क्या बर्फ के टुकड़े पानी में तेजी से पिघलते हैं या हवा में?

हम सभी ने देखा है कि कैसे बर्फ के टुकड़े पानी या किसी अन्य तरल में रखे जाने पर पिघल जाते हैं। हमने यह भी देखा है कि कैसे मेज पर रखी बर्फ धीरे-धीरे ठंडे पानी के एक छोटे से पोखर में बदल जाती है। लेकिन दोनों में से किस मामले में यह तेजी से पिघलता है?

यह लेख सबसे आम संलयन घटनाओं में से एक के विश्लेषण से गर्मी हस्तांतरण के बारे में कुछ महत्वपूर्ण अवधारणाओं को स्पष्ट करने का प्रयास करता है जिससे हम अपने दैनिक जीवन में उजागर होते हैं: एक आइस क्यूब का पिघलना।

हमारी चर्चा के लिए, आइए कुछ महत्वपूर्ण अवधारणाओं को परिभाषित करके प्रारंभ करें।

विलय की प्रक्रिया

आइस क्यूब का पिघलना एक भौतिक चरण परिवर्तन प्रक्रिया है जिसमें पानी ठोस से तरल अवस्था में बदलता है। इस प्रकार के चरण परिवर्तन को मेल्टिंग कहा जाता है और यह एक एंडोथर्मिक प्रक्रिया है। उत्तरार्द्ध का मतलब है कि बर्फ को पिघलने के लिए गर्मी को अवशोषित करना चाहिए; यानी, इसे बर्फ में पानी के अणुओं को मजबूती से एक साथ रखने वाले इंटरमॉलिक्युलर बलों को तोड़ना चाहिए।

इस प्रक्रिया को निम्नलिखित समीकरण द्वारा दर्शाया जा सकता है:

जहाँ Q _गलन वह ऊष्मा है जिसे पिघलने के लिए जल को अवशोषित करना चाहिए।

जैसा कि आप देख सकते हैं, बर्फ को पिघलाने के लिए सिर्फ गर्मी की जरूरत होती है। इसलिए, यह निर्धारित करने के लिए कि बर्फ कब तेजी से पिघलती है, चाहे पानी में या हवा में, हमें वास्तव में क्या पूछना है कि किस स्थिति में बर्फ अधिक तेजी से गर्मी को अवशोषित कर सकता है।

संलयन प्रक्रिया को प्रभावित करने वाले चर

संलयन एक प्रक्रिया है जो तापमान, दबाव और तरल में विलेय की उपस्थिति जैसे कई कारकों पर निर्भर करती है।

पिघलने का तापमान

सबसे पहले, यह चरण परिवर्तन होता है या एक विशेष तापमान पर देखा जाता है जिसे गलनांक कहा जाता है। इसका अर्थ यह है कि किसी पदार्थ के ठोस अवस्था में होने के लिए उसका तापमान उसके गलनांक से कम होना चाहिए।

विपरीत भी सही है। जब भी हम किसी पदार्थ को ठोस अवस्था (जैसे बर्फ) में देखते हैं जो पिघल नहीं रहा है, तो हम यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि यह अपने गलनांक से नीचे के तापमान पर है। इसे पिघलाने के लिए, हमें पहले ठोस को उसके गलनांक तक गर्म करना होगा, और फिर उसे पिघलाने के लिए और गर्मी डालनी होगी।

हमारी समस्या के लिए इसका एक महत्वपूर्ण निहितार्थ है: यह विचार करते समय कि बर्फ कहाँ तेजी से पिघलेगी, हमें यह सुनिश्चित करना चाहिए कि दोनों ही मामलों में बर्फ एक ही प्रारंभिक तापमान पर है। अन्यथा, एक स्थिति में बर्फ को उसके गलनांक तक लाने के लिए अधिक ऊष्मा की आवश्यकता होगी।

दबाव प्रभाव

अधिकांश ठोस पदार्थों का गलनांक दबाव के साथ बढ़ता है, लेकिन पानी के मामले में, ठीक इसके विपरीत होता है। यह पानी की एक विषम संपत्ति के कारण है, जो कि शुद्ध पदार्थों के विशाल बहुमत के विपरीत, ठोस अवस्था में पानी (यानी बर्फ) तरल पानी की तुलना में कम घना होता है।

यह बर्फ को पानी में बदलने में मदद करने के लिए दबाव में वृद्धि का कारण बनता है (जिसकी एक छोटी विशिष्ट मात्रा होती है)। इसलिए, पानी के अणुओं को अलग करने और बर्फ को पिघलाने के लिए कम तापीय ऊर्जा की आवश्यकता होती है, और बर्फ कम तापमान पर (यानी अधिक आसानी से) पिघल जाती है।

विलेय प्रभाव

दूसरी ओर, द्रव में घुले हुए विलेय या अशुद्धियों की उपस्थिति भी एक कारक है जो गलनांक को प्रभावित करता है। वास्तव में, यह क्रायोस्कोपिक डिप्रेशन या मेल्टिंग पॉइंट डिप्रेशन नामक समाधानों का एक संपार्श्विक गुण है।

इन दो कारकों को देखते हुए जो पानी के पिघलने बिंदु को प्रभावित कर सकते हैं और इसलिए यह प्रभावित कर सकते हैं कि इस तरह के एक माध्यम में एक आइस क्यूब कितनी जल्दी पिघलता है, हमें यह सुनिश्चित करते हुए विश्लेषण जारी रखना चाहिए कि दोनों ही मामलों में हम पानी से निपट रहे हैं जो पूरी तरह से है शुद्ध और किसी भी विलेय से मुक्त। हमें यह भी सुनिश्चित करना चाहिए कि दोनों ही मामलों में वायुमंडलीय दबाव समान रहे और स्थिर रहे। यह समस्या के विश्लेषण को बहुत आसान बना देगा ताकि हम केवल उस चर पर ध्यान केंद्रित कर सकें जो हमें रुचता है: चाहे बर्फ तरल पानी या हवा से घिरा हो।

गर्मी हस्तांतरण तंत्र

हम पहले ही स्पष्ट कर चुके हैं कि किसी बर्फ को पिघलाने के लिए उसे अपने परिवेश से ऊष्मा को अवशोषित करने की आवश्यकता होती है। यह ऊष्मा पहले आइस क्यूब को उसके गलनांक तक गर्म करने की भूमिका को पूरा करेगी, और फिर पिघलने की प्रक्रिया को ही अंजाम देगी।

यदि हम एक ही आकार, आकार और द्रव्यमान के दो बर्फ के क्यूब्स से शुरू करते हैं, जो पूरी तरह से शुद्ध पानी से बने होते हैं, और जो एक ही प्रारंभिक तापमान पर होते हैं, तो दोनों बर्फ के क्यूब्स को पिघलने के लिए बिल्कुल समान मात्रा में गर्मी की आवश्यकता होगी।

इसलिए, हमें यह विश्लेषण करना चाहिए कि बर्फ कहाँ अधिक तेज़ी से गर्मी को अवशोषित करने में सक्षम होगी: हवा से या तरल पानी से। ऐसा करने के लिए, हमें उन विभिन्न तरीकों को समझना चाहिए जिनसे ऊष्मा स्थानांतरित की जा सकती है, जो हैं: संवहन, चालन और विकिरण।

गर्मी चालन

यह स्थानांतरण तंत्र वह है जो दो निकायों (या दो थर्मोडायनामिक सिस्टम) बनाने वाले कणों के बीच सीधे संपर्क से होता है जो अलग-अलग तापमान पर होते हैं। यह एक प्रकार का स्थानांतरण है जो तब होता है जब हम गर्म तवे को छूकर अपना हाथ जलाते हैं, उदाहरण के लिए। यह एक प्रकार का ताप विनिमय भी है जो बर्फ और पानी के बीच या बर्फ और हवा के बीच होता है।

ऊष्मा चालन की दर कई कारकों पर निर्भर करती है। उनमें से संपर्क सतह, तापमान ढाल (यानी, उनकी दूरी से विभाजित दो बिंदुओं के बीच का तापमान अंतर) और माध्यम की तापीय चालकता (जो कि गर्मी कितनी अच्छी तरह से एक सामग्री का संचालन करती है) से ज्यादा कुछ नहीं है।

इन सभी चरों में से, हम यह सुनिश्चित करके संपर्क सतह को नियंत्रित कर सकते हैं कि दोनों बर्फों का आकार और समान आयाम हो। हम बर्फ, पानी और हवा दोनों के प्रारंभिक तापमान को नियंत्रित करके भी तापमान प्रवणता को नियंत्रित कर सकते हैं। हालांकि, हवा और पानी के मामले में तापीय चालकता अलग होगी।

कंवेक्शन

संवहन एक ऐसी घटना है जो तरल पदार्थ और गैसों जैसे तरल पदार्थों में होती है। इसमें द्रव कणों का संचलन होता है जो एक तापमान पर उन क्षेत्रों की ओर होते हैं जहां तापमान अलग होता है। संवहन प्राकृतिक हो सकता है यदि गति तापमान में अंतर के कारण घनत्व में अंतर से उत्पन्न होती है, या इसे यांत्रिक रूप से उत्पादित किया जा सकता है जब गर्म भोजन उड़ाया जाता है।

विकिरण

अंत में, प्रत्येक सतह विद्युत चुम्बकीय विकिरण के रूप में ऊर्जा का उत्सर्जन करती है। उदाहरण के लिए, आग हमें अपनी चमक से गर्म करने में सक्षम है, भले ही हम संवहन से निकलने वाली गर्म हवा के संपर्क में न आएं।

तो बर्फ सबसे तेजी से कहाँ पिघलती है?

अब हमारे पास इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए सभी उपकरण हैं। जितना संभव हो सके विश्लेषण को सरल बनाने के लिए, हम उन सभी चरों को स्थिर रखने जा रहे हैं जो पानी के पिघलने को प्रभावित कर सकते हैं और केवल उन्हें ही रखते हैं जो सीधे हवा और पानी पर निर्भर करते हैं।

हम शुद्ध पानी से बने दो समान बर्फ के टुकड़ों से शुरू करते हैं, समान आकार और समान आकार के; दोनों एक ही प्रारंभिक तापमान पर हैं। हम एक को पानी के साथ एक बड़े कंटेनर में डुबोते हैं जो हवा के समान तापमान पर होता है, और हम दूसरे को हवा के संपर्क में एक थर्मल इंसुलेटिंग सतह के ऊपर रखते हैं। हम संपूर्ण प्रयोग एक बंद कमरे में करते हैं जहां कोई ड्राफ्ट नहीं है, चालन को छोड़कर सभी प्रकार के ताप हस्तांतरण को कम करते हैं।

इसके अलावा, चालन मुख्य रूप से माध्यम की सामग्री द्वारा निर्धारित किया जाएगा; दोनों ही मामलों में तापमान प्रवणता अनिवार्य रूप से समान होगी और संपर्क सतह समान होगी, इसलिए गर्मी हस्तांतरण की दर, और इसलिए जिस गति से बर्फ पिघलेगी, वह मुख्य रूप से आधे की तापीय चालकता पर निर्भर करेगी।

चूंकि पानी हवा की तुलना में लगभग 30 गुना तेज गर्मी का संचालन करता है, इसलिए बर्फ पानी में तेजी से पिघलेगी ।

विचार करने के लिए अतिरिक्त कारक

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि उपरोक्त समस्या के गहन और विस्तृत विश्लेषण का प्रतिनिधित्व नहीं करता है। उदाहरण के लिए, इस तथ्य पर विचार नहीं किया जा रहा है कि बर्फ पानी पर तैरती है, इसलिए इसका एक हिस्सा हवा के संपर्क में आ जाएगा और पानी के थर्मल संपर्क में नहीं होगा।

ऐसा ही बर्फ के साथ होता है जो हवा में है, क्योंकि यह आवश्यक रूप से किसी सतह पर आराम कर रहा होगा, इसलिए इसका एक चेहरा हवा के संपर्क में नहीं बल्कि उस सतह के संपर्क में होगा। यदि इस सतह की ऊष्मीय चालकता हवा की तुलना में अधिक है, तो बर्फ इस सतह के माध्यम से अधिक तेज़ी से गर्मी को अवशोषित करेगा, और अधिक तेज़ी से पिघलेगा।

इसके अलावा, पिघलने पर, यह प्रभाव को बढ़ाते हुए, सतह के संपर्क में पिघली हुई बर्फ (यानी पानी) के सतह क्षेत्र को बढ़ा देता है।

इसके बावजूद, यह अनुमान लगाया जा सकता है कि पानी और हवा की तापीय चालकता के बीच बड़े अंतर की तुलना में ये प्रभाव मामूली होंगे।

संदर्भ

• कॉनर, एन। (2020, 8 जनवरी)। पानी और भाप की तापीय चालकता क्या है? – परिभाषा । Https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/ से लिया गया
• Laplace.us. (रा)। जल गुण । http://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua से लिया गया
• माइनडुक। (2019)। गर्मी हस्तांतरण । https://www.mineduc.gob.gt/DIGECADE/documents/Telesecundaria/Recursos%20Digitales/3o%20Recursos%20Digitales%20TS%20BY-SA%203.0/CIENCIAS%20NATURALES/U9%20pp%20210%20transferencia% से पुनर्प्राप्त 20of%20heat.pdf
• थर्मोटेस्ट उपकरण। (2020, 28 अगस्त)। तापीय प्रवाहकीय सामग्री और सामान्य अनुप्रयोग । Https://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicaciones-comunes से लिया गया