10.1 परिचय

हम सभी के पास ऊष्मा और तापमान के बारे में सामान्य धारणाओं हैं। तापमान एक शरीर की ‘गरमागरमी’ का माप है। उबली हुई पानी की बुनियादी बर्तन एक बॉक्स से जो बर्फ के हैं, उससे गरम है। भौतिक विज्ञान में, हमें ऊष्मा, तापमान आदि बातों की अधिक सावधानी से परिभाषित करने की आवश्यकता है। इस पाठ में, आप जानेंगे कि ऊष्मा क्या है और इसे कैसे मापा जाता है, और एक शरीर से दूसरे शरीर में ऊष्मा के प्रवाह के विभिन्न प्रक्रियाओं का अध्ययन करेंगे। इस मार्ग में, आप जानेंगे कि धातुकर घोड़े की गाड़ी के लकड़ी के चक्की के गिरने के लिए आयरन की अंगूठी को गरम क्यों करते हैं और कि बीच की हवा आमतौर पर सूर्य अस्त होने के बाद अक्सर दिशा को उलट देती है। आप यह भी सीखेंगे कि जब पानी उबलता है या जमता है, तो इसके प्रकार में क्या होता है और इस प्रक्रिया के दौरान इसके तापमान में कोई परिवर्तन नहीं होता है, भले ही इसमें बहुत सारी ऊष्मा घुस रही हो या बाहर निकल रही हो।

10.2 तापमान और ऊष्मा

हम द्रव्य की ऊष्मागतिक गुणों का अध्ययन तापमान और ऊष्मा की परिभाषाओं से शुरुआत कर सकते हैं। तापमान एक सापेक्ष माप है, या गरमी या ठंडेपन का संकेत। एक गरम उपकरण को उच्च तापमान के रूप में कहा जाता है, और बर्फ के कण को निम्न तापमान के रूप में कहा जाता है। एक ऑब्जेक्ट को दूसरे ऑब्जेक्ट से अधिक तापमान वाला कहा जाता है। ध्यान दें कि गरम और ठंडा जैसे शब्द सापेक्ष शब्द हैं। हम छू कर तापमान का अनुभव कर सकते हैं। हालांकि, इस तापमान संवेदना कुछ ही अविश्वसनीय है और इसकी श्रेणी वैज्ञानिक उद्देश्यों के लिए उपयोगी नहीं है।

हम अनुभव से जानते हैं कि गरम ग्रीष्मा दिन के एक गरम दिन पर एक टेबल पर छोड़ दिया गया एक गिलास बर्फ के ठंडे पानी अंततः गरम हो जाता है जबकि उसी टेबल पर एक गरम चाय का कप ठंडा हो जाता है। इसका मतलब है कि जब शरीर, इस मामले में ठंडे पानी या गरम चाय का तापमान और उसके आसपास का माध्यम अलग होता है, तो प्रणाली और आसपास के माध्यम के बीच ऊष्मा का स्थानांतरण होता है, जब तक कि शरीर और आसपास का माध्यम एक समान तापमान पर न हो जाए। हम भी जानते हैं कि बर्फ के ठंडे पानी के लिए कांच के टम्बर के मामले में, ऊष्मा वातावरण से कांच के टम्बर में प्रवाहित होती है, जबकि गरम चाय के मामले में यह चाय के कप से वातावरण में प्रवाहित होती है। इसलिए, हम कह सकते हैं कि ऊष्मा एक शरीर या एक प्रणाली और उसके आसपास के माध्यम के बीच या दो (या अधिक) प्रणालियों के बीच तापमान अंतर के कारण स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा का एक रूप है। स्थानांतरित ऊष्मा की ऊर्जा की SI इकाई जूल $(J)$ में व्यक्त की जाती है, जबकि तापमान की SI इकाई केल्विन (K) है, और डिग्री सेल्सियस $\left({ }^{\circ} \mathrm{C}\right)$ तापमान की एक सामान्य इकाई है। जब एक ऑब्जेक्ट को गरम किया जाता है, तो कई परिवर्तन हो सकते हैं। इसका तापमान बढ़ सकता है, विस्तारित हो सकता है या अवस्था में परिवर्तन हो सकता है। हम ऊष्मा के अलावा विभिन्न शरीरों पर प्रभाव का अध्ययन बाद के अनुभागों में करेंगे।

10.3 तापमान का मापन

एक तापमान का माप एक तापमानमापी के उपयोग से प्राप्त किया जाता है। सामग्री की कई भौतिक गुण तापमान के साथ पर्याप्त रूप से बदलते हैं। कुछ ऐसे गुण तापमानमापी का निर्माण करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। सामान्य रूप से उपयोग किया जाने वाला गुण तापमान के साथ एक द्रव्य के आयतन का परिवर्तन है। उदाहरण के लिए, सामान्य तरल-द्रव्य के द्रव्य के तापमानमापी में, बर्फ आदि का उपयोग किया जाता है जिसका आयतन एक विस्तृत श्रेणी में तापमान के साथ रैखिक रूप से बदलता है।

तापमानमापी को तापमान को एक उचित पैमाने पर एक संख्यात्मक मान देने के लिए संवेदनशील किया जाता है। किसी भी मानक पैमाने की परिभाषा के लिए, दो निश्चित संदर्भ बिंदु की आवश्यकता होती है। सभी घटकों के पारिस्थितिक आयाम तापमान के साथ बदलते हैं, इसलिए विस्तार के लिए एक निश्चित संदर्भ उपलब्ध नहीं है। हालांकि, आवश्यक निश्चित बिंदुओं को हमेशा एक समान तापमान पर हमेशा घटित होने वाले भौतिक घटनाओं से संबंधित किया जा सकता है। बर्फ का बिंदु और धुएं का बिंदु बर्फ़ और उबाल के बिंदु के रूप में जाने जाने वाले दो सुविधाजनक निश्चित बिंदु हैं। ये दो बिंदु उन तापमानों हैं जिन पर मानक दबाव के अंतर्गत शुद्ध पानी जमा और उबालता है। दो परिचित तापमान पैमाने फारेनहाइट तापमान पैमाने और सेल्सियस तापमान पैमाने हैं। फारेनहाइट पैमाने पर बर्फ और धुएं के बिंदु के मान क्रमशः $32^{\circ} \mathrm{F}$ और $212^{\circ} \mathrm{F}$ हैं और सेल्सियस पैमाने पर $0 \mathrm{C}$ और $100{ }^{\circ} \mathrm{C}$ हैं। फारेनहाइट पैमाने पर दो संदर्भ बिंदुओं के बीच 180 समान अंतराल हैं, और सेल्सियस पैमाने पर 100 हैं।

आरेख 10.1 फारेनहाइट तापमान (tF ) के बीच सेल्सियस तापमान (tc) का एक आरेख।

दो पैमानों के बीच परिवर्तन के लिए एक संबंध फारेनहाइट तापमान $\left(t_{\mathrm{F}}\right)$ के बीच सेल्सियस तापमान $\left(t_{\mathrm{C}}\right)$ के एक सीधे रेखा (आरेख 10.1) से प्राप्त किया जा सकता है, जिसका समीकरण है

$$ \begin{equation*} \frac{t_{F}-32}{180}=\frac{t_{C}}{100} \tag{10.1} \end{equation*} $$

10.4 आइडियल-गैस समीकरण और निश्चित तापमान

तरल-द्रव्य के द्रव्य के तापमानमापी अन्य निश्चित बिंदुओं के अलावा तापमानों के लिए अलग-अलग पठन दिखाते हैं क्योंकि विभिन्न विस्तार गुणों के कारण। हालांकि, एक गैस का उपयोग करने वाला एक तापमानमापी उस गैस का उपयोग क्यों किया जाए, उसके बावजूद एक समान पठन देता है। प्रयोग दिखाते हैं कि सभी गैसें कम घनत्व पर एक समान विस्तार व्यवहार दिखाती हैं। एक दिए गए मात्रा (द्रव्यमान) के गैस के व्यवहार का वर्णन करने वाले चर दबाव, आयतन और तापमान $(P, V$, और $T)$ (जहां $T=t+273.15$; $t$ ${ }^{\circ} \mathrm{C}$ में तापमान है। जब तापमान स्थिर रखा जाता है, तो गैस की मात्रा के दबाव और आयतन $P V=$ स्थिर के रूप में संबंधित होते हैं। यह संबंध रॉबर्ट बूयल (1627-1691) के नाम पर जाना जाता है, जो अंग्रेजी रसायन विद्वान थे जिन्होंने इसे खोजा था। जब दबाव स्थिर रखा जाता है, तो गैस की मात्रा का आयतन तापमान $V / T=$ स्थिर के रूप में संबंधित होता है। यह संबंध जेक चार्ल्स (1747-1823) के नाम पर जाना जाता है, जो फ्रांसीसी वैज्ञानिक थे। कम घनत्व वाले गैसें इन नियमों का पालन करती हैं, जिन्हें एक ही संबंध में जोड़ा जा सकता है। ध्यान दें कि $P V=$ स्थिर और $V / T=$ स्थिर है एक दिए गए गैस के लिए, तो $P V / T$ भी एक स्थिर होना चाहिए। यह संबंध आइडियल गैस के नियम के रूप में जाना जाता है। इसे एक अधिक सामान्य रूप में लिखा जा सकता है जो केवल एक दिए गए एकल गैस के लिए लागू नहीं है बल्कि किसी भी मात्रा के किसी भी कम घनत्व वाले गैस के लिए लागू होता है और आइडियल-गैस समीकरण के रूप में जाना जाता है:

$$ \begin{align*} & \frac{P V}{T}=\mu R \\ & \text { or } P V=\mu R T \tag{10.2} \end{align*} $$

जहां, $\mu$ गैस की नमूना में मोलों की संख्या है और $R$ यूनिवर्सल गैस आयाम कहलाता है:

$$ R=8.31 \mathrm{~J} \mathrm{~mol}^{-1} \mathrm{~K}^{-1}$$

समीकरण 10.2 में, हमने सीखा है कि दबाव और आयतन तापमान के साथ सीधे प्रतिसारी हैं: $P V \propto T$। यह संबंध एक गैस का उपयोग एक निश्चित आयतन गैस के तापमानमापी में तापमान को मापने के लिए करने की अनुमति देता है। एक गैस का आयतन निश्चित रखकर, यह $P \propto T$ देता है। इस प्रकार, एक निश्चित-आयतन गैस के तापमानमापी के साथ, तापमान दबाव के आधार पर पढ़ा जाता है। इस मामले में, दबाव के बीच तापमान का एक आरेख एक सीधी रेखा देता है, जैसा कि आरेख 10.2 में दिखाया गया है।

आरेख 10.2 निश्चित आयतन पर एक कम घनत्व गैस के दबाव के बीच तापमान।

आरेख 10.3 दबाव के बीच तापमान और कम घनत्व गैसों के रेखाओं का अतिरेक।

हालांकि, वास्तविक गैसों के मापों में आइडियल गैस के नियम द्वारा भविष्यवाणी किए गए मानों से निम्न तापमान पर भिन्नता होती है। लेकिन यह संबंध एक विस्तृत तापमान श्रेणी में रैखिक है, और यह ऐसा लगता है कि दबाव कम होते हुए तापमान में गैस गैस रहते हुए शुरू हो जाएगा। इस प्रकार, आइडियल गैस के लिए निश्चित न्यूनतम तापमान, इस सीधी रेखा को अक्ष की ओर अतिरेक करके अनुमानित किया जाता है, जैसा कि आरेख 10.3 में दिखाया गया है। यह तापमान $-273.15^{\circ} \mathrm{C}$ के रूप में पाया जाता है और निश्चित शून्य के रूप में उल्लेखित किया जाता है। निश्चित शून्य ब्रिटिश वैज्ञानिक लॉर्ड केल्विन के नाम पर केल्विन तापमान पैमान या निश्चित पैमान तापमान की नींव है। इस पैमान पर, $-273.15^{\circ} \mathrm{C}$ शून्य बिंदु के रूप में लिया जाता