ताप (Heat): वह ऊर्जा है जो दो पदार्थों के बीच तापमान के अंतर के कारण प्रवाहित होती है।
तापमान (Temperature): किसी पदार्थ की औसत कणों की गतिज ऊर्जा को मापता है।
तापमान के मापन के लिए सेल्सियस (°C), केल्विन (K), फ़ारेनहाइट (°F) आदि पैमाने प्रयोग किए जाते हैं।
तापमान और ऊर्जा का संबंध
कणों की गति जितनी अधिक होती है, तापमान उतना अधिक होता है। ठोस में अणु केवल कंपन करते हैं, द्रव में अणु परस्पर टकराते हुए स्वतंत्र रूप से गति करते हैं और गैसों में अणु तेज़ी से गति करते हैं।
तापीय विस्तार (Thermal Expansion)
ताप के कारण पदार्थ का आयतन और आकार बदलना ही तापीय विस्तार कहलाता है।
ठोस का तापीय विस्तार
रेखीय विस्तार (Linear Expansion): ठोस की लंबाई में वृद्धि।
आयतन विस्तार (Volume Expansion): ठोस की आयतन में वृद्धि।
द्रव का आयतन विस्तार
द्रव का विस्तार ठोस की तुलना में अधिक होता है।
द्रव का आयतन तापमान के बढ़ने पर बढ़ता है और ठंडने पर घटता है।
गैस का तापीय विस्तार
गैसों का तापीय विस्तार मानक गैस नियमों पर आधारित होता है:
PV = nRT
आयतन (V) तापमान (T) पर सीधा अनुपाती है यदि (P) स्थिर रहे।
अनुप्रयोग
रेलवे लाइन में रेखीय विस्तार के लिए अंतराल छोड़ना
पुलों और पाइपलाइन के तापीय विस्तार को ध्यान में रखना
थर्मामीटर में द्रव का फैलाव
ऊष्मा (Heat) और ऊष्मा धारिता (Heat Capacity)
ऊष्मा (Heat) :
ऊष्मा वह ऊर्जा है जो तापमान अंतर के कारण स्थानांतरित होती है।
ऊष्मा का SI एकक जूल (J) है।
विशिष्ट ऊष्मा (Specific Heat Capacity, (c)):
किसी पदार्थ के 1 kg को 1°C (या 1 K) बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा।
Q = m c ΔT
c = Q/mΔT
जहाँ (Q) = ऊष्मा, (m) = द्रव्यमान, (ΔT) = तापमान परिवर्तन, c = विशिष्ट ऊष्मा
ऊष्मा धारिता (Heat Capacity, (C))
किसी वस्तु को 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक कुल ऊष्मा।
C = m c
अनुप्रयोग: खाना पकाने, ताप नियंत्रित सामग्री, हीटिंग सिस्टम
तापीय चालकता (Thermal Conductivity, (k))
पदार्थ की ऊष्मा स्थानांतरण करने की क्षमता।
Q/t = k A ΔT/d
जहाँ (A) = क्षेत्रफल, (d) = मोटाई, (ΔT) = ताप अंतर, (t) = समय
धातुएँ (जैसे तांबा, एल्युमिनियम) अच्छी चालक होती हैं।
लकड़ी और रबर अच्छी इन्सुलेटर होती हैं।
अनुप्रयोग: हीटर, कुकिंग पैन, थर्मल इंसुलेशन
गैसों के तापीय गुण
आदर्श गैस समीकरण: PV = nRT
आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान पर निर्भर करती है।
विशिष्ट ऊष्मा: (Cv) (स्थिर आयतन पर), (Cp) (स्थिर दबाव पर)
Cp - Cv = R
आंतरिक ऊर्जा (Internal Energy)
ठोस और द्रव में अणु की गतिज और संभावित ऊर्जा का योग।
आदर्श गैस के लिए (U = 3/2 nRT) (Monoatomic Gas)
ऊष्मा संचार के तरीके
ऊष्मा संचार के तीन मुख्य तरीके हैं: चालन, संवहन और विकिरण। चालन ठोस पदार्थों में होता है, जैसे कि गर्म धातु के हैंडल को छूना। संवहन तरल पदार्थों (द्रव और गैसों) में कणों की गति द्वारा होता है, जैसे पानी या हवा का गर्म होकर ऊपर उठना। विकिरण विद्युत चुम्बकीय तरंगों के रूप में ऊष्मा का संचरण है, जैसे सूर्य से आने वाली गर्मी।
चालन:
यह ठोस पदार्थों में अणुओं के आपसी टकराव से ऊष्मा के स्थानांतरण का तरीका है।
इसमें पदार्थ के कण एक-दूसरे के संपर्क में रहकर ऊष्मा को आगे बढ़ाते हैं।
उदाहरण: खाना पकाने के बर्तन का गर्म होना, या किसी गर्म लोहे के हैंडल को छूने पर हाथों का गर्म होना।
संवहन:
यह तरल पदार्थों (द्रव और गैस) में ऊष्मा के स्थानांतरण का तरीका है, जिसमें गर्म कण ऊपर उठते हैं और ठंडे कण उनकी जगह लेते हैं।
इसमें पदार्थ के कण स्वयं एक स्थान से दूसरे स्थान पर जाते हैं।
उदाहरण: उबलते पानी में, गर्म पानी ऊपर आता है और ठंडा पानी नीचे जाता है।
विकिरण:
यह ऊष्मा के स्थानांतरण का वह तरीका है जिसमें ऊष्मा विद्युत चुम्बकीय तरंगों के रूप में फैलती है, बिना किसी माध्यम के।
इसमें ऊष्मा को एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाने के लिए किसी कण की आवश्यकता नहीं होती है।
उदाहरण: सूर्य से पृथ्वी तक गर्मी का पहुँचना या आग के पास खड़े होने पर गर्मी महसूस होना।
1. विशिष्ट ऊष्मा (Specific Heat) क्या है?
(b) किसी पदार्थ के 1 kg को 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा
(c) किसी पदार्थ के आयतन को बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा
(d) द्रव्यमान और तापमान का गुणा
उत्तर: (b) ✔️
2. ऊष्मा धारिता (Heat Capacity) और विशिष्ट ऊष्मा में अंतर क्या है?
(a) दोनों समान हैं
(b) Heat Capacity = mass × Specific Heat
(c) Specific Heat = Heat Capacity × mass
(d) कोई संबंध नहीं
उत्तर:(b) ✔️
3. रेखीय विस्तार (Linear Expansion) का सूत्र क्या है?
(a) ΔL = β L ΔT)
(b) ΔL = \alpha L ΔT)
(c) ΔL = k L ΔT)
(d) ΔL = L Δ T)
उत्तर: (b) ✔️
4. आयतन विस्तार (Volume Expansion) का गुणांक (\beta) रेखीय विस्तार (\alpha) से कैसे जुड़ा है?
(a) β = α)
(b) β = 2α)
(c) β = 3α)
(d) β = α/3)
उत्तर: (c) ✔️
5. तापीय चालकता (Thermal Conductivity) किसका मापन है?
(a) पदार्थ की ऊष्मा को अवशोषित करने की क्षमता
(b) पदार्थ की ऊष्मा स्थानांतरित करने की क्षमता
(c) पदार्थ का तापमान
(d) द्रव्यमान और ऊष्मा का अनुपात
उत्तर: (b) ✔️
6. गैसों में स्थिर आयतन पर विशिष्ट ऊष्मा (Cv) और स्थिर दबाव पर (Cp) का संबंध क्या है?
(a) (Cp + Cv = R)
(b) (Cp - Cv = R)
(c) (Cv - Cp = R)
(d) (Cp/Cv = 1)
उत्तर: (b) ✔️
7. Stefan-Boltzmann law किससे संबंधित है?
(a) तापीय चालकता
(b) ऊष्मा संवहन
(c) विकिरण (Radiation)
(d) विशिष्ट ऊष्मा
उत्तर:(c) ✔️
8. किस स्थिति में द्रव का आयतन सबसे अधिक बढ़ता है?
(a) ठोस में
(b) द्रव में
(c) गैस में
(d) सभी में समान
उत्तर: (c) ✔️
9. तापीय विस्तार के अनुप्रयोग कौन-से हैं?
(a) रेलवे ट्रैक, पुल, पाइपलाइन
(b) कूलर और फ्रीज़र
(c) थर्मामीटर
(d) सभी विकल्प सही हैं
उत्तर: (d) ✔️
1. ताप और तापमान में क्या अंतर है?
Ans: ताप (Heat) वह ऊर्जा है जो पदार्थों के बीच तापमान अंतर के कारण स्थानांतरित होती है। तापमान (Temperature) किसी पदार्थ की औसत कणीय गतिज ऊर्जा को मापता है। ताप ऊर्जा का प्रवाह हमेशा उच्च तापमान से निम्न तापमान की ओर होता है। तापमान मापन के लिए सेल्सियस, केल्विन या फ़ारेनहाइट पैमाने प्रयोग किए जाते हैं। ताप और तापमान दोनों द्रव्य के तापीय व्यवहार को समझने में आवश्यक हैं।
2. विशिष्ट ऊष्मा (Specific Heat) क्या है?
Ans: विशिष्ट ऊष्मा किसी पदार्थ के 1 kg को 1°C (या 1 K) बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा है। इसका सूत्र है: (Q = m c ΔT)। यहाँ (m) द्रव्यमान, (c) विशिष्ट ऊष्मा, और (ΔT) तापमान परिवर्तन है। विशिष्ट ऊष्मा यह दर्शाता है कि पदार्थ कितनी ऊष्मा अवशोषित करता है। पानी की विशिष्ट ऊष्मा बहुत अधिक होती है, इसलिए यह तापमान में धीरे बढ़ता है।
3. ऊष्मा धारिता (Heat Capacity) और विशिष्ट ऊष्मा में अंतर बताइए।
Ans: ऊष्मा धारिता (C) किसी वस्तु को 1°C बढ़ाने के लिए आवश्यक कुल ऊष्मा है। यह वस्तु के द्रव्यमान पर निर्भर करती है। विशिष्ट ऊष्मा (c) प्रति kg पर आधारित है। उनका संबंध है: (C = m c)। उदाहरण: यदि 2 kg पानी का तापमान 1°C बढ़ाना हो, तो आवश्यक ऊष्मा 2 × 4200 J = 8400 J होगी।
4. ठोस में रेखीय और आयतन विस्तार समझाइए।
Ans: ताप बढ़ने पर ठोस की लंबाई बढ़ती है जिसे रेखीय विस्तार कहते हैं: (ΔL = αL ΔT)। आयतन में वृद्धि आयतन विस्तार कहलाती है: (ΔV = β V ΔT)। उदाहरण: रेलवे ट्रैक में अंतराल छोड़ना, पुल और पाइपलाइन डिजाइन में तापीय विस्तार को ध्यान में रखना।
5. द्रव और गैस का तापीय विस्तार समझाइए।
Ans: द्रव: ताप बढ़ने पर आयतन बढ़ता है। उदाहरण: थर्मामीटर में अल्कोहल का फैलाव।
गैस: ताप बढ़ने पर आयतन बढ़ता है, PV = nRT द्वारा नियंत्रित।
गैस का तापीय विस्तार ठोस और द्रव से अधिक होता है। इसके अनुप्रयोग में थर्मामीटर, बोयलर और इंजन शामिल हैं।
1. तापीय चालकता (Thermal Conductivity) और इसके उपयोग समझाइए।
Ans: तापीय चालकता (k) यह बताती है कि कोई पदार्थ ऊष्मा को कितनी कुशलता से स्थानांतरित करता है। सूत्र: (Q/t = k A ΔT/d)। धातुएँ उच्च चालकता वाली होती हैं, जैसे तांबा और एल्युमिनियम। लकड़ी और रबर इन्सुलेटर होती हैं। अनुप्रयोग: कुकिंग पैन, हीटर, थर्मल इंसुलेशन, इंजीनियरिंग उपकरण। ऊष्मा चालकता के अध्ययन से ऊर्जा संरक्षण, ताप नियंत्रण और औद्योगिक उपकरणों की दक्षता बढ़ाई जा सकती है।
2. गैसों के तापीय गुण और विशिष्ट ऊष्मा समझाइए।
Ans: गैस के लिए स्थिर आयतन पर विशिष्ट ऊष्मा (Cv) और स्थिर दबाव पर (Cp) होते हैं। इनके बीच संबंध: (Cp - Cv = R)। आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान पर निर्भर करती है: (U = 3/2 nRT) (Monoatomic)। ये सिद्धांत इंजन, बॉयलर और थर्मोडायनामिक चक्रों में प्रयोग होते हैं। उदाहरण: कार इंजन में गैस के संपीड़न और विस्थापन का अध्ययन।
3. तापीय गुणों के अनुप्रयोग बताइए।
Ans: ठोस: रेलवे ट्रैक, पुल, पाइपलाइन
द्रव: थर्मामीटर, बॉयलर, खाना पकाना
गैस: इंजन, बॉयलर
ऊष्मा चालकता: कुकिंग पैन, हीटर
विकिरण: सौर ऊर्जा, गर्मी स्थानांतरण
ये अनुप्रयोग दैनिक जीवन, औद्योगिक प्रक्रिया और इंजीनियरिंग डिजाइन में आवश्यक हैं।
4. तापीय ऊर्जा और आंतरिक ऊर्जा का संबंध समझाइए।
Ans: तापीय ऊर्जा किसी पदार्थ में अणुओं की गतिज और संभावित ऊर्जा का योग होती है। ठोस में अणु केवल कंपन करते हैं, द्रव में अणु टकराते और गैस में स्वतंत्र गति करते हैं। आदर्श गैस के लिए आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान पर निर्भर करती है: (U = 3/2 nRT) (Monoatomic)। ऊष्मा (Q) और आंतरिक ऊर्जा (U) का संबंध: (Q = ΔU + W), जहाँ W = कार्य। यह सिद्धांत थर्मोडायनामिक्स और ऊर्जा परिवर्तन को समझने में सहायक है।