आज हम इस सवाल का जवाब खोजने की कोशिश करेंगे कि "हीट ट्रांसफर है?.."। लेख में, हम विचार करेंगे कि प्रक्रिया क्या है, यह किस प्रकार की प्रकृति में मौजूद है, और यह भी पता लगाएं कि गर्मी हस्तांतरण और ऊष्मप्रवैगिकी के बीच क्या संबंध है।
परिभाषा
गर्मी हस्तांतरण एक भौतिक प्रक्रिया है, जिसका सार तापीय ऊर्जा का हस्तांतरण है। विनिमय दो निकायों या उनकी प्रणाली के बीच होता है। इस मामले में, एक पूर्वापेक्षा अधिक गर्म निकायों से कम गर्म निकायों में गर्मी का स्थानांतरण होगा।
प्रक्रिया सुविधाएँ
गर्मी हस्तांतरण एक ही प्रकार की घटना है जो सीधे संपर्क के साथ और विभाजन को अलग करने के साथ हो सकती है। पहले मामले में, सब कुछ स्पष्ट है; दूसरे में, निकायों, सामग्रियों और मीडिया को बाधाओं के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। गर्मी हस्तांतरण उन मामलों में होगा जहां दो या दो से अधिक निकायों से युक्त एक प्रणाली थर्मल संतुलन की स्थिति में नहीं है। अर्थात्, किसी एक वस्तु का तापमान दूसरे की तुलना में अधिक या कम होता है। यहीं पर ऊष्मा ऊर्जा का स्थानांतरण होता है। यह मान लेना तर्कसंगत है कि यह तब समाप्त होगा जबजब सिस्टम थर्मोडायनामिक या थर्मल संतुलन की स्थिति में आता है। प्रक्रिया अनायास होती है, जैसा कि ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम हमें बता सकता है।
दृश्य
गर्मी हस्तांतरण एक प्रक्रिया है जिसे तीन तरीकों से विभाजित किया जा सकता है। उनके पास एक बुनियादी प्रकृति होगी, क्योंकि उनके भीतर वास्तविक उपश्रेणियों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है, जिसमें सामान्य पैटर्न के साथ-साथ अपनी विशिष्ट विशेषताएं भी होती हैं। आज तक, तीन प्रकार के गर्मी हस्तांतरण को अलग करने की प्रथा है। ये चालन, संवहन और विकिरण हैं। आइए पहले से शुरू करते हैं, शायद।
गर्मी हस्तांतरण के तरीके। तापीय चालकता।
यह ऊर्जा के हस्तांतरण को करने के लिए भौतिक शरीर की संपत्ति का नाम है। उसी समय, इसे गर्म भाग से ठंडे भाग में स्थानांतरित किया जाता है। यह घटना अणुओं की अराजक गति के सिद्धांत पर आधारित है। यह तथाकथित ब्राउनियन गति है। शरीर का तापमान जितना अधिक होता है, उसमें अणु उतनी ही अधिक सक्रिय रूप से गति करते हैं, क्योंकि उनमें गतिज ऊर्जा अधिक होती है। ऊष्मा चालन की प्रक्रिया में इलेक्ट्रॉन, अणु, परमाणु भाग लेते हैं। यह उन पिंडों में किया जाता है, जिनके अलग-अलग हिस्सों का तापमान अलग-अलग होता है।
यदि कोई पदार्थ ऊष्मा का संचालन करने में सक्षम है, तो हम एक मात्रात्मक विशेषता की उपस्थिति के बारे में बात कर सकते हैं। इस मामले में, इसकी भूमिका तापीय चालकता के गुणांक द्वारा निभाई जाती है। यह विशेषता दर्शाती है कि समय की प्रति इकाई लंबाई और क्षेत्रफल के इकाई संकेतकों से कितनी गर्मी गुजरेगी। इस मामले में, शरीर का तापमान ठीक 1 K से बदल जाएगा।
पहले यह माना जाता था कि हीट एक्सचेंज मेंविभिन्न निकायों (संलग्न संरचनाओं के गर्मी हस्तांतरण सहित) इस तथ्य के कारण है कि तथाकथित कैलोरी शरीर के एक हिस्से से दूसरे हिस्से में बहती है। हालांकि, किसी को भी इसके वास्तविक अस्तित्व के संकेत नहीं मिले, और जब आणविक-गतिज सिद्धांत एक निश्चित स्तर तक विकसित हुआ, तो हर कोई कैलोरी के बारे में सोचना भूल गया, क्योंकि परिकल्पना अस्थिर हो गई थी।
संवहन। जल ताप अंतरण
ऊष्मीय ऊर्जा विनिमय की इस विधि को आंतरिक प्रवाह के माध्यम से स्थानांतरण के रूप में समझा जाता है। आइए पानी की एक केतली की कल्पना करें। जैसा कि आप जानते हैं, गर्म हवा की धाराएँ ऊपर की ओर उठती हैं। और ठंडे, भारी वाले डूब जाते हैं। तो पानी कोई अलग क्यों होना चाहिए? उसके साथ बिल्कुल ऐसा ही है। और इस तरह के एक चक्र की प्रक्रिया में, पानी की सभी परतें, चाहे कितनी भी हों, तब तक गर्म होंगी जब तक कि थर्मल संतुलन की स्थिति नहीं हो जाती। कुछ शर्तों के तहत, बिल्कुल।
विकिरण
यह विधि विद्युत चुम्बकीय विकिरण के सिद्धांत पर आधारित है। यह आंतरिक ऊर्जा से आता है। हम ऊष्मीय विकिरण के सिद्धांत में ज्यादा नहीं जाएंगे, हम केवल यह ध्यान देंगे कि इसका कारण आवेशित कणों, परमाणुओं और अणुओं की व्यवस्था है।
साधारण ऊष्मा चालन समस्या
अब बात करते हैं कि व्यवहार में गर्मी हस्तांतरण की गणना कैसी दिखती है। आइए गर्मी की मात्रा से संबंधित एक साधारण समस्या को हल करें। मान लीजिए कि हमारे पास आधा किलोग्राम के बराबर पानी है। प्रारंभिक पानी का तापमान - 0 डिग्रीसेल्सियस, अंतिम - 100। आइए इस द्रव्यमान को गर्म करने के लिए हमारे द्वारा खर्च की गई ऊष्मा की मात्रा ज्ञात करें।
इसके लिए हमें सूत्र Q=cm(t2-t1) चाहिए, जहां Q ऊष्मा की मात्रा है, c पानी की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता है, m पदार्थ का द्रव्यमान है, t1 प्रारंभिक तापमान है, t2 अंतिम तापमान है. जल के लिए c का मान सारणीबद्ध है। विशिष्ट ताप क्षमता 4200 J/kgC के बराबर होगी। अब हम इन मानों को सूत्र में प्रतिस्थापित करते हैं। हम पाते हैं कि ऊष्मा की मात्रा 210000 J, या 210 kJ के बराबर होगी।
ऊष्मागतिकी का पहला नियम
ऊष्मप्रवैगिकी और गर्मी हस्तांतरण कुछ कानूनों द्वारा परस्पर जुड़े हुए हैं। वे इस ज्ञान पर आधारित हैं कि एक प्रणाली के भीतर आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन दो तरीकों से प्राप्त किया जा सकता है। पहला यांत्रिक कार्य है। दूसरा एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा का संचार है। वैसे, ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम इसी सिद्धांत पर आधारित है। यहाँ इसका सूत्रीकरण है: यदि प्रणाली को एक निश्चित मात्रा में गर्मी प्रदान की जाती है, तो इसे बाहरी निकायों पर काम करने या इसकी आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने पर खर्च किया जाएगा। गणितीय संकेतन: dQ=dU + dA.
पेशेवर या विपक्ष?
थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम के गणितीय संकेतन में शामिल सभी मात्राओं को "प्लस" चिह्न और "माइनस" चिह्न दोनों के साथ लिखा जा सकता है। इसके अलावा, उनकी पसंद प्रक्रिया की शर्तों से तय होगी। मान लें कि सिस्टम कुछ मात्रा में गर्मी प्राप्त करता है। ऐसे में इसमें शरीर गर्म हो जाता है। इसलिए, गैस का विस्तार होता है, जिसका अर्थ है किकार्य किया जा रहा है। नतीजतन, मान सकारात्मक होंगे। यदि ऊष्मा की मात्रा को हटा दिया जाए, तो गैस ठंडी हो जाती है और उस पर कार्य किया जाता है। मान उलट दिए जाएंगे।
ऊष्मागतिकी के पहले नियम का वैकल्पिक सूत्रीकरण
मान लीजिए हमारे पास कुछ रुक-रुक कर चलने वाला इंजन है। इसमें वर्किंग बॉडी (या सिस्टम) एक सर्कुलर प्रोसेस करती है। इसे आमतौर पर एक चक्र कहा जाता है। नतीजतन, सिस्टम अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाएगा। यह मान लेना तर्कसंगत होगा कि इस स्थिति में आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन शून्य के बराबर होगा। यह पता चला है कि गर्मी की मात्रा किए गए कार्य के बराबर होगी। ये प्रावधान हमें ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम को एक अलग तरीके से तैयार करने की अनुमति देते हैं।
इससे हम समझ सकते हैं कि प्रकृति में पहली तरह की एक सतत गति मशीन मौजूद नहीं हो सकती है। यानी एक ऐसा उपकरण जो बाहर से प्राप्त ऊर्जा की तुलना में अधिक मात्रा में कार्य करता है। इस मामले में, कार्रवाई समय-समय पर की जानी चाहिए।
आइसोप्रोसेस के लिए उष्मागतिकी का पहला नियम
आइसोकोरिक प्रक्रिया से शुरू करते हैं। यह मात्रा को स्थिर रखता है। इसका अर्थ है कि आयतन में परिवर्तन शून्य होगा। अतः कार्य भी शून्य के बराबर होगा। आइए हम इस पद को ऊष्मागतिकी के पहले नियम से हटा दें, जिसके बाद हमें सूत्र dQ=dU प्राप्त होता है। इसका मतलब यह है कि एक आइसोकोरिक प्रक्रिया में, सिस्टम को आपूर्ति की जाने वाली सारी गर्मी गैस या मिश्रण की आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने के लिए जाती है।
अब बात करते हैं समदाब रेखीय प्रक्रिया की। दबाव स्थिर रहता है।इस मामले में, आंतरिक ऊर्जा काम के साथ समानांतर में बदल जाएगी। यहाँ मूल सूत्र है: dQ=dU + pdV। हम किए गए कार्य की गणना आसानी से कर सकते हैं। यह व्यंजक uR(T2-T1) के बराबर होगा। वैसे, यह सार्वभौमिक गैस स्थिरांक का भौतिक अर्थ है। एक मोल गैस और एक केल्विन के तापमान अंतर की उपस्थिति में, सार्वभौमिक गैस स्थिरांक एक समदाब रेखीय प्रक्रिया में किए गए कार्य के बराबर होगा।
