प्रकृति में ऊष्मा का स्थानांतरण

स्पर्श इंद्रिय की अविश्वसनीयता (क्रियाकलाप): यदि आप तीन बर्तन लें—A (ठंडा पानी), B (गर्म पानी), C (गुनगुना पानी)। अपने बाएँ हाथ को A में और दाएँ हाथ को B में 2 मिनट रखें। फिर दोनों हाथों को एक साथ C में डालें। बाएँ हाथ को पानी गर्म लगेगा जबकि दाएँ हाथ को वही पानी ठंडा लगेगा! इससे सिद्ध होता है कि केवल छूकर हम किसी वस्तु के वास्तविक गर्माहट का विश्वसनीय निर्णय नहीं ले सकते।

तापमान (Temperature): किसी वस्तु की उष्णता (गर्माहट) या शीतलता की विश्वसनीय और प्रमाणित माप को तापमान कहते हैं।

थर्मामीटर (तापमापी): तापमान मापने के लिए जिस वैज्ञानिक उपकरण का उपयोग किया जाता है, उसे थर्मामीटर (Thermometer) कहते हैं। भारत में सामान्यतः तापमान को डिग्री सेल्सियस (°C) पैमाने पर मापा जाता है।

डॉक्टरी थर्मामीटर: इसका उपयोग केवल मानव शरीर का तापमान मापने के लिए किया जाता है।

• मापक परिसर (Range): 35°C से 42°C (अथवा 94°F से 108°F)। ऐसा इसलिए है क्योंकि जीवित मानव शरीर का तापमान कभी 35°C से कम या 42°C से अधिक नहीं हो सकता। मानव शरीर का सामान्य तापमान 37°C (98.6°F) होता है।
• बनावट: एक समान बारीक कांच की नली जिसके एक सिरे पर पारे (Mercury) से भरा बल्ब होता है।
• विभंग या किंक (Kink): बल्ब के ठीक ऊपर नली में एक संकरा घुमाव या मोड़ होता है जिसे किंक कहते हैं। जब थर्मामीटर रोगी के मुंह से बाहर निकाला जाता है, तो यह किंक पारे के तल को अपने आप नीचे गिरने से रोकता है, जिससे डॉक्टर आसानी से सही पाठ्यांक पढ़ सकते हैं।

कक्षा और प्रयोगशाला में रसायनों, पानी और विभिन्न प्रयोगों का तापमान मापने के लिए प्रयोगशाला थर्मामीटर का उपयोग होता है।

• परिसर (Range): सामान्यतः -10°C से 110°C तक।
• महत्वपूर्ण अंतर: प्रयोगशाला थर्मामीटर में किंक (Kink) नहीं होता। इसलिए इसका पाठ्यांक तभी लिया जाना चाहिए जब इसका बल्ब उस पदार्थ/द्रव के अंदर डूबा हुआ हो। यदि इसे बाहर निकाल लिया जाए, तो हवा के संपर्क में आते ही पारे का तल तुरंत गिरने लगता है और गलत पाठ्यांक मिलता है।

ऊष्मा का प्रवाह नियम: ऊष्मा सदैव अधिक तापमान वाली वस्तु से कम तापमान वाली वस्तु की ओर प्रवाहित होती है। जब दोनों का तापमान बराबर हो जाता है, तो ऊष्मा का प्रवाह रुक जाता है (तापीय साम्यावस्था)।

चालन (Conduction): ऊष्मा स्थानांतरण की वह विधि जिसमें ऊष्मा किसी ठोस पदार्थ के गर्म सिरे से ठंडे सिरे की ओर माध्यम के कणों के अपने स्थान पर कंपन द्वारा संचरित होती है, चालन कहलाती है। इसमें कण अपना स्थान छोड़कर कहीं नहीं जाते।

चालक बनाम कुचालक:

• ऊष्मा के चालक (Conductors): जो पदार्थ अपने से होकर ऊष्मा को आसानी से प्रवाहित होने देते हैं—जैसे एल्युमिनियम, तांबा, लोहा। इसलिए खाना पकाने के बर्तन धातुओं के बनते हैं।
• ऊष्मा के कुचालक / ऊष्मारोधी (Insulators): जो पदार्थ ऊष्मा को अपने से आसानी से नहीं गुजरने देते—जैसे लकड़ी, प्लास्टिक, रबर, कांच, हवा और शुद्ध जल। इसलिए बर्तनों के हत्थे (हैंडल) प्लास्टिक या लकड़ी के बनाए जाते हैं ताकि हाथ न जले।

संवहन (Convection): द्रवों (तरल) और गैसों में ऊष्मा स्थानांतरण की वह विधि जिसमें माध्यम के गर्म कण स्वयं ऊष्मा लेकर ऊपर उठते हैं और उनका स्थान लेने के लिए ऊपर से ठंडे कण नीचे आते हैं, संवहन कहलाती है।

जल में संवहन (क्रियाकलाप): जब एक गोल पेंदे के फ्लास्क में पानी और पोटेशियम परमैंगनेट का क्रिस्टल डालकर गर्म किया जाता है, तो पेंदे का पानी गर्म होकर हल्का हो जाता है और रंगीन धाराओं के रूप में ऊपर उठता है। ऊपर का भारी ठंडा पानी नीचे आता है। यह चक्र तब तक चलता रहता है जब तक पूरा पानी गर्म न हो जाए।

वायु में संवहन: मोमबत्ती की लौ के ठीक ऊपर रखा हाथ अत्यधिक गर्मी महसूस करता है क्योंकि गर्म हवा संवहन द्वारा सीधे ऊपर उठती है, जबकि लौ के बगल में रखा हाथ उतनी गर्मी महसूस नहीं करता।

समुद्र के तटीय क्षेत्रों में वायु संवहन के कारण प्रतिदिन हवा का एक प्राकृतिक चक्र चलता है:

विकिरण (Radiation): ऊष्मा स्थानांतरण की वह विधि जिसमें ऊष्मा के संचरण के लिए किसी भी भौतिक माध्यम (ठोस, द्रव, गैस) की आवश्यकता नहीं होती, विकिरण कहलाती है।

सूर्य की ऊष्मा: अंतरिक्ष (Space) में वायुमंडल या कोई माध्यम नहीं है, फिर भी सूर्य की प्रचंड ऊष्मा पृथ्वी तक केवल विकिरण द्वारा ही पहुँचती है। जब हम हीटर या आग के सामने बैठते हैं, तो हमें मिलने वाली ऊष्मा विकिरण द्वारा ही मिलती है।

अवशोषण एवं परावर्तन: सभी गर्म वस्तुएं विकिरण द्वारा ऊष्मा बाहर फेंकती हैं। जब यह विकिरण किसी वस्तु पर पड़ता है, तो उसका कुछ भाग अवशोषित हो जाता है और कुछ भाग परावर्तित हो जाता है। अवशोषित भाग के कारण वस्तु का तापमान बढ़ता है।

गर्मियों में हल्के (सफेद) वस्त्र: हल्के और सफेद रंग की सतहें उन पर पड़ने वाली अधिकांश ऊष्मीय विकिरणों को परावर्तित (Reflect) कर देती हैं और बहुत कम ऊष्मा सोखती हैं, जिससे हमें शीतलता का अनुभव होता है। साथ ही सूती कपड़े पसीना सोखकर वाष्पीकरण द्वारा ठंडक देते हैं।

सर्दियों में गहरे रंग के वस्त्र: काली और गहरी सतहें ऊष्मा की उत्कृष्ट अवशोषक (Absorbers) होती हैं, जो अधिक धूप सोखकर शरीर को गर्म रखती हैं।

ऊनी वस्त्र सर्दियों में गर्म क्यों रखते हैं? ऊन ऊष्मा का कुचालक है। इसके अतिरिक्त, ऊन के रेशों के बीच बहुत सारी वायु (हवा) फंसी (Trap) रहती है। वायु ऊष्मा की अत्यंत उत्कृष्ट कुचालक (Insulator) है। यह हवा हमारे शरीर की गर्मी को बाहर के ठंडे वातावरण में जाने से रोक देती है, जिससे हमें गर्माहट बनी रहती है।