ऊष्मा — Heat
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अध्याय 22 — भौतिक विज्ञान

ऊष्मा

RAS मुख्य परीक्षा — सामान्य विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी | Heat

यह अध्याय RAS Prelims + Mains के लिए परीक्षा-केंद्रित रखा गया है। इसमें ऊष्मा और तापमान, तापमान पैमाने, ऊष्मा संचरण, विशिष्ट ऊष्मा, गुप्त ऊष्मा, प्रसार, अवस्था परिवर्तन, गैसों के नियम, ऊष्मागतिकी तथा दैनिक जीवन के अनुप्रयोग शामिल हैं।

1 ऊष्मा क्या है? by RAS A2Z

ऊष्मा (Heat) वह ऊर्जा है जो तापमान के अंतर के कारण एक वस्तु से दूसरी वस्तु में स्थानांतरित होती है।

ऊष्मा का प्रवाह सामान्यतः:

उच्च तापमान → निम्न तापमान

की ओर होता है।

ऊष्मा का SI मात्रक:

Joule (J)

अन्य प्रचलित मात्रक:

1 cal ≈ 4.186 J

2 तापमान क्या है? by RAS A2Z

तापमान (Temperature) किसी वस्तु की ऊष्मीय अवस्था का माप है तथा यह बताता है कि वस्तु कितनी गर्म या ठंडी है।

तापमान किसी पदार्थ के कणों की औसत गतिज ऊर्जा से संबंधित है।

📌 महत्वपूर्ण अंतर

ऊष्मा = ऊर्जा का स्थानांतरण

तापमान = ऊष्मीय अवस्था का माप

इसलिए अधिक तापमान वाली वस्तु में हमेशा अधिक ऊष्मा हो, यह आवश्यक नहीं है; ऊष्मा की मात्रा पदार्थ के द्रव्यमान और विशिष्ट ऊष्मा पर भी निर्भर करती है।

3 तापमान के पैमाने by RAS A2Z

तीन प्रमुख तापमान पैमाने:

सेल्सियस (°C)

जल का:

सामान्य वायुदाब पर।

फारेनहाइट (°F)

केल्विन (K)

व्यावहारिक गणनाओं में अक्सर:

0°C ≈ 273 K

लिया जाता है।

4 तापमान रूपांतरण by RAS A2Z

C/5 = (F − 32)/9

और

K = C + 273.15

अतः:

25°C = 298.15 K

5 ऊष्मीय संतुलन by RAS A2Z

जब दो वस्तुओं के बीच तापमान का अंतर समाप्त हो जाता है और उनके बीच शुद्ध ऊष्मा प्रवाह नहीं रहता, तो वे ऊष्मीय संतुलन (Thermal Equilibrium) में होती हैं।

यह अवधारणा ऊष्मागतिकी के शून्यवें नियम का आधार है।

6 ऊष्मा का संचरण by RAS A2Z

ऊष्मा तीन प्रमुख तरीकों से स्थानांतरित होती है:

  1. चालन (Conduction)
  2. संवहन (Convection)
  3. विकिरण (Radiation)

7 चालन (Conduction) by RAS A2Z

पदार्थ के कणों के वास्तविक स्थानांतरण के बिना ऊष्मा का एक भाग से दूसरे भाग तक जाना चालन कहलाता है।

यह मुख्यतः ठोस पदार्थों में महत्वपूर्ण है।

उदाहरण

लोहे की छड़ के एक सिरे को गर्म करने पर दूसरा सिरा भी गर्म हो जाता है।

अच्छे ऊष्मा चालक

खराब चालक/ऊष्मारोधी

8 संवहन (Convection) by RAS A2Z

द्रव या गैस के कणों के वास्तविक स्थानांतरण द्वारा ऊष्मा के संचरण को संवहन कहते हैं।

उदाहरण

पानी गर्म करने पर गर्म पानी ऊपर और ठंडा पानी नीचे आता है, जिससे संवहन धाराएँ बनती हैं।

दैनिक जीवन

9 समुद्री समीर (Sea Breeze) by RAS A2Z

दिन के समय भूमि पानी की तुलना में जल्दी गर्म होती है।

इसे समुद्री समीर कहते हैं।

10 स्थलीय समीर (Land Breeze) by RAS A2Z

रात में भूमि पानी की तुलना में जल्दी ठंडी होती है।

इसे स्थलीय समीर कहते हैं।

11 विकिरण (Radiation) by RAS A2Z

ऊष्मा का विद्युतचुंबकीय तरंगों के रूप में स्थानांतरण विकिरण कहलाता है। इसके लिए किसी भौतिक माध्यम की आवश्यकता नहीं होती।

📌 सबसे महत्वपूर्ण उदाहरण

सूर्य से पृथ्वी तक ऊष्मा का पहुँचना।

सूर्य और पृथ्वी के बीच लगभग निर्वात होने के बावजूद ऊष्मा विकिरण द्वारा पहुँचती है।

12 चालन, संवहन और विकिरण में अंतर by RAS A2Z

चालन संवहन विकिरण
मुख्यतः ठोसों मेंद्रव/गैस मेंनिर्वात में भी
कणों का स्थानांतरण नहींकणों का वास्तविक स्थानांतरणविद्युतचुंबकीय तरंग
धातुएँ अच्छे चालकद्रव/गैस में प्रमुखसूर्य की ऊष्मा

13 ऊष्मीय प्रसार (Thermal Expansion) by RAS A2Z

तापमान बढ़ाने पर अधिकांश पदार्थों के आयाम बढ़ते हैं। इसे ऊष्मीय प्रसार कहते हैं।

इसके तीन प्रकार:

  1. रैखिक प्रसार
  2. क्षेत्रीय प्रसार
  3. आयतन प्रसार

14 रैखिक प्रसार by RAS A2Z

लंबाई में होने वाले परिवर्तन को रैखिक प्रसार कहते हैं।

ΔL = α L₀ ΔT

जहाँ:

दैनिक जीवन

रेल की पटरियों में छोटे अंतराल छोड़े जाते हैं ताकि गर्मी में प्रसार के कारण पटरियाँ मुड़ें नहीं।

15 पुलों में विस्तार जोड़ by RAS A2Z

लंबे पुलों और धातु संरचनाओं में Expansion Joints दिए जाते हैं।

कारण:

तापमान परिवर्तन → धातु का प्रसार/संकुचन → संरचना में तनाव।

विस्तार जोड़ इस तनाव को कम करने में सहायता करते हैं।

16 द्विधातु पट्टी (Bimetallic Strip) by RAS A2Z

दो अलग-अलग धातुओं की पट्टियों को जोड़कर बनी पट्टी को द्विधातु पट्टी कहते हैं।

दोनों धातुओं के प्रसार गुणांक अलग होने के कारण गर्म करने पर पट्टी मुड़ती है।

उपयोग

17 जल का असामान्य प्रसार by RAS A2Z

जल का व्यवहार अधिकांश पदार्थों से अलग है।

0°C से 4°C तक गर्म करने पर जल का आयतन घटता है और घनत्व बढ़ता है।

लगभग 4°C पर जल का घनत्व अधिकतम होता है।

4°C से ऊपर तापमान बढ़ाने पर जल सामान्य पदार्थों की तरह फैलता है।

महत्व

ठंडी जलवायु में झीलों की ऊपरी सतह जम सकती है, लेकिन नीचे का पानी लगभग 4°C पर रह सकता है। इससे जलीय जीवन को संरक्षण मिलता है।

18 विशिष्ट ऊष्मा धारिता by RAS A2Z

किसी पदार्थ के इकाई द्रव्यमान का तापमान 1°C या 1K बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा को विशिष्ट ऊष्मा धारिता कहते हैं।

Q = m c ΔT

जहाँ:

SI मात्रक:

J kg⁻¹ K⁻¹

19 जल की विशिष्ट ऊष्मा by RAS A2Z

जल की विशिष्ट ऊष्मा धारिता अपेक्षाकृत अधिक होती है।

इस कारण जल:

दैनिक महत्व

समुद्र और बड़े जल निकाय तटीय क्षेत्रों के तापमान को नियंत्रित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

20 गुप्त ऊष्मा (Latent Heat) by RAS A2Z

अवस्था परिवर्तन के समय पदार्थ द्वारा अवशोषित या मुक्त की गई ऊष्मा को गुप्त ऊष्मा कहते हैं।

Q = m L

जहाँ:

21 गलन की गुप्त ऊष्मा by RAS A2Z

ठोस को उसके गलनांक पर द्रव में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा को गलन की गुप्त ऊष्मा कहते हैं।

बर्फ पिघलते समय तापमान लगभग 0°C पर स्थिर रह सकता है, जबकि ऊष्मा का उपयोग अवस्था परिवर्तन में होता है।

22 वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा by RAS A2Z

द्रव को उसके क्वथनांक पर गैस में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा को वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा कहते हैं।

उदाहरण

पानी के भाप में बदलने में काफी ऊष्मा अवशोषित होती है।

इसी कारण भाप जलने पर समान तापमान के गर्म पानी की तुलना में अधिक गंभीर जलन कर सकती है।

23 वाष्पीकरण (Evaporation) by RAS A2Z

किसी द्रव का उसकी सतह से किसी भी तापमान पर धीरे-धीरे गैस में बदलना वाष्पीकरण कहलाता है।

यह:

उदाहरण

पसीना वाष्पित होकर शरीर को ठंडा करता है।

24 वाष्पीकरण को प्रभावित करने वाले कारक by RAS A2Z

वाष्पीकरण की दर बढ़ती है जब:

उदाहरण

गीले कपड़े तेज हवा में जल्दी सूखते हैं।

25 क्वथन (Boiling) by RAS A2Z

किसी द्रव का उसके पूरे आयतन में बनने वाले वाष्प बुलबुलों के साथ गैस में तेजी से बदलना क्वथन कहलाता है।

सामान्य वायुदाब पर पानी का क्वथनांक:

100°C

लेकिन क्वथनांक दाब के साथ बदलता है।

26 ऊँचाई पर पानी जल्दी क्यों उबलता है? by RAS A2Z

ऊँचाई बढ़ने पर वायुमंडलीय दाब घटता है।

कम दाब पर पानी का क्वथनांक घट जाता है।

इसलिए ऊँचाई वाले क्षेत्रों में पानी 100°C से कम तापमान पर भी उबल सकता है।

27 प्रेशर कुकर by RAS A2Z

प्रेशर कुकर में दाब बढ़ने से पानी का क्वथनांक बढ़ जाता है।

इसलिए भोजन सामान्य 100°C से अधिक तापमान पर पक सकता है और अपेक्षाकृत जल्दी पकता है।

28 ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम by RAS A2Z

ऊर्जा संरक्षण के सिद्धांत का ऊष्मीय प्रक्रियाओं पर अनुप्रयोग ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम है।

सामान्य रूप:

ΔQ = ΔU + W

जहाँ:

अर्थात दी गई ऊष्मा आंतरिक ऊर्जा बढ़ाने और कार्य करने में खर्च हो सकती है।

29 ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम by RAS A2Z

ऊष्मा स्वतः ठंडे पिंड से गर्म पिंड की ओर नहीं जाती।

स्वतः ऊष्मा प्रवाह सामान्यतः:

Hot → Cold

होता है।

रेफ्रिजरेटर में बाहरी कार्य की सहायता से ऊष्मा को ठंडे भाग से अपेक्षाकृत गर्म वातावरण की ओर स्थानांतरित किया जाता है।

30 ऊष्मा के दैनिक जीवन में अनुप्रयोग by RAS A2Z

SF RAS Prelims — Super Facts by RAS A2Z

📌 Quick Facts
  1. ऊष्मा ऊर्जा का स्थानांतरण है।
  2. ऊष्मा का SI मात्रक जूल है।
  3. तापमान का SI मात्रक केल्विन है।
  4. 0°C = 273.15 K।
  5. ऊष्मा उच्च तापमान से निम्न तापमान की ओर प्रवाहित होती है।
  6. चालन मुख्यतः ठोसों में महत्वपूर्ण है।
  7. संवहन द्रव और गैसों में होता है।
  8. विकिरण के लिए माध्यम आवश्यक नहीं है।
  9. सूर्य से पृथ्वी तक ऊष्मा विकिरण द्वारा पहुँचती है।
  10. Q = mcΔT।
  11. Q = mL अवस्था परिवर्तन में उपयोगी है।
  12. जल की विशिष्ट ऊष्मा अपेक्षाकृत अधिक है।
  13. 4°C पर जल का घनत्व अधिकतम होता है।
  14. रेल की पटरियों में विस्तार के लिए अंतराल छोड़े जाते हैं।
  15. द्विधातु पट्टी थर्मोस्टेट में उपयोगी है।
  16. वाष्पीकरण शीतलन उत्पन्न करता है।
  17. पसीने के वाष्पीकरण से शरीर ठंडा होता है।
  18. ऊँचाई बढ़ने पर पानी का क्वथनांक घटता है।
  19. प्रेशर कुकर में दाब बढ़ने से क्वथनांक बढ़ता है।
  20. ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम ऊर्जा संरक्षण पर आधारित है।
  21. रेफ्रिजरेटर में बाहरी कार्य की सहायता से ऊष्मा का स्थानांतरण किया जाता है।

MQ RAS Mains — 5 अंक के संभावित प्रश्न by RAS A2Z

  1. ऊष्मा एवं तापमान में अंतर स्पष्ट कीजिए।
  2. विभिन्न तापमान पैमानों को समझाइए।
  3. चालन, संवहन एवं विकिरण में अंतर स्पष्ट कीजिए।
  4. ऊष्मीय प्रसार क्या है? दैनिक जीवन में इसके अनुप्रयोग बताइए।
  5. रेल की पटरियों और पुलों में विस्तार जोड़ क्यों दिए जाते हैं?
  6. जल के असामान्य प्रसार को समझाइए।
  7. विशिष्ट ऊष्मा धारिता की अवधारणा एवं सूत्र समझाइए।
  8. जल की उच्च विशिष्ट ऊष्मा का दैनिक जीवन में महत्व बताइए।
  9. गुप्त ऊष्मा क्या है? इसके प्रकार समझाइए।
  10. वाष्पीकरण एवं क्वथन में अंतर स्पष्ट कीजिए।
  11. वाष्पीकरण को प्रभावित करने वाले कारकों को समझाइए।
  12. ऊँचाई पर पानी का क्वथनांक क्यों घट जाता है?
  13. प्रेशर कूकर की कार्यप्रणाली को ऊष्मा के सिद्धांत से समझाइए।
  14. समुद्री समीर एवं स्थलीय समीर की उत्पत्ति समझाइए।
  15. द्विधातु पट्टी का सिद्धांत एवं उपयोग बताइए।
  16. ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम को समझाइए।
  17. ऊष्मागतिकी के द्वितीय नियम की मूल अवधारणा स्पष्ट कीजिए।
  18. रेफ्रिजरेटर में ऊष्मा का स्थानांतरण किस प्रकार होता है?
  19. दैनिक जीवन में ऊष्मा संचरण के विभिन्न अनुप्रयोग बताइए।
  20. ऊष्मा, तापमान, विशिष्ट ऊष्मा एवं गुप्त ऊष्मा में अंतर स्पष्ट कीजिए।
Chapter 22 — Physics

Heat

RAS Mains — General Science & Technology | ऊष्मा

This chapter has been kept exam-focused for RAS Prelims + Mains. It includes heat and temperature, temperature scales, heat transfer, specific heat, latent heat, expansion, change of state, gas laws, thermodynamics, and applications in daily life.

1 What is Heat? by RAS A2Z

Heat is that energy which is transferred from one object to another due to a difference in temperature.

The flow of heat generally occurs from:

Higher Temperature → Lower Temperature

SI unit of heat:

Joule (J)

Other commonly used units:

1 cal ≈ 4.186 J

2 What is Temperature? by RAS A2Z

Temperature is a measure of the thermal state of an object, and it indicates how hot or cold the object is.

Temperature is related to the average kinetic energy of the particles of a substance.

📌 Important Difference

Heat = Transfer of energy

Temperature = Measure of thermal state

Therefore, an object with a higher temperature does not necessarily contain more heat; the amount of heat also depends on the mass and specific heat of the substance.

3 Temperature Scales by RAS A2Z

Three major temperature scales:

Celsius (°C)

Water's:

At normal atmospheric pressure.

Fahrenheit (°F)

Kelvin (K)

In practical calculations, often:

0°C ≈ 273 K

is taken.

4 Temperature Conversion by RAS A2Z

C/5 = (F − 32)/9

And

K = C + 273.15

Therefore:

25°C = 298.15 K

5 Thermal Equilibrium by RAS A2Z

When the temperature difference between two objects disappears and there is no net flow of heat between them, they are in Thermal Equilibrium.

This concept is the basis of the Zeroth Law of Thermodynamics.

6 Transfer of Heat by RAS A2Z

Heat is transferred in three major ways:

  1. Conduction
  2. Convection
  3. Radiation

7 Conduction by RAS A2Z

The transfer of heat from one part of a substance to another without the actual movement of its particles is called conduction.

It is mainly important in solids.

Example

Heating one end of an iron rod makes the other end hot as well.

Good Heat Conductors

Poor Conductors/Heat Insulators

8 Convection by RAS A2Z

The transfer of heat by the actual movement of the particles of a liquid or gas is called convection.

Example

When water is heated, hot water rises and cold water sinks, creating convection currents.

Daily Life

9 Sea Breeze by RAS A2Z

During the day, land heats up faster than water.

This is called sea breeze.

10 Land Breeze by RAS A2Z

At night, land cools faster than water.

This is called land breeze.

11 Radiation by RAS A2Z

The transfer of heat in the form of electromagnetic waves is called radiation. It does not require any physical medium.

📌 Most Important Example

Heat reaching Earth from the Sun.

Even though there is almost a vacuum between the Sun and the Earth, heat reaches us through radiation.

12 Difference between Conduction, Convection and Radiation by RAS A2Z

Conduction Convection Radiation
Mainly in solidsIn liquids/gasesEven in vacuum
No movement of particlesActual movement of particlesElectromagnetic waves
Metals are good conductorsProminent in liquids/gasesHeat from the Sun

13 Thermal Expansion by RAS A2Z

On increasing the temperature, the dimensions of most substances increase. This is called thermal expansion.

Its three types:

  1. Linear Expansion
  2. Areal Expansion
  3. Volume Expansion

14 Linear Expansion by RAS A2Z

The change in length is called linear expansion.

ΔL = α L₀ ΔT

Where:

Daily Life

Small gaps are left between railway tracks so that the tracks do not bend due to expansion in summer.

15 Expansion Joints in Bridges by RAS A2Z

Expansion Joints are provided in long bridges and metal structures.

Reason:

Temperature change → expansion/contraction of metal → stress in the structure.

Expansion joints help reduce this stress.

16 Bimetallic Strip by RAS A2Z

A strip made by joining two strips of different metals is called a bimetallic strip.

Since the coefficients of expansion of the two metals are different, the strip bends when heated.

Uses

17 Anomalous Expansion of Water by RAS A2Z

The behaviour of water is different from most substances.

When water is heated from 0°C to 4°C, its volume decreases and density increases.

At about 4°C, water has maximum density.

Above 4°C, water expands like normal substances as temperature increases.

Importance

In cold climates, the upper surface of lakes may freeze, but the water below can remain at about 4°C. This provides protection to aquatic life.

18 Specific Heat Capacity by RAS A2Z

The heat required to raise the temperature of a unit mass of a substance by 1°C or 1 K is called its specific heat capacity.

Q = m c ΔT

Where:

SI Unit:

J kg⁻¹ K⁻¹

19 Specific Heat of Water by RAS A2Z

The specific heat capacity of water is relatively high.

Because of this, water:

Daily Importance

Seas and large water bodies play an important role in moderating the temperature of coastal areas.

20 Latent Heat by RAS A2Z

The heat absorbed or released by a substance during a change of state is called latent heat.

Q = m L

Where:

21 Latent Heat of Fusion by RAS A2Z

The heat required to convert a solid into a liquid at its melting point is called the latent heat of fusion.

While ice melts, the temperature can remain steady at about 0°C, while the heat is used for the change of state.

22 Latent Heat of Vaporization by RAS A2Z

The heat required to convert a liquid into a gas at its boiling point is called the latent heat of vaporization.

Example

A considerable amount of heat is absorbed when water turns into steam.

For this reason, steam can cause more severe burns than hot water at the same temperature.

23 Evaporation by RAS A2Z

The slow conversion of a liquid into a gas from its surface at any temperature is called evaporation.

It:

Example

Sweat evaporates and cools the body.

24 Factors Affecting Evaporation by RAS A2Z

The rate of evaporation increases when:

Example

Wet clothes dry faster in strong wind.

25 Boiling by RAS A2Z

The rapid conversion of a liquid into a gas, with vapour bubbles forming throughout its volume, is called boiling.

At normal atmospheric pressure, the boiling point of water is:

100°C

But the boiling point changes with pressure.

26 Why Does Water Boil Faster at Higher Altitudes? by RAS A2Z

As altitude increases, atmospheric pressure decreases.

At lower pressure, the boiling point of water decreases.

Therefore, in high-altitude regions, water can boil even at a temperature below 100°C.

27 Pressure Cooker by RAS A2Z

In a pressure cooker, the boiling point of water increases as pressure increases.

Therefore, food can be cooked at a temperature above the normal 100°C and cooks relatively faster.

28 First Law of Thermodynamics by RAS A2Z

The application of the principle of conservation of energy to thermal processes is the first law of thermodynamics.

General form:

ΔQ = ΔU + W

Where:

That is, the heat supplied can be spent in increasing internal energy and doing work.

29 Second Law of Thermodynamics by RAS A2Z

Heat does not spontaneously flow from a cold body to a hot body.

Spontaneous heat flow generally occurs:

Hot → Cold

In a refrigerator, with the help of external work, heat is transferred from a cold part to the relatively warmer surroundings.

30 Applications of Heat in Daily Life by RAS A2Z

SF RAS Prelims — Super Facts by RAS A2Z

📌 Quick Facts
  1. Heat is the transfer of energy.
  2. The SI unit of heat is Joule.
  3. The SI unit of temperature is Kelvin.
  4. 0°C = 273.15 K.
  5. Heat flows from higher temperature to lower temperature.
  6. Conduction is mainly important in solids.
  7. Convection occurs in liquids and gases.
  8. Radiation does not require a medium.
  9. Heat reaches Earth from the Sun by radiation.
  10. Q = mcΔT.
  11. Q = mL is useful in change of state.
  12. The specific heat of water is relatively high.
  13. Water has maximum density at 4°C.
  14. Gaps are left in railway tracks for expansion.
  15. A bimetallic strip is useful in a thermostat.
  16. Evaporation produces cooling.
  17. The body cools due to evaporation of sweat.
  18. The boiling point of water decreases with altitude.
  19. In a pressure cooker, the boiling point increases as pressure increases.
  20. The first law of thermodynamics is based on conservation of energy.
  21. In a refrigerator, heat is transferred with the help of external work.