सभी पदार्थों में आंतरिक ऊर्जा होती है। यह मान कई भौतिक और रासायनिक गुणों की विशेषता है, जिनमें से गर्मी पर विशेष ध्यान देना चाहिए। यह मात्रा एक अमूर्त गणितीय मान है जो किसी पदार्थ के अणुओं के बीच परस्पर क्रिया की शक्तियों का वर्णन करता है। हीट एक्सचेंज के तंत्र को समझने से इस सवाल का जवाब देने में मदद मिल सकती है कि पदार्थों को ठंडा करने और गर्म करने के साथ-साथ उनके दहन के दौरान कितनी गर्मी निकलती है।
गर्मी की घटना की खोज का इतिहास
शुरुआत में, गर्मी हस्तांतरण की घटना को बहुत सरल और स्पष्ट रूप से वर्णित किया गया था: यदि किसी पदार्थ का तापमान बढ़ता है, तो वह गर्मी प्राप्त करता है, और ठंडा होने के मामले में इसे पर्यावरण में छोड़ देता है। हालांकि, गर्मी विचाराधीन तरल या शरीर का एक अभिन्न अंग नहीं है, जैसा कि तीन सदियों पहले सोचा गया था। लोग भोलेपन से मानते थे कि पदार्थ के दो भाग होते हैं: इसके अपने अणु और ऊष्मा। अब, कुछ लोगों को याद है कि लैटिन में "तापमान" शब्द का अर्थ "मिश्रण" है, और, उदाहरण के लिए, उन्होंने कांस्य को "टिन और तांबे का तापमान" कहा।
17वीं शताब्दी में दो परिकल्पना सामने आई किगर्मी और गर्मी हस्तांतरण की घटना को स्पष्ट रूप से समझा सकता है। पहली बार 1613 में गैलीलियो द्वारा प्रस्तावित किया गया था। उनका शब्द था: "गर्मी एक असामान्य पदार्थ है जो किसी भी शरीर में और बाहर प्रवेश कर सकता है।" गैलीलियो ने इस पदार्थ को कैलोरी कहा। उन्होंने तर्क दिया कि कैलोरी गायब या पतन नहीं हो सकती है, लेकिन केवल एक शरीर से दूसरे शरीर में जाने में सक्षम है। तदनुसार, पदार्थ में जितनी अधिक कैलोरी होती है, उसका तापमान उतना ही अधिक होता है।
दूसरी परिकल्पना 1620 में सामने आई, और दार्शनिक बेकन द्वारा प्रस्तावित की गई थी। उसने देखा कि हथौड़े के तेज प्रहार से लोहा गर्म हो गया। यह सिद्धांत घर्षण द्वारा आग जलाने पर भी काम करता था, जिसके कारण बेकन ने ऊष्मा की आणविक प्रकृति के बारे में सोचा। उन्होंने तर्क दिया कि जब कोई पिंड यांत्रिक रूप से प्रभावित होता है, तो उसके अणु एक दूसरे के खिलाफ धड़कने लगते हैं, गति की गति बढ़ाते हैं और इस तरह तापमान बढ़ाते हैं।
दूसरी परिकल्पना का परिणाम यह निष्कर्ष था कि ऊष्मा किसी पदार्थ के अणुओं की एक दूसरे के साथ यांत्रिक क्रिया का परिणाम है। लंबे समय तक, लोमोनोसोव ने इस सिद्धांत को प्रमाणित करने और प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध करने का प्रयास किया।
ऊष्मा पदार्थ की आंतरिक ऊर्जा का माप है
आधुनिक वैज्ञानिक निम्नलिखित निष्कर्ष पर पहुंचे हैं: तापीय ऊर्जा पदार्थ के अणुओं की परस्पर क्रिया का परिणाम है, अर्थात शरीर की आंतरिक ऊर्जा। कणों की गति की गति तापमान पर निर्भर करती है, और गर्मी की मात्रा सीधे पदार्थ के द्रव्यमान के समानुपाती होती है। तो, पानी की एक बाल्टी में भरे हुए कप की तुलना में अधिक तापीय ऊर्जा होती है। हालांकि, गर्म तरल का एक तश्तरीठंडे बेसिन की तुलना में कम गर्मी हो सकती है।
कैलोरी के सिद्धांत, जिसे गैलीलियो द्वारा 17वीं शताब्दी में प्रस्तावित किया गया था, का खंडन वैज्ञानिकों जे. जूल और बी. रमफोर्ड ने किया था। उन्होंने साबित किया कि तापीय ऊर्जा का कोई द्रव्यमान नहीं होता है और यह केवल अणुओं की यांत्रिक गति द्वारा विशेषता होती है।
किसी पदार्थ के दहन के दौरान कितनी गर्मी निकलेगी? विशिष्ट कैलोरी मान
आज, पीट, तेल, कोयला, प्राकृतिक गैस या लकड़ी सार्वभौमिक और व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले ऊर्जा स्रोत हैं। जब इन पदार्थों को जलाया जाता है, तो एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा निकलती है, जिसका उपयोग हीटिंग, स्टार्टिंग मैकेनिज्म आदि के लिए किया जाता है। व्यवहार में इस मूल्य की गणना कैसे की जा सकती है?
इसके लिए दहन की विशिष्ट ऊष्मा की अवधारणा पेश की जाती है। यह मान एक निश्चित पदार्थ के 1 किलो के दहन के दौरान निकलने वाली ऊष्मा की मात्रा पर निर्भर करता है। इसे q अक्षर से दर्शाया जाता है और इसे J/kg में मापा जाता है। कुछ सबसे सामान्य ईंधनों के लिए q मानों की तालिका नीचे दी गई है।
इंजन का निर्माण और गणना करते समय, एक इंजीनियर को यह जानने की जरूरत होती है कि एक निश्चित मात्रा में पदार्थ के जलने पर कितनी गर्मी निकलेगी। ऐसा करने के लिए, आप सूत्र Q=qm का उपयोग करके अप्रत्यक्ष माप का उपयोग कर सकते हैं, जहां Q पदार्थ के दहन की गर्मी है, q दहन की विशिष्ट गर्मी (तालिका मान) है, और m दिया गया द्रव्यमान है।
दहन के दौरान उष्मा का बनना रासायनिक बंधों के निर्माण के दौरान ऊर्जा मुक्त होने की घटना पर आधारित है। सबसे सरल उदाहरण कार्बन का दहन है, जिसमें निहित हैकिसी भी प्रकार के आधुनिक ईंधन में। कार्बन वायुमंडलीय वायु की उपस्थिति में जलता है और ऑक्सीजन के साथ मिलकर कार्बन डाइऑक्साइड बनाता है। एक रासायनिक बंधन का निर्माण पर्यावरण में तापीय ऊर्जा की रिहाई के साथ आगे बढ़ता है, और मनुष्य ने इस ऊर्जा को अपने उद्देश्यों के लिए उपयोग करने के लिए अनुकूलित किया है।
दुर्भाग्य से, तेल या पीट जैसे मूल्यवान संसाधनों के बिना सोचे समझे खर्च से जल्द ही इन ईंधनों के उत्पादन के लिए स्रोतों की कमी हो सकती है। पहले से ही आज, बिजली के उपकरण और कारों के नए मॉडल भी दिखाई दे रहे हैं, जिनका संचालन वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों जैसे सूर्य के प्रकाश, पानी या पृथ्वी की पपड़ी की ऊर्जा पर आधारित है।
हीट ट्रांसफर
किसी पिंड के भीतर या एक पिंड से दूसरे पिंड में ऊष्मीय ऊर्जा का आदान-प्रदान करने की क्षमता को हीट ट्रांसफर कहा जाता है। यह घटना अनायास नहीं होती है और केवल तापमान अंतर के साथ होती है। सरलतम स्थिति में, तापीय ऊर्जा को एक गर्म शरीर से कम गर्म शरीर में तब तक स्थानांतरित किया जाता है जब तक कि संतुलन स्थापित नहीं हो जाता।
ऊष्मा हस्तांतरण की घटना होने के लिए निकायों को संपर्क में होने की आवश्यकता नहीं है। किसी भी मामले में, संतुलन की स्थापना विचाराधीन वस्तुओं के बीच थोड़ी दूरी पर भी हो सकती है, लेकिन उनके संपर्क में आने की तुलना में धीमी गति से।
गर्मी हस्तांतरण को तीन प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है:
1. तापीय चालकता।
2. संवहन।
3. दीप्तिमान विनिमय।
तापीय चालकता
यह घटना परमाणुओं या पदार्थ के अणुओं के बीच तापीय ऊर्जा के हस्तांतरण पर आधारित है। कारणसंचरण - अणुओं की अराजक गति और उनकी निरंतर टक्कर। इसके कारण, श्रृंखला के साथ-साथ ऊष्मा एक अणु से दूसरे अणु तक जाती है।
तापीय चालकता की घटना तब देखी जा सकती है जब किसी लोहे की सामग्री को शांत किया जाता है, जब सतह पर लालिमा सुचारू रूप से फैलती है और धीरे-धीरे फीकी पड़ जाती है (पर्यावरण में एक निश्चित मात्रा में गर्मी निकलती है)।
एफ. फूरियर ने ऊष्मा प्रवाह के लिए एक सूत्र निकाला, जिसने किसी पदार्थ की तापीय चालकता की डिग्री को प्रभावित करने वाली सभी मात्राओं को एकत्रित किया (नीचे चित्र देखें)।
इस सूत्र में, क्यू/टी गर्मी प्रवाह है, λ थर्मल चालकता गुणांक है, एस क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र है, टी/एक्स शरीर के सिरों के बीच तापमान अंतर का अनुपात है एक निश्चित दूरी।
तापीय चालकता एक सारणीबद्ध मान है। आवासीय भवन या उपकरणों के थर्मल इन्सुलेशन को इन्सुलेट करते समय यह व्यावहारिक महत्व का है।
उज्ज्वल गर्मी हस्तांतरण
गर्मी हस्तांतरण का एक और तरीका है, जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण की घटना पर आधारित है। संवहन और ऊष्मा चालन से इसका अंतर इस तथ्य में निहित है कि ऊर्जा हस्तांतरण निर्वात स्थान में भी हो सकता है। हालांकि, जैसा कि पहले मामले में होता है, तापमान में अंतर की आवश्यकता होती है।
दीप्तिमान विनिमय सूर्य से पृथ्वी की सतह पर तापीय ऊर्जा के हस्तांतरण का एक उदाहरण है, जो मुख्य रूप से अवरक्त विकिरण के लिए जिम्मेदार है। यह निर्धारित करने के लिए कि पृथ्वी की सतह पर कितनी गर्मी पहुँचती है, कई स्टेशन बनाए गए हैं, जोइस सूचक में परिवर्तन की निगरानी करें।
संवहन
वायु प्रवाह की संवहन गति का सीधा संबंध गर्मी हस्तांतरण की घटना से है। चाहे हम किसी तरल या गैस को कितनी भी गर्मी प्रदान करें, पदार्थ के अणु तेजी से आगे बढ़ने लगते हैं। इस वजह से, पूरे सिस्टम का दबाव कम हो जाता है, और इसके विपरीत, वॉल्यूम बढ़ जाता है। गर्म वायु धाराओं या अन्य गैसों के ऊपर की ओर गति करने का यही कारण है।
रोजमर्रा की जिंदगी में संवहन की घटना का उपयोग करने का सबसे सरल उदाहरण बैटरी के साथ एक कमरे को गर्म करना कहा जा सकता है। वे एक कारण के लिए कमरे के निचले भाग में स्थित हैं, लेकिन इसलिए कि गर्म हवा में उठने के लिए जगह है, जिससे कमरे के चारों ओर प्रवाह का संचार होता है।
गर्मी कैसे मापी जा सकती है?
हीटिंग या कूलिंग की गर्मी की गणना एक विशेष उपकरण - कैलोरीमीटर का उपयोग करके गणितीय रूप से की जाती है। स्थापना को पानी से भरे एक बड़े गर्मी-अछूता पोत द्वारा दर्शाया गया है। माध्यम के प्रारंभिक तापमान को मापने के लिए एक थर्मामीटर को तरल में उतारा जाता है। फिर संतुलन स्थापित होने के बाद तरल के तापमान में परिवर्तन की गणना करने के लिए एक गर्म शरीर को पानी में उतारा जाता है।
टी को बढ़ाने या घटाने से पर्यावरण निर्धारित करता है कि शरीर को गर्म करने के लिए कितनी गर्मी खर्च करनी चाहिए। कैलोरीमीटर सबसे सरल उपकरण है जो तापमान परिवर्तन दर्ज कर सकता है।
साथ ही, एक कैलोरीमीटर का उपयोग करके, आप गणना कर सकते हैं कि दहन के दौरान कितनी गर्मी निकलेगीपदार्थ। ऐसा करने के लिए, पानी से भरे बर्तन में एक "बम" रखा जाता है। यह "बम" एक बंद बर्तन है जिसमें परीक्षण पदार्थ स्थित है। आगजनी के लिए विशेष इलेक्ट्रोड इससे जुड़े होते हैं, और कक्ष ऑक्सीजन से भर जाता है। पदार्थ के पूर्ण दहन के बाद, पानी के तापमान में परिवर्तन दर्ज किया जाता है।
ऐसे प्रयोगों के दौरान यह स्थापित किया गया कि तापीय ऊर्जा के स्रोत रासायनिक और परमाणु प्रतिक्रियाएं हैं। पृथ्वी की गहरी परतों में परमाणु प्रतिक्रियाएँ होती हैं, जिससे पूरे ग्रह के लिए ऊष्मा का मुख्य भंडार बनता है। उनका उपयोग मनुष्यों द्वारा परमाणु संलयन के माध्यम से ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए भी किया जाता है।
रासायनिक प्रतिक्रियाओं के उदाहरण पदार्थों का दहन और मानव पाचन तंत्र में पॉलिमर का मोनोमर्स में टूटना है। एक अणु में रासायनिक बंधों की गुणवत्ता और मात्रा निर्धारित करती है कि अंततः कितनी गर्मी निकलती है।
गर्मी कैसे मापी जाती है?
अंतर्राष्ट्रीय SI प्रणाली में ऊष्मा की इकाई जूल (J) है। इसके अलावा रोजमर्रा की जिंदगी में ऑफ-सिस्टम यूनिट - कैलोरी का उपयोग किया जाता है। 1 कैलोरी अंतरराष्ट्रीय मानक के अनुसार 4.1868 J और थर्मोकैमिस्ट्री पर आधारित 4.184 J के बराबर होती है। पहले, एक बीटीयू बीटीयू था, जो शायद ही कभी वैज्ञानिकों द्वारा उपयोग किया जाता है। 1 बीटीयू=1.055 जे.
