तापमान और ऊष्मा

तापमान किसी प्रणाली की तापीय अवस्था से जुड़ी अवस्था-राशि है, जबकि ऊष्मा वह ऊर्जा है जो तापमान अंतर के कारण प्रणाली की सीमा पार करती है। दोनों को एक ही चीज़ मानना कैलोरीमिति और चरण परिवर्तन की समझ बिगाड़ देता है।

तापमान क्या मापता है

थर्मोडायनामिक तापमान केल्विन स्केल पर परम शून्य से जुड़ा है। आदर्श गैस के सूक्ष्म मॉडल में औसत अनुवादात्मक गतिज ऊर्जा ∝ T, लेकिन संघनित पदार्थ और आंतरिक स्वतंत्रता की आणविक डिग्री के कारण 'तापमान = औसत गतिज ऊर्जा' हर प्रणाली के लिए पूर्ण परिभाषा नहीं है।

केल्विन और सेल्सियस वृद्धि समान आकार के हैं: ΔT=1 K = 1 °C का अंतर, लेकिन निरपेक्ष समीकरण में T को केल्विन में रखना आवश्यक है।

ऊष्मा ऊर्जा का अंतरण है

Q किसी वस्तु के भीतर 'संग्रहित ऊष्मा' नहीं है। ऊर्जा वस्तु में आंतरिक ऊर्जा के रूप में होती है; गरमी शब्द उस ऊर्जा स्थानांतरण के लिए है जो तापमान का अंतर से सीमा पार करती है। स्थानांतरण समाप्त होने के बाद Q प्रक्रिया का इतिहास है, अवस्था चर नहीं।

इसी तरह काम भी स्थानांतरण मोड है। पहला कानून को ΔU = Q + W_पर जैसी हस्ताक्षर सम्मेलन में लिखा जा सकता है; कौन-सी सम्मलेन प्रयोग की गई है यह स्पष्ट रखें।

विशिष्ट ताप और कैलोरीमिति

चरण परिवर्तन के बिना सरल तापमान परिवर्तन में Q = एम.सीΔT उपयोगी है, जहाँ c विशिष्ट ताप क्षमता है। यदि c तापमान पर प्रशंसनीय बदलती हो तो अभिन्न Q = m∫c(T)डी.टी अधिक उचित है।

दो पदार्थ इंसुलेटेड कंटेनर में मिलें तो आदर्श ऊर्जा संतुलन ΣQ=0 लगाया जा सकता है। वास्तविक कैलोरीमीटर में जहाज और थर्मामीटर की ताप क्षमता भी शामिल करनी पड़ सकती है।

गुप्त ऊष्मा और चरण परिवर्तन

चरण परिवर्तन के दौरान ऊर्जा अंतरआण्विक व्यवस्था बदल सकती है जबकि तापमान लगभग स्थिर रहता है। सरल मॉडल में Q=mL। पिघलना के लिए संलयन की गुप्त ऊष्मा और वाष्पीकरण के लिए वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा अलग होते हैं।

तापमान पठार का अर्थ ऊर्जा स्थानांतरण रुकना नहीं है। आपूर्ति की गई ऊर्जा चरण अंश बदल सकती है, इसलिए केवल ΔT देखकर ऊर्जा इनपुट निष्कर्षित करना गलत हो सकता है।

तापीय संतुलन और शून्य नियम

यदि A और B तापीय संतुलन में हैं और B तथा C भी संतुलन में हैं, तो A और C समान तापमान रखते हैं—शून्यवाँ नियम थर्मोमेट्री की तार्किक नींव है।

संपर्क करें के बाद संतुलन तक समय भौतिक चालकता, ज्यामिति और संवहन पर निर्भर करता है। अंतिम समान तापमान संतुलन अवधारणा है; उसे पाने की दर ताप-स्थानांतरण समस्या है।

अभ्यास

पानी गर्म करना

0.50 kg पानी, c=4180 J kg⁻¹ K⁻¹, ΔT=10 K।

हल: Q≈20.9 kJ।

बर्फ पिघलना

0.10 kg, L_f=334 kJ kg⁻¹।

हल: Q≈33.4 kJ, स्थिर तापमान पर आदर्श पिघलना।

केल्विन

25 °C पूर्ण तापमान?

हल: 298.15 K।