ऊष्मीय ऊर्जा

ऊष्मीय ऊर्जा किसी पदार्थ में परमाणुओं और अणुओं की यादृच्छिक गति से संबद्ध ऊर्जा है। यह आंतरिक ऊर्जा का एक रूप है, जो किसी तंत्र की कुल ऊर्जा होती है, जिसमें उसकी गतिज और स्थितिज ऊर्जा को छोड़ा जाता है। ऊष्मीय ऊर्जा को अक्सर ऊष्मा कहा जाता है, लेकिन ऊष्मा वास्तव में एक तंत्र से दूसरे तंत्र में ऊष्मीय ऊर्जा का हस्तांतरण होता है।

ऊष्मीय ऊर्जा के स्रोत

ऊष्मीय ऊर्जा विभिन्न स्रोतों से उत्पन्न की जा सकती है, जिनमें शामिल हैं:

• सूर्य: सूर्य पृथ्वी के लिए ऊष्मीय ऊर्जा का प्राथमिक स्रोत है। सौर ऊर्जा का उपयोग घरों और व्यवसायों को गर्म करने, बिजली उत्पन्न करने और वाहनों को चलाने के लिए किया जा सकता है।
• जीवाश्म ईंधन: जीवाश्म ईंधन, जैसे कोयला, तेल और प्राकृतिक गैस, भी ऊष्मीय ऊर्जा के प्रमुख स्रोत हैं। जीवाश्म ईंधनों को जलाकर ऊष्मा उत्पन्न की जाती है, जिसका उपयोग बिजली उत्पन्न करने, वाहनों को चलाने और घरों तथा व्यवसायों को गर्म करने के लिए किया जाता है।
• परमाणु ऊर्जा: परमाणु ऊर्जा ऊष्मीय ऊर्जा का एक अन्य स्रोत है। परमाणु विद्युत संयंत्र परमाणु विखंडन का उपयोग करके ऊष्मा उत्पन्न करते हैं, जिसका उपयोग बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।
• भूतापीय ऊर्जा: भूतापीय ऊर्जा पृथ्वी के आंतरिक भाग से आने वाली ऊष्मा है। भूतापीय ऊर्जा का उपयोग बिजली उत्पन्न करने, घरों और व्यवसायों को गर्म करने और गर्म पानी उपलब्ध कराने के लिए किया जा सकता है।
• जैव द्रव्य: जैव द्रव्य पौधों और जानवरों से प्राप्त कार्बनिक पदार्थ होता है। जैव द्रव्य को जलाकर ऊष्मा उत्पन्न की जा सकती है, जिसका उपयोग बिजली उत्पन्न करने, वाहनों को चलाने और घरों तथा व्यवसायों को गर्म करने के लिए किया जाता है।

ऊष्मीय ऊर्जा और पर्यावरण

तापीय ऊर्जा का पर्यावरण पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ सकता है। तापीय ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए जीवाश्म ईंधनों को जलाने से वायुमंडल में ग्रीनहाउस गैसें निकलती हैं, जो जलवायु परिवर्तन में योगदान देती हैं। जलवायु परिवर्तन विभिन्न प्रकार के नकारात्मक पर्यावरणीय प्रभावों का कारण बन सकता है, जैसे समुद्र स्तर में वृद्धि, अधिक चरम मौसमी घटनाएँ और पौधों तथा जीवों के जीवन में परिवर्तन।

तापीय ऊर्जा ऊर्जा का एक मौलिक रूप है जिसके कई प्रकार के उपयोग हैं। हालांकि, तापीय ऊर्जा के उपयोग से पर्यावरण पर नकारात्मक प्रभाव भी पड़ सकता है। तापीय ऊर्जा का बुद्धिमानी से उपयोग करना और जीवाश्म ईंधनों पर हमारी निर्भरता को कम करने के तरीके खोजना महत्वपूर्ण है।

तापीय ऊर्जा का सूत्र

तापीय ऊर्जा, जिसे ऊष्मा भी कहा जाता है, वह ऊर्जा है जो किसी पदार्थ में परमाणुओं और अणुओं की यादृच्छिक गति से जुड़ी होती है। इसे वस्तुओं के बीच चालन, संवहन और विकिरण के माध्यम से स्थानांतरित किया जा सकता है। किसी वस्तु में मौजूद तापीय ऊर्जा की मात्रा सीधे उसके तापमान के समानुपाती होती है।

तापीय ऊर्जा की गणना

तापीय ऊर्जा की गणना करने का सूत्र है:

$$ Q = mcΔT $$

जहाँ:

• Q तापीय ऊर्जा है जूल (J) में
• m वस्तु का द्रव्यमान किलोग्राम (kg) में है
• c वस्तु की विशिष्ट ऊष्मा धारिता जूल प्रति किलोग्राम-केल्विन (J/kg-K) में है
• ΔT तापमान में परिवर्तन केल्विन (K) में है

विशिष्ट ऊष्मा धारिता

किसी पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा धारिता यह मापने का एक तरीका है कि उस पदार्थ के एक किलोग्राम के तापमान को एक केल्विन बढ़ाने के लिए कितनी ऊष्मीय ऊर्जा की आवश्यकता होती है। किसी पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा धारिता किसी दिए गए तापमान और दबाव पर नियत होती है।

कुछ सामान्य पदार्थों की विशिष्ट ऊष्मा धारिता इस प्रकार हैं:

• पानी: 4.18 J/kg-K
• एल्युमिनियम: 0.90 J/kg-K
• लोहा: 0.45 J/kg-K
• तांबा: 0.39 J/kg-K

उदाहरण

1 किलोग्राम पानी का तापमान 20°C से 100°C बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मीय ऊर्जा की गणना करने के लिए हम निम्नलिखित सूत्र का उपयोग कर सकते हैं:

$$ Q = mcΔT $$

जहाँ:

• Q ऊष्मीय ऊर्जा है जौल (J) में
• m पानी का द्रव्यमान है किलोग्राम (kg) में
• c पानी की विशिष्ट ऊष्मा धारिता है जौल प्रति किलोग्राम-केल्विन (J/kg-K) में
• ΔT तापमान में परिवर्तन है केल्विन (K) में

मानों को सूत्र में रखने पर हमें मिलता है:

$ Q = (1 kg)(4.18 J/kg-K)(100°C - 20°C) $

$ Q = 3344 J $

इसलिए, 1 किलोग्राम पानी का तापमान 20°C से 100°C बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मीय ऊर्जा 3344 J है।

ऊष्मीय ऊर्जा के स्थानांतरण की विधियाँ

ऊष्मीय ऊर्जा तीन तरीकों से स्थानांतरित की जा सकती है: चालन, संवहन और विकिरण।

चालन

चालन ऊष्मीय ऊर्जा का स्थानांतरण है जो दो वस्तुओं के बीच होता है जो एक-दूसरे के संपर्क में हैं। जब दो वस्तुएँ विभिन्न तापमानों पर होती हैं और एक-दूसरे के संपर्क में रखी जाती हैं, तो गर्म वस्तु ऊष्मीय ऊर्जा ठंडी वस्तु में स्थानांतरित करती है जब तक कि दोनों एक समान तापमान तक नहीं पहुँच जातीं।

उदाहरण के लिए, जब आप गर्म चूल्हे को छूते हैं, तो चूल्हे से तापीय ऊर्जा आपके हाथ में संचरण के माध्यम से स्थानांतरित होती है।

संवहन

संवहन तापीय ऊर्जा का स्थानांतरण है जो किसी द्रव की गति के द्वारा होता है। जब कोई द्रव गर्म होता है, तो वह कम घना हो जाता है और ऊपर उठता है। इससे ठंडा द्रव उसकी जगह लेने के लिए आता है, जिसे फिर गर्म किया जाता है और वह भी ऊपर उठता है। यह प्रक्रिया चलती रहती है, जिससे एक संवहन धारा बनती है।

उदाहरण के लिए, पृथ्वी के वायुमंडल में संवहन धाराएँ मौसम के लिए उत्तरदायी हैं। भूमध्यरेखा से गर्म हवा ऊपर उठती है और ध्रुवों की ओर बढ़ने पर ठंडी हो जाती है। इससे ध्रुवों से ठंडी हवा नीचे गिरती है और भूमध्यरेखा की ओर बढ़ती है। हवा के ऊपर उठने और नीचे गिरने से हवा बनती है।

विकिरण

विकिरण तापीय ऊर्जा का स्थानांतरण है जो विद्युत चुंबकीय तरंगों के माध्यम से होता है। सभी वस्तुएँ विद्युत चुंबकीय तरंगें उत्सर्जित करती हैं, लेकिन जितनी अधिक गर्म कोई वस्तु होती है, उतनी अधिक विद्युत चुंबकीय तरंगें वह उत्सर्जित करती है।

उदाहरण के लिए, सूर्य विद्युत चुंबकीय तरंगें उत्सर्जित करता है जो अंतरिक्ष से होकर पृथ्वी तक पहुँचती हैं। ये तरंगें पृथ्वी की सतह द्वारा अवशोषित होती हैं, जिससे वह गर्म हो जाती है।

सारांश

तापीय ऊर्जा के स्थानांतरण की तीन विधियाँ हैं: संचरण, संवहन और विकिरण। संचरण तापीय ऊर्जा का स्थानांतरण है जो दो वस्तुओं के आपस में संपर्क में आने पर होता है। संवहन तापीय ऊर्जा का स्थानांतरण है जो किसी द्रव की गति के द्वारा होता है। विकिरण तापीय ऊर्जा का स्थानांतरण है जो विद्युत चुंबकीय तरंगों के माध्यम से होता है।

तापीय ऊर्जा भंडारण

थर्मल एनर्जी स्टोरेज (TES) एक ऐसी तकनीक है जो थर्मल ऊर्जा को भविष्य में उपयोग के लिए संग्रहित करती है। इसका उपयोग नवीकरणीय स्रोतों—जैसे सौर और पवन ऊर्जा—या औद्योगिक प्रक्रियाओं से प्राप्त ऊर्जा को संग्रहित करने के लिए किया जा सकता है। TES ऊर्जा उपयोग की दक्षता में सुधार लाने और ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करने में मदद कर सकता है।

थर्मल एनर्जी स्टोरेज के प्रकार

TES के तीन मुख्य प्रकार हैं:

• सेंसिबल हीट स्टोरेज थर्मल ऊर्जा को सेंसिबल हीट के रूप में संग्रहित करता है, जो किसी पदार्थ के तापमान से जुड़ी ऊर्जा होती है।
• लेटेंट हीट स्टोरेज थर्मल ऊर्जा को लेटेंट हीट के रूप में संग्रहित करता है, जो किसी पदार्थ के चरण बदलने—जैसे ठोस से द्रव या द्रव से गैस—पर मुक्त या अवशोषित होने वाली ऊर्जा है।
• केमिकल हीट स्टोरेज थर्मल ऊर्जा को रासायनिक अभिक्रियाओं के रूप में संग्रहित करता है।

थर्मल एनर्जी स्टोरेज के अनुप्रयोग

TES के विस्तृत अनुप्रयोग हैं, जिनमें शामिल हैं:

• बिजली उत्पादन: TES का उपयोग नवीकरणीय स्रोतों—जैसे सौर और पवन ऊर्जा—से प्राप्त ऊर्जा को तब उपयोग के लिए संग्रहित करने में किया जा सकता है जब सूरज न चमक रहा हो या हवा न चल रही हो।
• औद्योगिक प्रक्रियाएँ: TES का उपयोग औद्योगिक प्रक्रियाओं से निकलने वाले अपशिष्ट ऊष्मा को बाद में उपयोग—जैसे इमारतों को गर्म करना या बिजली उत्पन्न करना—के लिए संग्रहित करने में किया जा सकता है।
• स्पेस हीटिंग और कूलिंग: TES को स्पेस हीटिंग और कूलिंग के लिए थर्मल ऊर्जा संग्रहित करने में उपयोग किया जा सकता है, जिससे जीवाश्म ईंधन की आवश्यकता कम होती है।
• परिवहन: TES का उपयोग इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए थर्मल ऊर्जा संग्रहित करने में किया जा सकता है, जिससे उनकी सीमा बढ़ती है।

ऊष्मीय ऊर्जा भंडारण के लाभ

TES कई लाभ प्रदान करता है, जिनमें शामिल हैं:

• ऊर्जा दक्षता में सुधार: TES ऊर्जा का उपयोग तब कर सकता है जब यह प्रचुर मात्रा में हो और जब आवश्यकता हो तब इसका उपयोग करके ऊर्जा उपयोग की दक्षता में सुधार करने में मदद करता है।
• ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन में कमी: TES नवीकरणीय स्रोतों से ऊर्जा को संग्रहित करके और जीवाश्म ईंधनों की आवश्यकता को कम करके ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करने में मदद कर सकता है।
• विश्वसनीयता में वृद्धि: TES चरम मांग की अवधि के दौरान बैकअप बिजली प्रदान करके ऊर्जा प्रणालियों की विश्वसनीयता बढ़ाने में मदद कर सकता है।
• लागत में कमी: TES ऊर्जा को तब संग्रहित करके और जब यह महंगी हो तब इसका उपयोग करके ऊर्जा लागत को कम करने में मदद कर सकता है।

ऊष्मीय ऊर्जा भंडारण की चुनौतियाँ

TES को कई चुनौतियों का भी सामना करना पड़ता है, जिनमें शामिल हैं:

• उच्च लागत: TES प्रणालियों को बनाने और संचालित करने में महंगा हो सकता है।
• कम दक्षता: TES प्रणालियां अकुशल हो सकती हैं, भंडारण और पुनःप्राप्ति के दौरान महत्वपूर्ण मात्रा में ऊर्जा खो सकती हैं।
• सीमित क्षमता: TES प्रणालियों की सीमित क्षमता होती है, जो उनकी उपयोगिता को सीमित कर सकती है।
• पर्यावरणीय प्रभाव: TES प्रणालियों का नकारात्मक पर्यावरणीय प्रभाव हो सकता है, जैसे कि हानिकारक रसायनों को छोड़ना या मूल्यवान भूमि को घेरना।

TES एक आशाजनक प्रौद्योगिकी है जिसमें ऊर्जा उपयोग की दक्षता में सुधार, ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम करने और ऊर्जा प्रणालियों की विश्वसनीयता बढ़ाने की क्षमता है। हालांकि, TES को कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है जिन्हें दूर किया जाना चाहिए इससे पहले कि इसे व्यापक रूप से अपनाया जा सके।

समुद्री तापीय ऊर्जा के लाभ और हानियाँ

समुद्री तापीय ऊर्जा (OTE) एक नवीकरणीय ऊर्जा प्रौद्योगिकी है जो समुद्र की गर्म सतह के पानी और ठंडे गहरे पानी के बीच तापमान अंतर को बिजली में बदलती है। इस प्रौद्योगिकी में स्वच्छ और स्थायी ऊर्जा की महत्वपूर्ण मात्रा प्रदान करने की क्षमता है, लेकिन इसमें कुछ सीमाएँ और चुनौतियाँ भी हैं।

समुद्री तापीय ऊर्जा के लाभ

1. नवीकरणीय और स्थायी: OTE एक नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत है जो ग्रीनहाउस गैसों या अन्य प्रदूषकों का उत्सर्जन नहीं करता है। यह समुद्र की सतह और गहरे पानी के बीच प्राकृतिक तापमान अंतर पर निर्भर करता है, जो एक स्थिर और विश्वसनीय ऊर्जा स्रोत है।

2. बेसलोड पावर: OTE संयंत्र 24 घंटे दिन, 7 दिन सप्ताह संचालित हो सकते हैं, जिससे ये बेसलोड पावर के एक विश्वसनीय स्रोत बनते हैं। यह स्थिर और विश्वसनीय बिजली आपूर्ति सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है।

3. विशाल क्षमता: OTE की क्षमता अत्यधिक है। समुद्र पृथ्वी की सतह का 70% से अधिक भाग कवर करता है, और कई उष्णकटिबंधीय और उपोष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में सतह और गहरे पानी के बीच तापमान अंतर महत्वपूर्ण है। इसका अर्थ है कि OTE में विश्व स्तर पर स्वच्छ ऊर्जा की महत्वपूर्ण मात्रा प्रदान करने की क्षमता है।

4. रोज़गार सृजन: OTE परियोजनाओं के विकास से इंजीनियरिंग, निर्माण और संचालन में रोज़गार सृजित हो सकते हैं। इससे तटीय समुदायों को आर्थिक लाभ मिल सकता है और एक स्थायी अर्थव्यवस्था बनाने में मदद मिल सकती है।

समुद्री ऊष्मीय ऊर्जा के नुकसान

1. उच्च लागत: OTE प्रौद्योगिकी अभी भी विकास के प्रारंभिक चरण में है, और OTE संयंत्रों के निर्माण और संचालन की लागत अपेक्षाकृत अधिक है। इससे OTE का अन्य नवीकरणीय ऊर्जा प्रौद्योगिकियों—जैसे सौर और पवन ऊर्जा—से प्रतिस्पर्धा करना कठिन हो जाता है।

2. कम दक्षता: OTE संयंत्रों की दक्षता अपेक्षाकृत कम होती है, जिसका अर्थ है कि थोड़ी सी बिजली पैदा करने के लिए उन्हें बड़ी मात्रा में समुद्री पानी की आवश्यकता होती है। यह कुछ स्थानों पर OTE संयंत्रों को अव्यावहारिक बना सकता है।

3. पर्यावरणीय प्रभाव: OTE संयंत्र समुद्री वातावरण पर नकारात्मक प्रभाव डाल सकते हैं। OTE संयंत्रों द्वारा उपयोग किए जाने वाले विशाल आयतन में समुद्री पानी समुद्री पारिस्थितिक तंत्र को बाधित कर सकता है और समुद्री जीवन को प्रभावित कर सकता है। इसके अतिरिक्त, OTE संयंत्रों के निर्माण और संचालन से ध्वनि प्रदूषण और दृश्य प्रभाव हो सकते हैं।

4. प्रौद्योगिकीय चुनौतियाँ: OTE प्रौद्योगिकी अभी भी कई प्रौद्योगिकीय चुनौतियों का सामना कर रही है, जैसे कि कुशल हीट एक्सचेंजरों का विकास और संयंत्र के घटकों पर जैविक फाउलिंग की रोकथाम। इन चुनौतियों को दूर किए बिना OTE एक व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य प्रौद्योगिकी नहीं बन सकती।

सागरीय तापीय ऊर्जा में महत्वपूर्ण मात्रा में स्वच्छ और सतत ऊर्जा प्रदान करने की क्षमता है, लेकिन इसकी कुछ सीमाएँ और चुनौतियाँ भी हैं। उच्च लागत, कम दक्षता, पर्यावरणीय प्रभाव और तकनीकी चुनौतियों को दूर किए जाने की आवश्यकता है तभी OTE एक व्यापक रूप से अपनाई जाने वाली तकनीक बन सकती है। हालाँकि, निरंतर अनुसंधान और विकास के साथ, OTE में विश्व की ऊर्जा आवश्यकताओं में महत्वपूर्ण योगदान देने की क्षमता है।

तापीय ऊर्जा के उपयोग

तापीय ऊर्जा वह ऊर्जा है जो परमाणुओं और अणुओं की गति से जुड़ी होती है। यह एक ऐसी ऊर्जा का रूप है जिसे एक वस्तु से दूसरी वस्तु में चालन, संवहन और विकिरण के माध्यम से स्थानांतरित किया जा सकता है। तापीय ऊर्जा का हमारे दैनिक जीवन में विस्तृत उपयोग है, जिनमें शामिल हैं:

हीटिंग और कूलिंग

• तापीय ऊर्जा का उपयोग घरों, कार्यालयों और अन्य इमारतों को गर्म करने के लिए किया जाता है। यह केंद्रीय हीटिंग, स्पेस हीटर और चिमनी जैसी विभिन्न विधियों से किया जा सकता है।
• तापीय ऊर्जा का उपयोग इमारतों को ठंडा करने के लिए भी किया जाता है। यह एयर कंडीशनर, पंखे और वाष्पशील कूलर के माध्यम से किया जा सकता है।

बिजली उत्पादन

• तापीय ऊर्जा का उपयोग बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। इसके लिए कोयला, प्राकृतिक गैस और तेल जैसे जीवाश्म ईंधनों को जलाकर पानी को गर्म कर भाप बनाई जाती है। फिर यह भाप एक टरबाइन को चलाती है, जो बिजली उत्पन्न करता है।
• तापीय ऊर्जा का उपयोग नवीकरणीय स्रोतों, जैसे सौर और भू-तापीय ऊर्जा से भी बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।

औद्योगिक प्रक्रियाएँ

• ऊष्मा ऊर्जा विभिन्न औद्योगिक प्रक्रियाओं में प्रयोग की जाती है, जैसे:
  • विनिर्माण: धातुओं, प्लास्टिक और अन्य पदार्थों को आकार देने तथा बनाने के लिए उन्हें गरम करने हेतु ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग होता है।
  • खाद्य प्रसंस्करण: खाना पकाने, बेक करने और पाश्चुरीकरण के लिए ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग होता है।
  • रासायनिक उत्पादन: रसायनों को गरम कर नए उत्पाद बनाने हेतु ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग होता है।

परिवहन

• ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग आंतरिक दहन इंजनों को चलाने में होता है, जो कारों, ट्रकों और अन्य वाहनों में प्रयोग होते हैं।
• ऊष्मा ऊर्जा जेट इंजनों को भी शक्ति देती है, जो विमानों में प्रयोग होते हैं।

अन्य उपयोग

• ऊष्मा ऊर्जा विभिन्न अन्य अनुप्रयोगों में प्रयोग होती है, जैसे:
  • चिकित्सा: चिकित्सा उपचारों—हीट थेरेपी और क्रायोथेरेपी—में ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग होता है।
  • खेल: स्विमिंग पूल और स्पा को गरम करने के लिए ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग होता है।
  • कृषि: ग्रीनहाउस गरम करने और फसलों को ठंढ से बचाने के लिए ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग होता है।

ऊष्मा ऊर्जा एक बहुउपयोगी और महत्वपूर्ण ऊर्जा-रूप है जिसका हमारे दैनिक जीवन में विस्तृत उपयोग है। जैसे-जैसे हम ऊष्मा ऊर्जा के उपयोग की नई और अधिक कुशल विधियाँ विकसित करते हैं, हम जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता घटाकर अधिक टिकाऊ भविष्य बना सकेंगे।

ऊष्मा ऊर्जा पर हल किए गए उदाहरण

उदाहरण 1: ऊष्मा हस्तांतरण दर की गणना

एक धातु की छड़ जिसकी लंबाई 10 सेमी और अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल 1 सेमी² है, को दो भंडारों के बीच रखा गया है जिनका तापमान अलग-अलग है। गर्म भंडार का तापमान 100°C है और ठंडे भंडार का तापमान 0°C है। धातु की छड़ की ऊष्मा चालकता 100 W/m·K है। छड़ के माध्यम से ऊष्मा हस्तांतरण दर की गणना कीजिए।

हल:

छड़ के माध्यम से ऊष्मा हस्तांतरण दर को फूरियर के ऊष्मा चालन नियम का उपयोग करके गणना की जा सकती है:

$$ Q = k * A * (dT/dx) $$

जहाँ:

• Q वॉट्स (W) में ऊष्मा हस्तांतरण दर है
• k सामग्री की ऊष्मा चालकता है जो वॉट प्रति मीटर-केल्विन (W/m·K) में होती है
• A छड़ का अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल है जो वर्ग मीटर (m²) में है
• dT/dx तापमान प्रवणता है जो केल्विन प्रति मीटर (K/m) में है

इस स्थिति में, हमारे पास है:

• k = 100 W/m·K
• A = 1 सेमी² = 1 × 10^-4 m²
• dT/dx = (100°C - 0°C) / (10 सेमी) = 10 K/m

इन मानों को समीकरण में रखने पर, हमें मिलता है:

Q = 100 W/m·K * 1 × 10^-4 m² * 10 K/m = 0.1 W

इसलिए, छड़ के माध्यम से ऊष्मा हस्तांतरण दर 0.1 W है।

उदाहरण 2: आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की गणना

एक गैस को 25°C से 100°C तक 1 atm के स्थिर दबाव पर गरम किया जाता है। गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की गणना कीजिए।

हल:

गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन को सूत्र का उपयोग करके गणना किया जा सकता है:

$$ ΔU = nCvΔT $$

जहाँ:

• ΔU आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन है जौल (J) में
• n गैस के मोलों की संख्या है
• Cv नियत आयतन पर मोलर विशिष्ट ऊष्मा है जौल प्रति मोल-केल्विन (J/mol·K) में
• ΔT तापमान में परिवर्तन है केल्विन (K) में

इस स्थिति में, हमारे पास है:

• n = 1 मोल (1 मोल गैस मानते हुए)
• Cv = 20.8 J/mol·K (एकल-परमाणु गैस के लिए)
• ΔT = 100°C - 25°C = 75 K

इन मानों को समीकरण में रखने पर, हम पाते हैं:

$ ΔU = 1 मोल * 20.8 J/mol·K * 75 K = 1560 J $

इसलिए, गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन 1560 J है।

उदाहरण 3: गैस द्वारा किया गया कार्य परिकलित करना

एक गैस 10 लीटर आयतन से 20 लीटर आयतन तक 1 atm नियत दाब पर फैलती है। गैस द्वारा किया गया कार्य परिकलित करें।

हल:

गैस द्वारा किया गया कार्य सूत्र से परिकलित किया जा सकता है:

$$ W = -PΔV $$

जहाँ:

• W कार्य है जौल (J) में
• P दाब है पास्कल (Pa) में
• ΔV आयतन में परिवर्तन है घन मीटर (m³) में

इस स्थिति में, हमारे पास है:

• P = 1 atm = 101325 Pa
• ΔV = 20 लीटर - 10 लीटर = 10 लीटर = 0.01 m³

इन मानों को समीकरण में रखने पर, हम पाते हैं:

W = -101325 Pa * 0.01 m³ = -1013.25 J

इसलिए, गैस द्वारा किया गया कार्य -1013.25 J है। ऋणात्मक चिह्न दर्शाता है कि गैस परितंत्र पर कार्य कर रही है।

ऊष्मीय ऊर्जा अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

ऊष्मीय ऊर्जा क्या है?

ऊष्मीय ऊर्जा वह ऊर्जा है जो किसी पदार्थ में परमाणुओं और अणुओं की गति से जुड़ी होती है। इसे ऊष्मा या गर्मी भी कहा जाता है। ऊष्मीय ऊर्जा एक वस्तु से दूसरी वस्तु में संचरण, संवहन या विकिरण के माध्यम से स्थानांतरित की जा सकती है।

ऊष्मीय ऊर्जा के विभिन्न प्रकार क्या हैं?

ऊष्मीय ऊर्जा के मुख्यतः तीन प्रकार होते हैं:

• स्पर्श ऊष्मा वह ऊर्जा है जो किसी पदार्थ के तापमान में वृद्धि से जुड़ी होती है।
• गुप्त ऊष्मा वह ऊर्जा है जो किसी पदार्थ की अवस्था में परिवर्तन, जैसे ठोस से द्रव या द्रव से गैस, से जुड़ी होती है।
• विशिष्ट ऊष्मा वह ऊष्मा की मात्रा है जो किसी पदार्थ की इकाई द्रव्यमान का तापमान एक डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए आवश्यक होती है।

ऊष्मीय ऊर्जा का स्थानांतरण कैसे होता है?

ऊष्मीय ऊर्जा एक वस्तु से दूसरी वस्तु में संचरण, संवहन या विकिरण के माध्यम से स्थानांतरित की जा सकती है।

• संचरण ऊष्मा का स्थानांतरण दो वस्तुओं के बीच सीधे संपर्क के माध्यम से होता है। उदाहरण के लिए, जब आप गर्म चूल्हे को छूते हैं, तो चूल्हे से ऊष्मा आपके हाथ में संचरण के माध्यम से स्थानांतरित होती है।
• संवहन ऊष्मा का स्थानांतरण किसी द्रव की गति के माध्यम से होता है। उदाहरण के लिए, जब आप पानी उबालते हैं, तो बर्तन के तले से ऊष्मा पानी में संवहन के माध्यम से स्थानांतरित होती है।
• विकिरण ऊष्मा का स्थानांतरण विद्युतचुंबकीय तरंगों के माध्यम से होता है। उदाहरण के लिए, सूरज से ऊष्मा पृथ्वी तक विकिरण के माध्यम से स्थानांतरित होती है।

ऊष्मीय ऊर्जा के कुछ अनुप्रयोग क्या हैं?

ऊष्मीय ऊर्जा के कई अनुप्रयोग होते हैं, जिनमें शामिल हैं:

• इमारतों को गर्म और ठंडा करना
• बिजली उत्पन्न करना
• भोजन पकाना
• औद्योगिक प्रक्रियाएँ
• परिवहन

ऊष्मीय ऊर्जा से जुड़ी कुछ चुनौतियाँ क्या हैं?

ऊष्मीय ऊर्जा से जुड़ी कुछ चुनौतियाँ हैं, जिनमें शामिल हैं:

• ऊष्मीय प्रदूषण वातावरण में अपशिष्ट ऊष्मा का विसर्जन है, जिसके पारिस्थितिक तंत्र पर नकारात्मक प्रभाव पड़ सकते हैं।
• ऊर्जा दक्षता ऊष्मीय ऊर्जा का कुशल उपयोग है, जो ऊर्जा खपत और लागत को कम करने में मदद कर सकता है।
• नवीकरणीय ऊर्जा ऊष्मीय ऊर्जा के नवीकरणीय स्रोतों—जैसे सौर और भू-तापीय ऊर्जा—का उपयोग है, जो जीवाश्म ईंधनों पर हमारी निर्भरता को घटाने में मदद कर सकता है।

निष्कर्ष

ऊष्मीय ऊर्जा हमारे जीवन का एक मूलभूत हिस्सा है। इसका उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिनमें हमारे घरों को गर्म और ठंडा करना से लेकर बिजली उत्पन्न करना शामिल है। हालाँकि, ऊष्मीय ऊर्जा से जुड़ी कुछ चुनौतियाँ भी हैं, जैसे ऊष्मीय प्रदूषण और ऊर्जा दक्षता। इन चुनौतियों को समझकर हम उनके प्रभावों को कम करने और ऊष्मीय ऊर्जा का अधिक दक्ष उपयोग करने की दिशा में काम कर सकते हैं।