فزکس کلاس 10 - چیپٹر 10: تھرمل فزکس (Thermal Physics)
حل شدہ مشقی سوالات (Exercise Questions – Solved)
A. کثیر الانتخابی سوالات (Multiple Choice Questions – MCQs)
نوٹس میں دیے گئے صحیح جوابات کی وضاحت درج ذیل ہے:
10.1 جب تانبے (Copper) کی سلاخ کا درجہ حرارت بڑھایا جاتا ہے، تو اس کی لمبائی:
(b) بڑھ جاتی ہے (increases): تھرمل ایکسپینشن (حرارتی پھیلاؤ) کی وجہ سے گرم کرنے پر ٹھوس چیزیں پھیلتی ہیں۔
10.2 جب درجہ حرارت $1^{\circ}C$ بڑھایا جائے تو کسی مٹیریل کی اکائی لمبائی (unit length) میں ہونے والے اضافے کو کیا کہتے ہیں؟
(c) لکیری پھیلاؤ کا عددی سر (coefficient of linear expansion): یہ لمبائی میں پھیلاؤ کی پیمائش ہے۔
10.3 مائع (Liquid) بخارات بننے (evaporated) کے بعد کس چیز میں تبدیل ہو جاتا ہے؟
(d) Both (a) and (b) [گیس اور آبی بخارات]: بخارات بننے کے عمل میں مائع گیسی حالت (جسے پانی کی صورت میں آبی بخارات کہتے ہیں) میں بدل جاتا ہے۔
10.4 کون سی خاصیت یہ طے کرتی ہے کہ کوئی ٹھوس (Solid) درجہ حرارت میں نمایاں تبدیلی سے پہلے کتنی حرارت جذب کر سکتا ہے؟
(b) مخصوص حرارتی گنجائش (Specific heat capacity): یہ وہ حرارت ہے جو کسی مادے کے ایک کلوگرام ماس کا درجہ حرارت ایک کیلون یا ایک ڈگری سینٹی گریڈ بڑھانے کے لیے چاہیے ہوتی ہے۔
10.5 تیز درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز (High-temperature superconductors) میں عام طور پر کس قسم کا مٹیریل شامل ہوتا ہے؟
(c) سیرامکس (Ceramics): جدید ہائی ٹمپریچر سپر کنڈکٹرز اکثر سیرامک کمپاؤنڈز سے بنے ہوتے ہیں۔
B. مختصر جوابی سوالات (Short Answer Questions)
10.1 ٹھوس چیزوں کے تھرمل ایکسپینشن (حرارتی پھیلاؤ) پر کون سے عوامل اثر انداز ہوتے ہیں؟جواب: ٹھوس چیز کا حرارتی پھیلاؤ تین بنیادی عوامل پر منحصر ہوتا ہے:
اصل لمبائی یا والیم (جتنا زیادہ اصل سائز ہوگا، پھیلاؤ اتنا ہی زیادہ نظر آئے گا)۔
درجہ حرارت میں تبدیلی (جتنا زیادہ گرم کریں گے، اتنا زیادہ پھیلاؤ ہوگا)۔
مٹیریل کی نوعیت (مختلف مٹیریل مختلف شرح سے پھیلتے ہیں)۔
10.2 پگھلاؤ کی مخفی حرارت (Latent heat of fusion) کیا ہے؟جواب: “پگھلاؤ کی مخفی حرارت حرارت کی وہ مقدار ہے جو کسی مادے کے اکائی ماس (unit mass) کو اس کے نقطہ پگھلاؤ (melting point) پر، درجہ حرارت میں تبدیلی لائے بغیر، ٹھوس حالت سے مائع حالت میں تبدیل کرنے کے لیے درکار ہوتی ہے۔” حسابی طور پر اسے یوں لکھا جاتا ہے: $Q = mL_f$ (یہاں $Q$ جذب شدہ حرارت، $m$ ماس، اور $L_f$ مخصوص پگھلاؤ کی مخفی حرارت ہے)۔
10.3 مختلف مٹیریل حرارتی پھیلاؤ کے مختلف رویے کیسے ظاہر کرتے ہیں؟جواب: چونکہ مختلف مٹیریلز کے تھرمل ایکسپینشن کے عددی سر (coefficients) مختلف ہوتے ہیں، اس لیے درجہ حرارت کی ایک جیسی تبدیلی کے لیے ان کے پھیلنے یا سکڑنے کا عمل بھی مختلف ہوتا ہے۔
10.4 عمل تبخیر (Evaporation) روزمرہ کی زندگی میں ٹھنڈک کے عمل (cooling processes) میں کیسے حصہ لیتا ہے؟جواب: عمل تبخیر ٹھنڈک کا باعث بنتا ہے کیونکہ سب سے زیادہ توانائی والے مالیکیولز مائع کو چھوڑ کر گیس بن جاتے ہیں، وہ اپنی حرکی توانائی (kinetic energy) اپنے ساتھ لے جاتے ہیں اور باقی مائع کو ٹھنڈا چھوڑ دیتے ہیں۔
پسینہ آنا: جب جلد سے پسینہ اڑتا ہے تو یہ جسم سے حرارت جذب کرتا ہے، جس سے ہمیں ٹھنڈک کا احساس ہوتا ہے۔
مٹی کے گھڑے: مٹی کے برتن میں پانی ٹھنڈا رہتا ہے کیونکہ پانی اس کے باریک سوراخوں سے رستا ہے اور بیرونی سطح سے اڑ (evaporate) جاتا ہے، جس سے اندر کے پانی کی حرارت خارج ہو جاتی ہے۔
10.5 ویپرائزیشن کی مخفی حرارت (Latent heat of vapourization) کیا ہے، اور اس کا حساب کیسے لگایا جاتا ہے؟جواب: “ویپرائزیشن کی مخفی حرارت وہ حرارت ہے جو کسی مائع کا اکائی ماس (unit mass) اس کے ابلنے کے نقطہ (boiling point) پر، درجہ حرارت میں اضافے کے بغیر، گیس میں تبدیل ہونے کے لیے جذب کرتا ہے۔” اس کا حساب اس فارمولے سے لگایا جاتا ہے: $Q = mH_v$ (یہاں $Q$ کل جذب شدہ حرارتی توانائی، $m$ ماس، اور $H_v$ مخصوص ویپرائزیشن کی مخفی حرارت ہے)۔
C. ساختہ جوابی سوالات (Constructed Response Questions)
10.1 پلوں (Bridges) کو ایکسپینشن جوائنٹس (expansion joints) کی ضرورت کیوں ہوتی ہے لیکن دھاتی ڈھکنوں والی شیشے کی بوتلوں کو نہیں، حالانکہ دونوں میں درجہ حرارت کی تبدیلیاں آتی ہیں؟ حرارتی پھیلاؤ کی نوعیت کے لحاظ سے بحث کریں۔جواب: پلوں کو ایکسپینشن جوائنٹس کی ضرورت اس لیے ہوتی ہے کیونکہ وہ بہت لمبے ہوتے ہیں۔ درجہ حرارت کی چھوٹی سی تبدیلی بھی ان کی لمبائی میں بڑا پھیلاؤ پیدا کرتی ہے، اگر اس پھیلاؤ کے لیے جگہ نہ چھوڑی جائے تو پل کے ڈھانچے میں دباؤ پیدا ہو سکتا ہے اور وہ ٹوٹ سکتا ہے۔ اس کے برعکس، دھاتی ڈھکنوں والی شیشے کی بوتلیں چھوٹی ہوتی ہیں، اس لیے ان کا پھیلاؤ بہت معمولی ہوتا ہے اور کوئی نقصان دہ دباؤ پیدا نہیں کرتا۔ اس کے علاوہ، شیشہ دھات کے مقابلے میں بہت کم پھیلتا ہے، جس کی وجہ سے یہ اثر نا کے برابر ہوتا ہے۔
10.2 ہوا خشک ہونے پر مائع تیزی سے کیوں اڑتا (evaporates) ہے؟جواب: خشک ہوا میں (جہاں نمی/humidity کم ہو)، آس پاس کی گیس میں پانی کے مالیکیولز کا ارتکاز (concentration) کم ہوتا ہے۔ اس کا مطلب ہے کہ واپس مائع حالت میں “لوٹنے” والے مالیکیولز (condensation) کم ہوتے ہیں، جس کی وجہ سے زیادہ مالیکیولز کو ہوا میں فرار ہونے کا موقع ملتا ہے، اور تبخیر کی خالص شرح (net rate) بڑھ جاتی ہے۔
10.3 جب برف کا ٹکڑا پگھلتا ہے، تو حرارت فراہم کرنے کے باوجود درجہ حرارت نہیں بڑھتا۔ توانائی کہاں جاتی ہے، اور فیز چینج (حالت کی تبدیلی) میں یہ کیوں اہم ہے؟جواب: جب برف پگھلتی ہے، تو فراہم کی جانے والی حرارت پگھلاؤ کی مخفی حرارت (latent heat of fusion) کے طور پر استعمال ہوتی ہے، نہ کہ درجہ حرارت بڑھانے کے لیے۔ یہ توانائی ان بین المالیکیولی بندھنوں (intermolecular bonds) کو توڑنے میں جاتی ہے جو پانی کے مالیکیولز کو ٹھوس (برف) کی ساخت میں جکڑے رکھتے ہیں، تاکہ وہ مائع کی طرح آزادانہ حرکت کر سکیں۔ یہ فیز چینج میں اس لیے اہم ہے کیونکہ درجہ حرارت مستقل رہتا ہے؛ توانائی مادے کی حالت کو بدلتی ہے، مالیکیولز کی رفتار (kinetic energy) کو نہیں۔
10.4 بجلی کے تار گرمیوں میں کیوں لٹک جاتے ہیں اور سردیوں میں کیوں تن جاتے ہیں؟جواب: بجلی کے تار گرمیوں میں حرارتی پھیلاؤ (thermal expansion) کی وجہ سے لٹک جاتے ہیں اور سردیوں میں حرارتی سکڑاؤ (thermal contraction) کی وجہ سے تن جاتے ہیں۔
D. جامع سوالات (Comprehensive Questions)
10.1 ٹھوس، مائع اور گیسوں کے درمیان تھرمل ایکسپینشن ( حرارتی پھیلاؤ) کیسے مختلف ہے؟ ان اختلافات کو واضح کرنے کے لیے مثالیں دیں۔جواب: ٹھوس، مائع اور گیسوں میں حرارتی پھیلاؤ کی مقدار اور رویہ ان کے ذرات (particles) کی پیکنگ کی وجہ سے مختلف ہوتا ہے۔
ٹھوس (Solids): ذرات مضبوطی سے جڑے ہوتے ہیں اور صرف وائبریٹ کرتے ہیں۔ پھیلاؤ بہت کم ہوتا ہے۔
مثال: گرم کرنے پر دھاتی سلاخ تھوڑی لمبی ہو جاتی ہے۔
مائع (Liquids): ذرات ٹھوس کے مقابلے میں کم مضبوطی سے جڑے ہوتے ہیں۔ پھیلاؤ ٹھوس سے زیادہ ہوتا ہے۔
مثال: تھرمامیٹر میں حرارت ملنے پر مرکری یا الکحل اوپر چڑھتا ہے۔
گیسیں (Gases): ذرات بہت دور ہوتے ہیں اور آزادانہ حرکت کرتے ہیں۔ پھیلاؤ بہت زیادہ ہوتا ہے۔
مثال: غبارے میں ہوا گرم کرنے پر پھیلتی ہے، جس سے غبارہ بڑا ہو جاتا ہے۔
10.2 روزمرہ کی زندگی میں حرارتی پھیلاؤ کے کچھ عملی نتائج کیا ہیں، جیسے تعمیراتی مواد یا گھریلو آلات میں؟جواب: حرارتی پھیلاؤ انجینئرنگ اور روزمرہ کی زندگی پر اثر انداز ہوتا ہے:
تعمیرات: پلوں کو ایکسپینشن جوائنٹس (خالی جگہوں) کے ساتھ بنایا جاتا ہے تاکہ گرمی میں دھات یا کنکریٹ پھیلنے پر ڈھانچہ ٹیڑھا نہ ہو یا اس میں دراڑیں نہ پڑیں۔
گھریلو آلات: بائی میٹالک سٹرپس (دو مختلف دھاتوں سے بنی پٹیاں) تھرموسٹیٹ اور الیکٹرک استریوں میں استعمال ہوتی ہیں۔ گرم ہونے پر یہ مڑ جاتی ہیں، اور درجہ حرارت کو کنٹرول کرنے کے لیے سوئچ کا کام کرتی ہیں۔
10.3 مخفی حرارت (Latent heat) کیا ہے، اور یہ پگھلنے اور بخارات بننے جیسی حالت کی تبدیلیوں (phase transitions) میں کیوں اہم ہے؟جواب: مخفی حرارت: “مخفی حرارت، درجہ حرارت میں کسی تبدیلی کے بغیر، حالت کی تبدیلی (ٹھوس $\leftrightarrow$ مائع $\leftrightarrow$ گیس) کے دوران کسی مادے کی طرف سے جذب یا خارج ہونے والی حرارت کی مقدار ہے۔” یہ کیوں اہم ہے؟
پگھلنے کے دوران، مخفی حرارت (fusion) بین المالیکیولی بندھنوں کو توڑنے کے لیے استعمال ہوتی ہے۔ اس طرح ٹھوس، مائع بن جاتا ہے۔
بخارات بننے کے دوران، مخفی حرارت مالیکیولز کو مکمل طور پر الگ کرنے کے لیے استعمال ہوتی ہے تاکہ مائع، گیس بن جائے۔ درجہ حرارت مستقل رہتا ہے کیونکہ توانائی ذرات کی حرکی توانائی (kinetic energy) کو نہیں بلکہ ان کی حالت کو بدلتی ہے۔اہمیت: مخفی حرارت وضاحت کرتی ہے کہ کیوں پگھلتے وقت برف $0^{\circ}C$ پر رہتی ہے، اور ابلتے وقت پانی $100^{\circ}C$ پر رہتا ہے۔ حالت کی تبدیلی کے لیے توانائی درکار ہوتی ہے، چاہے درجہ حرارت نہ بڑھے۔
10.4 ٹھوس، مائع اور گیسیں گرم کرنے پر کیوں پھیلتی ہیں؟ مثالوں سے وضاحت کریں۔جواب: ٹھوس، مائع اور گیسیں گرم کرنے پر پھیلتی ہیں کیونکہ ان کے ذرات توانائی حاصل کرتے ہیں اور زیادہ حرکت کرتے ہیں۔ حرارت ذرات کی اپنی جگہ پر وائبریشن کو بڑھاتی ہے۔ اس سے ذرات کے درمیان فاصلہ تھوڑا بڑھ جاتا ہے۔
ٹھوس: گرم کرنے سے ذرات کی وائبریشن بڑھتی ہے۔
مثال: ریلوے ٹریک یا دھاتی سلاخیں گرم دنوں میں پھیلتی ہیں۔
مائع: گرم کرنے سے ذرات کو حرکت کرنے کی زیادہ آزادی ملتی ہے۔ وہ ایک دوسرے سے دور ہو جاتے ہیں، اس لیے والیم بڑھ جاتا ہے۔
مثال: تھرمامیٹر میں مرکری یا الکحل گرم ہونے پر اوپر چڑھتا ہے۔
گیسیں: حرارت گیس کے ذرات کی رفتار کو بہت بڑھا دیتی ہے۔ وہ بہت دور چلے جاتے ہیں، جس سے بہت زیادہ پھیلاؤ ہوتا ہے۔
مثال: غبارے میں ہوا گرم ہونے پر پھیلتی ہے۔نتیجہ: تمام حالتیں گرم کرنے پر پھیلتی ہیں کیونکہ ذرات کی حرکت بڑھ جاتی ہے، لیکن گیسیں سب سے زیادہ پھیلتی ہیں، مائع ٹھوس سے زیادہ، اور ٹھوس سب سے کم۔
10.5 اگر ہمارے پاس پانی کی مساوی مقدار ایک چوڑے، کم گہرے برتن (wide, shallow dish) میں اور ایک لمبی، تنگ بوتل (tall, narrow container) میں ہو اور دونوں کا درجہ حرارت ایک جیسا ہو، تو کس برتن میں بخارات بننے کا عمل (evaporation) تیزی سے ہوگا؟ سائنسی وجہ بیان کریں۔جواب: چوڑے، کم گہرے برتن میں بخارات بننے کا عمل تیزی سے ہوگا۔سائنسی وجہ: عمل تبخیر (Evaporation) ایک سطحی مظہر (surface phenomenon) ہے۔ چوڑے برتن میں پانی کی سطح کا زیادہ رقبہ ہوا کے سامنے ہوتا ہے، اس لیے زیادہ پانی کے مالیکیولز ایک ہی وقت میں ہوا میں فرار ہونے کے لیے کافی توانائی حاصل کر سکتے ہیں۔ لمبے تنگ برتن میں، ہوا کے سامنے سطح کا رقبہ کم ہوتا ہے، اس لیے کم مالیکیولز اڑ سکتے ہیں۔نتیجہ: جتنا زیادہ سطح کا رقبہ (surface area) ہوگا، عمل تبخیر اتنا ہی تیز ہوگا۔
امید ہے کہ یہ وضاحت آپ کے لیے مددگار ہوگی۔ اگر مزید کسی چیپٹر کے نوٹس کی وضاحت چاہیے ہو تو آپ پوچھ سکتے ہیں۔
