ताप, तापमान और थर्मामीटर की अवधारणा
Mayank Sharma
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- July 24, 2022
इस लेख में, हम ऊष्मा/ताप (heat), तापमान (temperature), और विभिन्न पैमानों और उपकरणों की अवधारणाओं को समझने जा रहे हैं जिनका उपयोग हम उन्हें मापने के लिए करते हैं।
लेकिन पहले चीजें पहले। ऊष्मा क्या है और यह तापमान से किस प्रकार भिन्न है?
Table of Contents- ऊष्मा और तापमान
- कैलोरीमेट्री
- तापमान पैमाने
- थर्मामीटर
ऊष्मा और तापमान (Heat and Temperature)
इस ब्रह्मांड में प्रत्येक शरीर और वस्तु, परमाणुओं और अणुओं से बनी है। ये परमाणु और अणु निरंतर गति में रहते हैं। और हम जानते हैं कि गति में किसी भी वस्तु में कुछ गतिज ऊर्जा होती है। किसी पिंड या वस्तु की ऊष्मा इस गतिज ऊर्जा के अलावा और कुछ नहीं है।
तापमान किसी शरीर की गर्मी या ठंडक की डिग्री है। तो, जिस वस्तु में अधिक ऊष्मा/गर्मी होती है वह उच्च तापमान दिखाएगी, और इसके विपरीत भी सही है। यदि वस्तु A का तापमान वस्तु B से अधिक है, तो:
- वस्तु A, वस्तु B से अधिक गर्म है।
- वस्तु B, वस्तु A से अधिक ठंडी है।
यदि अलग-अलग तापमान (अर्थार्थ अलग-अलग ऊष्मा भी) वाली दो वस्तुओं/प्रणालियों को एक-दूसरे के संपर्क में रखा जाता है, तो उच्च तापमान वाले सिस्टम/प्रणाली से कम तापमान वाले सिस्टम/प्रणाली में गर्मी प्रवाहित होगी। यह ऊष्मा अंतरण (या ऊर्जा का प्रवाह) तब तक जारी रहेगा जब तक कि दोनों प्रणालियाँ समान तापमान प्राप्त नहीं कर लेतीं। इस प्रक्रिया में, गर्म सिस्टम/प्रणाली ठंडा हो जाएगा, जबकि ठंडा सिस्टम/प्रणाली गर्म हो जाएगा।
ऊष्मा और तापमान की इकाइयाँ (Units of Heat and Temperature)
ऊष्मा ऊर्जा (heat energy) का SI मात्रक जूल (J) है, जबकि तापमान का SI मात्रक केल्विन (K) है। हालांकि, हमारे पास तापमान की व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली इकाइयों के रूप में सेल्सियस (Celsius, °C) और फारेनहाइट (Fahrenheit, °F) भी हैं।
नोटआपने देखा होगा कि ऊष्मा (heat) का SI मात्रक, कार्य (work) के SI मात्रक के समान ही होता है। वास्तव में, कार्य और ऊष्मा, ऊर्जा के दो समान रूप हैं।
ऊष्मा के मामले में उपयोग की जाने वाली एक अन्य इकाई कैलोरी (Calorie) है। यह 1 ग्राम पानी के तापमान को 1°C (10°C से 11°C) तक बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा है। यह Cal द्वारा दर्शाया जाता है, जिसमें 1 Cal = 4.18 J. वास्तव में, ऊष्मा माप के विज्ञान, कैलोरीमेट्री (Calorimetry), का नाम कैलोरी (Calorie) से ही आया है।
आइए, अब ऊष्मा और तापमान के मापन के विज्ञान को समझते हैं।
कैलोरीमेट्री (Calorimetry)
कैलोरीमेट्री, थर्मल भौतिकी (thermal physics) की एक शाखा है जिसमें हम ऊष्मा के नुकसान/लाभ के सिद्धांत का उपयोग करके ऊष्मा को मापते हैं।
कैलोरीमिति का सिद्धांत, ऊर्जा संरक्षण के सिद्धांत (Principle of Conservation of Energy) पर आधारित है। कैलोरीमेट्री के सिद्धांत के अनुसार, यदि अलग-अलग तापमान (जिसका मतलब है अलग-अलग ऊष्मा) वाले दो निकायों को संपर्क में रखा जाता है, और परिवेश में कोई गर्मी नहीं खोती है, तो:
गर्म निकाय द्वारा खोई गई ऊष्मा की मात्रा = ठंडे निकाय द्वारा प्राप्त ऊष्मा की मात्रा
खोई या प्राप्त ऊष्मा की मात्रा, ∆Q = ms∆θ
जहाँ, m वस्तु का द्रव्यमान है, ∆θ तापमान में वृद्धि या गिरावट है, और s वस्तु की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता (specific heat capacity) है (जो एक अचर है)।
कैलोरीमीटरयह एक उपकरण है (आमतौर पर, तांबे से बना एक बेलनाकार बर्तन) जिसे कैलोरीमेट्री के उद्देश्य के लिए उपयोग किया जाता है, यानी हम ऊष्मा माप के लिए कैलोरीमीटर का उपयोग करते हैं।
तापमान पैमाने (Temperature Scales)
किसी भी मानक तापमान पैमाने को परिभाषित करने के लिए, दो निश्चित संदर्भ बिंदुओं की आवश्यकता होती है। सामान्य तौर पर, ये दो निश्चित बिंदु निम्नलिखित होती हैं:
- पानी का हिमांक (freezing point of water)
- भाप बिंदु या पानी का क्वथनांक (Steam point or boiling point of water)
इन तापमानों को मानक दबाव पर मापा जाता है।
तीन प्रसिद्ध तापमान पैमाने हैं जिनका उपयोग हम तापमान को मापने और तुलना करने के लिए करते हैं।
- सेल्सियस तापमान पैमाना (Celsius temperature scale)
- फारेनहाइट तापमान पैमाना (Fahrenheit temperature scale)
- केल्विन तापमान पैमाना (Kelvin temperature scale)
आइए, इनके बारे में विस्तार से जानें।
सेल्सियस तापमान पैमाना
सेल्सियस पैमाने को 1710 में एंडर्स सेल्सियस (Anders Celsius) द्वारा डिजाइन किया गया था।
सेल्सियस पैमाने पर, दो संदर्भ बिंदुओं (बर्फ का गलनांक और पानी का क्वथनांक) के बीच 100 बराबर अंतराल होते हैं।
- मानक वायुमंडलीय दाब पर बर्फ का गलनांक (Melting point) 0°C होता है।
- मानक वायुमंडलीय दबाव पर पानी का क्वथनांक (Boiling point) 100°C होता है।
फारेनहाइट तापमान पैमाना
फारेनहाइट पैमाने को गेब्रियल फारेनहाइट (Gabriel Fahrenheit) द्वारा 1717 में डिजाइन किया गया था।
फ़ारेनहाइट पैमाने पर, दो संदर्भ बिंदुओं (बर्फ का गलनांक और पानी का क्वथनांक) के बीच 180 बराबर अंतराल होते हैं।
- मानक वायुमंडलीय दाब पर बर्फ का गलनांक (Melting point) 32°F होता है।
- मानक वायुमंडलीय दाब पर पानी का क्वथनांक (Boiling point) 212°F होता है।
नोटमानव शरीर का सामान्य तापमान 37°C या 98.4°F होता है।
केल्विन तापमान पैमाना
इस पैमाने का आविष्कार ब्रिटिश वैज्ञानिक लॉर्ड केल्विन (Lord Kelvin) ने किया था।
इस पैमाने का कोई ऋणात्मक मान नहीं है। ऐसा इसलिए है क्योंकि न्यूनतम संभव तापमान - 273.15 डिग्री सेल्सियस को इस पैमाने पर शून्य बिंदु के रूप में लिया जाता है, यानी 0 K (जिसे परम शून्य तापमान / Absolute Zero Temperature कहा जाता है)। तो, परम शून्य की अवधारणा इस पैमाने की नींव है।
परम शून्य (Absolute zero)सैद्धांतिक रूप से अधिकतम तापमान की कोई सीमा नहीं है, लेकिन न्यूनतम तापमान पर एक सीमा (या प्रतिबंध) है। लेकिन ऐसा क्यों?
जैसे-जैसे हम किसी पदार्थ का तापमान कम करते हैं, उस पदार्थ/पिंड की परमाणु/आणविक गति कम होती जाती है। यह आणविक गति परम शून्य ताप पर पूर्णतः समाप्त हो जाती है। कोई गति नहीं मतलब कोई ऊष्मा नहीं। चूंकि वस्तु और अधिक ऊष्मा नहीं खो सकती है, इसका तापमान और नहीं गिर सकता है।
एक आदर्श गैस के लिए यह परम न्यूनतम तापमान (अर्थात परम शून्य) - 273.15 °C या 0 K होता है।
साथ ही, केल्विन तापमान की इकाई का आकार सेल्सियस डिग्री के समान होता है।
तो, केल्विन पैमाने पर तापमान, T = C + 273.15
रेउमुर स्केल (Reaumur scale)यह एक और तापमान पैमाना है, जिसका आविष्कार आर ए रेउमुर (R. A. Reaumur) ने वर्ष 1730 में किया था। इसमें बर्फ का गलनांक 0°R माना जाता है।
सेल्सियस और फारेनहाइट तापमान पैमाने के बीच रूपांतरणनिम्नलिखित वह सूत्र हैं जिनका उपयोग आप विभिन्न तापमान पैमानों के बीच परिवर्तित करने के लिए कर सकते हैं।
\(\frac{C - 0}{100 - 0} = \frac{F - 32}{212 - 32} = \frac{R - 0}{80 - 0}\)
या \(\frac{C}{5} = \frac{F - 32}{9} = \frac{R}{4}\)
सेल्सियस और फारेनहाइट थर्मामीटर स्केल -40° के तापमान पर समान होते हैं। यानी -40°C = -40°F
थर्मामीटर (Thermometer)
थर्मामीटर एक ऐसा उपकरण है जिसका उपयोग हम किसी पिंड के तापमान को मापने के लिए करते हैं। इन थर्मामीटरों को कैलिब्रेट (calibrate) किया जाता है ताकि एक निश्चित सीमा के भीतर प्रत्येक तापमान को एक संख्यात्मक मान दिया जा सके।
अब, उनके आंतरिक तंत्र और/या जिस उद्देश्य के लिए उनका उपयोग किया जाता है, उसके आधार पर कई प्रकार के थर्मामीटर हैं। आइए उनमें से कुछ पर एक नजर डालते हैं।
तरल थर्मामीटर (Liquid thermometer)
इन लिक्विड-इन-ग्लास थर्मामीटर (liquid-in-glass thermometers) में सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले दो तरल पदार्थ पारा (mercury) और अल्कोहल हैं।
पारा: पारा के हिमांक और क्वथनांक क्रमशः -39°C और 357°C होते हैं। इसलिए, पारा थर्मामीटर को अक्सर 30 डिग्री सेल्सियस से 350 डिग्री सेल्सियस के तापमान को मापने के लिए कैलिब्रेट किया जाता है। पारा का उपयोग करने के कुछ फायदे हैं:
- केशिका नलिकाओं में पारा स्पष्ट रूप से दिखाई देता है।
- तापमान में वृद्धि के साथ पारा का विस्तार समान रूप से होता है।
अल्कोहल (Alcohol): अल्कोहल का हिमांक − 115°C होता है। इसलिए, अल्कोहल थर्मामीटर को अक्सर -40 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान को मापने के लिए कैलिब्रेट किया जाता है।
क्लिनिकल थर्मामीटर (Clinical thermometer)क्लिनिकल थर्मामीटर मानव शरीर के तापमान को मापने के लिए इस्तेमाल किया जाने वाला थर्मामीटर है। चूंकि मानव शरीर का तापमान कम समय अंतराल में बदल सकता है, और इसका मान बहुत कम होता है, हम अक्सर इसमें पारा का उपयोग करते हैं, और इसे फ़ारेनहाइट पैमाने पर कैलिब्रेट करते हैं।
इसका निचला स्थिर बिंदु अक्सर 95°F (35°C) और ऊपरी स्थिर बिंदु 110°F (43°C) पर रखा जाता है।
गैस थर्मामीटर (Gas thermometer)
इस प्रकार के थर्मामीटर में हाइड्रोजन सबसे आम गैस होती है। वास्तव में, स्थिर मात्रा हाइड्रोजन गैस थर्मामीटर (constant volume hydrogen gas thermometer) को मानक गैस थर्मामीटर माना जाता है, और इसका उपयोग अन्य गैसीय थर्मामीटर बनाने के लिए किया जाता है।
- हाइड्रोजन थर्मामीटर का उपयोग करके हम 500°C तक तापमान माप सकते हैं।
- नाइट्रोजन थर्मामीटर का उपयोग करके हम 1500°C तक तापमान माप सकते हैं।
प्लेटिनम प्रतिरोध थर्मामीटर (Platinum resistance thermometer)
सिद्धांत: जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, धातु का प्रतिरोध उसके साथ-साथ काफी समान रूप से बढ़ता है। इसलिए, यदि हम किसी धातु के प्रतिरोध को माप सकते हैं, तो हम उसके तापमान को जान सकते हैं।
प्लेटिनम प्रतिरोध थर्मामीटर के लाभ:
- प्लेटिनम प्रतिरोध थर्मामीटर बहुत सटीक होता है। वास्तव में, यह इतना सटीक, और सुसंगत है कि इसका उपयोग अक्सर अन्य थर्मामीटरों को मानकीकृत करने के लिए किया जाता है।
- गैस और तरल पर आधारित थर्मामीटर में तरल/गैस उबल या जम जाते हैं, और क्योंकि वे तापमान में वृद्धि के साथ फैलते हैं, थर्मामीटर का आकार भी बड़ा होना चाहिए। परन्तु, प्लेटिनम प्रतिरोध थर्मामीटर इन मुद्दों से ग्रस्त नहीं हैं। इसलिए, हम उनका उपयोग एक विस्तृत सीमा (-200°C से 1200°C) में तापमान मापने के लिए कर सकते हैं।
प्लेटिनम प्रतिरोध थर्मामीटर का नुकसान:
- प्लेटिनम को जिस द्रव में डुबोया जाता है उसका तापमान प्राप्त करने में समय लगता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्लैटिनम की तापीय क्षमता (thermal capacity) ज्यादा होती है। इसलिए, इस समय अंतराल के कारण तापमान माप देखने के लिए हमें कुछ समय इंतजार करना होता है। तो, यह थर्मामीटर उन स्थितियों में बहुत बेकार है जहां हमें तेजी से बदलते तापमान को मापने की आवश्यकता होती है।
इलेक्ट्रॉनिक थर्मामीटर (Electronic Thermometer)यह भी उसी सिद्धांत पर आधारित है, अर्थात एक अच्छे चालक का प्रतिरोध (resistance) उसके तापमान पर निर्भर करता है। यह एक विद्युत परिपथ का उपयोग करता है जो थर्मो-रेसिस्टर या थर्मिस्टर (thermo-resistor or thermistor) का उपयोग करता है, जिसका प्रतिरोध तापमान के साथ बदलता है। यह थर्मामीटर प्रतिरोध को मापता है और इसे तापमान में परिवर्तित करता है, जो एक डिजिटल पैनल पर प्रदर्शित होता है।
थर्मो-कपल थर्मामीटर (Thermo-couple thermometer)
सिद्धांत: यह थर्मामीटर सीबेक प्रभाव / Seebek effect (1932 में सीबेक / Seebek द्वारा खोजा गया) पर आधारित है। यदि दो असमान धातुओं को एक साथ जोड़कर एक बंद परिपथ बनाया जाता है (इसलिए इसे थर्मो-युगल / thermo-couple कहा जाता है), और उनके जंक्शनों के बीच एक तापमान अंतर स्थापित किया जाता है, तो एक e.m.f. विकसित होता है (जिसे थर्मोइलेक्ट्रिक ईएमएफ / thermoelectric e.m.f. कहा जाता है)। इससे परिपथ में विद्युत धारा प्रवाहित होती है। थर्मोइलेक्ट्रिक e.m.f. का परिमाण और इसलिए करंट भी निम्नलिखित पर निर्भर करता है:
- दो जोड़े गए धातुओं की प्रकृति।
- उनके जंक्शनों का तापमान अंतर।
विभिन्न धातुओं द्वारा निर्मित दो जंक्शनों को दो तापमानों पर रखा जाता है - एक ठंडा और दूसरा गर्म। इससे थर्मोइलेक्ट्रिक ई.एम.एफ. और करंट पैदा होता है, जिसके इस्तेमाल से हम वांछित जंक्शन पर तापमान को माप सकते हैं।
कुल विकिरण पाइरोमीटर (Total radiation pyrometer)
सिद्धांत: यह थर्मामीटर स्टीफन के नियम के सिद्धांत (principle of Stefan’s law) पर आधारित है। स्टीफन के नियम के अनुसार, प्रति इकाई क्षेत्र में प्रति सेकंड उत्सर्जित ऊष्मा विकिरण, परम तापमान की चौथी शक्ति के समानुपाती होता है।
कुल विकिरण पाइरोमीटर के लाभ:
- इस थर्मामीटर से हम किसी पिंड को बिना छुए ही उसका तापमान माप सकते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि यह किसी पिंड द्वारा उत्सर्जित विकिरण का अनुमान लगाकर तापमान को मापता है। इसलिए, इसका उपयोग करके हम दूर-दराज के पिंडों, जैसे तारे, सूर्य, आदि के तापमान को भी माप सकते हैं।
- यह बहुत उच्च क्रम के तापमान को माप सकता है, उदा. सितारों, सूरज, आदि के।
कुल विकिरण पाइरोमीटर का नुकसान:
- चूंकि यह थर्मामीटर किसी पिंड द्वारा उत्सर्जित विकिरण का पता लगाकर तापमान को मापता है, यह अच्छी तरह से काम नहीं करता है यदि कोई शरीर उचित मात्रा में विकिरण पैदा नहीं करता है। चूंकि ठंडे पिंड बहुत कम विकिरण उत्सर्जित करते हैं, यह ठंडे पिंडों के तापमान को माप नहीं सकता है। यह केवल 800 डिग्री सेल्सियस से अधिक के तापमान को माप सकता है।
क्रायोजेनिक्स और पायरोमेट्री- क्रायोजेनिक्स (Cryogenics): इसमें 0 K (यानी परम शून्य) के करीब तापमान का मापन शामिल होता है।
- पायरोमेट्री (Pyrometry): इसमें बहुत अधिक तापमान का मापन शामिल होता है।