ऊष्मीय प्रसार

ऊष्मीय प्रसार एक अवधारणा है जो भौतिकी की शाखा थर्मोडायनामिक्स में आती है, जो गर्मी, तापमान और ऊर्जा के बीच के संबंध से संबंधित है। यह पदार्थ की प्रवृत्ति का वर्णन करता है कि यह तापमान के परिवर्तनों के प्रति अपनी आकृति, क्षेत्र, आयतन और घनत्व को कैसे बदलता है। सरल शब्दों में, जब पदार्थ गर्म होते हैं, तो वे फैलते हैं, और जब वे ठंडे होते हैं, तो वे सिकुड़ते हैं। यह व्यवहार ठोस, तरल और गैसों में देखा जाता है, हालांकि विभिन्न तरीकों से।

ऊष्मीय प्रसार का कारण क्या है?

परमाणु स्तर पर, ऊष्मीय प्रसार इसलिए होता है क्योंकि परमाणु और अणु उच्च तापमान पर अधिक कंपन करते हैं। जब किसी पदार्थ का तापमान बढ़ता है, तो ये कण अधिक तेजी से चलते हैं, एक-दूसरे को और अधिक दूर धकेलते हैं। इस गति और पृथक्करण में वृद्धि के कारण पदार्थ का प्रसार होता है।

उदाहरण 1: गर्म दिन में लोहे की पटरियां

गर्मी के मौसम में, आप देख सकते हैं कि ट्रेन की पटरियां कभी-कभी मुड़ जाती हैं या झुक जाती हैं। इसका कारण यह है कि धातु की पटरियां तापमान बढ़ने पर फैलती हैं। इंजीनियर इस प्रसार को समायोजित करने के लिए रेल खंडों के बीच छोटे अंतर छोड़ देते हैं, जिन्हें विस्तार जोड़ कहा जाता है।

ऊष्मीय प्रसार के प्रकार

आमतौर पर तीन प्रकार के ऊष्मीय प्रसार होते हैं जिन्हें ध्यान में रखना महत्वपूर्ण होता है: रैखिक प्रसार, क्षेत्रीय प्रसार और आयतन प्रसार। प्रत्येक प्रकार यह वर्णन करता है कि तापमान में परिवर्तन के कारण सामग्री के विभिन्न आयाम कैसे विस्तार कर सकते हैं।

1. रैखिक प्रसार

रैखिक प्रसार एक वस्तु के एक आयाम (लंबाई) में परिवर्तन को संदर्भित करता है जब इसे गरम या ठंडा किया जाता है। यह आमतौर पर लंबी वस्तुओं जैसे छड़ और रेल में देखा जाता है। लंबाई में परिवर्तन को इस सूत्र द्वारा गणना किया जा सकता है:

 ΔL = αL₀ΔT

जहां:

• ΔL लंबाई में परिवर्तन है
• α (अल्फा) रैखिक प्रसार का गुणांक है
• L₀ मूल लंबाई है
• ΔT तापमान में परिवर्तन है

उदाहरण 2: एक धातु की छड़

मान लें कि एक धातु की छड़ 2 मीटर लंबी है। अगर इसका रैखिक प्रसार गुणांक 12 × 10 ^-6 प्रति डिग्री सेल्सियस है, और तापमान 30 °C बढ़ता है, तो लंबाई में परिवर्तन की गणना इस प्रकार की जा सकती है:

 ΔL = 12 × 10^-6 × 2 × 30 = 0.00072 मीटर या 0.72 मिमी

2. क्षेत्रीय प्रसार

उन वस्तुओं के लिए जिनकी सतह क्षेत्र बड़ी होती है, जैसे कि शीट या प्लेटें, क्षेत्रीय प्रसार का विचार होता है। क्षेत्रीय प्रसार के लिए सूत्र इस प्रकार है:

 ΔA = 2αA₀ΔT

जहां:

• ΔA क्षेत्र में परिवर्तन है
• A₀ मूल क्षेत्र है

3. आयतन प्रसार

आयतन प्रसार सबसे आम प्रकार का प्रसार है, विशेष रूप से तरल पदार्थों में। यह वर्णन करता है कि एक वस्तु का पूरा आयतन कैसे फैलता है। आयतन प्रसार के लिए सूत्र है:

 ΔV = βV₀ΔT

जहां:

• ΔV आयतन में परिवर्तन है
• β (बीटा) आयतन प्रसार का गुणांक है, जो ठोसों के लिए आमतौर पर लगभग 3α होता है
• V₀ मूल आयतन है

उदाहरण 3: धूप में गुब्बारा

कल्पना करें कि एक गुब्बारा हवा से भरा हुआ है। जब आप इसे धूप में छोड़ते हैं, तो अंदर की हवा गर्म हो जाती है, जिससे गुब्बारा फैलता है। यह आयतन प्रसार का उदाहरण है। यदि आपको आयतन में परिवर्तन की माप करनी है, तो आप प्रारंभिक आयतन और तापमान परिवर्तन के आधार पर प्रसार की गणना करने के लिए ऊपर दिए गए सूत्र का उपयोग कर सकते हैं।

ऊष्मीय प्रसार के अनुप्रयोग

पुल

कई पुलों में विस्तार जोड़ होते हैं जो उन्हें तापमान के बदलाव के साथ बिना किसी संरचनात्मक क्षति के फैलने और सिकुड़ने देते हैं।

द्रव थर्मामीटर में ऊष्मीय प्रसार

द्रव थर्मामीटर, जैसे कि पारे या शराब वाले थर्मामीटर ऊष्मीय प्रसार पर निर्भर करते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, द्रव फैलता है और संकीर्ण ट्यूब में ऊपर उठता है, जो तापमान को इंगित करता है।

विद्युत लाइनें

विद्युत लाइनों को अक्सर खंभों के बीच ढीला लटकाया जाता है ताकि वे गर्मियों में ऊष्मीय प्रसार के बिना टूटें। सर्दियों में, वे सिकुड़ते हैं और ठंड में और भी सख्त हो जाते हैं।

निष्कर्ष

ऊष्मीय प्रसार कई दैनिक घटनाओं और तकनीकी अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह समझना महत्वपूर्ण है कि तापमान परिवर्तन के साथ सामग्री कैसे फैलती और सिकुड़ती है, ताकि सुरक्षित और प्रभावी संरचनाएं, उपकरण और प्रणालियाँ डिजाइन की जा सकें। विभिन्न सामग्रियों के प्रसार गुणांकों को ध्यान में रखते हुए, इंजीनियर और वैज्ञानिक तापमान के उतार-चढ़ाव से होने वाली संभावित समस्याओं का पूर्वानुमान और शमन कर सकते हैं।