गर्मी क्षमता क्या है?

ताप की गुंजाइश भौतिकी में एक शब्द है जो वर्णन करता है कि किसी पदार्थ का तापमान 1 डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए उसमें कितनी गर्मी डाली जानी चाहिए। यह संबंधित है, लेकिन इससे अलग है, विशिष्ट ताप, जो किसी पदार्थ के ठीक 1 ग्राम (या द्रव्यमान की कोई अन्य निश्चित इकाई) को 1 डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा है। किसी पदार्थ की ऊष्मा क्षमता C को उसकी विशिष्ट ऊष्मा S से प्राप्त करना मात्रा से गुणा करने का मामला है उस पदार्थ का जो मौजूद है और यह सुनिश्चित कर रहा है कि आप पूरे द्रव्यमान की समान इकाइयों का उपयोग कर रहे हैं संकट। सीधे शब्दों में कहें तो ऊष्मीय क्षमता किसी वस्तु की ऊष्मा ऊर्जा के योग से गर्म होने का विरोध करने की क्षमता का सूचक है।

पदार्थ ठोस, तरल या गैस के रूप में मौजूद हो सकता है। गैसों के उदाहरण में, ताप क्षमता परिवेश के दबाव और परिवेश के तापमान दोनों पर निर्भर हो सकती है। वैज्ञानिक अक्सर एक स्थिर दबाव पर गैस की ताप क्षमता जानना चाहते हैं, जबकि अन्य चर जैसे तापमान को बदलने की अनुमति है; इसे C. के नाम से जाना जाता है_पी. इसी तरह, स्थिर आयतन पर गैस की ताप क्षमता निर्धारित करना उपयोगी हो सकता है, या C

गर्मी क्षमता और विशिष्ट गर्मी की चर्चा शुरू करने से पहले, पहले गर्मी हस्तांतरण की मूल बातें समझना उपयोगी होता है भौतिकी में, और सामान्य रूप से गर्मी की अवधारणा, और अनुशासन के कुछ मूलभूत समीकरणों से खुद को परिचित कराएं।

ऊष्मप्रवैगिकी एक प्रणाली के कार्य और ऊर्जा से संबंधित भौतिकी की शाखा है। अलग-अलग अर्थ और अनुप्रयोग होने के बावजूद भौतिकी में कार्य, ऊर्जा और ऊष्मा सभी की इकाइयाँ समान हैं। ऊष्मा की SI (मानक अंतर्राष्ट्रीय) इकाई जूल है। कार्य को दूरी से गुणा करने वाले बल के रूप में परिभाषित किया गया है, इसलिए, इन मात्राओं में से प्रत्येक के लिए SI इकाइयों पर नज़र रखने के साथ, एक जूल न्यूटन-मीटर के समान ही है। गर्मी के लिए आपके सामने आने वाली अन्य इकाइयों में कैलोरी (कैलोरी), ब्रिटिश थर्मल यूनिट (बीटीयू) और एर्ग शामिल हैं। (ध्यान दें कि खाद्य पोषण लेबल पर आप जो "कैलोरी" देखते हैं, वह वास्तव में किलोकलरीज हैं, "किलो-" ग्रीक उपसर्ग है जो "एक हजार" को दर्शाता है; इस प्रकार, जब आप देखते हैं कि, 12-औंस सोडा के कैन में 120 "कैलोरी" शामिल है, तो यह वास्तव में औपचारिक भौतिक शब्दों में 120,000 कैलोरी के बराबर है।)

गैसें तरल और ठोस से अलग तरह से व्यवहार करती हैं। इसलिए, वायुगतिकी और संबंधित विषयों की दुनिया में भौतिक विज्ञानी, जो स्वाभाविक रूप से अपने काम में हवा और अन्य गैसों के व्यवहार से बहुत चिंतित हैं। उच्च गति वाले इंजनों और उड़ने वाली मशीनों के साथ, इसमें पदार्थ से संबंधित ऊष्मा क्षमता और अन्य मात्रात्मक भौतिक मापदंडों के बारे में विशेष चिंताएँ हैं राज्य एक उदाहरण है तापीय धारिता, जो एक बंद प्रणाली की आंतरिक गर्मी का एक उपाय है। यह सिस्टम की ऊर्जा और उसके दबाव और आयतन के गुणनफल का योग है:

एच = ई + पीवी

अधिक विशेष रूप से, थैलेपी में परिवर्तन संबंध द्वारा गैस की मात्रा में परिवर्तन से संबंधित है:

∆एच = ई + पी∆वी

ग्रीक प्रतीक ∆, या डेल्टा, का अर्थ भौतिकी और गणित में सम्मेलन द्वारा "परिवर्तन" या "अंतर" है। इसके अलावा, आप यह सत्यापित कर सकते हैं कि दबाव समय की मात्रा काम की इकाइयाँ देती है; दबाव न्यूटन/m. में मापा जाता है², जबकि आयतन m. में व्यक्त किया जा सकता है³.

साथ ही, गैस का दबाव और आयतन समीकरण द्वारा संबंधित होते हैं:

पी∆वी = आरटी

जहाँ T तापमान है, और R एक स्थिरांक है जिसका प्रत्येक गैस के लिए अलग-अलग मान है।

आपको इन समीकरणों को स्मृति में रखने की आवश्यकता नहीं है, लेकिन बाद में C. के बारे में चर्चा में उन पर फिर से विचार किया जाएगा_पी और सी_वी.

जैसा कि उल्लेख किया गया है, ऊष्मा क्षमता और विशिष्ट ऊष्मा संबंधित मात्राएँ हैं। पहला वास्तव में दूसरे से उत्पन्न होता है। विशिष्ट ऊष्मा एक अवस्था चर है, जिसका अर्थ है कि यह केवल किसी पदार्थ के आंतरिक गुणों से संबंधित है, न कि यह कि यह कितना मौजूद है। इसलिए इसे प्रति इकाई द्रव्यमान ताप के रूप में व्यक्त किया जाता है। दूसरी ओर, ऊष्मा क्षमता, इस बात पर निर्भर करती है कि विचाराधीन पदार्थ का कितना हिस्सा ऊष्मा हस्तांतरण से गुजर रहा है, और यह एक अवस्था चर नहीं है।

हर पदार्थ का एक तापमान जुड़ा होता है। जब आप किसी वस्तु को देखते हैं तो यह पहली बात नहीं हो सकती है ("मुझे आश्चर्य है कि वह पुस्तक कितनी गर्म है?"), लेकिन रास्ते में, आपके पास हो सकता है पता चला है कि वैज्ञानिक कभी भी किसी भी परिस्थिति में परम शून्य का तापमान हासिल करने में कामयाब नहीं हुए हैं, हालांकि वे पीड़ादायी रूप से आए हैं बंद करे। (इसका कारण यह है कि लोग ऐसा करने का लक्ष्य रखते हैं, इसका संबंध अत्यंत ठंडे पदार्थों के अत्यधिक उच्च चालकता गुणों से है; वस्तुतः बिना किसी प्रतिरोध के एक भौतिक विद्युत चालक के मान के बारे में सोचें।) तापमान अणुओं की गति का एक माप है। ठोस पदार्थों में, पदार्थ को जाली या ग्रिड में व्यवस्थित किया जाता है, और अणु गति करने के लिए स्वतंत्र नहीं होते हैं। एक तरल में, अणु गति करने के लिए अधिक स्वतंत्र होते हैं, लेकिन वे अभी भी काफी हद तक विवश हैं। गैस में अणु बहुत स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं। किसी भी घटना में, बस याद रखें कि कम तापमान का मतलब थोड़ा आणविक गति है।

जब आप किसी वस्तु को अपने सहित, एक भौतिक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाना चाहते हैं, तो ऐसा करने के लिए आपको ऊर्जा खर्च करनी चाहिए - या वैकल्पिक रूप से, काम करना चाहिए। आपको उठना होगा और एक कमरे में चलना होगा, या आपको कार के त्वरक पेडल को दबाना होगा ताकि उसके इंजन के माध्यम से ईंधन डाला जा सके और कार को चलने के लिए मजबूर किया जा सके। इसी तरह, सूक्ष्म स्तर पर, इसके अणुओं को गति करने के लिए एक प्रणाली में ऊर्जा के इनपुट की आवश्यकता होती है। यदि ऊर्जा का यह निवेश आण्विक गति में वृद्धि करने के लिए पर्याप्त है, तो उपरोक्त चर्चा के आधार पर, इसका तात्पर्य यह है कि पदार्थ का तापमान भी बढ़ता है।

विभिन्न सामान्य पदार्थों में विशिष्ट ऊष्मा के व्यापक रूप से भिन्न मान होते हैं। धातुओं में, उदाहरण के लिए, सोना 0.129 J/g °C पर चेक इन करता है, जिसका अर्थ है कि 0.129 जूल गर्मी 1 ग्राम सोने के तापमान को 1 डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए पर्याप्त है। याद रखें, यह मान मौजूद सोने की मात्रा के आधार पर नहीं बदलता है, क्योंकि द्रव्यमान का पहले से ही विशिष्ट ताप इकाइयों के हर में हिसाब लगाया जाता है। गर्मी क्षमता के मामले में ऐसा नहीं है, जैसा कि आप जल्द ही पाएंगे।

यह परिचयात्मक भौतिकी के कई छात्रों को आश्चर्यचकित करता है कि पानी की विशिष्ट गर्मी, 4.179, सामान्य धातुओं की तुलना में काफी अधिक है। (इस लेख में, विशिष्ट ऊष्मा के सभी मान J/g °C में दिए गए हैं।) साथ ही, बर्फ की ऊष्मा क्षमता, 2.03, पानी के आधे से भी कम है, भले ही दोनों में H₂ओ इससे पता चलता है कि एक यौगिक की स्थिति, न कि केवल इसकी आणविक बनावट, इसकी विशिष्ट गर्मी के मूल्य को प्रभावित करती है।

किसी भी घटना में, मान लें कि आपको यह निर्धारित करने के लिए कहा जाता है कि 150 ग्राम लोहे (जिसमें एक विशिष्ट गर्मी है, या एस, 0.450 है) के तापमान को 5 सी तक बढ़ाने के लिए कितनी गर्मी की आवश्यकता है। आप इस बारे में कैसे जाएंगे?

गणना बहुत सरल है; विशिष्ट ऊष्मा S को सामग्री की मात्रा और तापमान में परिवर्तन से गुणा करें। चूँकि S = 0.450 J/g °C, J में जोड़ने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा (0.450)(g)(∆T) = (0.450)(150)(5) = 337.5 J है। इसे व्यक्त करने का एक और तरीका यह है कि 150 ग्राम लोहे की गर्मी क्षमता 67.5 जे है, जो कि मौजूद पदार्थ के द्रव्यमान से गुणा की गई विशिष्ट गर्मी एस से ज्यादा कुछ नहीं है। जाहिर है, भले ही किसी दिए गए तापमान पर तरल पानी की गर्मी क्षमता स्थिर हो, फिर भी यह बहुत अधिक गर्मी लेता है महान झीलों में से एक को एक डिग्री के दसवें हिस्से तक गर्म करें, जितना कि एक पिंट पानी को 1 डिग्री, या 10 या यहां तक ​​​​कि गर्म करने में लगेगा। 50.

पिछले भाग में, आपको गैसों के लिए आकस्मिक ऊष्मा धारिता के विचार से परिचित कराया गया था - अर्थात, ऊष्मा-क्षमता मान जो कि किसी दिए गए पदार्थ पर उन परिस्थितियों में लागू होते हैं जिनमें या तो तापमान (T) या दबाव (P) पूरे समय स्थिर रहता है संकट। आपको मूल समीकरण ∆H = E + P∆V और P∆V = R∆T भी दिए गए थे।

आप बाद के दो समीकरणों से देख सकते हैं कि एन्थैल्पी में परिवर्तन को व्यक्त करने का दूसरा तरीका ∆H है:

ई + आर∆टी

यद्यपि यहाँ कोई व्युत्पत्ति प्रदान नहीं की गई है, ऊष्मागतिकी के पहले नियम को व्यक्त करने का एक तरीका, जो. पर लागू होता है बंद सिस्टम और जिसे आपने बोलचाल की भाषा में सुना होगा "ऊर्जा न तो बनाई जाती है और न ही नष्ट होती है," है:

ई = सी_वीΔT

सरल भाषा में, इसका मतलब यह है कि जब एक गैस सहित एक प्रणाली में एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा जोड़ दी जाती है, और उस गैस की मात्रा को बदलने की अनुमति नहीं है (सबस्क्रिप्ट वी द्वारा सी में दर्शाया गया है)_वी), इसका तापमान उस गैस की ताप क्षमता के मूल्य के सीधे अनुपात में बढ़ना चाहिए।

इन चरों के बीच एक अन्य संबंध मौजूद है जो निरंतर दबाव, C. पर ताप क्षमता की व्युत्पत्ति की अनुमति देता है_पी, स्थिर मात्रा के बजाय। यह संबंध एन्थैल्पी का वर्णन करने का एक अन्य तरीका है:

एच = सी_पीΔT

यदि आप बीजगणित में निपुण हैं, तो आप C. के बीच एक महत्वपूर्ण संबंध पर पहुंच सकते हैं_वी और सी_पी:

सी_पी = सी_वी + आर

अर्थात्, स्थिर दाब पर गैस की ऊष्मा क्षमता स्थिर आयतन पर उसकी ऊष्मा क्षमता से कुछ स्थिर R से अधिक होती है जो कि जांच के तहत गैस के विशिष्ट गुणों से संबंधित होती है। यह सहज समझ में आता है; यदि आप कल्पना करते हैं कि बढ़ते आंतरिक दबाव के जवाब में गैस को विस्तार करने की अनुमति दी जा रही है, तो आप शायद समझ सकते हैं कि इसे ऊर्जा के दिए गए जोड़ के जवाब में कम गर्म करना होगा, अगर इसे उसी तक सीमित रखा गया हो अंतरिक्ष।

अंत में, आप इस सभी जानकारी का उपयोग किसी अन्य पदार्थ-विशिष्ट चर, को परिभाषित करने के लिए कर सकते हैं, जो कि C. का अनुपात है_पी सी को_वी, या सी_पी/सी_वी. आप पिछले समीकरण से देख सकते हैं कि R के उच्च मान वाली गैसों के लिए यह अनुपात बढ़ता है।

सी_पी और सी_वी द्रव गतिकी के अध्ययन में वायु दोनों महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वायु (ज्यादातर नाइट्रोजन और ऑक्सीजन के मिश्रण से मिलकर) मनुष्य द्वारा अनुभव की जाने वाली सबसे आम गैस है। दोनों सी_पी और सी_वी तापमान पर निर्भर हैं, और ठीक उसी हद तक नहीं; जैसा होता है, सी_वी बढ़ते तापमान के साथ थोड़ा तेज हो जाता है। इसका मतलब है कि "स्थिर" γ वास्तव में स्थिर नहीं है, लेकिन यह आश्चर्यजनक रूप से संभावित तापमान की सीमा के करीब है। उदाहरण के लिए, ३०० डिग्री केल्विन, या के (२७ सी के बराबर), γ का मान १.४०० है; 400 K के तापमान पर, जो कि 127 C है और पानी के क्वथनांक से काफी ऊपर है, का मान 1.395 है।