थर्मोडायनामिक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा को दो तरीकों से बदला जा सकता है:
- सिस्टम पर काम कर रहे हैं
- थर्मल इंटरेक्शन के माध्यम से.
किसी पिंड में ऊष्मा का स्थानांतरण शरीर पर स्थूल कार्य के निष्पादन से जुड़ा नहीं है। इस मामले में, आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन इस तथ्य के कारण होता है कि उच्च तापमान वाले शरीर के व्यक्तिगत अणु शरीर के कुछ अणुओं पर काम करते हैं, जिनका तापमान कम होता है। इस मामले में, थर्मल चालन के कारण थर्मल इंटरैक्शन का एहसास होता है। विकिरण की सहायता से ऊर्जा का स्थानांतरण भी संभव है। सूक्ष्म प्रक्रियाओं की प्रणाली (पूरे शरीर से संबंधित नहीं, बल्कि व्यक्तिगत अणुओं से संबंधित) को ऊष्मा स्थानांतरण कहा जाता है। ऊष्मा स्थानांतरण के परिणामस्वरूप एक पिंड से दूसरे पिंड में स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा की मात्रा एक पिंड से दूसरे पिंड में स्थानांतरित होने वाली ऊष्मा की मात्रा से निर्धारित होती है।
परिभाषा
गरमाहटवह ऊर्जा कहलाती है जो शरीर द्वारा आसपास के पिंडों (पर्यावरण) के साथ ताप विनिमय की प्रक्रिया में प्राप्त की जाती है (या दी जाती है)। ऊष्मा को आमतौर पर Q अक्षर से दर्शाया जाता है।
यह ऊष्मागतिकी में बुनियादी मात्राओं में से एक है। ऊष्मागतिकी के पहले और दूसरे नियम की गणितीय अभिव्यक्तियों में ऊष्मा शामिल है। ऊष्मा को आणविक गति के रूप में ऊर्जा कहा जाता है।
ऊष्मा को सिस्टम (शरीर) में संचारित किया जा सकता है, या उससे लिया जा सकता है। ऐसा माना जाता है कि यदि सिस्टम को गर्मी प्रदान की जाती है, तो यह सकारात्मक है।
तापमान में परिवर्तन के साथ ऊष्मा की गणना करने का सूत्र
ऊष्मा की प्राथमिक मात्रा को इस प्रकार दर्शाया जाता है। ध्यान दें कि ऊष्मा का वह तत्व जो सिस्टम अपनी अवस्था में थोड़े से बदलाव के साथ प्राप्त करता है (छोड़ता है) कुल अंतर नहीं है। इसका कारण यह है कि ऊष्मा प्रणाली की स्थिति को बदलने की प्रक्रिया का एक कार्य है।
सिस्टम को सूचित की जाने वाली ऊष्मा की प्राथमिक मात्रा और तापमान T से T + dT तक बदलता है, यह है:
जहाँ C शरीर की ऊष्मा क्षमता है। यदि विचाराधीन पिंड सजातीय है, तो ऊष्मा की मात्रा के लिए सूत्र (1) को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:
पिंड की विशिष्ट ऊष्मा कहां है, m पिंड का द्रव्यमान है, दाढ़ ताप क्षमता है, पदार्थ का दाढ़ द्रव्यमान है, पदार्थ के मोल्स की संख्या है।
यदि शरीर सजातीय है, और ताप क्षमता को तापमान से स्वतंत्र माना जाता है, तो शरीर का तापमान एक मान बढ़ने पर प्राप्त होने वाली ऊष्मा () की मात्रा की गणना इस प्रकार की जा सकती है:
जहां टी 2, टी 1 गर्म करने से पहले और बाद में शरीर का तापमान। कृपया ध्यान दें कि गणना में अंतर () ज्ञात करते समय, तापमान को डिग्री सेल्सियस और केल्विन दोनों में प्रतिस्थापित किया जा सकता है।
चरण संक्रमण के दौरान ऊष्मा की मात्रा का सूत्र
किसी पदार्थ के एक चरण से दूसरे चरण में संक्रमण एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा के अवशोषण या विमोचन के साथ होता है, जिसे चरण संक्रमण की ऊष्मा कहा जाता है।
अतः किसी पदार्थ के किसी तत्व को ठोस अवस्था से तरल अवस्था में स्थानांतरित करने के लिए उसे ऊष्मा की मात्रा () के बराबर सूचित किया जाना चाहिए:
संलयन की विशिष्ट ऊष्मा कहां है, डीएम शरीर द्रव्यमान तत्व है। इस मामले में, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि शरीर का तापमान संबंधित पदार्थ के पिघलने बिंदु के बराबर होना चाहिए। क्रिस्टलीकरण के दौरान (4) के बराबर ऊष्मा निकलती है।
तरल को वाष्प में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा (वाष्पीकरण की ऊष्मा) इस प्रकार पाई जा सकती है:
जहाँ r वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा है। जब भाप संघनित होती है तो ऊष्मा निकलती है। वाष्पीकरण की ऊष्मा पदार्थ के समान द्रव्यमान के संघनन की ऊष्मा के बराबर होती है।
ऊष्मा की मात्रा मापने की इकाइयाँ
SI प्रणाली में ऊष्मा की मात्रा मापने की मूल इकाई है: [Q]=J
ऊष्मा की एक ऑफ-सिस्टम इकाई जो अक्सर तकनीकी गणनाओं में पाई जाती है। [Q]=कैलोरी (कैलोरी)। 1 कैलोरी = 4.1868 जे.
समस्या समाधान के उदाहरण
उदाहरण
व्यायाम। t=40C के तापमान पर 200 लीटर पानी प्राप्त करने के लिए कितनी मात्रा में पानी मिलाया जाना चाहिए, यदि पानी के एक द्रव्यमान का तापमान t1=10C है, तो पानी के दूसरे द्रव्यमान का तापमान t2=60C है?
समाधान।हम ताप संतुलन समीकरण को इस रूप में लिखते हैं:
जहाँ Q=cmt - पानी मिलाने के बाद तैयार ऊष्मा की मात्रा; क्यू 1 = सेमी 1 टी 1 - तापमान टी 1 और द्रव्यमान एम 1 के साथ पानी के एक हिस्से की गर्मी की मात्रा; क्यू 2 = सेमी 2 टी 2 - तापमान टी 2 और द्रव्यमान एम 2 के साथ पानी के एक हिस्से की गर्मी की मात्रा।
समीकरण (1.1) का तात्पर्य है:
पानी के ठंडे (V 1) और गर्म (V 2) भागों को एक ही आयतन (V) में मिलाते समय, हम इसे स्वीकार कर सकते हैं:
तो, हमें समीकरणों की एक प्रणाली मिलती है:
इसे हल करने पर, हमें मिलता है:
बाहरी शक्तियों के कार्य के कारण शरीर की आंतरिक ऊर्जा बदल सकती है। ऊष्मा स्थानांतरण के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन को दर्शाने के लिए, ऊष्मा की मात्रा नामक एक मात्रा पेश की जाती है और इसे Q द्वारा दर्शाया जाता है।
अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली में, ऊष्मा की मात्रा, साथ ही कार्य और ऊर्जा की इकाई जूल है: = = = 1 जे।
व्यवहार में, कभी-कभी गर्मी की मात्रा की एक ऑफ-सिस्टम इकाई का उपयोग किया जाता है - एक कैलोरी। 1 कैलोरी. = 4.2 जे.
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि "गर्मी की मात्रा" शब्द दुर्भाग्यपूर्ण है। इसे ऐसे समय में पेश किया गया था जब यह माना जाता था कि पिंडों में कुछ भारहीन, मायावी तरल - कैलोरी होती है। गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया कथित तौर पर इस तथ्य में निहित है कि कैलोरी, एक शरीर से दूसरे शरीर में डालने पर, अपने साथ एक निश्चित मात्रा में गर्मी ले जाती है। अब, पदार्थ की संरचना के आणविक-गतिज सिद्धांत की मूल बातें जानने के बाद, हम समझते हैं कि पिंडों में कोई कैलोरी नहीं होती है, किसी पिंड की आंतरिक ऊर्जा को बदलने का तंत्र अलग होता है। हालाँकि, परंपरा की शक्ति महान है और हम गर्मी की प्रकृति के बारे में गलत विचारों के आधार पर पेश किए गए इस शब्द का उपयोग करना जारी रखते हैं। साथ ही, गर्मी हस्तांतरण की प्रकृति को समझते हुए, इसके बारे में गलत धारणाओं को पूरी तरह से नजरअंदाज नहीं करना चाहिए। इसके विपरीत, गर्मी के प्रवाह और कैलोरी के एक काल्पनिक तरल के प्रवाह, गर्मी की मात्रा और कैलोरी की मात्रा के बीच एक सादृश्य बनाकर, समस्याओं के कुछ वर्गों को हल करते समय, चल रही प्रक्रियाओं की कल्पना करना संभव है और समस्याओं का सही समाधान करें. अंत में, गर्मी वाहक के रूप में कैलोरी के बारे में गलत विचारों के आधार पर गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रियाओं का वर्णन करने वाले सही समीकरण एक समय में प्राप्त किए गए थे।
आइए उन प्रक्रियाओं पर अधिक विस्तार से विचार करें जो गर्मी हस्तांतरण के परिणामस्वरूप हो सकती हैं।
एक परखनली में थोड़ा पानी डालें और उसे कॉर्क से बंद कर दें। टेस्ट ट्यूब को एक तिपाई में लगी रॉड पर लटका दें और उसके नीचे एक खुली लौ रखें। लौ से, परखनली को एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा प्राप्त होती है और उसमें तरल का तापमान बढ़ जाता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, तरल की आंतरिक ऊर्जा बढ़ती है। इसके वाष्पीकरण की गहन प्रक्रिया होती है। विस्तारित तरल वाष्प स्टॉपर को ट्यूब से बाहर धकेलने के लिए यांत्रिक कार्य करते हैं।
आइए पीतल की नली के एक टुकड़े से बनी तोप के मॉडल के साथ एक और प्रयोग करें, जो एक ट्रॉली पर लगा होता है। एक तरफ, ट्यूब को एबोनाइट प्लग से कसकर बंद किया जाता है, जिसके माध्यम से एक पिन गुजारा जाता है। तारों को स्टड और ट्यूब में मिलाया जाता है, जो टर्मिनलों में समाप्त होता है जिन्हें प्रकाश नेटवर्क से सक्रिय किया जा सकता है। इस प्रकार गन मॉडल एक प्रकार का इलेक्ट्रिक बॉयलर है।
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तोप की बैरल में थोड़ा पानी डालें और ट्यूब को रबर स्टॉपर से बंद कर दें। बंदूक को किसी शक्ति स्रोत से कनेक्ट करें। पानी से गुजरने वाली विद्युत धारा उसे गर्म कर देती है। पानी उबलता है, जिससे इसका तीव्र वाष्पीकरण होता है। जलवाष्प का दबाव बढ़ता है और अंततः वे कॉर्क को बंदूक की बैरल से बाहर धकेलने का काम करते हैं।
बंदूक, रिकॉइल के कारण, कॉर्क लॉन्च के विपरीत दिशा में वापस लुढ़क जाती है।
दोनों अनुभव निम्नलिखित परिस्थितियों से एकजुट हैं। तरल को विभिन्न तरीकों से गर्म करने की प्रक्रिया में, तरल का तापमान और तदनुसार, इसकी आंतरिक ऊर्जा बढ़ गई। तरल को तेजी से उबलने और वाष्पित होने के लिए, इसे गर्म करना जारी रखना आवश्यक था।
तरल के वाष्प, अपनी आंतरिक ऊर्जा के कारण, यांत्रिक कार्य करते थे।
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हम शरीर को उसके द्रव्यमान, तापमान परिवर्तन और पदार्थ के प्रकार पर गर्म करने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा की निर्भरता की जांच करते हैं। इन निर्भरताओं का अध्ययन करने के लिए हम पानी और तेल का उपयोग करेंगे। (प्रयोग में तापमान मापने के लिए, एक विद्युत थर्मामीटर का उपयोग किया जाता है, जो एक दर्पण गैल्वेनोमीटर से जुड़े थर्मोकपल से बना होता है। एक थर्मोकपल जंक्शन को ठंडे पानी के साथ एक बर्तन में उतारा जाता है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि इसका तापमान स्थिर है। दूसरा थर्मोकपल जंक्शन तापमान को मापता है अध्ययनाधीन तरल का)
अनुभव में तीन श्रृंखलाएँ शामिल हैं। पहली श्रृंखला में, किसी विशेष तरल (हमारे मामले में, पानी) के निरंतर द्रव्यमान के लिए, तापमान परिवर्तन पर इसे गर्म करने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा की निर्भरता का अध्ययन किया जाता है। हीटर (इलेक्ट्रिक स्टोव) से तरल द्वारा प्राप्त गर्मी की मात्रा को हीटिंग समय से आंका जाएगा, यह मानते हुए कि उनके बीच सीधे आनुपातिक संबंध है। प्रयोग के परिणाम को इस धारणा के अनुरूप बनाने के लिए, बिजली के स्टोव से गर्म शरीर तक गर्मी का एक स्थिर प्रवाह सुनिश्चित करना आवश्यक है। ऐसा करने के लिए, इलेक्ट्रिक स्टोव को पहले से ही नेटवर्क से जोड़ा गया था, ताकि प्रयोग की शुरुआत तक इसकी सतह का तापमान बदलना बंद हो जाए। प्रयोग के दौरान तरल को अधिक समान रूप से गर्म करने के लिए हम इसे थर्मोकपल की मदद से ही हिलाएंगे। हम नियमित अंतराल पर थर्मामीटर की रीडिंग रिकॉर्ड करेंगे जब तक कि प्रकाश स्थान स्केल के किनारे तक नहीं पहुंच जाता।
आइए निष्कर्ष निकालें: शरीर को गर्म करने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा और उसके तापमान में परिवर्तन के बीच सीधा आनुपातिक संबंध है।
प्रयोगों की दूसरी श्रृंखला में, हम विभिन्न द्रव्यमानों के समान तरल पदार्थों को गर्म करने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा की तुलना करेंगे, जब उनका तापमान समान मात्रा में बदलता है।
प्राप्त मूल्यों की तुलना करने की सुविधा के लिए दूसरे प्रयोग के लिए पानी का द्रव्यमान पहले प्रयोग की तुलना में दो गुना कम लिया जाएगा।
फिर, हम नियमित अंतराल पर थर्मामीटर रीडिंग रिकॉर्ड करेंगे।
पहले और दूसरे प्रयोग के परिणामों की तुलना करने पर हम निम्नलिखित निष्कर्ष निकाल सकते हैं।
प्रयोगों की तीसरी श्रृंखला में, हम विभिन्न तरल पदार्थों के समान द्रव्यमान को गर्म करने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा की तुलना करेंगे, जब उनका तापमान समान मात्रा में बदलता है।
हम एक इलेक्ट्रिक स्टोव पर तेल गर्म करेंगे, जिसका द्रव्यमान पहले प्रयोग में पानी के द्रव्यमान के बराबर है। हम नियमित अंतराल पर थर्मामीटर रीडिंग रिकॉर्ड करेंगे।
प्रयोग का परिणाम इस निष्कर्ष की पुष्टि करता है कि शरीर को गर्म करने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा उसके तापमान में परिवर्तन के सीधे आनुपातिक होती है और इसके अलावा, पदार्थ के प्रकार पर ऊष्मा की इस मात्रा की निर्भरता को इंगित करती है।
चूँकि प्रयोग में तेल का उपयोग किया गया था, जिसका घनत्व पानी के घनत्व से कम है, और पानी को गर्म करने की तुलना में तेल को एक निश्चित तापमान तक गर्म करने के लिए कम मात्रा में गर्मी की आवश्यकता होती है, यह माना जा सकता है कि गर्मी की मात्रा शरीर को गर्म करने के लिए आवश्यक सामग्री उसके घनत्व पर निर्भर करती है।
इस धारणा का परीक्षण करने के लिए, हम एक साथ स्थिर शक्ति के हीटर पर पानी, पैराफिन और तांबे के समान द्रव्यमान को गर्म करेंगे।
उसी समय के बाद, तांबे का तापमान लगभग 10 गुना और पैराफिन का तापमान पानी के तापमान से लगभग 2 गुना अधिक होता है।
लेकिन पानी की तुलना में तांबे का घनत्व अधिक और पैराफिन का घनत्व कम होता है।
अनुभव से पता चलता है कि वह मात्रा जो उन पदार्थों के तापमान में परिवर्तन की दर को दर्शाती है जिनसे ऊष्मा विनिमय में शामिल पिंड बने होते हैं, घनत्व नहीं है। इस मात्रा को पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता कहा जाता है और इसे अक्षर c से दर्शाया जाता है।
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विभिन्न पदार्थों की विशिष्ट ताप क्षमता की तुलना करने के लिए एक विशेष उपकरण का उपयोग किया जाता है। उपकरण में रैक होते हैं जिसमें एक पतली पैराफिन प्लेट और उसमें से गुज़री छड़ों वाली एक पट्टी जुड़ी होती है। समान द्रव्यमान के एल्यूमीनियम, स्टील और पीतल के सिलेंडर छड़ों के सिरों पर लगे होते हैं।
हम सिलेंडरों को गर्म बिजली के चूल्हे पर खड़े पानी के बर्तन में डुबो कर उसी तापमान पर गर्म करते हैं। आइए गर्म सिलेंडरों को रैक पर लगाएं और उन्हें फास्टनरों से मुक्त करें। सिलेंडर एक साथ पैराफिन प्लेट को छूते हैं और पैराफिन को पिघलाकर उसमें डूबने लगते हैं। समान द्रव्यमान के सिलिंडरों को पैराफिन प्लेट में डुबाने की गहराई, जब उनका तापमान समान मात्रा में बदलता है, भिन्न हो जाती है।
अनुभव से पता चलता है कि एल्यूमीनियम, स्टील और पीतल की विशिष्ट ताप क्षमताएं अलग-अलग हैं।
ठोस पदार्थों के पिघलने, तरल पदार्थों के वाष्पीकरण और ईंधन के दहन के साथ संबंधित प्रयोग करने के बाद, हमें निम्नलिखित मात्रात्मक निर्भरताएँ प्राप्त होती हैं।
विशिष्ट मात्राओं की इकाइयाँ प्राप्त करने के लिए, उन्हें संबंधित सूत्रों से व्यक्त किया जाना चाहिए और ऊष्मा की इकाइयाँ - 1 J, द्रव्यमान - 1 किग्रा, और विशिष्ट ऊष्मा के लिए - और 1 K को परिणामी अभिव्यक्तियों में प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए।
हमें इकाइयाँ मिलती हैं: विशिष्ट ऊष्मा क्षमता - 1 J/kg K, अन्य विशिष्ट ऊष्माएँ: 1 J/kg।
हमारे लेख का फोकस ऊष्मा की मात्रा पर है। हम आंतरिक ऊर्जा की अवधारणा पर विचार करेंगे, जो इस मूल्य में परिवर्तन होने पर रूपांतरित हो जाती है। हम मानव गतिविधि में गणना के अनुप्रयोग के कुछ उदाहरण भी दिखाएंगे।
गर्मी
मूल भाषा के किसी भी शब्द के साथ प्रत्येक व्यक्ति का अपना जुड़ाव होता है। वे व्यक्तिगत अनुभव और तर्कहीन भावनाओं से निर्धारित होते हैं। आमतौर पर "गर्मी" शब्द से क्या दर्शाया जाता है? एक नरम कम्बल, सर्दियों में काम करने वाली सेंट्रल हीटिंग बैटरी, वसंत ऋतु में पहली धूप, एक बिल्ली। या एक माँ की नज़र, एक दोस्त का सांत्वनादायक शब्द, समय पर ध्यान।
भौतिकविदों का इससे तात्पर्य एक बहुत ही विशिष्ट शब्द से है। और बहुत महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से इस जटिल लेकिन आकर्षक विज्ञान के कुछ वर्गों में।
ऊष्मप्रवैगिकी
सबसे सरल प्रक्रियाओं से अलग गर्मी की मात्रा पर विचार करना उचित नहीं है जिस पर ऊर्जा संरक्षण का कानून आधारित है - कुछ भी स्पष्ट नहीं होगा। इसलिए, सबसे पहले, हम अपने पाठकों को याद दिलाते हैं।
थर्मोडायनामिक्स किसी भी वस्तु या वस्तु को बहुत बड़ी संख्या में प्राथमिक भागों - परमाणु, आयन, अणु - के संयोजन के रूप में मानता है। इसके समीकरण मैक्रो पैरामीटर बदलते समय सिस्टम की सामूहिक स्थिति में संपूर्ण और संपूर्ण भाग के रूप में किसी भी परिवर्तन का वर्णन करते हैं। उत्तरार्द्ध को तापमान (टी के रूप में दर्शाया गया), दबाव (पी), घटकों की एकाग्रता (आमतौर पर सी) के रूप में समझा जाता है।
आंतरिक ऊर्जा
आंतरिक ऊर्जा एक जटिल शब्द है, जिसका अर्थ ऊष्मा की मात्रा के बारे में बात करने से पहले समझना चाहिए। यह उस ऊर्जा को दर्शाता है जो वस्तु के मैक्रो मापदंडों के मूल्य में वृद्धि या कमी के साथ बदलती है और संदर्भ प्रणाली पर निर्भर नहीं करती है। यह कुल ऊर्जा का हिस्सा है. यह उन परिस्थितियों में इसके साथ मेल खाता है जब अध्ययन के तहत वस्तु का द्रव्यमान केंद्र आराम पर होता है (अर्थात, कोई गतिज घटक नहीं होता है)।
जब किसी व्यक्ति को लगता है कि कोई वस्तु (जैसे साइकिल) गर्म हो गई है या ठंडी हो गई है, तो इससे पता चलता है कि इस प्रणाली को बनाने वाले सभी अणुओं और परमाणुओं ने आंतरिक ऊर्जा में बदलाव का अनुभव किया है। हालाँकि, तापमान की स्थिरता का मतलब इस सूचक का संरक्षण नहीं है।
काम और गर्मी
किसी भी थर्मोडायनामिक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा को दो तरीकों से बदला जा सकता है:
- इस पर कार्य करके;
- पर्यावरण के साथ ऊष्मा विनिमय के दौरान।
इस प्रक्रिया का सूत्र इस प्रकार दिखता है:
dU=Q-A, जहां U आंतरिक ऊर्जा है, Q ऊष्मा है, A कार्य है।
अभिव्यक्ति की सरलता से पाठक धोखा न खायें। क्रमपरिवर्तन से पता चलता है कि Q=dU+A, लेकिन एन्ट्रॉपी (S) का परिचय सूत्र को dQ=dSxT के रूप में लाता है।
चूँकि इस मामले में समीकरण एक अवकल समीकरण का रूप ले लेता है, इसलिए पहली अभिव्यक्ति के लिए भी इसकी आवश्यकता होती है। इसके अलावा, अध्ययन के तहत वस्तु में कार्यरत बलों और गणना किए जा रहे पैरामीटर के आधार पर, आवश्यक अनुपात प्राप्त किया जाता है।
आइए थर्मोडायनामिक प्रणाली के उदाहरण के रूप में एक धातु की गेंद लें। यदि आप उस पर दबाव डालते हैं, उसे ऊपर फेंकते हैं, उसे किसी गहरे कुएं में गिराते हैं, तो इसका मतलब है उस पर काम करना। बाह्य रूप से, इन सभी हानिरहित क्रियाओं से गेंद को कोई नुकसान नहीं होगा, लेकिन इसकी आंतरिक ऊर्जा बदल जाएगी, भले ही बहुत कम हो।
दूसरा तरीका है ऊष्मा स्थानांतरण। अब हम इस लेख के मुख्य लक्ष्य पर आते हैं: ऊष्मा की मात्रा क्या है इसका विवरण। यह थर्मोडायनामिक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में ऐसा परिवर्तन है जो ऊष्मा स्थानांतरण के दौरान होता है (ऊपर सूत्र देखें)। इसे जूल या कैलोरी में मापा जाता है। जाहिर है, अगर गेंद को लाइटर के ऊपर, धूप में या बस गर्म हाथ में रखा जाए, तो यह गर्म हो जाएगी। और फिर, तापमान को बदलकर, आप उस गर्मी की मात्रा का पता लगा सकते हैं जो उसी समय उसे संचारित की गई थी।
गैस आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का सबसे अच्छा उदाहरण क्यों है, और इसके कारण छात्रों को भौतिकी पसंद क्यों नहीं है
ऊपर, हमने धातु की गेंद के थर्मोडायनामिक मापदंडों में परिवर्तन का वर्णन किया है। वे विशेष उपकरणों के बिना बहुत ध्यान देने योग्य नहीं हैं, और पाठक को वस्तु के साथ होने वाली प्रक्रियाओं के बारे में कुछ भी कहने के लिए छोड़ दिया जाता है। दूसरी बात यह है कि सिस्टम गैस है या नहीं। इसे दबाएं - यह दिखाई देगा, इसे गर्म करें - दबाव बढ़ेगा, इसे भूमिगत करें - और इसे आसानी से ठीक किया जा सकता है। इसलिए, पाठ्यपुस्तकों में, यह गैस है जिसे अक्सर दृश्य थर्मोडायनामिक प्रणाली के रूप में लिया जाता है।
लेकिन अफ़सोस, आधुनिक शिक्षा में वास्तविक प्रयोगों पर ज़्यादा ध्यान नहीं दिया जाता। एक वैज्ञानिक जो एक कार्यप्रणाली मैनुअल लिखता है वह अच्छी तरह से समझता है कि क्या दांव पर लगा है। उन्हें ऐसा लगता है कि, गैस अणुओं के उदाहरण का उपयोग करके, सभी थर्मोडायनामिक मापदंडों को पर्याप्त रूप से प्रदर्शित किया जाएगा। लेकिन एक छात्र के लिए जो अभी इस दुनिया की खोज कर रहा है, सैद्धांतिक पिस्टन के साथ एक आदर्श फ्लास्क के बारे में सुनना उबाऊ है। यदि स्कूल में वास्तविक अनुसंधान प्रयोगशालाएँ और उनमें काम करने के लिए समर्पित घंटे होते, तो सब कुछ अलग होता। अब तक, दुर्भाग्य से, प्रयोग केवल कागज़ों पर ही हैं। और, सबसे अधिक संभावना है, यही कारण है कि लोग भौतिकी की इस शाखा को पूरी तरह से सैद्धांतिक, जीवन से दूर और अनावश्यक मानते हैं।
इसलिए, हमने ऊपर उल्लिखित साइकिल को एक उदाहरण के रूप में देने का निर्णय लिया। एक व्यक्ति पैडल दबाता है - उन पर काम करता है। पूरे तंत्र में टॉर्क संचारित करने के अलावा (जिसके कारण साइकिल अंतरिक्ष में चलती है), जिन सामग्रियों से लीवर बनाए जाते हैं उनकी आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है। साइकिल चालक मुड़ने के लिए हैंडल को धक्का देता है और फिर से काम करता है।
बाहरी कोटिंग (प्लास्टिक या धातु) की आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है। एक व्यक्ति तेज धूप में किसी साफ़ स्थान पर जाता है - बाइक गर्म हो जाती है, उसकी गर्मी की मात्रा बदल जाती है। एक पुराने ओक के पेड़ की छाया में आराम करने के लिए रुकता है और शरीर ठंडा हो जाता है, जिससे कैलोरी या जूल बर्बाद होती है। गति बढ़ाता है - ऊर्जा का आदान-प्रदान बढ़ाता है। हालाँकि, इन सभी मामलों में गर्मी की मात्रा की गणना बहुत छोटा, अगोचर मूल्य दिखाएगी। इसलिए, ऐसा लगता है कि वास्तविक जीवन में थर्मोडायनामिक भौतिकी की कोई अभिव्यक्ति नहीं है।
ऊष्मा की मात्रा में परिवर्तन के लिए गणनाओं का अनुप्रयोग
शायद, पाठक कहेंगे कि यह सब बहुत जानकारीपूर्ण है, लेकिन स्कूल में हमें इन फॉर्मूलों से इतना प्रताड़ित क्यों किया जाता है। और अब हम उदाहरण देंगे कि मानव गतिविधि के किन क्षेत्रों में उनकी सीधे तौर पर आवश्यकता है और यह उनके रोजमर्रा के जीवन में किसी पर भी कैसे लागू होता है।
आरंभ करने के लिए, अपने चारों ओर देखें और गिनें: आपके चारों ओर कितनी धातु की वस्तुएं हैं? संभवतः दस से अधिक. लेकिन पेपर क्लिप, वैगन, रिंग या फ्लैश ड्राइव बनने से पहले किसी भी धातु को गलाया जाता है। लौह अयस्क का प्रसंस्करण करने वाले प्रत्येक संयंत्र को यह समझना चाहिए कि लागत को अनुकूलित करने के लिए कितने ईंधन की आवश्यकता है। और इसकी गणना करते समय, धातु युक्त कच्चे माल की ताप क्षमता और सभी तकनीकी प्रक्रियाओं को पूरा करने के लिए इसे प्रदान की जाने वाली ऊष्मा की मात्रा को जानना आवश्यक है। चूंकि ईंधन की एक इकाई द्वारा जारी ऊर्जा की गणना जूल या कैलोरी में की जाती है, इसलिए सीधे सूत्रों की आवश्यकता होती है।
या दूसरा उदाहरण: अधिकांश सुपरमार्केट में जमे हुए सामान - मछली, मांस, फल - का एक विभाग होता है। जहां जानवरों के मांस या समुद्री भोजन से प्राप्त कच्चे माल को अर्ध-तैयार उत्पादों में परिवर्तित किया जाता है, उन्हें पता होना चाहिए कि प्रति टन या तैयार उत्पाद की इकाई के लिए प्रशीतन और फ्रीजिंग इकाइयां कितनी बिजली का उपयोग करेंगी। ऐसा करने के लिए, आपको गणना करनी चाहिए कि एक डिग्री सेल्सियस तक ठंडा होने पर एक किलोग्राम स्ट्रॉबेरी या स्क्विड कितनी गर्मी खो देता है। और अंत में इससे पता चलेगा कि एक निश्चित क्षमता का फ्रीजर कितनी बिजली खर्च करेगा।
हवाई जहाज़, जहाज़, रेलगाड़ियाँ
ऊपर, हमने अपेक्षाकृत स्थिर, स्थिर वस्तुओं के उदाहरण दिखाए हैं जिन्हें सूचित किया जाता है या, इसके विपरीत, उनसे एक निश्चित मात्रा में गर्मी छीन ली जाती है। लगातार बदलते तापमान की स्थिति में संचालन की प्रक्रिया में चलने वाली वस्तुओं के लिए, गर्मी की मात्रा की गणना एक अन्य कारण से महत्वपूर्ण है।
"धातु थकान" जैसी कोई चीज़ होती है। इसमें तापमान परिवर्तन की एक निश्चित दर पर अधिकतम स्वीकार्य भार भी शामिल है। कल्पना कीजिए कि एक हवाई जहाज आर्द्र उष्णकटिबंधीय क्षेत्र से जमे हुए ऊपरी वायुमंडल में उड़ान भर रहा है। इंजीनियरों को कड़ी मेहनत करनी पड़ती है ताकि तापमान बदलने पर धातु में दिखने वाली दरारों के कारण यह टूट न जाए। वे एक ऐसी मिश्र धातु संरचना की तलाश में हैं जो वास्तविक भार का सामना कर सके और जिसमें सुरक्षा का एक बड़ा मार्जिन हो। और आँख बंद करके खोज न करने के लिए, गलती से वांछित रचना पर ठोकर खाने की उम्मीद करते हुए, आपको बहुत सारी गणनाएँ करनी होंगी, जिनमें गर्मी की मात्रा में परिवर्तन भी शामिल है।
बिना कार्य किये ऊर्जा को एक पिंड से दूसरे पिंड में स्थानांतरित करने की प्रक्रिया कहलाती है गर्मी विनिमयया गर्मी का हस्तांतरण. विभिन्न तापमान वाले पिंडों के बीच ऊष्मा का स्थानांतरण होता है। जब विभिन्न तापमान वाले पिंडों के बीच संपर्क स्थापित होता है, तो आंतरिक ऊर्जा का एक हिस्सा उच्च तापमान वाले पिंड से कम तापमान वाले पिंड में स्थानांतरित हो जाता है। ऊष्मा स्थानांतरण के परिणामस्वरूप शरीर में स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा कहलाती है ऊष्मा की मात्रा.
किसी पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता:
यदि ऊष्मा स्थानांतरण प्रक्रिया कार्य के साथ नहीं होती है, तो, ऊष्मागतिकी के पहले नियम के आधार पर, ऊष्मा की मात्रा शरीर की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के बराबर होती है:।
अणुओं की यादृच्छिक स्थानान्तरणीय गति की औसत ऊर्जा निरपेक्ष तापमान के समानुपाती होती है। किसी पिंड की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन सभी परमाणुओं या अणुओं की ऊर्जा में परिवर्तन के बीजगणितीय योग के बराबर होता है, जिसकी संख्या शरीर के द्रव्यमान के समानुपाती होती है, इसलिए आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन और, परिणामस्वरूप, ऊष्मा की मात्रा द्रव्यमान और तापमान परिवर्तन के समानुपाती होती है:
इस समीकरण में आनुपातिकता कारक कहा जाता है किसी पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता. विशिष्ट ताप क्षमता इंगित करती है कि 1 किलोग्राम पदार्थ का तापमान 1 K बढ़ाने के लिए कितनी ऊष्मा की आवश्यकता है।
ऊष्मप्रवैगिकी में कार्य:
यांत्रिकी में, कार्य को बल और विस्थापन के मॉड्यूल और उनके बीच के कोण के कोसाइन के उत्पाद के रूप में परिभाषित किया गया है। कार्य तब होता है जब कोई बल किसी गतिमान पिंड पर कार्य करता है और उसकी गतिज ऊर्जा में परिवर्तन के बराबर होता है।
थर्मोडायनामिक्स में, संपूर्ण शरीर की गति पर विचार नहीं किया जाता है; हम एक दूसरे के सापेक्ष स्थूल शरीर के हिस्सों की गति के बारे में बात कर रहे हैं। परिणामस्वरूप, पिंड का आयतन बदल जाता है और उसका वेग शून्य के बराबर रहता है। थर्मोडायनामिक्स में कार्य को यांत्रिकी की तरह ही परिभाषित किया गया है, लेकिन यह शरीर की गतिज ऊर्जा में नहीं, बल्कि उसकी आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के बराबर है।
जब कार्य किया जाता है (संपीड़न या विस्तार), तो गैस की आंतरिक ऊर्जा बदल जाती है। इसके लिए कारण इस प्रकार है: गतिमान पिस्टन के साथ गैस अणुओं की लोचदार टक्कर के दौरान, उनकी गतिज ऊर्जा बदल जाती है।
आइए विस्तार के दौरान गैस के कार्य की गणना करें। गैस पिस्टन पर बल के साथ कार्य करती है 
, कहाँ 
गैस का दबाव है, और 
- सतह क्षेत्रफल 
पिस्टन. जैसे ही गैस फैलती है, पिस्टन बल की दिशा में चलता है 
थोड़ी दूरी के लिए 
. यदि दूरी छोटी है, तो गैस का दबाव स्थिर माना जा सकता है। गैस का कार्य है:
कहाँ 
- गैस की मात्रा में परिवर्तन.
गैस के विस्तार की प्रक्रिया में, यह सकारात्मक कार्य करती है, क्योंकि बल और विस्थापन की दिशा मेल खाती है। विस्तार की प्रक्रिया में, गैस आसपास के पिंडों को ऊर्जा देती है।
किसी गैस पर बाह्य पिंडों द्वारा किया गया कार्य गैस के कार्य से केवल संकेत में भिन्न होता है 
, क्योंकि ताकत 
गैस पर कार्य करना बल के विपरीत है 
, जिसके साथ गैस पिस्टन पर कार्य करती है, और निरपेक्ष मान में इसके बराबर होती है (न्यूटन का तीसरा नियम); और आंदोलन वही रहता है. इसलिए, बाहरी ताकतों का कार्य बराबर है:
.
ऊष्मागतिकी का पहला नियम:
ऊष्मागतिकी का पहला नियम ऊर्जा के संरक्षण का नियम है, जो तापीय घटनाओं तक विस्तारित है। ऊर्जा संरक्षण का नियम: प्रकृति में ऊर्जा न तो शून्य से उत्पन्न होती है और न ही लुप्त होती है: ऊर्जा की मात्रा अपरिवर्तित रहती है, यह केवल एक रूप से दूसरे रूप में बदलती रहती है।
थर्मोडायनामिक्स में, उन निकायों पर विचार किया जाता है जिनके गुरुत्वाकर्षण के केंद्र की स्थिति व्यावहारिक रूप से नहीं बदलती है। ऐसे पिंडों की यांत्रिक ऊर्जा स्थिर रहती है, और केवल आंतरिक ऊर्जा ही बदल सकती है।
आंतरिक ऊर्जा को दो तरीकों से बदला जा सकता है: गर्मी हस्तांतरण और कार्य। सामान्य स्थिति में, आंतरिक ऊर्जा गर्मी हस्तांतरण और कार्य निष्पादन दोनों के कारण बदलती है। थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम ऐसे सामान्य मामलों के लिए सटीक रूप से तैयार किया गया है:
एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण के दौरान सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन बाहरी बलों के कार्य और सिस्टम में स्थानांतरित गर्मी की मात्रा के योग के बराबर होता है:
यदि सिस्टम को अलग कर दिया जाए तो उस पर कोई कार्य नहीं होता है और यह आसपास के पिंडों के साथ ऊष्मा का आदान-प्रदान नहीं करता है। ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुसार किसी पृथक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा अपरिवर्तित रहती है.
मान लें कि 
, ऊष्मागतिकी का पहला नियम इस प्रकार लिखा जा सकता है:
सिस्टम में स्थानांतरित ऊष्मा की मात्रा इसकी आंतरिक ऊर्जा को बदलने और सिस्टम द्वारा बाहरी निकायों पर कार्य करने के लिए उपयोग की जाती है.
ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम: दोनों प्रणालियों या आसपास के निकायों में एक साथ होने वाले अन्य परिवर्तनों के अभाव में गर्मी को ठंडे सिस्टम से गर्म सिस्टम में स्थानांतरित करना असंभव है।
चूल्हे पर क्या तेजी से गर्म होता है - केतली या पानी की बाल्टी? उत्तर स्पष्ट है - एक केतली। फिर दूसरा सवाल यह है कि क्यों?
उत्तर भी कम स्पष्ट नहीं है - क्योंकि केतली में पानी का द्रव्यमान कम है। महान। और अब आप घर पर ही सबसे वास्तविक भौतिक अनुभव स्वयं कर सकते हैं। ऐसा करने के लिए, आपको दो समान छोटे सॉस पैन, समान मात्रा में पानी और वनस्पति तेल, उदाहरण के लिए, आधा लीटर प्रत्येक और एक स्टोव की आवश्यकता होगी। उसी आग पर तेल और पानी के बर्तन रखें। और अब बस देखें कि क्या तेजी से गर्म होगा। यदि तरल पदार्थों के लिए थर्मामीटर है, तो आप इसका उपयोग कर सकते हैं, यदि नहीं, तो आप समय-समय पर अपनी उंगली से तापमान की जांच कर सकते हैं, बस सावधान रहें कि आप जलें नहीं। किसी भी स्थिति में, आप जल्द ही देखेंगे कि तेल पानी की तुलना में काफी तेजी से गर्म होता है। और एक प्रश्न, जिसे अनुभव के रूप में भी लागू किया जा सकता है। कौन तेजी से उबलता है - गर्म पानी या ठंडा? सब कुछ फिर से स्पष्ट है - गर्म वाला सबसे पहले ख़त्म होगा। ये सारे अजीब सवाल और प्रयोग क्यों? भौतिक मात्रा को निर्धारित करने के लिए "ऊष्मा की मात्रा" कहा जाता है।
ऊष्मा की मात्रा
ऊष्मा की मात्रा वह ऊर्जा है जो शरीर ऊष्मा स्थानांतरण के दौरान खोता या प्राप्त करता है। यह नाम से ही स्पष्ट है. ठंडा होने पर, शरीर एक निश्चित मात्रा में गर्मी खो देगा, और गर्म होने पर, यह अवशोषित हो जाएगा। और हमारे सवालों का जवाब हमें दिखा दिया ऊष्मा की मात्रा किस पर निर्भर करती है?सबसे पहले, शरीर का द्रव्यमान जितना अधिक होगा, उसके तापमान को एक डिग्री तक बदलने के लिए उतनी ही अधिक गर्मी खर्च करनी होगी। दूसरे, किसी पिंड को गर्म करने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा उस पदार्थ पर निर्भर करती है जिससे वह बना है, अर्थात पदार्थ के प्रकार पर। और तीसरा, गर्मी हस्तांतरण से पहले और बाद में शरीर के तापमान में अंतर भी हमारी गणना के लिए महत्वपूर्ण है। पूर्वगामी के आधार पर, हम कर सकते हैं सूत्र द्वारा ऊष्मा की मात्रा निर्धारित करें:
Q=cm(t_2-t_1) ,
जहाँ Q ऊष्मा की मात्रा है,
मी - शरीर का वजन,
(t_2-t_1) - प्रारंभिक और अंतिम शरीर के तापमान के बीच का अंतर,
सी - पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता, संबंधित तालिकाओं से पाई जाती है।
इस सूत्र का उपयोग करके, आप उस ऊष्मा की मात्रा की गणना कर सकते हैं जो किसी पिंड को गर्म करने के लिए आवश्यक है या ठंडा होने पर यह पिंड कितनी मात्रा में छोड़ेगा।
ऊर्जा के किसी भी अन्य रूप की तरह, ऊष्मा की मात्रा जूल (1 J) में मापी जाती है। हालाँकि, यह मान बहुत समय पहले पेश नहीं किया गया था, और लोगों ने गर्मी की मात्रा को बहुत पहले ही मापना शुरू कर दिया था। और उन्होंने एक ऐसी इकाई का उपयोग किया जो हमारे समय में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है - एक कैलोरी (1 कैलोरी)। 1 कैलोरी 1 ग्राम पानी का तापमान 1 डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा है। इन आंकड़ों से प्रेरित होकर, अपने द्वारा खाए जाने वाले भोजन में कैलोरी गिनने के प्रेमी, रुचि के लिए, गणना कर सकते हैं कि दिन के दौरान भोजन के साथ उपभोग की गई ऊर्जा से कितने लीटर पानी उबाला जा सकता है।