક}

ઉદાહરણ પ્રશ્ન: ચા ના કપને ઠંડો પાડવો

ધારો કે આપણી પાસે

250 mL

ગરમ ચા છે જેને આપણે પીતા પહેલા ઠંડી પાડવા માંગીએ છીએ. હાલમાં ચા

370 K

આગળ છે, અને આપણે તેને

350 K

સુધી ઠંડુ પાડવા માંગીએ છીએ. ચાને ઠંડી પાડવા માટે ચામાંથી આસપાસ કેટલી તાપીય ઊર્જાનું વહન થવું જોઈએ?

આપણે ધારી લઈએ કે ચા મોટે ભાગે પાણી જ છે, તેથી આપણે આપણી ગણતરીઓમાં પાણીની ઘનતા અને ઉષ્માધારિતાનો ઉપયોગ કરી શકીએ. પાણીની વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા

4.18 \frac{J}{g \cdot K}

છે, અને પાણીની ઘનતા

1.00 \frac{g}{mL}

છે. આપણે નીચેના સ્ટેપનો ઉપયોગ કરીને ઠંડા પાડવાની પ્રક્રિયામાં ઊર્જાના સ્થળાંતરણની ગણતરી કરી શકીએ.

1. પદાર્થના દળની ગણતરી કરવી

આપણે પાણીની ઘનતા અને કદનો ઉપયોગ કરીને ચા/પાણીના દળની ગણતરી કરી શકીએ:

$m = 250 mL \times 1.00 \frac{g}{mL} = 250 g$ ‍

2. તાપમાનમાં ફેરફાર, $Δ T$ ‍ ની ગણતરી કરવી

આપણે અંતિમ અને પ્રારંભિક તાપમાન પરથી તાપમાનમાં ફેરફાર,

Δ T

, ની ગણતરી કરી શકીએ:

$\begin{aligned} Δ T & = T_{અંતિમ} - T_{પ્રારંભિક} \\ = 350 K - 370 K \\ = - 20 K \end{aligned}$ ‍

ચાનું તાપમાન ઘટી રહ્યું છે અને

Δ T

ઋણ છે, તેથી આપણે ધારીએ કે

q

પણ ઋણ હોય કારણકે આપણી પ્રણાલી તાપીય ઊર્જા ગુમાવી રહી છે.

3. $q$ ‍ માટે ઉકેલવું

હવે આપણે ઉષ્મા માટેના સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને ગરમ ચા પરથી ઉષ્માના વહન માટે ઉકેલી શકીએ:

$\begin{aligned} q & = m \times C \times Δ T \\ = 250 g \times 4.18 \frac{J}{g \cdot K} \times - 20 K \\ = - 21000 J \end{aligned}$ ‍

આમ, આપણે ગણતરી કરી કે જ્યારે ચાને

370 K

થી

350 K

સુધી ઠંડી પાડવામાં આવે ત્યારે તે આસપાસ

21000 J

ઊર્જાનું વહન કરશે.

તારણ

ઉષ્માગતિશાસ્ત્રમાં, ઉષ્મા અને તાપમાન ચોક્કસ વ્યાખ્યાઓ સાથે નજીકથી સંબંધિત સંકલ્પનાઓ છે.

ઉષ્મા, $q$ ‍, એકબીજાના સંપર્કમાં રહેલી ગરમ પ્રણાલીથી ઠંડી પ્રણાલી તરફ વાહન પામતી તાપીય ઊર્જા છે.
પ્રણાલીમાં અણુઓ/પરમાણુઓની સરેરાશ ગતિઊર્જાનું માપન તાપમાન છે.
ઉષ્માગતિશાસ્ત્રનો શૂન્ય ક્રમનો નિયમ કહે છે કે તાપીય સંતુલનમાં બે પદાર્થો વચ્ચે કોઈ ઉષ્માનું વહન થતું નથી; તેથી, તેઓ સમાન તાપમાને છે.
આપણે નીચેના સમીકરણમાં વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા $C$ ‍, પદાર્થનું દળ $m$ ‍, અને તાપમાનમાં થતા ફેરફાર $Δ T$ ‍ નો ઉપયોગ કરીને મુક્ત થતી કે શોષાતી ઉષ્માની ગણતરી કરી શકીએ:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

એટ્રીબ્યુશન

આ આર્ટીકલ નીચના આર્ટીકલ પરથી લેવામાં આવ્યો છે:

“ઉષ્માગતિશાસ્ત્રનો પરિચય” from Boundless Chemistry, CC BY-SA 4.0.
"ઉષ્માગતિશાસ્ત્ર શૂન્ય ક્રમનો નિયમ" from Boundless Physics, CC BY-SA 4.0.
"ઉષ્માધારિતા" from UC Davis ChemWIki, CC BY-NC-SA 3.0 US.

The modified article is licensed under a CC-BY-NC-SA 4.0 license.

વધારાના રેફરન્સ

Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા: ગરમ કરવું અને ઠંડુ પડવું. In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructor's Edition (9th ed., pp. 184-189). Stamford, CT: Cengage Learning.

વાર્તાલાપમાં જોડાવા માંગો છો?

લોગ ઇન

વડે ગોઠવવું:

No posts yet.

શું તમે અંગ્રેજી સમજો છો? ખાનએકેડેમીની અંગ્રેજીની સાઇટ પર વધુ ચર્ચા થતી જોવા માટે અહીં ક્લિક કરો.

રસાયણવિજ્ઞાન લાઈબ્રેરી

Course: રસાયણવિજ્ઞાન લાઈબ્રેરી > Unit 15

મુખ્ય બાબતો

ઉષ્માગતિશાસ્ત્રમાં ઉષ્મા

ઉષ્મા અને તાપમાન વચ્ચેનો સંબંધ

ઉષ્માગતિશાસ્ત્રનો શૂન્ય ક્રમનો નિયમ: તાપીય સંતુલન વ્યાખ્યાયિત કરવું

ઉષ્માધારિતા: ઉષ્મા અને તાપમાનમાં ફેરફાર વચ્ચે ફેરવવું

ઉષ્માધારિતાનો ઉપયોગ કરીને q‍ ની ગણતરી

ઉદાહરણ પ્રશ્ન: ચા ના કપને ઠંડો પાડવો

1. પદાર્થના દળની ગણતરી કરવી

2. તાપમાનમાં ફેરફાર, ΔT‍ ની ગણતરી કરવી

3. q‍ માટે ઉકેલવું

તારણ

વાર્તાલાપમાં જોડાવા માંગો છો?

ઉષ્માધારિતાનો ઉપયોગ કરીને $q$ ‍ ની ગણતરી

2. તાપમાનમાં ફેરફાર, $Δ T$ ‍ ની ગણતરી કરવી

3. $q$ ‍ માટે ઉકેલવું