लेख: ऊष्मा की परिभाषा, ऊष्मा का यांत्रिक समतुल्य, ऊष्मा का समीकरण
1. ऊष्मा की परिभाषा
यदि तापमान में अंतर वाली वस्तुएँ एक-दूसरे को छूती हैं, तो उच्च तापमान वाली वस्तुओं से कम तापमान वाली वस्तुओं में ऊष्मा का स्थानांतरण होता है। स्पर्श करने वाली वस्तुओं का तापमान समान होने पर ऊष्मा का स्थानांतरण रुक जाता है। उदाहरण के लिए, यदि हम गर्म पानी को ठंडे पानी में मिलाते हैं, तो आमतौर पर ऊष्मा गर्म पानी से ठंडे पानी में स्थानांतरित होती है। जब हम गर्म लोहे को ठंडे पानी में डालते हैं, तो ऊष्मा लोहे से पानी में स्थानांतरित होती है। लोहे और पानी का तापमान समान होने पर ऊष्मा का प्रवाह रुक जाता है। जब कोई नर्स आपके शरीर पर थर्मामीटर लगाती है, तो ऊष्मा एक दूसरे से दूसरे में स्थानांतरित होती है।
आपका शरीर थर्मामीटर के पास जाता है। शरीर और थर्मामीटर का तापमान बराबर होने पर ऊष्मा का स्थानांतरण रुक जाता है। यदि आप पारे का थर्मामीटर इस्तेमाल कर रहे हैं, तो शरीर और थर्मामीटर का तापमान बराबर होने पर पारे की सतह हिलना बंद कर देती है। पारे की सतह पर दिखाई देने वाला अंक उस समय आपके शरीर का तापमान होता है।
स्वाभाविक रूप से, ऊष्मा स्वतः ही उच्च तापमान वाली वस्तुओं से निम्न तापमान वाली वस्तुओं की ओर स्थानांतरित होती है।
कम तापमान वाली वस्तुएँ। ऊष्मा स्थानांतरण एक दूसरे को छूने वाली वस्तुओं के तापमान को बराबर करने की प्रवृत्ति रखता है। 18वीं शताब्दी में, भौतिकविदों को संदेह था कि ऊष्मा प्रवाह एक तरल पदार्थ की गति थी, एक ऐसा तरल पदार्थ जो दिखाई नहीं देता था (तरल पदार्थ वह पदार्थ है जो बह सकता है। तरल पदार्थ में द्रव और गैसीय पदार्थ शामिल हैं। जल (द्रव) तरल पदार्थ की श्रेणी में आता है क्योंकि यह बह सकता है। वायु भी तरल पदार्थ की श्रेणी में आती है क्योंकि यह बह सकती है)। इस तरल पदार्थ को कैलोरी कहा जाता है। कैलोरी का सिद्धांत अब प्रयोग में नहीं आता क्योंकि प्रयोगों के परिणामों के आधार पर इस कैलोरी के अस्तित्व को सिद्ध नहीं किया जा सकता। 19वीं शताब्दी में, जेम्स प्रेस्कॉट जूल (1818-1889) नामक एक अंग्रेज भौतिक विज्ञानी ने एक सरगर्मी पहिये का उपयोग करके एक बर्तन में पानी को गर्म करना सीखा।
प्रयोग के परिणामों के आधार पर, जूल ने आग से गर्म किए गए पानी की तुलना की। जब एक लौ और पानी से भरा बर्तन संपर्क में आते हैं, तो ऊष्मा आग (उच्च तापमान) से पानी (निम्न तापमान) की ओर स्थानांतरित होती है। आग के संपर्क में आने से पानी के तापमान में वृद्धि और हिलाने वाले यंत्र द्वारा किए गए कार्य के कारण पानी के तापमान में वृद्धि की तुलना करने के बाद, जूल ने निष्कर्ष निकाला कि ऊष्मा वह ऊर्जा है जो उच्च तापमान वाली वस्तु से निम्न तापमान वाली वस्तु की ओर स्थानांतरित होती है। ऊष्मा ऊर्जा नहीं है (ऊष्मा किसी विशेष प्रकार की ऊर्जा नहीं है, जैसे गतिज ऊर्जा, स्थितिज ऊर्जा, रासायनिक ऊर्जा आदि)। ऊष्मा तापमान के अंतर के कारण स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा है। इसलिए, जब ऊष्मा उच्च तापमान वाली वस्तुओं से निम्न तापमान वाली वस्तुओं की ओर प्रवाहित होती है, तो ऊर्जा उच्च तापमान वाली वस्तुओं से निम्न तापमान वाली वस्तुओं की ओर स्थानांतरित होती है। संपर्क में आने वाली वस्तुओं का तापमान समान होने पर ऊर्जा का स्थानांतरण रुक जाता है।
2. ऊष्मा की इकाई और ऊष्मा का यांत्रिक समतुल्य
ऊष्मा की इकाई कैलोरी (संक्षिप्त रूप में cal) होती है। कैलोरी वह ऊष्मा की मात्रा है जो 1 ग्राम पानी का तापमान 1 डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए आवश्यक होती है।o (ठीक से, 14.5 से) o15.5 सी o(C)। पानी के अलग-अलग तापमानों के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा भिन्न होती है। समान मात्रा में ऊष्मा के लिए, पानी के तापमान में 1 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि से तापमान में काफी वृद्धि हो जाती है।o यह केवल 14.5 डिग्री सेल्सियस के तापमान के बीच होता है। o15.5 सी oC. ऊष्मा इकाइयों का प्रयोग अक्सर किया जाता है, विशेष रूप से खाद्य ऊर्जा के मान को किलोकैलोरी (kcal) में व्यक्त करने के लिए। 1 kcal = 1000 कैलोरी। 1 kcal = 1 कैलोरी (बड़े अक्षर K) के अन्य नाम भी हैं। ब्रिटिश ताप प्रणाली में ऊष्मा इकाई Btu (ब्रिटिश थर्मल यूनिट) है। 1 Btu = 1 पाउंड (0.45 kg) पानी का तापमान 1 Fo (ठीक 63 से) बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा। oएफ 64 करने के लिए oएफ)।
ऊष्मा ऊर्जा से संबंधित है, इसलिए हमें ऊष्मा और ऊर्जा की इकाइयों के बीच संबंध जानना आवश्यक है। जूल और अन्य वैज्ञानिकों द्वारा किए गए प्रयोगों के आधार पर यह ज्ञात है कि 4.186 जूल का कार्य 1 कैलोरी ऊष्मा के बराबर होता है।
1 कैलोरी = 4.186 जूल
1 किलो कैलोरी = 1000 कैलोरी = 4186 जूल
1 बीट्यू = 778 फीट (0.24 किमी)। पाउंड = 252 कैलोरी = 1055 जूल
(1 कैलोरी = 4.186 जूल और 1 किलो कैलोरी = 4186 जिसे ऊष्मा का यांत्रिक समतुल्य कहा जाता है)
3. ऊष्मा का समीकरण
यदि तापमान में अंतर वाली वस्तुएँ एक दूसरे को स्पर्श करती हैं, तो स्वाभाविक रूप से ऊष्मा अधिक तापमान वाली वस्तु से कम तापमान वाली वस्तु की ओर स्थानांतरित होती है। ऊष्मा स्थानांतरण तब रुक जाता है जब दोनों वस्तुएँ ऊष्मीय संतुलन में आ जाती हैं। ऊष्मा स्थानांतरण के कारण एक दूसरे को स्पर्श करने वाली वस्तुओं के तापमान में परिवर्तन होता है। इस संक्षिप्त व्याख्या के आधार पर, आप यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि ऊष्मा (Q) का किसी वस्तु और उसके तापमान में परिवर्तन (ΔT), वस्तु के द्रव्यमान (m) और वस्तु के प्रकार के बीच संबंध होता है।
ऊष्मा (Q) और तापमान परिवर्तन (ΔT) के बीच संबंध
जितनी अधिक ऊष्मा होगी, तापमान में उतना ही अधिक परिवर्तन होगा। इससे यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि ऊष्मा की मात्रा (Q) वस्तु के तापमान में परिवर्तन के समानुपाती होती है।
Q α ΔT —– तुलना 1
ऊष्मा (Q) और वस्तुओं के द्रव्यमान (m) के बीच संबंध
ऊष्मा की मात्रा (Q) वस्तु के तापमान में परिवर्तन के समानुपाती होती है। पानी की मात्रा जितनी अधिक होगी, उसका तापमान बढ़ाने के लिए उतनी ही अधिक ऊष्मा की आवश्यकता होगी।
Q α m —– तुलना 2
ऊष्मा (Q) और वस्तु के प्रकार (c) के बीच संबंध
किसी वस्तु का तापमान बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा वस्तु के प्रकार के समानुपाती होती है।
Q α c —– तुलना 3
ऊपर दिए गए तीनों तुलनाओं को एक समीकरण में संयोजित किया जाता है:
Q α mc ΔT
Q = mc ΔT
यह ऊष्मा का समीकरण है।
विवरण: Q = ऊष्मा (जूल), m = वस्तु का द्रव्यमान (किलोग्राम), c = विशिष्ट ऊष्मा (जूल/किलोग्राम CO या केल्विन)
