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चार्ल्स का नियम (आयतन-तापमान नियम)

1802
  • Jacques Charles
  • Joseph Louis Gay-Lussac
Glass apparatus demonstrating Charles's Law in a vintage laboratory setting.

(यह छवि केवल उदाहरण के लिए बनाई गई है)

चार्ल्स का नियम, जिसे आयतन-तापमान नियम या आयतन का नियम भी कहा जाता है, यह बताता है कि एक आदर्श गैस के निश्चित द्रव्यमान के लिए, स्थिर तापमान पर, एक आदर्श गैस का द्रव्यमान स्थिर रहता है। दबावइसके द्वारा घेरा गया आयतन इसके निरपेक्ष तापमान के सीधे समानुपाती होता है। इसे [latex]V propto T[/latex] या [latex]frac{V_1}{T_1} = frac{V_2}{T_2}[/latex] के रूप में व्यक्त किया जाता है। यह समदाबी (स्थिर दाब) परिस्थितियों में गर्म करने पर गैसों के विस्तार की प्रवृत्ति को स्पष्ट करता है।

चार्ल्स का नियम गैसों के ऊष्मीय प्रसार का वर्णन करने वाला एक मूलभूत सिद्धांत है। इसका प्रारंभिक कार्य लगभग 1787 में जैक्स चार्ल्स द्वारा किया गया था। उन्होंने स्थिर दाब रखते हुए, एक निश्चित मात्रा में गैस के आयतन में तापमान के साथ होने वाले परिवर्तन का अध्ययन किया और एक सुसंगत रैखिक संबंध पाया। हालांकि, चार्ल्स ने अपने निष्कर्ष कभी प्रकाशित नहीं किए। जोसेफ लुई के बाद यह नियम व्यापक रूप से जाना जाने लगा। समलैंगिक Lussacगे-लुसाक, जो स्वतंत्र रूप से इसी घटना की जांच कर रहे थे, ने 1802 में अपने स्वयं के परिणाम प्रकाशित किए। अपने शोध पत्र में, गे-लुसाक ने मूल, अप्रकाशित कार्य के लिए चार्ल्स को उदारतापूर्वक श्रेय दिया, यही कारण है कि इस कानून का नाम आमतौर पर चार्ल्स के नाम पर रखा जाता है।

इस नियम का गहन महत्व इसके विस्तार में निहित है। विभिन्न गैसों के लिए आयतन बनाम तापमान का ग्राफ बनाकर वैज्ञानिकों ने पाया कि सभी रेखाएँ, जब पीछे की ओर बढ़ाई जाती हैं, तो शून्य आयतन के एक बिंदु पर अभिसरित होती हैं। इस सैद्धांतिक तापमान को -273.15 डिग्री सेल्सियस निर्धारित किया गया। इस बिंदु को परम शून्य, यानी न्यूनतम संभव तापमान के रूप में मान्यता दी गई, जो केल्विन परम तापमान पैमाने का आधार बना। केल्विन पैमाने पर, जहाँ 0 K परम शून्य है, यह नियम अपने सरल समानुपाती रूप [latex]V = kT[/latex] में आ जाता है। सूक्ष्म स्तर पर, स्थिर दाब पर गैस को गर्म करने से उसके अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है, जिससे वे तेजी से गति करने लगते हैं। स्थिर दाब बनाए रखने के लिए (अर्थात, पात्र की दीवारों से टक्करों की स्थिर दर बनाए रखने के लिए), आयतन का विस्तार होना आवश्यक है, जिससे तेजी से गति करने वाले अणुओं को टक्करों के बीच यात्रा करने के लिए अधिक स्थान मिल जाता है।

UNESCO Nomenclature: 2212
ऊष्मागतिकी

Type

भौतिक नियम

व्यवधान

संतोषजनक

उपयोग

व्यापक उपयोग

शगुन

  • रॉबर्ट बॉयल का कार्य, जिसमें गैसों के लिए दाब-आयतन संबंध स्थापित किया गया था।
  • वायु थर्मामीटर का आविष्कार और परिष्करण, जो ऊष्मीय विस्तार पर आधारित था।
  • ग्रेजुएटेड सिलेंडर और गैस सिरिंज जैसे उपकरणों का उपयोग करके गैस की मात्रा को सटीक रूप से मापने में हुई प्रगति।
  • प्रयोग के दौरान स्थिर दाब बनाए रखने की अवधारणा (समदाबी परिस्थितियाँ)

आवेदन

  • गर्म हवा के गुब्बारे
  • थर्मोस्टैट्स में द्विधात्विक पट्टियाँ
  • पॉप-अप टर्की टाइमर
  • बेकिंग के दौरान ब्रेड का खमीर उठना
  • आंतरिक दहन इंजन चक्र (समदाबी विस्तार)
  • मौसम संबंधी गुब्बारे को फुलाना और ऊपर उठाना

पेटेंट:

NA

संभावित नवाचार विचार

  • तापमान में महत्वपूर्ण परिवर्तन होने पर स्वतः फूलने वाले आपातकालीन राफ्ट या स्लाइड।
  • उन्नत मौसम गुब्बारे जो आंतरिक गैस को नियंत्रित रूप से गर्म या ठंडा करके अपनी उत्प्लावन क्षमता को समायोजित कर सकते हैं।
  • फंसे हुए गैस के सूक्ष्म बुलबुलों के तापीय विस्तार द्वारा सक्रिय आकार-स्मृति पॉलिमर
  • micro-actuators and ‘soft robots’ powered by the thermal expansion of gas for delicate tasks
  • उच्च ऊंचाई पर उड़ने वाले हवाई जहाज जो अपने आंतरिक उत्थापन गैस को गर्म करके उत्थापन और ऊंचाई बनाए रखते हैं
  • क्रायोजेनिक storage containers with passive pressure-relief systems based on gas expansion from ambient heat leak
  • बिना किसी गतिशील पुर्जे वाले ऊष्मीय रूप से संचालित पंप, जो संक्षारक या संवेदनशील तरल पदार्थों को स्थानांतरित करने के लिए विस्तारशील गैस का उपयोग करते हैं।
  • passive solar heating systems that use expanding air in solar collectors to circulate heat through a building
  • आग का पता लगाने वाली प्रणालियाँ जो एक सीलबंद ट्यूब में हवा के तेजी से विस्तार के आधार पर अलार्म बजाती हैं
  • ग्रीनहाउस के स्व-विनियमित वेंटिलेशन सिस्टम जो सौर ताप से आंतरिक हवा के विस्तार होने पर वेंट खोलते हैं
संबंधित विषय: चार्ल्स का नियम, आयतन का नियम, आदर्श गैस, ऊष्मागतिकी, स्थिर दाब, समदाबी प्रक्रिया, परम शून्य, केल्विन पैमाना, गैस का प्रसार, आयतन-तापमान संबंध।

ऐतिहासिक संदर्भ

Voltaic pile demonstrating electrochemical reaction with zinc and copper electrodes.

वोल्टेइक ढेर में विद्युत रासायनिक अभिक्रिया

वोल्टाइक पाइल में विद्युत धारा एक रेडॉक्स अभिक्रिया द्वारा उत्पन्न होती है। जस्ता एनोड पर, जस्ता धातु ऑक्सीकृत होती है, जिससे प्रति परमाणु दो इलेक्ट्रॉन मुक्त होते हैं ([latex]Zn rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}[/latex])। ये इलेक्ट्रॉन बाह्य परिपथ के माध्यम से तांबे के कैथोड तक जाते हैं। वहाँ, जलीय इलेक्ट्रोलाइट से हाइड्रोजन आयन अपचयित होकर हाइड्रोजन गैस बनाते हैं ([latex]2H^{+} + 2e^{-} rightarrow H_2[/latex])।
HVAC control panel showing absolute humidity readings in thermodynamics applications.

निरपेक्ष आर्द्रता

निरपेक्ष आर्द्रता (dv) किसी दिए गए वायु आयतन (Vair) में मौजूद जल वाष्प (mH2O) का कुल द्रव्यमान है। इसे प्रति घन मीटर वायु में जल वाष्प की मात्रा (ग्राम/m³) के रूप में व्यक्त किया जाता है। इसका सूत्र है: dv = mH2O / Vair। सापेक्ष आर्द्रता के विपरीत, यह वायु के तापमान पर निर्भर नहीं करती, लेकिन वायु दाब या आयतन में परिवर्तन से प्रभावित होती है।
Johann Wilhelm Ritter's experiment with ultraviolet light and silver chloride paper in optics.

पराबैंगनी विकिरण

1801 में, जोहान विल्हेम रिटर ने देखा कि सौर स्पेक्ट्रम के बैंगनी छोर से परे की अदृश्य किरणें बैंगनी प्रकाश की तुलना में सिल्वर क्लोराइड में भिगोए गए कागज को अधिक तेज़ी से काला कर देती हैं। इससे दृश्य स्पेक्ट्रम से परे प्रकाश के एक रूप के अस्तित्व का प्रदर्शन हुआ, जिसे उन्होंने पिछले वर्ष खोजे गए "ऊष्मा किरणों" (इन्फ्रारेड) के विपरीत "ऑक्सीकरण किरणें" कहा।

चार्ल्स का नियम (आयतन-तापमान नियम)

19th-century laboratory with scientists studying atomic structure and chemical reactions.

आधुनिक परमाणु सिद्धांत

परमाणु सिद्धांत के अनुसार, सभी पदार्थ परमाणुओं नामक अलग-अलग इकाइयों से बने होते हैं। एक तत्व में परमाणु होते हैं जिनके नाभिक में प्रोटॉनों की एक निश्चित संख्या होती है। पहले परमाणुओं को अविभाज्य माना जाता था, लेकिन अब यह ज्ञात है कि परमाणु उप-परमाणु कणों से मिलकर बने होते हैं: प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और इलेक्ट्रॉन। रासायनिक अभिक्रियाओं में इन परमाणुओं का पुनर्व्यवस्थापन होता है, और इस प्रक्रिया के दौरान परमाणुओं की स्थिति संरक्षित रहती है।
Laboratory setup demonstrating Avogadro's Law in physical chemistry with gas measurements.

एवोगैड्रो का नियम

एवोगैड्रो का नियम कहता है कि समान तापमान और दाब पर सभी गैसों के समान आयतन में अणुओं की संख्या समान होती है। इससे गैस के आयतन और पदार्थ की मात्रा (मोलों की संख्या) के बीच सीधा समानुपात स्थापित होता है। गणितीय संबंध को [latex]V propto n[/latex] या अधिक सामान्यतः [latex]V/n = k[/latex] के रूप में व्यक्त किया जाता है, जहाँ k एक स्थिरांक है।
Stirling engine demonstrating thermodynamic principles in a laboratory setting.

स्टर्लिंग चक्र

आदर्श स्टर्लिंग चक्र एक बंद पुनर्योजी ऊष्मागतिक चक्र है जिसमें चार अलग-अलग प्रक्रियाएं शामिल हैं: समतापी प्रसार, समआयतनिक ऊष्मा निष्कासन, समतापी संपीडन और समआयतनिक ऊष्मा योग। कार्यकारी द्रव स्थायी रूप से बंद रहता है। इसकी सैद्धांतिक तापीय दक्षता कार्नोट चक्र की दक्षता के बराबर होती है, जिसे [latex]eta_{th} = 1 - frac{T_C}{T_H}[/latex] द्वारा दर्शाया जाता है, जहां [latex]T_H[/latex] और [latex]T_C[/latex] क्रमशः गर्म और ठंडे जलाशयों के निरपेक्ष तापमान हैं।
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Voltaic pile demonstrating early electrochemical energy conversion.

वोल्टेइक ढेर सिद्धांत

यह पहली विद्युत बैटरी थी, जो नमकीन पानी में भीगे कपड़े से अलग की गई असमान धातु डिस्क (जैसे, जस्ता और तांबा) के जोड़े को एक के ऊपर एक रखकर सीधी धारा उत्पन्न करती है। प्रत्येक जोड़ा एक गैल्वेनिक सेल बनाता है, और उन्हें श्रृंखला में रखने से कुल वोल्टेज बढ़ जाता है। इस व्यवस्था ने रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में पहली बार लगातार बदलने का प्रदर्शन किया, जिससे आधुनिक इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री का मार्ग प्रशस्त हुआ।
Voltaic pile demonstrating electromotive force in series connection with zinc and copper cells.

विद्युतवाहक बल और श्रृंखला संयोजन

वोल्टेइक पाइल ने विद्युत रासायनिक कोशिकाओं को श्रृंखला में जोड़कर वोल्टेज को जोड़ने का सिद्धांत स्थापित किया। प्रत्येक जस्ता-तांबा युग्म, या कोशिका, लगभग 0.76 वोल्ट का एक विशिष्ट विद्युतगतिशील बल (ईएमएफ) उत्पन्न करती है। इन कोशिकाओं को भौतिक रूप से एक के ऊपर एक रखकर, वोल्टा ने प्रदर्शित किया कि पाइल के सिरों पर कुल वोल्टेज प्रत्येक कोशिका के व्यक्तिगत ईएमएफ का योग होता है, जैसा कि [latex]V_{total} = n times V_{cell}[/latex] द्वारा वर्णित है।
Radio communication setup illustrating Fresnel zones for wave propagation analysis.

फ्रेनेल ज़ोन

एक फ्रेनेल ज़ोन एक ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच अंतरिक्ष में केंद्रित दीर्घवृत्ताकार क्षेत्रों की एक श्रृंखला में से एक है। प्राथमिक ज़ोन की सीमा वह दीर्घवृत्त है जहाँ ट्रांसमीटर से सतह पर एक बिंदु तक और रिसीवर तक की पथ लंबाई सीधी पथ से आधी तरंग दैर्ध्य अधिक होती है, जिससे 180 डिग्री का चरण परिवर्तन होता है।
Pressure cooker and aerosol can illustrating Gay-Lussac's Law in thermodynamics.

गे-लुसैक का नियम (दाब-तापमान नियम)

अमोंटन के नियम के रूप में भी जाना जाने वाला यह सिद्धांत बताता है कि स्थिर आयतन पर एक आदर्श गैस के निश्चित द्रव्यमान के लिए, उसका दाब उसके परम तापमान के सीधे समानुपाती होता है। इस संबंध को गणितीय रूप से [latex]P propto T[/latex] के रूप में या दो अवस्थाओं के बीच तुलना के रूप में [latex]frac{P_1}{T_1} = frac{P_2}{T_2}[/latex] के रूप में व्यक्त किया जाता है। यह समआयतनिक (स्थिर आयतन) परिस्थितियों में गैस के व्यवहार का वर्णन करता है।
Gas mixing apparatus in a vintage laboratory for thermodynamics applications.

डाल्टन का आंशिक दाब का नियम

डाल्टन का नियम कहता है कि अक्रियाशील गैसों के मिश्रण में, कुल दाब, प्रत्येक गैस के आंशिक दाबों के योग के बराबर होता है। किसी गैस का आंशिक दाब वह दाब होता है जो वह समान तापमान पर अकेले संपूर्ण आयतन में होने पर उत्पन्न करती है। इसका सूत्र है: [latex]P_{text{total}} = sum_{i=1}^{n} p_i[/latex]।
Electrode polarization in a Voltaic pile experiment demonstrating hydrogen gas formation.

इलेक्ट्रोड ध्रुवीकरण सीमा

वोल्टेइक बैटरी की एक प्रमुख खामी इलेक्ट्रोड ध्रुवीकरण है। संचालन के दौरान, तांबे के कैथोड पर उत्पन्न हाइड्रोजन गैस इसकी सतह पर बुलबुलों की एक इन्सुलेट परत बना लेती है। यह परत बैटरी के आंतरिक प्रतिरोध को बढ़ाती है और प्रतिक्रिया के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र को कम करती है। परिणामस्वरूप, बैटरी का वोल्टेज और करंट आउटपुट उपयोग शुरू होने के कुछ ही समय बाद काफी गिर जाता है।
Experimental setup for measuring speed of sound in a perfect gas in acoustics.

एक आदर्श गैस में ध्वनि की गति

आदर्श गैस में ध्वनि की गति (c) उसके ऊष्मागतिकीय गुणों द्वारा निर्धारित होती है, न कि केवल उसके दाब या घनत्व द्वारा। सूत्र है c = √R_s T, जहाँ γ ऊष्मा धारिता अनुपात (c_p/c_v) है, R_s विशिष्ट गैस स्थिरांक है, और T परम तापमान है। अतः, ध्वनि गर्म गैस में अधिक तेज़ी से यात्रा करती है।
Regenerator matrix of a Stirling engine demonstrating thermal energy storage in thermodynamics.

स्टर्लिंग इंजन रीजनरेटर इकोनोमाइज़र

रीजनरेटर, जिसे 'इकोनॉमाइज़र' भी कहा जाता है, रॉबर्ट स्टर्लिंग का सबसे महत्वपूर्ण योगदान है और इंजन की उच्च दक्षता का मुख्य कारण है। यह एक आंतरिक ऊष्मा विनिमय यंत्र है जो चक्र के दौरान अस्थायी रूप से ऊष्मीय ऊर्जा को संग्रहित और मुक्त करता है। जब गर्म गैस ठंडी तरफ जाती है, तो वह रीजनरेटर मैट्रिक्स में ऊष्मा जमा करती है, जिसे ठंडी गैस गर्म तरफ लौटते समय ग्रहण कर लेती है।

(यदि तिथि अज्ञात है या प्रासंगिक नहीं है, उदाहरण के लिए "द्रव यांत्रिकी", तो इसके उल्लेखनीय उद्भव का एक अनुमानित आंकड़ा प्रदान किया गया है)

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