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धातु की एक बेलनाकार छड़ अपने दो सिरों पर दो ऊष्मा भंडारों के तापीय सम्पर्क में हैं। यह t समय में $Q$ ऊष्मा का चालन करती है। इस छड़ को पिघलाकर उससे एक अन्य छड़ बना दी जाती है, जिसकी त्रिज्या पहली छड़ की त्रिज्या की आधी है। यदि इस नई छड़ के सिरे उन्हीं ऊष्मा भंडारों के तापीय सम्पर्क में रखा जाय तो, इस छड द्वारा $t$ समय में चालित ऊष्मा कितनी होगी ?
$\frac{Q}{4}\;$
$\;\frac{Q}{{16}}$
$\;2Q$
$\;\frac{Q}{2}$
Solution
The amount of heat flows in time $t$ through a cylindrical metallic rod of length $L$ and uniform area of $cross-section\,A(=\pi\,R^2)$ with its ends maintained at temperatures $T_1$ and $T_2$ $(T_1>T_2)$ is given by
$Q = \frac{{KA\left( {{T_1} – {T_2}} \right)t}}{L}$ $,,,(i)$
Where $K$ is the thermal conductivity of the material of the rod.
Area of $cross-section$ of new rod
$A' = \pi {\left( {\frac{R}{2}} \right)^2} = \frac{{\pi {R^2}}}{4} = \frac{A}{4}$ $…(ii)$
As the volume of the rod remains unchanged
$\therefore AL = A'L'$
Where $L'$ is the length the new rod
$or\,\,\,\,L' = L\frac{A}{{A'}}$ $,,,(iii)$
$ = 4L$ $(Using (ii))$
Now, the amount of heat flows in same time $t$ in the new rod with its ends maintained at the same temperatures $T_1$ and $T_2$ is given by
$Q' = \frac{{KA'\left( {{T_1} – {T_2}} \right)t}}{{L'}}$ $…(iv)$
Substituting the values of $A'$ and $L'$ from equations $(ii)$ and $(iii)$ in the above equation, we get
$Q' = \frac{{K\left( {A/4} \right)\left( {{T_1} – {T_2}} \right)t}}{4L}$
$ = \frac{1}{{16}}\frac{{KA\left( {{T_1} – {T_2}} \right)t}}{L} = \frac{1}{{16}}Q$