ताप, तापमान स्केल और थर्मामीटर, थर्मल विस्तार - भौतिकी, सामान्य विज्ञान | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

ऊष्मा एक प्रकार की ऊर्जा है जो गर्मी की अनुभूति का कारण बनती है। तापमान शरीर की गर्माहट या ठंडक की डिग्री है। ऊष्मा शरीर के पास मौजूद ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा को इंगित करती है, जबकि तापमान शरीर की तापीय स्थितियों के बारे में तीव्रता को दर्शाता है।

फ्यूजन हीट ऑफ़ फ्यूजन (या पिघलने): विभिन्न पदार्थों के समान द्रव्यमान को पिघलाने के लिए अलग-अलग अव्यक्त तापों की आवश्यकता होती है। किसी पदार्थ के संलयन या पिघलने की अव्यक्त गर्मी कैलोरी प्रति कैलोरी (कैलोरी / ग्राम) में गर्मी की मात्रा है। उदाहरण: बर्फ के संलयन की अव्यक्त गर्मी 80 कैलोरी / ग्राम है। इसका मतलब है कि तापमान में बदलाव के बिना 1 ग्राम बर्फ को पानी (0 ° C) में बदलने के लिए 80 कैलोरी की आवश्यकता होती है। 80 किलो कैलोरी / किग्रा जिसका अर्थ है कि तापमान में बदलाव के बिना 1 किलो बर्फ को पानी में बदलने के लिए 80 किलो कैलोरी / किग्रा गर्मी की आवश्यकता होती है।

वाष्पीकरण और संघनन:  तरल अवस्था से गैसीय या वाष्प अवस्था में परिवर्तन को वाष्पीकरण कहा जाता है। अव्यक्त गर्मी एक पदार्थ के वाष्पीकरण की तापमान में कोई बदलाव के बिना वाष्प राज्य के लिए तरल पदार्थ से 1 ग्राम परिवर्तित होने की आवश्यकता कैलोरी में गर्मी की मात्रा के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। तापमान की एसआई इकाई डिग्री केल्विन है जिसे के द्वारा निरूपित किया जाता है।

तापमान तराजू और थर्मामीटर

थर्मामीटर लंबाई (एक पारा स्तंभ के रूप में) या दबाव या मात्रा (राष्ट्रीय मानक ब्यूरो में गैस थर्मामीटर के साथ) या विद्युत वोल्टेज (एक थर्मोकपल के साथ) को मापते हैं।

सेल्सियस और फ़ारेनहाइट:  सबसे व्यापक रूप से प्रयुक्त तराजू फ़ारेनहाइट (° F) और सेल्सियस (° C) हैं। ° 0 के साथ सेंटीग्रेड स्केल को बर्फ के पानी (आइस पॉइंट) को सौंपा गया और एक वायुमंडल के दबाव (स्टीम पॉइंट) के तहत पानी के उबलने के लिए सौ डिग्री को पूर्व में इस्तेमाल किया गया था, लेकिन यह सेल्सियस स्केल द्वारा सफल रहा है।

सेल्सियस पैमाने में, जिस तापमान पर सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर शुद्ध बर्फ पिघलती है उसे शून्य डिग्री (0 ° C) लिया जाता है और जिस तापमान पर शुद्ध पानी उबलता है (सामान्य वायुमंडलीय दबाव के तहत) उसे 100 ° C तक ले जाया जाता है।

सेल्सियस (C) और फारेनहाइट (F) तापमान के बीच संबंध हैं:

पूर्ण शून्य:  पूर्ण शून्य -273.16 ° C या -459.7 ° F से मेल खाता है।

व्यवहार में, कम घनत्व वाली हीलियम गैस और तनु अर्ध-चुम्बकीय क्रिस्टल का उपयोग करके निरपेक्ष तापमान को मापा जाता है, जो वास्तविक सामग्रियों का सबसे आदर्श है।

थर्मामीटर के लिए तरल का विकल्प

पारा के हिमांक और क्वथनांक क्रमशः -39 ° C और 357 ° हैं जबकि शराब -115 ° C पर जमा देता है। इसलिए आवश्यक है कि उन स्थानों पर जहां तापमान 40 ° C या उससे अधिक रहता है, में अल्कोहल थर्मामीटर का उपयोग करना आवश्यक है। शराब भी पारे के छह गुना के विस्तार के गुणांक होने का फायदा उठाती है। अतिरिक्त कम तापमान वाले काम के लिए (नीचे - 200 ° C) पेंटेन का उपयोग शराब के बजाय किया जाता है। थर्मामीटर में उपयोग के लिए पानी न केवल अनुपयुक्त है क्योंकि यह 0 ° C पर जम जाता है, बल्कि इसके अनियमित विस्तार के कारण भी। निम्नलिखित कारणों से मर्करी को अल्कोहल या किसी अन्य थर्मोमेट्रिक तरल के लिए पसंद किया जाता है:

(i) यह कांच को गीला नहीं करता है। शराब ट्यूब की दीवारों से चिपक जाती है और इसलिए, पढ़ना परेशान है।

(ii)  यह बोर के ऊपरी भाग पर अल्कोहल, वाष्प और डिस्टिल की तरह नहीं होता है।

(iii) इसका विस्तार साधारण तापमान पर लगभग समान और नियमित है और इसलिए अंशांकन को आसान बनाता है।

(iv) यह अपारदर्शी है और आसानी से देखा जा सकता है।

(v) यह अल्कोहल की तुलना में ऊष्मा का बेहतर संवाहक है, और इसलिए यह तापमान में बदलाव के लिए अधिक तेजी से प्रतिक्रिया करता है।

(vi)  इसकी कम विशिष्ट ऊष्मा क्षमता होती है, इसलिए यह शरीर से बहुत अधिक ऊष्मा नहीं निकालता है जिसका तापमान मापा जाना है, इसलिए यह अधिक संवेदनशील है।

थर्मोकपल  एक ऐसा उपकरण है जो तापमान के अंतर को मापने के लिए दो धातुओं के जंक्शन द्वारा विकसित वोल्टेज का उपयोग करता है। विखंडित धातुओं के दो तार एक साथ वेल्डेड होते हैं जो मूल थर्मोकपल बनाते हैं।

उत्सर्जित विकिरण का उपयोग कर Pyrometers उच्च तापमान को मापता है। साधन गर्म शरीर के संपर्क में नहीं होना है। वे तापमान को माप सकते हैं जो विकिरण के लिए उच्च और निम्न व्यावहारिक सीमा है। उच्चतम तापमान जो इसे रिकॉर्ड कर सकता है वह 900 K (= 62 J ° C) है।

 तापीय प्रसार

ठोस पदार्थ, तरल पदार्थ और गैसें आम तौर पर गर्म होने और ठंडा होने पर सिकुड़ जाती हैं। कुछ पदार्थ जैसे पानी 0 ° C से 4 ° C, सिल्वर आयोडाइड 80 ° C से 141 ° C और सिलिका नीचे - 80 ° C ताप पर सिकुड़ता है। जब किसी पदार्थ को गर्म किया जाता है, तो उसके अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है और वे बढ़ी हुई गति के साथ बढ़ने लगते हैं। नतीजतन, अणुओं के बीच औसत दूरी बढ़ जाती है जिसके परिणामस्वरूप पदार्थ की मात्रा में वृद्धि होती है।

विस्तार। यदि हम 1 ° C (या 1 K) के माध्यम से 1 मीटर लंबी लोहे की छड़ को गर्म करते हैं, तो इसकी लंबाई 0.000012 m बढ़ जाती है। हम कहते हैं कि लोहे का रैखिक विस्तार 0.000012 / ° C है।
प्रति डिग्री सेल्सियस में कुछ ठोस पदार्थों के रेखीय विस्तारक- ities इस प्रकार हैं:

 पीतल 0.000019

 इन्वार 0.000001

 ग्लास (साधारण) 0.000009

 ग्लास (पाइरेक्स) 0.000003

बायमेटल स्ट्रिप। एक पीतल की पट्टी और एक आवारा पट्टी एक साथ उभरी हुई होती है जो एक द्विध्रुवीय पट्टी बनाती है। जब तापमान बढ़ता है, तो पीतल अत्तर से अधिक फैलता है और पट्टी उत्तल पक्ष पर पीतल के साथ झुकती है। जब तापमान गिरता है, तो पट्टी अपने मूल आकार को पुन: प्राप्त कर लेती है। इस प्रकार एक द्विध्रुवीय पट्टी एक स्वादिश की तरह काम कर सकती है। थर्मोस्टैट्स में बायमेटल स्ट्रिप्स का उपयोग किया जाता है, जो विद्युत रूप से गर्म कमरे, ओवन, टोस्टर, आदि के रेगु-लाटिंग तापमान के लिए उपयोग किया जाता है।

रेफ्रिजरेटर भी विशेष थर्मोस्टैट्स से सुसज्जित हैं।

पानी का विषम विस्तार

पानी असामान्य विस्तार को दर्शाता है। यदि हम बर्फ का घन लेते हैं - 5 ° C और इसे गर्म करते हैं, तो यह तब तक फैलता है जब तक कि बर्फ पिघलना शुरू न हो जाए। पिघलने के दौरान इसका तापमान 0 ° C रहता है लेकिन इसकी मात्रा कम हो जाती है। यदि गर्मी को 0 ° C पर लगातार पानी की आपूर्ति की जाती है, तो यह आगे 4 ° C तक सिकुड़ जाती है और फिर इसका विस्तार होने लगता है। इस प्रकार पानी की न्यूनतम मात्रा और अधिकतम घनत्व 4 ° C है। पानी का विषम विस्तार बहुत ठंडे मौसम के दौरान जलीय जीवन को संरक्षित करने में मदद करता है। जब तापमान गिरता है, तो एक तालाब में पानी की ऊपरी परत सिकुड़ जाती है और नीचे तक डूब जाती है। इस प्रकार एक संचलन की स्थापना तब तक की जाती है जब तक कि तालाब में पूरा पानी 4 डिग्री सेल्सियस पर अधिकतम घनत्व तक नहीं पहुंच जाता है। यदि तापमान में और गिरावट होती है, तो शीर्ष परत का विस्तार होता है और शीर्ष पर रहता है जब तक कि जमा नहीं हो जाता। इस प्रकार भले ही ऊपरी परतें नीचे जमी हुई हों, पानी 4 ° C और मछलियों आदि के पास होता है।