વિજ્ઞાન ધોરણ 7 પ્રકરણ 3 ઉષ્મ - સ્વાધ્યાય

૧. લેબોરેટરી થરમૉમીટર તથા ક્લિનીકલ થરમૉમીટરમાં રહેલી સામ્યતા તથા તફાવત જણાવો.

સામ્યતા:

• બંને તાપમાન માપવા માટે વપરાય છે.
• બંને પાતળી-સાંકડી લાંબી કાચની નળી ધરાવે છે.
• બંનેના એક છેડે ફૂલેલી બલ્બ જેવી રચના હોય છે જેમાં પારો ભરેલો હોય છે.
• બંનેમાં પારાનો પાતળો, ચમકતો દોરા જેવો ભાગ દેખાય છે.
• બંનેમાં અંકન સેલ્સિયસ (°C) માપક્રમમાં હોય છે.

તફાવત:

• તાપમાનની રેન્જ:
• ક્લિનિકલ થર્મોમીટર: 35°C થી 42°C
• લેબોરેટરી થર્મોમીટર: -10°C થી 110°C
• ઉપયોગ:
• ક્લિનિકલ થર્મોમીટર: માનવ શરીરનું તાપમાન માપવા માટે વપરાય છે.
• લેબોરેટરી થર્મોમીટર: માનવ શરીર સિવાયના પદાર્થો અને પ્રવાહીનું તાપમાન માપવા માટે વપરાય છે.
• રચના (ખાંચ):
• ક્લિનિકલ થર્મોમીટરમાં પારાના બલ્બની નજીક ખાંચ (kink) હોય છે, જે પારાના સ્તરને આપોઆપ નીચે ઉતરતું અટકાવે છે.
• લેબોરેટરી થર્મોમીટરમાં આવી કોઈ ખાંચ હોતી નથી.
• અવલોકનનો સમય:
• ક્લિનિકલ થર્મોમીટરને મોઢાની બહાર કાઢીને પણ તાપમાનનું અવલોકન લઈ શકાય છે.
• લેબોરેટરી થર્મોમીટર વડે તાપમાનનું અવલોકન ત્યારે જ લેવું જોઈએ જ્યારે તે પદાર્થ કે પ્રવાહીમાં ડૂબાડેલું હોય, કારણ કે બહાર કાઢતા પારાનું સ્તર ઝડપથી નીચે ઉતરી જાય છે.

૨. ઉષ્માના સુવાહક તથા ઉષ્માના અવાહક પદાર્થોના બે-બે ઉદાહરણો જણાવો.

• ઉષ્માના સુવાહક પદાર્થો (Conductors of heat): જે પદાર્થો પોતાનામાંથી ઉષ્માનું વહન સરળતાથી થવા દે છે.
• ઉદાહરણ: એલ્યુમિનિયમ, લોખંડ, તાંબું.
• ઉષ્માના અવાહક પદાર્થો (Insulators of heat): જે પદાર્થો પોતાનામાંથી ઉષ્માનું વહન સરળતાથી થવા દેતા નથી.
• ઉદાહરણ: પ્લાસ્ટિક, લાકડું, પાણી, હવા.

૩. ખાલી જગ્યા પૂરો:

• (a) પદાર્થના ગરમપણાની માત્રા તેના તાપમાન વડે નક્કી કરવામાં આવે છે.
• (b) ઉકળતા પાણીનું તાપમાન ક્લિનિકલ પ્રકારના થરમૉમીટર દ્વારા માપી શકાતું નથી.
• (c) તાપમાનનું માપન ડિગ્રી સેલ્સિયસ (°C) માં થાય છે.
• (d) ઉષ્માના પ્રસરણની ઉષ્મીય વિકિરણ ની પ્રક્રિયામાં માધ્યમ જરૂરી નથી.
• (e) ગરમ દૂધના ગ્લાસમાં સ્ટીલની ઠંડી ચમચી મૂકવામાં આવે, તો તેમાં ઉષ્માવહન પ્રક્રિયા દ્વારા ઉષ્માવહન ચમચીના બીજા છેડા પર થાય છે.
• (f) ઘેરા રંગના કપડાં, હળવા રંગના કપડાં કરતાં વધુ ઉષ્માનું શોષણ કરે છે.

૪. નીચેનાં જોડકાં જોડો:

• (i) ભૂ લહેર વહે છે - રાત્રિ દરમિયાન
• (ii) દરિયાઈ લહેર વહે છે - દિવસ દરમિયાન
• (iii) ઘેરા રંગના વસ્ત્રો પસંદગી પામે છે - શિયાળામાં
• (iv) હળવા રંગના વસ્ત્રો પસંદગી પામે છે - ઉનાળામાં

૫. શિયાળાની ઋતુમાં એક જાડા વસ્ત્ર કરતાં એક કરતાં વધુ પાતળા વસ્ત્રો શા માટે પહેરવા જોઈએ? ચર્ચા કરો.

શિયાળાની ઋતુમાં એક જાડા વસ્ત્રને બદલે એક કરતાં વધુ પાતળા વસ્ત્રો પહેરવાનું વધુ હૂંફાળું હોય છે કારણ કે પાતળા વસ્ત્રોના દરેક પડ (સ્તર) વચ્ચે હવા પુરાઈ રહે છે. આ હવા ઉષ્માની મંદવાહક છે, જે આપણા શરીરની ગરમીને ઠંડા વાતાવરણમાં જતી અટકાવે છે. આમ, કપડાંના સ્તરો વચ્ચે રહેલી હવા ઇન્સ્યુલેટર તરીકે કામ કરે છે અને શરીરને વધુ ગરમ રાખવામાં મદદ કરે છે.

૬. આકૃતિ ૩.૧૩માં દર્શાવેલ ગોઠવણીમાં ઉષ્માવહન, ઉષ્માનયન તથા ઉષ્મા વિકિરણ કયા કયા સ્થાનોએ થાય છે તેનો તીર વડે નિર્દેશ કરો.

(આકૃતિ ૩.૧૩ ઉપલબ્ધ ન હોવાથી, ઉષ્મા સ્થાનાંતરણના પ્રકારો સામાન્ય સિદ્ધાંતોના આધારે સમજાવેલ છે.)

• ઉષ્માવહન (Conduction):
• ઘન પદાર્થોમાં ઉષ્માનું પ્રસરણ ઉષ્માવહન દ્વારા થાય છે.
• સ્થાન: બર્નરની જ્યોતમાંથી સીધા સંપર્કમાં રહેલા વાસણના તળિયામાં, અને પછી વાસણની ધાતુની સપાટી દ્વારા.
• ઉષ્માનયન (Convection):
• પ્રવાહી તથા વાયુઓમાં ઉષ્માનું પ્રસરણ ઉષ્માનયન દ્વારા થાય છે.
• સ્થાન: વાસણમાં રહેલા પાણીમાં અથવા અન્ય પ્રવાહીમાં ગરમ પાણીના અણુઓ ઉપર તરફ ગતિ કરે અને ઠંડા અણુઓ નીચે તરફ ગતિ કરે. વાસણની આસપાસની હવા પણ ગરમ થઈને ઉપર તરફ ગતિ કરશે.
• ઉષ્મીય વિકિરણ (Radiation):
• ઉષ્મીય વિકિરણ દ્વારા ઉષ્માવહન માટે માધ્યમની હાજરી જરૂરી નથી.
• સ્થાન: બર્નરની જ્યોતમાંથી સીધા વાસણની સપાટી પર (સંપર્ક વગર), અને વાસણમાંથી આસપાસના વાતાવરણમાં ઉષ્માનું વિકિરણ થશે.

૭. ગરમ હવામાનવાળા પ્રદેશોમાં મકાનોની બહારની દીવાલો સફેદ રંગથી રંગવામાં આવે છે. સમજાવો.

ઘેરા રંગના પદાર્થો આછા રંગના પદાર્થો કરતાં વધુ ઉષ્માનું શોષણ કરે છે, જ્યારે હળવા રંગની સપાટી તેના પર પડતી ઉષ્માના મોટા ભાગનું પરાવર્તન કરે છે. ગરમ હવામાનવાળા પ્રદેશોમાં, સૂર્યપ્રકાશ દ્વારા મકાનો ગરમ ન થાય તે માટે બહારની દીવાલોને સફેદ રંગથી રંગવામાં આવે છે. સફેદ રંગ સૂર્યના પ્રકાશનું મોટાભાગનું પરાવર્તન કરે છે, જેથી મકાનની અંદર ગરમી ઓછી પ્રવેશે છે અને મકાન ઠંડું રહે છે.

૮. 30°C તાપમાનવાળા ૧ લિટર પાણીને 50°C તાપમાનવાળા ૧ લિટર પાણી સાથે મિશ્ર કરતા બનતાં મિશ્રણનું તાપમાન _______ થશે.

પદાર્થમાં ઉષ્માનું વહન વધુ તાપમાનવાળા ભાગથી ઓછા તાપમાનવાળા ભાગ તરફ થાય છે. જ્યારે બે જુદા જુદા તાપમાનવાળા પાણીને મિશ્ર કરવામાં આવે છે, ત્યારે ગરમ પાણી તેની ઉષ્મા ઠંડા પાણીને આપશે જ્યાં સુધી બંનેનું તાપમાન સમાન ન થાય. અંતિમ તાપમાન હંમેશા બંને મૂળ તાપમાનની વચ્ચે હશે.

• 30°C તથા 50°C ની વચ્ચેનું

૯. 40°C તાપમાન ધરાવતા લોખંડના નાના ગોળાને, 40°C જેટલું જ તાપમાન ધરાવતા પાણી ભરેલા ટમ્બલરમાં ડૂબાડવામાં આવે તો, ઉષ્મા...

પદાર્થમાં ઉષ્માનું વહન વધુ તાપમાનવાળા ભાગથી ઓછા તાપમાનવાળા ભાગ તરફ થાય છે. જો લોખંડના ગોળાનું તાપમાન અને પાણીનું તાપમાન બંને સમાન (40°C) હોય, તો તેમની વચ્ચે ઉષ્માનું વહન થશે નહીં, કારણ કે તાપમાનનો કોઈ તફાવત નથી.

• ઉષ્માનું વહન થશે નહીં.

૧૦. આઈસ્ક્રીમમાં લાકડાની ચમચી ડૂબાડતાં, ચમચીનો બીજો છેડો

ઠંડો પડતો નથી.

સમજૂતી: લાકડું ઉષ્માનું મંદવાહક (અવાહક) છે. જ્યારે લાકડાની ચમચીને આઈસ્ક્રીમમાં ડૂબાડવામાં આવે છે, ત્યારે તે આઈસ્ક્રીમની ઠંડકનું બીજા છેડા સુધી સરળતાથી વહન કરી શકતી નથી. તેથી, ચમચીનો બીજો છેડો ઠંડો પડતો નથી.

૧૧. રસોઈ માટે વપરાતી સ્ટેનલેસ સ્ટીલની તળવાની કડાઈના તળિયે તાંબાનું સ્તર લગાડેલું હોય છે, તેનું કારણ

સ્ટેનલેસ સ્ટીલ કરતાં તાંબું ઉષ્માનું વધુ સુવાહક છે.

સમજૂતી: તાંબું ઉષ્માનું ખૂબ સારું સુવાહક છે. સ્ટેનલેસ સ્ટીલ કરતાં તાંબું ઉષ્માનું વધુ ઝડપથી અને સમાનરૂપે વહન કરે છે. કડાઈના તળિયે તાંબાનું સ્તર લગાવવાથી ગરમી કડાઈમાં વધુ કાર્યક્ષમ રીતે અને સમાનરૂપે ફેલાય છે, જેનાથી રસોઈ સારી થાય છે.

૧. એક જ માપના બે ટીન લો. એકને કાળા રંગથી તથા બીજાને સફેદ રંગથી રંગો. બંનેમાં સમાન માત્રામાં પાણી ભરો અને બપોરના સમયે અડધા કલાક માટે તડકામાં મૂકી દો. બંને ટીનના પાણીના તાપમાન માપો. શું તમને તાપમાનમાં કોઈ તફાવત જોવા મળે છે? તમે કયા ટીનમાંથી ગરમ પાણી મેળવી શકશો? શું આ પ્રવૃત્તિ વડે આપણને સમજાય છે કે શા માટે, આપણે શિયાળામાં ઘેરા રંગના વસ્ત્રો અને ઉનાળામાં સફેદ અથવા હળવા રંગના વસ્ત્રો પહેરીએ છીએ?

• તાપમાનમાં તફાવત:
• હા, તમને તાપમાનમાં તફાવત જોવા મળશે. કાળા રંગના ટીનમાં સફેદ રંગના ટીન કરતાં પાણીનું તાપમાન વધુ હશે.
• ગરમ પાણી:
• તમે કાળા રંગના ટીનમાંથી વધુ ગરમ પાણી મેળવી શકશો.
• સમજૂતી:
• ઘેરા રંગની સપાટી ઉષ્માનું વધુ શોષણ કરે છે, જ્યારે હળવા રંગની સપાટી તેના પર પડતી ઉષ્માના મોટા ભાગનું પરાવર્તન કરે છે. આ પ્રવૃત્તિ આપણને સમજાવે છે કે શા માટે શિયાળામાં આપણે ઘેરા રંગના વસ્ત્રો પહેરીએ છીએ જેથી શરીર ગરમીનું વધુ શોષણ કરી હૂંફાળું રહે, અને ઉનાળામાં સફેદ અથવા હળવા રંગના વસ્ત્રો પહેરીએ છીએ જેથી શરીર ગરમીનું ઓછું શોષણ કરે અને ઠંડક અનુભવાય.

૨. વેટરનરી ડૉક્ટર (પશુઓના ડૉક્ટર) પાસે જાઓ અને પાલતુ પશુઓ તથા પક્ષીઓના શરીરના સામાન્ય તાપમાન જાણો અને તે અંગે ચર્ચા કરો.

પાલતુ પશુઓ અને પક્ષીઓના શરીરનું સામાન્ય તાપમાન મનુષ્ય કરતાં અલગ હોય છે અને પ્રજાતિ પ્રમાણે બદલાય છે. ઉદાહરણ તરીકે:

• કૂતરા: સામાન્ય રીતે 38.3°C થી 39.2°C
• બિલાડી: સામાન્ય રીતે 38.1°C થી 39.2°C
• ઘોડા: સામાન્ય રીતે 37.5°C થી 38.5°C
• ગાય: સામાન્ય રીતે 38.0°C થી 39.0°C
• ચિકન: સામાન્ય રીતે 40.6°C થી 43.3°C
• પોપટ: સામાન્ય રીતે 40°C થી 42°C

વેટરનરી ડૉક્ટર આ તાપમાન માપવા માટે ખાસ પશુચિકિત્સા થર્મોમીટરનો ઉપયોગ કરે છે, જે સામાન્ય રીતે ગુદામાર્ગ દ્વારા તાપમાન માપે છે. તાપમાનમાં અસામાન્ય વધારો કે ઘટાડો પ્રાણીની માંદગીનો સંકેત આપી શકે છે.

૩. લોખંડનો પાતળો તથા લાંબો સળિયો લો. તેના એક છેડા પર પાતળો કાગળ ચુસ્તપણે વીંટાળો. હવે, સળગતી મીણબત્તીની જ્યોત પર સળિયાને ગોળગોળ ફેરવતા જઈ કાગળને બાળવાનો પ્રયત્ન કરો. શું, કાગળ બળે છે? તમારું અવલોકન સમજાવો.

• અવલોકન:
• કાગળ સરળતાથી બળશે નહીં અથવા બળશે તો પણ ખૂબ ધીમેથી બળશે.
• સમજૂતી:
• કાગળ ધાતુના સળિયા પર વીંટાળેલો હોવાથી, મીણબત્તીની જ્યોતથી મળતી ઉષ્મા કાગળ દ્વારા લોખંડના સળિયામાં ઝડપથી વહન પામશે (લોખંડ ઉષ્માનું સુવાહક છે). આને કારણે કાગળનું તાપમાન તેના જ્વલનબિંદુ સુધી પહોંચી શકશે નહીં અથવા ખૂબ ધીમેથી પહોંચશે, જેથી તે સળગશે નહીં અથવા ધીમેથી બળશે. જો કાગળ સળિયા પર ચુસ્તપણે વીંટાળેલો ન હોય, તો હવાના સ્તરને કારણે ઉષ્માનું વહન ઓછું થશે અને કાગળ ઝડપથી બળી શકે છે.

૪. કાગળની એક શીટ લો. અહીં આકૃતિ ૩.૧૪માં દર્શાવ્યા મુજબ કાગળના ટુકડા પર સ્પાયરલ (કુંતલાકાર વર્તુળ રેખા) દોરો. દોરેલી રેખા પરથી કાગળને કાપો. હવે, આકૃતિ ૩.૧૪માં દર્શાવ્યા મુજબ કાગળને સળગતી મીણબત્તીની ઉપર લટકાવો. અવલોકન કરો શું થાય છે? સમજાવો અને તે પર વિચાર કરો.

• અવલોકન:
• જ્યારે કાગળના સ્પાયરલને સળગતી મીણબત્તીની ઉપર લટકાવવામાં આવે છે, ત્યારે તે ગોળ ગોળ ફરવા (ઘૂમવા) લાગશે.
• સમજૂતી:
• મીણબત્તીની જ્યોત ગરમ હવા ઉત્પન્ન કરે છે. ગરમ હવા હલકી હોવાથી ઉપરની તરફ ગતિ કરે છે (ઉષ્માનયન). જ્યારે આ ગરમ હવા કાગળના સ્પાયરલ પર અથડાય છે, ત્યારે તે સ્પાયરલને દબાણ આપીને તેને ફેરવે છે. ઠંડી હવા નીચેની તરફ આવે છે અને ગરમ હવા ઉપર જાય છે, જેના કારણે સતત હવાનો પ્રવાહ સર્જાય છે અને સ્પાયરલ ફરતું રહે છે. આ પ્રવૃત્તિ ઉષ્માનયન (Convection) ના સિદ્ધાંતનું નિદર્શન કરે છે.

૫. પહોળા મોઢાવાળી કાચની બે સમાન પારદર્શક બોટલો લો. એક બોટલમાં પોટૅશિયમ પરમેંગેનેટ...

(આ પ્રશ્ન પ્રવૃત્તિ પર આધારીત હોવાથી, પોટેશિયમ પરમેંગેનેટનો ઉપયોગ ઉષ્માનયન દર્શાવવા માટેની પ્રવૃત્તિ તરીકે સમજીને પૂર્ણ કરવામાં આવે છે.)

પ્રવૃત્તિ: પાણીમાં ઉષ્માનયનનું નિદર્શન

હેતુ: પ્રવાહીમાં ઉષ્માનું વહન ઉષ્માનયન દ્વારા કેવી રીતે થાય છે તે સમજવું.

જરૂરી સામગ્રી:

• પહોળા મોઢાવાળી કાચની બે સમાન પારદર્શક બોટલો (અથવા બીકર)
• પાણી
• પોટેશિયમ પરમેંગેનેટના સ્ફટિકો (નાના ટુકડા)
• મીણબત્તી અથવા હીટિંગ સોર્સ
• ડ્રોપર (વૈકલ્પિક)

પ્રવૃત્તિની રૂપરેખા:

• બોટલ ૧: એક બોટલમાં ઠંડું પાણી લો.
• બોટલ ૨: બીજી બોટલમાં પણ સમાન માત્રામાં ઠંડું પાણી લો.
• પોટેશિયમ પરમેંગેનેટ ઉમેરવું: બોટલ ૨ માં, ડ્રોપરનો ઉપયોગ કરીને, તળિયે કાળજીપૂર્વક પોટેશિયમ પરમેંગેનેટનો એક નાનો સ્ફટિક મૂકો જેથી પાણી ભળ્યા વગર રહે.
• ગરમ કરવું: બોટલ ૨ ને ધીમે ધીમે મીણબત્તીની જ્યોત પર (બોટલના તળિયાની મધ્યમાં) ગરમ કરો.
• અવલોકન: તમે અવલોકન કરશો કે બોટલ ૨ માં પોટેશિયમ પરમેંગેનેટનો રંગીન ધુમાડો (પાણી ગરમ થતા) ઉપરની તરફ જશે, પછી કિનારીઓ પરથી નીચે આવશે, અને ફરીથી ગરમ થઈને ઉપર જશે, જેનાથી પાણીમાં પ્રવાહો સર્જાશે. બોટલ ૧ (જેને ગરમ કરવામાં આવી નથી) માં કોઈ પ્રવાહ જોવા મળશે નહીં.

નિષ્કર્ષ: આ પ્રવૃત્તિ દર્શાવે છે કે જ્યારે પ્રવાહીને ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ગરમ થયેલું પ્રવાહી હલકું બનીને ઉપરની તરફ ગતિ કરે છે અને તેની જગ્યાએ ઠંડું (વધુ ઘટ્ટ) પ્રવાહી નીચે આવે છે. આ સતત ચક્રને કારણે ઉષ્માનું વહન થાય છે, જેને ઉષ્માનયન કહેવાય છે.