Latent Heat: Fusion, Vaporization, Formula, Examples and Applications

गुप्त ऊष्मा: गलन, वाष्पन, सूत्र, उदाहरण एवं उपयोग

ENGLISH SECTION

Introduction

When heat is supplied to a substance, we often expect its temperature to rise. For example, heating water from 20°C to 40°C increases its temperature. However, heat does not always cause a rise in temperature.

During a change of state or phase, a substance can absorb or release a considerable amount of energy without changing its temperature, provided the phase change occurs under fixed pressure and equilibrium conditions.

For example, when ice at its melting point changes into water at the same temperature, heat must be supplied continuously. Yet during the melting process, the temperature remains essentially constant until the phase change is complete.

Similarly, when water boils at its boiling point under constant pressure, it continues to absorb energy while changing from liquid to vapour without an increase in its boiling temperature during the phase transition.

The energy associated with such a phase change is called latent heat.

Latent heat is an important concept in thermodynamics and has many practical applications in refrigeration, air conditioning, cooking, weather, cooling systems and industrial processes.

What is Latent Heat?

Latent heat is the energy absorbed or released by a substance during a change of phase without a change in temperature during the phase transition, under specified conditions such as constant pressure.

The term "latent" means hidden.

The energy is called latent because it does not appear as a temperature increase or decrease during the phase transition. Instead, the energy is involved in changing the physical state and the intermolecular arrangement of the substance.

Examples include:

Solid → Liquid: Melting
Liquid → Solid: Freezing
Liquid → Gas: Vaporization
Gas → Liquid: Condensation
Solid → Gas: Sublimation
Gas → Solid: Deposition

Formula for Latent Heat

The heat involved in a phase change can be calculated using:

Q = mL

where:

• Q = heat absorbed or released

• m = mass of the substance

• L = specific latent heat

Therefore:

L = Q/m

The SI unit of specific latent heat is:

joule per kilogram (J/kg)

It is also commonly expressed in:

kilojoule per kilogram (kJ/kg)

In older calorimetry problems, calorie per gram (cal/g) may also be encountered.

Why Does Temperature Remain Constant During a Phase Change?

Temperature is related to the average kinetic energy associated with the random motion of particles.

When a pure substance is undergoing a phase transition at a fixed pressure, energy supplied during the transition is primarily used in changing the molecular arrangement and intermolecular potential energy rather than raising the temperature.

Consider melting ice.

Before melting begins, heating ice increases its temperature toward the melting point. Once the melting point is reached, further heat supplied is used to convert the solid structure into the liquid state.

Therefore, during the melting process:

Heat is absorbed, but the temperature remains at the melting point until the phase transition is complete.

Once all the ice has melted, further heating can again increase the temperature of the liquid water.

Sensible Heat and Latent Heat

It is important to distinguish between sensible heat and latent heat.

Sensible Heat

Sensible heat causes a measurable temperature change without necessarily changing the phase.

Its basic equation is:

Q = mcΔT

where:

• m = mass

• c = specific heat capacity

• ΔT = temperature change

Latent Heat

Latent heat causes a phase change without temperature change during the ideal phase transition.

Its equation is:

Q = mL

Therefore:

Temperature change → Q = mcΔT

Phase change → Q = mL

This distinction is extremely useful in numerical problems.

Types of Latent Heat

For elementary physics, the two most important types are:

1. Latent Heat of Fusion

2. Latent Heat of Vaporization

1. Latent Heat of Fusion

What is Latent Heat of Fusion?

The specific latent heat of fusion is the amount of heat required to convert unit mass of a substance from solid to liquid at its melting point without changing its temperature.

The same amount of energy per unit mass is released when the substance freezes under the corresponding conditions.

For water:

Ice ⇌ Water

At approximately 0°C under standard atmospheric pressure, the specific latent heat of fusion of ice is about:

80 cal/g

or approximately:

334 kJ/kg

This means that approximately 334 kJ of heat must be supplied to convert 1 kg of ice at its melting point completely into liquid water at the same temperature.

Why Does Ice Require Heat to Melt?

In solid ice, water molecules occupy an ordered crystalline structure maintained by intermolecular interactions, particularly hydrogen bonding.

To transform ice into liquid water, energy must be supplied so that the rigid solid arrangement can be disrupted sufficiently for molecules to move more freely in the liquid state.

This energy is absorbed without increasing the temperature during the melting process.

That energy is the latent heat of fusion.

Freezing and Latent Heat

The reverse process occurs during freezing.

When water at its freezing point changes into ice, it releases latent heat to its surroundings.

Thus:

Melting → Heat absorbed

Freezing → Heat released

The magnitude of the latent heat associated with the forward and reverse phase changes is the same under the same equilibrium conditions, although the direction of energy transfer is opposite.

Numerical Example: Melting Ice

Question

How much heat is required to melt 2 kg of ice at 0°C completely into water at 0°C?

Take:

Lₓ = 334 kJ/kg

Solution

Using:

Q = mL

Q = 2 × 334

Q = 668 kJ

Therefore, approximately 668 kJ of heat is required.

Notice that the final water is still at 0°C. The supplied energy has changed the state rather than raising the temperature.

2. Latent Heat of Vaporization

What is Latent Heat of Vaporization?

The specific latent heat of vaporization is the amount of heat required to convert unit mass of a liquid into vapour at its boiling point without changing its temperature, under the specified pressure.

For water at approximately 100°C and standard atmospheric pressure, the specific latent heat of vaporization is approximately:

540 cal/g

or about:

2256 kJ/kg

Thus, converting 1 kg of water at 100°C completely into steam at 100°C requires approximately 2256 kJ of energy under these conditions.

This value is much larger than the latent heat of fusion of ice.

Why Does Vaporization Require So Much Energy?

In a liquid, molecules remain relatively close together because of intermolecular attractions.

To convert the liquid into vapour, molecules must separate much more extensively.

A substantial amount of energy is therefore required to overcome intermolecular attractions and produce the gaseous state.

For water, this contributes to its high latent heat of vaporization.

Condensation and Latent Heat

Condensation is the reverse of vaporization.

During condensation:

Gas → Liquid

Energy is released to the surroundings.

Therefore:

Vaporization → Heat absorbed

Condensation → Heat released

This release of latent heat has important consequences in atmospheric processes, heating systems and steam applications.

Why Does Steam at 100°C Cause More Severe Burns Than Water at 100°C?

This is one of the most important conceptual questions related to latent heat.

Suppose we compare:

• liquid water at 100°C,

• steam at 100°C.

Both have the same stated temperature, but steam contains additional phase-change energy associated with its gaseous state.

When steam comes into contact with a cooler surface such as skin, it can condense into liquid water.

During condensation, steam releases its latent heat of vaporization.

For 1 kg of steam condensing at 100°C:

Q ≈ 2256 kJ

can be released simply during the phase change, before considering additional heat that the resulting hot water may release while cooling further.

Therefore, steam at 100°C can transfer substantially more energy to the skin than the same mass of liquid water at 100°C, making steam burns potentially more severe.

Numerical Example: Condensation of Steam

Question

How much latent heat is released when 0.5 kg of steam at 100°C condenses completely into water at 100°C?

Given:

Lᵥ = 2256 kJ/kg

Solution

Q = mL

Q = 0.5 × 2256

Q = 1128 kJ

Therefore:

1128 kJ of heat is released.

Complete Heating of Ice into Steam

A very important examination concept is the conversion:

Ice → Water → Steam

Suppose ice initially below 0°C is heated until it becomes steam at 100°C.

The process can be divided into several stages.

Stage 1: Heating the ice

The temperature of ice increases toward 0°C.

Use:

Q₁ = mcᵢΔT

Stage 2: Melting

At the melting point:

Ice → Water

Use:

Q₂ = mL_f

Temperature remains approximately constant during the ideal phase transition.

Stage 3: Heating liquid water

Water is heated from 0°C to 100°C.

Use:

Q₃ = mc_wΔT

Stage 4: Vaporization

At the boiling point:

Water → Steam

Use:

Q₄ = mLᵥ

Again, temperature remains approximately constant during the phase transition at fixed pressure.

Therefore:

Q_total = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄

This approach is useful for calorimetry and competitive-exam numerical problems.

Heating Curve and Phase Change

If heat is continuously supplied to a pure substance at fixed pressure, its temperature does not necessarily rise uniformly.

During single-phase regions, heat generally raises temperature.

During phase changes, heat is absorbed while the temperature remains approximately constant.

For water at standard atmospheric pressure, the simplified heating sequence is:

Ice below 0°C → Ice at 0°C → Melting → Water → Water at 100°C → Boiling → Steam

The horizontal portions of an idealized heating curve correspond to phase changes.

Evaporation vs Boiling

Students often confuse evaporation and boiling.

Evaporation

Evaporation is a surface phenomenon and can occur at temperatures below the boiling point.

Higher-energy molecules near the surface can escape into the surrounding gas.

Evaporation can produce cooling because the molecules escaping tend to carry away energy.

Boiling

Boiling occurs throughout the liquid when its vapour pressure reaches the external pressure.

At a given pressure, a pure substance has a characteristic boiling temperature.

Therefore, evaporation and boiling are related to vaporization but are not identical processes.

Why Does Evaporation Cause Cooling?

When a liquid evaporates, higher-energy molecules preferentially escape from its surface.

The average energy of the molecules remaining in the liquid may decrease.

The liquid can therefore cool unless heat is supplied from the surroundings.

This principle explains many everyday observations.

Everyday Applications of Latent Heat

1. Sweating and Cooling

The human body releases sweat onto the skin.

When sweat evaporates, it absorbs energy from the skin and surrounding region.

This produces a cooling effect.

The effectiveness depends strongly on environmental conditions, particularly humidity and airflow.

2. Earthen Pots

Water stored in a porous earthen pot may become cooler because a small amount of water passes through tiny pores and evaporates from the outer surface.

Evaporation requires energy, some of which is drawn from the water and pot.

Therefore, the remaining water can become cooler.

3. Desert Coolers

Evaporative coolers pass air through or over wet material.

Water evaporates and absorbs latent heat, lowering the temperature of the air.

They tend to work more effectively in hot, dry conditions because low humidity promotes evaporation.

4. Refrigerators and Air Conditioners

Refrigerators and air conditioners use a refrigerant circulating through a thermodynamic cycle.

During part of the cycle, the refrigerant evaporates at low pressure and absorbs heat.

During another part, it condenses and releases heat to the surroundings.

Latent heat associated with phase change is therefore central to the operation of many refrigeration systems.

5. Steam Heating

Steam can be an effective medium for transferring thermal energy.

When steam condenses, it releases a large quantity of latent heat.

This principle is used in various industrial heating and processing applications.

6. Pressure Cooker

The boiling point of a liquid depends on pressure.

Inside a pressure cooker, pressure above the liquid can rise above normal atmospheric pressure. Consequently, water can boil at a temperature higher than 100°C.

Food can therefore be cooked at a higher temperature, which generally reduces cooking time.

The key principle here is the dependence of boiling point on pressure.

Effect of Pressure on Boiling Point

The boiling point of a liquid is not a universal fixed temperature independent of pressure.

A liquid boils when its vapour pressure equals the external pressure.

If external pressure decreases, the boiling point decreases.

If external pressure increases, the boiling point increases.

Therefore:

Higher pressure → Higher boiling point

Lower pressure → Lower boiling point

This explains why water boils below 100°C at sufficiently high altitudes, where atmospheric pressure is lower.

Latent Heat of Fusion vs Vaporization of Water

The latent heat of vaporization of water is much larger than its latent heat of fusion.

Important Unit Conversion

A useful approximate conversion is:

1 calorie ≈ 4.184 joules

Therefore:

80 cal/g ≈ 335 J/g ≈ 335 kJ/kg

which is close to the commonly used value of approximately:

334 kJ/kg

Similarly:

540 cal/g ≈ 2260 kJ/kg

which is close to commonly tabulated values around:

2256–2260 kJ/kg, depending on the reference conditions and rounding.

Important Competitive Examination Facts

Latent heat: Energy involved in a phase change without temperature change during the equilibrium transition.

Formula:
Q = mL

SI unit of specific latent heat:
J/kg

Latent heat of fusion of ice:
Approximately 80 cal/g or 334 kJ/kg

Latent heat of vaporization of water at 100°C near standard atmospheric pressure:
Approximately 540 cal/g or 2256 kJ/kg

Melting:
Heat absorbed

Freezing:
Heat released

Vaporization:
Heat absorbed

Condensation:
Heat released

Steam at 100°C vs water at 100°C:
Steam can cause more severe burns because it releases additional latent heat during condensation.

Common Mistakes to Avoid

Mistake 1: Assuming every addition of heat increases temperature

During a phase change, heat can be absorbed without a rise in temperature.

Mistake 2: Confusing specific heat with specific latent heat

For temperature change:

Q = mcΔT

For phase change:

Q = mL

Mistake 3: Assuming boiling point is always 100°C

Water boils at approximately 100°C only near standard atmospheric pressure.

Changing pressure changes the boiling point.

Mistake 4: Thinking steam and water at 100°C transfer the same amount of heat

Steam can release additional latent heat when it condenses.

Mistake 5: Confusing evaporation with boiling

Evaporation can occur below the boiling point and primarily at the surface.

Boiling occurs throughout the liquid when the vapour pressure equals the external pressure.

Quick Revision

• Latent heat is associated with a change of phase.

• During an equilibrium phase transition at fixed pressure, temperature remains constant for a pure substance.

• The basic formula is Q = mL.

• Specific latent heat is measured in J/kg.

• Melting and vaporization absorb heat.

• Freezing and condensation release heat.

• Latent heat of fusion of ice is approximately 334 kJ/kg.

• Latent heat of vaporization of water at 100°C near standard atmospheric pressure is approximately 2256 kJ/kg.

• Steam burns can be particularly severe because steam releases latent heat when it condenses.

• Evaporation produces cooling.

• Boiling point depends on external pressure.

• Refrigerators and air conditioners make practical use of phase changes of refrigerants.

हिन्दी अनुभाग

परिचय

जब किसी पदार्थ को ऊष्मा दी जाती है, तो सामान्यतः हम अपेक्षा करते हैं कि उसका तापमान बढ़ेगा। उदाहरण के लिए, यदि पानी को 20°C से 40°C तक गर्म किया जाए, तो उसके तापमान में स्पष्ट वृद्धि होती है।

लेकिन प्रत्येक स्थिति में ऊष्मा देने से तापमान बढ़ना आवश्यक नहीं है।

जब कोई शुद्ध पदार्थ नियत दाब पर अवस्था परिवर्तन कर रहा होता है, तो वह ऊष्मा का अवशोषण या उत्सर्जन कर सकता है, जबकि अवस्था परिवर्तन के दौरान उसका तापमान लगभग स्थिर रहता है।

उदाहरण के लिए, अपने गलनांक पर स्थित बर्फ को पानी में बदलने के लिए लगातार ऊष्मा देनी पड़ती है। फिर भी जब तक बर्फ का गलना पूरा नहीं हो जाता, आदर्श अवस्था परिवर्तन के दौरान उसका तापमान नहीं बढ़ता।

इसी प्रकार नियत दाब पर अपने क्वथनांक पर स्थित पानी को भाप में बदलने के लिए भी ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

अवस्था परिवर्तन से संबंधित इस ऊर्जा को गुप्त ऊष्मा कहा जाता है।

गुप्त ऊष्मा का सिद्धांत ऊष्मागतिकी, प्रशीतन, वातानुकूलन, मौसम विज्ञान, भोजन पकाने और अनेक औद्योगिक प्रक्रियाओं में अत्यंत महत्वपूर्ण है।

गुप्त ऊष्मा क्या है?

निश्चित परिस्थितियों में किसी पदार्थ के अवस्था परिवर्तन के दौरान तापमान में परिवर्तन किए बिना अवशोषित अथवा मुक्त होने वाली ऊष्मीय ऊर्जा को गुप्त ऊष्मा कहते हैं।

इसे "गुप्त" इसलिए कहा जाता है क्योंकि अवस्था परिवर्तन के दौरान दी गई ऊर्जा तापमान में वृद्धि के रूप में दिखाई नहीं देती।

यह ऊर्जा पदार्थ के अणुओं की व्यवस्था और उनकी पारस्परिक स्थितिज ऊर्जा को बदलने में प्रयुक्त होती है।

प्रमुख अवस्था परिवर्तन हैं:

ठोस → द्रव: गलन
द्रव → ठोस: जमना
द्रव → गैस: वाष्पन
गैस → द्रव: संघनन
ठोस → गैस: ऊर्ध्वपातन
गैस → ठोस: निक्षेपण

गुप्त ऊष्मा का सूत्र

अवस्था परिवर्तन में अवशोषित या मुक्त ऊष्मा:

Q = mL

जहाँ:

• Q = अवशोषित या मुक्त ऊष्मा

• m = पदार्थ का द्रव्यमान

• L = विशिष्ट गुप्त ऊष्मा

अतः:

L = Q/m

विशिष्ट गुप्त ऊष्मा की SI इकाई:

जूल प्रति किलोग्राम (J/kg)

है।

इसे kJ/kg में भी व्यक्त किया जाता है।

पुराने ऊष्मामितीय प्रश्नों में cal/g का प्रयोग भी मिलता है।

अवस्था परिवर्तन के समय तापमान स्थिर क्यों रहता है?

तापमान पदार्थ के कणों की औसत गतिज ऊर्जा से संबंधित होता है।

जब शुद्ध पदार्थ नियत दाब पर अवस्था परिवर्तन करता है, तो दी गई ऊर्जा मुख्यतः पदार्थ की आणविक व्यवस्था और अंतराअणुक स्थितिज ऊर्जा को बदलने में प्रयुक्त होती है।

उदाहरण के लिए, बर्फ को उसके गलनांक तक गर्म करने पर उसका तापमान बढ़ता है।

गलनांक पर पहुँचने के बाद दी जाने वाली अतिरिक्त ऊष्मा बर्फ को द्रव जल में बदलने में प्रयुक्त होती है।

इसलिए गलन की प्रक्रिया पूरी होने तक:

ऊष्मा का अवशोषण होता है, लेकिन तापमान लगभग स्थिर रहता है।

सारी बर्फ पिघल जाने के बाद अतिरिक्त ऊष्मा देने पर द्रव जल का तापमान पुनः बढ़ने लगता है।

संवेद्य ऊष्मा और गुप्त ऊष्मा

दोनों में अंतर समझना महत्वपूर्ण है।

संवेद्य ऊष्मा

जब ऊष्मा देने से पदार्थ का तापमान बदलता है, तो गणना के लिए सामान्यतः:

Q = mcΔT

का उपयोग किया जाता है।

जहाँ:

• m = द्रव्यमान

• c = विशिष्ट ऊष्मा धारिता

• ΔT = तापमान परिवर्तन

गुप्त ऊष्मा

जब ऊष्मा के कारण अवस्था परिवर्तन होता है और संक्रमण के दौरान तापमान स्थिर रहता है:

Q = mL

अतः:

तापमान परिवर्तन → Q = mcΔT

अवस्था परिवर्तन → Q = mL

गुप्त ऊष्मा के प्रमुख प्रकार

प्रारंभिक भौतिकी में दो प्रमुख प्रकार अत्यंत महत्वपूर्ण हैं:

1. गलन की गुप्त ऊष्मा

2. वाष्पन की गुप्त ऊष्मा

1. गलन की गुप्त ऊष्मा

किसी पदार्थ के इकाई द्रव्यमान को उसके गलनांक पर बिना तापमान बदले ठोस अवस्था से द्रव अवस्था में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा को उसकी विशिष्ट गलन गुप्त ऊष्मा कहते हैं।

जल के लिए:

बर्फ ⇌ जल

मानक वायुमंडलीय दाब के निकट 0°C पर बर्फ की गलन की विशिष्ट गुप्त ऊष्मा लगभग:

80 cal/g

अथवा:

334 kJ/kg

होती है।

इसका अर्थ है कि अपने गलनांक पर स्थित 1 kg बर्फ को समान तापमान पर पूर्णतः जल में बदलने के लिए लगभग 334 kJ ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

बर्फ को पिघलाने के लिए ऊष्मा क्यों आवश्यक है?

ठोस बर्फ में जल के अणु एक व्यवस्थित क्रिस्टलीय संरचना में रहते हैं।

इसे द्रव में बदलने के लिए इस संरचना को पर्याप्त रूप से परिवर्तित करना पड़ता है ताकि अणु अधिक स्वतंत्र रूप से गति कर सकें।

इसके लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

गलन के दौरान यह ऊर्जा तापमान बढ़ाने के बजाय अवस्था परिवर्तन में प्रयुक्त होती है।

जमना और गुप्त ऊष्मा

जमना गलन की विपरीत प्रक्रिया है।

जब जल अपने हिमांक पर बर्फ में परिवर्तित होता है, तो वह अपने आसपास ऊष्मा मुक्त करता है।

अतः:

गलन → ऊष्मा का अवशोषण

जमना → ऊष्मा का उत्सर्जन

संख्यात्मक उदाहरण: बर्फ का गलना

प्रश्न

0°C पर स्थित 2 kg बर्फ को 0°C के जल में पूर्णतः बदलने के लिए कितनी ऊष्मा चाहिए?

दिया गया:

L_f = 334 kJ/kg

सूत्र:

Q = mL

Q = 2 × 334

Q = 668 kJ

अतः आवश्यक ऊष्मा:

668 kJ

होगी।

2. वाष्पन की गुप्त ऊष्मा

किसी द्रव के इकाई द्रव्यमान को उसके क्वथनांक पर बिना तापमान बदले गैसीय अवस्था में परिवर्तित करने के लिए आवश्यक ऊष्मा को उसकी विशिष्ट वाष्पन गुप्त ऊष्मा कहते हैं।

लगभग 100°C और मानक वायुमंडलीय दाब पर जल की वाष्पन की विशिष्ट गुप्त ऊष्मा लगभग:

540 cal/g

अथवा:

2256 kJ/kg

होती है।

अर्थात 100°C पर स्थित 1 kg जल को उसी तापमान पर पूर्णतः भाप में बदलने के लिए लगभग 2256 kJ ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

वाष्पन में इतनी अधिक ऊर्जा क्यों आवश्यक होती है?

द्रव अवस्था में अणु एक-दूसरे के अपेक्षाकृत निकट रहते हैं और उनके बीच आकर्षण बल कार्य करते हैं।

द्रव को गैस में बदलने के लिए अणुओं को एक-दूसरे से काफी दूर जाना पड़ता है।

इसके लिए अंतराअणुक आकर्षण के विरुद्ध पर्याप्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

इसी कारण जल की वाष्पन गुप्त ऊष्मा काफी अधिक होती है।

संघनन और गुप्त ऊष्मा

संघनन वाष्पन की विपरीत प्रक्रिया है:

गैस → द्रव

संघनन के दौरान ऊर्जा आसपास के वातावरण में मुक्त होती है।

अतः:

वाष्पन → ऊष्मा का अवशोषण

संघनन → ऊष्मा का उत्सर्जन

100°C की भाप 100°C के पानी से अधिक गंभीर जलन क्यों कर सकती है?

यह गुप्त ऊष्मा से संबंधित सबसे महत्वपूर्ण परीक्षा प्रश्नों में से एक है।

मान लीजिए हमारे पास:

• 100°C का जल,

• 100°C की भाप

है।

दोनों का तापमान समान है, लेकिन भाप के पास गैसीय अवस्था से संबंधित अतिरिक्त अवस्था-परिवर्तन ऊर्जा होती है।

जब भाप त्वचा जैसी अपेक्षाकृत ठंडी सतह के संपर्क में आती है, तो वह संघनित होकर जल में बदल सकती है।

इस संघनन के दौरान भाप अपनी वाष्पन की गुप्त ऊष्मा मुक्त करती है।

1 kg भाप के संघनन के दौरान लगभग:

2256 kJ

ऊर्जा केवल अवस्था परिवर्तन के कारण मुक्त हो सकती है।

इसके बाद बना हुआ गर्म जल ठंडा होते समय अतिरिक्त ऊष्मा भी दे सकता है।

इसलिए समान द्रव्यमान और समान प्रारंभिक तापमान पर भाप सामान्यतः गर्म पानी की तुलना में अधिक ऊष्मीय ऊर्जा स्थानांतरित कर सकती है और अधिक गंभीर जलन पैदा कर सकती है।

संख्यात्मक उदाहरण: भाप का संघनन

प्रश्न

100°C पर 0.5 kg भाप पूर्णतः 100°C के जल में संघनित होती है। कितनी गुप्त ऊष्मा मुक्त होगी?

दिया गया:

Lᵥ = 2256 kJ/kg

सूत्र:

Q = mL

Q = 0.5 × 2256

Q = 1128 kJ

अतः:

1128 kJ ऊष्मा मुक्त होगी।

बर्फ से भाप तक की पूरी प्रक्रिया

यदि 0°C से कम तापमान की बर्फ को गर्म करके 100°C की भाप में बदला जाए, तो प्रक्रिया कई चरणों में होती है।

चरण 1: बर्फ को गर्म करना

Q₁ = mcᵢΔT

चरण 2: बर्फ का गलना

Q₂ = mL_f

चरण 3: जल को गर्म करना

Q₃ = mc_wΔT

चरण 4: जल का वाष्पन

Q₄ = mLᵥ

कुल ऊष्मा:

Q_total = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄

प्रतियोगी परीक्षाओं में इस प्रकार के प्रश्न बहुत महत्वपूर्ण हैं।

वाष्पीकरण और क्वथन में अंतर

वाष्पीकरण

वाष्पीकरण मुख्यतः सतह पर होने वाली प्रक्रिया है और क्वथनांक से कम तापमान पर भी हो सकता है।

सतह के अधिक ऊर्जा वाले अणु द्रव से बाहर निकल सकते हैं।

इसी कारण वाष्पीकरण से शीतलन हो सकता है।

क्वथन

क्वथन पूरे द्रव में होता है।

जब द्रव का वाष्प दाब बाहरी दाब के बराबर हो जाता है, तब द्रव उबलने लगता है।

इसलिए वाष्पीकरण और क्वथन दोनों वाष्पन से संबंधित हैं, लेकिन दोनों समान प्रक्रियाएँ नहीं हैं।

वाष्पीकरण से शीतलन क्यों होता है?

वाष्पीकरण के दौरान सतह के अपेक्षाकृत अधिक ऊर्जा वाले अणु बाहर निकल जाते हैं।

इसके कारण शेष द्रव के अणुओं की औसत ऊर्जा कम हो सकती है।

फलस्वरूप द्रव का तापमान कम हो सकता है।

इसी सिद्धांत को वाष्पीकरण द्वारा शीतलन कहा जाता है।

गुप्त ऊष्मा के दैनिक जीवन में उपयोग

1. पसीने द्वारा शरीर का ठंडा होना

शरीर से निकलने वाला पसीना त्वचा की सतह से वाष्पित होता है।

वाष्पीकरण के लिए आवश्यक ऊर्जा त्वचा और आसपास के क्षेत्र से प्राप्त होती है।

इससे शरीर को ठंडा होने में सहायता मिलती है।

2. मिट्टी के घड़े का पानी ठंडा होना

मिट्टी के घड़े की दीवारों में सूक्ष्म छिद्र होते हैं।

थोड़ी मात्रा में पानी इन छिद्रों से बाहर आकर वाष्पित होता है।

वाष्पीकरण के लिए आवश्यक ऊर्जा घड़े और उसमें उपस्थित जल से ली जाती है।

इससे शेष पानी ठंडा हो सकता है।

3. डेजर्ट कूलर

डेजर्ट कूलर में जल के वाष्पीकरण का उपयोग वायु को ठंडा करने में किया जाता है।

शुष्क और गर्म वातावरण में वाष्पीकरण अधिक प्रभावी होता है, इसलिए ऐसे क्षेत्रों में वाष्पीकरणीय कूलर सामान्यतः अधिक प्रभावी होते हैं।

4. रेफ्रिजरेटर और वातानुकूलक

रेफ्रिजरेटर और वातानुकूलक में प्रशीतक पदार्थ एक चक्र में विभिन्न अवस्थाओं और दाबों से गुजरता है।

चक्र के एक भाग में प्रशीतक वाष्पित होकर ऊष्मा अवशोषित करता है।

दूसरे भाग में वह संघनित होकर ऊष्मा बाहर निकालता है।

इस प्रकार अवस्था परिवर्तन और उससे संबंधित गुप्त ऊष्मा प्रशीतन तकनीक के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

5. भाप द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण

भाप के संघनन के दौरान बड़ी मात्रा में गुप्त ऊष्मा मुक्त होती है।

इस कारण विभिन्न औद्योगिक प्रक्रियाओं में भाप का उपयोग ऊष्मा स्थानांतरण के लिए किया जाता है।

प्रेशर कुकर में भोजन जल्दी क्यों पकता है?

किसी द्रव का क्वथनांक दाब पर निर्भर करता है।

प्रेशर कुकर के अंदर दाब सामान्य वायुमंडलीय दाब से अधिक हो सकता है।

दाब बढ़ने के कारण जल का क्वथनांक 100°C से अधिक हो जाता है।

इससे भोजन को सामान्य खुले बर्तन की तुलना में अधिक तापमान पर पकाया जा सकता है और सामान्यतः भोजन जल्दी पकता है।

ऊँचाई पर पानी 100°C से कम तापमान पर क्यों उबल सकता है?

ऊँचाई बढ़ने पर सामान्यतः वायुमंडलीय दाब कम होता जाता है।

दाब कम होने पर द्रव का क्वथनांक भी कम हो जाता है।

इसलिए पर्याप्त ऊँचाई पर पानी 100°C से कम तापमान पर उबल सकता है।

अर्थात:

दाब बढ़े → क्वथनांक बढ़े

दाब घटे → क्वथनांक घटे

गलन और वाष्पन की गुप्त ऊष्मा की तुलना

प्रतियोगी परीक्षाओं के लिए महत्वपूर्ण तथ्य

गुप्त ऊष्मा का सूत्र:
Q = mL

विशिष्ट गुप्त ऊष्मा की SI इकाई:
J/kg

बर्फ की गलन की गुप्त ऊष्मा:
लगभग 80 cal/g या 334 kJ/kg

100°C पर जल की वाष्पन की गुप्त ऊष्मा:
लगभग 540 cal/g या 2256 kJ/kg

गलन: ऊष्मा अवशोषित

जमना: ऊष्मा मुक्त

वाष्पन: ऊष्मा अवशोषित

संघनन: ऊष्मा मुक्त

वाष्पीकरण: शीतलन उत्पन्न कर सकता है

क्वथनांक: बाहरी दाब पर निर्भर करता है

सामान्य गलतियाँ

गलती 1: प्रत्येक बार ऊष्मा देने पर तापमान बढ़ता है

गलत। अवस्था परिवर्तन के दौरान ऊर्जा अवशोषित होने के बावजूद तापमान स्थिर रह सकता है।

गलती 2: विशिष्ट ऊष्मा और गुप्त ऊष्मा को समान समझना

तापमान परिवर्तन:

Q = mcΔT

अवस्था परिवर्तन:

Q = mL

गलती 3: पानी हमेशा 100°C पर उबलता है

गलत। क्वथनांक दाब पर निर्भर करता है।

गलती 4: 100°C की भाप और 100°C का जल समान ऊष्मा प्रभाव उत्पन्न करते हैं

भाप संघनित होते समय अतिरिक्त गुप्त ऊष्मा मुक्त कर सकती है।

त्वरित पुनरावृत्ति

• गुप्त ऊष्मा अवस्था परिवर्तन से संबंधित ऊर्जा है।

• इसका प्रमुख सूत्र Q = mL है।

• विशिष्ट गुप्त ऊष्मा की SI इकाई J/kg है।

• गलन और वाष्पन में ऊष्मा का अवशोषण होता है।

• जमने और संघनन में ऊष्मा मुक्त होती है।

• बर्फ की गलन की गुप्त ऊष्मा लगभग 334 kJ/kg है।

• जल की वाष्पन की गुप्त ऊष्मा लगभग 2256 kJ/kg है।

• 100°C की भाप समान तापमान के जल की तुलना में अधिक गंभीर जलन कर सकती है।

• वाष्पीकरण से शीतलन होता है।

• क्वथनांक दाब पर निर्भर करता है।

• ऊँचाई पर कम वायुमंडलीय दाब के कारण पानी का क्वथनांक कम हो जाता है।

• रेफ्रिजरेटर और वातानुकूलक में अवस्था परिवर्तन का उपयोग ऊष्मा स्थानांतरण के लिए किया जाता है।

Practice Questions | अभ्यास प्रश्न

Q1. The SI unit of specific latent heat is:
A. J
B. J/kg
C. J/K
D. W/kg

Correct Answer: B

Q2. The approximate latent heat of fusion of ice is:
A. 80 cal/g
B. 540 cal/g
C. 100 cal/g
D. 2256 cal/g

Correct Answer: A

Q3. The approximate latent heat of vaporization of water at 100°C near standard atmospheric pressure is:
A. 80 cal/g
B. 334 cal/g
C. 540 cal/g
D. 100 cal/g

Correct Answer: C

Q4. Why can steam at 100°C cause a more severe burn than water at 100°C?
A. Steam has no thermal energy
B. Steam releases latent heat while condensing
C. Water has no specific heat
D. Steam always has a lower temperature

Correct Answer: B

Q5. Which formula is used for heat involved in a phase change?
A. Q = mcΔT
B. Q = mL
C. P = VI
D. V = IR

Correct Answer: B

Q6. Which process releases latent heat?
A. Melting
B. Vaporization
C. Condensation
D. Evaporation

Correct Answer: C

Q7. Why does water stored in an earthen pot become cooler?
A. Condensation
B. Evaporation
C. Freezing
D. Radiation only

Correct Answer: B

Q8. At high altitudes, the boiling point of water generally:
A. Increases
B. Decreases
C. Remains exactly 100°C
D. Becomes 0°C

Correct Answer: B

Q9. A pressure cooker cooks food faster mainly because:
A. Water freezes faster
B. Increased pressure raises the boiling point of water
C. Pressure removes latent heat
D. Water boils at a lower temperature

Correct Answer: B

Q10. How much heat is needed to melt 1 kg of ice at 0°C if Lf = 334 kJ/kg?
A. 80 kJ
B. 100 kJ
C. 334 kJ
D. 2256 kJ

Correct Answer: C