AP Inter 1st Year Physics Study Material Chapter 13 ఉష్ణోగతిక శాస్త్రం

Andhra Pradesh BIEAP AP Inter 1st Year Physics Study Material 13th Lesson ఉష్ణోగతిక శాస్త్రం Textbook Questions and Answers.

AP Inter 1st Year Physics Study Material 13th Lesson ఉష్ణోగతిక శాస్త్రం

అతిస్వల్ప సమాధాన ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 1.
ఉష్ణ సమతాస్థితిని నిర్వచించండి. ఇది ఉష్ణగతిక శాస్త్ర శూన్యాంక నియమానికి ఎలా దారితీసిందో తెలపండి.
జవాబు:
రెండు వ్యవస్థల ఉష్ణోగ్రతలు సమానమయితే, అవి రెండు ఉష్ణసమతాస్థితిలో ఉన్నాయి అంటారు.

ఉష్ణగతిక శూన్యంక నియమము :
రెండువ్యవస్థలు (A, B)విడివిడిగా మూడవ వ్యవస్థ (C)తో ఉష్ణ సమతాస్థితిలో ఉంటే, ఆ రెండు వ్యవస్థలు ఒకదానికొకటి ఉష్ణ సమతాస్థితిలో ఉంటాయి.

ప్రశ్న 2.
కెలోరిని నిర్వచించండి. కెలోరి, ఉష్ణయాంత్రిక తుల్యాంకాల మధ్య గల సంబంధం ఏమిటి ?
జవాబు:
కెలోరి : ఒకగ్రాము నీటి ఉష్ణోగ్రతను 14.5°C నుండి 15.5°C వరకు పెంచుటకు కావల్సిన ఉష్ణరాశిని కెలోరి అంటారు. ఉష్ణ యాంత్రిక తుల్యాంకము (J) మరియు కెలోరిల మధ్య సంబంధం 1 = 4.186 జౌల్/ కెలోరి.

ప్రశ్న 3.
a) శూన్యాంక నియమం, b) మొదటి నియమాల వల్ల ఏ ఉష్ణగతిక చరరాశులు నిర్వచించడమైంది?
జవాబు:
a) ఉష్ణోగ్రత
b) ఆంతరిక శక్తి

ప్రశ్న 4.

పదార్థ విశిష్టోష్ణ సామర్థ్యాన్ని నిర్వచించండి.
జవాబు:
విశిష్టోష్ణ సామర్థ్యం :
ప్రమాణ ద్రవ్యరాశి గల పదార్థము యొక్క ఉష్ణోగ్రతను 1°C లేదా 1° k పెంచుటకు కావల్సిన ఉష్ణరాశిని, ఆ పదార్థము విశిష్టోష్ణ సామర్థ్యం అంటారు.
S = \(\frac{1}{m} \frac{\Delta Q}{\Delta T}\)
ఇది 1) పదార్థ స్వభావం 2) ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడును.

ప్రశ్న 5.
మోలార్ విశిష్టోష్ణ సామార్థ్యాన్ని నిర్వచించండి.
జవాబు:
ఒక గ్రామ్- మోల్ పదార్థ ఉష్ణోగ్రతను 1 °C లేక 1°K పెంచటానికి కావల్సిన ఉష్ణరాశిని మోలార్ విశిష్టోష్ణం అంటారు.

ప్రశ్న 6.
ఒక ఘన పదార్థంలో ఒక డోలకం మొత్తం శక్తి ఎంత?
జవాబు:
ఒక మోల్ ఘనపదార్థమునకు, డోలకం మొత్తం శక్తి, U = 3K_B T × N_A = 3RT.

ప్రశ్న 7.
నీటి విశిష్టోష్ణం ఉష్ణోగ్రతతో పాటు మారడాన్ని తెలియచేసే గ్రాఫ్ను సూచించండి. ఇది దేనిని తెలియచేస్తుంది?
జవాబు:
ప్రాముఖ్యత :
నీటి విశిష్టోష్ణం, 0°C నుండి 100°C వ్యాప్తిలో స్వల్పంగా మారును.

ప్రశ్న 8.
స్థితి చరరాశులను, స్థితి సమీకరణాన్ని నిర్వచించండి.
జవాబు:
స్థితి చరరాశులు(State variables) :
పీడనం P, ఉష్ణోగ్రత T, సాంద్రత p (ఇంటెన్సివ్ కారకాలు) మరియు అంతరికశక్తి U, ఘనపరిమాణం, V మొత్తం ద్రవ్యరాశి M (ఎక్స్టెన్సివ్ కారకాలు) లు వ్యవస్థ స్థితిని వివరించును. వీటిని స్థితి చర రాశులు అంటారు.

స్థితి సమీకరణం : స్థితి, చరరాశుల మధ్య సంబంధంను తెల్పే సమీకరణంను స్థితి సమీకరణం అంటారు.

ప్రశ్న 9.
100% దక్షతతో పనిచేసే ఉష్ణయంత్రాన్ని తయారు చేయడం సాధ్యం కాదు. ఎందుకు ?
జవాబు:
ఉష్ణయంత్రం’ దక్షత η = 1 – \(\frac{Q_2}{Q_1}\)

Q₂ = 0, η  = 1, i.e., యంత్రం, ఉష్ణాన్ని పనిగా మార్చి 100% దక్షత కలిగి ఉండును. ఇటువంటి యంత్రము ఉష్ణగతిక ప్రథమ నియమాన్ని వ్యతిరేఖించదు. కాని అనుభవ పూర్వకంగా η = 1 గల ఆదర్శ యంత్రం సాధ్యపడదు.

ప్రశ్న 10.
వేసవి కాలంలో సైకిల్ ట్యూబ్ నుంచి గాలిని తొలగిస్తున్నప్పుడు ఆ గాలి చల్లగా అనిపించడానికి కారణం ఏమిటి?
జవాబు:
సైకిలో ట్యూబ్లో గాలి బయటకు వచ్చినపుడు స్థిరోష్ణక వ్యాకోచం వల్ల గాలి చల్లగా ఉండును.

ప్రశ్న 11.
ఒక మోటారు వాహనాన్ని ఏటవాలు రోడ్డుపై దిగువకు స్థిరవడితో ప్రయాణం చేసేటట్లు బ్రేకులను ఉపయోగిస్తే బ్రేక్ డ్రమ్ములు ఎందుకు వేడెక్కుతాయి?
జవాబు:
బ్రేక్ డ్రమ్, చక్రంపై చేయుపని ఘర్షణవల్ల ఉష్ణంగా మారును.

ప్రశ్న 12.
విద్యుత్ శీతలీకరణ యంత్రాన్ని (రిఫ్రిజిరేటర్) తెరచి ఉంచి గదిని చల్లబరచడం సాధ్యమవుతుందా?
జవాబు:
విద్యుత్ శీతలీకరణ యంత్రం : తలుపును తెరిచిన గది చల్లబడక, గది స్వల్పంగా వేడెక్కును.

ప్రశ్న 13.
వ్యవస్థ ఘనపరిమాణాన్ని 50%కి తగ్గించినప్పుడు, స్థిరోష్టక లేదా సమఉష్ణోగ్రతా ప్రక్రియలలో దేనిలో పీడనం అధికంగా పెరుగుతుంది?
జవాబు:
సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియ P₁V₂ = P₂V₂ను పాటించును.

∴ సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియ కన్నా స్థిరోష్ణక ప్రక్రియలో పీడనము ఎక్కువ.

ప్రశ్న 14.
ఒక థర్మాస్ ఫ్లాస్లో ఉన్న ద్రవాన్ని బాగా కుదిపితే, దాని ఉష్ణోగ్రత ఏమవుతుంది?
జవాబు:
థర్మాస్ ప్లాస్క్ లో ఉన్న ద్రవాన్ని బాగా కుదిపితే, ద్రవముపై జరిగిన పని దాని అంతర్గత శక్తిగా మారుతుంది. అందువల్ల ద్రవం యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది.

ప్రశ్న 15.
వాయువుతో నిండి ఉన్న గొట్టంలోకి ఒక ధ్వని తరంగాన్ని పంపితే దాని అంతరిక శక్తి మారుతుందా?
జవాబు:
ధ్వని తరంగాన్ని, వాయు గొట్టం లోనికి పంపితే అంతరిక శక్తి పెరుగును.

ప్రశ్న 16.
i) సమ ఉష్ణోగ్రతా ప్రక్రియ
ii) స్థిరోష్ణక ప్రక్రియలలో అంతరిక శక్తిలోని మార్పు ఎంత?
జవాబు:
i) సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియలో అంతరిక శక్తిలో మార్పు, dU = 0 [∵ U స్థిరాంకం]

ii) a) స్థిరోష్ణక సంకోచంలో అంతరిక శక్తిలోమార్పు పెరుగును.
b) స్థిరోష్ణక వ్యాకోచంలో అంతరిక శక్తిలో మార్పు తగ్గును.

ప్రశ్న 17.
రసాయనిక లేదా అణుకేంద్రాలలో వాడే శీతలీకరణి అధిక విశిష్టోష్టతను కలిగి ఉంటుంది. ఎందుకు?
జవాబు:
రసాయనిక మరియు అణు కేంద్రాలలో ఎక్కువ ఉష్ణం విడుదల యగును. ఈ ఉష్ణంను శోషించుటకు, శీతలీకరణి స్వల్ప ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలకు, ఎక్కువ ఉష్ణధారణ ధర్మాని కల్గి ఉండాలి.

ప్రశ్న 18.
i) సమ ఘనపరిమాణ ప్రక్రియ,
ii) సమ పీడన ప్రక్రియలను గురించి వివరించండి.
జవాబు:
i) స్థిర ఘనపరిమాణ ప్రక్రియ :
స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద జరిగే ప్రక్రియను స్థిర ఘన పరిమాణ ప్రక్రియ అంటారు. ఈప్రక్రియలో వాయువుపై లేక వాయువు చేత పని జరగదు. వాయువు అంతరిక శక్తి మరియు ఉష్ణోగ్రత మారును.

ii) సమపీడన ప్రక్రియ :
స్థిర పీడనం వద్ద జరిగే ప్రక్రియను సమపీడన ప్రక్రియ అంటారు. ఈ ప్రక్రియలో అంతరికశక్తి, ఉష్ణోగ్రతలు మారును. ఈ ప్రక్రియలో గ్రహించిన ఉష్ణరాశి, పాక్షికంగా అంతరిక శక్తిలో పెరుగుదల మరియు పాక్షికంగా జరిగిన పనికి సమానం.

స్వల్ప సమాధాన ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 1.
ఉష్ణగతికశాస్త్ర మొదటి నియమాన్ని నిర్వచించి, వివరించండి.
జవాబు:
నిర్వచనం :
“ఒక వ్యవస్థకి ఇచ్చిన ఉష్ణరాశి, ఆవ్యవస్థ అంతరిక శక్తి పెరుగుదలకు మరియు అది చేసిన బాహ్య పనుల మొత్తంనకు సమానము”.

వివరణ :
ఒకవ్యవస్థకు ∆Q ఉష్ణరాశిన యిస్తే, అందులో కొంత భాగం అంతరిక శక్తి ∆U పెరుగుటకు, మిగిలినది బాహ్యపని ∆W చేయుటకు ఉపయోగపడును. ఈ నియమ గణిత సమీకరణం చేయుటకు ఉపయోగపడును. ఈ నియమ గణిత సమీకరణం చేయుటకు ఉపయోగపడును. ఈ నియమ గణిత సమీకరణం ∆Q = ∆U + ∆W ఇది శక్తి నిత్యత్వ నియమ ప్రత్యేక సందర్భము.

ప్రశ్న 2.
వాయువుల రెండు ప్రధాన విశిష్టోష్టాలను నిర్వచించండి. ఆ రెండింటిలో ఏది ఎక్కువ? ఎందుకు?
జవాబు:
ఒక వాయువుకు రెండు ప్రధాన విశిష్టోష్టాలు కలవు. అవి 1) స్థిర పీడనం వద్ద మోలార్ విశిష్టోష్ణం 2) స్థిర ఘన పరిమాణం వద్ద మోలార్ విశిష్టోష్ణం

1. స్థిర పీడనం వద్ద మోలార్ విశిష్టోష్టం (C_p) :
స్థిరపీడనం వద్ద ఒక గ్రామ్- మోల్ వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రతను 1°C పెంచుటకు కావల్సిన ఉష్ణరాశిని స్థిరపీడనం వద్ద మోలార్ విశిష్టోష్ణం అంటారు.
i.e., C_p = \(\frac{1}{\mu} \frac{\Delta Q}{\Delta T}\) ఇక్కడ μ మోలుల సంఖ్య.

2. స్థిరఘనపరిమాణం వద్ద మోలార్ విశిష్టోష్ణం (C_v) :
స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద ఒక గ్రామ్ – మోల్ వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రతను 1°C పెంచుటకు కావల్సిన ఉష్ణరాశిని స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద మోలార్ విశిష్టోష్ణం అంటారు.
i.e., C_v = \(\frac{1}{\mu} \frac{\Delta Q}{\Delta T}\)

C_p > C_v వివరణ :
స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద ఒక వాయువుకు ఇచ్చిన ఉష్ణరాశి C, అంతా దాని అంతర్గత శక్తి పెరుగుదల లేదా మార్పునకు ఉపయోగపడుతుంది.

కాని స్థిర పీడనం వద్ద ఇచ్చిన ఉష్ణరాశి (C_p), దాని అంతర్గత శక్తి పెరుగుదలకు మరియు వాయువు చేసే పనికి ఉపయోగపడును. అందువలన ఒక వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రతను 1°C పెంచడానికి స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద కన్నా, స్థిరపీడనం వద్ద ఇవ్వవలసిన ఉష్ణరాశి ఎక్కువగా ఉండును. అందువలన C_p విలువ C_v (C_p > C_v) కన్నా ఎక్కువ.

ప్రశ్న 3.
ఉష్ణగతికశాస్త్ర మొదటి నియమం ఆధారంగా, వాయువు రెండు విశిష్టోష్ణ సామర్థ్యాల మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని ఉత్పాదించండి.
జవాబు:
ఒక మోల్ వాయువుకు, ఉష్ణగతిక శాస్త్ర ప్రథమ నియము గణిత సమీకరణము,
∆Q = ∆U + P∆V
స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద ∆Q ఉష్ణరాశిని గ్రహిస్తే, ∆V = 0

ఆదర్శవాయువు U, T పై ఆధారపడును. కావున మొదటి భాగంలోని అథో సూచిక P వదలి వేయబడింది.
ఒక మోల్ ఆదర్శ వాయువుకు, PV = RT
⇒ P \(\left[\frac{\Delta V}{\Delta T}\right]_p\) = R ………………. (3)
(1) మరియు (3) లను (2)లో ప్రతిక్షేపించగా
C_p = C_v + R
∴ C_p – C_v = R.

ప్రశ్న 4.
సమ ఉష్ణోగ్రతా ప్రక్రియలో ఒక వాయువు చేసిన పనికి సమాసాన్ని సాధించండి.
జవాబు:
సమ ఉష్ణోగ్రతా ప్రక్రియతో ఆదర్శ వాయువు చేసిన పనికి సమాసము :
స్థిర ఉష్ణోగ్రత T వద్ద, నిర్ధిష్ట ఆదర్శవాయువు, ఘనపరిమాణం V₁ నుండి V₂ వ్యాకోచం చెందిదని తీసుకుందాము. అప్పుడు పీడనం P₁ నుండి P₂ కి మారిందని తీసుకుందాము.

P స్థిరపీడనం వద్ద ఘనపరిమాణం V₁ నుండి V₂ కి వ్యాకోచంలో జరిగిన పని dw = pdv
ఘనపరిమాణం V₁ నుండి V₂ కి వ్యాకోచంలో జరిగిన

ప్రశ్న 5.
స్థిరోష్ణక ప్రక్రియలో ఒక వాయువు చేసిన పనికి సమాసాన్ని సాధించి, వివరించండి.
జవాబు:
స్థిరోష్ణక ప్రక్రియలో ఆదర్శవాయువు చేసిన పనికి సమాసము :
స్థిరోష్టక ప్రక్రియలో ఆదర్శవాయువు (P₁, V₁, T₁) స్థితి నుండి (P₂, V₂, T₂) స్థితికి మారిందని భావిద్దాం. స్థిరపీడనం P వద్ద, స్వల్ప ఘనపరిమాణంలోని మార్పు dV కు జరిగిన పని dw = pdV

ఘనపరిమాణం V₁ నుండి V₂ కి జరిగిన మొత్తం పని

సమీకరణం (3)ను (1) లో వ్రాయగా

ఇదియే స్థిరోష్ణక మార్పులో జరిగిన పనికి సమాసము.

ప్రశ్న 6.
సమ ఉష్ణోగ్రత, స్థిరోష్ణక ప్రక్రియలను పోల్చండి.
జవాబు:

సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియ	స్థిరోష్ణక ప్రక్రియ
1. స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఒక వాయువు యొక్క పీడనం మరియు ఘనపరిమాణం మారే ప్రక్రియను సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియ అంటారు.	1. స్థిర ఉష్ణం వద్ద వియుక్త వ్యవస్థలోని పీడనం మరియు ఘనపరిమాణంలు మారే ప్రక్రియను స్థిరోష్ణక ప్రక్రియ అంటారు.
2. వాయువు ఉష్ణోగ్రత స్థిరం	2. వాయువు ఉష్ణోగ్రత మారును.
3. ఉష్ణం మారు చుండును.	3. ఉష్ణమార్పు సున్నా.
4. అంతరిక శక్తి స్థిరం. అంతరిక శక్తిలో మార్పు సున్నా	4. అంతరిక శక్తి మారును.
5. ఈ ప్రక్రియ నెమ్మదిగా జరుగును.	5. ఈ ప్రక్రియ త్వరితంగా జరుగును.
6. బాయిల్ నియమము PV = = స్థిరాంకమును పాటించును.	6. PVr = స్థిరాంకంను పాటించును.
7. జరిగిన పని W = RT loge \(\frac{V_2}{V_1}\)	7. జరిగిన పని W = \(\frac{R}{(\gamma-1)}\)

ప్రశ్న 7.
కింది ప్రక్రియలను ఉదాహరణతో వివరించండి.
i) చక్రీయ ప్రక్రియ
ii) చక్రీయం కానటువంటి ప్రక్రియ
జవాబు:
i) చక్రీయ ప్రక్రియ (Cyclic Process):
“వేర్వేరు దశలు (పీడనం, ఘనపరిమాణం మరియు ఉష్ణోగ్రతలలో కలిగే మార్పులు) పొందిన తరువాత ‘ఒక వ్యవస్థ తిరిగి మరల తొలి స్థితిని పొందే ప్రక్రియను చక్రీయ ప్రక్రియ (Cyclic Process) అంటారు. చక్రీయ ప్రక్రియ,P-V గ్రాఫ్ ఒక సంవృత వక్రంను ఇచ్చును. P-V గ్రాఫ్ వైశాల్యం పదార్థం చేసిన పనికి సమానము.
ఒక చక్రీయ ప్రక్రియలో అంతరిక శక్తిలోమార్పు ఉండదు.
i.e., ∆U = 0
ఉష్ణ గతిక ప్రథమ శాస్త్ర నియమము ప్రకారము
∆Q = ∆U + ∆W
∴ చక్రీయ ప్రక్రియకు ∆Q = ∆W

చక్రీయ ప్రక్రియలో, వ్యవస్థ శోషణం చేసిన మొత్తం ఉష్ణం, వ్యవస్థ చేసిన పనికి సమానం.
ఉదా : ఉష్ణ యంత్రం అనే సాధనం, వ్యవస్థను చక్రీయ ప్రక్రియకు గురిచేసిన, ఫలితంగా ఉష్ణంగా మారును.

ii) చక్రీయం కానటువంటి ప్రక్రియ (Non-cyclic process) :
వేర్వేరు దశలలో మార్పులు (పీడనం, ఘనపరిమాణం మరియు ఉష్ణోగ్రతలలో) పొందుతూ, వ్యవస్థ తొలిస్థితిని చేరని ప్రక్రియను చక్రీయం కాని ప్రక్రియ అంటారు. ఉత్కమణీయ ప్రక్రియ చక్రీయం కాని ప్రక్రియ వక్రము మరియు ఘనపరిమాణంల మధ్య వైశాల్యము చక్రీయంకాని ప్రక్రియలోజరిగిన పనిని ఇస్తుంది.
ఉదా : 1) ద్రవాలు లేక వాయువుల విసరణం
2) పరిపూర్ణ వాయువు స్వేచ్ఛా వ్యాకోచం

ప్రశ్న 8.
అర్థస్థితిక ప్రక్రియ మీద లఘుటీక రాయండి.
జవాబు:
ప్రతిదశలో, ప్రక్రియ పూర్తి అయ్యేవరకు, వ్యవస్థ పరిసరాలతో ఉష్ణ మరియు యాంత్రిక (ఉష్ణగతిక) సమతాస్థితిలో ఉండే విధంగా అత్యంత నెమ్మదిగా జరిగే ప్రక్రియను అర్ధస్టైతిక ప్రక్రియ అంటారు.

ఈ ప్రక్రియలో ప్రతి దశలోను, (వాయువు) పరిసరాలతో ఉష్ట్రీయ మరియు యాంత్రిక సమతాస్థితిలో ఉంటుంది. ప్రతిదశలోను వ్యవస్థ పీడనం (పాత్రలోని వాయువు) మరియు బాహ్యపీడనం మధ్యగల తేడా చాలా తక్కువగా ఉంటుంది. అదేవిధంగా ప్రతి స్థాయిలో వ్యవస్థ ఉష్ణోగ్రత మరియు పరిసర ఉష్ణోగ్రతల మధ్యగల తేడా చాలా తక్కువగా ఉంటుంది.
ఉదా : సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియ, స్థిరోష్టక ప్రక్రియ.

ప్రశ్న 9.
ఉష్ణయంత్రం పనిచేసే విధానాన్ని వివరించండి.
జవాబు:
ఉష్ణయంత్రం :
ఉష్ణశక్తిని యాంత్రిక శక్తిగా మార్చే పరికరమే ఉష్ణయంత్రం. ఒక వ్యవస్థ చక్రీయ ప్రక్రియకు గురిచేస్తే, ఉష్ణం పనిగా మారుతుంది.

ఉష్ణయంత్రం మూడు ముఖ్యమైన భాగాలు కల్గిఉండును. అవి :

i) ఉష్ణాశయం :
ఇది అధిక ఉష్ణోగ్రత T₁ వద్ద ఉండును. దీని నుండి పనిచేసే పదార్థం Q₁ ఉష్ణంను శోషించును గ్రహించును.

ii) పనిచేసే పదార్ధం :
ఇదే వ్యవస్థ అవుతుంది. ఆవిరి యంత్రంలో పనిచేసే పదార్థాం నీటి ఆవిరి. డీజిల్ యంత్రంలో పనిచేసే పదార్థం ఇంధన బాష్పం, గాలి మిశ్రమం.

iii) శీతలాశయం :
ఇది తక్కువ ఉష్ణోగ్రత T₂ వద్ద ఉండును. పనిచేసే పదార్థం, Q₂ ఉష్ణంను శీతలాశయంనకు విడుదల చేయును.

వ్యవస్థ చేసిన పని, పదార్థం గ్రహించిన మరియు విడుదల చేసిన ఉష్ణరాశుల భేదంనకు సమానం.
i.e., W = Q₁ – Q₂.

ఉష్ణ యంత్రం దక్షత :
చక్రీయ ప్రక్రియలో వ్యవస్థ చేసిన పనికి, శోషించిన ఉష్ణంనకు గల నిష్పత్తిని, ఉష్ణయంత్రం దక్షత అంటారు.

దీర్ఘ సమాధాన ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 1.
ఏకగత, ద్విగత ప్రక్రియలను వివరించండి. కార్నో యంత్రం పనిచేసే విధానాన్ని వివరించి, దాని దక్షతకు సమాసాన్ని రాబట్టండి. [Mar. ’14]
జవాబు:
ఉత్రమణీయ ప్రక్రియ (Reversible process) :
విశ్వంలో ఇతరత్రా ఎక్కడ ఏ విధమైన మార్పులు లేకుండా వ్యవస్థ మరియు పరిసరాలు తొలిదశకు చేరుకునేటట్లుగా, ఒక ప్రక్రియను అది సూటి ప్రక్రియలో ఏఏ దశల గుండా ప్రయాణం చేసిందో అదే దశల గుండా వెనుకకు తీసుకురాగల్గితే, ఆ ప్రక్రియను ఉత్రమణీయ ప్రక్రియ అంటారు.

ఇది కేవలం ఒక ఆదర్శ ప్రాయమైన అభిప్రాయం మాత్రమే.
ఉదా : i) నెమ్మది సముష్ణోగ్రత మరియు నెమ్మది స్థిరోష్ణక ప్రక్రియ.
ii) పెల్టియర్ మరియు సీబెక్ ప్రభావము
iii) మంచు ద్రవీభవన మరియు నీటి భాష్పీభవనము.

అనుత్రుమణీయ ప్రక్రియ (Irreversible process) :
వ్యతిరేఖ దశలో వెనుకకు మరలించి తీసుకురాలేని ప్రక్రియను అనుత్రమణీయ ప్రక్రియ అంటారు.

ప్రకృతిలో జరిగే అన్ని సహజ ప్రక్రియలు అనుత్రమణీయ ప్రక్రియలు.
ఉదా :
i) ఘర్షణకు వ్యతిరేఖంగా జరిగినపని
ii) ఒక వాహకం గుండా విద్యుత్ను ప్రవహింప చేసినపుడు దానిలో ఉష్ణం జనించడం.
iii) వాయువుల విసరణం

కార్నో యంత్రం :
రెండు ఉష్ణోగ్రతల మధ్య నడిచే అనుత్రమణీయ ఉష్ణయంత్రంను కార్నో యంత్రం అంటారు. ఇది పనిచేసే సంవృత చక్రంను, కార్నో చక్రం అంటారు. ఈ చక్రీయ ప్రక్రియలో (ఆదర్శవాయువు) పనిచేసే పదార్థము రెండు సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియలు P మరియు రెండు స్థిరోష్ణక ప్రక్రియలకు గురియగును. నాల్గు ప్రక్రియలు P-V (సూచి పటంలో చూపబడినవి).

ఒకటవ అంచె స్టెప్ 1 → 2 :
సమ ఉష్ణోగ్రత వ్యాకోచంలో వాయువు (P₁, V₁, T₁) స్థితి నుండి (P₂, V₂, T₁)కి మారింది. ఇది వక్రం (a)లో చూపబడింది. T₁ ఉష్ణోగ్రత వద్ద నున్న రిజర్వాయర్ నుండి వాయువు శోషణం చేసుకున్న ఉష్ణం (Q₁) వాయువు చేసే పనికి సమానము.
i.e., W_1→2 = Q₁ = µRT₁ log_e\(\frac{V_2}{V_1}\) → (1)

రెండవ అంచె స్టెప్ 2 → 3 :
స్థిరోష్ణక వ్యాకోచంలో వాయువు (P₂, V₂, T₁) స్థితికి నుండి (P₃, V₃, T₂) కి మారింది. ఇది వక్రం (b) లో చూపబడింది. వాయువు చేసే పని W_2→3 = \(\frac{\mu R\left(T_1-T_2\right)}{(\gamma-1)}\)

మూడవ అంచె స్టెప్ 3 → 4 :
సమ ఉష్ణోగ్రత సంకోచంలో వాయువు (P₃, V₃, T₂) నుండి (P₄, V₄, T₂)స్థితికి మారింది. ఇది వక్రం (C)లో చూపబడింది.
T₂ ఉష్ణోగ్రత వద్ద నున్న రిజర్వాయర్కు వాయువు ఇచ్చిన ఉష్ణం, వాయువుపై జరిగిన పనికి సమానము.

నాల్గవ అంచే స్టెప్ 4 → 1 :
స్థిరోష్ణక సంకోచంలో వాయువు (P₄, V₄, T₂) స్థితి నుండి (P₁, V₁, T₁) కి మారింది. ఇది

ప్రశ్న 2.
ఉష్ణగతిక శాస్త్ర రెండవ నియమాన్ని నిర్వచించండి. ఉష్ణ యంత్రం శీతలీకరణ యంత్రం కంటే ఏ విధంగా భిన్నమయిందో తెలపండి. [Mar., May ’13]
జవాబు:
ఉష్ణగతిక రెండవ నియమము ఉష్ణప్రవాహ దిశను తెల్పును. రెండవ నియమము రెండు ప్రవచనాలను కల్గి ఉన్నది.

1) కెల్విన్ – ప్లాంక్ ప్రవచనము :
ఒక ఉష్ణాశయం నుంచి శోషణం చేసుకున్న మొత్తం ఫలిత ఉష్ణం, పూర్తిగా పనిగా మార్చడం ఏప్రక్రియకు సాధ్యం కాదు.

“ఒక వస్తువును తన పరిసరాలలో చల్లని దానికంటే చల్లగా అయ్యేటట్లు చేయగలిగి నిరంతరం పనిని సృజించడం అసాధ్యం”.

2) క్లాసియస్ నిర్వచనం :
“ఒక చల్లని వస్తువు నుండి వేడి వస్తువుకు ఉష్ణం బదిలీ చేయటానికి ఏ ప్రక్రియకు సాధ్యంకాదు”
(లేక)
“ఉష్ణం తనంతట తాను తక్కువ ఉష్ణోగ్రత గల వస్తువు నుండి హెచ్చు ఉష్ణోగ్రత గల వస్తువుకు ప్రవహించదు”.

ఉష్ణ యంత్రం :
ఉష్ణశక్తిని యాంత్రిక శక్తిగా మార్చే సాధనాన్ని ఉష్ణయంత్రం అంటారు.
ఉష్ణయంత్రం మూడు ముఖ్యమైన భాగాలను కల్గియుండును.

1) ఉష్ణాశయం లేక వేడి రిజర్వాయర్ :
ఇది అధిక ఉష్ణోగ్రత T, వద్ద ఉండును. ఈ వస్తువు నుండి ఉష్ణంను గ్రహించ వచ్చును.

2) పనిచేసే పదార్థము :
ఆవిరి యంత్రంలో పనిచేసే పదార్థము ఆవిరి. డీజిల్ యంత్రంలో పనిచేసే పదార్థము ఇంధన ఆవిరి మరియు గాలి మిశ్రమము.

3) సింక్ లేక చల్లని రిజర్వాయర్ :
ఇది అల్ప ఉష్ణోగ్రత T,వద్ద ఉండును పని చేసే పదార్థం విసర్జించిన ఉష్ణంను, సింక్ శోషణం చేస్తుంది.

జరిగిన పని :
జనకం నుండి శోషణం చేసిన ఉష్ణము మరియు సింకు విసర్జించిన ఉష్ణంనకు గల తేడా యంత్రం చేసిన పనికి సమానము.
i.e., W = Q₁ – Q₂.

దక్షత :
యంత్రం చేసిన పని(W)కి మరియు యంత్రం శోషణం చేసిన ఉష్ణం (Q₁)కు గల నిష్పత్తిని, యంత్రం దక్షత అంటారు.

శీతలీకరణ యంత్రము (రిఫ్రిజరేటర్) :
ఉష్ణయంత్రంనకు వ్యతిరేఖ దిశలో పనిచేయు ఉష్ణపంప న్ను యంత్రం (రిఫ్రిజరేటర్) అంటారు.

ఉష్ణయంత్రం యొక్క విలోమ ప్రక్రియే శీతలీకరణ యంత్రం. శీతలీకరణ యంత్రంలో పనిచేసే పదార్థం తక్కువ ఉష్ణోగ్రత T₂ వద్ద చల్లని రిజర్వాయర్ (సింక్) నుంచి Q₂ ఉష్ణాన్ని గ్రహించి, పనిచేసే పదార్థంపై కొంత బాహ్యపని (W) జరిగి, చివరకు Q₁ ఉష్ణంను T₁ అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉన్న ఉష్ణాశయం కు అందజేయబడుతుంది.

శీతలీకరణ యంత్రం యొక్క క్రియాశీలక గుణకంను

ఉష్ణయంత్రం దక్షత (1) 1 కన్నా ఎక్కువ ఉండదు. శీతలీకరణ యంత్రంనకు క్రియశీలక గుణకం (α) 1 కన్నా ఎక్కువ
∴ శీతలీకరణ యంత్రం, ఉష్ణయంత్రము విలోమము.

లెక్కలు (Problems)

ప్రశ్న 1.
N.T.P. వద్ద 1 లీటరు ఘనపరిమాణం ఉన్న ఒక ఏకపరమాణుక ఆదర్శ వాయువును సంపీడనం చేశారు. (i) సంపీడనం స్థిరోష్ణకమై, ఘనపరిమాణం సగం అయితే వాయువు మీద జరిగిన పనిని, (ii) సంపీడనం సమఉష్ణోగ్రతమైతే జరిగిన పనిని లెక్కించండి. (γ = 5/3)
సాధన:

ప్రశ్న 2.
5 మోల్ల హైడ్రోజన్ ను స్థిరపీడనం 10⁵ N/m² వద్ద ఉష్ణోగ్రతలో పెరుగుదల 20 K ఉండేటట్లు వేడిచేస్తే అది 8.3 × 10^-3m³ ల వ్యాకోచం చెందింది. C_v = 20 J/mole K అయితే C_pని కనుక్కోండి.
సాధన:
మేయర్స్ సంబంధం C_p – C_v = R
µ∆T చే గుణించగా
µC_p∆T – µC_v∆T = µ R∆T
µ ∆T(C_p – C_v) = P∆T [∴ µ R∆T = P∆V]
5 × 20 (C_p − 20) = 105 × 8.3 × (10 – 3)
[∴ µ = 5, ∆T = 20 K, P. = 1 × 10⁵ N/m² C_v = 20 J/mole K మరియు ∆V = 8.3 × 10³ M³]
C_p – 20 = 8.3
∴ C_p = 28.3 J/mole-K

ప్రశ్న 3.
20°C వద్ద ఉన్న 100 g ద్రవ్యరాశి ఉన్న నీటి ఉష్ణోగ్రతను 5°C వరకూ పెంచాలంటే 100°C ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉన్న ఎంత నీటి ఆవిరిని ఆ నీటిలోకి పంపాలి? (బాష్పీభవన గుప్తోష్ణం 540 cal/g, నీటి విశిష్టోష్ణం 1 cal/g°C)
సాధన:
మిశ్రమ సూత్రం ప్రకారము,
ఆవిరి కోల్పోయిన ఉష్ణరాశి = నీరు గ్రహించిన ఉష్ణరాశి
m_sL_s + m_sS (100 – t) = m_wS(t – 20)
ఇచ్చట m_s ఆవిరి ద్రవ్యరాశి, L_s ఆవిరి గుప్తోష్ణం, S ఆవిరి విశిష్టోష్ణం మరియు m_w నీటి ద్రవ్యరాశి.
ఇచ్చట L_s = 540 cal/g; S = 1 cal/g°C; m_w
= 100 g; t = 20 + 5 = 25°C
M_s × 540 + M_s × 1(100 – 25) = 100 × 1(25 – 20)
615 m_s = 500
m_s = \(\frac{500}{615}\) = 0.813 g

అదనపు లెక్కలు (Additional Problems)

ప్రశ్న 1.
ఒక గీజరు నిముషానికి 3.0 లీటర్ల ప్రవాహ రేటు కలిగిన నీటిని 27 °C నుంచి 77 °C వరకు వేడిచేస్తుంది. గీజరులో 4.0 × 104 J/g దహనోష్ణం గల సహజ వాయువు ఇంధనంగా పనిచేస్తే, ఇంధనం ఖర్చయ్యే రేటును కనుక్కోండి.
సాధన:
వేడిచేసిన, నీటిఘనపరిమాణం = 3.0 lit/min.
వేడిచేసిన, నీటి ద్రవ్యరాశి, m = 3000 g/min
ఉష్ణోగ్రతలో పెరుగుదల, ∆T = 77 – 27 = 50°C
నీటి విశిష్టోష్ణం, C = 42 Jg^-1C^-1
ఉపయోగించిన ఉష్ణపరిమాణం,
∆Q = mc∆T = 3000 × 4.2 × 50
63 × 10⁴ J/min
ఉష్ణ దహనం = 4 × 10⁴ J/g
ఇంధన దహన రేటు = \(\frac{63 \times 10^4}{4 \times 10^4}\)
= 15.75 g/min

ప్రశ్న 2.
స్థిరపీడనం వద్ద, గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉన్న 2.0 × 10^-2 kgల నైట్రోజన్ ఉష్ణోగ్రతను 45°Cకు పెంచడానికి అందచేయాల్సిన ఉష్ణం ఎంత? (N₂ అణు ద్రవ్యరాశి = 28; R = 8.3 J mol^-1 K^-1.)
సాధన:
వాయు ద్రవ్యరాశి, m = 2 × 10^-2 kg = 20 g
ఉష్ణోగ్రతలో పెరుగుదల, ∆T = 45°C
కావల్సిన ఉష్ణం ∆Q = ?
అణుద్రవ్యరాశి, M = 28

ప్రశ్న 3.
కింద ఇచ్చిన వాటిని వివరించండి.
a) T₁, T₂ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఉన్న రెండు వస్తువులను ఒకదానితో ఒకటి తాకుతున్నట్లు ఉంచినప్పుడు వాటి సగటు ఉష్ణోగ్రత (T₁ + T₂)/2కు చేరాల్సిన అవసరం లేదు.
b) ఒక రసాయనిక లేదా న్యూక్లియర్ ప్లాంట్లో ఉపయోగించే శీతలీకరణి (ప్లాంట్ ని వివిధ భాగాలు అత్యధిక ఉష్ణోగ్రతలు పొందకుండా చల్లబరిచే ద్రవం తప్పకుండా అధిక విశిష్టోష్ణ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉండాలి.
c) మోటారు వాహనం చలనంలో ఉన్నప్పుడు, దాని టైరులోని గాలి పీడనం పెరుగుతుంది.
d) ఒకే అక్షాంశంపై ఉన్న సముద్ర తీర పట్టణ వాతావరణం ఎడారి ప్రాంత పట్టణ వాతావరణం కంటే అధిక సమశీతోష్ణత కలిగి ఉంటుంది.
సాధన:
a) హెచ్చు ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువు తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువుతో ఉష్ణ స్పర్శలో ఉన్నప్పుడు, రెండు వస్తువుల ఉష్ణోగ్రతలు సమానమయ్యేంత వరకు ఉష్ణం ప్రవహించును. రెండు వస్తువుల ఉష్ణసామర్థ్యాలు సమానం అయిన తుది ఉష్ణోగ్రత, సరాసరి ఉష్ణోగ్రత (\(\frac{T_1+T_2}{2}\)) కు సమానము అగును.

b) పదార్థం గ్రహించిన ఉష్ణం, పదార్థ విశిష్టోష్ణంనకు అనులోమానుపాతంలో ఉండుటయే.

c) చలనంలో, చక్రం లోపల గాలి ఉష్ణోగ్రత పెరుగును. చార్లెస్ నియమము ప్రకారం, P α T. కావున చక్రం లోపల గాలిపీడనం పెరుగును.

d) ఎడారిటౌన్ కన్నా హార్బర్ టౌన్ సాపేక్ష తేమ ఎక్కువగా ఉండును. కావున హార్బర్ టౌన్ వేడిగా లేక చల్లగా ఉండదు.

ప్రశ్న 4.
కదలగలిగే ముషలకం ఉన్న ఒక స్థూపాకార పాత్రలో, సాధారణ ఉష్ణోగ్రతా పీడనాల వద్ద 3 మోల్ల హైడ్రోజన్ వాయువు ఉంది. పాత్ర గోడలు, ముషలకాలు ఉష్ణబంధక పదార్థంతో చేయడమైంది. ముషలకం పైన కొంత ఇసుక ఉన్నది. వాయువును, దాని తొలి ఘనపరిమాణంలో సగానికి తగ్గేటట్లుగా సంపీడనం చెందిస్తే వాయు పీడనం ఎన్ని రెట్లు పెరుగుతుంది?
సాధన:
ఉష్ణ వినిమయము జరగటానికి వీలులేని ప్రక్రియ స్థిరోష్ణక ప్రక్రియ.

ప్రశ్న 5.
ఒక వాయువును స్థిరోష్ణక ప్రక్రియ ద్వారా సమతాస్థితి A నుంచి మరొక సమతాస్థితి B కి మార్చడానికి, దానిపై 22.3 Jల పని జరపడ మైంది. వాయువు 9.35 cal నికర ఉష్ణాన్ని గ్రహించేటట్లుగా ఒక ప్రక్రియ ద్వారా వాయు స్థితిని A నుంచి Bకి చేర్చితే ఈ ప్రక్రియలో వాయువుపై జరిగిన నికర పని ఎంత? (1 cal = 4.19 J తీసుకోండి.)
సాధన:
మార్పు స్థిరోష్ణకమయితే, ∆Q = 0, ∆w = -22.3 J
వ్యవస్థ ఆంతరిక శక్తిలో మార్పు ∆u అయితే,
అప్పుడు ∆Q = ∆u + ∆w
O = ∆u – 22.3 (లేదా) ∆u = 22.3 J
2వ సందర్భంలో, ∆Q = 9.35 cal
= 9.35 × 4.2 J
= 39.3 J

∆w = ?
∆u + ∆w = ∆Q
∆w + ∆Q – ∆u
= 39.3 – 22.3 = 17.0 J

ప్రశ్న 6.
సమాన ఘనపరిమాణాలున్న A, B రెండు స్థూపాకార పాత్రలను ఒక స్టాప్ రాక్ (ప్రవాహ నియంత్రణ మర)తో కలపడమైంది. పాత్ర Aలో సాధారణ ఉష్ణోగ్రతా పీడనాల వద్ద ఒక వాయువు ఉన్నది. B పూర్తిగా శూన్యం చేయడమైంది. ఈ మొత్తం వ్యవస్థ అంతా ఉష్ణ బంధకం చేయడమైంది. స్టాపిక్ను ఒక్కసారిగా తెరిచారు. కింది ప్రశ్నలకు సమాధానాలు తెలపండి.
a) A, B లలో వాయువు తుది పీడనం ఎంత?
b) వాయువు అంతరిక శక్తిలో మార్పు ఎంత?
c) వాయువు ఉష్ణోగ్రతలో మార్పు ఎంత?
d) వ్యవస్థ యొక్క మధ్యస్థ స్థితులు (తుది సమతాస్థితిని చేరడానికి పూర్వం) P-V-T గ్రాఫ్ తలంపై ఉంటాయా?
సాధన:
a) స్టాప్కాక్ ఆకస్మికంగా తెరిచిన, 1 ఎట్మాస్ఫియర్ పీడనం వద్ద లభ్యమగు వాయు ఘనపరిమాణం రెండు రెట్లు అగును. కావున పీడనం 0.5 ఎట్మాస్ఫియర్.

b) వాయువుపై పని జరగక పోవడం వల్ల, అంతరిక శక్తిలో మార్పు ఉండదు.

c) వాయువు వ్యాకోచంలో పనిజరగకపోతే, వాయు ఉష్ణోగ్రతలో మార్పు ఉండదు.

d) కాదు. కారణం స్వేచ్ఛావ్యాకోచ ప్రక్రియ మరియు అదుపులో ఉంచలేము. ఈ ప్రక్రియలో, వాయువు సమతాస్థితిలోనికి తిరిగి వచ్చును.

ప్రశ్న 7.
ఒక ఆవిరి యంత్రం నిమిషానికి 5.4 × 10⁸J ల పని జరిపి, నిమిషానికి 3.6 × 10⁹J ల ఉష్ణాన్ని దాని బాయిలర్ ద్వారా సరఫరా చేస్తుంది. ఆ యంత్రం దక్షత ఎంత? నిమిషానికి ఎంత ఉష్ణం వృధాగా పోతుంది?
సాధన:
నిమిషానికి జరిగిన పని = 5.4 × 10⁸ J
నిమిషానికి శోషణం చేసిన ఉష్ణం = 3.6 × 10⁹ J

నిమిషానికి ఉపయోగపడని ఉష్ణశక్తి = నిమిషానికి
ఉష్ణశోషణం – నిమిషానికి ఉపయోగపడిన ఉష్ణం
= 3.6 × 109 – 5.4 × 10⁸
= 10⁹ (3.6 -0.54)
= 3.06 × 10⁹

ప్రశ్న 8.
ఒక ఎలక్ట్రిక్ హీటరు 100 W రేటు చొప్పున సాధన. పటం నుండి, పీడనంలో మార్పు, ఉష్ణాన్ని ఒక వ్యవస్థకు అందచేస్తుంది. వ్యవస్థ సెకనుకు 75 jల రేటు చొప్పున పనిచేస్తుంటే, అంతరిక శక్తి ఏ రేటుతో పెరుగుతుది?
సాధన:
సప్లై చేసిన ఉష్ణం ∆Q = 100 w = 100 J/s
ఉపయోగపడిన పని, ∆W = 75 J/s
సెకనుకు అంతరిక శక్తిలో పెరుగుదల, ∆u = ?
As ∆Q = ∆u + ∆w
∴ ∆u = ∆Q + ∆w
= 100 – 75
= 25 J/S

ప్రశ్న 9.
ఒక ఉష్ణగతిక వ్యవస్థను దాని నిజ స్థితి నుంచి ఒక మధ్యస్థ స్థితికి, రేఖీయ ప్రక్రియ ద్వారా పటంలో చూపినట్లుగా తీసుకోవడమైంది.

వ్యవస్థ ఘనపరిమాణం, నిజ విలువకు E నుంచి F కు సమపీడన ప్రక్రియ ద్వారా తగ్గించడమైంది. వాయువును D నుంచి Eకు, E నుంచి Fకు చేర్చడానికి జరిగిన మొత్తం పనిని లెక్కించండి.
సాధన:
పటం నుండి పీడనంలో మార్పు,
dp = EF = 5.0 – 2.0
= 3.0 atm = 3.0 × 10¹⁵ Nm^-2

ఘన పరిమాణంలో మార్పు
dv = DF = 600 – 300
300 cc = 300 × 10^-6 m³

D నుండి E నుండి F కు వాయు చేసిన పని = ∆DEF వైశాల్యం
w = \(\frac{1}{2}\) × DF × EF
= \(\frac{1}{2}\) × (300 × 10^-6) × (3.0 × 10⁵
= 45 J

ప్రశ్న 10.
ఒక శీతలీకరణ యంత్రంలో ఉంచిన తినే పదార్థాలను ఆ యంత్రం 9°C వద్ద ఉంచుతుంది. గది ఉష్ణోగ్రత 36°C అయితే దాని క్రియాశీలతా గుణకాన్ని లెక్కించండి.
సాధన:
ఇచ్చినవి, T₁ = 36°C = 36 + 273 = 309 K
T₂ = 10°C = 10 + 273 = 283 K