बुनियादी भौतिकी ट्यूटोरियल

थर्मामीटर और तापमान मापने के पैमाने के बारे में लेख

1. थर्मामीटर

तापमान मापने के लिए इस्तेमाल होने वाला उपकरण थर्मामीटर है। थर्मामीटर कई प्रकार के होते हैं, लेकिन उनका कार्य सिद्धांत एक ही होता है। आमतौर पर, हम ऐसे थर्मामीटर का उपयोग करते हैं जो तापमान के साथ बदलते हैं। तापमान में परिवर्तन होने पर वस्तु का आकार और आकृति भी बदल जाती है। अधिकांश थर्मामीटर ऐसी वस्तुओं से बने होते हैं जो तापमान परिवर्तन के साथ फैलती या सिकुड़ती हैं। आमतौर पर इस्तेमाल होने वाले थर्मामीटर कांच की नलियों से बने होते हैं, जिनके केंद्र में अल्कोहल या पारा भरा होता है। तापमान बढ़ने पर, पात्र में मौजूद अल्कोहल या पारा फैलता है जिससे अल्कोहल या पारे के स्तंभ की लंबाई बढ़ जाती है। इसके विपरीत, तापमान घटने पर अल्कोहल या पारे के स्तंभ की लंबाई घट जाती है। कांच की नली के बाहरी भाग पर अंक अंकित होते हैं जो थर्मामीटर का पैमाना होते हैं। अल्कोहल या पारे के स्तंभ के ऊपरी सिरे पर दिखाई देने वाला अंक मापी जा रही वस्तु के तापमान का मान बताता है।

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ऊष्मागतिकी के शून्यवें नियम के बारे में लेख

अभी तक हमने केवल संपर्क में मौजूद दो वस्तुओं द्वारा अनुभव किए जाने वाले ऊष्मीय संतुलन का ही अवलोकन किया है।

ऊष्मीय संतुलन की अवधारणा को और गहराई से समझने के लिए, आइए तीन वस्तुओं (मान लीजिए वस्तु A, वस्तु B और वस्तु C) पर विचार करें। उदाहरण के लिए, वस्तु B और वस्तु C एक दूसरे को स्पर्श नहीं करती हैं, लेकिन वस्तु A, वस्तु B के संपर्क में है और वस्तु A, वस्तु C के संपर्क में है। नीचे दिए गए चित्र को देखें। चूंकि वस्तु A और वस्तु B एक दूसरे के संपर्क में हैं और ऊष्मीय संतुलन में हैं, इसलिए वस्तु A और वस्तु C भी ऊष्मीय संतुलन में हैं। क्या वस्तु B और C, जो एक दूसरे को स्पर्श नहीं करती हैं, भी ऊष्मीय संतुलन में हैं? यदि हम केवल तर्क का प्रयोग करें, तो हम कह सकते हैं कि वस्तु B और वस्तु C भी ऊष्मीय संतुलन में हैं, भले ही वे संपर्क में न हों। वस्तु A और वस्तु B ऊष्मीय संतुलन में हैं, जिसका अर्थ है कि वस्तु A का तापमान = वस्तु B का तापमान।

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तापमान की परिभाषा और ऊष्मीय संतुलन के बारे में लेख

तापमान की परिभाषा

क्या आपने कभी बर्फ को छुआ है? बर्फ छूने पर आपको कैसा महसूस होता है? अगर आप आग को छूते हैं तो क्या होगा? बर्फ छूने पर आपके हाथ ठंडे लगते हैं, आग छूने पर गर्म लगते हैं। गर्म, गुनगुना, ठंडा, ठंडा - ये सब क्या दर्शाता है?

तापमान की अवधारणा हमारी स्पर्श इंद्रिय द्वारा अनुभव की जाने वाली गर्माहट और ठंडक से शुरू होती है। स्पर्श इंद्रिय द्वारा महसूस की गई अनुभूति के आधार पर, हम कहते हैं कि एक वस्तु दूसरी वस्तु से अधिक गर्म है या एक वस्तु दूसरी वस्तु से अधिक ठंडी है। गर्म वस्तुओं का तापमान अधिक होता है, जबकि ठंडी वस्तुओं का तापमान कम होता है। वस्तु जितनी ठंडी होगी, उसका तापमान उतना ही कम होगा। इसके विपरीत, वस्तु जितनी गर्म होगी, उसका तापमान उतना ही अधिक होगा। किसी वस्तु की गर्माहट या ठंडक की मात्रा को तापमान कहते हैं। गैस गतिकी सिद्धांत के विषय में, आप तापमान की परिभाषा को और गहराई से समझेंगे; किसी वस्तु के अणुओं में क्या परिवर्तन होते हैं जिसके कारण वह गर्म, गुनगुनी, ठंडी या सर्द महसूस होती है।

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पदार्थ की अवस्थाओं के बारे में लेख (सूक्ष्मदर्शी गुणों पर आधारित)

रोजमर्रा की जिंदगी में, हम अक्सर पदार्थ की तीन अलग-अलग अवस्थाओं का सामना करते हैं। ठोस पदार्थ (जैसे पत्थर, लोहा आदि), तरल पदार्थ (पानी, पेट्रोल आदि) और गैसीय पदार्थ (हवा आदि)। इन पदार्थों की तीनों अवस्थाओं को उनके आकार और आकृति को बनाए रखने की क्षमता के आधार पर पहचाना जा सकता है।

ठोस पदार्थ आमतौर पर एक निश्चित आकार और आयतन बनाए रखते हैं। द्रव का कोई निश्चित आकार नहीं होता, बल्कि वह जिस पात्र में रखा जाता है, उसके अनुसार अपना आकार बदल लेता है। उदाहरण के लिए, यदि हम पानी को गिलास में डालते हैं, तो उसका आकार गिलास के आकार में बदल जाता है। यदि पानी को बाथटब में डाला जाए, तो उसका आकार बाथटब के आकार में बदल जाता है। द्रव का आयतन आमतौर पर स्थिर रहता है। यदि पानी से भरा गिलास बाथटब में रखा जाए, तो पानी की मात्रा गिलास में ही रहती है। पानी का आकार बदल सकता है, लेकिन आयतन कभी नहीं बदलता। ध्यान रखें कि पर्याप्त बल लगने पर ठोस और द्रव पदार्थों की मात्रा बदल सकती है।

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परमाणु सिद्धांत और गतिज सिद्धांत के बारे में लेख

आणविक सिद्धांत

हजारों वर्षों से प्राचीन यूनानियों का मानना ​​था कि प्रत्येक शुद्ध पदार्थ (जैसे सोना, लोहा आदि) परमाणुओं से बना होता है। उनके अनुसार, यदि किसी शुद्ध पदार्थ को छोटे-छोटे टुकड़ों में काटा जाए, फिर उन छोटे टुकड़ों को दोबारा काटा जाए, फिर से काटा जाए... और यह प्रक्रिया चलती रहे, तो अंत में सबसे छोटे टुकड़े बचेंगे जिन्हें दोबारा नहीं काटा जा सकता। इन सबसे छोटे टुकड़ों को परमाणु कहते हैं। परमाणु का अर्थ है "विभाजित नहीं किया जा सकता" (ग्रीक भाषा)।

उस समय, परमाणु को अविभाज्य माना जाता था। लेकिन बाद में कुछ वैज्ञानिकों ने इलेक्ट्रॉनों और परमाणु नाभिकों (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन) की खोज की, जिससे यह धारणा गलत साबित हुई कि परमाणुओं को विभाजित नहीं किया जा सकता। इसलिए, परमाणु इलेक्ट्रॉनों (ऋणात्मक आवेशित) और परमाणु नाभिकों से मिलकर बने होते हैं। इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर घूमते हैं। नाभिक के अंदर प्रोटॉन (धनात्मक आवेशित) और न्यूट्रॉन (उदासीन या आवेशरहित) होते हैं।

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अवस्था परिवर्तन, क्रांतिक तापमान, त्रिक बिंदु के बारे में लेख

आदर्श गैस नियम की चर्चा में यह बताया गया है कि आदर्श गैस नियम वास्तविक गैस के व्यवहार का सटीक वर्णन तभी करता है जब वास्तविक गैस का दाब और घनत्व बहुत अधिक न हो। यदि दाब और घनत्व पर्याप्त रूप से अधिक हों, तो आदर्श गैस नियम गलत परिणाम देता है, ठीक उसी प्रकार जब वास्तविक गैस का तापमान क्वथनांक के निकट पहुँच जाता है। यह वास्तविक गैस के अणुओं के बीच होने वाली अंतःक्रियाओं से संबंधित है। गैस का दाब गैस के आयतन के व्युत्क्रमानुपाती होता है। जब गैस का दाब पर्याप्त रूप से अधिक होता है, तो गैस का आयतन कम हो जाता है। क्योंकि गैस का आयतन कम होता है, इसलिए गैस के अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है। जब अणुओं के बीच की दूरी कम हो जाती है, तो अणु एक दूसरे को आकर्षित करते हैं। यह वैसा ही है जैसे आप लोहे के एक टुकड़े को चुंबक पर रखते हैं। यदि चुंबक और लोहे के बीच की दूरी पर्याप्त अधिक हो, तो चुंबक लोहे को खींच नहीं सकता। लेकिन यदि चुंबक और लोहे के बीच की दूरी कम हो, तो लोहा चुंबक की ओर आकर्षित होता है।

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वैन डेर वाल्स डच भौतिक विज्ञानी जे.डी. वैन डेर वाल्स (1837-1923) का नाम है। वैन डेर वाल्स अवस्था समीकरण एक गैस का अवस्था समीकरण है, जो आदर्श गैस के अवस्था समीकरण के समान है। अंतर यह है कि आदर्श गैस का अवस्था समीकरण वास्तविक गैस के दाब और घनत्व अधिक होने पर सटीक परिणाम नहीं दे सकता। जबकि वैन डेर वाल्स अवस्था समीकरण अधिक सटीक परिणाम दे सकता है।

इस समीकरण का स्रोत वैन डेर वाल्स हैं, जिन्होंने आदर्श अवस्था के समीकरण की सीमाओं को पहचाना। वाल्स ने आदर्श गैस की अवस्था के समीकरण को संशोधित किया और उसमें कई ऐसे कारक जोड़े जो वास्तविक गैस की स्थिति को भी प्रभावित करते हैं, खासकर जब वास्तविक गैस का दबाव और घनत्व अधिक हो।

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वाष्पीकरण की प्रक्रिया को गति सिद्धांत का उपयोग करके समझाया जा सकता है। गैस के अणुओं की तरह, जल के अणु भी गतिमान होते हैं। अंतर यह है कि जल के अणु बिखर नहीं सकते क्योंकि अणुओं के बीच का आकर्षण उन्हें आपस में बांधे रखता है। इसके विपरीत, गैस के अणुओं के बीच का आकर्षण कमजोर होता है, इसलिए वे आपस में जुड़ नहीं सकते। गतिमान होने पर जल के अणुओं में वेग होता है। कुछ जल के अणु बहुत तेज गति से चलते हैं; कुछ का वेग कम होता है। जल के अणुओं के वेग का वितरण मैक्सवेल वितरण के समान होता है।

वाष्पीकरण तब होता है जब जल के अणुओं की गति इतनी अधिक हो जाती है कि उनके बीच का आकर्षण बल उन्हें आपस में बांधे रखने में असमर्थ हो जाता है। अंतरिक्ष में जाने वाले रॉकेटों की तरह, जब रॉकेट की गति इतनी अधिक हो जाती है कि पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण बल उसे पृथ्वी पर स्थिर नहीं रख पाता, तब वाष्पीकरण होता है। ध्यान दें कि केवल तीव्र गति वाले अणु ही अणुओं के बीच के आकर्षण बल से मुक्त हो सकते हैं। धीमी गति वाले अणु आपस में बंधे रहते हैं, जैसे कि जल।

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उबलना एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें द्रव गैस में परिवर्तित होता है। उबलना तब होता है जब संतृप्त वाष्प दाब वायु दाब के बराबर होता है (वायु दाब = वायुमंडलीय दाब)। हम यहाँ केवल पानी के उबलने की बात करेंगे। पानी का संतृप्त वाष्प दाब पानी के तापमान के सीधे समानुपाती होता है; पानी का तापमान जितना अधिक होगा, संतृप्त वाष्प का दाब उतना ही अधिक होगा। जब हम पानी को गर्म करते हैं, तो बर्तन के तल पर आमतौर पर छोटे-छोटे बुलबुले दिखाई देते हैं। बुलबुलों की उपस्थिति द्रव के गैस में परिवर्तन का संकेत देती है। यदि बुलबुले के भीतर संतृप्त वाष्प दाब बाहरी वायु दाब से कम है, तो बुलबुला सतह तक पहुँचने से पहले ही सिकुड़कर विघटित हो जाएगा। बुलबुले इसलिए विघटित होते हैं क्योंकि बाहरी वायु का बल बुलबुले के भीतर की वाष्प के बल से अधिक होता है। बाहरी वायु दाब बुलबुले के भीतर वाष्प दाब से अधिक होता है, इसलिए बाहरी वायु का बल अधिक महत्वपूर्ण होता है (P = F / A)।

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आर्द्रता हवा में जल वाष्प की मात्रा बताती है। बारिश होने पर वातावरण बहुत आर्द्र हो जाता है क्योंकि हवा में जल वाष्प की मात्रा अधिक होती है। इसके विपरीत, यदि हवा में जल वाष्प की मात्रा बहुत कम हो तो हवा शुष्क होती है। हवा में जल वाष्प की मात्रा को सापेक्ष आर्द्रता से व्यक्त किया जाता है।

सापेक्ष आर्द्रता किसी निश्चित तापमान पर भाप के आंशिक दाब और पानी की संतृप्त वाष्प के दाब का अनुपात है (भाप जल वाष्प होती है)। सापेक्ष आर्द्रता को प्रतिशत में व्यक्त किया जाता है, जिसे गणितीय रूप से इस प्रकार सूत्रबद्ध किया जाता है:

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