ऊष्मा (Heat) और ऊष्मागतिकी (Thermodynamics)

ऊष्मा (Heat) और ऊष्मागतिकी (Thermodynamics) – संपूर्ण अध्याय

1. परिचय

ऊष्मा एक प्रकार की ऊर्जा है जो तापमान में वृद्धि या किसी माध्यम में स्थानांतरण के रूप में देखी जाती है। इसे ऊर्जा के अन्य रूपों में बदला जा सकता है और यह मुख्य रूप से तीन माध्यमों – चालन (Conduction), संवहन (Convection), और विकिरण (Radiation) – द्वारा संचरित होती है। ऊष्मा की मूलभूत अवधारणाओं को समझने के लिए हमें ताप, ऊष्मा के मात्रक, ऊष्मीय प्रसार, ऊष्मा संचरण और ऊष्मागतिकी के नियमों का अध्ययन करना आवश्यक होता है।

2. ऊष्मा के मात्रक और पैमाने

ऊष्मा को विभिन्न मात्रकों में मापा जाता है:

जूल (Joule) – ऊष्मा की SI इकाई, 1 जूल वह ऊर्जा होती है जो 1 न्यूटन बल द्वारा 1 मीटर विस्थापन में दी जाती है।
कैलोरी (Calorie) – 1 ग्राम जल का तापमान 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा।
अंतर्राष्ट्रीय कैलोरी (International Calorie) – 1 कैलोरी = 4.186 जूल।
ब्रिटिश थर्मल यूनिट (BTU) – 1 पाउंड जल का तापमान 1°F बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा।

3. ताप और तापमापन

ताप किसी वस्तु के अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा का माप होता है। इसे विभिन्न तापमापियों द्वारा मापा जाता है।

तापमापी के प्रकार:

पारा तापमापी (Mercury Thermometer) – सबसे अधिक प्रयोग किया जाने वाला तापमापी।
द्रव तापमापी (Liquid Thermometer) – इसमें अल्कोहल या अन्य तरल पदार्थ का उपयोग किया जाता है।
गैस तापमापी (Gas Thermometer) – गैस के आयतन में परिवर्तन से ताप को मापा जाता है।
प्लैटिनम प्रतिरोध तापमापी (Platinum Resistance Thermometer) – विद्युत प्रतिरोध के आधार पर कार्य करता है।
तापयुग्म तापमापी (Thermocouple Thermometer) – दो धातुओं के संयोग से ताप को मापा जाता है।

तापमान पैमाने और उनके बीच संबंध:

सेल्सियस (Celsius): जल का हिमांक 0°C और क्वथनांक 100°C।
फॉरेनहाइट (Fahrenheit): जल का हिमांक 32°F और क्वथनांक 212°F।
केल्विन (Kelvin): परम ताप पैमाना, 0 K को परम शून्य माना जाता है।

संबंध: K=°C+273.15K = °C + 273.15 °F=95°C+32°F

4. ऊष्मा का संचरण (Heat Transfer)

ऊष्मा का संचरण तीन माध्यमों से होता है:

(i) चालन (Conduction)

ऊष्मा ठोसों में बिना माध्यम के गति के संचारित होती है।
उदाहरण: धातु की छड़ को गर्म करने पर ताप एक सिरे से दूसरे सिरे तक जाता है।

(ii) संवहन (Convection)

द्रव और गैसों में, कणों के गति से ऊष्मा का संचार होता है।
उदाहरण: समुद्री हवाएँ, गीजर में जल का गर्म होना।

(iii) विकिरण (Radiation)

ऊष्मा निर्वात में, बिना माध्यम के संचरित होती है।
उदाहरण: सूर्य से पृथ्वी तक ऊष्मा का आना।

5. ऊष्मागतिकी (Thermodynamics)

ऊष्मा और कार्य के बीच संबंधों का अध्ययन ऊष्मागतिकी कहलाता है।

ऊष्मागतिकी के नियम (Laws of Thermodynamics):

1. ऊष्मागतिकी का पहला नियम (First Law of Thermodynamics)

यह ऊर्जा संरक्षण का नियम है।
ऊष्मा, कार्य और आंतरिक ऊर्जा के बीच संबंध दर्शाता है: ΔU=Q−W जहाँ,
- ΔU= आंतरिक ऊर्जा परिवर्तन,
- Q = दी गई ऊष्मा,
- W = किया गया कार्य।

यह नियम बताता है कि किसी बंद प्रणाली में दी गई ऊष्मा का कुछ भाग आंतरिक ऊर्जा बढ़ाने में तथा कुछ भाग बाह्य कार्य करने में उपयोग होता है।

2. ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम (Second Law of Thermodynamics)

यह नियम बताता है कि ऊष्मा स्वतः उच्च तापमान से निम्न तापमान की ओर प्रवाहित होती है।
इसे क्लॉसियस कथन और केल्विन-प्लांck कथन के रूप में व्यक्त किया जाता है:
1. क्लॉसियस कथन: यह असंभव है कि ऊष्मा किसी ठंडी वस्तु से गर्म वस्तु की ओर स्वयं प्रवाहित हो, जब तक कि बाह्य कार्य न किया जाए।
2. केल्विन-प्लांck कथन: यह असंभव है कि कोई इंजन केवल एक ऊष्मा स्रोत से कार्य निष्पादित करे और शेष ऊष्मा को बिना अपव्यय किए कार्य में परिवर्तित कर दे।

इस नियम के अनुसार, कोई भी ऊष्मा इंजन 100% दक्षता के साथ कार्य नहीं कर सकता, क्योंकि कुछ ऊष्मा अपशिष्ट के रूप में खो जाती है।

6. ऊष्मा के महत्वपूर्ण नियम

1. न्यूटन का शीतलन नियम (Newton’s Law of Cooling)

न्यूटन का शीतलन नियम बताता है कि किसी गर्म वस्तु की शीतलन दर उसके ताप और परिवेश के तापमान के बीच के अंतर के समानुपाती होती है, जब यह अंतर अधिक नहीं होता।

dT/dt=−k(T−T₀)

जहाँ:

dT/dt = समय के साथ ताप परिवर्तन की दर,
T = वस्तु का तापमान,
T₀ = परिवेश का तापमान,
k = समानुपाती स्थिरांक।

न्यूटन के शीतलन नियम के अनुप्रयोग:

गर्म चाय का ठंडा होना।
शव परीक्षण में मृत्यु का समय अनुमान लगाना।
औद्योगिक प्रसंस्करण में गर्म पदार्थों को ठंडा करना।

2. स्टीफेन का नियम (Stefan’s Law)

स्टीफेन का नियम बताता है कि किसी ब्लैक बॉडी (काली वस्तु) द्वारा उत्सर्जित कुल ऊर्जा उसके तापमान के चौथे घात के समानुपाती होती है।

E=σT⁴

जहाँ:

E = प्रति इकाई क्षेत्रफल पर उत्सर्जित ऊर्जा,
T = वस्तु का तापमान (केल्विन में),
σ = स्टीफेन-बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक (5.67×10⁻⁸Wm⁻²K⁻⁴ )

स्टीफेन के नियम के अनुप्रयोग:

तारे और सूर्य की ऊर्जा विकिरण दर का अनुमान लगाना।
तापमान मापन के लिए थर्मल कैमरा।
औद्योगिक तापीय उत्सर्जन का अध्ययन।

3. किर्कहोप का नियम (Kirchhoff’s Law of Radiation)

किर्कहोप का विकिरण नियम बताता है कि किसी शरीर का अवशोषण गुणांक (absorption coefficient) और उत्सर्जन गुणांक (emission coefficient) समान होते हैं, जब वह ऊष्मीय संतुलन में हो।

a=e

जहाँ:

a = अवशोषण गुणांक,
e = उत्सर्जन गुणांक।

किर्कहोप के नियम के अनुप्रयोग:

ब्लैक बॉडी विकिरण के अध्ययन में।
तापीय विकिरण को समझने में।
सूर्य और अन्य तारों के तापमान का निर्धारण।

ऊष्मा और ऊष्मागतिकी (Heat and Thermodynamics) से संबंधित शीर्ष 25 वस्तुनिष्ठ प्रश्न (Objective Questions) और उनके उत्तर नीचे दिए गए हैं:

1. ऊष्मा का SI मात्रक क्या है?

(a) केल्विन
(b) जूल
(c) कैलोरी
(d) वाट
उत्तर: (b) जूल

2. ऊष्मा के स्थानांतरण की कितनी विधियाँ हैं?

(a) 2
(b) 3
(c) 4
(d) 5
उत्तर: (b) 3

3. ऊष्मागतिकी का पहला नियम किससे संबंधित है?

(a) ऊर्जा संरक्षण
(b) एन्ट्रॉपी
(c) तापीय प्रसार
(d) ऊष्मा का प्रवाह
उत्तर: (a) ऊर्जा संरक्षण

4. ऊष्मा ऊर्जा को किसमें बदला जा सकता है?

(a) यांत्रिक ऊर्जा
(b) विद्युत ऊर्जा
(c) रासायनिक ऊर्जा
(d) उपरोक्त सभी
उत्तर: (d) उपरोक्त सभी

5. ऊष्मा का चालन किसमें सबसे अधिक होता है?

(a) लकड़ी
(b) प्लास्टिक
(c) चाँदी
(d) रबर
उत्तर: (c) चाँदी

6. ऊष्मा का विकिरण किस रूप में होता है?

(a) ध्वनि तरंगें
(b) विद्युत चुम्बकीय तरंगें
(c) यांत्रिक तरंगें
(d) जल तरंगें
उत्तर: (b) विद्युत चुम्बकीय तरंगें

7. ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम क्या बताता है?

(a) ऊर्जा संरक्षण
(b) एन्ट्रॉपी में वृद्धि
(c) तापीय संतुलन
(d) ऊष्मा का स्वतः प्रवाह
उत्तर: (b) एन्ट्रॉपी में वृद्धि

8. एन्ट्रॉपी (Entropy) क्या है?

(a) ऊर्जा का माप
(b) अव्यवस्था का माप
(c) तापमान का माप
(d) दबाव का माप
उत्तर: (b) अव्यवस्था का माप

9. विशिष्ट ऊष्मा (Specific Heat) क्या है?

(a) पदार्थ के एक ग्राम का तापमान 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा
(b) पदार्थ के एक किलोग्राम का तापमान 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा
(c) पदार्थ के एक मोल का तापमान 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा
(d) पदार्थ के एक लीटर का तापमान 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा
उत्तर: (a) पदार्थ के एक ग्राम का तापमान 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा

10. ऊष्मा का संवहन किसमें होता है?

(a) ठोस
(b) द्रव और गैस
(c) निर्वात
(d) धातु
उत्तर: (b) द्रव और गैस

11. ऊष्मा का अच्छा अवशोषक कौन सा पदार्थ है?

(a) सफेद पदार्थ
(b) चमकीला पदार्थ
(c) काला पदार्थ
(d) पारदर्शी पदार्थ
उत्तर: (c) काला पदार्थ

12. ऊष्मा का खराब चालक कौन सा पदार्थ है?

(a) चाँदी
(b) ताँबा
(c) लकड़ी
(d) एल्युमीनियम
उत्तर: (c) लकड़ी

13. तापीय प्रसार (Thermal Expansion) क्या है?

(a) तापमान बढ़ने पर पदार्थ के आयतन में वृद्धि
(b) तापमान बढ़ने पर पदार्थ के द्रव्यमान में वृद्धि
(c) तापमान बढ़ने पर पदार्थ के घनत्व में वृद्धि
(d) तापमान बढ़ने पर पदार्थ के आयतन में कमी
उत्तर: (a) तापमान बढ़ने पर पदार्थ के आयतन में वृद्धि

14. ऊष्मा इंजन की दक्षता किस पर निर्भर करती है?

(a) स्रोत और सिंक के तापमान पर
(b) ईंधन की मात्रा पर
(c) इंजन के आकार पर
(d) कार्य की मात्रा पर
उत्तर: (a) स्रोत और सिंक के तापमान पर

15. परम शून्य तापमान क्या है?

(a) 0°C
(b) -100°C
(c) -273.15°C
(d) -373.15°C
उत्तर: (c) -273.15°C

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भौतिकी (Physics) – अध्याय 13 :- ऊष्मा (Heat) और ऊष्मागतिकी (Thermodynamics)