तापीय चालकता: परिभाषा, इकाइयाँ, समीकरण और उदाहरण

जब आप ठंडे सर्दियों के दिन अपने कालीन पर चलते हैं, तो आपके पैरों को ठंड नहीं लगती है। हालांकि, एक बार जब आप अपने बाथरूम में टाइल फर्श पर कदम रखते हैं, तो आपके पैर तुरंत ठंडे महसूस करते हैं। क्या दो मंजिलें किसी तरह अलग तापमान हैं?

थर्मल संतुलन के बारे में आप जो जानते हैं, उसे देखते हुए आप निश्चित रूप से उनसे होने की उम्मीद नहीं करेंगे। तो वे इतना अलग क्यों महसूस करते हैं? इसका कारण तापीय चालकता है।

गर्मी का हस्तांतरण

ऊष्मा वह ऊर्जा है जो तापमान अंतर के कारण दो सामग्रियों के बीच स्थानांतरित होती है। ऊष्मा उच्च तापमान वाली वस्तु से कम तापमान वाली वस्तु की ओर तब तक प्रवाहित होती है जब तक कि तापीय संतुलन प्राप्त नहीं हो जाता। गर्मी हस्तांतरण के तरीकों में थर्मल चालन, संवहन और विकिरण शामिल हैं।

थर्मलप्रवाहकत्त्वइस लेख में बाद में और अधिक विस्तार से चर्चा की गई विधा है, लेकिन संक्षेप में यह सीधे संपर्क के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण है। अनिवार्य रूप से गर्म वस्तु में अणु अपनी ऊर्जा को कूलर वस्तु में अणुओं में तब तक स्थानांतरित करते हैं जब तक कि दोनों वस्तुएं समान तापमान न हों।

मेंकंवेक्शन, ऊष्मा गति के माध्यम से स्थानांतरित होती है। ठंडे सर्दियों के दिन अपने घर में हवा की कल्पना करें। क्या आपने देखा है कि अधिकांश हीटर आमतौर पर फर्श के पास स्थित होते हैं? जैसे ही हीटर हवा को गर्म करते हैं, वह हवा फैलती है। जब यह फैलता है, तो यह कम घना हो जाता है, और इसलिए यह ठंडी हवा से ऊपर उठ जाता है। कूलर की हवा तब हीटर के पास होती है, इसलिए हवा गर्म हो सकती है, फैल सकती है और इसी तरह। यह चक्र संवहन धाराएँ बनाता है और गर्म होने पर हवा को मिलाकर कमरे में हवा के माध्यम से ऊष्मा ऊर्जा को फैलाने का कारण बनता है।

instagram story viewer

परमाणु और अणु विद्युत चुम्बकीय छोड़ते हैंविकिरण, जो ऊर्जा का एक रूप है जो अंतरिक्ष के निर्वात के माध्यम से यात्रा कर सकता है। इस प्रकार एक गर्म आग से ऊष्मा ऊर्जा आप तक पहुँचती है, और सूर्य से निकलने वाली ऊष्मा ऊर्जा पृथ्वी पर कैसे पहुँचती है।

तापीय चालकता की परिभाषा

तापीय चालकता एक माप है कि किसी सामग्री के माध्यम से ऊष्मा ऊर्जा कितनी आसानी से चलती है या वह सामग्री कितनी अच्छी तरह ऊष्मा को स्थानांतरित कर सकती है। ऊष्मा चालन कितनी अच्छी तरह होता है यह सामग्री के तापीय गुणों पर निर्भर करता है।

शुरुआत में उदाहरण में टाइल फर्श पर विचार करें। यह कालीन से बेहतर संवाहक है। आप केवल महसूस करके बता सकते हैं। जब आपके पैर टाइल के फर्श पर होते हैं, तो गर्मी आपको उस समय की तुलना में बहुत तेजी से छोड़ती है जब आप कालीन पर होते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि टाइल आपके पैरों से गर्मी को और अधिक तेज़ी से आगे बढ़ने देती है।

विशिष्ट ऊष्मा क्षमता और गुप्त ऊष्मा की तरह, चालकता हाथ में सामग्री के लिए विशिष्ट गुण है। यह ग्रीक अक्षर κ (कप्पा) द्वारा निरूपित किया जाता है और आमतौर पर इसे एक तालिका में देखा जाता है। चालकता की SI इकाइयाँ वाट/मीटर × केल्विन (W/mK) हैं।

उच्च तापीय चालकता वाली वस्तुएँ अच्छी चालक होती हैं जबकि कम तापीय चालकता वाली वस्तुएँ अच्छी कुचालक होती हैं। तापीय चालकता मूल्यों की एक तालिका यहाँ दी गई है।


जैसा कि आप देख सकते हैं, जिन वस्तुओं को छूने पर अक्सर "ठंडा" महसूस होता है, जैसे धातु, अच्छे संवाहक होते हैं। यह भी ध्यान दें कि थर्मल इंसुलेटर हवा कितनी अच्छी है। यही कारण है कि बड़े फ्लफी जैकेट आपको सर्दियों में गर्म रखते हैं: वे आपके चारों ओर हवा की एक बड़ी परत को फँसाते हैं। स्टायरोफोम भी एक उत्कृष्ट इन्सुलेटर है, यही कारण है कि इसका उपयोग भोजन और पेय को गर्म या ठंडा रखने के लिए किया जाता है।

एक सामग्री के माध्यम से गर्मी कैसे चलती है

जैसे ही सामग्री के माध्यम से गर्मी फैलती है, सामग्री में गर्मी स्रोत के सबसे करीब से अंत तक सबसे दूर के अंत तक एक तापमान ढाल मौजूद होता है।

जैसे-जैसे गर्मी सामग्री के माध्यम से चलती है और संतुलन हासिल करने से पहले, गर्मी के सबसे करीब का अंत होता है स्रोत सबसे गर्म होगा, और तापमान रैखिक रूप से अपने निम्नतम स्तर तक कम हो जाएगा समाप्त। जैसे-जैसे सामग्री संतुलन के करीब पहुंचती है, वैसे-वैसे यह ढाल समतल होती जाती है।

तापीय चालकता और तापीय प्रतिरोध

वस्तु कितनी अच्छी तरह गति कर सकती है, यह न केवल उस वस्तु की चालकता पर निर्भर करता है, बल्कि वस्तु के आकार और आकार पर भी निर्भर करता है। एक लंबी धातु की छड़ की कल्पना करें जो एक छोर से दूसरे छोर तक गर्मी का संचालन करती है। ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा जो प्रति इकाई समय में गुजर सकती है, छड़ की लंबाई और छड़ के चारों ओर कितनी बड़ी है, इस पर निर्भर करेगी। यहीं से तापीय चालकता की धारणा चलन में आती है।

किसी पदार्थ का तापीय चालकता, जैसे लोहे की छड़, सूत्र द्वारा दिया जाता है:

सी = \ फ्रैक {\ कप्पा ए} {एल}

कहां हैसामग्री का क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र है,लीलंबाई है और तापीय चालकता है। चालन की SI इकाइयाँ W/K (वाट प्रति केल्विन) हैं। यह प्रति इकाई मोटाई के एक इकाई क्षेत्र के तापीय चालकता के रूप में की व्याख्या के लिए अनुमति देता है।

इसके विपरीत थर्मल प्रतिरोध द्वारा दिया जाता है:

R=\frac{L}{\kappa A}

यह केवल चालन का विलोम है। प्रतिरोध इस बात का माप है कि गुजरने वाली ऊष्मा ऊर्जा का कितना विरोध है। इसी तरह थर्मल प्रतिरोधकता को 1/κ के रूप में परिभाषित किया गया है।

वह दर जिस पर ऊष्मा ऊर्जाक्यूलंबाई के माध्यम से चलता हैलीसामग्री का जब सिरों के बीच तापमान अंतर हैटीसूत्र द्वारा दिया गया है:

\frac{Q}{t}=\frac{\kappa A\Delta T}{L}

इसे इस प्रकार भी लिखा जा सकता है:

\frac{Q}{t}=C\Delta T = \frac{\Delta T}{R}

ध्यान दें कि यह सीधे विद्युत चालन में धारा के साथ क्या होता है, के अनुरूप है। विद्युत चालन में, धारा विद्युत प्रतिरोध द्वारा विभाजित वोल्टेज के बराबर होती है। विद्युत चालकता और विद्युत धारा तापीय चालकता और धारा के अनुरूप हैं, वोल्टेज तापमान अंतर के अनुरूप है और विद्युत प्रतिरोध थर्मल के अनुरूप है प्रतिरोध। सब एक ही गणित लागू होता है।

अनुप्रयोग और उदाहरण

उदाहरण:बर्फ से बने एक अर्धगोलाकार इग्लू की आंतरिक त्रिज्या 3 मीटर और मोटाई 0.4 मीटर है। गर्मी इग्लू से उस दर से निकलती है जो बर्फ की तापीय चालकता पर निर्भर करती है, = 1.6 W/mK। इग्लू के अंदर ३० डिग्री सेल्सियस तापमान बनाए रखने के लिए इग्लू के अंदर तापीय ऊर्जा किस दर से लगातार उत्पन्न होनी चाहिए?

समाधान:इस स्थिति में उपयोग करने के लिए सही समीकरण पहले का समीकरण है:

\frac{Q}{t}=\frac{\kappa A\Delta T}{L}

आपको दिया गया है,टीसिर्फ अंदर और बाहर के तापमान रेंज में अंतर है औरलीबर्फ की मोटाई है।थोड़ा पेचीदा है। ढूँढ़ने के लिएआपको एक अर्धगोले का पृष्ठीय क्षेत्रफल ज्ञात करना है। यह एक गोले के पृष्ठीय क्षेत्रफल का आधा होगा, जो कि 4. . हैआर2. के लियेआर, आप औसत त्रिज्या (इग्लू के अंदर की त्रिज्या + बर्फ की आधी मोटाई = 3.2 मीटर) चुन सकते हैं, इसलिए क्षेत्रफल है:

ए = 2\pi r^2 = 2\pi (3.2)^2 = 64.34 \text{ m}^2

सब कुछ समीकरण में प्लग करना तो देता है:

\frac{Q}{t} = \frac{\kappa A\Delta T}{L} = \frac{1.6\times 64.34\times 35}{0.4} = 9,000\text{ वाट्स}

आवेदन:हीट सिंक एक ऐसा उपकरण है जो उच्च तापमान पर वस्तुओं से हवा या तरल में गर्मी को स्थानांतरित करता है जो तब अतिरिक्त गर्मी ऊर्जा को दूर ले जाता है। अधिकांश कंप्यूटरों में सीपीयू से जुड़ा हीट सिंक होता है।

हीट सिंक धातु से बना होता है, जो सीपीयू से गर्मी को दूर करता है, और फिर एक छोटा पंखा हीट सिंक के चारों ओर हवा प्रसारित करता है, जिससे गर्मी ऊर्जा फैल जाती है। यदि सही तरीके से किया जाता है, तो हीट सिंक सीपीयू को स्थिर स्थिति में संचालित करने की अनुमति देता है। हीट सिंक कितनी अच्छी तरह काम करता है यह धातु की चालकता, सतह क्षेत्र, मोटाई और तापमान ढाल पर निर्भर करता है जिसे बनाए रखा जा सकता है।

Teachs.ru
  • शेयर
instagram viewer