AP Inter 1st Year Physics Important Questions Chapter 13 ఉష్ణోగతిక శాస్త్రం

Students get through AP Inter 1st Year Physics Important Questions 13th Lesson ఉష్ణోగతిక శాస్త్రం which are most likely to be asked in the exam.

AP Inter 1st Year Physics Important Questions 13th Lesson ఉష్ణోగతిక శాస్త్రం

Very Short Answer Questions (అతిస్వల్ప సమాధాన ప్రశ్నలు)

ప్రశ్న 1.
ఉష్ణ సమతాస్థితి అనగా ఏమి? అది ఉష్ణ గతిక శాస్త్ర శూన్యాంక నియమమునకు ఎట్లు దారి తీయునో వివరింపుము. [Imp.Q]
జవాబు:
ఉష్ణసమతాస్థితి :
రెండు వ్యవస్థల ఉష్ణోగ్రతలు సమానముగా ఉండి, వాని మధ్య ఉష్ణ ప్రసారము జరుగుటకు వీలు ఉన్నప్పటికి, ఉష్ణము ప్రవహించనప్పుడు ఆ రెండు వ్యవస్థలు ఉష్ణసమతా స్థితిలో ఉన్నవని అంటారు.

ఉష్ణగతిక శాస్త్ర శూన్యాంక నియమం :
రెండు వ్యవస్థలు మూడవ వ్యవస్థతో వేరువేరుగా ఉష్ణ సమతాస్థితిలో ఉన్నపుడు ఆ రెండు వ్యవస్థలు ఒక దానికొకొటి ఉష్ణ సమతాస్థితిలో ఉండును.

ప్రశ్న 2.
కెలోరిని నిర్వచించండి. కెలోరికి ఉష్ణయాంత్రిక తుల్యాంకమునకు మధ్యగల సంబంధము ఏమి? [Imp.Q]
జవాబు:
కెలోరీ :
1 గ్రాము ద్రవ్యరాశి గల నీటి యొక్క ఉష్ణోగ్రతను 1 atm పీడనం వద్ద 1°C పెంచడానికి కావలసిన ఉష్ణరాశిని “కెలోరీ” అని అంటారు.

ఉష్ణయాంత్రిక తుల్యాంకము (J) :
1 కెలోరి ఉష్ణమును జనింపచేయుటకు చేయవలసిన పనిని ఉష్ణయాంత్రిక తుల్యాంకము అని అంటారు.
1 కెలోరి = 4.186 జౌల్

ప్రశ్న 3.
(a) శూన్యాంక నియమం (b) ప్రథమ లేక మొదటి నియమం ద్వారా నిర్వచించ కల్గిన ఉష్ణగతిక చర రాశులు ఏవి? [Imp.Q]
జవాబు:
(a) ఉష్ణగతిక శాస్త్ర శూన్యాంక నియమము నుండి వ్యవస్థ యొక్క ఉష్ణోగ్రతను నిర్వచించవచ్చును.

(b) ఉష్ణగతిక శాస్త్ర మొదటి నియమము నుండి వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తి లేక అంతరిక శక్తిని నిర్వచించవచ్చును.

ప్రశ్న 4.
ఒక పదార్థము యొక్క విశిష్టోష్టమును నిర్వచించి, అది ఏఏ అంశాలపై ఆధారపడి ఉండునో వివరింపుము. [Imp.Q]
జవాబు:
విశిష్టోష్ణం ప్రమాణ ద్రవ్యరాశి గల ఒక వస్తువు యొక్క ఉష్ణోగ్రతను 1°C లేక 1K పెంచడానికి అవసరమైన ఉష్ణరాశిని ఆ పదార్థ విశిష్టోష్ణం అని అంటారు. దీనిని c లేక s తో సూచిస్తారు. m ద్రవ్యరాశి గల వస్తువునకు dQ ఉష్ణమును

ఇచ్చినపుడు దాని ఉష్ణోగ్రతలోని పెరుగుదల dT అయితే దాని విశిష్టోష్టం S = \(\frac{1}{m}(\frac{dQ}{dT})\)
ఒక పదార్థము యొక్క విశిష్టోష్ణం ఆ పదార్థ స్వభావం మరియు ఉష్ణోగ్రత పై ఆధారపడి ఉండును.

ప్రశ్న 5.
మోలార్ విశిష్టోష్టమును నిర్వచించండి. [Imp.Q][May 13]
జవాబు:
1 మోల్ ద్రవ్యరాశి గల పదార్థ ఉష్ణోగ్రతను 1°C లేక 1K పెంచడానికి కావలసిన ఉష్ణరాశిని మోలార్ విశిష్టోష్ణము అని అంటారు. n మోల్ ద్రవ్యరాశి గల వస్తువునకు dQ ఉష్ణమును ఇచ్చినపుడు దాని ఉష్ణోగ్రతలోని పెరుగుదల dT అయితే దాని మోలార్ విశిష్టోష్ణం C = \(\frac{1}{m}(\frac{dQ}{dT})\)

ఒక పదార్థము యొక్క మోలార్ విశిష్టోష్ణం ఆ పదార్థ స్వభావం, ఉష్ణోగ్రత మరియు పదార్థమును వేడిచేయు పరిస్థితుల పై ఆధారపడి ఉండును.

ప్రశ్న 6.
ఒక ఘన పదార్థంలో డోలకం మొత్తం శక్తి ఎంత? [Imp.Q]
జవాబు:
ఏకమితీయముగా డోలకం చేయు ఒక కణము సగటు శక్తి = 2 × \(\frac{1}{2}\)K_BT = K_BT
త్రిమితీయముగా డోలకం చేయు ఒక కణము సగటు శక్తి = 3K_BT
1 మోల్ పదార్థమునకు, మొత్తము శక్తి U= 3K_BT × N_A = 3RT (∵ R = N_AK_B)
ఇక్కడ N_A అనునది అవగాడ్రో సంఖ్య.

ప్రశ్న 7.
నీటి విశిష్టోష్ణం ఉష్ణోగ్రతతో పాటు మారడాన్ని గ్రాఫ్ ద్వారా చూపుము. దీని ప్రాముఖ్యత ఏమిటి?
జవాబు:

ప్రాముఖ్యత :
కెలోరిని ఖచ్చితంగా నిర్వచించుటకు తీసుకోవలసిన ఉష్ణోగ్రత 14.5°C నుండి 15.5°C అని సూచించును.

ప్రశ్న 8.
స్థితి చరరాశులను, స్థితి సమీకరణాన్ని నిర్వచించండి. [Imp.Q]
జవాబు:
ఒక ఉష్ణ గతిక వ్యవస్థ యొక్క సమతాస్థితిని పూర్తిగా వర్ణించు లేక వివరించు పీడనము, ఘనపరిమాణము, ఉష్ణోగ్రత లేక ద్రవ్యరాశి విలువలను స్థితి చరరాశులు అని అంటారు.

స్థితి సమీకరణం :
స్థితి చరరాశుల మధ్య సంబంధమును సూచించు సమీకరణమును స్థితి సమీకరణం అని అంటారు.
ఉదా: ఒక ఆదర్శ వాయువునకు, PV = nRT అనునది స్థితి సమీకరణం.

ప్రశ్న 9.
100% దక్షతో పనిచేసే ఉష్ణయంత్రాన్ని తయారు చేయడం సాధ్యం కాదు. ఎందుకు? [Imp.Q]
జవాబు:
ఒక ఉష్ణయంత్రము యొక్క దక్షత, η = 1 – \(\frac{T_2}{T_1}\)

శీతలాశయం ఉష్ణోగ్రత T₂ = 0K అయినపుడు లేక ఉష్ణాశయం ఉష్ణోగ్రత T₁ = అనంతం అయినపుడు η = 1 అగును. అనగా ఉష్ణయంత్రం దక్షత 100% ఉండును. కాని T₂ = 0 లేక T₁ = అనంతం అనునవి అసాధ్యం. అందువలన 100% దక్షత గల ఉష్ణయంత్రములను నిర్మించలేము.

ప్రశ్న 10.
వేసవికాలంలో సైకిల్ ట్యూబు నుంచి గాలిని తొలగిస్తున్నప్పుడు ఆ గాలి చల్లగా అనిపించడానికి కారణం ఏమిటి? [Imp.Q]
జవాబు:
సైకిల్ ట్యూబులోని గాలి అధిక పీడనం వద్ద ఉండును. ట్యూబు వాల్ను తెరచినపుడు, బయటకు వచ్చుగాలి స్థిరోష్ణ ప్రక్రియలో వ్యాకోచించును. వ్యాకోచము చెందునపుడు, బయటకు వచ్చు గాలి పరిసరాలపై కొంత పని చేయును. పని చేయుటకు తనలోని శక్తిని (అనగా అంతర్గత శక్తిని) ఉపయోగించును. అందు వలన దాని ఉష్ణోగ్రత తగ్గును. దీని వలన బయటకు వచ్చిన గాలి చల్లగా ఉన్నట్టు అనిపించును.

ప్రశ్న 11.
ఒక మోటారు వాహనాన్ని ఏటవాలు రోడ్డుపై దిగువకు స్థిరవడితో ప్రయాణం చేసేటట్లు బ్రేకులకు ఉపయోగిస్తే బ్రేక్ డ్రమ్ములు ఎందుకు వేడెక్కుతాయి? [Imp.Q]
జవాబు:
వాహనం వడి స్థిరముగా ఉన్నది కనుక దాని గతిశక్తిలో మార్పు ఉండదు. క్రిందకు వచ్చుచున్నది కనుక అది కొంత స్థితి శక్తిని కోల్పోవును. అది కోల్పోయిన స్థితిశక్తిలో కొంత భాగము ఉష్ణశక్తిగా మారును. అందువలన దాని బ్రేక్ డ్రమ్ వేడెక్కును.

ప్రశ్న 12.
విద్యుత్ శీతలీకరణ యంత్రాన్ని (రిఫ్రిజరేటర్) తెరచి ఉంచి గదిని చల్లబరచడం సాధ్యమవుతుందా? [Imp.Q]
జవాబు:
చల్లబరచలేము.
రిఫ్రిజరేటర్(ఫ్రిడ్జ్) లో ఉంచిన వస్తువుల నుండి కొంత ఉష్ణమును గ్రహించి (దీని కొరకు ఫ్రిజ్లో ఉన్న విద్యుత్ మోటారు పని చేయును) ఆ ఉష్ణమును ఫ్రిడ్జ్ బయట ఉన్న పరిసరాలలోనికి విసర్జించును. ఇది ఫ్రిడ్జ్ పని చేయు విధానము. ఇపుడు ఫ్రిడ్జ్ తలుపు తీసి ఉంచిన, అది మరింత ఉష్ణమును పరిసరాలలోనికి వదులును. దీని వలన గది కొంచెం వేడెక్కును.

ప్రశ్న 13.
వ్యవస్థ ఘనపరిమాణాన్ని 50% కి తగ్గించినప్పుడు, స్థిరోష్ణక లేదా సమఉష్ణోగ్రతా ప్రక్రియలలో దేనిలో పీడనం అధికంగా పెరుగుతుంది?
జవాబు:
స్థిరోష్ణ ప్రక్రియలో పీడనములోని పెరుగుదల ఎక్కువ.

సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియ :
తొలి ఘన పరిమాణము V₁ = V(అనుకొనుము),

ప్రశ్న 14.
ఒక థర్మాస్ ఫ్లాస్క్లో ఉన్న ద్రవాన్ని బాగా కుదిపితే, దాని ఉష్ణోగ్రత ఏమవుతుంది? [Imp.Q].
జవాబు:
థర్మాస్ ఫ్లాస్క్ ను బాగుగా కుదిపినపుడు ద్రవము పై పని జరుగును. ఈ పని వలన ఆంతరిక శక్తి పెరుగును. అందువలన ద్రవము ఉష్ణోగ్రత పెరుగును.

ప్రశ్న 15.
వాయువుతో నిండి ఉన్న గొట్టంలోకి ఒక ధ్వని తరంగాన్ని పంపితే దాని అంతరిక శక్తి మారుతుందా?
జవాబు:
మారును. ధ్వని తరంగ ప్రసారము ఒక స్థిరోష్ణప్రక్రియ. అందువలన వాయువు అంతర్గత శక్తి పెరుగును.

ప్రశ్న 16.
i) సమఉష్ణోగ్రతా ప్రక్రియ ii) స్థిరోష్ణ ప్రక్రియలలో అంతర్గత శక్తిలోని మార్పు ఎంత? [Imp.Q]
జవాబు:
అంతర్గత శక్తి వ్యవస్థ ఉష్ణోగ్రత పై ఆధారపడి ఉండును.
i) సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియలో వ్యవస్థ ఉష్ణోగ్రత స్థిరముగా ఉండును. కావున వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తిలో మార్పు ఉండదు.
i.e ∆U = 0

ii) స్థిరోష్ణ ప్రక్రియలో ∆Q = 0
ఉష్ణ గతిక శాస్త్ర ప్రథమ నియమం ప్రకారం ∆U = -∆W
వ్యవస్థ పని చేసినట్లయితే ∆W ధనాత్మకం. కనుక ∆U ఋణాత్మకం అనగా వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తి తగ్గును. వ్యవస్థపై పని జరిగినట్లయితే ∆W ఋణాత్మకం. కనుక ∆U ధనాత్మకం. అనగా వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తి పెరుగును.

ప్రశ్న 17.
రసాయనిక లేదా అణుకేంద్రాలలో వాడే శీతలీకరణి అధిక విశిష్టోష్టతను కలిగి ఉంటుంది. ఎందుకు? [Imp.Q]
జవాబు:
కేంద్రక రియాక్టర్ వంటి వ్యవస్థలలో చాలా ఎక్కువ ఉష్ణము జనించును. శీతలీకరణ ద్రవమునకు ఎక్కువ విశిష్టోష్ణము ఉన్నచో, ఉష్ణోగ్రతలో ఎక్కువ మార్పు లేకుండా, ఎక్కువ ఉష్ణమును గ్రహించుటకు అవకాశము ఉండును. అందువలన శీతలీకరణ ద్రవమునకు ఎక్కువ విశిష్టోష్ణము ఉండవలయును.

ప్రశ్న 18.
ఈ క్రింది వానిని వివరించండి. i) స్థిర ఘనపరిమాణ ప్రక్రియ ii) స్థిర పీడన ప్రక్రియ [Imp.Q]
జవాబు:
i) స్థిర ఘనపరిమాణ ప్రక్రియ :
వ్యవస్థ ఘనపరిమాణం స్థిరముగా ఉండి జరుగు ప్రక్రియను స్థిర ఘనపరిమాణ ప్రక్రియ అని అంటారు.
ఉదా: ధృడమైన గోడలు మరియు స్థిర ముషలకము కలిగిన సిలిండర్ లోని వాయువును వేడి చేసినపుడు వాయువు ఘనపరిమాణములో మార్పు ఉండదు. పీడనం, ఉష్ణోగ్రత పెరుగును.
∆Q = ∆U + P∆V కనుక ∆Q – ∆U అగును (∵ ∆V = 0)
అనగా వ్యవస్థకు అందించిన ఉష్ణశక్తి, దాని అంతర్గత శక్తిని పెంచుటకు ఉపయోగపడును.

ii) స్థిర పీడన ప్రక్రియ:
వ్యవస్థ పీడనం స్థిరముగా ఉండి, జరుగు ప్రక్రియను స్థిరపీడన ప్రక్రియ అని అంటారు.
ఉదా: ఒక మూతలేని గిన్నెలో నీరు తీసుకొని వాతావరణ పీడనం వద్ద వేడి చేయుట.

Short Answer Questions (స్వల్ప సమాధాన ప్రశ్నలు)

ప్రశ్న 1.
ఉష్ణగతిక శాస్త్ర మొదటి నియమాన్ని తెలిపి వివరించండి. [TS 22]
జవాబు:
నిర్వచనం :
ఒక వ్యవస్థకు సరఫరా అయిన ఉష్ణరాశి వ్యవస్థ అంతరిక శక్తి పెరుగుదలకు మరియు అది చేసిన బాహ్య పనుల మొత్తానికి సమానం.

ఒక వ్యవస్థకు సరఫరా చేసిన ఉష్ణరాశి dQ, అంతరిక శక్తి పెరుగుదల dU మరియు బాహ్య పని dW అయిన dQ = dU + dw.

వ్యవస్థ వలన పని జరిగితే dW ధనాత్మకం. వ్యవస్థపై పని జరిగితే dW ఋణాత్మకం.

ఇదే విధంగా వ్యవస్థకు ఉష్ణం అందితే dQ ను ధనాత్మకంగానూ, వ్యవస్థ నుంచి ఉష్ణం పొందితే dQను ఋణాత్మకంగాను తీసుకొంటారు. మొదటి నియమం ద్రవ్యం యొక్క అంతర్గత శక్తిని నిర్వచిస్తుంది. ఒక వియుక్త వ్యవస్థకు పరిసరాలతో సంబంధం ఉండదు. వ్యవస్థ మీద లేదా వ్యవస్థ చేసినపని dW = 0 మరియు dQ = 0 dU = 0 (లేదా) U = స్థిరరాశి. అనగా ఒక వియుక్త వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తి స్థిరంగా ఉంటుంది. ఉష్ణోగ్రతలో మార్పులేకుండా ఒక వ్యవస్థ అందజేసిన ఉష్ణరాశి మొత్తం పనిగామారితే ఆ వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తి స్థిరంగా ఉంటుంది. అనగా dU = 0.

పరిమితులు:

1. ఉష్ణము ప్రవహించు దిశ గురించి తెలియచేయలేదు.
2. ఉష్ణశక్తిలో ఎంత భాగము వరకు పనిగా మార్చవచ్చునో తెలియజేయదు.

ప్రశ్న 2.
వాయువునకు గల రెండు ప్రధాన విశిష్టోష్టములను నిర్వచించి వానిలో దేని విలువ ఎక్కువ? ఎందువలన? వివరింపుము? [Imp.Q][TS 15]
జవాబు:
స్థిర పీడనం వద్ద విశిష్టోష్ణం (C_p):
స్థిర పీడనం వద్ద ప్రమాణ ద్రవ్యరాశి గల ఒక వాయు ఉష్ణోగ్రతను ఒక డిగ్రీ పెంచడానికి కావలసిన ఉష్ణరాశిని, స్థిరపీడనం వద్ద, ఆ వాయు విశిష్టోష్ణం అంటారు.

స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద విశిష్టోష్ణం (C_v) :
స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద ప్రమాణ ద్రవ్యరాశి గల ఒక వాయు ఉష్ణోగ్రతను ఒక డిగ్రీ పెంచడానికి కావలసిన ఉష్ణరాశిని,స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద, ఆ వాయు విశిష్టోష్ణం అంటారు. స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద వ్యవస్థకు అందజేసిన ఉష్ణం, వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తి పెరుగుదలకు కారణమవుతుంది. కాని స్థిర పీడనం వద్ద వ్యవస్థకు సరఫరా అయ్యే ఉష్ణరాశి రెండు విధాలుగా ఉపయోగపడుతుంది.

1. వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తి పెరుగుదలకు
2. బాహ్య పని జరుగుటకు

అందువలన స్థిర పీడనం వద్ద వ్యవస్థకు, స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద కంటే ఎక్కువ ఉష్ణశక్తిని ఒకే ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలకు అందించాలి. అందువలన C_p > C_v.

ప్రశ్న 3.
ఉష్ణగతిక శాస్త్ర మొదటి నియమమును ఆధారము చేసుకొని ఒక వాయువు యొక్క రెండు విశిష్టోష్టముల మధ్య సంబంధమును ఉత్పాదించండి. [TS 15]
జవాబు:
ఒక మోల్ ద్రవ్యరాశి గల ఆదర్శవాయువును ఘర్షణ లేని ముషలకంతో ఒక స్థూపాకార పాత్రలో బంధించామనుకోండి. ముషలకం వైశాల్యం A, వాయు పీడనం, ఘనపరిమాణం, ఉష్ణోగ్రతలు వరుసగా P, V, T అనుకోండి. వాయువును వేడిచేసినపుడు అది వ్యాకోచించి dx స్థానభ్రంశం చెందుతుంది.

Case – I :
స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద వాయువును వేడిచేసినపుడు, సరఫరా అయ్యే ఉష్ణశక్తి dQ = c_v dT
ఉష్ణగతిక శాస్త్ర మొదటి నియమం నుండి dQ = dU + dW
కాని ఈ సందర్భంలో dW = 0 ∴ dQ = dU = c_vdT …………(1)

Case – II :
స్థిర పీడనం వద్ద వాయువును వేడిచేస్తే,
సరఫరా అయ్యే ఉష్ణశక్తి dQ = c_pdT ………..(2)
ఉష్ణగతిక శాస్త్ర మొదటి నియమం నుండి dQ = dU + dW………(3)
ఇక్కడ వాయువు వలన జరిగిన పని dW = F.S = (PA)dx = PdV, [Adx = dv కావున]
∴ dw = Pdv …………..(4)
1, 2, 3 మరియు 4 సమీకరణంల నుండి C_pdT = C_v dT + PdV …………. (5)
ఆదర్శ వాయు సమీకరణం నుండి PV = RT,
స్థిర పీడనం వద్ద PdV = RdT
కావున సమీకరణం 5 నుండి C_pdT = C_v dT + RdT = C_p = C_v + R
∴ C_p – C_v = R

ప్రశ్న 4.
సమ ఉష్ణోగ్రతా ప్రక్రియను తెలిపి, ఈ ప్రక్రియలో వాయువు చేసిన పనికి సమీకరణాన్ని తెలిపి వివరించండి. [Imp.Q]
జవాబు:
సమ ఉష్ణోగ్రతా ప్రక్రియ :
ఏ వ్యవస్థలోనైతే స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద పీడనం, ఘన పరిమాణాలలో మార్పులు కలుగుతాయో ఆ ప్రక్రియను సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియ అంటారు.

పని :
స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద వాయువును వేడిచేస్తే ఘనపరిమాణం V₁ నుంచి V₂కి, పీడనం P₁ నుంచి P₂ కు పెరిగినదనుకొనుము.

ప్రశ్న 5.
స్థిరోష్ణక ప్రక్రియను తెలిపి, ఈ ప్రక్రియలో వాయువు చేసిన పనికి సమీకరణాన్ని తెలిపి వివరించండి. [Imp.Q]
జవాబు:
స్థిరోష్ణక ప్రక్రియ :
ఏ వ్యవస్థలోనైతే స్థిర ఉష్ణశక్తి వద్ద పీడనం, ఘనపరిమాణాలలో మార్పులు కలుగుతాయో ఆ ప్రక్రియను స్థిరోష్ణక ప్రక్రియ అంటారు.

పని :
స్థిరోష్ణక ప్రక్రియలో నియమిత ద్రవ్యరాశి గల వాయువు ఘనపరిమాణం V₁ నుండి V₂ కు వ్యాకోచించింది. పీడనం P₁ నుండి P₂ కు, ఉష్ణోగ్రత T₁ నుండి T₂ కు మారింది.

ప్రశ్న 6.
సమ ఉష్ణోగ్రతా ప్రక్రియ, స్థిరోష్ణక ప్రక్రియల మధ్య బేధాలను తెలుపుము. [TS 22]
జవాబు:

సమ ఉష్ణోగ్రతా ప్రక్రియ	స్థిరోష్ణక ప్రక్రియ
1) ఈ ప్రక్రియలో ఉష్ణోగ్రత స్థిరంగా ఉంటుంది.	1) ఉష్ణోగ్రత మారుతుంది.
2) పరిసరాల నుంచి వ్యవస్థకు ఉష్ణబదిలీ జరుగుతుంది.	2) పరిసరాలకు, వ్యవస్థకు మధ్య ఉష్ణరాశి బదిలీ ఉండదు.
3) ఉత్తమ వాహక పదార్థం గల పాత్రలో ఈ చర్య జరుగుతుంది.	3) ఉత్తమ బంధక పదార్ధం గల పాత్రలో ఈ చర్య జరుగుతుంది.
4) ఇది నెమ్మదిగా జరిగే చర్య.	4) ఇది వేగంగా జరిగే చర్య.
5) PV = స్థిరం,అనే వాయు నియమం వర్తిస్తుంది.	5) PVγ = స్థిరం,అనే వాయు నియమం వర్తిస్తుంది.
6) విశిష్టోష్ణం అనంతం.	6) విశిష్టోష్ఠం శూన్యం.
7) ఈ ప్రక్రియలో dQ = dW కు సమానం.	7) ఈ ప్రక్రియలో dU = -dW కు సమానం.

ప్రశ్న 7.
ఈ క్రింది వానిని వివరించండి. [Imp.Q]
i) చక్రియ ప్రక్రియ ఉదాహరణతో
ii) చక్రీయం కానటువంటి ప్రక్రియ
జవాబు:
చక్రియ ప్రక్రియ :
ఒక వ్యవస్థ పీడనం, ఘనపరిమాణం ఉష్ణోగ్రత వంటి వానిలో మార్పులను పొందుచూ చివరికి తన తొలి స్థితిని (అనగా తొలి పీడనం, ఘనపరిమాణం, ఉష్ణోగ్రత) పొందినచో అటువంటి ప్రక్రియను చక్రీయ ప్రక్రియ అని అంటారు.

ఒక వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తి దాని స్థితి మీద మాత్రమే ఆధారపడి ఉండును. అంతే కాని వ్యవస్థ పయనించిన మార్గము పై కాదు. చక్రీయ ప్రక్రియలో వ్యవస్థ చివరికి తన తొలి స్థితిని పొందినది కనుక దాని అంతర్గత శక్తిలోని మార్పు శూన్యము. అనగా ∆U = 0.
ఉష్ణ గతిగ శాస్త్ర మొదటి నియమం ప్రకారం ∆Q = ∆U + ∆W.
చక్రీయ ప్రక్రియలో ∆U = 0. కనుక ∆Q = ∆W.
అనగా చక్రీయ ప్రక్రియలో వ్యవస్థ గ్రహించిన ఉష్ణరాశి, వ్యవస్థ చేసిన పనికి సమానం.
ఉదా: కార్నో చక్రీయ ప్రక్రియ

చక్రీయం కానటువంటి ప్రక్రియ :
వ్యవస్థ అనేకమైన మార్పులకు లోనైన తరువాత చివరకు తన తొలి దశను పొందకపోతే అది చక్రీయం కానటువంటి ప్రక్రియ.
చక్రీయ ప్రక్రియ కాని ప్రతి ప్రక్రియ చక్రీయం కానటువంటి ప్రక్రియ.
ఉదా: ఒక సిలిండర్లో బంధించిన వాయువును వేడి చేసినపుడు అది చక్రీయం కానటువంటి ప్రక్రియ.

ప్రశ్న 8.
అర్థస్థితిక ప్రక్రియపై ఒక లఘుటీక వ్రాయుము
జవాబు:
ఒక ఉష్ణగతిక వ్యవస్థ యొక్క స్థితిని పీడనము(P), ఘనపరిమాణము (V), ఉష్ణోగ్రత (T) అంతర్గత శక్తి (u) ద్రవ్యరాశి (m) మొదలైనవి సూచించును. వీటిని ఉష్ణగతిక వ్యవస్థ చరరాశులు అని అంటారు. కాలముతో ఈ చరరాశుల విలువలలో మార్పు లేకుండా ఉన్నచో అపుడు ఆ వ్యవస్థ ఉష్ణగతిక సమతా స్థితిలోఉన్నదని అంటారు. ఒక పాత్రలో సులువుగా కదల గల ముషలకం సహాయంతో కొంత వాయువు బంధించబడి ఉన్నదనుకొనుము. ఇపుడు వాయువు పీడనం, మరియు ఉష్ణోగ్రత బయట వాతావరణ పీడనము సమానముగా ఉంటే ఆ వాయువు పరిసరాలతో ఉష్ణసమతాస్థితిలో ఉన్నదని అంటారు.

ఇపుడు ముషలకమును క్రిందికి ఒక్కసారిగా నెట్టినచో, పాత్రలోని వాయువు అకస్మాత్తుగా సంపీడ్యము చెందును.సంపీడ్యము చెందు సమయములో వాయువు పీడనము, ఉష్ణోగ్రతల విలువలు త్వరిత గతిన మారుచు చివరకు పరిసరాలతో మరల ఉష్ణసమతాస్థితికి వచ్చును. అనగా వాయువునకు, పరిసరాల మధ్య కొంతసేపటి వరకు ఉష్ణ సమతాస్థితి ఉండదు. ఆ విధముగా కాక, వ్యవస్థ అనుక్షణం తన పరిసరాలతో సమతాస్థితిలో ఉండునట్లుగా ఒక ప్రక్రియను ఊహించుము. అటువంటి ప్రక్రియను అర్థస్థితిక ప్రక్రియ అని అంటారు.

నిర్వచనం :
ప్రతిదశలో, ప్రక్రియ పూర్తయ్యేవరకు, వ్యవస్థ పరిసరాలతో ఉష్ణ మరియు యాంత్రిక సమతా స్థితిలో ఉండే విధంగా అత్యంత మంద గమనంతో జరిగే ప్రక్రియను అర్థస్థితిక ప్రక్రియ అని అంటారు. ఇది పూర్తిగా ఊహాజనిత ప్రక్రియ.

ప్రశ్న 9.
ఉష్ణ యంత్రం పనిచేసే విధానం తెలుపుము. [Imp.Q][May 13]
జవాబు:
ఉష్ణయంత్రం :
ఉష్ణశక్తిని యాంత్రిక శక్తిగా మార్చే పరికరాన్ని ఉష్ణయంత్రం అంటారు.
ఇది మూడుభాగాలు కలిగివుంటుంది.

(i) జనకం :
అధిక ఉష్ణోగ్రత T₁ వద్ద ఉండే ఒక వస్తువు. దీనినే ఉష్ణాశయం అని కూడా అంటారు.
ఈ వస్తువు నుండి ‘Q₁‘ పరిమాణం గల ఉష్ణాన్ని తీసుకోవడం జరుగుతుంది. కాబట్టి దీనిని ‘జనకం’ అంటారు.

(ii)పనిచేసే పదార్థం :
పనిచేసే పదార్థాన్ని కలిగి ఉన్న యంత్రంలోని ఒక వస్తువు.
ఉదా : ఆవిరి యంత్రంలో పనిచేసే పదార్థం నీటి ఆవిరి.

(iii) సింక్ లేదా రిజర్వాయరు : తక్కువ ఉష్ణోగ్రత T₂ వద్ద ఉండే ఒక వస్తువు. దీనినే శీతలాశయం అని అంటారు. పనిచేసే పదార్థం Q₂ ఉష్ణాన్ని ఈ వస్తువుకు వదిలి పెడుతుంది. ఆవిరి వలన జరిగిన పని W = Q₁ – Q₂

ఉష్ణ యంత్రం దక్షత :
యంత్రంతో జరిగిన పని (W) మరియు యంత్రం శోషించుకున్న ఉష్ణం (Q₁) ల మధ్య నిష్పత్తిని ఆ ఉష్ణ యంత్ర దక్షత (η) అంటారు.

Long Answer Questions (దీర్ఘ సమాధాన ప్రశ్నలు)

ప్రశ్న 1.
ఉత్రమణీయ మరియు అనుత్రమణీయ ప్రక్రియలు అనగా ఏమి? కార్నో యంత్రము పనిచేయు విధానమును వివరింపుము దాని దక్షతకు సమీకరణమును రాబట్టుము. [IPE ’14] [TS 15,17,19][AP 16,17,18,19,20,22]
జవాబు:
ఉత్రమణీయ ప్రక్రియ(ఏకగత ప్రక్రియ) :
ఒక ప్రక్రియ ఏఏ దశల గుండా ప్రయాణం చేసిందో తిరిగి అవే దశల గుండా తన తొలి దశకు రాగలిగితే ఆ ప్రక్రియను ఉత్రమణీయ ప్రక్రియ అని అంటారు.
ఉదా: మంచు ద్రవీభవనం చెందుట మరియు నీరు భాష్పీభవనం చెందుట

అనుత్రమణీయ ప్రక్రియ(ద్విగత ప్రక్రియ) :
ఒక ప్రక్రియ వ్యతిరేక దిశలో తన తొలి దశకు రాలేకపోతే ఆ ప్రక్రియను అనుత్ర్కమణీయ ప్రక్రియ అని అంటారు.
ఉదా: ఘర్షణకు వ్యతిరేకంగా జరిగే పని

కార్నో యంత్రము :
రెండు ఉష్ణోగ్రతలు మధ్య పనిచేయు ఉత్రమణీయ ఉష్ణయంత్రమును కార్నో యంత్రము అని అంటారు.

కార్నో యంత్రములో ఒక ఆదర్శ వాయువు “పని చేయు పదార్థము” గా పనిచేయును. ఈ క్రింది వివరించిన నాలుగు దశలకు పనిచేయు పదార్థము లోనగునట్లు చేస్తారు.

కార్నో యంత్రము దశలు:

a) ఒక వాయువు స్థితి(P₁, V₁, T₁) నుండి (P₂, V₂, T₁).
అగునట్లు జరుగు సమ ఉష్ణోగ్రత వ్యాకోచ ప్రక్రియ:
T₁ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉన్న రిజర్వాయర్ నుండి వాయువు గ్రహించిన ఉష్ణశక్తి(Q₁) వాయువు పరిసరాలపై చేసిన పని(W₁) కి
సమానం. W₁ = Q₁ = nRT₁log_e(\(\frac{V_2}{V_1}\)) ……….. (1)

b) వాయువు స్థితి (P₂, V₂, T₁) నుండి (P₃, V₃, T₂) అగునట్లు జరుగు స్థిరోష్ణ వ్యాకోచ ప్రక్రియ:

c) వాయువు స్థితి (P₃, V₃, T₂) నుండి (P₄, V₄, T₂) అగునట్లు జరుగు సమఉష్ణోగ్రత సంపీడ్య ప్రక్రియ :
T₂ ఉష్ణోగ్రత వద్ద గల రిజర్వాయర్ ను వాయువు ఇచ్చి వేసిన ఉష్ణం (Q₂), పరిసరాలు వాయువుపై చేసిన పనికి సమానం.
W₃ = Q₂ = nRT₂log_e(\(\frac{V_3}{V_4}\)) ………….. (3)

d) వాయువు స్థితి (P₄, V₄T₂) నుండి (P₁, V₁, T₁) అగునట్లు జరుగు స్థిరోష్ణ సంపీడ్య ప్రక్రియ. వాయువు పై

ప్రశ్న 2.
ఉష్ణగతిక శాస్త్ర రెండవ నియమమును వ్రాయండి. ఉష్ణయంత్రమునకు, శీతలీకరణ యంత్రమునకు తేడా ఏమిటి? [Imp.Q][AP 15,16,19][TS 16,18,20]
జవాబు:
క్లాసియస్ వివరణ :
ఏ విధమైన బాహ్య ప్రమేయం లేకుండా, ఏ స్వయం పోషక యంత్రమైనా ఒక వస్తువు నుంచి తనకంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉన్న వస్తువుకు ఉష్ణాన్ని అవిచ్ఛిన్నంగా సరఫరా చేయలేదు”. ఈ వివరణ ఉష్ణప్రసార దిశను తెలియజేస్తుంది. దీనినే ఇంకొక విధంగా “ఉష్ణం తనంతట తాను చల్లని వస్తువు నుండి వేడి వస్తువుకు ప్రవహించదు” అని చెప్పవచ్చు.

కెల్విన్ వివరణ :
ఒక ఉష్ణగతిక వ్యవస్థ నుంచి పొందిన మొత్తం ఉష్ణాన్ని పూర్తిగా యాంత్రిక పనిగా మార్చడం అసాధ్యం. ఇంకో విధంగా చెప్పాలంటే ఏ ఉష్ణయంత్రం కూడా దానికి అందజేసిన మొత్తం ఉష్ణాన్ని పూర్తిగా యాంత్రిక శక్తిగా మార్చలేదు.

ఉష్ణయంత్రమునకు, శీతలీకరణ యంత్రమునకు భేదములు

Exercise Problems

ప్రశ్న 1.
N.T.P వద్ద 1 లీటరు ఘనపరిమాణం గల ఏక పరమాణుక వాయువును (i) స్థిరోష్ణ ప్రక్రియలో ఘనపరిమాణం సగము అగునట్లుగా (ii) సమ ఉష్ణోగ్రత ప్రక్రియలో ఘనపరిమాణము సగము అగునట్లుగా సంపీడ్యము చేసిన పని ఎంత? (γ = 5/3)
సాధన:

ప్రశ్న 2.
5 మోల్ హైడ్రోజను 10⁵ న్యూ/ మీ² స్థిర పీడనం వద్ద ఉష్ణోగ్రత 20 కె. పెరుగునట్లుగా వేడి చేసిన దాని ఘనపరిమాణం 8.3 × 10^-3 m³ పెరిగినది. C_v = 20J/mole K, అయిన C_P ఎంత?
సాధన:
C_P – C_v = R
ఇరువైపుల n∆T తో గుణించగా n∆T (C_p – C_v) = n∆TR
⇒ n∆T (C_P – C_v) = P∆V (∵ n∆TR = P∆V)
ఇక్కడ n = 5, P = 10⁵ నూ/మీ², ∆T= 20K మరియు ∆V = 8.3 × 10^-3 m³
⇒ 5 × 20 (C_P – 20) = 10⁵ × 8.3 × 10^-3 ⇒ C_P – 20 = 8.3.
∴ C_P = 20 + 8.3 = 28.3 J/mole K

ప్రశ్న 3.
20°C వద్ద ఉన్న 100 గ్రాముల నీటి లోనికి 100°C వద్ద ఉన్న ఎంత నీటి ఆవిరిని పంపించిన నీరు ఉష్ణోగ్రత 5°C.పెరుగును? నీటి ఆవిరి గుప్తోష్ణము 540 cal/g, నీటి విశిష్టోష్ణము 1cal /g°C
సాధన:
మిశ్రమ పద్ధతిలో, నీటి ఆవిరి కోల్పోయిన ఉష్ణం = నీరు గ్రహించిన ఉష్ణం
m_SL_S + m_SS(100 – t) = m_wS(t – 20)
ఇందులో m_S = నీటి ఆవిరి ద్రవ్యరాశి = ? L_S = నీటి ఆవిరి గుప్తోష్ణము = 540 cal/g
S = నీటి విశిష్టోష్ణము = 1cal/g°C m_w = నీటి ద్రవ్యరాశి = 100 గ్రాము t = 20 + 5 = 25°C
∴ m_S × 540 + m_s × 1(100 – 25) 100 × 1(25 – 20) ⇒ 615 m_s = 500 ⇒ m_S = \(\frac{500}{615}\) = 0.813g
పంపించవలసిన నీటి ఆవిరి ద్రవ్యరాశి = 0.813 గ్రాములు.

ప్రశ్న 4.
రిఫ్రిజరేటర్ లో ఉంచిన వస్తువుల ఉష్ణోగ్రత 9°C ఉండవలయును. గది ఉష్ణోగ్రత 36°C అయిన రిఫ్రిజరేటర్ పధాత్మక గుణకం ఎంత? [AP 20]
సాధన:

ప్రశ్న 5.
గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉన్న 2.0 × 10^-2 కి.గ్రా నైట్రోజను ఉష్ణోగ్రతను స్థిర పీడనం వద్ద 45°C పెంచుటకు కావలసిన ఉష్ణం ఎంత? ( N2 అణువు ద్రవ్యరాశి = 28, R = 8.3 J/ mol. K)
సాధన:
స్థిర పీడనం వద్ద అందించవలసిన ఉష్ణం dQ_P = nC_PdT

ప్రశ్న 6.
స్వేచ్ఛగా కదల గల ముషలకము గల సిలిండర్ నందు S.T.P వద్ద 3 మోల్ల హైడ్రోజన్ ఉన్నది. సిలిండర్ గోడలు ఉష్ణ బంధక పదార్థముతో నిర్మితము. మరియు ముషలకము పై ఇసుకను పోసి ఉష్ణ బంధకము చేసారు. ఇపుడు అకస్మాత్తుగా వాయువు ఘనపరిమాణం సగము అగునట్లు సంపీడ్యము నొందించిన పీడనము ఎంత పెరుగును?
సాధన:

అనగా తుది పీడనం తొలి పీడనమునకు 2.64 రెట్లు ఉండును.

ప్రశ్న 7.
ఒక వాయువును స్థిరోష్ణముగా A అను సమతాస్థితి నుండి B అను సమతాస్థితికి తీసుకొని పోవుటకు వాయువు పై చేసిన పని 22.3 J వేరొక పద్ధతిలో అదే వాయువును A నుండి B కు తీసుకొని పోవుచున్నపుడు వాయువు గ్రహించిన ఉష్ణం 9.35 కెలోరి అయిన వాయువు చేసిన పని ఎంత? (1 కెలోరి = 4:19 J)
సాధన:
స్థిరోష్ణముగా వాయువు స్థితి నుండి B స్థితికి వెళ్ళినపుడు. ∴ ∆Q = 0
ఉష్ణ గతిక శాస్త్ర మొదటి నియమం ప్రకారం, ∆Q = ∆U + ∆W ⇒ 0 = ∆U + ∆W ⇒ ∆U = -∆W
వాయువు పై చేసిన పని, ∆W= −22.3 J
∴ ∆U = -(-22.3) = 22.3 J
రెండవ సందర్భములో, ∆Q = 9.35 cal = 9.35 × 4.19 = 39.18 J
∴ ∆Q = ∆U + ∆W ⇒ ∆W = ∆Q – ∆U = 39.18 – 22.3 = 16.88 J
వాయువు చేసిన పని = 16.88 J

ప్రశ్న 8.
ఒక ఎలక్ట్రిక్ హీటర్ ఒక వ్యవస్థకు 100W చొప్పున ఉష్ణమును ఇచ్చుచున్నది. వ్యవస్థ సెకనుకు 75 జౌలు చొప్పున పని చేయుచున్నది. అయితే వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తి ఏ రేటు చొప్పున పెరుగుచున్నది.
సాధన:

∴ వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తి పెరుగుచున్న రేటు – 25 JS^-1

ప్రశ్న 9.
వ్యవస్థకు 20 kcal ఉష్ణం అందించినపుడు, వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తి లోని పెరుగుదల 8400 J అయిన వ్యవస్థ చేసిన బాహ్యపని ఎంత? ( J=4200 J/kcal).
సాధన:
ఉష్ణ గతిక శాస్త్ర ప్రథమ నియమం ప్రకారం, ∆Q = ∆U + ∆w
ఇక్కడ ∆U = 8400J = \(\frac{8400}{4200}\) = 2kcal, ∆Q = 20kcal
∴ వ్యవస్థ చేసిన బాహ్య పని, ∆W = ∆Q – ∆U= 20 – 2 = 18 kcal

ప్రశ్న 10.
ఉష్ణజనకం ఉష్ణోగ్రత 100°C, సింక్ ఉష్ణోగ్రత 27°C అయితే ఉష్ణ యంత్రం దక్షత ఎంత?
సాధన:
సూత్రం : η = 1 – \(\frac{T_2}{T_1}\)
ఇక్కడ T₁ = ఉష్ణజనకం ఉష్ణోగ్రత = 373K, T₂ = సింక్ ఉష్ణోగ్రత= 300K
∴ η = 1 – \(\frac{300}{373}\) = 1 – 0.8043 = 0.1957 (లేక) η = 19.57 %