यह ज्ञात है कि ऊष्मा के कणों के प्रभाव में उनकी अराजक गति तेज हो जाती है। यदि आप किसी गैस को गर्म करते हैं, तो इसे बनाने वाले अणु एक दूसरे से आसानी से बिखर जाएंगे। गर्म तरल पहले मात्रा में बढ़ेगा, और फिर वाष्पित होना शुरू हो जाएगा। ठोस पदार्थों का क्या होगा? उनमें से प्रत्येक अपनी एकत्रीकरण की स्थिति को नहीं बदल सकता।
थर्मल विस्तार परिभाषा
तापमान में परिवर्तन के साथ पिंडों के आकार और आकार में होने वाले परिवर्तन को ऊष्मीय प्रसार कहते हैं। गणितीय रूप से, वॉल्यूमेट्रिक विस्तार गुणांक की गणना करना संभव है, जिससे बाहरी परिस्थितियों को बदलने में गैसों और तरल पदार्थों के व्यवहार की भविष्यवाणी करना संभव हो जाता है। ठोस के लिए समान परिणाम प्राप्त करने के लिए, रैखिक विस्तार के गुणांक को ध्यान में रखा जाना चाहिए। भौतिकविदों ने इस तरह के शोध के लिए एक पूरे खंड को चुना है और इसे डिलेटोमेट्री कहा है।
इंजीनियरों और वास्तुकारों को इमारतों के डिजाइन, सड़कों और पाइप बिछाने के लिए उच्च और निम्न तापमान के प्रभाव में विभिन्न सामग्रियों के व्यवहार के बारे में ज्ञान की आवश्यकता होती है।
गैस विस्तार
थर्मलगैसों का विस्तार अंतरिक्ष में उनके आयतन के विस्तार के साथ होता है। यह प्राचीन काल में प्राकृतिक दार्शनिकों द्वारा देखा गया था, लेकिन केवल आधुनिक भौतिक विज्ञानी ही गणितीय गणना करने में कामयाब रहे।
सबसे पहले, वैज्ञानिकों को हवा के विस्तार में दिलचस्पी हुई, क्योंकि यह उन्हें एक व्यवहार्य कार्य लग रहा था। वे व्यापार में इतने उत्साह से उतरे कि उन्हें विपरीत परिणाम मिले। स्वाभाविक रूप से, वैज्ञानिक समुदाय इस तरह के परिणाम से संतुष्ट नहीं था। माप की सटीकता इस बात पर निर्भर करती है कि किस थर्मामीटर का उपयोग किया गया था, दबाव, और कई अन्य स्थितियां। कुछ भौतिक विज्ञानी इस निष्कर्ष पर पहुंचे हैं कि गैसों का विस्तार तापमान में परिवर्तन पर निर्भर नहीं करता है। या ये लत अधूरी है…
डाल्टन और गे-लुसाक द्वारा काम करता है
भौतिक विज्ञानी तब तक बहस करना जारी रखेंगे जब तक कि वे कर्कश न हों या जॉन डाल्टन के लिए नहीं तो माप छोड़ दें। वह और एक अन्य भौतिक विज्ञानी, गे-लुसाक, स्वतंत्र रूप से एक ही समय में समान माप परिणाम प्राप्त करने में सक्षम थे।
लुसैक ने इतने सारे अलग-अलग परिणामों का कारण खोजने की कोशिश की और देखा कि प्रयोग के समय कुछ उपकरणों में पानी था। स्वाभाविक रूप से, गर्म करने की प्रक्रिया में, यह भाप में बदल गया और अध्ययन की गई गैसों की मात्रा और संरचना को बदल दिया। इसलिए, वैज्ञानिक ने जो पहला काम किया, वह उन सभी उपकरणों को अच्छी तरह से सुखाना था, जिनका उपयोग उन्होंने प्रयोग करने के लिए किया था, और अध्ययन के तहत गैस से नमी के न्यूनतम प्रतिशत को भी बाहर कर दिया था। इन सभी जोड़तोड़ के बाद, पहले कुछ प्रयोग अधिक विश्वसनीय निकले।
डाल्टन ने इस मुद्दे को लंबे समय तक निपटायाउनके सहयोगी और 19 वीं शताब्दी की शुरुआत में परिणाम प्रकाशित किए। उसने हवा को सल्फ्यूरिक एसिड वाष्प से सुखाया और फिर उसे गर्म किया। प्रयोगों की एक श्रृंखला के बाद, जॉन इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि सभी गैसों और भाप का विस्तार 0.376 के कारक से होता है। लुसैक को 0.375 नंबर मिला। यह अध्ययन का आधिकारिक परिणाम बन गया।
जलवाष्प की लोच
गैसों का ऊष्मीय प्रसार उनकी लोच पर निर्भर करता है, अर्थात अपने मूल आयतन में लौटने की क्षमता। ज़िग्लर अठारहवीं शताब्दी के मध्य में इस मुद्दे की जांच करने वाले पहले व्यक्ति थे। लेकिन उनके प्रयोगों के परिणाम बहुत अधिक भिन्न थे। जेम्स वाट द्वारा अधिक विश्वसनीय आंकड़े प्राप्त किए गए, जिन्होंने उच्च तापमान के लिए कड़ाही और कम तापमान के लिए बैरोमीटर का उपयोग किया।
अठारहवीं शताब्दी के अंत में, फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी प्रोनी ने एक एकल सूत्र प्राप्त करने का प्रयास किया जो गैसों की लोच का वर्णन करेगा, लेकिन यह बहुत बोझिल और उपयोग में मुश्किल निकला। डाल्टन ने इसके लिए साइफन बैरोमीटर का उपयोग करते हुए सभी गणनाओं का अनुभवजन्य परीक्षण करने का निर्णय लिया। इस तथ्य के बावजूद कि सभी प्रयोगों में तापमान समान नहीं था, परिणाम बहुत सटीक थे। इसलिए उन्होंने उन्हें अपनी भौतिकी पाठ्यपुस्तक में एक तालिका के रूप में प्रकाशित किया।
वाष्पीकरण सिद्धांत
गैसों के ऊष्मीय प्रसार (भौतिक सिद्धांत के रूप में) में विभिन्न परिवर्तन हुए हैं। वैज्ञानिकों ने उन प्रक्रियाओं की तह तक जाने की कोशिश की जिनसे भाप पैदा होती है। यहां फिर से, प्रसिद्ध भौतिक विज्ञानी डाल्टन ने खुद को प्रतिष्ठित किया। उन्होंने परिकल्पना की कि कोई भी स्थान गैस वाष्प से संतृप्त होता है, भले ही वह इस जलाशय में मौजूद हो(कमरा) कोई अन्य गैस या भाप। इसलिए, यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि केवल वायुमंडलीय वायु के संपर्क में आने से तरल वाष्पित नहीं होगा।
तरल की सतह पर वायु स्तंभ का दबाव परमाणुओं के बीच की जगह को बढ़ाता है, उन्हें अलग करता है और वाष्पित करता है, अर्थात यह भाप के निर्माण में योगदान देता है। लेकिन गुरुत्वाकर्षण वाष्प के अणुओं पर कार्य करना जारी रखता है, इसलिए वैज्ञानिकों ने गणना की कि वायुमंडलीय दबाव का तरल पदार्थों के वाष्पीकरण पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है।
तरल पदार्थ का विस्तार
तरल पदार्थों के ऊष्मीय प्रसार की जांच गैसों के विस्तार के समानांतर की गई। वही वैज्ञानिक वैज्ञानिक अनुसंधान में लगे हुए थे। ऐसा करने के लिए, उन्होंने थर्मामीटर, एरोमीटर, संचार वाहिकाओं और अन्य उपकरणों का इस्तेमाल किया।
सभी प्रयोगों ने एक साथ और प्रत्येक ने अलग-अलग डाल्टन के सिद्धांत का खंडन किया कि सजातीय तरल पदार्थ उस तापमान के वर्ग के अनुपात में फैलते हैं जिस पर उन्हें गर्म किया जाता है। बेशक, तापमान जितना अधिक होगा, तरल का आयतन उतना ही अधिक होगा, लेकिन इसके बीच कोई सीधा संबंध नहीं था। हाँ, और सभी तरल पदार्थों की विस्तार दर अलग थी।
पानी का थर्मल विस्तार, उदाहरण के लिए, शून्य डिग्री सेल्सियस से शुरू होता है और तापमान गिरने पर जारी रहता है। पहले, प्रयोगों के ऐसे परिणाम इस तथ्य से जुड़े थे कि यह पानी ही नहीं है जो फैलता है, लेकिन जिस कंटेनर में यह स्थित है वह संकरा है। लेकिन कुछ समय बाद, भौतिक विज्ञानी डेलुका फिर भी इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि कारण तरल में ही खोजा जाना चाहिए। उन्होंने इसके सबसे बड़े घनत्व का तापमान खोजने का फैसला किया। हालाँकि, उपेक्षा के कारण वह सफल नहीं हुआकुछ विवरण। इस घटना का अध्ययन करने वाले रुमफोर्थ ने पाया कि पानी का अधिकतम घनत्व 4 से 5 डिग्री सेल्सियस के बीच देखा जाता है।
पिंडों का थर्मल विस्तार
ठोस में, विस्तार का मुख्य तंत्र क्रिस्टल जाली के कंपन के आयाम में परिवर्तन है। सरल शब्दों में, परमाणु जो पदार्थ बनाते हैं और एक-दूसरे से मजबूती से जुड़े होते हैं, "कांपने लगते हैं।"
पिंडों के ऊष्मीय विस्तार का नियम निम्नानुसार तैयार किया गया है: dT द्वारा गर्म करने की प्रक्रिया में एक रैखिक आकार L वाला कोई भी पिंड (डेल्टा T प्रारंभिक तापमान और अंतिम तापमान के बीच का अंतर है), dL द्वारा फैलता है (डेल्टा एल वस्तु की लंबाई और तापमान के अंतर से रैखिक थर्मल विस्तार के गुणांक का व्युत्पन्न है)। यह इस कानून का सबसे सरल संस्करण है, जो डिफ़ॉल्ट रूप से इस बात को ध्यान में रखता है कि शरीर एक ही बार में सभी दिशाओं में फैलता है। लेकिन व्यावहारिक कार्य के लिए, बहुत अधिक बोझिल गणनाओं का उपयोग किया जाता है, क्योंकि वास्तव में सामग्री भौतिकविदों और गणितज्ञों द्वारा बनाए गए मॉडल से अलग व्यवहार करती है।
रेल का थर्मल विस्तार
भौतिक इंजीनियर हमेशा रेलवे ट्रैक बिछाने में शामिल होते हैं, क्योंकि वे सटीक गणना कर सकते हैं कि रेल जोड़ों के बीच कितनी दूरी होनी चाहिए ताकि गर्म या ठंडा होने पर ट्रैक ख़राब न हो।
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, थर्मल रैखिक विस्तार सभी ठोसों पर लागू होता है। और रेल कोई अपवाद नहीं है। लेकिन एक विवरण है। रैखिक परिवर्तनस्वतंत्र रूप से तब होता है जब शरीर घर्षण बल से प्रभावित नहीं होता है। रेल को स्लीपरों से सख्ती से जोड़ा जाता है और आसन्न रेलों से वेल्ड किया जाता है, इसलिए लंबाई में परिवर्तन का वर्णन करने वाला कानून रैखिक और बट प्रतिरोधों के रूप में बाधाओं पर काबू पाने को ध्यान में रखता है।
यदि कोई रेल अपनी लंबाई नहीं बदल सकती है, तो तापमान में बदलाव के साथ, उसमें थर्मल स्ट्रेस बढ़ जाता है, जो उसे स्ट्रेच और कंप्रेस दोनों कर सकता है। इस घटना का वर्णन हुक के नियम द्वारा किया गया है।
