ताप और थर्मोडायनामिक्स | सामान्य जागरूकता/सामान्य जागरूकता - Police SI Exams PDF Download

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परिचय

ताप और तापमान भौतिकी के मौलिक सिद्धांत हैं, जो वस्तुओं की गर्मी से संबंधित ऊर्जा और उनके परिवर्तनों का वर्णन करते हैं। ताप में तापमान के अंतर के कारण ऊर्जा का संचरण शामिल होता है, जबकि तापमान यह मापता है कि कुछ कितना गर्म या ठंडा है। इन अवधारणाओं को समझना विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है, जैसे कि दैनिक जीवन से लेकर वैज्ञानिक अध्ययन तक।

ताप एक प्रकार की ऊर्जा है जो गर्मी का अनुभव कराती है। इसका मानक माप इकाई जूल है, हालांकि कैलोरी का भी सामान्यतः उपयोग किया जाता है (1 कैलोरी = 4.2 जूल)। जब कोई शरीर गर्म होता है, तो यह विभिन्न परिवर्तनों का सामना कर सकता है, जैसे कि विस्तार, संकुचन, अवस्था में परिवर्तन और विद्युत गुणों में बदलाव। ताप हमेशा एक गर्म वस्तु से एक ठंडी वस्तु की ओर बहता है। इसके अतिरिक्त, शरीरों के बीच स्थानांतरित होने वाली ताप ऊर्जा को अन्य प्रकार की ऊर्जा, जैसे कि यांत्रिक या विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है।

तापमान

• तापमान किसी शरीर की गर्मी या ठंड का माप है।
• ताप गर्मी के प्रवाह का माप है जो एक शरीर से दूसरे शरीर में उनके तापमान के अंतर के कारण होता है।

तापमान का पैमाना

किसी शरीर के तापमान को मापने के लिए निम्नलिखित तापमान स्केल का उपयोग किया जाता है:

• सेल्सियस पैमाना: बर्फ बिंदु = 0°C, पानी का उबलने का बिंदु = 100°C
• फारेनहाइट पैमाना: बर्फ बिंदु = 32°F, पानी का उबलने का बिंदु = 212°F
• केल्विन या पूर्ण पैमाना: बर्फ बिंदु = 273°K, पानी का उबलने का बिंदु = 373°K
• रेआमुर पैमाना: बर्फ बिंदु = 0°R, पानी का उबलने का बिंदु = 80°R
• रैंकाइन पैमाना: बर्फ बिंदु = 491.67°R, पानी का उबलने का बिंदु = 671.641°R

जहाँ, निम्न निश्चित बिंदु (LFP) = बर्फ बिंदु और उच्च निश्चित बिंदु (UFP) = पानी का उबलने का बिंदु है।

विभिन्न तापमान पैमानों के बीच संबंध

विभिन्न तापमान पैमानों के बीच संबंध इस प्रकार है:

• तापमान − 40° C = − 40° F
• पानी के तीनों चरणों के संतुलन में रहने वाले तापमान को पानी का त्रैतीय बिंदु कहा जाता है (273.16 K)

थर्मामीटर

शरीर के तापमान को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों को थर्मामीटर कहा जाता है। थर्मामीटर के तीन मुख्य प्रकार होते हैं:

• क्लिनिकल थर्मामीटर: यह प्रकार मानव शरीर के तापमान को मापता है, जिसकी सीमा 96°F से 110°F (35°C से 43°C) होती है।
• इलेक्ट्रॉनिक थर्मामीटर: यह थर्मामीटर थर्मिस्टर्स या थर्मोरिजिस्टर्स का उपयोग करता है और –40°F से 450°F तक के तापमान को माप सकता है।
• अन्य थर्मामीटर: इनमें स्थायी मात्रा गैस थर्मामीटर और प्लेटिनम प्रतिरोध थर्मामीटर शामिल हैं।

क्लिनिकल थर्मामीटर सामान्यतः तापमान को डिग्री फ़ारेनहाइट (°F) में मापते हैं। थर्मामीटर में आमतौर पर पारा का उपयोग किया जाता है, जो –30°C से 300°C तक के तापमान को कवर करता है। थर्मामीटर का विकास सबसे पहले गैलीलियो ने किया था, जिन्होंने पाया कि गर्म होने पर गैसें फैलती हैं।

थर्मल एक्सपेंशन

गर्मी के कारण किसी शरीर का विस्तार थर्मल एक्सपेंशन कहलाता है।

ठोसों का थर्मल एक्सपेंशन

ठोसों का थर्मल एक्सपेंशन तीन प्रकार का होता है:

• 1. गर्म होने पर लंबाई में विस्तार, जिसे रेखीय विस्तार कहते हैं। किसी पदार्थ की एक इकाई लंबाई की रॉड की लंबाई में 1° C की तापमान वृद्धि के कारण होने वाली वृद्धि को उस रॉड के पदार्थ का रेखीय विस्तार गुणांक कहा जाता है। इसे α द्वारा दर्शाया जाता है। इसका यूनिट ° C⁻¹ है।
• 2. गर्म होने पर क्षेत्र में विस्तार, जिसे सतही विस्तार कहते हैं। सतही विस्तार का गुणांक इस प्रकार दिया जाता है। इसका यूनिट ° C⁻¹ है।
• 3. गर्म होने पर आयतन में विस्तार, जिसे आयतन विस्तार या घन विस्तार कहते हैं। आयतन या घन विस्तार का गुणांक इस प्रकार दिया जाता है। इसका यूनिट ° C⁻¹ है।

विस्तार के गुणांक के बीच संबंध

• थर्मल विस्तार के गुणांक इस प्रकार संबंधित हैं: β = 2α और γ = 3 α तथा α : β : γ = 1 : 2 : 3
• रेलवे लाइन बिछाने में, दो लोहे की पटरियों के बीच एक छोटा अंतर छोड़ा जाता है, अन्यथा गर्मी में रेलवे लाइन मुड़ जाएगी।
• टेलीफोन तारों को खंभों पर कसा नहीं जाता है क्योंकि सर्दियों में, तार संकुचित हो जाते हैं और टूट सकते हैं।

तरल पदार्थों का थर्मल विस्तार

• तरल पदार्थों में, गर्म करने पर केवल मात्रा में विस्तार होता है। तरल का विस्तार दो प्रकार का होता है —
• जब तरल वाले कंटेनर का विस्तार, गर्म करने पर, ध्यान में नहीं लिया जाता है, तब देखे गए विस्तार को तरल पदार्थों का स्पष्ट विस्तार कहा जाता है।
• जब तरल वाले कंटेनर का विस्तार, गर्म करने पर, भी ध्यान में लिया जाता है, तब देखे गए विस्तार को तरल पदार्थों का वास्तविक विस्तार कहा जाता है।

जहाँ, γr और γa तरल पदार्थों के वास्तविक और स्पष्ट विस्तार के गुणांक हैं और γg = कंटेनर के घनात्मक विस्तार का गुणांक है।

जल का असामान्य विस्तार

जब पानी का तापमान 0° C से बढ़ाया जाता है, तो इसका आयतन 4° C तक घटता है, 4° C पर न्यूनतम होता है और फिर बढ़ता है। 4° C के आसपास पानी का विस्तार इस व्यवहार को असामान्य विस्तार कहा जाता है।

गैसों का तापीय विस्तार

गैसों में विस्तार के दो प्रकार के गुणांक होते हैं:

• स्थिर दबाव पर, प्रति एकक आयतन प्रति डिग्री सेल्सियस में आयतन में परिवर्तन को आयतन गुणांक (γV) कहा जाता है।
• स्थिर आयतन पर, प्रति एकक दबाव प्रति डिग्री सेल्सियस में दबाव में परिवर्तन को दबाव गुणांक (γp) कहा जाता है।

कालोरीमेट्री

• 1 ग्राम पानी का तापमान 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा को 1 कैलोरी कहा जाता है।
• कालोरीमेट्री का सिद्धांत कहता है कि गर्म शरीर द्वारा खोई गई गर्मी ठंडे शरीर द्वारा प्राप्त गर्मी के बराबर होती है।
• एक बर्तन या कंटेनर जिसमें कालोरीमेट्री (प्रक्रिया) होती है, उसे कालोरीमीटर कहा जाता है।

विशिष्ट गर्मी

• किसी पदार्थ के एकक द्रव्यमान (m) का तापमान 1° C बढ़ाने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा को विशिष्ट गर्मी (s) कहा जाता है। — इसे s द्वारा निरूपित किया जाता है और इसकी इकाई ‘cal/g°C या Joule/g°/C होती है।
• पानी की विशिष्ट गर्मी 4200 J/kg/°C या 1000 cal/g/°C है, जो अधिकांश अन्य पदार्थों की तुलना में अधिक है। इसलिए, पानी को वाहन के रेडिएटर में कूलेंट के रूप में उपयोग किया जाता है और गर्म पानी का उपयोग किण्वन के लिए किया जाता है।
• स्थिर आयतन पर, 1 ग्राम गैस के तापमान को 1° C बढ़ाने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा को स्थिर आयतन पर विशिष्ट गर्मी (CV) कहा जाता है। इसकी इकाई cal/g/°C होती है।
• स्थिर दबाव पर, 1 ग्राम गैस के तापमान को 1° C बढ़ाने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा को स्थिर दबाव पर विशिष्ट गर्मी (Cp) कहा जाता है। इसकी इकाई cal/g/°C होती है।
• 1 मोल गैस के तापमान को 1° C बढ़ाने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा को मोलर विशिष्ट गर्मी कहा जाता है।

गुप्त गर्मी

विस्थापनात्मक ऊष्मा: किसी अवस्था परिवर्तन के लिए स्थायी तापमान पर प्रति इकाई द्रव्यमान में अवशोषित या मुक्त की गई ऊष्मा ऊर्जा को विस्थापनात्मक ऊष्मा कहा जाता है। इसे L से दर्शाया जाता है और इसका SI इकाई cal/g या kcal/kg है। अवस्था परिवर्तन के दौरान अवशोषित या मुक्त की गई ऊष्मा ऊर्जा को Q = mL द्वारा दिया जाता है, जहाँ m = पदार्थ का द्रव्यमान। बर्फ का विस्थापनात्मक तापीय ऊष्मा 80 cal/g है। भाप का विस्थापनात्मक तापीय ऊष्मा 536 cal/g है।

• किसी अवस्था परिवर्तन के लिए स्थायी तापमान पर प्रति इकाई द्रव्यमान में अवशोषित या मुक्त की गई ऊष्मा ऊर्जा को विस्थापनात्मक ऊष्मा कहा जाता है।
• इसे L से दर्शाया जाता है और इसका SI इकाई cal/g या kcal/kg है।
• अवशोषित या मुक्त की गई ऊष्मा ऊर्जा को Q = mL द्वारा दिया जाता है जहाँ, m = पदार्थ का द्रव्यमान।
• बर्फ का विस्थापनात्मक तापीय ऊष्मा 80 cal/g है।

थर्मोडायनामिक्स

थर्मोडायनामिक्स भौतिकी की वह शाखा है जो ऊष्मा ऊर्जा और विभिन्न प्रकार की ऊर्जा के बीच के संबंध का अन्वेषण करती है।

• ज़ेरोथ कानून: थर्मोडायनामिक्स का ज़ेरोथ कानून तापीय संतुलन के सिद्धांत को संबोधित करता है।
• प्रथम कानून: थर्मोडायनामिक्स के पहले कानून के अनुसार, किसी पदार्थ में जोड़ा गया ऊष्मा उसके आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन और पदार्थ द्वारा किए गए कार्य का योग होता है।
• द्वितीय कानून: द्वितीय कानून कहता है कि कार्य को ऊष्मा में और इसके विपरीत परिवर्तित किया जा सकता है, लेकिन यह परिवर्तन कभी भी 100% प्रभावी नहीं होता। केल्विन का कथन बताता है कि किसी चक्रीय प्रक्रिया में काम करने वाली मशीन के लिए सभी ऊष्मा को कार्य में परिवर्तित करना असंभव है। क्लॉसियस का कथन बताता है कि ऊष्मा अपने आप एक ठंडी वस्तु से एक गर्म वस्तु में नहीं जा सकती, जो कि रेफ्रिजरेटर के सिद्धांत पर आधारित है।
• ऊष्मा इंजन: ऊष्मा इंजन एक उपकरण है जो ऊष्मा को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करता है। ऊष्मा इंजनों के दो मुख्य प्रकार हैं: आंतरिक दहन और बाह्य दहन इंजन।
• कार इंजन: कार के इंजन पानी के साथ मिश्रित शीतलक का उपयोग करते हैं, जैसे एथिलीन ग्लाइकोल या पोटेशियम डायक्रोमेट, जंग और ऑक्सीकरण जैसी समस्याओं को कम करने के लिए।
• कार्नॉट का प्रमेय: कार्नॉट का प्रमेय एक ऊष्मा इंजन की अधिकतम संभव दक्षता का वर्णन करता है, जो कार्नॉट चक्र पर आधारित है।
• एंट्रॉपी: एंट्रॉपी किसी प्रणाली के भीतर आणविक अव्यवस्था को मापती है और यह एक थर्मोडायनामिक फ़ंक्शन है जो केवल प्रणाली के तापमान पर निर्भर करती है।
• वाष्पीकरण: वाष्पीकरण वह प्रक्रिया है जिसमें अणु धीरे-धीरे एक तरल की सतह से बाहर निकलते हैं।
• वाष्पीकरण की दर: किसी दिए गए तरल का वाष्पीकरण की दर तापमान और वाष्पीकरण की सतह के क्षेत्र जैसे कारकों पर निर्भर करती है।
• रेफ्रिजरेटर: एक रेफ्रिजरेटर वस्तुओं को एक तांबे की कुंडली के भीतर एक अस्थायी तरल के वाष्पीकरण और संपीड़न के माध्यम से ठंडा करता है।

आर्द्रता

• नमी का तात्पर्य वातावरण में नमी की उपस्थिति से है।
• पूर्ण नमी (Absolute humidity) का माप उस मात्रा के जल वाष्प की होती है जो वायुमंडल के एक इकाई आयतन में होती है।
• सापेक्ष नमी (Relative humidity) उस विशेष आयतन में मौजूद जल वाष्प के द्रव्यमान का अनुपात है, जिसकी आवश्यकता समान तापमान पर उसी आयतन के वायुमंडल को संतृप्त करने के लिए होती है, जिसे प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है।
• सापेक्ष नमी को हाइग्रोमीटर (hygrometer) का उपयोग करके मापा जाता है।
• लगभग 50% सापेक्ष नमी को 22°C से 25°C के बीच के तापमान पर आरामदायक माना जाता है।
• जब सापेक्ष नमी बहुत कम होती है, तो होंठ सूखे हो सकते हैं और फट सकते हैं।
• उच्च सापेक्ष नमी पसीने के वाष्पीकरण को आसानी से रोकती है, जिससे असुविधा होती है।
• एयर कंडीशनिंग तापमान और नमी दोनों को नियंत्रित करके एक आरामदायक माहौल बनाती है।

ताप का संचरण

ताप को एक स्थान से दूसरे स्थान पर संचरण की प्रक्रिया द्वारा स्थानांतरित किया जा सकता है। ताप के संचरण के तीन तरीके होते हैं।

संवहन (Conduction)

• ठोस पदार्थों में उच्च तापमान वाले भाग से निम्न तापमान वाले भाग में वास्तविक कणों की गति के बिना ताप का संचरण, संवहन कहलाता है।
• ठोसों में ताप का संचरण मुख्य रूप से संवहन के माध्यम से होता है।
• धातुएं ताप की अच्छी संवाहक होती हैं।
• लकड़ी, कपास, ऊन, कांच ताप के खराब संवाहक होते हैं, सूखी हवा भी ताप का खराब संवाहक है।
• ऊन के कपड़े हमारे शरीर के ताप को बाहर जाने नहीं देते, इसलिए हम गर्म महसूस करते हैं।
• एक ठंडी रात में दो पतले कंबल एक मोटे कंबल की तुलना में अधिक गर्मी देते हैं, क्योंकि दो कंबलों के बीच की हवा की परत एक बेहतर इंसुलेटर के रूप में कार्य करती है।
• रेफ्रिजरेटर और आइस-बॉक्स में डबल दीवारें होती हैं जिनके बीच थर्मोकॉल होता है, जो संवहन द्वारा ताप के अधिग्रहण को कम करता है।

संवहन (Convection)

• तरल पदार्थों (तरल और गैसें) में गर्मी के संचरण का तरीका, जिसमें कणों की वास्तविक गति शामिल है, को संवहन कहा जाता है।
• तरल और गैसों में, गर्मी का संचरण संवहन द्वारा होता है।
• इसके कम घनत्व के कारण, गर्म तरल ऊपर उठता है और इसके स्थान पर ऊपर से ठंडा तरल आता है। तरल में संवहन धाराएँ बनती हैं जब तक कि पूरे तरल का तापमान समान नहीं हो जाता।
• एक रेफ्रिजरेटर में ठंडा करने का यंत्र शीर्ष के पास लगाया जाता है क्योंकि ठंडी हवा नीचे की ओर चलती है और पूरे आंतरिक को ठंडा रखती है।
• समुद्री हवा: दिन के समय, समुंदर के किनारे का तापमान समुद्र के पानी से बहुत तेजी से गर्म होता है। समुंदर के किनारे के ऊपर गर्म हवा ऊपर उठती है और समुद्र के पानी से ठंडी हवा किनारे की ओर बढ़ती है, जिससे समुद्री हवा का निर्माण होता है।
• भूमि हवा: रात में, भूमि समुद्र के पानी की तुलना में जल्दी ठंडी हो जाती है। अब समुद्र के पानी के ऊपर गर्म हवा ऊपर उठती है और भूमि से ठंडी हवा समुद्र की ओर बढ़ती है, जिससे भूमि हवा का निर्माण होता है।
• बादल वाली रातें साफ रातों की तुलना में गर्म होती हैं क्योंकि बादल रात में पृथ्वी द्वारा उत्सर्जित विकिरण को परावर्तित करते हैं और इसे गर्म रखते हैं।

विकिरण

• ताप का संचरण जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों के रूप में होता है, उसे विकिरण कहा जाता है। विकिरण को प्रसार के लिए किसी माध्यम की आवश्यकता नहीं होती और यह हस्तक्षेप करने वाले माध्यम को गर्म किए बिना प्रसारित होता है।

काला शरीर

काले शरीर को एक आदर्श वस्तु के रूप में परिभाषित किया गया है जो सभी आने वाले विकिरण को पूरी तरह से अवशोषित करता है। शरीर द्वारा अवशोषित गर्मी और कुल आने वाले विकिरण के बीच का अनुपात उसके अवशोषण शक्ति (α) के रूप में जाना जाता है, जिसकी कोई इकाई नहीं होती। शरीर की सतह पर एक विशिष्ट तापमान पर निकाली गई गर्मी विकिरण को उत्सर्जन शक्ति के रूप में संदर्भित किया जाता है। उत्सर्जन शक्ति की इकाई J/m²·s होती है। किर्चॉफ का नियम कहता है कि किसी भी शरीर के लिए उत्सर्जन शक्ति और अवशोषण शक्ति का अनुपात स्थिर होता है और यह काले शरीर की उत्सर्जन शक्ति के बराबर होता है।

रंग और गर्मी अवशोषण के संदर्भ में, सफेद रंग कम अवशोषक लेकिन अच्छे प्रतिबिंबक होते हैं, जबकि काले रंग उत्कृष्ट अवशोषक और गरीब प्रतिबिंबक होते हैं। इसलिए, हल्के रंग के कपड़े गर्म मौसम में अधिक आरामदायक होते हैं, जबकि गहरे रंग के कपड़े ठंडे मौसम में पसंद किए जाते हैं।

स्टेफान का नियम

स्टेफान का नियम यह स्थापित करता है कि एक उत्तम काले शरीर द्वारा प्रति सेकंड प्रति इकाई क्षेत्र में विकिरणित ऊर्जा (E) उसके संपूर्ण तापमान (T) के चौथे घातांक के समानुपाती होती है। इस संबंध को E ∝ T⁴ के रूप में व्यक्त किया जाता है। वास्तव में, जो गर्मी के अच्छे अवशोषक होते हैं, वे भी कुशल उत्सर्जक होते हैं, जबकि जो गरीब अवशोषक होते हैं, वे गरीब उत्सर्जक होते हैं।

वियेन का विस्थापन नियम

वियेन का विस्थापन नियम बताता है कि उस तरंगदैर्ध्य (λm) पर, जिस पर एक काले शरीर का विकिरण अधिकतम होता है, वह शरीर के पूर्ण तापमान (T) के व्युत्क्रमानुपाती होता है। जैसे-जैसे काले शरीर का तापमान बढ़ता है, यह पहले लाल रंग की रोशनी का उत्सर्जन करता है, फिर नारंगी, उसके बाद पीला, और अंततः नीला और बैंगनी रंग की ओर बढ़ता है।

ग्रीनहाउस प्रभाव

एक ग्रीनहाउस में, सूर्य की रोशनी कांच के माध्यम से गुजरती है और अंदर के पौधों और हवा को गर्म करती है। कांच फिर गर्म हवा को फंसाकर उसे बाहर निकलने से रोकता है। इसी प्रकार, ग्रीनहाउस के अंदर से उत्सर्जित विकिरण कांच के माध्यम से बाहर नहीं जा सकता। यह प्रभाव यह भी समझाता है कि जब एक कार को धूप में पार्क किया जाता है और उसकी खिड़कियाँ बंद होती हैं, तो वह अत्यधिक गर्म क्यों हो जाती है।

गैसों का गतिशील सिद्धांत

इसके अनुसार, आदर्श गैस के कणों को बहुत छोटे माना जाता है और कणों द्वारा की गई टकराव पूरी तरह से लोचदार होती है। बॉयल का नियम pV = स्थिरांक है जहाँ T = स्थिरांक है। चार्ल्स का नियम, V ∝ T जहाँ p = स्थिरांक है, और p ∝ T जब V = स्थिरांक हो।

आदर्श गैस का समीकरण pV = nRT है, जहाँ p, V, n, R और T क्रमशः गैस का दबाव, आयतन, मोल की संख्या, गैस स्थिरांक और गैस का तापमान है।