مادہ، وہ مادہ جس سے تمام طبعی اشیاء بنتی ہیں، تھرمل خصوصیات کی ایک رینج دکھاتا ہے جو ہمارے ارد گرد کی دنیا کو سمجھنے کے لیے بہت ضروری ہیں۔ یہ خصوصیات — جیسے درجہ حرارت، حرارت، اور حرارتی توسیع — توانائی کی منتقلی کے اصولوں اور طبیعیات کے قوانین کے تحت چلتی ہیں۔
درجہ حرارت کسی مادہ میں موجود ذرات کی اوسط حرکی توانائی کا ایک پیمانہ ہے، جسے اکثر ڈگری سیلسیس (°C)، فارن ہائیٹ (°F)، یا Kelvin (K) میں ماپا جاتا ہے۔ دوسری طرف حرارت، درجہ حرارت کے فرق کی وجہ سے دو اشیاء یا نظاموں کے درمیان توانائی کی منتقلی کی ایک شکل ہے۔ انٹرنیشنل سسٹم آف یونٹس (SI) میں حرارت کی اکائی جول (J) ہے۔ حرارت ( \(Q\) )، ماس ( \(m\) )، مخصوص حرارت کی گنجائش ( \(c\) )، اور درجہ حرارت کی تبدیلی ( \(\Delta T\) ) کے درمیان تعلق کو مساوات کے ذریعے بیان کیا گیا ہے: \(Q = mc\Delta T\) مخصوص حرارت کی گنجائش کسی مادے کے ایک کلو گرام کے درجہ حرارت کو ایک ڈگری سیلسیس سے تبدیل کرنے کے لیے درکار حرارت کی توانائی کی مقدار کا پیمانہ ہے۔
جب مواد کو گرم کیا جاتا ہے، تو وہ عام طور پر پھیلتے ہیں۔ اس رجحان کو تھرمل توسیع کے نام سے جانا جاتا ہے اور اسے ٹھوس، مائعات اور گیسوں میں دیکھا جا سکتا ہے۔ حرارتی توسیع ہوتی ہے کیونکہ درجہ حرارت میں اضافے کے نتیجے میں ذرات کی حرکی توانائی میں اضافہ ہوتا ہے، جس کی وجہ سے وہ الگ ہوجاتے ہیں۔ تھرمل توسیع کی حد کو لکیری توسیع کے گتانک ( \(\alpha\) ) سے بیان کیا جا سکتا ہے، ٹھوس کے لیے، جو لمبائی میں تبدیلی کو ظاہر کرتا ہے ( \(\Delta L\) ) فی یونٹ لمبائی ( \(L\) ) فی ڈگری درجہ حرارت میں تبدیلی ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) مائعات اور گیسوں کے لیے، حجم کی توسیع لکیری توسیع سے زیادہ متعلقہ ہے، اور اس کی وضاحت گتانک سے ہوتی ہے۔ حجمی توسیع کا۔
فیز تبدیلیاں مادہ کے ٹھوس، مائع اور گیس کے مراحل کے درمیان تبدیلیاں ہیں اور ان میں درجہ حرارت کو تبدیل کیے بغیر توانائی کا جذب یا رہائی شامل ہے۔ مرحلے کی تبدیلیوں کی اہم اقسام میں پگھلنا، جمنا، بخارات، گاڑھا ہونا، سربلندی، اور جمع کرنا شامل ہیں۔ مرحلے کی تبدیلی سے وابستہ حرارت کو اویکت حرارت کے نام سے جانا جاتا ہے۔ مثال کے طور پر، درجہ حرارت کو تبدیل کیے بغیر 1 کلو گرام برف کو پانی میں تبدیل کرنے کے لیے درکار توانائی کو فیوژن کی اویکت حرارت ( \(L f\) ) کہا جاتا ہے، جب کہ درجہ حرارت کی تبدیلی کے بغیر 1 کلو پانی کو بھاپ میں تبدیل کرنے کے لیے درکار توانائی کہلاتی ہے۔ بخارات کی اویکت حرارت ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) پگھلنے یا جمنے کے لیے، \(Q = mL_v\) بخارات یا گاڑھا ہونے کے لیے۔
حرارتی توانائی مادے کے ذریعے ترسیل، نقل و حرکت اور تابکاری کے ذریعے منتقل کی جا سکتی ہے۔ ترسیل ان مادوں کے درمیان حرارت کی منتقلی ہے جو ایک دوسرے کے ساتھ براہ راست رابطے میں ہیں۔ کسی مواد کی تھرمل چالکتا ( \(k\) ) اس کی حرارت کو چلانے کی صلاحیت کا ایک پیمانہ ہے۔ تھرمل ترسیل کا فوئیر کا قانون حرارت کی منتقلی کی شرح ( \(Q/t\) )، تھرمل چالکتا ( \(k\) )، رقبہ ( \(A\) )، درجہ حرارت کا میلان ( \(\Delta T/L\) تعلق کو ظاہر کرتا ہے۔ \(\Delta T/L\) )، اور مواد کی موٹائی ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) کنویکشن سیالوں (مائع یا گیسوں) کی حرکت سے حرارت کی منتقلی ہے۔ درجہ حرارت کے فرق کی وجہ سے۔ اس میں سیال کی بڑی تعداد میں حرکت شامل ہے۔ تابکاری برقی مقناطیسی لہروں کے ذریعے توانائی کی منتقلی ہے اور اسے پھیلانے کے لیے کسی میڈیم کی ضرورت نہیں ہے۔ تمام اشیاء تھرمل تابکاری خارج کرتی ہیں، اور خارج ہونے والی تابکاری کی مقدار آبجیکٹ کے درجہ حرارت کی چوتھی طاقت کے ساتھ بڑھ جاتی ہے، جیسا کہ اسٹیفن بولٹزمین قانون نے بیان کیا ہے: \(P = \sigma AT^4\) جہاں \(P\) خارج ہونے والی طاقت ہے، \(\sigma\) Stefan-Boltzmann constant ہے، \(A\) سطح کا رقبہ ہے، اور \(T\) Kelvin میں درجہ حرارت ہے۔
پانی کی مخصوص حرارت کی صلاحیت اور 4°C کے قریب اس کے رویے سے متعلق کچھ منفرد خصوصیات ہیں۔ پانی کی مخصوص حرارت کی صلاحیت نمایاں طور پر زیادہ ہے، جس کا مطلب ہے کہ اسے اپنا درجہ حرارت بڑھانے کے لیے بہت زیادہ حرارت کی توانائی درکار ہوتی ہے، جو ماحولیاتی نظام میں تھرمل بفر کے طور پر اس کے کردار میں حصہ ڈالتی ہے۔ مزید برآں، پانی اپنی زیادہ سے زیادہ کثافت 4°C پر پہنچ جاتا ہے۔ جیسے جیسے یہ اس درجہ حرارت سے نیچے ٹھنڈا ہوتا ہے، یہ پھیلتا ہے۔ یہ غیر معمولی توسیع سرد موسم میں آبی حیات کی بقا کے لیے بہت اہم ہے، کیونکہ آبی ذخائر کی سطح پر برف بنتی ہے، نیچے پانی کو موصل بناتی ہے۔
مادے کی تھرمل خصوصیات روزمرہ کی زندگی اور صنعت میں وسیع پیمانے پر استعمال ہوتی ہیں۔ مثال کے طور پر، درجہ حرارت کی تبدیلیوں کے ساتھ توسیع اور سکڑاؤ کی اجازت دینے کے لیے پلوں اور ریلوے کے ڈیزائن میں تھرمل توسیع پر غور کیا جاتا ہے۔ پانی کی اعلی مخصوص حرارت کی صلاحیت اسے صنعتی عمل اور پاور پلانٹس میں ایک بہترین کولنٹ بناتی ہے۔
پانی کی مخصوص حرارت کی صلاحیت کو ظاہر کرنے کے لیے ایک تجربے میں، ایک ہیٹر استعمال کیا جاتا ہے تاکہ معلوم مقدار میں توانائی کو پانی کی مقدار میں منتقل کیا جا سکے۔ درجہ حرارت کی تبدیلی کو دیکھ کر، طلباء فارمولہ \(Q = mc\Delta T\) استعمال کرتے ہوئے پانی کی مخصوص حرارت کی گنجائش کا حساب لگا سکتے ہیں۔
ایک اور عام مظاہرے میں پانی کے ساتھ فلاسک پر غبارہ رکھنا شامل ہے۔ جیسے ہی پانی گرم ہوتا ہے اور بھاپ میں بدل جاتا ہے، ہوا کو دھکیلنے والے پانی کے بخارات کی وجہ سے غبارہ پھول جاتا ہے۔ یہ پانی کی توسیع کو ظاہر کرتا ہے جب یہ گیس میں بدل جاتا ہے، مادے کے تھرمل پھیلاؤ کا ایک واضح اثر۔
مادے کی حرارتی خصوصیات کو سمجھنا نہ صرف بنیادی طبیعیات پر ہماری گرفت کو بڑھاتا ہے بلکہ مختلف قسم کے عملی چیلنجوں کے حل کے لیے انجینئرنگ کی ہماری صلاحیت کو بھی تقویت دیتا ہے۔
