ऊष्मा (भौतिकी): परिभाषा, सूत्र और उदाहरण

हर कोई बहुत गर्म या बहुत ठंडा होने या गर्म दिन में सूरज से गर्मी महसूस करने की अवधारणा से परिचित है, लेकिन "गर्मी" शब्द का विशेष रूप से क्या अर्थ है? क्या यह कुछ "गर्म" की संपत्ति है? क्या यह तापमान के समान ही है? यह पता चला है कि गर्मी एक मापने योग्य मात्रा है जिसे भौतिकविदों ने सटीक रूप से परिभाषित किया है।

गर्मी वह है जिसे वैज्ञानिक ऊर्जा के रूप में कहते हैं जो विभिन्न तापमान की दो सामग्रियों के बीच स्थानांतरित होती है। ऊर्जा का यह स्थानांतरण दो सामग्रियों में प्रति अणु औसत अनुवादकीय गतिज ऊर्जा में अंतर के कारण होता है। उच्च तापमान वाली सामग्री से कम तापमान वाली सामग्री में गर्मी तब तक प्रवाहित होती है जब तक कि थर्मल संतुलन नहीं हो जाता। ऊष्मा का SI मात्रक जूल है, जहाँ 1 जूल = 1 न्यूटन × मीटर।

यह बेहतर ढंग से समझने के लिए कि क्या हो रहा है जब यह ऊर्जा हस्तांतरण होता है, निम्नलिखित परिदृश्य की कल्पना करें: दो अलग-अलग कंटेनर छोटे रबर की गेंदों से भरे हुए हैं जो चारों ओर उछल रहे हैं। एक कंटेनर में, गेंदों की औसत गति (और इसलिए उनकी औसत गतिज ऊर्जा) दूसरे में गेंदों की औसत गति से बहुत अधिक है कंटेनर (हालांकि किसी भी व्यक्तिगत गेंद की गति किसी भी समय कुछ भी हो सकती है क्योंकि इतने सारे टकरावों के बीच ऊर्जा का निरंतर हस्तांतरण होता है गेंदें।)

यदि आप इन कंटेनरों को रखते हैं ताकि उनके किनारे स्पर्श करें, और उनकी सामग्री को अलग करने वाली दीवारों को हटा दें, तो आप क्या होने की उम्मीद करेंगे?

पहले कंटेनर की गेंदें दूसरे कंटेनर की गेंदों के साथ इंटरैक्ट करना शुरू कर देंगी। जैसे-जैसे गेंदों के बीच अधिक से अधिक टकराव होते हैं, धीरे-धीरे दोनों कंटेनरों से गेंदों की औसत गति समान हो जाती है। पहले कंटेनर से गेंदों से कुछ ऊर्जा दूसरे कंटेनर में गेंदों में स्थानांतरित हो जाती है जब तक कि यह नया संतुलन नहीं हो जाता।

सूक्ष्म स्तर पर यही हो रहा है जब भिन्न-भिन्न तापमान वाली दो वस्तुएं एक-दूसरे के संपर्क में आती हैं। उच्च तापमान पर वस्तु से ऊर्जा ऊष्मा के रूप में निम्न तापमान वाली वस्तु में स्थानांतरित होती है।

तापमान किसी पदार्थ में प्रति अणु औसत स्थानांतरीय गतिज ऊर्जा का एक माप है। बॉल-इन-कंटेनर सादृश्य में, यह किसी दिए गए कंटेनर में प्रति बॉल औसत गतिज ऊर्जा का एक माप है। आणविक स्तर पर, परमाणु और अणु सभी कंपन करते हैं और घूमते हैं। आप इस गति को नहीं देख सकते क्योंकि यह इतने छोटे पैमाने पर होती है।

सामान्य तापमान पैमाने फारेनहाइट, सेल्सियस और केल्विन हैं, केल्विन वैज्ञानिक मानक हैं। फारेनहाइट स्केल संयुक्त राज्य अमेरिका में सबसे आम है। इस पैमाने पर पानी 32 डिग्री पर जम जाता है और 212 डिग्री पर उबलता है। सेल्सियस पैमाने पर, जो दुनिया के अधिकांश अन्य स्थानों में आम है, पानी 0 डिग्री पर जम जाता है और 100 डिग्री पर उबलता है।

हालाँकि, वैज्ञानिक मानक केल्विन पैमाना है। जबकि केल्विन पैमाने पर वृद्धि का आकार सेल्सियस पैमाने पर एक डिग्री के आकार के समान है, इसका 0 मान एक अलग स्थान पर सेट किया गया है। 0 केल्विन -273.15 डिग्री सेल्सियस के बराबर होता है।

0 के लिए इतना अजीब विकल्प क्यों? यह पता चला है कि यह सेल्सियस पैमाने के शून्य मान की तुलना में एक विषम विकल्प से बहुत कम है। 0 केल्विन वह तापमान है जिस पर सभी आणविक गति रुक ​​जाती है। यह सैद्धांतिक रूप से संभव सबसे ठंडा तापमान है।

इस प्रकाश में, केल्विन पैमाना सेल्सियस पैमाने की तुलना में बहुत अधिक समझ में आता है। उदाहरण के लिए, इस बारे में सोचें कि दूरी कैसे मापी जाती है। एक दूरी का पैमाना बनाना अजीब होगा जहां 0 मान 1 मीटर के निशान के बराबर था। इतने पैमाने पर, किसी चीज़ के किसी और चीज़ की लंबाई के दुगुने होने का क्या मतलब होगा?

किसी पदार्थ की कुल आंतरिक ऊर्जा उसके सभी अणुओं की गतिज ऊर्जाओं का योग होती है। यह पदार्थ के तापमान (प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा) और पदार्थ की कुल मात्रा (अणुओं की संख्या) पर निर्भर करता है।

दो वस्तुओं के लिए पूरी तरह से अलग तापमान होने पर समान कुल आंतरिक ऊर्जा होना संभव है। उदाहरण के लिए, एक ठंडी वस्तु में प्रति अणु कम औसत गतिज ऊर्जा होगी, लेकिन यदि. की संख्या अणु बड़े होते हैं, तो यह अभी भी कम के साथ एक गर्म वस्तु की कुल आंतरिक ऊर्जा के साथ समाप्त हो सकता है अणु।

कुल आंतरिक ऊर्जा और तापमान के बीच इस संबंध का एक आश्चर्यजनक परिणाम यह तथ्य है कि एक बड़ा माचिस की तीली इतनी गर्म होने के बावजूद बर्फ के टुकड़े में माचिस की तीली से अधिक ऊर्जा हो सकती है आग!

तीन मुख्य विधियाँ हैं जिनके द्वारा ऊष्मा ऊर्जा एक वस्तु से दूसरी वस्तु में स्थानांतरित होती है। वे चालन, संवहन और विकिरण हैं।

​प्रवाहकत्त्वतब होता है जब ऊर्जा एक दूसरे के साथ थर्मल संपर्क में दो सामग्रियों के बीच सीधे स्थानांतरित होती है। यह इस आलेख में पहले वर्णित रबर बॉल सादृश्य में होने वाले स्थानांतरण का प्रकार है। जब दो वस्तुएं सीधे संपर्क में होती हैं, तो उनके अणुओं के बीच टकराव के माध्यम से ऊर्जा स्थानांतरित होती है। यह ऊर्जा धीरे-धीरे संपर्क के बिंदु से शेष प्रारंभिक कूलर वस्तु तक थर्मल संतुलन प्राप्त होने तक अपना रास्ता बनाती है।

हालांकि, सभी वस्तुएं या पदार्थ इस तरह से समान रूप से ऊर्जा का संचालन नहीं करते हैं। कुछ सामग्री, जिन्हें अच्छे थर्मल कंडक्टर कहा जाता है, अन्य सामग्रियों की तुलना में गर्मी ऊर्जा को अधिक आसानी से स्थानांतरित कर सकती हैं, जिन्हें अच्छा थर्मल इंसुलेटर कहा जाता है।

आपको अपने दैनिक जीवन में ऐसे कंडक्टर और इंसुलेटर के साथ अनुभव होने की संभावना है। एक सर्द सर्दियों की सुबह में, एक टाइल फर्श पर नंगे पांव कदम रखने की तुलना कालीन पर नंगे पैर कदम रखने से कैसे होती है? ऐसा लगता है कि कालीन किसी तरह गर्म है, हालांकि ऐसा नहीं है। दोनों मंजिलों का तापमान समान होने की संभावना है, लेकिन टाइल एक बेहतर थर्मल कंडक्टर है। इस वजह से, यह गर्मी ऊर्जा को आपके शरीर को और अधिक तेज़ी से छोड़ने का कारण बनता है।

​कंवेक्शनगर्मी हस्तांतरण का एक रूप है जो गैसों या तरल पदार्थों में होता है। गैसें, और कुछ हद तक, तरल पदार्थ, तापमान के साथ उनके घनत्व में परिवर्तन का अनुभव करते हैं। आमतौर पर वे जितने गर्म होते हैं, उतने ही कम घने होते हैं। इस वजह से, और क्योंकि गैसों और तरल पदार्थों में अणु चलने के लिए स्वतंत्र होते हैं, अगर नीचे का हिस्सा गर्म हो जाता है, तो यह फैल जाएगा और इसलिए इसके कम घनत्व के कारण ऊपर की ओर बढ़ जाएगा।

उदाहरण के लिए, यदि आप स्टोव पर पानी का एक पैन रखते हैं, तो पैन के नीचे का पानी गर्म हो जाता है, फैल जाता है और ऊपर की ओर बढ़ जाता है क्योंकि कूलर का पानी डूब जाता है। ठंडा पानी तब गर्म होता है, फैलता है, और ऊपर उठता है और इसी तरह संवहन धाराएं बनाता है जिससे गर्मी ऊर्जा मिश्रण के माध्यम से सिस्टम के माध्यम से फैल जाती है। प्रणाली के भीतर अणुओं का (जैसा कि अणुओं के विपरीत सभी लगभग उसी स्थान पर रहते हैं जैसे वे आगे-पीछे झकझोरते हैं, प्रत्येक में उछलते हैं अन्य।)

संवहन इसलिए है कि हीटर फर्श के पास रखे जाने पर घर को गर्म करने के लिए सबसे अच्छा काम करते हैं। छत के पास रखा हीटर छत के पास की हवा को गर्म करेगा, लेकिन वह हवा रुकी रहेगी।

गर्मी हस्तांतरण का तीसरा रूप हैविकिरण. विकिरण विद्युत चुम्बकीय तरंगों के माध्यम से ऊर्जा का स्थानांतरण है। गर्म वस्तुएं विद्युत चुम्बकीय विकिरण के रूप में ऊर्जा दे सकती हैं। उदाहरण के लिए, सूर्य से ऊष्मा ऊर्जा पृथ्वी तक कैसे पहुँचती है। एक बार जब वह विकिरण किसी अन्य वस्तु के संपर्क में आता है, तो उस वस्तु के परमाणु उसे अवशोषित करके ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं।

एक ही द्रव्यमान के दो अलग-अलग पदार्थ अलग-अलग तापमान परिवर्तन से गुजरेंगे, जबकि एक ही मात्रा में अंतर के कारण समान कुल ऊर्जा जोड़ने के बावजूद कहा जाता हैविशिष्ट गर्मी की क्षमता. विशिष्ट ताप क्षमता प्रश्न में सामग्री पर निर्भर है। आप आम तौर पर एक तालिका में सामग्री की विशिष्ट ताप क्षमता के मूल्य को देखेंगे।

अधिक औपचारिक रूप से, विशिष्ट ताप क्षमता को ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसे तापमान को एक डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए प्रति इकाई द्रव्यमान में जोड़ा जाना चाहिए। विशिष्ट ताप क्षमता के लिए SI इकाइयाँ, आमतौर पर द्वारा निरूपित की जाती हैंसी, J/kgK हैं।

इसके बारे में इस तरह सोचें: मान लीजिए कि आपके पास दो अलग-अलग पदार्थ हैं जिनका वजन बिल्कुल समान है और बिल्कुल समान तापमान पर हैं। पहले पदार्थ में उच्च विशिष्ट ऊष्मा क्षमता होती है, और दूसरे पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता कम होती है। अब मान लीजिए कि आप उन दोनों में समान मात्रा में ऊष्मा ऊर्जा मिलाते हैं। पहला पदार्थ - उच्च ताप क्षमता वाला - तापमान में उतना ऊपर नहीं जाएगा जितना कि दूसरा पदार्थ।

ऐसे कई कारक हैं जो प्रभावित करते हैं कि किसी पदार्थ का तापमान कैसे बदल जाएगा जब एक निश्चित मात्रा में ऊष्मीय ऊर्जा को स्थानांतरित किया जाता है। इन कारकों में सामग्री का द्रव्यमान (एक छोटा द्रव्यमान जोड़ा गया ताप की दी गई मात्रा के लिए अधिक तापमान परिवर्तन से गुजरना होगा) और विशिष्ट ताप क्षमता शामिल हैसी​.

अगर बिजली की आपूर्ति करने वाला ताप स्रोत हैपी, तो जोड़ा गया कुल ताप निर्भर करता हैपीऔर समयतो. यानी ऊष्मीय ऊर्जाक्यूबराबर होगापी​ × ​तो​.

तापमान परिवर्तन की दर विचार करने के लिए एक और दिलचस्प कारक है। क्या वस्तुएं अपने तापमान को स्थिर दर से बदलती हैं? यह पता चला है कि परिवर्तन की दर वस्तु और उसके आसपास के तापमान के अंतर पर निर्भर करती है। न्यूटन का शीतलन का नियम इस परिवर्तन का वर्णन करता है। कोई वस्तु आसपास के तापमान के जितना करीब होती है, उतनी ही धीमी वह संतुलन के करीब पहुंचती है।

वह सूत्र जो तापमान में परिवर्तन को किसी वस्तु के द्रव्यमान, विशिष्ट ऊष्मा क्षमता और ऊष्मा ऊर्जा को जोड़ने या हटाने से संबंधित है, इस प्रकार है:

यह सूत्र केवल तभी लागू होता है, जब पदार्थ चरण परिवर्तन से नहीं गुजर रहा हो। जब कोई पदार्थ ठोस से तरल में बदल रहा है या तरल से गैस में बदल रहा है, तो उसमें जोड़ा गया ताप डाला जाता है इस चरण परिवर्तन के कारण उपयोग करने के लिए और जब तक चरण परिवर्तन नहीं होता तब तक तापमान परिवर्तन नहीं होगा पूर्ण।

एक मात्रा जिसे संलयन की गुप्त ऊष्मा कहा जाता है, निरूपित करता हैली_एफ, वर्णन करता है कि किसी पदार्थ को ठोस से द्रव में बदलने के लिए प्रति इकाई द्रव्यमान में कितनी ऊष्मा ऊर्जा की आवश्यकता होती है। जैसे विशिष्ट ताप क्षमता के साथ, इसका मूल्य प्रश्न में सामग्री के भौतिक गुणों पर निर्भर करता है और अक्सर तालिकाओं में देखा जाता है। वह समीकरण जो ऊष्मा ऊर्जा से संबंधित हैक्यूएक सामग्री के द्रव्यमान के लिएमऔर संलयन की गुप्त ऊष्मा है:

तरल से गैस में बदलने पर भी यही बात होती है। ऐसी स्थिति में, वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा नामक एक मात्रा को निरूपित किया जाता हैली_वी, वर्णन करता है कि चरण परिवर्तन के कारण प्रति इकाई द्रव्यमान में कितनी ऊर्जा जोड़ी जानी चाहिए। परिणामी समीकरण सबस्क्रिप्ट को छोड़कर समान है:

आंतरिक ऊर्जाइएक सामग्री में कुल आंतरिक गतिज ऊर्जा, या तापीय ऊर्जा है। एक आदर्श गैस मानते हुए जहां अणुओं के बीच कोई भी संभावित ऊर्जा नगण्य है, इसे सूत्र द्वारा दिया जाता है:

कहां हैनहींमोल्स की संख्या है,टीकेल्विन में तापमान और सार्वभौमिक गैस स्थिरांक हैआर= ८.३१४५ जे/मोलके. आंतरिक ऊर्जा निरपेक्ष 0 K पर 0 J हो जाती है।

ऊष्मप्रवैगिकी में, आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन, गर्मी हस्तांतरण और एक प्रणाली पर या द्वारा किए गए कार्य के बीच संबंध संबंधित हैं:

इस संबंध को ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के रूप में जाना जाता है। संक्षेप में यह ऊर्जा के संरक्षण का कथन है।