Gujarat Board GSEB Textbook Solutions Class 11 Physics Chapter 12 થરોડાયનેમિક્સ Textbook Questions and Answers.
Gujarat Board Textbook Solutions Class 11 Physics Chapter 12 થરોડાયનેમિક્સ
GSEB Class 11 Physics થરોડાયનેમિક્સ Text Book Questions and Answers
પ્રશ્ન 1.
એક મિનિટમાં 3.0 લિટરના દરથી પસાર થતા પાણીને ગીઝર 27°Cથી 77°C સુધી ગરમ કરે છે. જો ગીઝર, ગૅસ-બર્નર પર કાર્ય કરતું હોય અને બળતણ (Combustion) ઉષ્મા 4.0 × 104 J/g હોય, તો બળતણના વપરાશનો દર કેટલો હશે ? પાણીની વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા \(\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{g}^{\circ} \mathrm{C}}\) છે.
ઉકેલ:
ગીઝરની અંદર પસાર થતા પાણીના વહનનો દર અર્થાત્ કદ-ફ્લક્સ (\(\frac{V}{\Delta t}\)) = 3\(\frac{\mathrm{L}}{\mathrm{min}}\) = 3 × 10-3 \(\frac{\mathrm{m}^3}{\mathrm{~min}}\) (∵ 1 L = 10-3 m3 )
- પાણીની ઘનતા ρ = 103 \(\frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{m}^3}\)
- ગીઝરની અંદર પસાર થતા પાણીનું દળ-ફ્લક્સ,
(\(\frac{m}{\Delta t}\)) = ρ(\(\frac{V}{\Delta t}\)) = 103 × 3 × 10-3 = 3\(\frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{min}}\) - પાણીના તાપમાનમાં થતો વધારો,
ΔT = 77°C – 27°C
= 50°C - પાણીની વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા,
s = 4.2\(\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{g}^{\circ} \mathrm{C}}\) = 4.2\(\frac{\mathrm{J}}{10^{-3} \mathrm{~kg}{ }^{\circ} \mathrm{C}}\) = 4.2 × 103\(\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}{ }^{\circ} \mathrm{C}}\) - ગૅસ-બર્નર વડે પૂરી પડાતી ઉષ્માનો દર,
(\(\frac{\Delta Q}{\Delta t}\)) = (\(\frac{m}{\Delta t}\)) s Δ T
= 3 × 4.2 × 103 × 50
= 63 × 104\(\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{min}}\)
(એટલે કે ગૅસ-બર્નર વડે 1 minમાં પૂરી પડાતી ઉષ્મા = 63 × 104 J) - હવે, બળતણ ઉષ્મા = 4.0 × 104\(\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{g}}\)
= 4.0 × 104\(\frac{\mathrm{J}}{10^{-3} \mathrm{~kg}}\)
= 4.0 × 107\(\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}}\)
(એટલે કે 1 kg બળતણનું દહન થાય, તો 4.0 × 107J ઉષ્મા ઉત્પન્ન થાય.)
∴ બળતણના વપરાશનો દર = \(\frac{63 \times 10^4 \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{min}}}{4.0 \times 10^7 \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}}}\)
= 15.75 × 10-3\(\frac{\mathrm{kg}}{\mathrm{min}}\)
= 15.75\(\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{min}}\)
પ્રશ્ન 2.
અચળ દબાણે (અને ઓરડાના તાપમાને) રહેલા 2.0 × 10-2 kg નાઇટ્રોજનનું તાપમાન 45°C જેટલું વધારવા માટે કેટલી ઉષ્મા આપવી પડશે?
(N2 અણુભાર = 28; R = 8.3 J mol-1 K-1)
ઉકેલ:
અહીં, દબાણ P = અચળ, તાપમાનનો ફેરફાર (વધારો) ΔT = 45 °C = 45 K
N2 વાયનું દળ m = 2.0 × 10-2kg
N2નો અણુભાર M = 28 gmol-1 = 28 × 10-3kgmol-1
∴ N2 વાયુની મોલ-સંખ્યા μ = \(\frac{m}{\mathrm{M}}=\frac{2.0 \times 10^{-2} \mathrm{~kg}}{28 \times 10^{-3} \mathrm{~kg} \mathrm{~mol}^{-1}}\)
\(\frac{20}{28}\) mol
અચળ દબાણે N2 વાયુની મોલર વિશિષ્ટ ઉષ્માધારિતા,
Cp\(\frac{7}{2}\)R =( \(\frac{7}{2}\) × 8.3) J mol-1k-1
(∵ N2 વાયુ દ્વિપરમાણ્વિક છે, પણ rigid rotator નથી.) N2 વાયુને આપવી પડતી ઉષ્મા,
ΔQ = μ CpΔT
= (\(\frac{20}{28}\) mol) × (\(\frac{7}{2}\) × 8.3 J mol-1 K-1) × (45 K)
= 933.75 J
≈ 934 J
પ્રશ્ન 3.
સમજાવો :
(a) T1 અને T2 તાપમાન ધરાવતા બે પદાર્થોને તાપીય સંપર્કમાં લાવતાં સ્થાયી અવસ્થામાં તેમનું સરેરાશ તાપમાન \(\frac{\left(T_1+T_2\right)}{2}\) હોવું જરૂરી નથી.
(b) રાસાયણિક કે ન્યુક્લિઅર પ્લાન્ટમાં રહેલા કુલન્ટ (પ્લાન્ટના જુદા જુદા ભાગોને અતિશય ગરમ થતાં રોકે તેવું પ્રવાહી)ની વિશિષ્ટ ઉષ્મા વધુ હોવી જોઈએ.
(c) કાર ચલાવતી વખતે તેના ટાયરમાં દબાણ વધે છે.
(d) દરિયાકિનારે આવેલ બંદર(Harbour)નું વાતાવરણ સમાન અક્ષાંશ ધરાવતા રણમાં આવેલા શહેર કરતાં ગરમ (ઉષ્ણ) હોય છે.
ઉત્તર:
(a) કારણ કે, જ્યારે T1 અને T2 તાપમાને રહેલા બે જુદા જુદા પદાર્થોને એકબીજાના તાપીય સંપર્કમાં લાવવામાં આવે છે, ત્યારે ઉષ્મા વધુ તાપમાનવાળા પદાર્થ તરફથી નીચા તાપમાનવાળા પદાર્થ તરફ ત્યાં સુધી વહે છે, જ્યાં સુધી બંનેના તાપમાન એકસમાન ન થાય.
હવે, સ્થાયી અવસ્થામાં બંને પદાર્થોનું સરેરાશ તાપમાન \(\frac{\left(T_1+T_2\right)}{2}\) જેટલું (સમાન) ત્યારે જ હોય, જ્યારે બંને પદાર્થોની ઉષ્માધારિતા S = \(\frac{\Delta Q}{\Delta T}\) (અથવા વિશિષ્ટ ઉષ્મા s × દળ m)નાં મૂલ્યો સમાન હોય. પરંતુ અહીં પ્રશ્નમાં તેમ જણાવેલ નથી. તેથી સ્થાયી અવસ્થામાં આપેલ બંને પદાર્થોનું સરેરાશ તાપમાન \(\frac{\left(T_1+T_2\right)}{2}\) જેટલું હોવું જરૂરી નથી.
મહત્ત્વની નોંધ
m1 અને m2 દળવાળા તથા S1 અને S2 જેટલી વિશિષ્ટ ઉષ્મા ધરાવતા બે પદાર્થો A અને B અનુક્રમે T1 અને T2 તાપમાને છે. જ્યાં, T1 > T2.
આ બે પદાર્થોનો એકબીજા સાથે તાપીય સંપર્ક કરાવતાં, કૅલરિમેટ્રીના સિદ્ધાંત અનુસાર
(A પદાર્થ દ્વારા ગુમાવાતી ઉષ્મા) = (B પદાર્થ દ્વારા મેળવાતી ઉષ્મા)
∴ m1S1 (T1 – T) = m2S2 (T – T2)
જ્યાં, T ઉષ્મીય સંતુલિત અવસ્થામાંનું તાપમાન
∴ T = \(\frac{m_1 s_1 T_1+m_2 s_2 T_2}{m_1 s_1+m_2 s_2}\)
(1) જો બે પદાર્થો એક જ દ્રવ્યના હોય, તો S1 = S1
∴ T = \(\frac{m_1 T_1+m_2 T_2}{m_1+m_2}\)
(2) જો બે પદાર્થોના દળ સમાન હોય, તો mi
∴ T = \(\frac{S_1 T_1+S_2 T_2}{s_1+s_2}\)
(3) જો બે પદાર્થો એક જ દ્રવ્યના હોય અને તેમના દળ (દ્રવ્યમાન) એકસમાન હોય, તો
m1 = m2, S1 = S2
∴ T = \(\frac{T_1+T_2}{2}\)
(b) રાસાયણિક કે ન્યુક્લિઅર પ્લાન્ટમાં કુલન્ટ (શીતક) વાપરવાનો હેતુ, પ્લાન્ટના જુદા જુદા ભાગોને અતિશય ગરમ થતા અટકાવવાનો છે.
તે માટે કુલન્ટનું પોતાનું તાપમાન ખૂબ ન વધવું જોઈએ અને તેના વડે વધુ ઉષ્માનું શોષણ પણ થવું જોઈએ. જો કુલન્ટની વિશિષ્ટ ઉષ્મા s વધુ હોય, તો ΔQ = ms Δ T સૂત્ર પરથી આપેલ m અને ΔQ માટે તેના તાપમાનમાં થતો વધારો ΔT નાનો હોય. પરિણામે પ્લાન્ટના જુદા જુદા ભાગો અતિશય ગરમ થતા અટકે.
(c) જ્યારે કાર રસ્તા પર ચાલતી હોય છે ત્યારે કારના ટાયર અને રસ્તા વચ્ચેના ઘર્ષણના કારણે કારના ટાયર ગરમ થાય છે. તેથી ટાયરમાંની હવાનું તાપમાન વધે છે.
ટાયરમાંની હવાનું કદ V અચળ રહેતું હોવાથી ગેલ્યુસેકના નિયમ P ∝ T પરથી ટાયરની અંદર હવાનું દબાણ સહેજ વધે છે.
(d) સમાન અક્ષાંશવાળા રણમાં આવેલ શહેર અને દરિયાકિનારે આવેલ બંદર પૈકી બંદર પાસે સાપેક્ષ આર્દ્રતા (ભેજ) વધુ હોય છે. આથી દરિયાકિનારે આવેલ બંદર પાસે વધારે ભેજવાળી હવા હોવાથી ત્યાં ગરમાવો વધુ હોય છે.
પ્રશ્ન 4.
ખસી શકે તેવો પિસ્ટન ધરાવતા એક નળાકાર પાત્રમાં પ્રમાણભૂત તાપમાન અને દબાણે 3 મોલ હાઇડ્રોજન રહેલો છે. નળાકાર પાત્રની દીવાલો ઉષ્મા અવાહક પદાર્થની બનેલી છે અને પિસ્ટન પર રેતીનો ઢગલો કરીને અવાહક બનાવ્યો છે. જો વાયુને તેના કદ કરતાં અડધા કદ સુધી સંકોચિત કરવામાં આવે, તો વાયુનું દબાણ કેટલા પ્રમાણમાં બદલાશે?
ઉકેલ:
અહીં, ઉષ્માનો વિનિમય (આપ-લે) થતો નથી. તેથી પ્રક્રિયા સમોષ્મી છે.
∴ P1V1γ = P2V2γ
∴ (\(\frac{P_2}{P_1}\)) = (\(\frac{V_1}{V_2}\))γ
પણ અહીં V2 = \(\frac{V_1}{2}\) આપેલ છે અને હાઇડ્રોજન વાયુ દ્વિપરમાણ્વિક હોવાથી તેના માટે
γ = \(\frac{7}{5}\) = 1.4
∴ (\(\frac{P_2}{P_1}\)) = (\(\frac{V_1}{\frac{V_1}{2}}\))1.4
∴ (\(\frac{P_2}{P_1}\)) = 21.4
બંને બાજુ log લેતાં,
log (\(\frac{P_2}{P_1}\)) = log (21.4)
= 1.4 log (2)
= 1.4 × (0.3010) = 0.4214
Antilog લેતાં,
(\(\frac{P_2}{P_1}\)) = Antilog (0.4214) = 2.638
\(\frac{P_2}{P_1}\) ≈ 2.64
∴ P2 ≈ 2.64 P1
આમ, હાઇડ્રોજન વાયુનું નવું દબાણ, પહેલાંના દબાણ કરતાં 2.64 ગણું થશે.
પ્રશ્ન 5.
એક વાયુને સંતુલિત અવસ્થા Aથી સમોષ્મી રીતે સંતુલિત અવસ્થા B સુધી લઈ જવા માટે, તંત્ર પર થયેલ કાર્ય 22.3 J જેટલું છે. જો તંત્રને Aથી B સ્થિતિ સુધી એવી રીતે લઈ જવામાં આવે કે જેથી તેમાં શોષાયેલી ચોખ્ખી ઉષ્મા 9.35 cal હોય, તો બીજા કિસ્સામાં તંત્ર વડે કેટલું ચોખ્ખું કાર્ય થયું હશે? (1 cal = 4.19 J લો.)
ઉકેલ:
પ્રથમ કિસ્સામાં (સમોષ્મી પ્રક્રિયા વખતે),
Δ Q = 0
Δ W = – 22.3 J (∵ તંત્ર પર કાર્ય થાય છે.)
થરમૉડાયનેમિક્સના પ્રથમ નિયમ Δ Q = Δ U + Δ W પરથી પ્રથમ કિસ્સામાં તંત્રની આંતરિક ઊર્જામાં થતો ફેરફાર,
Δ U = Δ Q – Δ W
= 0 – (- 22.3 J) = + 22.3 J
બીજા કિસ્સામાં પ્રથમ અને બીજા બંને કિસ્સાઓની પ્રક્રિયાઓ વખતે તંત્રની પ્રારંભિક અને અંતિમ અવસ્થાઓ અનુક્રમે A અને B જ છે, જે બદલાતી નથી. તેથી તંત્રની આંતરિક ઊર્જામાં થતો ફેરફાર પ્રથમ કિસ્સામાં જે હતો તે જ બીજા કિસ્સામાં પણ હશે.
∴ Δ U = 22.3 J
બીજા કિસ્સામાં, Δ Q = 9.35 cal
= 9.35 × 4.19 J
= 39.2 J
થરમૉડાયનેમિક્સના પ્રથમ નિયમ Δ Q = Δ U + A W પરથી
બીજા કિસ્સામાં થતું કાર્ય,
Δ W = Δ Q – Δ U
= 39.2 – 22.3
= + 16.9 J
આ કાર્ય Δ Wનું મૂલ્ય ધન મળે છે. તેથી તે તંત્ર વડે પરિસર પર થયેલું ચોખ્ખું કાર્ય સૂચવે છે.
પ્રશ્ન 6.
એકસરખી ક્ષમતા ધરાવતાં બે નળાકાર પાત્રો A અને Bને એકબીજા સાથે સ્ટૉપકૉક (બંધ કરી શકાય તેવા કૉક) વડે જોડેલા છે. Aમાં વાયુ પ્રમાણભૂત તાપમાન અને દબાણે રહેલો છે. B સંપૂર્ણ રીતે ખાલી (Evacuated) છે. આખું તંત્ર તાપીય રીતે અલિપ્ત (અલગ) કરેલું છે. સ્ટૉપકૉકને અચાનક ખોલવામાં આવે છે. નીચેના પ્રશ્નોના ઉત્તર આપો :
(a) A અને Bમાં અંતિમ દબાણ કેટલું હશે?
(b) વાયુની આંતરિક ઊર્જામાં કેટલો ફેરફાર થયો હશે?
(c) વાયુના તાપમાનમાં કેટલો ફેરફાર થયો હશે?
(d) શું તંત્રની વચ્ચેની અવસ્થાઓ (અંતિમ સંતુલિત અવસ્થામાં
સ્થિર થતાં પહેલાં) તેના P – V – T સપાટી પર હશે?
ઉત્તર:
(a) ધારો કે, A અને B બંને નળાકાર પાત્રોનાં કદ V જેટલા એકસરખા છે.
- A નળાકારમાં મૂકેલા વાયુનું દબાણ P1 = P = 1 atm અને કદ V1 = V છે.
- જ્યારે સ્ટૉપકૉકને અચાનક ઝડપથી ખોલવામાં આવે છે ત્યારે વાયુને પહેલાં કરતાં બમણું કદ રહેવા માટે મળે છે. તેથી વાયુનું કદ V2 = 2V થાય.
- પણ આખું તંત્ર તાપીય રીતે અલિપ્ત (અલગ) કરેલું છે. તેથી ઉપરોક્ત પ્રક્રિયા દરમિયાન સમગ્ર તંત્રનું તાપમાન બદલાશે નહીં, એટલે કે આ પ્રક્રિયા સમતાપી હશે.
- સમતાપી પ્રક્રિયા માટે બૉઇલના નિયમ પરથી,
P1V1 = P2V2
∴ P2 = \(\frac{P_1 V_1}{V_2}\)
= \(\frac{P V}{2 V}\)
= \(\frac{P}{2}=\frac{1 \mathrm{~atm}}{2}\) = 0.5 atm
આમ, A અને B બંને પાત્રોમાં વાયુનું અંતિમ દબાણ 0.5 atm જેટલું થશે.
(b) આ એક સમતાપી પ્રક્રિયા છે, જે વાયુના મુક્ત પ્રસરણનો કિસ્સો છે.
વાયુના મુક્ત પ્રસરણના કિસ્સામાં વાયુ વડે કે વાયુ ઉપર કોઈ કાર્ય થતું નથી, અર્થાત્ Δ W = 0.
તથા સમગ્ર તંત્ર તાપીય રીતે પરિસરથી અલિપ્ત (અલગ) કરેલું છે. તેથી ઉષ્માનો વિનિમય પણ થતો નથી, અર્થાત્ Δ Q = 0.
∴ થરમૉડાયનેમિક્સના પ્રથમ નિયમ Δ Q = Δ U + Δ W પરથી, Δ U = 0 અર્થાત્ વાયુની આંતરિક ઊર્જામાં ફેરફાર થતો નથી.
(c) અહીં, વાયુના મુક્ત પ્રસરણ વખતે વાયુ વડે કે વાયુ પર કાર્ય થતું નથી અને સમગ્ર તંત્ર તાપીય રીતે અલગ કરેલું હોવાથી વાયુના તાપમાનમાં થતો ફેરફાર, Δ T = 0.
(d) ના.
વાયુનું મુક્ત પ્રસરણ હંમેશાં ઝડપી અને અનિયંત્રિત હોય છે. તેથી વાયુ (તંત્ર) વચગાળાની અસંતુલિત અવસ્થાઓમાંથી પસાર થશે, એટલે કે વાયુની વચગાળાની અવસ્થાઓ વાયુ-સમીકરણને અનુસરતી નથી. તેથી વાયુની આવી (અસંતુલિત) અવસ્થાઓ P – V – T સપાટી પર નિર્દેશિત કરી શકાતી નથી.
પ્રશ્ન 7.
એક વરાળયંત્ર એક મિનિટમાં 5.4 × 108 J કાર્ય આપે છે અને તેના બૉઇલરમાંથી એક મિનિટમાં 3.6 × 109 J ઉષ્મા પૂરી પાડે છે. એન્જિનની કાર્યક્ષમતા કેટલી હશે? એક મિનિટમાં કેટલી ઉષ્મા વેડફાતી હશે?
ઉકેલ:
અહીં,
1 મિનિટમાં મળતું કાર્ય W = 5.4 × 108,J
1 મિનિટમાં બૉઇલરમાંથી શોષાતી ઉષ્મા Q1 = 3.6 × 109 J
વરાળયંત્રની કાર્યક્ષમતા,
η = \(\frac{W}{Q_1}\)
= \(\frac{5.4 \times 10^8}{3.6 \times 10^9}\)
= \(\frac{3}{20}\)
= 0.15 = 15%
1 મિનિટમાં વેડફાતી ઉષ્મા = Q1 – W
= 3.6 × 109 – 5.4 × 108
= (36 – 5.4) × 108J
= 30.6 × 108 J
≈ 3.1 × 109 J
પ્રશ્ન 8.
એક ઇલેક્ટ્રિક હીટર, તંત્રને 100 Wના દરથી ઉષ્મા પૂરી પાડે છે. જો તંત્ર એક સેકન્ડમાં 75 Jના દરથી કાર્ય કરતું હોય, તો તેની આંતરિક ઊર્જાનો વધવાનો દર કેટલો હશે?
ઉકેલ:
ઇલેક્ટ્રિક હીટર વડે તંત્રને પૂરી પડાતી ઉષ્માનો દર,
\(\frac{\Delta Q}{\Delta t}\) = 100 W = 100 J s-1
તંત્ર દ્વારા થતા કાર્યનો દર, \(\frac{\Delta W}{\Delta t}\) = 75 J s-1
તંત્રની આંતરિક ઊર્જામાં થતા ફેરફારનો દર \(\frac{\Delta U}{\Delta t}\) = ?
થરમૉડાયનેમિક્સના પ્રથમ નિયમ Δ Q = Δ U + Δ W પરથી,
Δ U = Δ Q – Δ W
∴ \(\frac{\Delta U}{\Delta t}=\frac{\Delta Q}{\Delta t}-\frac{\Delta W}{\Delta t}\)
= 100 – 75
= 25 J s-1
= 25 W
પ્રશ્ન 9.
આકૃતિ 12.35માં દર્શાવ્યા મુજબ એક થરમૉડાયનેમિક તંત્રને તેની પ્રારંભિક અવસ્થાથી વચગાળાની (Intermediate) અવસ્થા E સુધી રેખીય પ્રક્રિયા દ્વારા લઈ જવામાં આવે છે.
ત્યારબાદ તેનું કદ E થી F સુધી સમદાબ પ્રક્રિયા દ્વારા ઘટાડીને મૂળ મૂલ્ય સુધી લાવવામાં આવે છે. વાયુ દ્વારા D થી E અને પછી E થી F સુધીમાં થયેલ કુલ કાર્ય ગણો.
ઉકેલઃ
DE પ્રક્રિયામાં થતું કાર્ય W1 = + (DEHGDનું ક્ષેત્રફળ) (∵ તંત્રનું કદ વધે છે.)
∴ W1 + [ΔDEFનું ક્ષેત્રફળ + લંબચોરસ EHGFનું ક્ષેત્રફળ]
= +[\(\frac{1}{2}\) (600 – 300) × (5 – 2) + 300 × (5 – 2)]
= +[450 + 900]
= + 1350 J
EF પ્રક્રિયામાં થતું કાર્ય W2 – [લંબચોરસ EHGFનું ક્ષેત્રફળ] (∵ તંત્રનું કદ ઘટે છે.)
= -[300 × (5 – 2)]
= – 900 J
∴ D થી E અને પછી E થી F સુધીમાં થયેલું કુલ કાર્ય
(ચોખ્ખું કાર્ય)
W = W1 + W2
= 1350 – 900
= + 450 J
અહીં, સમગ્ર પ્રક્રિયા દરમિયાન થતું કુલ કાર્ય ધન છે. તેથી આ કાર્ય તંત્ર (વાયુ) દ્વારા થાય છે.
આમ, D થી E અને પછી E થી F સુધીમાં વાયુ દ્વારા થતું કુલ કાર્ય W = 450 J.
પ્રશ્ન 10.
એક રેફ્રિજરેટરમાં રાખેલ ખોરાકને 9°C તાપમાને સાચવવાનો છે. જો ઓરડાનું તાપમાન 36 °C હોય, તો રેફ્રિજરેટરનો પરફોર્મન્સ-ગુણાંક (કાર્યસિદ્ધિ-ગુણાંક) શોધો.
ઉકેલ:
ઓરડાનું તાપમાન,
T1 = 36 °C = 36 + 273 = 309 K
રેફ્રિજરેટરનું અંદરનું તાપમાન,
T2 = 9 °C = 9 + 273 = 282 K
રેફ્રિજરેટરનો પરફોર્મન્સ-ગુણાંક (કાર્યસિદ્ધિ-ગુણાંક),
α = \(\frac{T_2}{T_1-T_2}\)
= \(\frac{282}{309-282}\)
= \(\frac{282}{27}\)
= 10.4