ऊष्मीय भौतिकी

ऊष्मीय भौतिकी भौतिकी की एक शाखा है जो ऊष्मा और तापमान के अध्ययन और ऊर्जा और कार्य के प्रति उनके संबंध से संबंधित है। ऊष्मा एक प्रकार की ऊर्जा स्थानांतरण है जो किसी पदार्थ (या प्रणाली) के कणों के बीच उनकी गतिज ऊर्जा के माध्यम से होती है। इस खंड में, हम ऊष्मीय भौतिकी की मुख्य अवधारणाओं की जांच करेंगे, कणों के व्यवहार का अध्ययन करेंगे, ऊष्मा स्थानांतरण सिद्धांत को समझेंगे, और भी बहुत कुछ।

तापमान और ऊष्मा

तापमान मापता है कि कोई वस्तु कितनी गर्म या ठंडी है। यह वस्तु में उपस्थित कणों की औसत गतिज ऊर्जा का माप है। जब हम तापमान मापते हैं, तो हम समझते हैं कि उच्च तापमान का मतलब है कण तेजी से चल रहे हैं। तापमान को मापने के लिए हम जिन सामान्य इकाइयों का उपयोग करते हैं, वे हैं सेल्सियस (°C), फ़ारेनहाइट (°F), और केल्विन (K)।

ऊष्मा, दूसरी ओर, वह ऊर्जा है जो तापमान में अंतर के कारण एक वस्तु से दूसरी वस्तु में स्थानांतरित होती है। जब किसी पदार्थ में ऊष्मा जोड़ी जाती है, तो इससे उसके कणों की गतिज ऊर्जा में वृद्धि होती है।

तापमान का दृश्य उदाहरण

ऊपरी चित्र में, बाईं पट्टी एक ठंडी वस्तु का प्रतिनिधित्व करती है, जहां कण धीमी गति से चल रहे हैं। दाईं पट्टी एक गर्म वस्तु का प्रतिनिधित्व करती है, जहां कण तेजी से चल रहे हैं।

ऊष्मीय संतुलन

दो वस्तुएं ऊष्मीय संतुलन में होती हैं यदि वे समान तापमान पर होती हैं और उनके बीच कोई ऊष्मा प्रवाह नहीं होता। यह अवधारणा ऊष्मागतिकी का शून्यवां नियम द्वारा शासित है, जो कहता है कि यदि दो वस्तुएं तीसरी वस्तु के साथ ऊष्मीय संतुलन में हैं, तो वे एक-दूसरे के साथ भी ऊष्मीय संतुलन में हैं।

ऊष्मीय संतुलन का उदाहरण

जब आप पानी के गिलास में बर्फ का एक टुकड़ा डालते हैं, तो समय के साथ बर्फ पिघल जाती है, और सारा पानी एक समान तापमान प्राप्त कर लेता है।

ऊष्मा स्थानांतरण विधियाँ

ऊष्मा एक वस्तु या प्रणाली से दूसरी में तीन मुख्य तरीकों से स्थानांतरित हो सकती है: संचलन, संवहन, और विकिरण।

चालकता

संचलन पदार्थ के माध्यम से ऊष्मा का संचरण है, बिना वस्तु के गति किए। यह आमतौर पर ठोस पदार्थों में होता है, जहां कण बहुत करीब से भरे होते हैं। जैसे ही कण गर्म होते हैं, वे और अधिक जोर से कंपन करने लगते हैं, ऊर्जा पड़ोसी कणों को स्थानांतरित करते हैं।

संचलन का उदाहरण

कल्पना कीजिए कि एक धातु की छड़ी आग के ऊपर रखी गई है। समय के साथ, छड़ी का वह हिस्सा जो आग में नहीं है, संचलन के कारण गर्म हो जाता है।

संवहन

संवहन द्रव (तरल या गैस) के संचलन द्वारा ऊष्मा का स्थानांतरण है। जब द्रव में कण गर्म होते हैं, तो वे तेजी से चलने लगते हैं और फैल जाते हैं, जिससे द्रव की घनत्व कम होती है और वह ऊपर उठता है। ठंडा द्रव तब उसकी जगह लेता है, जिससे एक संचलन पैटर्न बनता है।

संवहन का उदाहरण

चूल्हे पर पॉट में पानी उबालना संवहन का एक उदाहरण है। जैसे ही पॉट के निचले हिस्से में पानी गर्म होता है, वह ऊपर उठता है और ठंडा पानी नीचे खिसकता है जिससे वह गर्म हो सके।

विकिरण

विकिरण विद्युतचुंबकीय तरंगों के रूप में ऊष्मा का स्थानांतरण है। इसे किसी माध्यम की आवश्यकता नहीं होती, जिससे ऊष्मा एक निर्वात में स्थानांतरित की जा सकती है। सूर्य से आने वाली ऊष्मा विकिरण के माध्यम से पृथ्वी तक पहुँचती है।

विकिरण का उदाहरण

अपने चेहरे पर सूर्य की गर्मी महसूस करना विकिरण का एक उदाहरण है।

विशिष्ट ऊष्मा क्षमता

विशिष्ट ऊष्मा क्षमता वह ऊष्मा ऊर्जा है जिसकी आवश्यकता एक पदार्थ के एकक द्रव्यमान के तापमान को एक डिग्री सेल्सियस (या एक केल्विन) बढ़ाने के लिए होती है। विभिन्न पदार्थों की विभिन्न विशिष्ट ऊष्मा क्षमताएँ होती हैं।

Q = mcΔT

Q ऊष्मा ऊर्जा (जूल में) है
m द्रव्यमान (किलोग्राम में) है
c विशिष्ट ऊष्मा क्षमता (J/kg°C या J/kgK में) है
ΔT तापमान का परिवर्तन (°C या K में) है

उदाहरण गणना

यदि 1 किलोग्राम पानी को 20°C से 21°C तक गर्म करने के लिए 4,200 जूल ऊर्जा की आवश्यकता होती है, तो पानी की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता 4,200 J/kg°C है।

गुप्त ऊष्मा

गुप्त ऊष्मा उस ऊष्मा को संदर्भित करती है जो एक पदार्थ के अवस्था परिवर्तन (जैसे ठोस से तरल या तरल से गैस) के लिए आवश्यक है बिना इसके तापमान को बदले। दो प्रकार हैं: गुप्त ऊष्मा का पिघलना और गुप्त ऊष्मा का वाष्पीकरण।

पिघलने की गुप्त ऊष्मा

यह वह ऊष्मा है जो एक ठोस को इसके पिघलने बिंदु पर तरल बनाने के लिए आवश्यक होती है।

वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा

यह वह ऊष्मा है जो एक तरल को इसके उबाल बिंदु पर गैस बनाने के लिए आवश्यक होती है।

Q = mL

Q ऊष्मा ऊर्जा (जूल में) है
m द्रव्यमान (किलोग्राम में) है
L गुप्त ऊष्मा (जूल/किग्रा में) है

गैसों के तापमान-आयतन संबंध

ऊष्मीय भौतिकी में, गैसों का विश्लेषण अक्सर तापमान, दाब, और आयतन के बीच संबंध को समझने के लिए किया जाता है। यह ऊष्मागतिकी को समझने में महत्वपूर्ण है। एक आदर्श गैस का व्यवहार बॉइल का नियम, चार्ल्स का नियम, और गय-लुसाक का नियम द्वारा वर्णित किया जा सकता है, जो आदर्श गैस कानून में मिलते हैं:

PV = nRT

P गैस का दाब (Pa में) है
V गैस का आयतन (m³ में) है
n गैस की मात्रा (मोल्स में) है
R सार्वभौमिक गैस स्थिरांक (8.314 J/mol-K में) है
T तापमान (केल्विन में) है

ऊष्मागतिकी के नियम

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम ऊर्जा संरक्षण के नियम का एक रूप है। यह कहता है कि ऊर्जा को एक पृथक प्रणाली में उत्पन्न या नष्ट नहीं किया जा सकता। प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन प्रणाली में जोड़ी गई ऊष्मा के समान होता है, घटाकर वह कार्य जो प्रणाली ने अपने परिवेश पर किया।

ΔU = Q - W

जहाँ ΔU आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन है, Q प्रणाली में जोड़ी गई ऊष्मा है, और W प्रणाली द्वारा किया गया कार्य है।

ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम

ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम कहता है कि किसी पृथक प्रणाली की एंट्रोपी हमेशा बढ़ती है। एंट्रोपी प्रणाली में अव्यवस्था या अनियमितता का माप है। सरल शब्दों में, ऊर्जा रूपांतरण कभी भी 100% कुशल नहीं होते, और कुछ ऊर्जा हमेशा ऊष्मा के रूप में खो जाती है।

ऊष्मागतिकी का तृतीय नियम

ऊष्मागतिकी का तृतीय नियम कहता है कि एक आदर्श क्रिस्टल की एंट्रोपी शून्य होती है। कठोर शून्य वह सबसे कम तापमान है जहाँ कणों की कोई गति नहीं होती और इसलिए कोई अव्यवस्था नहीं होती।