लोग कभी-कभी शब्दों का प्रयोग करते हैंतपिशतथातापमानपरस्पर। वे गर्मी को शब्द से जोड़ते हैंगरमऔर तापमान को समझें और किसी चीज की "गर्मी" या "ठंडापन" से भी संबंधित हों। शायद वे कहेंगे कि वसंत के दिन का तापमान सही लगता है क्योंकि यह गर्मी की सही मात्रा है।
हालाँकि, भौतिकी में, ये दोनों मात्राएँ एक दूसरे से काफी भिन्न हैं। वे एक ही चीज़ के माप नहीं हैं, और उनके पास समान इकाइयाँ नहीं हैं, हालाँकि वे दोनों थर्मल गुणों की आपकी समझ को सूचित कर सकते हैं।
आंतरिक ऊर्जा
गर्मी और तापमान को मौलिक स्तर पर समझने के लिए सबसे पहले आंतरिक ऊर्जा की अवधारणा को समझना जरूरी है। जबकि आप उन वस्तुओं से परिचित हो सकते हैं जिनमें गति के कारण गतिज ऊर्जा होती है, या संभावित ऊर्जा के कारण उनकी स्थिति, किसी दिए गए वस्तु के भीतर, अणुओं में स्वयं भी गतिज और क्षमता का एक रूप हो सकता है ऊर्जा।
यह आणविक गतिज और संभावित ऊर्जा एक ईंट को देखते समय आप जो देख सकते हैं उससे अलग है। जमीन पर बैठी एक ईंट गतिहीन प्रतीत होती है, और आप यह मान सकते हैं कि इससे कोई गतिज या संभावित ऊर्जा जुड़ी नहीं है। और वास्तव में, यह बुनियादी यांत्रिकी की आपकी समझ के अर्थ में नहीं है।
लेकिन ईंट अपने आप में कई अणुओं से बनी होती है जो अलग-अलग तरह की छोटी-छोटी गतियों से गुजर रही होती हैं जिन्हें आप नहीं देख सकते। अणु अन्य अणुओं से निकटता और उनके बीच लगने वाले बलों के कारण भी संभावित ऊर्जा का अनुभव कर सकते हैं। इस ईंट की कुल आंतरिक ऊर्जा स्वयं अणुओं की गतिज और स्थितिज ऊर्जाओं का योग है।
जैसा कि आपने शायद सीखा है, ऊर्जा संरक्षित है। इस घटना में कि किसी वस्तु पर कोई घर्षण या विघटनकारी बल कार्य नहीं करते हैं, यांत्रिक ऊर्जा भी संरक्षित होती है। अर्थात्, गतिज ऊर्जा स्थितिज ऊर्जा में बदल सकती है और इसके विपरीत, लेकिन कुल स्थिर रहता है। हालाँकि, जब घर्षण जैसा बल कार्य करता है, तो आप देख सकते हैं कि कुल यांत्रिक ऊर्जा घट रही है। ऐसा इसलिए है क्योंकि ऊर्जा ने ध्वनि ऊर्जा या तापीय ऊर्जा जैसे अन्य रूप ले लिए हैं।
जब आप ठंडे दिन में अपने हाथों को आपस में रगड़ते हैं, तो आप यांत्रिक ऊर्जा को तापीय ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। अर्थात् आपके हाथों की गतिज ऊर्जा एक दूसरे के विरुद्ध गतिमान होकर रूप बदल गई और एक दूसरे के सापेक्ष आपके हाथों में अणुओं की गतिज ऊर्जा बन गई। आपके हाथों में अणुओं में इस गतिज ऊर्जा का औसत है जिसे वैज्ञानिक तापमान के रूप में परिभाषित करते हैं।
तापमान की परिभाषा
तापमान किसी पदार्थ में प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा का माप है। ध्यान दें कि यह पदार्थ की आंतरिक ऊर्जा के समान नहीं है क्योंकि इसमें संभावित ऊर्जा शामिल नहीं है और यह पदार्थ में कुल ऊर्जा का माप भी नहीं है। इसके बजाय, यह अणुओं की संख्या से विभाजित कुल गतिज ऊर्जा है। जैसे, यह इस बात पर निर्भर नहीं करता है कि आपके पास कितना कुछ है (जैसे कुल आंतरिक ऊर्जा करता है) बल्कि इस बात पर निर्भर करता है कि पदार्थ में औसत अणु कितनी गतिज ऊर्जा ले जा रहा है।
तापमान को कई अलग-अलग इकाइयों में मापा जा सकता है। इनमें फ़ारेनहाइट हैं, जो यू.एस. और कुछ अन्य स्थानों में सबसे आम है। फारेनहाइट पैमाने पर, पानी 32 डिग्री पर जम जाता है और 212 पर उबलता है। एक अन्य सामान्य पैमाना सेल्सियस पैमाना है, जिसका उपयोग दुनिया के कई अन्य स्थानों में किया जाता है। इस पैमाने पर, पानी 0 डिग्री पर जम जाता है और 100 डिग्री पर उबलता है (जिससे यह स्पष्ट रूप से पता चलता है कि यह पैमाना कैसे तैयार किया गया था)।
लेकिन वैज्ञानिक मानक केल्विन पैमाना है। जबकि केल्विन पैमाने पर वृद्धि का आकार सेल्सियस डिग्री के समान होता है, केल्विन स्केल पूर्ण शून्य नामक तापमान पर शुरू होता है, जहां सभी आणविक गति रुक जाती है। दूसरे शब्दों में, यह सबसे ठंडे संभव तापमान पर शुरू होता है।
केल्विन पैमाने पर शून्य डिग्री सेल्सियस 273.15 है। केल्विन पैमाना अच्छे कारण के लिए वैज्ञानिक मानक है। मान लीजिए कुछ 0 डिग्री सेल्सियस पर है। यह कहने का क्या अर्थ होगा कि दूसरी वस्तु तापमान से दोगुनी है? क्या वह वस्तु भी 0 सेल्सियस होगी? खैर केल्विन पैमाने पर, यह धारणा कोई समस्या नहीं पैदा करती है, और यह ठीक है क्योंकि यह पूर्ण शून्य से शुरू होती है।
गर्मी की परिभाषा
अलग-अलग तापमान पर दो पदार्थों या वस्तुओं पर विचार करें। इसका क्या मतलब है? इसका मतलब यह है कि, औसतन, किसी एक पदार्थ (उच्च तापमान वाले) में अणु होते हैं निम्न-तापमान में अणुओं की तुलना में अधिक औसत गतिज ऊर्जा के साथ घूमना पदार्थ।
यदि वे दो पदार्थ संपर्क में आते हैं, तो आश्चर्य की बात नहीं है, सूक्ष्म टक्कर होने पर पदार्थों के बीच ऊर्जा औसत होने लगती है। जो पदार्थ शुरू में उच्च तापमान पर था, वह ठंडा हो जाएगा क्योंकि अन्य पदार्थ तापमान में तब तक बढ़ते हैं जब तक कि वे दोनों समान तापमान न हों। वैज्ञानिक इस अंतिम अवस्था को कहते हैंथर्मल संतुलन.
ऊष्मीय ऊर्जा जो गर्म वस्तु से ठंडी वस्तु में स्थानांतरित होती है, उसे वैज्ञानिक ऊष्मा कहते हैं। ऊष्मा दो सामग्रियों के बीच स्थानांतरित ऊर्जा का रूप है जो अलग-अलग तापमान पर होती हैं। ऊष्मा हमेशा उच्च तापमान वाली सामग्री से कम तापमान वाली सामग्री में तब तक प्रवाहित होती है जब तक कि तापीय संतुलन नहीं हो जाता।
चूँकि ऊष्मा ऊर्जा का एक रूप है, ऊष्मा का SI मात्रक जूल है।
गर्मी और तापमान के बीच अंतर
जैसा कि आप पिछली परिभाषाओं से देख चुके हैं, गर्मी और तापमान वास्तव में दो अलग-अलग भौतिक माप हैं। ये उनके कुछ अंतर हैं:
उन्हें विभिन्न इकाइयों में मापा जाता है।तापमान के लिए एसआई इकाई केल्विन है, और गर्मी के लिए एसआई इकाई जूल है। केल्विन को एक आधार इकाई माना जाता है, जिसका अर्थ है कि इसे अन्य मूलभूत इकाइयों के संयोजन में तोड़ा नहीं जा सकता है। जूल एक kgm. के बराबर है2/एस2.
वे अणुओं की संख्या पर निर्भरता में भिन्न होते हैं।तापमान प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा का एक माप है, जिसका अर्थ है कि इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि तापमान की बात करते समय आपके पास कितना पदार्थ है। हालाँकि, ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा जो पदार्थों के बीच स्थानांतरित हो सकती है, बहुत कुछ इस बात पर निर्भर करती है कि आपके पास प्रत्येक पदार्थ की कितनी मात्रा है।
वे विभिन्न प्रकार के चर हैं।तापमान को एक राज्य चर के रूप में जाना जाता है। यानी यह उस अवस्था को परिभाषित करता है जिसमें कोई पदार्थ या वस्तु है। दूसरी ओर, ऊष्मा एक प्रक्रिया चर है। यह एक प्रक्रिया का वर्णन करता है जो घटित हो रही है - इस मामले में, ऊर्जा को स्थानांतरित किया जा रहा है। जब सब कुछ संतुलन में हो तो गर्मी के बारे में बात करने का कोई मतलब नहीं है।
उन्हें अलग तरह से मापा जाता है।तापमान को थर्मामीटर से मापा जाता है, जो आमतौर पर एक ऐसा उपकरण है जो पैमाने पर रीडिंग को बदलने के लिए थर्मल विस्तार का उपयोग करता है। दूसरी ओर, ऊष्मा को कैलोरीमीटर से मापा जाता है।
गर्मी और तापमान के बीच समानताएं और संबंध।
हालांकि, गर्मी और तापमान एक दूसरे से पूरी तरह से असंबंधित नहीं हैं:
वे दोनों ऊष्मागतिकी में महत्वपूर्ण मात्राएँ हैं।तापीय ऊर्जा का अध्ययन तापमान को मापने की क्षमता के साथ-साथ गर्मी हस्तांतरण पर नज़र रखने की क्षमता पर निर्भर करता है।
गर्मी हस्तांतरण तापमान अंतर से प्रेरित होता है।जब दो वस्तुएं अलग-अलग तापमान पर होती हैं, तो ऊष्मा ऊर्जा गर्म से कूलर में तब तक स्थानांतरित होगी जब तक कि तापीय संतुलन नहीं हो जाता। जैसे, ये तापमान अंतर गर्मी हस्तांतरण के चालक हैं।
वे एक साथ बढ़ने और घटने की प्रवृत्ति रखते हैं।यदि किसी सिस्टम में गर्मी को जोड़ा जाता है, तो तापमान बढ़ जाता है। यदि सिस्टम से गर्मी हटा दी जाती है, तो तापमान नीचे चला जाता है। (इसका एक अपवाद चरण संक्रमण के साथ होता है, इस मामले में ताप ऊर्जा का उपयोग तापमान में परिवर्तन के बजाय चरण संक्रमण के कारण होता है।)
वे एक दूसरे से एक समीकरण द्वारा संबंधित हैं।तापक्यूतापमान में परिवर्तन से संबंधित हैटीसमीकरण Q = mcΔT के द्वारा जहाँमपदार्थ का द्रव्यमान है औरसीइसकी विशिष्ट ऊष्मा क्षमता है (अर्थात, किसी विशेष पदार्थ के लिए एक डिग्री केल्विन द्वारा एक इकाई द्रव्यमान को बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा का एक माप।)
गर्मी, तापमान और कुल आंतरिक ऊर्जा
आंतरिक ऊर्जा एक सामग्री में कुल आंतरिक गतिज और संभावित ऊर्जा, या तापीय ऊर्जा है। एक आदर्श गैस के लिए, जिसमें अणुओं के बीच स्थितिज ऊर्जा नगण्य हो, आंतरिक ऊर्जाइसूत्र E = 3/2nRT द्वारा दिया गया है जहाँनहींगैस के मोलों की संख्या और सार्वत्रिक गैस नियतांक हैआर= ८.३१४५ जे/मोलके.
आंतरिक ऊर्जा और तापमान के बीच संबंध से पता चलता है कि, आश्चर्य की बात नहीं है, जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, तापीय ऊर्जा बढ़ती है। आंतरिक ऊर्जा भी निरपेक्ष 0 केल्विन पर 0 हो जाती है।
तस्वीर में गर्मी तब आती है जब आप आंतरिक ऊर्जा में बदलाव देखना शुरू करते हैं। ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम निम्नलिखित संबंध देता है:
\ डेल्टा ई = क्यू - डब्ल्यू
कहां हैक्यूप्रणाली में जोड़ा गया ताप है औरवूसिस्टम द्वारा किया गया कार्य है। संक्षेप में, यह ऊर्जा के संरक्षण का कथन है। जब आप ऊष्मा ऊर्जा जोड़ते हैं, तो आंतरिक ऊर्जा बढ़ती है। यदि निकाय अपने परिवेश पर कार्य करता है, तो आंतरिक ऊर्जा कम हो जाती है।
ताप ऊर्जा के एक कार्य के रूप में तापमान
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, एक प्रणाली में जोड़ा गया गर्मी ऊर्जा आमतौर पर इसी तापमान में वृद्धि का परिणाम होता है जब तक कि सिस्टम चरण परिवर्तन से गुजर रहा हो। इसे और अधिक बारीकी से देखने के लिए, बर्फ के एक ब्लॉक पर विचार करें जो ठंड से नीचे शुरू होता है क्योंकि गर्मी ऊर्जा एक स्थिर दर से जुड़ती है।
यदि बर्फ का ब्लॉक जमने तक गर्म होने पर लगातार ऊष्मा ऊर्जा जोड़ी जाती है, तो पानी बनने के लिए एक चरण परिवर्तन होता है और फिर उबलने तक गर्म होना जारी रहता है, जहां यह भाप बनने के लिए एक और चरण परिवर्तन से गुजरता है, तापमान बनाम तापमान का ग्राफ। गर्मी निम्नलिखित की तरह दिखेगी:
जबकि बर्फ जमने से नीचे है, गर्मी ऊर्जा और तापमान के बीच एक रैखिक संबंध है। यह आश्चर्यजनक नहीं है जैसा कि होना चाहिए, समीकरण Q = mcΔT को देखते हुए। एक बार जब बर्फ जमने वाले तापमान तक पहुंच जाती है, हालांकि, किसी भी ऊष्मा ऊर्जा को जोड़ा जाना चाहिए ताकि इसे चरण बदलने में मदद मिल सके। तापमान स्थिर रहता है भले ही गर्मी अभी भी जोड़ा जा रहा है। ठोस से तरल में चरण परिवर्तन के दौरान ऊष्मा ऊर्जा को द्रव्यमान से जोड़ने वाला समीकरण निम्नलिखित है:
क्यू = एमएल_एफ
कहां हैलीएफसंलयन की गुप्त ऊष्मा है - ठोस से तरल में परिवर्तन के लिए प्रति इकाई द्रव्यमान में कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है, यह एक स्थिरांक है।
तो, गर्मी की मात्रा के बराबर होने तकएमएलएफजोड़ा गया है, तापमान स्थिर रहता है।
एक बार जब सभी बर्फ पिघल जाती है, तो तापमान फिर से क्वथनांक तक पहुंचने तक रैखिक रूप से बढ़ता है। यहां फिर से एक चरण परिवर्तन होता है, इस बार तरल से गैस में। इस चरण परिवर्तन के दौरान द्रव्यमान से ऊष्मा से संबंधित समीकरण बहुत समान है:
कहां हैलीवीवाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा है - एक स्थिरांक जो यह बताता है कि द्रव से गैस में परिवर्तन के लिए प्रति इकाई द्रव्यमान में कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसलिए तापमान एक बार फिर स्थिर रहता है जब तक कि पर्याप्त ऊष्मा ऊर्जा नहीं जोड़ दी जाती। ध्यान दें कि यह इस समय अधिक समय तक स्थिर रहता है। वह है क्योंकिलीवीआम तौर पर से अधिक हैलीएफएक पदार्थ के लिए।
ग्राफ का अंतिम भाग फिर से पहले जैसा ही रैखिक संबंध दिखाता है।