ऊष्मा: सूत्र और इकाइयाँ, विशेषताएँ, इसे कैसे मापें, उदाहरण - शारीरिक - 2025

गर्मी भौतिकी में तापीय ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया गया है स्थानांतरित कर जब भी वे संपर्क वस्तुओं या पदार्थों है कि अलग अलग तापमान पर कर रहे हैं। यह ऊर्जा हस्तांतरण और इससे संबंधित सभी प्रक्रियाएँ, भौतिकी की एक महत्वपूर्ण शाखा ऊष्मप्रवैगिकी के अध्ययन का उद्देश्य है।

ऊष्मा उन कई रूपों में से एक है जो ऊर्जा लेती है, और सबसे परिचित में से एक है। तो यह कहाँ से आता है? इसका उत्तर परमाणुओं और अणुओं में है जो पदार्थ बनाते हैं। चीजों के अंदर ये कण स्थिर नहीं हैं। हम उन्हें नरम स्प्रिंग्स से जुड़े छोटे मोतियों के रूप में कल्पना कर सकते हैं, आसानी से सिकुड़ने और खींचने में सक्षम हैं।

परमाणु और अणु पदार्थों के भीतर कंपन करते हैं, जिसका अनुवाद आंतरिक ऊर्जा में किया जाता है। स्रोत: पी। टिपन्स भौतिकी: अवधारणाएँ और अनुप्रयोग।

इस तरह, कण कंपन करने में सक्षम होते हैं और उनकी ऊर्जा आसानी से अन्य कणों में स्थानांतरित की जा सकती है, और एक शरीर से दूसरे शरीर में भी।

किसी पदार्थ को अवशोषित या छोड़ने वाली गर्मी की मात्रा पदार्थ की प्रकृति, उसके द्रव्यमान और तापमान के अंतर पर निर्भर करती है। इसकी गणना इस तरह की जाती है:

जहाँ Q ऊष्मा का स्थानांतरण होता है, m वस्तु का द्रव्यमान है, C _e पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा है और --T = _{अंतिम} T - _{प्रारंभिक} T, अर्थात तापमान अंतर है।

ऊर्जा के सभी रूपों की तरह, ताप को जूल में मापा जाता है, अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (SI) में। अन्य उपयुक्त इकाइयाँ हैं: cgs सिस्टम में erg, ब्रिटिश सिस्टम में Btu और कैलोरी, आमतौर पर खाद्य पदार्थों की ऊर्जा सामग्री के लिए उपयोग किया जाने वाला एक शब्द है।

गर्मी की विशेषताएं

कैम्प फायर से गर्मी हस्तांतरण में ऊर्जा है। स्रोत: पिक्साबे

ध्यान में रखने के लिए कई महत्वपूर्ण अवधारणाएँ हैं:

-हाथ पारगमन में ऊर्जा के बारे में है। वस्तुओं में गर्मी नहीं होती है, वे केवल परिस्थिति के आधार पर इसे छोड़ते हैं या अवशोषित करते हैं। उनके आंतरिक विन्यास के आधार पर वस्तुओं में आंतरिक ऊर्जा होती है।

यह आंतरिक ऊर्जा, बदले में, थरथानेवाला आंदोलन और संभावित ऊर्जा, आणविक विन्यास के विशिष्ट के साथ जुड़े गतिज ऊर्जा से बना है। इस विन्यास के अनुसार, एक पदार्थ गर्मी को कम या ज्यादा आसानी से स्थानांतरित कर देगा और यह इसकी विशिष्ट गर्मी सी _ई में परिलक्षित होता है, जो मान क्यू की गणना करने के लिए समीकरण में उल्लेख किया गया था।

-दूसरी महत्वपूर्ण अवधारणा यह है कि गर्मी हमेशा सबसे गर्म शरीर से सबसे ठंडी में स्थानांतरित की जाती है। अनुभव बताता है कि गर्म कॉफी से गर्मी हमेशा कप और प्लेट के चीनी मिट्टी के बरतन की ओर जाती है, या चम्मच की धातु जिसके साथ इसे हिलाया जाता है, कभी भी अन्य तरीके से नहीं।

-हस्तांतरित या अवशोषित गर्मी की मात्रा प्रश्न में शरीर के द्रव्यमान पर निर्भर करती है। एक द्रव्यमान के साथ एक नमूने में कैलोरी या जूल की समान मात्रा को जोड़ने से उसी तरह गर्मी नहीं होती है जिसका द्रव्यमान 2X है।

कारण? बड़े नमूने में अधिक कण होते हैं, और प्रत्येक को छोटे नमूने की औसतन आधी ऊर्जा ही प्राप्त होगी।

थर्मल संतुलन और ऊर्जा का संरक्षण

अनुभव बताता है कि जब हम दो वस्तुओं को अलग-अलग तापमान पर संपर्क में रखते हैं, तो थोड़ी देर बाद दोनों का तापमान समान होगा। तब यह कहा जा सकता है कि वस्तुओं या प्रणालियों, जैसा कि उन्हें भी कहा जा सकता है, थर्मल संतुलन में हैं।

दूसरी ओर, एक पृथक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने के तरीके पर विचार करते हुए, यह निष्कर्ष निकाला गया है कि दो संभावित तंत्र हैं:

i) इसे गर्म करना, अर्थात, किसी अन्य सिस्टम से ऊर्जा स्थानांतरित करना।

ii) इस पर किसी प्रकार का यांत्रिक कार्य करना।

यह ध्यान में रखते हुए कि ऊर्जा संरक्षित है:

ऊष्मप्रवैगिकी के ढांचे में, इस संरक्षण सिद्धांत को थर्मोडायनामिक्स के पहले कानून के रूप में जाना जाता है। हम कहते हैं कि सिस्टम को अलग-थलग किया जाना चाहिए, क्योंकि अन्यथा संतुलन में अन्य ऊर्जा इनपुट या आउटपुट पर विचार करना आवश्यक होगा।

गर्मी को कैसे मापा जाता है?

गर्मी का उत्पादन इसके प्रभाव के अनुसार किया जाता है। इसलिए यह स्पर्श का भाव है जो जल्दी से सूचित करता है कि पेय, भोजन या कोई वस्तु कितनी गर्म या ठंडी है। चूंकि तापमान में परिवर्तन में गर्मी के परिणाम को स्थानांतरित या अवशोषित करना, यह मापने से यह अंदाजा होता है कि कितनी गर्मी हस्तांतरित हो गई है।

तापमान मापने के लिए जिस उपकरण का उपयोग किया जाता है, वह थर्मामीटर होता है, एक उपकरण जो पढ़े जाने के लिए स्नातक स्तर की पढ़ाई करता है। सबसे अच्छा ज्ञात पारा थर्मामीटर है, जिसमें पारा का एक अच्छा केशिका होता है जो गर्म होने पर फैलता है।

सेल्सियस और फ़ारेनहाइट तराजू में स्नातक के साथ एक थर्मामीटर। स्रोत: पिक्साबे

पारा से भरी केशिका को फिर एक स्केल के साथ एक ग्लास ट्यूब में डाला जाता है और शरीर के संपर्क में रखा जाता है, जिसके तापमान को तब तक मापा जाना चाहिए जब तक कि वे थर्मल संतुलन तक नहीं पहुँच जाते और दोनों का तापमान समान हो।

थर्मामीटर बनाने के लिए क्या आवश्यक है?

इसके साथ शुरू करने के लिए, आपके पास कुछ थर्मोमेट्रिक गुण होना चाहिए, जो कि तापमान के साथ बदलता रहता है।

उदाहरण के लिए, एक गैस या तरल जैसे पारा, गर्म होने पर फैलता है, हालांकि एक विद्युत प्रतिरोध भी कार्य करता है, जो एक वर्तमान से गुजरने पर गर्मी का उत्सर्जन करता है। संक्षेप में, आसानी से मापने योग्य किसी भी थर्मामीटर गुण का उपयोग किया जा सकता है।

यदि तापमान t थर्मामीटर गुण X के सीधे आनुपातिक है, तो यह लिखा जा सकता है:

जहां k दो समान्य तापमानों के निर्धारित होने पर आनुपातिकता का स्थिरांक होता है और X के संगत मानों को मापा जाता है। उपयुक्त तापमान का मतलब प्रयोगशाला में प्राप्त करना आसान है।

एक बार जब जोड़े (टी ₁, एक्स ₁) और (टी ₂, एक्स ₂) स्थापित हो गए हैं, तो उनके बीच के अंतराल को समान भागों में विभाजित किया जाता है, ये डिग्री होंगे।

तापमान तराजू

एक तापमान पैमाने के निर्माण के लिए आवश्यक तापमान का चयन उस कसौटी के साथ किया जाता है जिसे वे प्रयोगशाला में प्राप्त करना आसान होते हैं। दुनिया भर में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले तराजू में से एक है स्केल स्केल, जिसे स्वीडिश वैज्ञानिक एंडर्स सेल्सियस (1701944) द्वारा बनाया गया है।

सेल्सियस पैमाने पर 0 वह तापमान होता है जिस पर बर्फ और तरल पानी दबाव के 1 वायुमंडल में संतुलन में होते हैं, जबकि ऊपरी सीमा तब चुनी जाती है जब तरल पानी और जल वाष्प समान रूप से संतुलन और दबाव के 1 वातावरण में होते हैं। यह अंतराल 100 डिग्री में विभाजित है, जिनमें से प्रत्येक को डिग्री सेंटीग्रेड कहा जाता है।

यह एक पैमाना बनाने का एकमात्र तरीका नहीं है, इससे दूर। फ़ारेनहाइट पैमाने जैसे अन्य भिन्न पैमाने हैं, जिसमें अंतराल को अन्य मूल्यों के साथ चुना गया है। और केल्विन स्केल है, जिसकी केवल एक निचली सीमा है: पूर्ण शून्य।

निरपेक्ष शून्य उस तापमान से मेल खाता है जिस पर किसी पदार्थ में कणों के सभी संचलन पूरी तरह से समाप्त हो जाते हैं, हालांकि, हालांकि यह काफी करीब आ गया है, यह अभी तक किसी भी पदार्थ को पूर्ण शून्य तक ठंडा करने में सक्षम नहीं है।

उदाहरण

हर कोई प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से, दैनिक आधार पर गर्मी का अनुभव करता है। उदाहरण के लिए, जब आपके पास एक गर्म पेय होता है, तो दोपहर के सूरज में, कार के इंजन के तापमान की जांच, लोगों से भरे कमरे में और अनगिनत अन्य स्थितियों में।

पृथ्वी पर, जीवन प्रक्रियाओं को बनाए रखने के लिए गर्मी आवश्यक है, जो कि सूर्य से आती है और जो ग्रह के आंतरिक भाग से आती है।

इसी तरह, वायुमंडल में होने वाली तापीय ऊर्जा में परिवर्तन से जलवायु संचालित होती है। सूर्य की ऊष्मा हर जगह समान रूप से नहीं पहुँचती, विषुवतीय अक्षांशों पर यह ध्रुवों पर अधिक से अधिक पहुँचती है, इसलिए उष्ण कटिबंध को प्राप्त करने के लिए उष्ण कटिबंध में सबसे गर्म हवा बढ़ती है और उत्तर और दक्षिण की ओर बढ़ती है। इसके बारे में पहले बात की गई थी।

इस तरह, हवा की धाराएं अलग-अलग गति से स्थापित होती हैं, जो बादलों और बारिश को परिवहन करती हैं। दूसरी ओर, गर्म और ठंडी हवा के मोर्चों के बीच अचानक टक्कर तूफान, बवंडर और तूफान जैसी घटनाओं का कारण बनती है।

इसके विपरीत, करीब स्तर पर, समुद्र तट पर सूर्यास्त के रूप में गर्मी का स्वागत नहीं किया जा सकता है। हीट के कारण कार के इंजन और कंप्यूटर प्रोसेसर में परिचालन की समस्या होती है।

यह विद्युत ऊर्जा का प्रवाह करने के लिए चालन केबलों और सामग्रियों में खो जाता है, यही कारण है कि इंजीनियरिंग के सभी क्षेत्रों में गर्मी उपचार इतना महत्वपूर्ण है।

अभ्यास

- अभ्यास 1

एक कैंडी का लेबल पढ़ता है कि यह 275 कैलोरी प्रदान करता है। जूल में यह कैंडी कितनी ऊर्जा के बराबर है?

उपाय

शुरुआत में, कैलोरी को गर्मी के लिए एक इकाई के रूप में उल्लेख किया गया था। भोजन में ऊर्जा होती है जो आमतौर पर इन इकाइयों में मापा जाता है, लेकिन आहार कैलोरी वास्तव में किलोकलरीज हैं।

तुल्यता निम्नलिखित है: 1 kcal = 4186 J, और यह निष्कर्ष निकाला जाता है कि कैंडी में है:

275 किलोकलरीज x 4186 जूल / किलोकलरी = 1.15 10 ⁶ जे।

- व्यायाम २

एक धातु के 100 ग्राम को 100 ° C तक गर्म किया जाता है और 20 डिग्री सेल्सियस पर 300 ग्राम पानी के साथ एक कैलोरीमीटर में रखा जाता है। संतुलन प्राप्त करने पर सिस्टम जो तापमान प्राप्त करता है वह 21.44 ° C होता है। आपको धातु की विशिष्ट गर्मी निर्धारित करने के लिए कहा जाता है, यह मानते हुए कि कैलोरीमीटर गर्मी को अवशोषित नहीं करता है।

उपाय

इस स्थिति में, धातु गर्मी देता है, जिसे हम Q _{दिया हुआ} कहते हैं और नुकसान का संकेत देने के लिए एक चिन्ह (-) रखा जाता है:

इसके हिस्से के लिए, कैलोरीमीटर में पानी गर्मी को अवशोषित करता है, जिसे क्यू अवशोषित के रूप में दर्शाया जाएगा:

ऊर्जा संरक्षित है, जिससे यह निम्नानुसार है:

कथन से आप:T की गणना कर सकते हैं:

महत्वपूर्ण: 1 : C 1 केल्विन के समान आकार है। दो पैमानों के बीच अंतर यह है कि केल्विन स्केल निरपेक्ष है (केल्विन डिग्री हमेशा सकारात्मक होती है)।

20ºC पर पानी की विशिष्ट गर्मी 4186 J / kg है। K और इसके साथ अवशोषित गर्मी की गणना की जा सकती है:

निष्कर्ष निकालने के लिए, धातु की विशिष्ट गर्मी को साफ किया जाता है:

संदर्भ

1. बाउर, डब्ल्यू। 2011. भौतिकी और इंजीनियरिंग के लिए विज्ञान। वॉल्यूम 1. मैकग्रा हिल।
2. क्यूलेर, जेए फिजिक्स II: एप्रोच बाय कॉम्पिटेंस। मैकग्रा हिल।
3. किर्कपैट्रिक, एल। 2007. भौतिकी: दुनिया पर एक नज़र। 6 ^टा संपादन संक्षिप्त। सेनगेज लर्निंग।
4. नाइट, आर। 2017. फिजिक्स फॉर साइंटिस्ट्स एंड इंजीनियरिंग: एक रणनीति दृष्टिकोण। पियर्सन।
5. टिपन्स, पी। 2011. भौतिकी: अवधारणाओं और अनुप्रयोग। 7 वां संस्करण। मैकग्रा पहाड़ी