लगभग सभी पदार्थ (ठोस, तरल और गैस) गर्म करने पर फैलते हैं और ठंडा होने पर सिकुड़ते हैं। किसी पदार्थ के गर्म करने पर उसका विस्तार उस पदार्थ का ऊष्मीय प्रसार कहलाता है। विस्तार तीन प्रकार के होते हैं: रैखिक (लंबाई में वृद्धि), सतही (क्षेत्र में वृद्धि), और घनीय विस्तार (आयतन में वृद्धि)। ठोस का एक निश्चित आकार होता है, इसलिए जब किसी ठोस को गर्म किया जाता है तो वह सभी दिशाओं में फैलता है अर्थात लंबाई, क्षेत्रफल और आयतन सभी गर्म होने पर बढ़ जाते हैं। द्रव और गैसें केवल घनीय प्रसार दर्शाती हैं। गर्म करने पर, तरल पदार्थ ठोस की तुलना में अधिक फैलता है और गैसें तरल पदार्थ की तुलना में बहुत अधिक फैलती हैं। इस पाठ में आप सीखेंगे:
किसी ठोस को गर्म करने पर ठोस के अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। वे अपनी माध्य स्थिति के बारे में एक बड़े आयाम के साथ कंपन करना शुरू करते हैं। इसका परिणाम यह होता है कि उनकी माध्य स्थिति इस प्रकार बदल जाती है कि अणुओं के बीच अंतर-आणविक पृथक्करण बढ़ जाता है, इस प्रकार ठोस सभी दिशाओं में फैल जाता है।
प्रयोग: एक धातु का गोला और एक छल्ला लें।
i) नीचे दिए गए चित्र में दिखाए अनुसार धातु की गेंद और रिंग को व्यवस्थित करें (आकृति a)। जब दोनों कमरे के तापमान पर हों तो धातु की गेंद को रिंग से फिसलना चाहिए।
ii) अब धातु की गेंद को बर्नर पर गर्म करें (चित्र b)
iii) रिंग को फिर से रखें और गेंद को रिंग में से गुजारने का प्रयास करें। आप देखेंगे कि गेंद फंस गई है।
कारण: गर्म करने पर, गेंद फैलती है और व्यास में बड़ी हो जाती है।
अब गेंद को ठंडा होने दें और फिर से गेंद को रिंग में से गुजारने की कोशिश करें, आप देखेंगे कि गेंद अब रिंग से होकर गुजरती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि ठंडा होने पर गेंद सिकुड़ जाती है।
रैखिक विस्तार
जब भी किसी पिंड की लंबाई में हीटिंग के कारण वृद्धि होती है तो विस्तार को रैखिक विस्तार कहा जाता है। आइए धातु की छड़ में रैखिक विस्तार पर विचार करें। धातु की छड़ की लंबाई में वृद्धि निम्नलिखित तीन कारकों पर निर्भर करती है:
नोट: किसी छड़ को गर्म करने पर उसकी लंबाई में वृद्धि इस बात पर निर्भर नहीं करती कि वह खोखली है या ठोस
ठोसों का सतही विस्तार
जब किसी धातु की प्लेट को गर्म किया जाता है तो उसकी लंबाई और चौड़ाई दोनों बढ़ जाती है। इससे प्लेट का क्षेत्रफल बढ़ जाता है। प्लेट के क्षेत्रफल में वृद्धि इस पर निर्भर करती है:
ठोसों का घन प्रसार
जब ठोस को गर्म किया जाता है, तो इसकी लंबाई, चौड़ाई और मोटाई बढ़ जाती है, इस प्रकार आयतन में वृद्धि होती है। प्रयोगात्मक रूप से यह देखा गया है कि किसी ठोस के आयतन में वृद्धि इस पर निर्भर करती है:
| यदि L 0 0 o C पर एक छड़ की लंबाई है और t o C पर इसकी लंबाई L t है , तो लंबाई में वृद्धि L t - L 0 = L 0 α t के रूप में दी जाती है। α रैखिक विस्तार का गुणांक है जो छड़ की सामग्री पर निर्भर करता है। इसकी इकाई प्रति o C . है |
| यदि A 0 0 o C पर एक प्लेट का क्षेत्रफल है और t o C पर इसका क्षेत्रफल A t है , तो क्षेत्रफल में वृद्धि A t - A 0 = A 0 β t के रूप में दी जाती है। β सतही विस्तार का गुणांक है जो विभिन्न ठोसों के लिए भिन्न होता है। |
| यदि V 0 0 o C पर एक ठोस का आयतन है और t o C पर इसका क्षेत्रफल V t है , तो आयतन में वृद्धि V t - V 0 = V 0 t के रूप में दी जाती है। γ घनीय विस्तार का गुणांक है जो विभिन्न सामग्रियों के लिए भिन्न होता है। |
α, β और γ के बीच संबंध: α : β : = 1 : 2 : 3 |
कुछ ठोसों के रैखिक प्रसार का गुणांक
| पदार्थ | रैखिक विस्तार का गुणांक ( x 10 -6 प्रति o C) |
| अल्युमीनियम | 24 |
| पीतल | 19 |
| ताँबा | 17 |
| लोहा | 12 |
| इन्वार | 0.9 |
दैनिक जीवन में ठोस पदार्थों का ऊष्मीय प्रसार
1. रेलवे ट्रैक: रेलवे ट्रैक की पटरियां स्टील की बनी होती हैं। लकड़ी या कंक्रीट के पौधों पर रेल की पटरियाँ बिछाते समय, रेल की क्रमिक लंबाई के बीच एक छोटा सा अंतर छोड़ दिया जाता है जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है। इसका कारण यह है कि गर्मियों में वायुमंडलीय तापमान में वृद्धि के कारण प्रत्येक रेल की लंबाई में वृद्धि होती है, इसलिए दो रेलों के बीच एक अंतर छोड़ दिया जाता है, अन्यथा रेल किनारे पर झुक जाएगी।
2. बिजली के तार और टेलीफोन के तार: बिजली पारेषण लाइन में बिजली के केबल और दो खंभों के बीच टेलीफोन के तार सर्दियों में संकुचन के कारण टूट सकते हैं और गर्मी में विस्तार के कारण खराब हो सकते हैं। इसलिए, दो खंभों के बीच तार लगाते समय इस बात का ध्यान रखा जाता है कि गर्मियों में उन्हें थोड़ा ढीला रखा जाए ताकि सर्दियों में संकुचन के कारण वे टूट न जाएं। और सर्दियों में उन्हें बिछाते समय उन्हें टाइट रखा जाता है ताकि गर्मी में विस्तार के कारण वे ज्यादा न झड़ें।
3. किचन में इस्तेमाल होने वाले ग्लासवेयर : किचन में इस्तेमाल होने वाले ग्लासवेयर आमतौर पर पाइरेक्स ग्लास से बने होते हैं। इसका कारण यह है कि पाइरेक्स ग्लास में क्यूबिकल विस्तार का बहुत कम गुणांक होता है, इसलिए गर्म करने पर कांच के बने पदार्थ का विस्तार और दरार नहीं होता है।
ठोस पदार्थों की तरह, तरल पदार्थ भी आमतौर पर गर्म करने पर फैलते हैं। गर्म करने पर तरल पदार्थ ठोस की तुलना में बहुत अधिक फैलते हैं। चूँकि द्रव का आकार निश्चित नहीं होता परन्तु आयतन निश्चित होता है, अत: द्रवों का केवल घनीय प्रसार होता है।
अपवाद: जल 0 ° C से 4°C तक गर्म करने पर सिकुड़ता है और फिर 4 ° C से अधिक गर्म करने पर यह फैलता है। इसे जल का विषम व्यवहार कहते हैं।
प्रयोग: एक जार लें, तीन चौथाई भाग पानी से भरें और जार को बंद कर दें। इसे आग पर रख दें। आप देखेंगे कि जैसे-जैसे पानी अधिक से अधिक गर्म होता है, जार में पानी का स्तर बढ़ता जाता है।
नोट: जब जार में निहित द्रव को गर्म किया जाता है, तो पहले जार गर्म हो जाता है और फिर यह फैल जाता है जिससे तरल का स्तर गिर जाता है। इसके बाद जब गर्मी तरल तक पहुंचती है तो इसका विस्तार होगा, इसलिए तरल का स्तर बढ़ जाएगा। इस प्रकार, द्रव का वास्तविक प्रसार प्रेक्षित प्रसार से अधिक होता है।
किसी द्रव के घनाकार प्रसार को प्रभावित करने वाले कारक
किसी द्रव का घनाकार प्रसार निम्नलिखित तीन कारकों पर निर्भर करता है:
यदि V 0 0 o C पर तरल का आयतन है और t o C पर तरल का आयतन V है, तो तरल के आयतन में वृद्धि इस प्रकार दी गई है
वी टी - वी ओ = वी 0 γ टी
जहाँ द्रव के घनीय प्रसार का गुणांक है ।
कुछ द्रवों के घनीय प्रसार का गुणांक
| तरल | घनीय प्रसार का गुणांक ( x 10 -4 प्रति o C) |
| बुध | 1.8 |
| पानी (15 ओसी से ऊपर) | 3.7 |
| पैराफिन तेल | 9.0 |
| शराब | 11.0 |
दैनिक जीवन में द्रवों के ऊष्मीय प्रसार का अनुप्रयोग
पारा थर्मामीटर के काम करने में तरल के थर्मल विस्तार का उपयोग किया जाता है। पारा थर्मामीटर में एक केशिका ट्यूब होती है जिसका एक सिरा बंद होता है और दूसरे सिरे पर एक बेलनाकार बल्ब होता है। बल्ब पारे से भरा होता है। पारा एक चमकदार तरल है, इसलिए इसका स्तर केशिका नली में आसानी से देखा जा सकता है। जब थर्मामीटर के बल्ब को गर्म पिंड के संपर्क में रखा जाता है, तो पारा फैलता है। केशिका नली में पारा का स्तर बढ़ जाता है। तापमान को पढ़ने के लिए ट्यूब को ग्रेजुएट किया जाता है। तापमान में प्रत्येक डिग्री सेल्सियस वृद्धि के लिए, पारा समान मात्रा में फैलता है, इसलिए थर्मामीटर का अंशांकन आसान हो जाता है।
गर्म करने पर गैसें भी फैलती हैं। तरल और ठोस की तुलना में गैसों का विस्तार बहुत अधिक होता है। द्रवों की भाँति गैसों का भी कोई निश्चित आकार नहीं होता, अतः इनका भी केवल घनीय प्रसार होता है। हालांकि, एक निश्चित मात्रा में निहित गैसों का विस्तार नहीं हो सकता है - और इसलिए तापमान में वृद्धि से दबाव में वृद्धि होती है।
प्रयोग: एक खाली बोतल लें। इसके गले में एक रबर का गुब्बारा लगाएं। प्रारंभ में, गुब्बारे को डिफ्लेट किया जाता है। बोतल को उबलते पानी वाले पानी के स्नान में रखें। कुछ समय बाद आप देखेंगे कि गुब्बारा फुलाया जाता है जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है। इससे पता चलता है कि गर्म करने पर बोतल में बंद हवा फैलती है और गुब्बारे में भर जाती है जिससे गुब्बारा फूल जाता है।
दैनिक जीवन में गैसों के ऊष्मीय प्रसार का अनुप्रयोग
गर्म हवा का गुब्बारा: गर्म हवा के गुब्बारे गैस और ठोस के बीच थर्मल विस्तार अंतर के सिद्धांत पर काम करते हैं। चूंकि गुब्बारे के बैग के अंदर की गर्म हवा कंटेनर की तुलना में तेजी से आकार में बढ़ जाती है, इसलिए यह बैग को फैलाती है और बैग के बाहर ठंडी (भारी) हवा को फैलाती है और विस्थापित करती है। बैग के अंदर और बाहर हवा के घनत्व के बीच अंतर के कारण गुब्बारा ऊपर उठता है। बैग के अंदर की हवा को ठंडा करने से गुब्बारा नीचे उतरता है।
जब किसी पदार्थ को गर्म किया जाता है, तो उसका आयतन बढ़ता है जबकि उसका द्रव्यमान समान रहता है, इसलिए, पदार्थ का घनत्व (द्रव्यमान का आयतन का अनुपात होने के कारण) तापमान में वृद्धि के साथ घटता है। ठोस पदार्थों के मामले में, घनत्व में कमी ध्यान देने योग्य नहीं है, लेकिन तरल पदार्थ और गैसों के मामले में, जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, मात्रा काफी बढ़ जाती है, और इसलिए घनत्व में कमी काफी ध्यान देने योग्य होती है।
