1. चालन द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण की परिभाषा
लकड़ी की कुर्सी पर बैठने पर उसकी सतह गर्म हो जाती है। इसके विपरीत, प्लास्टिक या धातु की कुर्सी पर बैठने पर बैठने के बाद उसकी सतह गर्म नहीं होती। लकड़ी की कुर्सी की सतह गर्म क्यों हो जाती है, जबकि धातु की कुर्सी की सतह गर्म नहीं होती? बिना गद्दे के ठंडी ज़मीन पर सोने से दर्द क्यों होता है? क्या आपने कभी सर्दी से बचाव के लिए जैकेट पहनी है? ज़्यादातर सर्दी से बचाव वाली जैकेट ऊन की क्यों बनी होती हैं? ऊष्मा के चालन से संबंधित अभी भी कई ऐसे प्रश्न और सवाल हैं जिन पर विचार किया जा सकता है।
जब किसी उच्च तापमान वाली वस्तु का एक भाग किसी कम तापमान वाली वस्तु के संपर्क में आता है, तो ऊर्जा उच्च तापमान वाली वस्तु से कम तापमान वाले भाग में स्थानांतरित होती है। ऊर्जा के इस स्थानांतरण से परमाणु और अणु गतिमान हो जाते हैं। गतिमान होने पर अणुओं में गतिज ऊर्जा होती है (KE = 1/2 mv² ) । जो अणु अधिक गति से चलते हैं (जिनकी गतिज ऊर्जा अधिक होती है), वे अपने आस-पास के अणुओं से टकराते हैं। एक अणु दूसरे अणु से टकराता है, और यह प्रक्रिया चलती रहती है। इस प्रकार, अणु आपस में टकराते हैं और ऊर्जा का स्थानांतरण करते हैं। वस्तु के अणुओं के बीच होने वाली इस टक्कर से होने वाली ऊष्मा स्थानांतरण को चालन द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण कहते हैं।
2. चालन द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण का समीकरण
बाईं ओर स्थित वस्तु का तापमान अधिक है (T)1जबकि दाईं ओर स्थित वस्तु का तापमान कम है (T2तापमान के अंतर (T) के कारण1 - T2), ऊष्मा एक उच्च तापमान वाली वस्तु से कम तापमान वाली वस्तु की ओर स्थानांतरित होती है (ऊष्मा प्रवाह की दिशा दाईं ओर है)। ऊष्मा से गुजरने वाली वस्तु का अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल (A) और लंबाई (l) है।
प्रयोग के परिणामों के आधार पर, एक निश्चित समयावधि के दौरान स्थानांतरित होने वाली ऊष्मा (Q/t) तापमान अंतर (T 1 – T 2 ) के सीधे समानुपाती होती है।
अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल (A), वस्तु की प्रकृति (k = तापीय चालकता) और वस्तु की लंबाई के व्युत्क्रमानुपाती होता है। चालन द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण का सूत्र:
विवरण: Q/t = ऊष्मा स्थानांतरण दर, k = तापीय चालकता, A = अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल, T 1 = उच्च तापमान, T 2 = निम्न तापमान, l = वस्तु की लंबाई।
3. ऊष्मीय चालकता (k)
अधिकांश बर्तन एल्युमीनियम के क्यों बने होते हैं? यदि आप लोहे को बाएं हाथ से और गिलास को दाएं हाथ से पकड़ते हैं, तो लोहे और गिलास को आग पर रखा जाता है। बाएं हाथ से काम करने में आपको ज़्यादा तेज़ी महसूस होगी या दाएं हाथ से? ये प्रश्न और शायद आपके द्वारा पूछे जाने वाले अन्य प्रश्न वस्तुओं की तापीय चालकता से संबंधित हैं। किसी वस्तु की तापीय चालकता उस वस्तु की ऊष्मा को प्रवाहित करने की क्षमता है। जिन वस्तुओं की तापीय चालकता (k) अधिक होती है, वे ऊष्मा की अच्छी चालक होती हैं। इसके विपरीत, जिन वस्तुओं की तापीय चालकता कम होती है, वे ऊष्मा की खराब चालक होती हैं।
4. चालन द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण का अनुप्रयोग
टाइलें कालीन की तुलना में ठंडी क्यों लगती हैं? टाइलों की ऊष्मा चालकता कालीनों से अधिक होती है। इसलिए, टाइलें ऊष्मा की अच्छी चालक होती हैं, जबकि कालीन खराब चालक होती हैं। जब हम कालीन पर चलते हैं, तो ऊष्मा पैरों से कालीन की ओर प्रवाहित होती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि हमारे शरीर का तापमान कालीन के तापमान से अधिक होता है। कालीन ऊष्मा की खराब चालक होती है, इसलिए पैरों से प्रवाहित होने वाली ऊष्मा कालीन की सतह पर जमा हो जाती है, जिससे कालीन गर्म हो जाती है। जब हम टाइल या सिरेमिक पर चलते हैं, तो ऊष्मा पैरों से टाइल या सिरेमिक की ओर प्रवाहित होती है। क्योंकि टाइलें ऊष्मा की अच्छी चालक होती हैं, इसलिए ऊष्मा टाइल की सतह पर नहीं रुकती। ऊष्मा सुचारू रूप से प्रवाहित होती है, जिससे हमारे पैर ठंडे लगते हैं।
बिना चबूतरे के घर के फर्श पर सोने से दर्द हो सकता है। क्यों? ऐसा इसलिए होता है क्योंकि शरीर से फर्श में बहुत सारी गर्मी स्थानांतरित होती है। गर्मी ऊर्जा का प्रवाह है। जब शरीर से बहुत अधिक गर्मी निकलती है, तो शरीर की ऊर्जा कम हो जाती है। ऊर्जा की कमी से आप बीमार पड़ सकते हैं!
खिड़कियों और दरवाजों के क्या कार्य हैं? दरवाजे और खिड़कियां लकड़ी की क्यों बनाई जानी चाहिए? रात में, घर के बाहर का तापमान घर के अंदर के तापमान से कम होता है। तापमान में इस अंतर के कारण ऊष्मा घर के अंदर से बाहर की ओर स्थानांतरित होती है। इसलिए, आमतौर पर रात में हम दरवाजे या खिड़कियां बंद कर देते हैं। खिड़की या दरवाजे के अंदर फंसी हवा एक अच्छे ऊष्मा कुचालक का काम करती है। किसी वस्तु की ऊष्मा चालकता जितनी कम होती है, उसके माध्यम से ऊष्मा का चालन उतना ही कठिन होता है।
सभ्य और सामान्य मनुष्य होने का दर्जा बनाए रखने के अलावा, कपड़े हमारे शरीर के तापमान को स्थिर रखने में भी सहायक होते हैं। हम जो कपड़े पहनते हैं, वे आमतौर पर हवा के तापमान के अनुसार होते हैं। जब हवा का तापमान काफी कम होता है, तो हम मोटे कपड़े पहनते हैं। मोटे कंबल या कपड़े (जैसे जैकेट आदि) हवा को आने-जाने से रोकते हैं। हवा त्वचा और जैकेट या कंबल के बीच फंसी रहती है। शरीर और फंसी हुई हवा के तापमान में अंतर होने के कारण, ऊष्मा शरीर से हवा में स्थानांतरित होती है। शरीर से निकलने वाली ऊष्मा के कारण फंसी हुई हवा का तापमान बढ़ जाता है (हवा गर्म हो जाती है)। हवा की तापीय चालकता न्यूनतम होती है। इसलिए, ऊष्मा शरीर से बाहर नहीं निकल पाती। इस प्रकार हमारे शरीर का तापमान भी स्थिर रहता है। यदि हम ठंडी हवा में जैकेट नहीं पहनते हैं, तो ऊष्मा हमारे शरीर से निकल जाती है। शरीर से जितनी अधिक ऊष्मा निकलती है, शरीर उतनी ही अधिक ऊर्जा खोता है!
