ऊष्मा की व्याख्या

लेख

ऊष्मा

ठोस, तरल पदार्थ और गैसें तीन अलग-अलग अवस्थाएँ (या चरण) दर्शाती हैं। ठोस लगभग पूरी तरह से असंपीड्य होते हैं और उनका एक निश्चित आकार होता है, जबकि तरल पदार्थ लगभग असंपीड्य होते हैं, और गैसें संपीड्य होती हैं। व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, ठोस और तरल पदार्थ इतने कम संपीडित होते हैं कि उन्हें अक्सर असंपीड्य माना जाता है। पानी ठोस (बर्फ), तरल (पानी), या गैस (भाप) के रूप में मौजूद हो सकता है।

ऊष्मा को ‘तापीय ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया गया है जो दो प्रणालियों के बीच स्थानांतरित होती है जो एक-दूसरे के सीधे संपर्क में होती हैं, लेकिन अलग-अलग तापमान पर होती हैं।’ यदि ऊष्मा किसी पदार्थ में स्थानांतरित होती है, तो पदार्थ का तापमान बदल जाएगा, या अवस्था बदल जाएगी।

अवस्था परिवर्तन का उदाहरण

बर्फ के एक ब्लॉक में बड़ी मात्रा में ऊष्मा स्थानांतरित होती है, जिससे यह पिघलकर पानी बन जाता है।

तापमान परिवर्तन का उदाहरण

कुछ पानी में थोड़ी मात्रा में ऊष्मा स्थानांतरित होती है, इसका तापमान बढ़ जाता है, लेकिन इसकी अवस्था नहीं बदलती।

दोनों उदाहरणों में महत्वपूर्ण अंतर यह है कि ऊर्जा को किसी पदार्थ में स्थानांतरित किया जा सकता है ताकि पदार्थ के तापमान को बदला जा सके, या पदार्थ की अवस्था को बदला जा सके। दोनों ऊर्जा रूपों के बीच के अंतर को अगले खंड में स्पष्ट किया गया है।

संवेदनशील और गुप्त ऊष्मा

शब्द ऊष्मा (या ऊष्मा ऊर्जा) दो प्रकार की ऊष्मा का वर्णन करता है, संवेदनशील ऊष्मा और गुप्त ऊष्मा।

संवेदनशील ऊष्मा को थर्मामीटर का उपयोग करके मापा जा सकता है और मानव द्वारा महसूस किया जा सकता है (‘संवेदनशील ऊष्मा’)। संवेदनशील ऊष्मा में परिवर्तन के साथ अवस्था परिवर्तन नहीं होता।

गुप्त ऊष्मा को किसी पदार्थ के अवस्था/चरण परिवर्तन से पहचाना जा सकता है, लेकिन तापमान परिवर्तन से नहीं। वाष्पीकरण और संघनन गुप्त ऊष्मा के रूप हैं।

नीचे दिया गया ग्राफ दिखाता है कि जोड़ी गई ऊष्मा ऊर्जा हमेशा तापमान परिवर्तन का कारण नहीं बनती। संवेदनशील ऊष्मा तब देखी जाती है जब ऊष्मा जोड़ी जाती है और तापमान आनुपातिक रूप से बदलता है (ग्राफ पर ढलान वाली रेखाएँ)। गुप्त ऊष्मा तब देखी जाती है जब ऊष्मा जोड़ी जाती है और तापमान में कोई परिवर्तन नहीं होता (ग्राफ पर क्षैतिज रेखाएँ)।

संवेदनशील और गुप्त ऊष्मा आरेख

संवेदनशील और गुप्त ऊष्मा आरेख

पानी में संवेदनशील ऊष्मा जोड़ने से इसका तापमान धीरे-धीरे बढ़ जाएगा, हालांकि यह केवल तब उबलेगा जब यह अपने संतृप्ति तापमान (उबाल बिंदु) तक पहुँच जाएगा। संतृप्ति तापमान पर, और अधिक संवेदनशील ऊष्मा नहीं जोड़ी जा सकती, लेकिन गुप्त ऊष्मा के रूप में अधिक ऊष्मा जोड़ी जा सकती है।

अतिरिक्त गुप्त ऊष्मा पानी को वाष्पित करती है और इसे गैस में बदल देती है। परिणामी भाप में वह सभी संवेदनशील और गुप्त ऊष्मा ऊर्जा होती है जो उसमें स्थानांतरित की गई थी, हालांकि, पानी को गैस में बदलने के लिए पानी को केवल गर्म करने की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, इसलिए भाप में संवेदनशील ऊष्मा की तुलना में बहुत अधिक गुप्त ऊष्मा होती है। भाप में निहित कुल ऊष्मा बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह उस ऊर्जा की मात्रा का प्रतिनिधित्व करती है जिसे बाद में अंतिम उपभोक्ता द्वारा उपयोग किया जा सकता है।

i	संतृप्ति तापमान (तापमान जिस पर यह उबलता है), या संतृप्ति दबाव (दबाव जिस पर यह उबलता है) पर एक तरल पदार्थ वास्तव में संवेदनशील ऊष्मा से संतृप्त होता है अर्थात यह बिना उबलने के और अधिक ऊष्मा धारण नहीं कर सकता।

ऊष्मा का स्थानांतरण

जैसा कि ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम में कहा गया है, ऊष्मा ऊर्जा (या ऊष्मा) गर्म से ठंडे में स्थानांतरित होती है। दो पदार्थों के बीच तापमान का अंतर ऊष्मा स्थानांतरण दर को निर्धारित करता है।

जिन पदार्थों के बीच तापमान का अंतर अधिक होता है, उनमें ऊष्मा स्थानांतरण दर अधिक होती है।

ऊष्मा चालन, संवहन या विकिरण के माध्यम से स्थानांतरित होती है। अधिकांश औद्योगिक सेटिंग्स में, ऊष्मा एक या अधिक इन ऊष्मा स्थानांतरण साधनों के मिश्रण के माध्यम से स्थानांतरित होती है, शायद ही कभी एकल साधन द्वारा।

चालन – ऊष्मा सीधे एक अणु से दूसरे अणु में स्थानांतरित होती है। चालन ठोस, तरल पदार्थ और गैसों में होता है।
संवहन – ऊष्मा तरल अवस्था में अणुओं द्वारा स्थानांतरित होती है। संवहन को पंप या पंखे का उपयोग करके मजबूर किया जा सकता है, या, प्राकृतिक, तरल में तापमान और घनत्व के अंतर के कारण। संवहन के दो प्रकार मजबूर संवहन और प्राकृतिक संवहन के रूप में जाने जाते हैं।
विकिरण – ऊष्मा विकिरण ऊर्जा (विद्युतचुंबकीय तरंगें) के माध्यम से स्थानांतरित होती है। विकिरण ऊर्जा केवल अपारदर्शी वस्तुओं को स्थानांतरित की जाती है अर्थात ऐसी वस्तुएँ जो प्रकाश को पारित नहीं होने देतीं।

चालन, संवहन और विकिरण

चालन, संवहन और विकिरण

चालन

चालन ठोस, तरल पदार्थ और गैसों में होता है। किसी पदार्थ की चालन के माध्यम से ऊष्मा को अवशोषित करने की क्षमता को उसकी तापीय चालकता कहा जाता है। आम तौर पर, ठोस पदार्थों की तापीय चालकता तरल पदार्थों से अधिक होती है क्योंकि अणु एक-दूसरे के करीब होते हैं। इसी प्रकार, तरल पदार्थों की आम तौर पर गैसों से अधिक तापीय चालकता होती है। हवा की तापीय चालकता कम होती है, यही कारण है कि इन्सुलेटिंग सामग्री में अक्सर बड़े वायु स्थान/जेब होती हैं।

ध्यान दें कि तापीय चालकता सामग्री पर आधारित होती है, न कि उसकी अवस्था/चरण पर। उदाहरण के लिए, लकड़ी के कई प्रकारों की तापीय चालकता रेटिंग पानी से कम होती है, लेकिन लकड़ी ठोस होती है और पानी तरल।

चालन का उदाहरण

यदि धातु की छड़ का एक सिरा आग में गर्म किया जाता है, जबकि दूसरा सिरा नहीं, तो गर्म धातु की छड़ के अणु अपनी ऊष्मा को अपने पड़ोसी -ठंडे- अणुओं को पास करेंगे। यह प्रक्रिया जारी रहती है जिससे छड़ के गर्म सिरे से ठंडे सिरे तक ऊष्मा का चालन होता है।

बॉयलरों के मामले में, चालन तब होता है जब ऊष्मा बॉयलर की आंतरिक हीटिंग सतहों से बाहरी हीटिंग सतहों में स्थानांतरित होती है।

संवहन

संवहन मजबूर या प्राकृतिक हो सकता है। मजबूर संवहन के लिए पंप या पंखा आदि की आवश्यकता होती है। प्राकृतिक संवहन तरल में तापमान के अंतर के कारण होता है (गर्म अणु ठंडे अणुओं की तुलना में कम घनत्व वाले होते हैं, यही कारण है कि वे स्वाभाविक रूप से उनके ऊपर उठने की प्रवृत्ति रखते हैं)।

संवहन का उदाहरण

एक बर्तन में पानी को गर्म करने से गर्म अणु कम घनत्व वाले हो जाते हैं और इस प्रकार प्राकृतिक संवहन के कारण बर्तन के शीर्ष पर उठ जाते हैं; ठंडे अधिक घनत्व वाले अणु तब उस स्थान पर कब्जा कर लेते हैं जहाँ गर्म अणु थे।

स्टैक प्रभाव (या चिमनी प्रभाव) प्राकृतिक संवहन का एक उदाहरण है। नीचे की छवि एक प्राकृतिक ड्राफ्ट कूलिंग टॉवर दिखाती है। कूलिंग टॉवर ठंडी हवा को आधार के माध्यम से प्रवेश करने की अनुमति देता है, जहाँ इसे गर्म पानी द्वारा गर्म किया जाता है। गर्म -कम घनत्व वाली- हवा तब टॉवर के शीर्ष पर उठती है, जिससे ठंडी हवा टॉवर के आधार के माध्यम से खींची जाती है। इस प्रकार, पंप या पंखे का उपयोग किए बिना एक प्रक्रिया को ठंडा करने के लिए बहुत बड़ी मात्रा में हवा का उपयोग करना संभव है।

गर्म (कम घनत्व वाली) हवा उठती है और ठंडी (अधिक घनत्व वाली) हवा द्वारा प्रतिस्थापित होती है

बॉयलरों के मामले में, संवहन तब होता है जब आंतरिक हीटिंग सतहों के सबसे करीब पानी गर्म होता है और कम घनत्व वाला हो जाता है। कम घनत्व वाला पानी ऊपर की ओर बहता है और ठंडे, अधिक घनत्व वाले पानी द्वारा प्रतिस्थापित होता है; प्रक्रिया निरंतर होती है।

विकिरण

विकिरण ऊर्जा केवल तब ऊष्मा ऊर्जा में स्थानांतरित होती है जब विद्युतचुंबकीय तरंगें किसी ऐसे पदार्थ पर प्रभाव डालती हैं जो प्रकाश को पारित नहीं होने देता अर्थात पदार्थ अपारदर्शी होता है। उदाहरण के लिए, सूर्य विकिरण ऊर्जा का संचार करता है, लेकिन यह ऊर्जा केवल तब ऊष्मा ऊर्जा बनती है जब यह किसी अपारदर्शी वस्तु अर्थात पृथ्वी से टकराती है।

किसी पदार्थ द्वारा विकिरण के माध्यम से स्थानांतरित की जा सकने वाली ऊर्जा की मात्रा मुख्य रूप से उसके तापमान और उत्सर्जकता पर निर्भर करती है। किसी सतह की तापीय विकिरण उत्सर्जित करने की क्षमता को उसकी उत्सर्जकता द्वारा मापा जाता है। आम तौर पर, खुरदरी और गहरी सतहों की उत्सर्जकता गुणांक चिकनी और चमकदार सतहों की तुलना में अधिक होती है।

बॉयलरों के मामले में, दहन के दौरान विकिरण ऊर्जा जारी होती है और बॉयलर की अपारदर्शी आंतरिक हीटिंग सतहों पर संचारित होती है, जहाँ यह तापीय ऊर्जा में बदल जाती है। ध्यान दें कि विकिरण ऊर्जा केवल दृष्टि की रेखा द्वारा स्थानांतरित होती है।

विकिरण का उदाहरण

यदि कोई बॉयलर ऑपरेटर बॉयलर फर्नेस का दरवाजा खोलता है, तो वह ऊष्मा को महसूस करेगा क्योंकि विद्युतचुंबकीय तरंगें फर्नेस से ऑपरेटर की ओर बाहर की ओर यात्रा करती हैं। यदि दरवाजा फिर बंद कर दिया जाता है, तो विद्युतचुंबकीय तरंगें बाहर की ओर यात्रा नहीं कर सकतीं और ऊष्मा महसूस नहीं होती। फर्नेस और ऑपरेटर के बीच की हवा विद्युतचुंबकीय तरंगों द्वारा गर्म नहीं होती क्योंकि हवा प्रकाश को पारित होने देती है (यह अपारदर्शी नहीं है)। केवल अपारदर्शी पदार्थ जिनके पास दहन स्थल की सीधी दृष्टि रेखा होती है, वे उत्सर्जित विद्युतचुंबकीय तरंगों से प्रभावित होते हैं।

विकिरण के कारण महसूस की गई ऊष्मा

विकिरण के कारण महसूस की गई ऊष्मा

ऊष्मा इकाइयाँ

ऊष्मा ऊर्जा का एक रूप है और अक्सर ब्रिटिश तापीय इकाइयों (Btus) या कैलोरी (Cal) में व्यक्त की जाती है।

Btu – एक पाउंड पानी के तापमान को एक डिग्री फारेनहाइट बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा।
कैलोरी – एक ग्राम पानी के तापमान को एक डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा।

बीटीयू और कैलोरी इकाइयों के अलावा, जूल इकाई का भी अक्सर उपयोग किया जाता है।

विशिष्ट ऊष्मा

विभिन्न पदार्थों को तापमान बदलने के लिए अलग-अलग मात्रा में ऊष्मा की आवश्यकता होती है। पदार्थों के बीच तुलना को संभव बनाने के लिए, पदार्थों को विशिष्ट ऊष्मा (S.H.) मान दिया जाता है, इन मानों को फिर तालिकाओं में संकलित किया जाता है। संकलित तालिकाओं में दिए गए मान केवल अनुमान होते हैं, ईंधन का सही विशिष्ट ऊष्मा मान प्रयोगशाला में ईंधन का नमूना और विश्लेषण करके निर्धारित किया जाता है।

विशिष्ट ऊष्मा वह ऊष्मा की मात्रा है जो किसी पदार्थ के द्रव्यमान की एक इकाई को तापमान की एक इकाई से बदलने के लिए आवश्यक होती है। उपयोग की जाने वाली इकाइयाँ इस बात पर निर्भर करती हैं कि क्या साम्राज्यवादी या मीट्रिक इकाइयों को प्राथमिकता दी जाती है। विशिष्ट ऊष्मा गणनाओं में अक्सर ब्रिटिश तापीय इकाइयाँ (Btu) और जूल (J) ऊर्जा इकाइयों का उपयोग किया जाता है।

i	शब्द विशिष्ट ऊष्मा क्षमता का वही अर्थ है जो विशिष्ट ऊष्मा का है, इन शब्दों का परस्पर उपयोग किया जाता है।

उदाहरण 1 (साम्राज्यवादी)

विशिष्ट ऊष्मा की गणना एक सामग्री के एक पाउंड को एक डिग्री फारेनहाइट से बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा के रूप में की जा सकती है। साम्राज्यवादी विशिष्ट ऊष्मा क्षमता इकाइयाँ Btu/lb°F हैं।

उदाहरण 2 (मीट्रिक)

विशिष्ट ऊष्मा की गणना एक सामग्री के एक किलोग्राम को एक डिग्री केल्विन से बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा के रूप में की जा सकती है। मीट्रिक विशिष्ट ऊष्मा क्षमता इकाइयाँ J/kgK हैं। ध्यान दें कि एक सेल्सियस की मात्रा एक केल्विन के बराबर होती है, इसलिए इकाई J/kg°C वही विशिष्ट ऊष्मा क्षमता मान देती है जो J/kgK में उद्धृत होने पर देती है।

विभिन्न पदार्थों के विशिष्ट ऊष्मा मान नीचे दी गई तालिका में दिए गए हैं।

पदार्थ	साम्राज्यवादी विशिष्ट ऊष्मा (S.H.) मान (Btu/lb°F)	मीट्रिक विशिष्ट ऊष्मा (S.H.) मान (J/kgK)
ताजा पानी	1.0	4,190
बर्फ	0.49	2,050
भाप	0.48	2,010
फायर ब्रिक	0.21	879
बॉयलर स्केल	0.19	795
इस्पात	0.12	502
तांबा	0.09	377