यांत्रिक कार्य और ऊष्मा कैसे परस्पर-परिवर्तनीय होते हैं
इस लेख में, हम गर्मी के यांत्रिक समतुल्य की अवधारणा का अध्ययन करेंगे, जो बताता है कि यांत्रिक कार्य और गर्मी एक-दूसरे में परिवर्तित किए जा सकते हैं। हम इस विचार को स्थापित करने वाले प्रयोगों और खोजों के बारे में भी सीखेंगे, और यह कैसे थर्मोडायनामिक्स के विज्ञान को स्थापित करने में मदद की।
गर्मी का यांत्रिक समतुल्य क्या है?
गर्मी का यांत्रिक समतुल्य यांत्रिक कार्य और गर्मी के बीच के संबंध को वर्णित करने वाला एक शब्द है।
यह एक प्रणाली में एक इकाई गर्मी का उत्पादन करने के लिए आवश्यक कार्य की मात्रा के रूप में परिभाषित किया गया है। गर्मी के यांत्रिक समतुल्य के लिए प्रतीक J है, और इसे जोउल का स्थिरांक या जोउल का गर्मी का यांत्रिक समतुल्य भी कहा जाता है, जिसका मापन पहले इस वैज्ञानिक ने किया था।
गर्मी के यांत्रिक समतुल्य का सूत्र:
जहाँ W प्रणाली पर किया गया कार्य है, और Q प्रणाली में उत्पन्न गर्मी है।
गर्मी के यांत्रिक समतुल्य की इकाई जूल प्रति कैलोरी (J/cal) है, जिसका अर्थ है कि एक जूल का कार्य एक कैलोरी गर्मी का उत्पादन करता है। एक कैलोरी एक ग्राम जल के तापमान को एक डिग्री सेल्सियस से बढ़ाने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा है।
गर्मी का यांत्रिक समतुल्य कैसे खोजा गया?
1798 में बेंजामिन थॉम्पसन, जिन्हें काउंट रमफोर्ड के नाम से भी जाना जाता है, ने पहली बार यांत्रिक कार्य और गर्मी के बीच परस्पर परिवर्तनीयता का सुझाव दिया। उन्होंने देखा कि म्यूनिख में एक आयुध भंडार में टोपियों के बोरिंग करने पर घर्षण से बहुत अधिक गर्मी उत्पन्न होती थी। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि गर्मी, जैसा पहले सोचा जाता था, एक पदार्थ नहीं थी, बल्कि गति का एक रूप थी।
हालांकि, रमफोर्ड ने गर्मी के यांत्रिक समतुल्य के लिए एक संख्यात्मक मान नहीं दिया, न ही उन्होंने इसे मापने के लिए एक नियंत्रित प्रयोग किया। उनके अवलोकनों को कैलोरिक सिद्धांत के समर्थकों द्वारा चुनौती दी गई, जो मानते थे कि गर्मी एक द्रव था जो गर्म शरीरों से ठंडे शरीरों में बहता था।
गर्मी के यांत्रिक समतुल्य का मापन करने के लिए पहला व्यक्ति जेम्स प्रेसकॉट जोउल, एक अंग्रेजी भौतिकविद और ब्रूवर थे। 1845 में, उन्होंने "The Mechanical Equivalent of Heat" शीर्षक के एक पेपर प्रकाशित किया, जिसमें उन्होंने अपने उपकरण और विधि का वर्णन किया।
जोउल ने जल से भरे तांबे के कैलोरिमीटर और गिरते वजनों से जुड़े पैडल-व्हील मेकेनिज़्म का उपयोग किया।
जब वजन गिरते थे, तो वे पैडल व्हील को घुमाते थे, जो कैलोरिमीटर के अंदर जल को चलाता था। वजनों और पैडल-व्हील की गतिज ऊर्जा को जल की गर्मी ऊर्जा में परिवर्तित किया गया। जोउल ने जल के तापमान की वृद्धि का मापन किया और वजनों द्वारा किए गए कार्य की मात्रा की गणना की। उन्होंने विभिन्न वजनों और ऊंचाइयों के साथ इस प्रयोग को कई बार दोहराया और J के लिए एक संगत मान 778.24 फुट-पाउंड-फोर्स प्रति डिग्री फारेनहाइट (4.1550 J/cal) पाया।
जोउल का प्रयोग साबित करता है कि कार्य और गर्मी समतुल्य और संरक्षित हैं,
इसका अर्थ है कि उन्हें बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता, बल्कि एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित किया जा सकता है। यह थर्मोडायनामिक्स, जो ऊर्जा और उसके परिवर्तनों का अध्ययन है, के विकास में एक महत्वपूर्ण प्रगति थी।
गर्मी के यांत्रिक समतुल्य के कुछ अनुप्रयोग क्या हैं?
गर्मी के यांत्रिक समतुल्य की अवधारणा विज्ञान और अभियांत्रिकी में कई अनुप्रयोग हैं। उदाहरण के लिए:
यह यंत्रों के काम की व्याख्या करता है, जो ईंधन में रासायनिक ऊर्जा को गति में यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।
यह मशीनों और प्रक्रियाओं की दक्षता की गणना करने में मदद करता है, इनपुट कार्य और आउटपुट गर्मी की तुलना करके।
यह विकास करने में मदद करता है जो अपशिष्ट गर्मी को उपयोगी कार्य में परिवर्तित कर सकते हैं, जैसे कि थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर।
यह हमें समझने में मदद करता है कि जीवित जीव विभिन्न कार्यों को करने के लिए चयापचयी ऊर्जा का उपयोग कैसे करते हैं।
गर्मी के यांत्रिक समतुल्य थर्मोडायनामिक्स के अन्य महत्वपूर्ण अवधारणाओं, जैसे एंट्रोपी, विशिष्ट गर्मी क्षमता, गुप्त गर्मी, और तापीय विस्तार, से भी संबंधित है।
