📝 பயிற்சி
எல்லைத் தெரிவு செய்து, பகுதி I (MCQ) அல்லது பகுதி II (கட்டுரை) பயிற்சி செய்யுங்கள்.
வெப்பம் · பகுதி II
அலகு 9 — வெப்பம்
1. (அ) வெப்பநிலை (temperature) என்றால் என்ன? வெப்பத்திலிருந்து (heat) அது எவ்வாறு வேறுபடுகிறது? (3)
(ஆ) Celsius, Fahrenheit, Kelvin ஆகிய மூன்று அளவுகோல்களின் நிலையான புள்ளிகளை (fixed points) தருக. (3)
(இ) தனிமச் சுழி வெப்பநிலை (absolute zero) என்றால் என்ன? K ↔ °C மாற்றத்தைக் கூறி, 27°C-ஐ K-ஆகவும் 300 K-ஐ °C-ஆகவும் மாற்றுக. (4) (10 புள்ளி)
(ஆ) Celsius, Fahrenheit, Kelvin ஆகிய மூன்று அளவுகோல்களின் நிலையான புள்ளிகளை (fixed points) தருக. (3)
(இ) தனிமச் சுழி வெப்பநிலை (absolute zero) என்றால் என்ன? K ↔ °C மாற்றத்தைக் கூறி, 27°C-ஐ K-ஆகவும் 300 K-ஐ °C-ஆகவும் மாற்றுக. (4) (10 புள்ளி)
விடைத் திட்டம்:
- வெப்பநிலை = துகள்களின் சராசரி KE அளவீடு.
- வெப்பம் = வெப்பநிலை வேறுபாட்டால் மாறும் ஆற்றல்.
- Celsius 0/100, Fahrenheit 32/212, Kelvin 273/373.
- Absolute zero = −273.15°C = 0 K.
- K = °C+273. 27°C=300K; 300K=27°C.
(அ) வெப்பநிலை (Temperature): ஒரு பொருளை அமைக்கும் துகள்களின் சராசரி இயக்க ஆற்றலின் (mean kinetic energy) அளவீடு. பொருள் எவ்வளவு சூடாக/குளிராக உள்ளது என்பதைக் காட்டுகிறது. அலகு: Kelvin (K).
வெப்பம் (Heat): இரு பொருள்களுக்கிடையே உள்ள வெப்பநிலை வேறுபாட்டால் ஒன்றிலிருந்து மற்றொன்றுக்கு மாறும் ஆற்றல். அலகு: Joule (J).
வேறுபாடு: வெப்பநிலை = ஒரு *பண்பு* (சராசரி KE); வெப்பம் = கடத்தப்படும் *ஆற்றல்*. வெப்பநிலை வேறுபாடு இருந்தால்தான் வெப்பம் பாயும்.
(ஆ) நிலையான புள்ளிகள் (Fixed points) — 1 atm அழுத்தத்தில்:
| அளவுகோல் | பனி உருகல் | நீர் கொதிநிலை | பகுதிகள் |
|---|---|---|---|
| Celsius | 0°C | 100°C | 100 |
| Fahrenheit | 32°F | 212°F | 180 |
| Kelvin | 273 K | 373 K | 100 |
(இ) தனிமச் சுழி வெப்பநிலை (Absolute zero): எந்தப் பொருளும் அடையக்கூடிய மிகக் குறைந்த வெப்பநிலை. இதில் அனைத்துத் துகள்களின் இயக்க ஆற்றல் பூச்சியம். இதற்குக் கீழே வெப்பநிலையைக் குறைக்க முடியாது. இது −273.15°C = 0 K.
மாற்றம்: K = °C + 273; °C = K − 273. (Celsius–Kelvin இடைவெளி அளவில் சமம் — 1°C = 1 K.)
• 27°C = 27 + 273 = 300 K.
• 300 K = 300 − 273 = 27°C.
வெப்பம் (Heat): இரு பொருள்களுக்கிடையே உள்ள வெப்பநிலை வேறுபாட்டால் ஒன்றிலிருந்து மற்றொன்றுக்கு மாறும் ஆற்றல். அலகு: Joule (J).
வேறுபாடு: வெப்பநிலை = ஒரு *பண்பு* (சராசரி KE); வெப்பம் = கடத்தப்படும் *ஆற்றல்*. வெப்பநிலை வேறுபாடு இருந்தால்தான் வெப்பம் பாயும்.
(ஆ) நிலையான புள்ளிகள் (Fixed points) — 1 atm அழுத்தத்தில்:
| அளவுகோல் | பனி உருகல் | நீர் கொதிநிலை | பகுதிகள் |
|---|---|---|---|
| Celsius | 0°C | 100°C | 100 |
| Fahrenheit | 32°F | 212°F | 180 |
| Kelvin | 273 K | 373 K | 100 |
(இ) தனிமச் சுழி வெப்பநிலை (Absolute zero): எந்தப் பொருளும் அடையக்கூடிய மிகக் குறைந்த வெப்பநிலை. இதில் அனைத்துத் துகள்களின் இயக்க ஆற்றல் பூச்சியம். இதற்குக் கீழே வெப்பநிலையைக் குறைக்க முடியாது. இது −273.15°C = 0 K.
மாற்றம்: K = °C + 273; °C = K − 273. (Celsius–Kelvin இடைவெளி அளவில் சமம் — 1°C = 1 K.)
• 27°C = 27 + 273 = 300 K.
• 300 K = 300 − 273 = 27°C.
2. (அ) கண்ணாடி-இரச (glass-mercury) வெப்பநிலைமானியின் அமைப்பை விளக்கி, அதில் இரசம் (mercury) பயன்படுவதன் 3 நன்மைகளையும் 1 குறையையும் தருக. (5)
(ஆ) குறை வெப்பநிலை அளக்க கண்ணாடி-மதுசார (glass-alcohol/ethanol) வெப்பநிலைமானி ஏன் பொருத்தமானது? (3)
(இ) எண்ணிலக்க (digital) வெப்பநிலைமானி எவ்வாறு செயல்படுகிறது? (2) (10 புள்ளி)
(ஆ) குறை வெப்பநிலை அளக்க கண்ணாடி-மதுசார (glass-alcohol/ethanol) வெப்பநிலைமானி ஏன் பொருத்தமானது? (3)
(இ) எண்ணிலக்க (digital) வெப்பநிலைமானி எவ்வாறு செயல்படுகிறது? (2) (10 புள்ளி)
விடைத் திட்டம்:
- Mercury thermometer: bulb + narrow tube; expansion rises.
- Mercury: uniform expansion, good conductor, wide liquid range; toxic.
- Ethanol m.p. −115°C → low temp; high uniform expansion; coloured.
- Digital uses temperature-dependent resistance.
(அ) கண்ணாடி-இரச வெப்பநிலைமானி அமைப்பு: இரசம் நிரப்பப்பட்ட ஒரு குமிழி (bulb) ஒடுங்கிய கண்ணாடிக் குழாயுடன் இணைக்கப்படுகிறது. வெப்பநிலை உயரும்போது குமிழியில் உள்ள இரசம் விரிவடைந்து குழாயில் மேலேறும். இரச நிரலின் நீளத்திற்கேற்ப அளவுகோலில் வெப்பநிலையை வாசிக்கலாம். குழாயின் விட்டம் மிகச் சிறியதால் சிறு பருமன் விரிவடைதலும் தெளிவாகத் தெரியும் நீளமாகத் தெரியும்.
இரசத்தின் நன்மைகள்:
• பரந்த வீச்சில் சீரான விரிவடைதல் (uniform expansion).
• நல்ல வெப்பக் கடத்தி (good thermal conductor) — விரைவாக வெப்பநிலையை எய்தும்.
• பரந்த வீச்சில் (−39°C முதல் 357°C) திரவமாகவே இருக்கும்.
குறை: இரசம் நச்சுத்தன்மை (toxic) உடையது → பயன்பாடு குறைந்து வருகிறது.
(ஆ) மதுசார (ethanol) வெப்பநிலைமானி:
• Ethanol-ன் உருகுநிலை −115°C — மிகக் குறைவு. எனவே 0°C-க்கு மிகக் கீழான வெப்பநிலைகளிலும் திரவமாகவே இருந்து அளவிட உதவும் (மலையக குளிர் காலநிலை).
• ஏனைய திரவங்களைவிட அதிக விரிவடைதல்; அது வெப்பநிலையுடன் சீராக அதிகரிக்கிறது.
• தூய ethanol நிறமற்றது → நிரல் தெளிவாகத் தெரிய வண்ணப் பொருள் சேர்க்கப்படுகிறது.
(இ) எண்ணிலக்க (Digital) வெப்பநிலைமானி: விரிவடைதலுக்குப் பதிலாக, வெப்பநிலையைப் பொறுத்து மாறும் ஒரு மின் பண்பை — மின்தடை (resistance) — பயன்படுத்துகிறது. வெப்பநிலை மாறும்போது மின்தடை மாறுகிறது; அதை மின்னணுச் சுற்று வெப்பநிலையாக மாற்றி திரையில் நேரடியாகக் காட்டுகிறது.
இரசத்தின் நன்மைகள்:
• பரந்த வீச்சில் சீரான விரிவடைதல் (uniform expansion).
• நல்ல வெப்பக் கடத்தி (good thermal conductor) — விரைவாக வெப்பநிலையை எய்தும்.
• பரந்த வீச்சில் (−39°C முதல் 357°C) திரவமாகவே இருக்கும்.
குறை: இரசம் நச்சுத்தன்மை (toxic) உடையது → பயன்பாடு குறைந்து வருகிறது.
(ஆ) மதுசார (ethanol) வெப்பநிலைமானி:
• Ethanol-ன் உருகுநிலை −115°C — மிகக் குறைவு. எனவே 0°C-க்கு மிகக் கீழான வெப்பநிலைகளிலும் திரவமாகவே இருந்து அளவிட உதவும் (மலையக குளிர் காலநிலை).
• ஏனைய திரவங்களைவிட அதிக விரிவடைதல்; அது வெப்பநிலையுடன் சீராக அதிகரிக்கிறது.
• தூய ethanol நிறமற்றது → நிரல் தெளிவாகத் தெரிய வண்ணப் பொருள் சேர்க்கப்படுகிறது.
(இ) எண்ணிலக்க (Digital) வெப்பநிலைமானி: விரிவடைதலுக்குப் பதிலாக, வெப்பநிலையைப் பொறுத்து மாறும் ஒரு மின் பண்பை — மின்தடை (resistance) — பயன்படுத்துகிறது. வெப்பநிலை மாறும்போது மின்தடை மாறுகிறது; அதை மின்னணுச் சுற்று வெப்பநிலையாக மாற்றி திரையில் நேரடியாகக் காட்டுகிறது.
3. (அ) வெப்பக் கொள்ளளவு (heat capacity, C) மற்றும் தன்வெப்பக் கொள்ளளவு (specific heat capacity, c) ஆகியவற்றை வரையறுத்து அலகுகளுடன் வேறுபடுத்துக. (3)
(ஆ) Q = mcθ சமன்பாட்டில் ஒவ்வொரு குறியீட்டையும் அலகுடன் விளக்குக. (2)
(இ) ஒரு செப்புக் கலனில் 1 kg நீர் உள்ளது. நீருடன் கூடிய கலனின் திணிவு 1.6 kg. நீரின் வெப்பநிலை 25°C. நீர் கொதிக்கும்வரை (100°C) சூடேற்றத் தேவையான மொத்த வெப்பத்தைக் கணக்கிடுக. (c நீர் = 4200, c செப்பு = 400 J kg⁻¹ K⁻¹) (5) (10 புள்ளி)
(ஆ) Q = mcθ சமன்பாட்டில் ஒவ்வொரு குறியீட்டையும் அலகுடன் விளக்குக. (2)
(இ) ஒரு செப்புக் கலனில் 1 kg நீர் உள்ளது. நீருடன் கூடிய கலனின் திணிவு 1.6 kg. நீரின் வெப்பநிலை 25°C. நீர் கொதிக்கும்வரை (100°C) சூடேற்றத் தேவையான மொத்த வெப்பத்தைக் கணக்கிடுக. (c நீர் = 4200, c செப்பு = 400 J kg⁻¹ K⁻¹) (5) (10 புள்ளி)
விடைத் திட்டம்:
- C = whole object 1° rise; J K⁻¹.
- c = unit mass 1° rise; J kg⁻¹ K⁻¹. C = mc.
- Q=mcθ: Q J, m kg, c, θ.
- Copper mass = 1.6−1.0 = 0.6 kg.
- Q_vessel=0.6×400×75=18000; Q_water=1×4200×75=315000; total=333000 J.
(அ) வெப்பக் கொள்ளளவு (C): ஒரு *முழுப் பொருளின்* வெப்பநிலையை ஒரு அலகு (1 K) உயர்த்தத் தேவையான வெப்பம். அலகு J K⁻¹ (அ J °C⁻¹). திணிவையும் பொருளையும் சார்ந்தது.
தன்வெப்பக் கொள்ளளவு (c): ஒரு பொருளின் *ஒரலகு திணிவின்* வெப்பநிலையை ஒரு அலகு உயர்த்த/தாழ்த்த தேவையான வெப்பம். அலகு J kg⁻¹ K⁻¹. பொருளை மட்டுமே சார்ந்தது (திணிவைச் சாராது).
தொடர்பு: C = m × c.
(ஆ) Q = mcθ:
• Q = வெப்ப அளவு, அலகு Joule (J).
• m = திணிவு, அலகு kg.
• c = தன்வெப்பக் கொள்ளளவு, அலகு J kg⁻¹ K⁻¹.
• θ = வெப்பநிலை மாற்றம் (இறுதி − தொடக்கம்), அலகு K அல்லது °C. (அளவில் 1 K = 1°C.)
(இ) கணக்கீடு:
கலனும் நீரும் சேர்ந்து சூடாகின்றன → மொத்த வெப்பம் = கலன் உறிஞ்சும் வெப்பம் + நீர் உறிஞ்சும் வெப்பம்.
வெப்பநிலை மாற்றம் θ = 100 − 25 = 75 K.
செப்புக் கலனின் திணிவு = மொத்தம் − நீர் = 1.6 − 1.0 = 0.6 kg.
கலன் உறிஞ்சும் வெப்பம் = mcθ = 0.6 × 400 × 75 = 18 000 J.
நீர் உறிஞ்சும் வெப்பம் = mcθ = 1 × 4200 × 75 = 315 000 J.
மொத்த வெப்பம் = 18 000 + 315 000 = 333 000 J.
தன்வெப்பக் கொள்ளளவு (c): ஒரு பொருளின் *ஒரலகு திணிவின்* வெப்பநிலையை ஒரு அலகு உயர்த்த/தாழ்த்த தேவையான வெப்பம். அலகு J kg⁻¹ K⁻¹. பொருளை மட்டுமே சார்ந்தது (திணிவைச் சாராது).
தொடர்பு: C = m × c.
(ஆ) Q = mcθ:
• Q = வெப்ப அளவு, அலகு Joule (J).
• m = திணிவு, அலகு kg.
• c = தன்வெப்பக் கொள்ளளவு, அலகு J kg⁻¹ K⁻¹.
• θ = வெப்பநிலை மாற்றம் (இறுதி − தொடக்கம்), அலகு K அல்லது °C. (அளவில் 1 K = 1°C.)
(இ) கணக்கீடு:
கலனும் நீரும் சேர்ந்து சூடாகின்றன → மொத்த வெப்பம் = கலன் உறிஞ்சும் வெப்பம் + நீர் உறிஞ்சும் வெப்பம்.
வெப்பநிலை மாற்றம் θ = 100 − 25 = 75 K.
செப்புக் கலனின் திணிவு = மொத்தம் − நீர் = 1.6 − 1.0 = 0.6 kg.
கலன் உறிஞ்சும் வெப்பம் = mcθ = 0.6 × 400 × 75 = 18 000 J.
நீர் உறிஞ்சும் வெப்பம் = mcθ = 1 × 4200 × 75 = 315 000 J.
மொத்த வெப்பம் = 18 000 + 315 000 = 333 000 J.
4. (அ) நிலைமாற்றம் (change of state) என்றால் என்ன? உருகுநிலை, உறைநிலை, கொதிநிலை ஆகியவற்றை வரையறுக்க. (4)
(ஆ) மறை வெப்பம் (latent heat) என்றால் என்ன? நிலைமாற்றத்தின்போது வெப்பநிலை ஏன் மாறாமல் இருக்கிறது? (3)
(இ) உருகலின் தன்மறை வெப்பம் (specific latent heat of fusion) மற்றும் ஆவியாதலின் தன்மறை வெப்பம் (specific latent heat of vaporization) ஆகியவற்றை வரையறுத்து, நீர்/பனிக்கான மதிப்புகளைத் தருக. (3) (10 புள்ளி)
(ஆ) மறை வெப்பம் (latent heat) என்றால் என்ன? நிலைமாற்றத்தின்போது வெப்பநிலை ஏன் மாறாமல் இருக்கிறது? (3)
(இ) உருகலின் தன்மறை வெப்பம் (specific latent heat of fusion) மற்றும் ஆவியாதலின் தன்மறை வெப்பம் (specific latent heat of vaporization) ஆகியவற்றை வரையறுத்து, நீர்/பனிக்கான மதிப்புகளைத் தருக. (3) (10 புள்ளி)
விடைத் திட்டம்:
- Change of state = solid/liquid/gas inter-conversion.
- Melting pt = solid→liquid; freezing pt = liquid→solid; boiling pt = liquid→vapour.
- Latent heat = absorbed/released in change of state, no temp change.
- Heat breaks intermolecular bonds, not raise KE.
- L_fusion ice 3.36×10⁵; L_vap water 2.26×10⁶ J kg⁻¹.
(அ) நிலைமாற்றம் (Change of state): ஒரு பொருள் திடம், திரவம், வாயு ஆகிய ஒரு நிலையிலிருந்து மற்றொரு நிலைக்கு மாறுதல். (உரு: உருகுதல், கொதித்தல், குளிர்தல், திண்மமாதல்.)
• உருகுநிலை (Melting point): சூடேற்றப்படும் திடப் பொருள் திரவ நிலைக்கு மாறும் வெப்பநிலை.
• உறைநிலை (Freezing point): குளிர்விக்கப்படும் திரவம் திட நிலைக்கு மாறும் வெப்பநிலை. (ஒரே பொருளுக்கு உருகுநிலை = உறைநிலை.)
• கொதிநிலை (Boiling point): திரவம் முழுவதிலும் குமிழிகள் தோன்றி வாயுவாக மாறத் தொடங்கும் வெப்பநிலை. (இவை அழுத்தத்தைச் சார்ந்தவை; வழக்கமாக 1 atm-ல் தரப்படும்.)
(ஆ) மறை வெப்பம் (Latent heat): நிலைமாற்றத்தின்போது வெப்பநிலையை மாற்றாமல் ஒரு பொருளால் உறிஞ்சப்படும் அல்லது வெளியிடப்படும் வெப்பம்.
வெப்பநிலை ஏன் மாறவில்லை? நிலைமாற்றப் புள்ளியில் தரப்படும் வெப்பம் முழுவதும் மூலக்கூறுகளுக்கிடையே உள்ள ஈர்ப்பு விசைகளை (intermolecular forces) எதிர்த்து வேலை செய்யவும், பிணைப்புகளை உடைக்கவும் செலவிடப்படுகிறது. அது துகள்களின் இயக்க ஆற்றலை (KE) உயர்த்தாது — எனவே வெப்பநிலை மாறாது. நிலைமாற்றம் முழுவதும் முடிந்த பின்னரே வெப்பநிலை மீண்டும் உயரும்.
(இ) உருகலின் தன்மறை வெப்பம் (Specific latent heat of fusion): உருகுநிலையில் உள்ள ஒரு திடப் பொருளின் ஒரலகு திணிவை அதே வெப்பநிலையில் திரவமாக மாற்ற தேவையான வெப்பம். பனி: 1 kg பனியை (0°C) → நீராக (0°C) மாற்ற 3.36 × 10⁵ J.
ஆவியாதலின் தன்மறை வெப்பம் (Specific latent heat of vaporization): கொதிநிலையில் உள்ள ஒரலகு திணிவு திரவத்தை அதே வெப்பநிலையில் வாயுவாக மாற்ற தேவையான வெப்பம். நீர்: 1 kg நீரை (100°C) → நீராவியாக (100°C) மாற்ற 2.26 × 10⁶ J. (அலகு J kg⁻¹.)
• உருகுநிலை (Melting point): சூடேற்றப்படும் திடப் பொருள் திரவ நிலைக்கு மாறும் வெப்பநிலை.
• உறைநிலை (Freezing point): குளிர்விக்கப்படும் திரவம் திட நிலைக்கு மாறும் வெப்பநிலை. (ஒரே பொருளுக்கு உருகுநிலை = உறைநிலை.)
• கொதிநிலை (Boiling point): திரவம் முழுவதிலும் குமிழிகள் தோன்றி வாயுவாக மாறத் தொடங்கும் வெப்பநிலை. (இவை அழுத்தத்தைச் சார்ந்தவை; வழக்கமாக 1 atm-ல் தரப்படும்.)
(ஆ) மறை வெப்பம் (Latent heat): நிலைமாற்றத்தின்போது வெப்பநிலையை மாற்றாமல் ஒரு பொருளால் உறிஞ்சப்படும் அல்லது வெளியிடப்படும் வெப்பம்.
வெப்பநிலை ஏன் மாறவில்லை? நிலைமாற்றப் புள்ளியில் தரப்படும் வெப்பம் முழுவதும் மூலக்கூறுகளுக்கிடையே உள்ள ஈர்ப்பு விசைகளை (intermolecular forces) எதிர்த்து வேலை செய்யவும், பிணைப்புகளை உடைக்கவும் செலவிடப்படுகிறது. அது துகள்களின் இயக்க ஆற்றலை (KE) உயர்த்தாது — எனவே வெப்பநிலை மாறாது. நிலைமாற்றம் முழுவதும் முடிந்த பின்னரே வெப்பநிலை மீண்டும் உயரும்.
(இ) உருகலின் தன்மறை வெப்பம் (Specific latent heat of fusion): உருகுநிலையில் உள்ள ஒரு திடப் பொருளின் ஒரலகு திணிவை அதே வெப்பநிலையில் திரவமாக மாற்ற தேவையான வெப்பம். பனி: 1 kg பனியை (0°C) → நீராக (0°C) மாற்ற 3.36 × 10⁵ J.
ஆவியாதலின் தன்மறை வெப்பம் (Specific latent heat of vaporization): கொதிநிலையில் உள்ள ஒரலகு திணிவு திரவத்தை அதே வெப்பநிலையில் வாயுவாக மாற்ற தேவையான வெப்பம். நீர்: 1 kg நீரை (100°C) → நீராவியாக (100°C) மாற்ற 2.26 × 10⁶ J. (அலகு J kg⁻¹.)
5. வெப்ப விரிவடைதல் (thermal expansion) — (அ) திடம், திரவம், வாயு மூன்றிலும் விரிவடைதலை விளக்கும் தலா ஒரு செயல்பாட்டை (activity) குறிப்பிடுக. (3)
(ஆ) திடப் பொருள்களின் விரிவடைதலின் 4 நடைமுறை பயன்பாடுகளை விளக்குக. (4)
(இ) இருஉலோகப் பட்டை (bimetallic strip) அமைப்பையும் அது மின் இஸ்திரிப் பெட்டியில் வெப்பநிலையைக் கட்டுப்படுத்தும் விதத்தையும் விளக்குக. (3) (10 புள்ளி)
(ஆ) திடப் பொருள்களின் விரிவடைதலின் 4 நடைமுறை பயன்பாடுகளை விளக்குக. (4)
(இ) இருஉலோகப் பட்டை (bimetallic strip) அமைப்பையும் அது மின் இஸ்திரிப் பெட்டியில் வெப்பநிலையைக் கட்டுப்படுத்தும் விதத்தையும் விளக்குக. (3) (10 புள்ளி)
விடைத் திட்டம்:
- Solid: iron ball + ring. Liquid: coloured water in test tube. Gas: balloon on bottle.
- Cart wheel iron rim, railway gaps, loose cables, bottle lids heated.
- Bimetallic = 2 metals unequal expansion, bend on heating → thermostat.
(அ) மூன்று நிலைகளிலும் விரிவடைதல்:
• திடம்: ஒரு வளையத்தின் வழியே சரியாகச் செல்லும் இரும்புக் கோளத்தை எடுத்து, சூடேற்றினால் அது விரிவடைந்து வளையத்தின் வழியே செல்லாது; குளிர்ந்த பின் மீண்டும் செல்லும்.
• திரவம்: வண்ண நீர் நிரப்பிய சோதனைக் குழாயை வெந்நீரில் வைத்தால் — முதலில் குழாய் விரிந்து நீர்மட்டம் சற்றுக் கீழிறங்கி, பின் திரவம் விரிவடைந்து நீர்மட்டம் மேலேறும்.
• வாயு: பலூன் பொருத்திய காலி பிளாஸ்டிக் புட்டியை வெந்நீரில் வைத்தால், உள்ளே உள்ள காற்று விரிவடைந்து பலூன் ஊதிக்கொள்ளும்.
(ஆ) திட விரிவடைதலின் பயன்பாடுகள்:
• வண்டிச் சக்கரத்தின் இரும்பு வளையம்: வளையத்தின் விட்டத்தை சக்கரத்தைவிடச் சற்றுச் சிறிதாக்கி, சூடேற்றி விரிவடையச் செய்து சக்கரத்தைப் பொருத்துவர்; குளிர்ந்த பின் சுருங்கி இறுக்கமாகப் பிடிக்கும்.
• இரயில் தண்டவாளங்கள்: இரு தண்டவாளங்களுக்கிடையே சிறு இடைவெளி → வெப்பநிலை உயரும்போது விரிவடைய இடம் → சிதைவைத் தடுக்கும்.
• தொலைபேசி/மின் கம்பிகள்: கம்பங்களுக்கிடையே தளர்வாகப் பொருத்தப்படும் → குளிரில் சுருங்கும்போது அறுபடாது.
• புட்டி மூடிகள்: இறுக்கமான உலோக மூடியைச் சூடேற்றினால் (உலோகம் கண்ணாடியைவிட அதிகம் விரியும்) தளர்ந்து எளிதாகத் திறக்கும்.
(இ) இருஉலோகப் பட்டை (Bimetallic strip): வேறுபட்ட விரிவடைதல் கொண்ட இரு உலோகப் பட்டைகள் ஒன்றாக இறுக்கமாக இணைக்கப்பட்டவை. ஒரு முனை நிலையாகப் பொருத்தப்படும்; மறு முனை சுதந்திரம். சூடாகும்போது ஒரு உலோகம் மற்றதைவிட அதிகம் விரிவடைகிறது → பட்டை வளைகிறது.
மின் இஸ்திரியில்: பட்டை மின்சுற்றுடன் இணைக்கப்படுகிறது. வெப்பநிலை அதிகமாகும்போது பட்டை வளைந்து மின்தொடர்பைத் துண்டிக்கிறது (heater off); குளிர்ந்ததும் மீண்டும் தொடர்பு (heater on). இவ்வாறு வெப்பநிலை தானியங்கியாகக் கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது (thermostat).
• திடம்: ஒரு வளையத்தின் வழியே சரியாகச் செல்லும் இரும்புக் கோளத்தை எடுத்து, சூடேற்றினால் அது விரிவடைந்து வளையத்தின் வழியே செல்லாது; குளிர்ந்த பின் மீண்டும் செல்லும்.
• திரவம்: வண்ண நீர் நிரப்பிய சோதனைக் குழாயை வெந்நீரில் வைத்தால் — முதலில் குழாய் விரிந்து நீர்மட்டம் சற்றுக் கீழிறங்கி, பின் திரவம் விரிவடைந்து நீர்மட்டம் மேலேறும்.
• வாயு: பலூன் பொருத்திய காலி பிளாஸ்டிக் புட்டியை வெந்நீரில் வைத்தால், உள்ளே உள்ள காற்று விரிவடைந்து பலூன் ஊதிக்கொள்ளும்.
(ஆ) திட விரிவடைதலின் பயன்பாடுகள்:
• வண்டிச் சக்கரத்தின் இரும்பு வளையம்: வளையத்தின் விட்டத்தை சக்கரத்தைவிடச் சற்றுச் சிறிதாக்கி, சூடேற்றி விரிவடையச் செய்து சக்கரத்தைப் பொருத்துவர்; குளிர்ந்த பின் சுருங்கி இறுக்கமாகப் பிடிக்கும்.
• இரயில் தண்டவாளங்கள்: இரு தண்டவாளங்களுக்கிடையே சிறு இடைவெளி → வெப்பநிலை உயரும்போது விரிவடைய இடம் → சிதைவைத் தடுக்கும்.
• தொலைபேசி/மின் கம்பிகள்: கம்பங்களுக்கிடையே தளர்வாகப் பொருத்தப்படும் → குளிரில் சுருங்கும்போது அறுபடாது.
• புட்டி மூடிகள்: இறுக்கமான உலோக மூடியைச் சூடேற்றினால் (உலோகம் கண்ணாடியைவிட அதிகம் விரியும்) தளர்ந்து எளிதாகத் திறக்கும்.
(இ) இருஉலோகப் பட்டை (Bimetallic strip): வேறுபட்ட விரிவடைதல் கொண்ட இரு உலோகப் பட்டைகள் ஒன்றாக இறுக்கமாக இணைக்கப்பட்டவை. ஒரு முனை நிலையாகப் பொருத்தப்படும்; மறு முனை சுதந்திரம். சூடாகும்போது ஒரு உலோகம் மற்றதைவிட அதிகம் விரிவடைகிறது → பட்டை வளைகிறது.
மின் இஸ்திரியில்: பட்டை மின்சுற்றுடன் இணைக்கப்படுகிறது. வெப்பநிலை அதிகமாகும்போது பட்டை வளைந்து மின்தொடர்பைத் துண்டிக்கிறது (heater off); குளிர்ந்ததும் மீண்டும் தொடர்பு (heater on). இவ்வாறு வெப்பநிலை தானியங்கியாகக் கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது (thermostat).
6. வெப்பக் கடத்தலின் (heat transfer) மூன்று முறைகளையும் — கடத்தல் (conduction), வெப்பச்சலனம் (convection), கதிர்வீச்சு (radiation) — ஒவ்வொன்றின் கருத்துரு, நிகழும் பொருள், ஓர் உதாரணம் உட்பட விரிவாக ஒப்பிட்டு விளக்குக. (10 புள்ளி)
விடைத் திட்டம்:
- Conduction: particle-to-particle, solids; free electrons in metals.
- Convection: density change, liquids/gases, currents rise.
- Radiation: EM waves, no medium needed, sun → earth.
- Examples: metal spoon, boiling water, sun warmth.
(1) கடத்தல் (Conduction):
கருத்துரு: துகள்கள் ஒன்றன்பின் ஒன்றாக அதிர்ந்து, மோதல்கள் வழியாக இயக்க ஆற்றலை அடுத்த துகளுக்குக் கடத்துவதன் மூலம் வெப்பம் முன்னோக்கிப் பாய்தல். துகள்கள் இடம் மாறுவதில்லை.
நிகழும் பொருள்: முதன்மையாகத் திடப் பொருள்களில். உலோகங்களில் அணு அதிர்வுகளுடன் சுதந்திர இலத்திரன்களும் (free electrons) ஆற்றலைக் கடத்துவதால் அவை நல்ல கடத்திகள்.
உதாரணம்: சூடான தேநீரில் வைத்த உலோகக் கரண்டியின் மறுமுனை சூடாதல்; சமையற் கலனின் அடியிலிருந்து உள்ளே வெப்பம் பரவுதல்.
கடத்திகள்: வெள்ளி, செம்பு, இரும்பு, அலுமினியம். காப்பான்கள்: மரம், பிளாஸ்டிக், கம்பளி, ஆஸ்பெஸ்டாஸ், காற்று.
(2) வெப்பச்சலனம் (Convection):
கருத்துரு: திரவம்/வாயு சூடாகும்போது விரிவடைந்து அடர்த்தி குறைந்து மேலெழும்பும்; குளிர்ந்த அடர்த்தியான பகுதி கீழிறங்கி இடத்தை நிரப்பும். இந்த வெப்பச்சலன ஓட்டங்கள் (convection currents) வழியே வெப்பம் பரவும்.
நிகழும் பொருள்: திரவங்களும் வாயுக்களும் மட்டுமே (துகள்கள் இடம் மாற வேண்டும்).
உதாரணம்: கலனில் நீர் கொதித்தல்; கடல் தென்றல்/நில தென்றல்; அறையில் சூடான காற்று மேலெழும்புதல். மூழ்கு வெப்பக்கம்பியை அடியில் வைத்தால் முழு நீரும் சூடாகும்.
(3) கதிர்வீச்சு (Radiation):
கருத்துரு: சூடான பொருளிலிருந்து மின்காந்த அலைகளாக (electromagnetic waves) வெப்பம் பரவுதல்.
நிகழும் பொருள்: பருப்பொருள் ஊடகம் தேவையில்லை — வெற்றிடத்திலும் பாயும்.
உதாரணம்: சூரிய வெப்பம் ~150 மில்லியன் km வெற்றிடத்தைக் கடந்து பூமியை அடைதல்; நெருப்பின் அருகே நிற்கும்போது உணரும் வெப்பம்.
உறிஞ்சல்/எதிரொளிப்பு: கருமை + சொரசொரப்பு → அதிக உறிஞ்சல்; வெண்மை + மினுமினுப்பு → அதிக எதிரொளிப்பு. (வெண்ணுடை குளிர்ச்சி; கருப்புச் சமையற்கலன் வேகமாகச் சூடாகும்; வெப்பக் குடுவையின் வெள்ளிப்பூச்சு கதிர்வீச்சை எதிரொளிக்கும்.)
ஒப்பீட்டு அட்டவணை:
| முறை | ஊடகம் | நிகழும் பொருள் | கடத்தும் விதம் |
|---|---|---|---|
| Conduction | தேவை | திடம் (முதன்மை) | துகள் அதிர்வு + free electrons |
| Convection | தேவை | திரவம், வாயு | துகள் இடப்பெயர்ச்சி (currents) |
| Radiation | தேவையில்லை | அனைத்தும்/வெற்றிடம் | மின்காந்த அலைகள் |
கருத்துரு: துகள்கள் ஒன்றன்பின் ஒன்றாக அதிர்ந்து, மோதல்கள் வழியாக இயக்க ஆற்றலை அடுத்த துகளுக்குக் கடத்துவதன் மூலம் வெப்பம் முன்னோக்கிப் பாய்தல். துகள்கள் இடம் மாறுவதில்லை.
நிகழும் பொருள்: முதன்மையாகத் திடப் பொருள்களில். உலோகங்களில் அணு அதிர்வுகளுடன் சுதந்திர இலத்திரன்களும் (free electrons) ஆற்றலைக் கடத்துவதால் அவை நல்ல கடத்திகள்.
உதாரணம்: சூடான தேநீரில் வைத்த உலோகக் கரண்டியின் மறுமுனை சூடாதல்; சமையற் கலனின் அடியிலிருந்து உள்ளே வெப்பம் பரவுதல்.
கடத்திகள்: வெள்ளி, செம்பு, இரும்பு, அலுமினியம். காப்பான்கள்: மரம், பிளாஸ்டிக், கம்பளி, ஆஸ்பெஸ்டாஸ், காற்று.
(2) வெப்பச்சலனம் (Convection):
கருத்துரு: திரவம்/வாயு சூடாகும்போது விரிவடைந்து அடர்த்தி குறைந்து மேலெழும்பும்; குளிர்ந்த அடர்த்தியான பகுதி கீழிறங்கி இடத்தை நிரப்பும். இந்த வெப்பச்சலன ஓட்டங்கள் (convection currents) வழியே வெப்பம் பரவும்.
நிகழும் பொருள்: திரவங்களும் வாயுக்களும் மட்டுமே (துகள்கள் இடம் மாற வேண்டும்).
உதாரணம்: கலனில் நீர் கொதித்தல்; கடல் தென்றல்/நில தென்றல்; அறையில் சூடான காற்று மேலெழும்புதல். மூழ்கு வெப்பக்கம்பியை அடியில் வைத்தால் முழு நீரும் சூடாகும்.
(3) கதிர்வீச்சு (Radiation):
கருத்துரு: சூடான பொருளிலிருந்து மின்காந்த அலைகளாக (electromagnetic waves) வெப்பம் பரவுதல்.
நிகழும் பொருள்: பருப்பொருள் ஊடகம் தேவையில்லை — வெற்றிடத்திலும் பாயும்.
உதாரணம்: சூரிய வெப்பம் ~150 மில்லியன் km வெற்றிடத்தைக் கடந்து பூமியை அடைதல்; நெருப்பின் அருகே நிற்கும்போது உணரும் வெப்பம்.
உறிஞ்சல்/எதிரொளிப்பு: கருமை + சொரசொரப்பு → அதிக உறிஞ்சல்; வெண்மை + மினுமினுப்பு → அதிக எதிரொளிப்பு. (வெண்ணுடை குளிர்ச்சி; கருப்புச் சமையற்கலன் வேகமாகச் சூடாகும்; வெப்பக் குடுவையின் வெள்ளிப்பூச்சு கதிர்வீச்சை எதிரொளிக்கும்.)
ஒப்பீட்டு அட்டவணை:
| முறை | ஊடகம் | நிகழும் பொருள் | கடத்தும் விதம் |
|---|---|---|---|
| Conduction | தேவை | திடம் (முதன்மை) | துகள் அதிர்வு + free electrons |
| Convection | தேவை | திரவம், வாயு | துகள் இடப்பெயர்ச்சி (currents) |
| Radiation | தேவையில்லை | அனைத்தும்/வெற்றிடம் | மின்காந்த அலைகள் |
7. (அ) கடல் தென்றல் (sea breeze) மற்றும் நில தென்றல் (land breeze) எவ்வாறு உருவாகின்றன என்பதை நீர் மற்றும் நிலத்தின் தன்வெப்பக் கொள்ளளவு (specific heat capacity) வேறுபாட்டுடன் விளக்குக. (6)
(ஆ) வெப்பக் குடுவை (thermos flask) வெப்ப இழப்பை எவ்வாறு தடுக்கிறது — மூன்று கடத்தல் முறைகளையும் கருத்திற்கொண்டு விளக்குக. (4) (10 புள்ளி)
(ஆ) வெப்பக் குடுவை (thermos flask) வெப்ப இழப்பை எவ்வாறு தடுக்கிறது — மூன்று கடத்தல் முறைகளையும் கருத்திற்கொண்டு விளக்குக. (4) (10 புள்ளி)
விடைத் திட்டம்:
- Land low c → heats/cools fast; sea high c → slow.
- Day: land hot → air rises → sea→land = sea breeze.
- Night: land cools fast, sea warm → land→sea = land breeze.
- Thermos: vacuum stops conduction/convection; silver reflects radiation; stopper stops convection.
(அ) கடல்/நில தென்றலின் அடிப்படை: நிலத்தின் தன்வெப்பக் கொள்ளளவு (c) கடல் நீரின் c-ஐ விடக் குறைவு. எனவே நிலம் வேகமாகச் சூடாகும், வேகமாகக் குளிரும்; கடல் மெதுவாகச் சூடாகும், மெதுவாகக் குளிரும்.
கடல் தென்றல் (Sea breeze) — பகலில்: சூரிய வெப்பத்தால் நிலம் கடலைவிட விரைவாகச் சூடாகிறது. நிலத்தருகே உள்ள காற்று சூடாகி அடர்த்தி குறைந்து மேலெழும்புகிறது → நிலத்தருகே குறை அழுத்தம். இந்தக் குறையை நிரப்ப கடலிலிருந்து நிலத்தை நோக்கி குளிர்ந்த காற்று வீசுகிறது = கடல் தென்றல்.
நில தென்றல் (Land breeze) — இரவில்: இரவில் நிலமும் கடலும் குளிர்கின்றன; ஆனால் நிலம் வேகமாகக் குளிர்கிறது, கடல் சூடாகவே இருக்கிறது. கடல் மேற்பரப்பருகே உள்ள வெதுவெதுப்பான காற்று மேலெழும்பி, கடலின்மேல் குறை அழுத்தம் உருவாகிறது → நிலத்திலிருந்து கடலை நோக்கி காற்று வீசுகிறது = நில தென்றல்.
(இரண்டும் வெப்பச்சலனத்தின் — convection — பெரிய அளவிலான எடுத்துக்காட்டுகள்.)
(ஆ) வெப்பக் குடுவை (Thermos flask) — வெப்ப இழப்பைத் தடுத்தல்:
• கடத்தல் + வெப்பச்சலனம் (conduction + convection): இரட்டைச் சுவருக்கிடையே உள்ள வெற்றிடம் (vacuum) — துகள்கள் இல்லாததால் வெப்பத்தைக் கடத்தவோ சலனம் செய்யவோ முடியாது.
• கதிர்வீச்சு (radiation): உள் சுவர்களில் வெள்ளிப்பூச்சு — மினுமினுப்பான மேற்பரப்பு வெப்பக் கதிர்வீச்சை எதிரொளித்து உள்ளே வைத்திருக்கும் (அ வெளியே இழக்கவிடாது).
• மூடி (stopper): மேல்பகுதி காப்பான் மூடியால் அடைக்கப்பட்டு convection மூலம் ஏற்படும் வெப்ப இழப்பைத் தடுக்கிறது.
இவ்வாறு மூன்று கடத்தல் முறைகளும் தடுக்கப்படுவதால் சூடான/குளிர்ந்த உள்ளடக்கம் நீண்ட நேரம் அதே வெப்பநிலையில் இருக்கும்.
கடல் தென்றல் (Sea breeze) — பகலில்: சூரிய வெப்பத்தால் நிலம் கடலைவிட விரைவாகச் சூடாகிறது. நிலத்தருகே உள்ள காற்று சூடாகி அடர்த்தி குறைந்து மேலெழும்புகிறது → நிலத்தருகே குறை அழுத்தம். இந்தக் குறையை நிரப்ப கடலிலிருந்து நிலத்தை நோக்கி குளிர்ந்த காற்று வீசுகிறது = கடல் தென்றல்.
நில தென்றல் (Land breeze) — இரவில்: இரவில் நிலமும் கடலும் குளிர்கின்றன; ஆனால் நிலம் வேகமாகக் குளிர்கிறது, கடல் சூடாகவே இருக்கிறது. கடல் மேற்பரப்பருகே உள்ள வெதுவெதுப்பான காற்று மேலெழும்பி, கடலின்மேல் குறை அழுத்தம் உருவாகிறது → நிலத்திலிருந்து கடலை நோக்கி காற்று வீசுகிறது = நில தென்றல்.
(இரண்டும் வெப்பச்சலனத்தின் — convection — பெரிய அளவிலான எடுத்துக்காட்டுகள்.)
(ஆ) வெப்பக் குடுவை (Thermos flask) — வெப்ப இழப்பைத் தடுத்தல்:
• கடத்தல் + வெப்பச்சலனம் (conduction + convection): இரட்டைச் சுவருக்கிடையே உள்ள வெற்றிடம் (vacuum) — துகள்கள் இல்லாததால் வெப்பத்தைக் கடத்தவோ சலனம் செய்யவோ முடியாது.
• கதிர்வீச்சு (radiation): உள் சுவர்களில் வெள்ளிப்பூச்சு — மினுமினுப்பான மேற்பரப்பு வெப்பக் கதிர்வீச்சை எதிரொளித்து உள்ளே வைத்திருக்கும் (அ வெளியே இழக்கவிடாது).
• மூடி (stopper): மேல்பகுதி காப்பான் மூடியால் அடைக்கப்பட்டு convection மூலம் ஏற்படும் வெப்ப இழப்பைத் தடுக்கிறது.
இவ்வாறு மூன்று கடத்தல் முறைகளும் தடுக்கப்படுவதால் சூடான/குளிர்ந்த உள்ளடக்கம் நீண்ட நேரம் அதே வெப்பநிலையில் இருக்கும்.