तापीय प्रसार

तापीय प्रसार थर्मोडायनामिक्स के क्षेत्र में एक मौलिक अवधारणा है, जो वर्णन करता है कि जब किसी वस्तु के आकार या आयतन में तापमान परिवर्तन होता है तो वह कैसे बदलता है। यह घटना यह समझने में महत्त्वपूर्ण है कि किसी तत्व का व्यवहार कैसे होता है जब उसे गरम या ठंडा किया जाता है। जब किसी तत्व का तापमान बढ़ता है, तो उसके कण अधिक गतिशील होते हैं और इस प्रकार तत्व सामान्यतः फैलता है। इसके विपरीत, जब तापमान कम किया जाता है, तो कण धीमे हो जाते हैं और वस्तु संकुचित हो जाती है।

तापीय प्रसार की मूल बातें

परमाणु और आणविक स्तर पर, पदार्थ कणों से बना होता है जो निरंतर गति में रहते हैं। ये कण कंपित होते हैं और एक दूसरे से टकराते रहते हैं। तापमान मूलतः इन कणों की औसत गतिज ऊर्जा का एक माप होता है। जब किसी तत्व का तापमान बढ़ता है, तो उसके कणों की गतिज ऊर्जा भी बढ़ जाती है। इस बढ़ी हुई गति के कारण, कणों को अधिक स्थान की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप तत्व का प्रसार होता है। इसके विपरीत, जब तापमान घटता है, तो कणों की गति धीमी हो जाती है और पदार्थ संकुचित हो जाता है।

रेखीय प्रसार

रेखीय प्रसार किसी वस्तु की एक दिशा (लंबाई) में तापमान परिवर्तन के कारण होने वाले परिवर्तन को संदर्भित करता है। रेखीय प्रसार पर चर्चा करते समय, इंजीनियर और वैज्ञानिक अक्सर रेखीय प्रसार गुणांक का उपयोग करते हैं, जिसे α प्रतीक द्वारा प्रदर्शित किया जाता है। यह गुणांक एक तत्व-विशिष्ट स्थिरांक होता है जो यह सूचित करता है कि कोई तत्व प्रति डिग्री तापमान वृद्धि कितना फैलता है।

रेखीय प्रसार का समीकरण है:

ΔL = αL₀ΔT

• ΔL लंबाई में परिवर्तन है।
• L₀ सामग्री की मूल लंबाई है।
• ΔT तापमान में परिवर्तन है।
• α रेखीय प्रसार गुणांक है।

उदाहरण के लिए, 20 °C पर 2 मीटर की मूल लंबाई वाली एक धातु छड़ पर विचार करें। यदि छड़ की सामग्री का रेखीय प्रसार गुणांक 12 x 10^-6 / °C है और तापमान 100 °C तक बढ़ जाता है, तो इसकी लंबाई में परिवर्तन की गणना इस प्रकार की जा सकती है:

ΔL = αL₀ΔT = (12 x 10^-6 / °C) * 2 m * (100°C - 20°C) = 0.00192 m

इसलिए, तापमान में वृद्धि के साथ छड़ 0.00192 मीटर (या 1.92 मिमी) फैल जाएगी।

क्षेत्रीय प्रसार

क्षेत्रीय प्रसार यह देखता है कि एक दो-आयामी वस्तु के सतह क्षेत्र के साथ तापमान कैसे बदलता है। यह प्रकार के प्रसार धातु प्लेटों और पतली प्लेटों के उपयोग के संदर्भों में महत्त्वपूर्ण है।

क्षेत्रीय प्रसार को सूत्र द्वारा वर्णित किया जा सकता है:

ΔA = βA₀ΔT

• ΔA क्षेत्र में परिवर्तन है।
• A₀ मूल क्षेत्र है।
• ΔT तापमान में परिवर्तन है।
• β क्षेत्रीय प्रसार गुणांक है, जो अधिकांश सामग्री के लिए 2α के बराबर होता है।

मान लें कि 25°C पर एक धातु प्लेट का क्षेत्रफल 1 वर्ग मीटर है और सामग्री के लिए रेखीय प्रसार गुणांक 10 x 10^-6 / °C है। यदि तापमान 75°C तक बदलता है, तो क्षेत्र में प्रसार की गणना इस प्रकार की जा सकती है:

β = 2α = 2 * (10 x 10^-6 / °C) = 20 x 10^-6 / °C ΔA = βA₀ΔT = (20 x 10^-6) * 1 m² * (75°C - 25°C) = 0.001 m²

इस प्रकार तापमान बढ़ने पर क्षेत्र का विस्तार 0.001 वर्ग मीटर (या 1,000 वर्ग मीटर) तक हो जाता है।

आयतन प्रसार

आयतन प्रसार तापमान परिवर्तन के साथ वस्तु के आयतन में होने वाले परिवर्तनों को संबोधित करता है और तरल पदार्थों या ठोस पदार्थों के महत्वपूर्ण तीन-आयामी अनुपातों के अनुप्रयोगों में महत्त्वपूर्ण है। आयतन प्रसार का सूत्र है:

ΔV = γV₀ΔT

• ΔV आयतन में परिवर्तन है।
• V₀ मूल आयतन है।
• ΔT तापमान में परिवर्तन है।
• γ आयतन प्रसार गुणांक है, जो अधिकांश सामग्री के लिए लगभग 3α होता है।

20°C पर 3 लीटर पानी भरी हुई एक सील की हुई जग पर विचार करें। यदि पानी को 80°C तक गरम किया जाता है और पानी का आयतन प्रसार गुणांक 210 x 10^-6 / °C है, तो आयतन में परिवर्तन इस प्रकार किया जा सकता है:

ΔV = γV₀ΔT = (210 x 10^-6 / °C) * 3 L * (80°C - 20°C) = 0.0378 L

इस प्रकार, बढ़ते तापमान के साथ पानी लगभग 0.0378 लीटर (या 37.8 मि.ली.) तक फैल जाता है।

तापीय प्रसार का दृश्यावलोकन

तापीय प्रसार का दृश्यावलोकन इस अवधारणा को और अधिक प्रभावी ढंग से समझने में मदद करता है। एक मोटी धातु की अंगूठी की कल्पना करें। जब अंगूठी को समान रूप से गरम किया जाता है, तो अंगूठी का प्रत्येक भाग फैलता है, जिससे अंगूठी समग्र रूप से बड़ी हो जाती है। निम्नलिखित उदाहरण में एक वृत्त के गरम होने पर विस्तार का सरलीकृत दृश्य दिखाया गया है।

इस आरेख में, बाईं ओर का वृत्त मूल आकार दिखाता है, और दाईं ओर का वृत्त गरम होने के बाद विस्तारित आकार दिखाता है। यह दृश्यावलोकन प्रदर्शित करता है कि कैसे आयाम आनुपातिक रूप से बढ़ते हैं।

पाठ उदाहरण: रेल की पटरियाँ

तापीय प्रसार का व्यावहारिक उदाहरण रेल की पटरियों का डिजाइन है। धातु की रेल आमतौर पर इस्पात से बनी होती हैं जो मौसमी तापमान परिवर्तन के साथ फैलती और सिकुड़ती हैं। तापीय प्रसार के लिए पटरियों के खंडों के बीच छोटे अंतर छोड़े जाते हैं ताकि वे कुटिल या मुड़ न जाएं। इसे एक उदाहरण के माध्यम से समझते हैं।

मान लें कि प्रत्येक पटरी खंड की प्रारंभिक लंबाई 15°C पर 12 मीटर है। इस्पात के लिए 11 x 10^-6 / °C का रेखीय प्रसार गुणांक दिया गया है, यदि तापमान 35°C तक बढ़ता है, तो लंबाई में वृद्धि होगी:

ΔL = αL₀ΔT = (11 x 10^-6 / °C) * 12 m * (35°C - 15°C) = 0.00264 m

प्रत्येक खंड तापमान बढ़ने के साथ 0.00264 मीटर (या 2.64 मिमी) लंबा हो जाएगा। डिजाइनरों को इस प्रसार को ध्यान में रखना चाहि ए और संरचनात्मक क्षति से बचने के लिए पटरियों के बीच पर्याप्त अंतर छोड़ना चाहिए।

अनुप्रयोग और निहितार्थ

तापीय प्रसार, हालांकि अक्सर सूक्ष्म होता है, के कई इंजीनियरिंग अनुप्रयोग और परिणाम हैं। पुलों में संरचनात्मक अखंडता के विफलता को रोकने के लिए विस्तार जोड़ों की आवश्यकता होती है क्योंकि सामग्री फैलती और सिकुड़ती हैं। इमारतों के डिज़ाइन में सावधानीपूर्वक योजना की आवश्यकता होती है ताकि तापमान में परिवर्तन के साथ होने वाले सूक्ष्म आंदोलनों को समायोजित किया जा सके।

कांच में तरल थर्मामीटर का एक अन्य महत्त्वपूर्ण अनुप्रयोग तापीय प्रसार है। अंदर का तरल (आमतौर पर पारा या रंगीन शराब) बाहर के तापमान में परिवर्तन के साथ फैलता और सिकुड़ता है, और थर्मामीटर पर ऊपरी या निचले पायदान पर स्थानांतरित होकर तापमान का निर्दशन करता है।

इलेक्ट्रॉनिक्स में तापीय प्रसार को समझना भी आवश्यक है। सर्किट बोर्ड संचालन के दौरान गर्म होते हैं, इसलिए टूटने या कनेक्शन की समस्याओं को रोकने के लिए तापीय प्रसार पर विचार करना महत्वपूर्ण है।

निष्कर्ष

संक्षेप में, तापीय प्रसार एक महत्त्वपूर्ण भौतिकी अवधारणा है जो यह बताती है कि वस्तुएं तापमान परिवर्तन के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। यह रेखीय, क्षेत्रीय और आयतन प्रसार के माध्यम से प्रकट होता है। ये सिद्धांत वास्तविक दुनिया के कई अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण हैं, जैसे कि रेलवे से लेकर एयरोस्पेस इंजीनियरिंग तक। तापीय प्रसार को समझने से इंजीनियर संरचनाओं को डिजाइन कर सकते हैं जो पर्यावरणीय तापमान में परिवर्तनों के बावजूद सुरक्षित और कार्यात्मक रहती हैं।

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