ऊष्मीय ऊर्जा (Thermal Energy)

(क) पदार्थ समुच्चय से मिलकर बनता है (पदार्थ की कण प्रकृति)

प्राचीन काल में पदार्थ के स्वरूप के बारे में दो अलग-अलग उदाहरण हैं। एक सिद्धांत यह था कि पदार्थ के टुकड़े की 'सतत' (कण) से मिलकर बनता है, जबकि दूसरा सिद्धांत यह था कि पदार्थ के टुकड़े की तरह सूक्ष्म कण (कण) से मिलकर बनता है।

प्रायोगिक सत्यापन (पोटेशियम परमैंगनेट प्रयोग): यदि हम 100 एमएल जल में पोटैशियम परमैंगनेट ($KMnO_4$) की मात्रा 2-3 छोटे क्रिस्टल घोलें, तो पूरा जल गहरा गुलाबी/बैंगनी रंग का हो जाता है। अब इस नासा में 10 एमएल से 90 एमएल स्वच्छ जल मिलता है। फिर इस नए नासा से 10 एमएल डीएनए में अगले 90 एमएल स्वच्छ जल में मिलाते हैं। इस प्रकार 5 से 8 बार तनुकरण (Dilution) करने पर भी जल का रंग रंगीन बना रहता है। यह सिद्ध होता है कि $KMnO_4$ के एक छोटे से क्रिस्टल में अत्यंत सूक्ष्म कण उगते हैं, जो बार-बार विभाजित जल के समुच्चय में फैलते चले जाते हैं।

(ख) पदार्थ के समुच्चय के तीन प्रमुख अभिलाक्षणिक गुण

1. पदार्थ के मध्य रिक्त स्थान (अंतरआण्विक स्थान) होता है: जब हम पानी में नमक, ग्लूकोज़ (चीनी) या डेटॉल घोलते हैं, तो जल का स्तर (जल स्तर) बिल्कुल नहीं बढ़ता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि नमक के कण जल के मित्रों के बीच खाली जगह में पूर्णतः समाविष्ट हो जाते हैं।
2. पदार्थ के कण सतत गति में होते हैं:
   • कमरे के एक कोने में राख के बिना जली अगरबत्ती की सुगंध लेने के लिए हमें उसके निकटतम जाना है, कलाकारी जलाई गई अगरबत्ती की सुगंध दूर बैठी ही हमारे पास पहुंचती है।
   • कनों की यह गति उनके अंदर मौजूद गतिज ऊर्जा (गतिज ऊर्जा) के कारण होती है। तापमान वृद्धि पर समुच्चय की गतिज ऊर्जा बढ़ती है, जिससे समुच्चय का वेग गति हो जाती है।
   • दो विभिन्न सूक्ष्मजीवों का स्वतः संयोजन विस्तार (प्रसार) उद्देश्य है। दर्शन में वृद्धि दर में वृद्धि हो रही है।
3. पदार्थ के कण एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं (अंतर आणविक आकर्षण बल): लोहे की कील, चक का टुकड़ा और एक रबर बैंड लें। हथौड़ा या खींचकर इसे तोड़ने का प्रयास करें। हम कहते हैं कि चक आसानी से टूट जाता है, रबर बैंड ड्रैग पर थोड़ा सा रिज़िस्ट्रेटिक साख है, अतिरिक्त आयरन की कील को तोड़ना बहुत मुश्किल है। इसमें बताया गया है कि विभिन्न सूक्ष्मजीवों के बीच आकर्षण बल का आयाम भिन्न-भिन्न होता है (लोहा > रबर बैंड > चाक)।

कणों के बीच के आकर्षण बल और उनके बीच के रिक्त स्थान के आधार पर पदार्थ की मुख्य रूप से तीन भौतिक अवस्थाएँ होती हैं:

(क) तापमान परिवर्तन का प्रभाव

जब किसी ठोस को ऊष्मा दी जाती है, तो उसके कणों की गतिज ऊर्जा बढ़ती है। गतिज ऊर्जा बढ़ने से कण तेजी से कंपन करने लगते हैं। दी गई ऊष्मा कणों के बीच के अंतराणुक आकर्षण बल को पार कर लेती है, जिससे कण अपनी नियत स्थिति को छोड़कर स्वतंत्र रूप से गति करने लगते हैं।

1. गलनांक (Melting Point): वह तापमान जिस पर वायुमंडलीय दाब पर कोई ठोस पिघलकर द्रव बन जाता है, उसका गलनांक कहलाता है। बर्फ का गलनांक 0°C अर्थात 273.15 K होता है। किसी ठोस का गलनांक उसके कणों के बीच आकर्षण बल के सामर्थ्य का सूचक होता है।
2. क्वथनांक (Boiling Point): वह तापमान जिस पर वायुमंडलीय दाब पर कोई द्रव उबलने लगता है, उसका क्वथनांक कहलाता है। क्वथन एक समष्टि परिघटना (Bulk Phenomenon) है, जिसमें द्रव के भीतर के सभी कण वाष्प में बदलने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर लेते हैं। जल का क्वथनांक 100°C अर्थात 373.15 K होता है।
3. संगलन की प्रसुप्त ऊष्मा (Latent Heat of Fusion): वायुमंडलीय दाब पर 1 किलोग्राम ठोस को उसके गलनांक पर पूर्णतः द्रव में बदलने के लिए जितनी ऊष्मीय ऊर्जा की आवश्यकता होती है, उसे संगलन की प्रसुप्त ऊष्मा कहते हैं। यही कारण है कि 0°C (273 K) पर जल के कणों की ऊर्जा उसी तापमान पर बर्फ के कणों की ऊर्जा से अधिक होती है।
4. वाष्पीकरण की प्रसुप्त ऊष्मा (Latent Heat of Vaporization): वायुमंडलीय दाब पर 1 किलोग्राम द्रव को उसके क्वथनांक पर वाष्प (गैस) में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मीय ऊर्जा को वाष्पीकरण की प्रसुप्त ऊष्मा कहते हैं। यही कारण है कि 100°C के उबलते जल की अपेक्षा 100°C की भाप (Steam) से जलने पर अधिक तीव्र पीड़ा होती है, क्योंकि भाप के कणों में गुप्त ऊष्मा के रूप में अतिरिक्त ऊर्जा होती है।
5. ऊर्ध्वपातन (Sublimation) एवं निक्षेपण (Deposition):
   • द्रव अवस्था में परिवर्तित हुए बिना ठोस अवस्था से सीधे गैस बनने की प्रक्रिया ऊर्ध्वपातन कहलाती है (जैसे कपूर, अमोनियम क्लोराइड $NH_4Cl$, नैफ्थलीन की गोलियाँ, शुष्क बर्फ)।
   • वाष्प या गैस से बिना द्रव में बदले सीधे ठोस में बदलने की प्रक्रिया को निक्षेपण (Deposition) कहते हैं।

(ख) दाब परिवर्तन का प्रभाव एवं गैसों का द्रवीकरण

जब किसी सिलेंडर में भरी गैस पर पिस्टन लगाकर दाब बढ़ाया जाता है और तापमान घटाया जाता है, तो गैस के कण अत्यधिक समीप आ जाते हैं। उनके बीच का अंतराणुक बल बढ़ जाता है और गैस संघनित होकर द्रव (Liquid) में बदल जाती है।

• ठोस कार्बन डाइऑक्साइड (शुष्क बर्फ - Dry Ice): जब गैसीय $CO_2$ पर 1 वायुमंडलीय (atm) दाब कम किया जाता है, तो यह बिना द्रव अवस्था में आए सीधे गैसीय अवस्था में परिवर्तित हो जाती है। इसी कारण ठोस कार्बन डाइऑक्साइड को 'शुष्क बर्फ' (Dry Ice) कहा जाता है।

(क) वाष्पीकरण की परिभाषा एवं क्वथन से अंतर

वाष्पीकरण: क्वथनांक से कम किसी भी तापमान पर द्रव की सतह के कणों का वाष्प में परिवर्तित होने की स्वतः प्रक्रिया को वाष्पीकरण (Evaporation) कहते हैं।

द्रव के भीतर सभी कणों की गतिज ऊर्जा एकसमान नहीं होती। सतह पर स्थित कुछ कणों में इतनी अधिक गतिज ऊर्जा होती है कि वे अन्य कणों के आकर्षण बल से मुक्त होकर वायु में वाष्पीकृत हो जाते हैं।

(ख) वाष्पीकरण की दर को प्रभावित करने वाले 4 मुख्य कारक

1. सतह का क्षेत्रफल (Surface Area): वाष्पीकरण एक सतही प्रक्रिया है। अतः सतह का क्षेत्रफल बढ़ाने पर वाष्पीकरण की दर बढ़ जाती है। उदाहरण: गीले कपड़ों को सुखाने के लिए हम उन्हें फैलाकर डालते हैं। गर्म चाय को कप की बजाय प्लेट/तश्तरी में डालने पर वह शीघ्र ठंडी हो जाती है।
2. तापमान में वृद्धि (Temperature): तापमान बढ़ने पर अधिक संख्या में कणों को पर्याप्त गतिज ऊर्जा प्राप्त होती है, जिससे वे तेजी से वाष्प में बदलते हैं। अतः गर्मियों में कपड़े शीघ्र सूखते हैं।
3. आर्द्रता में कमी (Humidity): वायु में उपस्थित जलवाष्प की मात्रा को आर्द्रता कहते हैं। यदि वायु में पहले से ही जलवाष्प की मात्रा अधिक हो, तो वाष्पीकरण की दर घट जाती है। बरसात के उमस भरे दिनों में पसीना आसानी से नहीं सूखता।
4. वायु की गति में वृद्धि (Wind Speed): तेज हवा में जलवाष्प के कण हवा के साथ तेजी से उड़ जाते हैं, जिससे आस-पास जलवाष्प की मात्रा कम हो जाती है और वाष्पीकरण तीव्र हो जाता है। पंखे के नीचे गीले कपड़े शीघ्र सूख जाते हैं।

(ग) वाष्पीकरण के कारण शीतलता उत्पन्न होने के दैनिक जीवन में उदाहरण

वाष्पीकरण के दौरान सतह के कण आस-पास से ऊष्मा ऊर्जा अवशोषित कर लेते हैं। ऊष्मा का अवशोषण होने से परिवेश ठंडा हो जाता है:

• मिट्टी के घड़े (मटके) का जल शीतल होना: मटके की दीवारों में अनगिनत अति-सूक्ष्म छिद्र होते हैं, जिनसे जल रिसकर बाहर आता रहता है। बाहरी सतह पर उपस्थित जल जब वाष्पीकृत होता है, तो वह मटके और भीतर के जल से वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा खींच लेता है, जिससे भीतर का पानी अत्यंत शीतल हो जाता है।
• हथेली पर एसीटोन / इत्र / सैनिटाइज़र लगाने पर ठंडक: ये अत्यधिक वाष्पशील द्रव हैं। जैसे ही इन्हें हथेली पर डाला जाता है, ये हथेली से ऊष्मा लेकर वाष्पीकृत हो जाते हैं, जिससे हथेली पर ठंडक महसूस होती है।
• गर्मियों में सूती (Cotton) कपड़े पहनना: गर्मियों में हमारे शरीर से अधिक पसीना निकलता है। सूती कपड़े जल के अच्छे अवशोषक होते हैं। ये पसीने को सोखकर वायुमंडल में आसानी से वाष्पीकृत कर देते हैं, जिससे शरीर को निरंतर शीतलता मिलती है।