ऊष्मा, ताप और ऊष्मागतिकी

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ऊष्मा और ताप

ऊष्मा वह ऊर्जा है जो गर्म वस्तु से ठंडी वस्तु की ओर बहती है; ताप गर्माहट की वह कोटि है जो इस प्रवाह की दिशा तय करती है। ऊष्मा जूल में मापी जाती है (1 कैलोरी, अर्थात 1 ग्राम जल का ताप 1 डिग्री सेल्सियस बढ़ाने वाली ऊष्मा, 4.186 J के बराबर है) और ताप केल्विन में। पारा थर्मामीटर के लिए उपयुक्त है क्योंकि वह चमकीला है, एकसमान रूप से फैलता है, काँच को गीला नहीं करता और लगभग -39 डिग्री सेल्सियस से 357 डिग्री सेल्सियस तक द्रव रहता है; बहुत ठंडे स्थानों में ऐल्कोहॉल थर्मामीटर प्रयोग होते हैं, और भट्ठियों तथा सूर्य जैसे बहुत ऊँचे ताप पाइरोमीटर से मापे जाते हैं। डॉक्टरी (क्लिनिकल) थर्मामीटर 35 से 42 डिग्री सेल्सियस तक पढ़ता है और उसमें एक मोड़ (किंक) होता है जो पारे को अपने-आप वापस गिरने से रोकता है।

पैमाने और रूपांतरण

सेल्सियस पैमाना हिम बिंदु को 0 और भाप बिंदु को 100 पर, फारेनहाइट 32 और 212 पर, तथा केल्विन 273.15 और 373.15 पर अंकित करता है। सूत्र है C/5 = (F - 32)/9 = (K - 273)/5, या सीधे K = C + 273। परम शून्य (absolute zero), अर्थात 0 K या -273.15 डिग्री सेल्सियस, न्यूनतम संभव ताप है, इसलिए केल्विन पाठ्यांक कभी ऋणात्मक नहीं होते। सेल्सियस और फारेनहाइट -40 पर समान होते हैं, और सामान्य शरीर ताप 37 डिग्री सेल्सियस, 98.6 डिग्री फारेनहाइट या लगभग 310 K है।

ऊष्मीय प्रसार

अधिकांश पदार्थ गर्म करने पर फैलते हैं, इसलिए रेल की पटरियों के बीच खाली स्थान छोड़ा जाता है, पुलों में प्रसार जोड़ होते हैं, गर्मियों में बिजली के तार ढीले लटकते हैं और बैलगाड़ी के पहिए पर चढ़ाने से पहले लोहे की हाल को गर्म किया जाता है। द्विधात्विक पट्टी (bimetallic strip), यानी अलग-अलग दर से फैलने वाली दो धातुओं की पट्टी, गर्म होने पर मुड़ती है और थर्मोस्टैट, विद्युत इस्त्री और फायर अलार्म में स्विच का काम करती है। ठोसों में क्षेत्रीय प्रसार रेखीय प्रसार का दोगुना और आयतन प्रसार तीन गुना होता है (β = 2α, γ = 3α)। जल अपवाद है: 0 से 4 डिग्री सेल्सियस के बीच गर्म करने पर यह सिकुड़ता है, इसलिए 4 डिग्री सेल्सियस पर सबसे घना होता है। इसी कारण झीलें ऊपर से जमती हैं जबकि नीचे 4 डिग्री सेल्सियस के जल में मछलियाँ जीवित रहती हैं, और कड़ी सर्दी में पाइप फट जाते हैं क्योंकि जल जमने पर फैलता है।

विशिष्ट ऊष्मा और गुप्त ऊष्मा

किसी पदार्थ के 1 किग्रा का ताप 1 K बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा उसकी विशिष्ट ऊष्मा धारिता (specific heat capacity) है। जल की विशिष्ट ऊष्मा बहुत अधिक, लगभग 4200 J/kg K, है, इसलिए यह गर्म पानी की थैलियों और कार के रेडिएटर में प्रयुक्त होता है और तटीय जलवायु को सम रखता है, जबकि स्थल समुद्र की तुलना में जल्दी गर्म और ठंडा होता है। अवस्था परिवर्तन के समय ताप बदले बिना जो ऊष्मा अवशोषित या मुक्त होती है वह गुप्त ऊष्मा (latent heat) है: बर्फ पिघलाने के लिए लगभग 80 कैलोरी/ग्राम और जल को भाप बनाने के लिए लगभग 540 कैलोरी/ग्राम। इसीलिए 100 डिग्री सेल्सियस की भाप खौलते पानी से अधिक गंभीर जलन देती है। दाब बढ़ने पर क्वथनांक बढ़ता है, इसी से प्रेशर कुकर जल्दी पकाता है; पहाड़ों पर कम वायुदाब क्वथनांक घटा देता है, इसलिए वहाँ भोजन पकने में अधिक समय लगता है। घुला हुआ नमक जल का क्वथनांक बढ़ाता और हिमांक घटाता है।

चालन, संवहन और विकिरण

चालन (conduction) में ऊष्मा कणों के आगे बढ़े बिना एक कण से दूसरे कण तक जाती है, मुख्यतः ठोसों में; धातुएँ अच्छी चालक हैं (चाँदी और ताँबा सर्वश्रेष्ठ), जबकि लकड़ी, प्लास्टिक, काँच-ऊन और वायु कुचालक हैं, इसलिए बर्तनों के हत्थे प्लास्टिक या लकड़ी के होते हैं और ऊनी कपड़े वायु को फँसाकर हमें गर्म रखते हैं। संवहन (convection) में गर्म द्रव या गैस स्वयं गति करती है: दिन में समुद्री समीर समुद्र से स्थल की ओर और रात में स्थल समीर स्थल से समुद्र की ओर बहता है, और रोशनदान छत के पास बनाए जाते हैं क्योंकि गर्म वायु ऊपर उठती है। विकिरण (radiation) को माध्यम की आवश्यकता नहीं होती और यह प्रकाश की चाल से चलता है; इसी से सूर्य की ऊष्मा हम तक पहुँचती है। काली, खुरदरी सतहें विकिरण की सर्वोत्तम अवशोषक और उत्सर्जक हैं, जबकि सफेद, चमकीली सतहें इसे परावर्तित करती हैं, इसलिए गर्मियों में सफेद कपड़े उपयुक्त हैं और सौर कुकर भीतर से काले होते हैं। थर्मस फ्लास्क निर्वात से चालन और संवहन को तथा चाँदी-लेपित दीवारों से विकिरण को रोकता है।

वाष्पन और शीतलन

वाष्पन में द्रव क्वथनांक से नीचे किसी भी ताप पर अपनी सतह से वाष्प में बदलता है, और यह ठंडक देता है क्योंकि निकलते हुए अणु गुप्त ऊष्मा अपने साथ ले जाते हैं। सतह का क्षेत्रफल, ताप और हवा बढ़ने पर वाष्पन तेज होता है, तथा आर्द्र वायु में धीमा पड़ता है। मिट्टी के घड़े (मटके) में पानी ठंडा रहता है क्योंकि वह छिद्रों से रिसकर वाष्पित होता है; पसीना शरीर को ठंडा करता है; आर्द्र दिनों में चिपचिपाहट लगती है क्योंकि पसीना वाष्पित नहीं हो पाता। इसके विपरीत, क्वथन पूरे द्रव में, दिए गए दाब पर एक निश्चित ताप पर होता है। कपूर, नैफ्थलीन, आयोडीन और शुष्क बर्फ ऊर्ध्वपातित (sublime) होते हैं, यानी ठोस से सीधे वाष्प बन जाते हैं।

ऊष्मागतिकी के नियम

शून्यवाँ नियम कहता है कि यदि दो वस्तुएँ किसी तीसरी वस्तु के साथ अलग-अलग ऊष्मीय साम्य में हों, तो वे आपस में भी साम्य में होती हैं; यही थर्मामीटर का आधार है। प्रथम नियम ऊर्जा संरक्षण है: दी गई ऊष्मा आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि और किए गए कार्य के योग के बराबर होती है (ΔQ = ΔU + ΔW), इसलिए कोई मशीन ऊर्जा दिए बिना कार्य नहीं कर सकती। द्वितीय नियम कहता है कि ऊष्मा अपने-आप ठंडी वस्तु से गर्म वस्तु की ओर नहीं बहती, और कोई ऊष्मा इंजन ली गई सारी ऊष्मा को कार्य में नहीं बदल सकता, इसलिए कोई भी इंजन 100% दक्ष नहीं होता। रेफ्रिजरेटर अपने ठंडे भीतरी भाग से गर्म कमरे में ऊष्मा केवल इसलिए पहुँचा पाता है क्योंकि उसका कंप्रेसर विद्युत ऊर्जा खर्च करता है। तृतीय नियम कहता है कि परम शून्य को सीमित चरणों में प्राप्त नहीं किया जा सकता।

मुख्य तथ्य

1 कैलोरी = 4.186 J; ऊष्मा संचरित होती ऊर्जा है (जूल), जबकि ताप (केल्विन) तय करता है कि ऊष्मा किस ओर बहेगी।
C/5 = (F - 32)/9 = (K - 273)/5; सेल्सियस और फारेनहाइट पैमानों पर -40 समान है; 0 K = -273.15 डिग्री सेल्सियस परम शून्य है।
शरीर का ताप 37 डिग्री सेल्सियस = 98.6 डिग्री फारेनहाइट = लगभग 310 K; डॉक्टरी थर्मामीटर 35 से 42 डिग्री सेल्सियस पढ़ता है; पाइरोमीटर भट्ठी और सूर्य का ताप मापता है।
द्विधात्विक पट्टी थर्मोस्टैट और फायर अलार्म चलाती है; β = 2α और γ = 3α; प्रसार के लिए रेल पटरियों के बीच खाली स्थान छोड़ा जाता है।
जल 4 डिग्री सेल्सियस पर सबसे घना: झीलें ऊपर से जमती हैं और नीचे मछलियाँ जीवित रहती हैं; सर्दी में पाइप फटते हैं क्योंकि जल जमने पर फैलता है।
गुप्त ऊष्मा: बर्फ लगभग 80 कैलोरी/ग्राम, भाप लगभग 540 कैलोरी/ग्राम, इसलिए भाप की जलन अधिक गंभीर; प्रेशर कुकर क्वथनांक बढ़ाता है, पहाड़ों का कम दाब इसे घटाता है।
दिन में समुद्री समीर और रात में स्थल समीर (संवहन); सूर्य पृथ्वी को विकिरण से गर्म करता है; काली सतहें सर्वोत्तम अवशोषक और उत्सर्जक; थर्मस फ्लास्क तीनों विधियों को रोकता है।
मटका छिद्रों से वाष्पन द्वारा पानी ठंडा करता है; आर्द्र दिन चिपचिपे लगते हैं; कपूर, नैफ्थलीन, आयोडीन और शुष्क बर्फ ऊर्ध्वपातित होते हैं।
शून्यवाँ नियम: थर्मामीटर का आधार; प्रथम नियम: ऊर्जा संरक्षण (ΔQ = ΔU + ΔW); द्वितीय नियम: ऊष्मा अपने-आप ठंडे से गर्म की ओर नहीं बहती और कोई इंजन 100% दक्ष नहीं; तृतीय नियम: परम शून्य अप्राप्य है।

एक नज़र में दोहराव

ऊष्मा जूल में, ताप केल्विन में; 1 कैलोरी = 4.186 जूल; C/5 = (F-32)/9 = (K-273)/5; -40 डिग्री सेल्सियस = -40 डिग्री फारेनहाइट; परम शून्य -273.15 डिग्री सेल्सियस; 37 डिग्री सेल्सियस = 98.6 डिग्री फारेनहाइट; डॉक्टरी थर्मामीटर 35-42 डिग्री सेल्सियस; β = 2α, γ = 3α; जल 4 डिग्री सेल्सियस पर सबसे घना; गुप्त ऊष्मा बर्फ 80, भाप 540 कैलोरी/ग्राम; प्रेशर कुकर क्वथनांक बढ़ाता है; चाँदी और ताँबा सर्वश्रेष्ठ चालक; दिन में समुद्री समीर; विकिरण को माध्यम नहीं चाहिए; वाष्पन ठंडक देता है; कोई इंजन 100% दक्ष नहीं।

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