भौतिकी में, गर्मी थर्मोडायनामिक्स और रोजमर्रा के तापमान घटनाओं को समझने के लिए महत्वपूर्ण एक बुनियादी अवधारणा है। जबकि आम तौर पर गर्मी की भावना के रूप में माना जाता है,वैज्ञानिक रूप से गर्मी ऊष्मा संतुलन प्राप्त होने तक उच्च तापमान वाली वस्तुओं से कम तापमान वाली वस्तुओं में ऊर्जा के हस्तांतरण को संदर्भित करती हैसभी पदार्थों में आंतरिक ऊर्जा होती है, और ताप प्रवाह वस्तुओं के बीच तापमान के अंतर से संचालित होता है।
गर्मी: परिभाषा और मूल अवधारणाएं
गर्मी को तापमान के अंतर के कारण वस्तुओं के बीच सहज रूप से स्थानांतरित ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया गया है।यह ऊर्जा हस्तांतरण तब तक जारी रहता है जब तक कि सभी सम्मिलित वस्तुएं थर्मल संतुलन तक नहीं पहुंच जाती हैं - एक ऐसी अवस्था जिसमें तापमान बराबर हो जाता हैगर्मी को सही ढंग से समझने के लिए, कई प्रमुख परिभाषाओं को स्पष्ट करना आवश्यक हैः
ताप गणना सूत्र और इकाई प्रणाली
गर्मी की गणना के लिए प्राथमिक सूत्र हैः
Q = m × c × ΔT
जहांः
अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (एसआई) में, ऊर्जा (गर्मी सहित) के लिए मानक इकाई जूल (जे) है, जिससे यह मानक गर्मी इकाई बन जाती है।
ताप इकाइयां: एसआई, सीजीएस और अन्य सामान्य प्रणालियाँ
विभिन्न माप प्रणालियों और ऐतिहासिक सम्मेलनों में विभिन्न ताप इकाइयों का उपयोग किया जाता है। निम्नलिखित तालिका में सामान्य ताप इकाइयों और उनके संबंधों का सारांश दिया गया हैः
| भौतिक मात्रा | एसआई इकाई | सीजीएस इकाई | अन्य सामान्य इकाइयां |
|---|---|---|---|
| गर्मी | जूल (J) | कैलोरी (कैलोरी) | ब्रिटिश थर्मल यूनिट (बीटीयू) |
| विशिष्ट ताप क्षमता | J/kg·K | कैल/जी·°सी | बीटीयू/पाउंड |
| ताप क्षमता | जे/के | कैलोरी/°C | बीटीयू/°एफ |
ध्यान दें कि कैलोरी (कैलोरी) को छोटी कैलोरी (कैलोरी) और बड़ी कैलोरी (कैलोरी) में विभाजित किया गया है। बड़ी कैलोरी आमतौर पर खाद्य पोषण लेबल पर दिखाई देती है, जिसमें 1 किलो कैलोरी 1000 कैलोरी के बराबर होती है।
आवश्यक इकाई रूपांतरण संबंधों में निम्नलिखित शामिल हैंः
वैचारिक भेदः गर्मी बनाम तापमान
कई शिक्षार्थी गर्मी को तापमान के साथ भ्रमित करते हैं। तापमान औसत आणविक गतिज ऊर्जा को मापता है, जबकि गर्मी तापमान अंतर के कारण स्थानांतरित ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करती है। उदाहरण के लिए,0 डिग्री सेल्सियस पर एक विशाल हिमशैल में 100 डिग्री सेल्सियस पर एक कप उबलते पानी की तुलना में अधिक आंतरिक ऊर्जा होती है क्योंकि हिमशैल का द्रव्यमान पानी के द्रव्यमान से बहुत अधिक होता है.
गर्मी हस्तांतरण के तीन तरीके
तीन मौलिक तंत्रों के माध्यम से गर्मी हस्तांतरणः
तापमान इकाई रूपांतरण
व्यावहारिक समस्या-समाधान के लिए अक्सर तापमान इकाई रूपांतरण की आवश्यकता होती है। सामान्य रूपांतरण सूत्रों में शामिल हैंः
| रूपांतरण | सूत्र |
|---|---|
| सेल्सियस से केल्विन | K = °C + 27315 |
| केल्विन से सेल्सियस | °C = K ¢ 27315 |
| सेल्सियस से फ़ारेनहाइट | °F = (°C × 9/5) + 32 |
| फ़ारेनहाइट से सेल्सियस | °C = (°F - 32) × 5/9 |
| फारेनहाइट से केल्विन | K = (°F - 32) × 5/9 + 273.15 |
उदाहरण समस्या समाधान
उदाहरण 1:
एक इलेक्ट्रिक केतली में 1.5 किलोग्राम पानी होता है (विशिष्ट ताप क्षमता 4180 J/kg·K) पानी को 15°C से 100°C तक गर्म करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना करें।
समाधान:
उदाहरण 2:
20°C से 90°C तक 0.7 किलोग्राम पानी को गर्म करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना करें (विशिष्ट ताप क्षमता 4200 J/kg·K) ।
समाधान:
सूत्र और इकाई सारांश
| सूत्र | भौतिक अर्थ | एसआई इकाइयां |
|---|---|---|
| Q = m × c × ΔT | ऊष्मा अवशोषित या मुक्त | Q (J); m (kg); c (J/kg·K); ΔT (K या °C) |
| C = Q / (m × ΔT) | विशिष्ट ताप क्षमता | J/kg·K |
| 1 कैलोरी = 4.184 जे | इकाई रूपांतरण | - |
थर्मोडायनामिक्स के मूल सिद्धांत
ऊष्मप्रवैगिकी का प्रथम नियम: ऊर्जा संरक्षण
पहला नियम कहता है कि ऊर्जा को बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता है, केवल परिवर्तित या स्थानांतरित किया जा सकता है। बंद प्रणालियों के लिए, यह इस प्रकार व्यक्त किया जाता हैः
ΔU = Q - W
जहां ΔU आंतरिक ऊर्जा परिवर्तन है, Q प्रणाली में जोड़ा गया गर्मी है, और W प्रणाली द्वारा किया गया कार्य है।
ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम: एन्ट्रोपी सिद्धांत
यह नियम अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं का वर्णन करता है, यह कहते हुए कि अलग-थलग प्रणालियां अधिकतम एन्ट्रोपी (अशांति) की ओर रुझान रखती हैं।एक सूत्र (क्लॉसियस) कहता है कि गर्मी बाहरी कार्य के बिना ठंडी वस्तुओं से गर्म वस्तुओं में स्वतः प्रवाह नहीं कर सकती है।.
थर्मोडायनामिक्स का तीसरा नियम: पूर्ण शून्य
जैसे-जैसे तापमान पूर्ण शून्य (0 K) के करीब आता है, एक प्रणाली का एंट्रोपी न्यूनतम मूल्य के करीब जाता है। पूर्ण क्रिस्टल पूर्ण शून्य पर शून्य एंट्रोपी तक पहुंचेंगे,यद्यपि यह तापमान सैद्धांतिक रूप से प्राप्त करने योग्य नहीं है.
गर्मी का व्यावहारिक उपयोग
उन्नत अनुप्रयोगः हीट पंप प्रौद्योगिकी
हीट पंप शीतलता चक्रों का उपयोग करके गर्म स्थानों से गर्म स्थानों में गर्मी को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करते हैं। वे पारंपरिक हीटिंग विधियों की तुलना में अधिक ऊर्जा दक्षता प्राप्त करते हैं,प्रदर्शन गुणांक (सीओपी) के साथ आमतौर पर 1 से अधिक.
ताप माप: कैलोरीमीटर्री
कैलोरिमेट्री से ताप परिवर्तनों को मापा जाता है।यह विधि रसायन शास्त्र में व्यापक रूप से लागू होती है, भौतिकी, और जीव विज्ञान।
गर्मी अनुसंधान में भविष्य की दिशाएं
भौतिकी में, गर्मी थर्मोडायनामिक्स और रोजमर्रा के तापमान घटनाओं को समझने के लिए महत्वपूर्ण एक बुनियादी अवधारणा है। जबकि आम तौर पर गर्मी की भावना के रूप में माना जाता है,वैज्ञानिक रूप से गर्मी ऊष्मा संतुलन प्राप्त होने तक उच्च तापमान वाली वस्तुओं से कम तापमान वाली वस्तुओं में ऊर्जा के हस्तांतरण को संदर्भित करती हैसभी पदार्थों में आंतरिक ऊर्जा होती है, और ताप प्रवाह वस्तुओं के बीच तापमान के अंतर से संचालित होता है।
गर्मी: परिभाषा और मूल अवधारणाएं
गर्मी को तापमान के अंतर के कारण वस्तुओं के बीच सहज रूप से स्थानांतरित ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया गया है।यह ऊर्जा हस्तांतरण तब तक जारी रहता है जब तक कि सभी सम्मिलित वस्तुएं थर्मल संतुलन तक नहीं पहुंच जाती हैं - एक ऐसी अवस्था जिसमें तापमान बराबर हो जाता हैगर्मी को सही ढंग से समझने के लिए, कई प्रमुख परिभाषाओं को स्पष्ट करना आवश्यक हैः
ताप गणना सूत्र और इकाई प्रणाली
गर्मी की गणना के लिए प्राथमिक सूत्र हैः
Q = m × c × ΔT
जहांः
अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (एसआई) में, ऊर्जा (गर्मी सहित) के लिए मानक इकाई जूल (जे) है, जिससे यह मानक गर्मी इकाई बन जाती है।
ताप इकाइयां: एसआई, सीजीएस और अन्य सामान्य प्रणालियाँ
विभिन्न माप प्रणालियों और ऐतिहासिक सम्मेलनों में विभिन्न ताप इकाइयों का उपयोग किया जाता है। निम्नलिखित तालिका में सामान्य ताप इकाइयों और उनके संबंधों का सारांश दिया गया हैः
| भौतिक मात्रा | एसआई इकाई | सीजीएस इकाई | अन्य सामान्य इकाइयां |
|---|---|---|---|
| गर्मी | जूल (J) | कैलोरी (कैलोरी) | ब्रिटिश थर्मल यूनिट (बीटीयू) |
| विशिष्ट ताप क्षमता | J/kg·K | कैल/जी·°सी | बीटीयू/पाउंड |
| ताप क्षमता | जे/के | कैलोरी/°C | बीटीयू/°एफ |
ध्यान दें कि कैलोरी (कैलोरी) को छोटी कैलोरी (कैलोरी) और बड़ी कैलोरी (कैलोरी) में विभाजित किया गया है। बड़ी कैलोरी आमतौर पर खाद्य पोषण लेबल पर दिखाई देती है, जिसमें 1 किलो कैलोरी 1000 कैलोरी के बराबर होती है।
आवश्यक इकाई रूपांतरण संबंधों में निम्नलिखित शामिल हैंः
वैचारिक भेदः गर्मी बनाम तापमान
कई शिक्षार्थी गर्मी को तापमान के साथ भ्रमित करते हैं। तापमान औसत आणविक गतिज ऊर्जा को मापता है, जबकि गर्मी तापमान अंतर के कारण स्थानांतरित ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करती है। उदाहरण के लिए,0 डिग्री सेल्सियस पर एक विशाल हिमशैल में 100 डिग्री सेल्सियस पर एक कप उबलते पानी की तुलना में अधिक आंतरिक ऊर्जा होती है क्योंकि हिमशैल का द्रव्यमान पानी के द्रव्यमान से बहुत अधिक होता है.
गर्मी हस्तांतरण के तीन तरीके
तीन मौलिक तंत्रों के माध्यम से गर्मी हस्तांतरणः
तापमान इकाई रूपांतरण
व्यावहारिक समस्या-समाधान के लिए अक्सर तापमान इकाई रूपांतरण की आवश्यकता होती है। सामान्य रूपांतरण सूत्रों में शामिल हैंः
| रूपांतरण | सूत्र |
|---|---|
| सेल्सियस से केल्विन | K = °C + 27315 |
| केल्विन से सेल्सियस | °C = K ¢ 27315 |
| सेल्सियस से फ़ारेनहाइट | °F = (°C × 9/5) + 32 |
| फ़ारेनहाइट से सेल्सियस | °C = (°F - 32) × 5/9 |
| फारेनहाइट से केल्विन | K = (°F - 32) × 5/9 + 273.15 |
उदाहरण समस्या समाधान
उदाहरण 1:
एक इलेक्ट्रिक केतली में 1.5 किलोग्राम पानी होता है (विशिष्ट ताप क्षमता 4180 J/kg·K) पानी को 15°C से 100°C तक गर्म करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना करें।
समाधान:
उदाहरण 2:
20°C से 90°C तक 0.7 किलोग्राम पानी को गर्म करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना करें (विशिष्ट ताप क्षमता 4200 J/kg·K) ।
समाधान:
सूत्र और इकाई सारांश
| सूत्र | भौतिक अर्थ | एसआई इकाइयां |
|---|---|---|
| Q = m × c × ΔT | ऊष्मा अवशोषित या मुक्त | Q (J); m (kg); c (J/kg·K); ΔT (K या °C) |
| C = Q / (m × ΔT) | विशिष्ट ताप क्षमता | J/kg·K |
| 1 कैलोरी = 4.184 जे | इकाई रूपांतरण | - |
थर्मोडायनामिक्स के मूल सिद्धांत
ऊष्मप्रवैगिकी का प्रथम नियम: ऊर्जा संरक्षण
पहला नियम कहता है कि ऊर्जा को बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता है, केवल परिवर्तित या स्थानांतरित किया जा सकता है। बंद प्रणालियों के लिए, यह इस प्रकार व्यक्त किया जाता हैः
ΔU = Q - W
जहां ΔU आंतरिक ऊर्जा परिवर्तन है, Q प्रणाली में जोड़ा गया गर्मी है, और W प्रणाली द्वारा किया गया कार्य है।
ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम: एन्ट्रोपी सिद्धांत
यह नियम अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं का वर्णन करता है, यह कहते हुए कि अलग-थलग प्रणालियां अधिकतम एन्ट्रोपी (अशांति) की ओर रुझान रखती हैं।एक सूत्र (क्लॉसियस) कहता है कि गर्मी बाहरी कार्य के बिना ठंडी वस्तुओं से गर्म वस्तुओं में स्वतः प्रवाह नहीं कर सकती है।.
थर्मोडायनामिक्स का तीसरा नियम: पूर्ण शून्य
जैसे-जैसे तापमान पूर्ण शून्य (0 K) के करीब आता है, एक प्रणाली का एंट्रोपी न्यूनतम मूल्य के करीब जाता है। पूर्ण क्रिस्टल पूर्ण शून्य पर शून्य एंट्रोपी तक पहुंचेंगे,यद्यपि यह तापमान सैद्धांतिक रूप से प्राप्त करने योग्य नहीं है.
गर्मी का व्यावहारिक उपयोग
उन्नत अनुप्रयोगः हीट पंप प्रौद्योगिकी
हीट पंप शीतलता चक्रों का उपयोग करके गर्म स्थानों से गर्म स्थानों में गर्मी को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करते हैं। वे पारंपरिक हीटिंग विधियों की तुलना में अधिक ऊर्जा दक्षता प्राप्त करते हैं,प्रदर्शन गुणांक (सीओपी) के साथ आमतौर पर 1 से अधिक.
ताप माप: कैलोरीमीटर्री
कैलोरिमेट्री से ताप परिवर्तनों को मापा जाता है।यह विधि रसायन शास्त्र में व्यापक रूप से लागू होती है, भौतिकी, और जीव विज्ञान।
गर्मी अनुसंधान में भविष्य की दिशाएं
