आपके पास पहले से ही एक सहज ज्ञान हो सकता है कि तापमान किसी वस्तु की "शीतलता" या "गर्मी" का एक माप है। बहुत से लोग पूर्वानुमान की जाँच करने के लिए जुनूनी होते हैं ताकि वे जान सकें कि दिन का तापमान क्या होगा। लेकिन भौतिकी में तापमान का वास्तव में क्या मतलब है?
तापमान की परिभाषा
तापमान किसी पदार्थ में प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा का माप है। यह ऊष्मा से भिन्न है, हालाँकि दोनों मात्राएँ घनिष्ठ रूप से संबंधित हैं। ऊष्मा दो वस्तुओं के बीच विभिन्न तापमानों पर स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा है।
कोई भी भौतिक पदार्थ जिसके लिए आप तापमान की संपत्ति का श्रेय दे सकते हैं, वह परमाणुओं और अणुओं से बना होता है। वे परमाणु और अणु स्थिर नहीं रहते, यहाँ तक कि ठोस में भी नहीं। वे लगातार घूम रहे हैं और इधर-उधर कराह रहे हैं, लेकिन गति इतने छोटे पैमाने पर होती है, कि आप इसे देख नहीं सकते।
जैसा कि आप शायद यांत्रिकी के अपने अध्ययन से याद करते हैं, गति में वस्तुओं में ऊर्जा का एक रूप होता है जिसे कहा जाता हैगतिज ऊर्जाजो उनके द्रव्यमान और वे कितनी तेजी से आगे बढ़ रहे हैं, दोनों से जुड़ा है। इसलिए जब तापमान को प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा के रूप में वर्णित किया जाता है, तो यह इस आणविक गति से जुड़ी ऊर्जा का वर्णन किया जा रहा है।
तापमान तराजू
कई अलग-अलग पैमाने हैं जिनके द्वारा आप तापमान को माप सकते हैं, लेकिन सबसे आम हैं फ़ारेनहाइट, सेल्सियस और केल्विन।
फारेनहाइट पैमाना वह है जो संयुक्त राज्य अमेरिका और कुछ अन्य देशों में रहने वाले लोग सबसे अधिक परिचित हैं। इस पैमाने पर पानी 32 डिग्री फारेनहाइट पर जम जाता है, और उबलते पानी का तापमान 212 एफ है।
सेल्सियस पैमाने (कभी-कभी सेंटीग्रेड के रूप में भी जाना जाता है) का उपयोग दुनिया भर के अधिकांश अन्य देशों में किया जाता है। इस पैमाने पर पानी का हिमांक 0 C पर होता है और पानी का क्वथनांक 100 C पर होता है।
लॉर्ड केल्विन के नाम पर रखा गया केल्विन पैमाना वैज्ञानिक मानक है। इस पैमाने पर शून्य परम शून्य पर होता है, जहां पर सभी आणविक गति रुक जाती है। इसे एक निरपेक्ष तापमान पैमाना माना जाता है।
तापमान तराजू के बीच कनवर्ट करना
सेल्सियस से फारेनहाइट में बदलने के लिए, निम्नलिखित संबंध का उपयोग करें:
T_F = \frac{9}{5}T_C + 32
कहा पेटीएफ फारेनहाइट में तापमान है, औरटीसीसेल्सियस में तापमान है। उदाहरण के लिए, 20 डिग्री सेल्सियस इसके बराबर है:
T_F = \frac{9}{5}20 + 32 = 68\text{ डिग्री फ़ारेनहाइट।}
फारेनहाइट से सेल्सियस में दूसरी दिशा में बदलने के लिए, निम्नलिखित का उपयोग करें:
T_C = \frac{5}{9}(T_F - 32)
सेल्सियस से केल्विन में परिवर्तित करने के लिए, सूत्र और भी सरल है क्योंकि वृद्धि का आकार समान है, और उनके बस अलग-अलग शुरुआती मान हैं:
T_K=T_C+273.15
टिप्स
ऊष्मप्रवैगिकी में कई अभिव्यक्तियों में, महत्वपूर्ण मात्रा हैटी(तापमान में परिवर्तन) निरपेक्ष तापमान के विपरीत। क्योंकि सेल्सियस डिग्री केल्विन पैमाने पर वृद्धि के आकार के समान है,टीक = टीसी, जिसका अर्थ है कि इन इकाइयों का उन मामलों में विनिमेय उपयोग किया जा सकता है। हालांकि, किसी भी समय एक पूर्ण तापमान की आवश्यकता होती है, यह केल्विन में होना चाहिए।
गर्मी का हस्तांतरण
जब अलग-अलग तापमान पर दो वस्तुएं एक-दूसरे के संपर्क में होती हैं, तो गर्मी के साथ गर्मी हस्तांतरण होगा उच्च तापमान पर वस्तु से कम तापमान पर वस्तु की ओर तब तक प्रवाहित होता है जब तक कि तापीय संतुलन नहीं हो जाता है पहुंच गए।
यह स्थानांतरण गर्म वस्तु में उच्च-ऊर्जा अणुओं के बीच कूलर वस्तु में निम्न-ऊर्जा अणुओं के बीच टकराव के कारण होता है, जिससे ऊर्जा को स्थानांतरित किया जाता है। इस प्रक्रिया में जब तक कि सामग्री में अणुओं के बीच पर्याप्त यादृच्छिक टकराव न हो जाए कि ऊर्जा वस्तुओं के बीच समान रूप से वितरित हो जाती है या पदार्थ। नतीजतन, एक नया अंतिम तापमान प्राप्त होता है, जो गर्म और ठंडी वस्तुओं के मूल तापमान के बीच होता है।
इसके बारे में सोचने का एक और तरीका यह है कि दोनों पदार्थों में निहित कुल ऊर्जा अंततः पदार्थों के बीच समान रूप से वितरित हो जाती है।
विभिन्न प्रारंभिक तापमानों पर दो वस्तुओं का अंतिम तापमान एक बार जब वे थर्मल संतुलन तक पहुंच जाते हैं, तो गर्मी ऊर्जा के बीच संबंध का उपयोग करके पाया जा सकता हैक्यू, विशिष्ट गर्मी की क्षमतासी, द्रव्यमानमऔर निम्नलिखित समीकरण द्वारा दिया गया तापमान परिवर्तन:
क्यू = एमसी\डेल्टा टी
उदाहरण:मान लीजिए 0.1 किलो तांबे के पैसे (सीसी= ३९० J/kgK) ५० डिग्री सेल्सियस पर ०.१ किलो पानी में गिरा दिया जाता है (सीवू= 4,186 J/kgK) 20 डिग्री सेल्सियस पर। एक बार तापीय संतुलन प्राप्त हो जाने पर अंतिम तापमान क्या होगा?
समाधान: विचार करें कि पेनीज़ से पानी में डाली गई गर्मी पैनीज़ से निकाली गई गर्मी के बराबर होगी। तो अगर पानी गर्मी को अवशोषित करता हैक्यूवूकहां है:
Q_w = m_wc_w\डेल्टा T_w
फिर तांबे के पैसे के लिए:
Q_c=-Q_w = m_cc_c\डेल्टा T_c
यह आपको संबंध लिखने की अनुमति देता है:
m_cc_c\डेल्टा T_c=-m_wc_w\डेल्टा T_w
तब आप इस तथ्य का उपयोग कर सकते हैं कि तांबे के पैसे और पानी दोनों का अंतिम तापमान समान होना चाहिए,टीएफ, ऐसा है कि:
\Delta T_c=T_f-T_{ic}\\\Delta T_w=T_f-T_{iw}
इन्हें प्लग करनाटीपिछले समीकरण में अभिव्यक्ति, फिर आप के लिए हल कर सकते हैंटीएफ. थोड़ा बीजगणित निम्नलिखित परिणाम देता है:
T_f = \frac{m_cc_c T_{ic}+m_wc_w T_{iw}}{m_cc_c+m_wc_w}
मूल्यों में प्लगिंग तब देता है:
नोट: यदि आप आश्चर्यचकित हैं कि मूल्य पानी के प्रारंभिक तापमान के बहुत करीब है, तो पानी की विशिष्ट गर्मी और तांबे की विशिष्ट गर्मी के बीच महत्वपूर्ण अंतर पर विचार करें। तांबे में तापमान परिवर्तन के कारण पानी में तापमान परिवर्तन के लिए बहुत अधिक ऊर्जा लगती है।
थर्मामीटर कैसे काम करते हैं
पुराने जमाने के ग्लास-बल्ब पारा थर्मामीटर पारा के थर्मल विस्तार गुणों का उपयोग करके तापमान को मापते हैं। पारा गर्म होने पर फैलता है और ठंडा होने पर सिकुड़ता है (और ग्लास थर्मामीटर से बहुत अधिक डिग्री तक .) जिसमें यह होता है।) इसलिए जैसे-जैसे पारा फैलता है, यह कांच की नली के अंदर उगता है, जिससे माप तोल।
स्प्रिंग थर्मामीटर - जिनके पास आमतौर पर एक धातु सूचक के साथ एक गोलाकार चेहरा होता है - वे भी थर्मल विस्तार के सिद्धांत से काम करते हैं। इनमें कुंडलित धातु का एक टुकड़ा होता है जो तापमान के आधार पर फैलता और ठंडा होता है, जिससे सूचक हिलता है।
डिजिटल थर्मामीटर डिजिटल तापमान डिस्प्ले को ट्रिगर करने के लिए हीट-सेंसिटिव लिक्विड क्रिस्टल का उपयोग करते हैं।
तापमान और आंतरिक ऊर्जा के बीच संबंध
जबकि तापमान प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा का एक माप है, आंतरिक ऊर्जा अणुओं की सभी गतिज और संभावित ऊर्जाओं का योग है। एक आदर्श गैस के लिए, जहां परस्पर क्रिया के कारण कणों की स्थितिज ऊर्जा नगण्य है, कुल आंतरिक ऊर्जाइसूत्र द्वारा दिया गया है:
ई = \frac{3}{2}nRT
कहा पेनहींमोल्स की संख्या है औरआरसार्वत्रिक गैस स्थिरांक = 8.3145 J/molK है।
आश्चर्य नहीं कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, तापीय ऊर्जा बढ़ती जाती है। यह संबंध यह भी स्पष्ट करता है कि केल्विन पैमाना क्यों महत्वपूर्ण है। आंतरिक ऊर्जा का कोई भी मान 0 या अधिक होना चाहिए। इसके नकारात्मक होने का कभी कोई मतलब नहीं होगा। केल्विन पैमाने का उपयोग नहीं करने से आंतरिक ऊर्जा समीकरण जटिल हो जाएगा और इसे ठीक करने के लिए एक स्थिरांक को जोड़ने की आवश्यकता होगी। निरपेक्ष 0 K पर आंतरिक ऊर्जा 0 हो जाती है।