कैलोरीमीटर द्वारा प्राप्त ऊष्मा की गणना कैसे करें

अपने जीवन के किसी मोड़ पर, आपने शायद सोचा होगा कि a कैलोरी किसी दिए गए भोजन के लिए पोषण-सूचना लेबल को देखने के बाद है। कुछ के अलावा बहुत से लोग कम संख्या को देखना पसंद करते हैं जब वे ऐसे लेबल को स्कैन करते हैं, तो कैलोरी क्या है?

और "कैलोरी" जीवित प्रणालियों में द्रव्यमान कैसे जोड़ते हैं, अगर वास्तव में ऐसा होता है तो क्या होता है? और आप कैसे सुनिश्चित कर सकते हैं कि किसी दिए गए आइटम के लिए सूचीबद्ध कैलोरी की संख्या - यह मान आश्वस्त करने वाला या निराशाजनक हो - सटीक रूप से निर्धारित किया गया है?

तपिश परिवेश की दुनिया के कई गुणों में से एक है जिसका आप शायद अपने कुछ चुने हुए शब्दों में अच्छी तरह से वर्णन कर सकते हैं, लेकिन भौतिक विज्ञान में इसका अधिक केंद्रित अर्थ है। कैलोरी ऊष्मा का एक माप है, जैसा कि जूल (J) और ब्रिटिश थर्मल यूनिट (btu) है। हीट एक्सचेंज का अध्ययन भौतिक विज्ञान की एक शाखा है जिसे के रूप में जाना जाता है उष्मामिति, जो बदले में नामक उपकरणों पर निर्भर करता है कैलोरीमीटर.

सहज रूप से, आपको यह अजीब लग सकता है कि आइसक्रीम और चीज़केक जैसे ठंडे या जमे हुए खाद्य पदार्थ एक छोटे से सर्विंग में माना जाता है कि बहुत अधिक मात्रा में पैक कर सकते हैं। इसके अलावा, अगर कैलोरी किसी तरह गर्मी में तब्दील हो जाती है, तो क्या इससे अधिक आपूर्ति करने वाले खाद्य पदार्थों से वास्तव में वजन नहीं बढ़ता है

ये अच्छे प्रश्न हैं, और इस लेख के बाकी हिस्सों के माध्यम से "बर्न" करने के बाद, आपके पास ये उत्तर होंगे और आपकी अगली कैलोरीमेट्री प्रयोगशाला या खेल-पोषण चर्चा में ले जाने के लिए और भी बहुत कुछ होगा।

ऊष्मा को मुख्य रूप से माना जा सकता है तापीय ऊर्जा। ऊर्जा के अन्य रूपों की तरह, इसकी इकाइयाँ हैं जूल (या गैर-एसआई इकाइयों में समकक्ष)। गर्मी एक मायावी मात्रा है जिसमें सीधे मापना मुश्किल है। इसके बजाय, नियंत्रित प्रायोगिक परिस्थितियों में तापमान में परिवर्तन का उपयोग यह निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है कि किसी प्रणाली ने गर्मी प्राप्त की है या खो दी है।

तथ्य यह है कि गर्मी को ऊर्जा के रूप में माना जाता है, इसका मतलब है कि इसका ट्रैक रखना गणितीय रूप से सीधा अभ्यास है, यहां तक ​​​​कि यदि प्रयोग कभी-कभी ऐसी परिस्थितियों को स्थापित करना कठिन बना देते हैं जिनमें कोई ऊष्मा ऊर्जा बाहर नहीं निकलती है और माप से बाहर हो जाती है। लेकिन मूलभूत वास्तविकताओं जैसे. के कारण ऊर्जा संरक्षण का नियम, गर्मी सारणीकरण सिद्धांत रूप में काफी सरल है।

सामग्री में बदलते तापमान के प्रतिरोध के विभिन्न स्तर होते हैं जब उस पदार्थ की एक निश्चित मात्रा में गर्मी की एक निश्चित मात्रा जोड़ दी जाती है। अर्थात्, यदि आप 1 किलोग्राम पदार्थ A और 1 किलोग्राम पदार्थ B लेते हैं और प्रत्येक में समान मात्रा में ऊष्मा मिलाते हैं, तो बिना किसी ऊष्मा को छोड़ने की अनुमति होती है प्रणाली, A का तापमान पदार्थ B के तापमान की तुलना में केवल एक-पांचवें तक बढ़ सकता है।

इसका अर्थ यह होगा कि पदार्थ A में a है विशिष्ट ताप पदार्थ A का पांच गुना, नीचे विस्तार से एक अवधारणा का पता लगाया जाना है।

पोषण लेबल पर सूचीबद्ध "कैलोरी" वास्तव में एक किलोकैलोरी, या किलो कैलोरी है। तो वास्तव में, शर्करा वाले सोडा के एक विशिष्ट कैन में लगभग 120,000 कैलोरी होती है, जिसे कन्वेंशन द्वारा रोजमर्रा के संचार में कैलोरी के रूप में व्यक्त किया जाता है।

• कैलर उचित रूप से पर्याप्त गर्मी के लिए लैटिन शब्द है।

कैलोरी लगभग 4.184 J के बराबर है, जिसका अर्थ है कि खाद्य लेबल पर कैलोरी के रूप में माना जाने वाला kcal 4,184 J या 4.184 kJ के बराबर है। भौतिक विज्ञान में ऊर्जा व्यय (जूल प्रति सेकेंड) की दर को शक्ति कहा जाता है, और एसआई इकाई वाट (डब्ल्यू) है, जो 1 जे/एस के बराबर है। इसलिए एक kcal लगभग १२ सेकंड के लिए ०.३५ से ०.४ kW (३५० J/s) पर गुनगुनाते हुए सिस्टम को बिजली देने के लिए पर्याप्त मात्रा में ऊर्जा है:

पी = ई/टी, इसलिए टी = ई/पी = ४.१८६ केजे/(०.३५ केजे/एस) = १२.०।

• एक प्रशिक्षित धीरज एथलीट जैसे साइकिल चालक या धावक विस्तारित अवधि में इस तरह के बिजली उत्पादन को बनाए रखने में सक्षम है। सिद्धांत रूप में, तब, एक 100- "कैलोरी" (100-केकेसी) ऊर्जा पेय एक ओलंपिक सड़क साइकिल चालक या मैराथन धावक को लगभग 100 गुना 12 सेकंड या 20 मिनट तक चला सकता है। चूंकि मानव प्रणाली लगभग 100 प्रतिशत यांत्रिक रूप से कुशल नहीं है, इसलिए वास्तव में इसे लंबे समय तक पूर्ण एरोबिक क्षमता के करीब संचालित करने के लिए 300 किलो कैलोरी से अधिक की आवश्यकता होती है।
  

कैलोरी 1 ग्राम पानी के तापमान को 1 डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा के रूप में परिभाषित किया गया है। इसके साथ एक समस्या यह है कि तापमान की सीमा के पार तापमान के साथ पानी के सी में थोड़ा बदलाव होता है, जिस पर एच₂ओ तरल है। "विशिष्ट गर्मी" में "विशिष्ट" न केवल विशिष्ट सामग्रियों को बल्कि एक विशिष्ट तापमान को संदर्भित करता है।

• अधिकांश सामग्रियों की विशिष्ट ऊष्मा 20. पर दी जाती है

  डिग्री सेल्सियस या 25 डिग्री सेल्सियस।

तकनीकी रूप से, "गर्मी क्षमता" और "विशिष्ट ताप क्षमता" शब्द का अर्थ अलग-अलग चीजें हैं, भले ही आप इन्हें कम-कठोर स्रोतों में एक दूसरे के स्थान पर इस्तेमाल करते हुए देख सकते हैं।

ऊष्मा क्षमता, जब मूल रूप से गढ़ी गई थी, एक निश्चित मात्रा से एक संपूर्ण वस्तु (जो कई सामग्रियों से बनी हो सकती है) को गर्म करने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा को संदर्भित करती है। विशिष्ट ताप क्षमता से तात्पर्य 1 ग्राम के तापमान को बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा से है एक विशिष्ट सामग्री का 1 डिग्री सेल्सियस या केल्विन (डिग्री सेल्सियस या के) से।

• जबकि सेल्सियस और केल्विन तापमान के पैमाने समान नहीं हैं, वे एक निश्चित मात्रा से भिन्न होते हैं, जैसे कि °C + 273 = K जहाँ K ऋणात्मक नहीं हो सकता। इसका मतलब यह है कि एक पैमाने में तापमान में दिया गया संख्यात्मक परिवर्तन दूसरे में परिवर्तन के समान परिमाण का उत्पादन करता है, फ़ारेनहाइट-सेल्सियस इंटरकनवर्सन के मामले के विपरीत।

"विशिष्ट ताप क्षमता" को "गर्मी क्षमता" तक छोटा करने के बजाय, शब्द का उपयोग करें विशिष्ट ताप, जैसा कि प्रतिष्ठित स्रोतों में सम्मेलन है।

ए का उद्देश्य कैलोरीमीटर कुछ प्रक्रिया में जारी गर्मी को पकड़ना है, जैसे कि एक एक्सोथर्मिक रासायनिक प्रतिक्रिया, जो अन्यथा पर्यावरण के लिए खो जाएगी। जब सिस्टम का तापमान परिवर्तन और कैलोरीमीटर असेंबली के द्रव्यमान और विशिष्ट गर्मी को जाना जाता है, तो प्रक्रिया द्वारा सिस्टम में डाली जाने वाली गर्मी की मात्रा निर्धारित की जा सकती है। उदाहरण अगले भाग में दिए गए हैं।

एक कैलोरीमीटर कई अलग-अलग सामग्रियों से बनाया जा सकता है, इस शर्त के साथ कि वे इन्सुलेट कर रहे हैं (यानी, गर्मी हस्तांतरण की अनुमति नहीं है; विद्युत आवेश हस्तांतरण के खिलाफ प्रतिरोध को संदर्भित करने के लिए शब्द का उपयोग विद्युत चुंबकत्व में भी किया जाता है)।

एक सामान्य संस्करण एक स्टायरोफोम कप और एक अच्छी तरह से फिटिंग ढक्कन से बनाया जा सकता है। इस कॉफी-कप कैलोरीमीटर में, पानी आमतौर पर एक विलायक के रूप में उपयोग किया जाता है, और एक थर्मामीटर और (यदि आवश्यक हो) हलचल छड़ी कप के ढक्कन में छोटे छेद के माध्यम से आराम से फिट की जाती है।

एक बंद प्रणाली की गर्मी में परिवर्तन (कैलोरीमीटर के मामले में परिभाषा के अनुसार सकारात्मक) द्वारा दिया जाता है प्रणाली के द्रव्यमान का गुणनफल, कैलोरीमीटर की ऊष्मा क्षमता और तापमान में परिवर्तन प्रणाली:

कहा पे:

• क्यू = जूल (जे) में विकसित गर्मी (अवशोषित गर्मी के बराबर - गर्मी जारी)
• मी = द्रव्यमान किलोग्राम में (किलो)
• c = J/kg⋅°C (या J/kg⋅K) में विशिष्ट ताप क्षमता
• ∆T = °C (या K) में तापमान परिवर्तन

कैलोरीमीटर में जो भी ऊष्माक्षेपी (ऊष्मा-विमोचन) रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, उससे जो ऊष्मा निकलती है, वह आमतौर पर पर्यावरण में फैल जाती है। यह एक थर्मोडायनामिक मात्रा में परिवर्तन के लिए चाक-चौबंद नुकसान है जिसे के रूप में जाना जाता है तापीय धारिता जो सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा और सिस्टम के दबाव-मात्रा संबंध में परिवर्तन दोनों का वर्णन करता है। इसके बजाय यह गर्मी विलायक और कप के ढक्कन के बीच फंस जाती है।
इससे पहले, ऊर्जा के संरक्षण का विचार पेश किया गया था। क्योंकि कैलोरीमीटर में प्रवेश करने वाली गर्मी अभिकारकों से युक्त कैलोरीमीटर के भीतर सिस्टम द्वारा मुक्त की गई ऊष्मा के बराबर होनी चाहिए और उत्पाद स्वयं, इस प्रणाली के लिए गर्मी परिवर्तन का संकेत नकारात्मक है और इसका परिमाण उतना ही है जितना गर्मी द्वारा प्राप्त किया गया है कैलोरीमीटर

उपरोक्त और संबंधित कथन यह मानते हैं कि कैलोरीमीटर से केवल कोई ऊष्मा या नगण्य मात्रा में ऊष्मा नहीं निकलती है। जब इन्सुलेशन मौजूद नहीं होता है, तो गर्मी गर्म से ठंडे क्षेत्रों में चली जाती है, इसलिए उचित इन्सुलेशन के बिना, गर्मी छोड़ देगी परिवेश के वातावरण के लिए कैलोरीमीटर असेंबली जब तक कि पर्यावरण का तापमान की तुलना में गर्म न हो कैलोरीमीटर

निम्नलिखित चार्ट में कुछ सामान्य तत्वों और यौगिकों की J/kg⋅°C में विशिष्ट ऊष्मा शामिल है।

• एच₂हे, बर्फ: २.१०८
• एच₂हे, पानी: ४.१८४
• एच₂हे, जल वाष्प: 2.062
• मेथनॉल: 2.531
• इथेनॉल: 2.438
• बेंजीन: 1.745
• कार्बन, ग्रेफाइट: 0.709
• कार्बन, हीरा: 0.509
• एल्यूमिनियम: 0.897
• आयरन: 0.449
• कॉपर: 0.385
• सोना: 0.129

• बुध: 0.140

• टेबल नमक (NaCl): 0.864

• क्वार्ट्ज: 0.742
• कैल्साइट: 0.915

ध्यान दें कि पानी में असामान्य रूप से बड़ी गर्मी क्षमता होती है। यह शायद उल्टा है कि एक ग्राम पानी एक ग्राम पानी के दसवें हिस्से से भी कम गर्म होगा, उतनी ही मात्रा में अतिरिक्त गर्मी दी जाएगी, लेकिन यह ग्रह के चारों ओर जीवन के लिए महत्वपूर्ण है।

पानी आपके शरीर का लगभग तीन-चौथाई हिस्सा बनाता है, जिससे आप पर्यावरण के तापमान में बड़े उतार-चढ़ाव को सहन करने में सक्षम होते हैं। मोटे तौर पर, महासागर दुनिया भर में तापमान को स्थिर करने में मदद करने के लिए गर्मी के भंडार के रूप में कार्य करते हैं।

अब आप कैलोरीमीटर से संबंधित कुछ गणनाओं के लिए तैयार हैं।
उदाहरण 1: सबसे पहले, 25 डिग्री सेल्सियस पर 50 एमएल पानी में एक ग्राम सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH) को घोलने का साधारण मामला लें। इस तापमान पर पानी की गर्मी क्षमता ४.१८४ जे/किग्रा⋅ डिग्री सेल्सियस लें और ५० मिलीलीटर पानी को ५० ग्राम, या ०.०५ किलोग्राम का द्रव्यमान मानें। यदि विलयन का तापमान 30.32 °C तक बढ़ जाता है, तो कैलोरीमीटर से कितनी ऊष्मा प्राप्त होती है?

आपके पास Q = mc∆T = (0.05 किग्रा)(4.184 kJ/kg⋅°C)(30.32 - 5.32 °C) है।

= १.११३ केजे या १,११३ जे।

उदाहरण 2: अब एक घरेलू सौर ऊर्जा भंडारण इकाई के मामले पर विचार करें, एक उपकरण समय के साथ और अधिक लोकप्रिय होता जा रहा है। मान लें कि यह उपकरण तापीय ऊर्जा के भंडारण के लिए 400 लीटर पानी का उपयोग करता है।
एक स्पष्ट गर्मी के दिन, पानी का प्रारंभिक तापमान 23.0 डिग्री सेल्सियस होता है। दिन के दौरान, पानी का तापमान 39.0 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है क्योंकि यह इकाई की "पानी की दीवार" के माध्यम से घूमता है। पानी में कितनी ऊर्जा संग्रहित की गई है?

फिर से, मान लें कि पानी का द्रव्यमान 400 किग्रा है, अर्थात इस तापमान सीमा के भीतर पानी का घनत्व ठीक 1.0 माना जा सकता है (यह एक सरलीकरण है)।

इस बार ब्याज का समीकरण है:

Q = mc∆T = (400 किग्रा)(4.184 kJ/kg⋅°C)(39 °C - 23 °C)

= 26,778 जे = 26.78 केजे।

1.5-kW स्पेस हीटर को लगभग 17 सेकंड के लिए बिजली देने के लिए यह पर्याप्त ऊर्जा है:

(२६.७८ kJ)(kW/(kJ/s)/(१.५ kW) = १७.८५ s

सबसे अधिक संभावना है, घर के मालिकों के पास इसके लिए एक अलग उपयोग की योजना है यदि वे एक सौर घर में रहते हैं।

आप ऑनलाइन कैलकुलेटर का उपयोग कर सकते हैं जो आपको विशिष्ट गर्मी की इकाइयों के बीच आसानी से परिवर्तित करने की अनुमति देता है, जिसमें असामान्य लेकिन पूरी तरह से विलुप्त इकाइयां जैसे बीटीयू/एलबी_म^हेएफ