ऊष्मद्रव
म्यूनिख, 1798। काउंट रमफ़ोर्ड शस्त्रागार में तोप की नलियाँ छेदी जाती देखते हैं और एक हिसाब का प्रश्न उठाते हैं। यदि ऊष्मा धातु में फैला कोई पदार्थ है, तो उसका भंडार सीमित है, और छेदना एक दिन गर्म करना बंद कर देगा। वे एक भोथरा बरमा लेते हैं, नली को पानी के बक्से में रखते हैं, और ढाई घंटे बाद पानी उबलने लगता है। पानी बदलते हैं — फिर उबलता है।
ऊष्मद्रव एक भारहीन पदार्थ था जिसे लवॉज़िए ने सरल पदार्थों की अपनी तालिका में रखा। माना जाता था कि यह गर्म से ठंडे की ओर बहता है और इस बीच संरक्षित रहता है। इसकी मात्रा कैलोरी में मापी जाती थी: एक कैलोरी एक ग्राम पानी को एक डिग्री गर्म करती है। इस सिद्धांत ने ऊष्मा धारिता की सही तालिकाएँ दीं, और कार्नो का ऊष्मा इंजनों का सिद्धांत भी। पर रमफ़ोर्ड के प्रयोग ने दिखाया कि जब तक कार्य किया जाए, ऊष्मा अंतहीन मिलती रहती है।
| संकेत | caloric · calorique · माप cal |
| कैसे गिनते थे | पिघली बर्फ़ के द्रव्यमान और पानी के गर्म होने से · Q = c·m·ΔT |
| क्या माना जाता था | संरक्षण: एक पिंड से जितना गया, उतना दूसरे में पहुँचा |
| प्रचलन और परित्याग | calorique — लवॉज़िए, 1789 · रमफ़ोर्ड का प्रयोग — 1798 · यांत्रिक तुल्यांक — जूल, 1843—1850 |
| आज का लेखन | ऊष्मा ऊर्जा का एक रूप है, जूल में · 1 cal = 4.184 J · ISO 80000-5 |
| सामान्य मान | 79.7 cal — एक ग्राम बर्फ़ पिघलाना · 540 cal — एक ग्राम पानी भाप बनाना · 2000 kcal — दिन भर का भोजन |
01 · परिभाषा
ऊष्मा का भारहीन तरल
अठारहवीं सदी के अंत की व्यवस्था के अनुसार ऊष्मद्रव पिंडों में रहता है और गर्म पिंडों से ठंडे पिंडों की ओर बहता है। इसके कण एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं — इसीलिए ऊष्मा फैलती है और गर्म होने पर पिंड फैलते हैं। अलग-अलग पदार्थ ऊष्मद्रव को अलग-अलग मात्रा में समाते हैं: लोहे को एक डिग्री गर्म होने के लिए पानी से दस गुना कम चाहिए।
ब्लैक की गुप्त ऊष्मा की भी व्याख्या मिल गई: पिघलती बर्फ़ ऊष्मद्रव लेती है पर गर्म नहीं होती, अतः यह बँधे रूप में प्रवेश करता है। इस व्यवस्था का सारा हिसाब एक मान्यता पर टिका था — कि ऊष्मद्रव संरक्षित रहता है। ठीक इसी को छोड़ना पड़ा। ऊष्मा धारिता के सूत्र मान्य रहे; बस अब ऊष्मा को ऊर्जा माना जाता है।
तराज़ू पर ऊष्मा, बिना थर्मामीटर
बीच में बर्फ़ के कक्ष में एक गर्म नमूना है; उसका रंग तापमान पर निर्भर है। फ़िरोज़ी रंग में बर्फ़ और पिघला पानी है, जो नीचे प्याले में टपकता है — ऊष्मा उसी के द्रव्यमान से निकलती है। बाहरी आवरण भी बर्फ़ का है और प्रयोग को कमरे की गर्मी से बचाता है। अंबर बिंदु ऊष्मद्रव हैं, जैसा उसकी कल्पना की जाती थी: यह नमूने से बर्फ़ में जाता है, जब तक नमूना शून्य तक ठंडा न हो जाए।
ऊष्मद्रव सब कुछ कैसे समझाता था — जब तक छेदना शुरू नहीं हुआ
यहाँ ऊष्मद्रव वैसा ही बनाया गया है जैसा उसकी कल्पना की जाती थी: एक भारहीन तरल के 260 अंबर कण। पहले तीन प्रयोगों में उनकी संख्या नहीं बदलती; वे बस दूसरे पिंड में बहते हैं, पिंड को फैलाते हैं या पिघलती बर्फ़ में छिप जाते हैं। खोखले वृत्त बँधा हुआ ऊष्मद्रव हैं, फ़िरोज़ी परत बर्फ़ है। चौथे प्रयोग में बरमा शून्य से नए कण पैदा करता है, सफ़ेद — और हिसाब नहीं मिलता। स्लाइडर प्रयोग चलाता है; दृश्य के नीचे की संख्याएँ उस ज़माने की तरह कैलोरी में गिनी जाती हैं।
वह नली जो ठंडी नहीं होती थी
बीच में शस्त्रागार की छेदन मशीन है। घोड़े गोल घूमते हैं; उनका रहट एक बड़े पहिये और छोटे गियर के ज़रिए काँसे की नली घुमाता है। नली पानी के बक्से में खड़ी है, और एक भोथरा बरमा उसके छेद में दबता है। बैंगनी रंग यांत्रिक कार्य है: संचरण, धुरा, घोड़ों की शक्ति। अंबर रंग घर्षण की जगह पैदा होने वाली ऊष्मा है: कण बरमे से पानी में होते हुए ऊपर उठते हैं। फ़िरोज़ी पानी और उसका तापमान है। दाईं ओर एक स्क्रीन पानी का गर्म होना दर्ज करती है, और उसके नीचे ऊष्मद्रव का हिसाब। सिद्धांत के अनुसार नली में ऊष्मद्रव का भंडार सीमित है। पट्टी दिखाती है कि इस भंडार का कितना अब तक ख़त्म हो जाना चाहिए था। समय 120 गुना तेज़ चलता है: एक सेकंड दो मिनट है। यदि 20 s कुछ न छुएँ तो प्रयोग अपने आप चलने लगते हैं।
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02 · रूपांतरण
| {n} | {v} | {note} |
कैलोरियाँ कई हैं। ऊष्मरासायनिक ठीक 4.184 J है, अंतरराष्ट्रीय 4.1868 J, पंद्रह-डिग्री वाली 4.1855 J। अंतर प्रतिशत के दसवें हिस्सों जितना है। सटीक काम में कैलोरी का प्रकार बताया जाता है — या बेहतर है कि सीधे जूल लिखे जाएँ।
बर्फ़ और उबलते पानी के ग्राम उस युग के माप थे: ऊष्मा ऐसे ही दिखती थी। एक ग्राम बर्फ़ पिघलाने में 79.7 cal लगती हैं, 100 °C पर एक ग्राम पानी को भाप बनाने में लगभग 540 cal। भाप उबलते पानी से ज़्यादा जलाती है, ठीक इन्हीं 540 के कारण।
03 · परिमाण की कोटियाँ
04 · मापक यंत्र
05 · लेखन नियम
06 · पड़ोसी इकाइयाँ
ऊष्मद्रव चला गया, पर विरासत छोड़ गया। कार्नो ने ऊष्मद्रव को संरक्षित मानकर ऊष्मा इंजनों की सीमा निकाली — और सूत्र आज भी सही है। कार्य और ऊष्मा एक ही राशि निकले, और ऊष्मा और तापमान के अनुपात से एन्ट्रॉपी का जन्म हुआ।
07 · ऐतिहासिक भाग
ऊष्मद्रव के सिद्धांत ने एक भी माप नहीं बिगाड़ा: कैलोरीमीटर स्थानांतरित ऊष्मा मापता था, कोई पदार्थ नहीं। इसीलिए लवॉज़िए और लाप्लास की ऊष्मा धारिता की तालिकाएँ सिद्धांत के बाद भी जीवित रहीं। केवल संरक्षण की मान्यता छोड़ी गई; माप — कैलोरी — बना रहा।
कैलोरी पानी के ज़रिए परिभाषित होती थी और उसके कई रूप थे: 15 °C वाली, 0 से 100 °C का औसत, अंतरराष्ट्रीय। 1948 में माप-तौल के सामान्य सम्मेलन ने ऊष्मा को जूल में बताने की सिफ़ारिश की। कैलोरी खाने के पैकेटों और पुरानी पुस्तिकाओं में रह गई।
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