ऊष्मा, ऊष्मागतिकी एवं ध्वनि

4.1 तापमान और ऊष्मा स्थानांतरण

तापमान पैमाने:

• सेल्सियस (°C): 0°C (बर्फ का पिघलना), 100°C (1 atm पर पानी का उबलना)
• फारेनहाइट (°F): °F = (9/5)°C + 32
• केल्विन (K): K = °C + 273.15 (परम शून्य = 0 K = −273.15°C — न्यूनतम संभव तापमान; अणु सभी गति बंद कर देते हैं)

ऊष्मा स्थानांतरण की विधियाँ:

विधि	माध्यम आवश्यक	कैसे कार्य करती है	उदाहरण
चालन	आवश्यक (ठोस सबसे अच्छे)	अणु-से-अणु ऊर्जा स्थानांतरण	धातुओं का ठंडा होना, खाना पकाना
संवहन	आवश्यक (तरल पदार्थ)	गर्म तरल का थोक आंदोलन	समुद्री हवाएँ, कमरे के हीटर, महासागर धाराएँ
विकिरण	आवश्यक नहीं	EM तरंग (अवरक्त) उत्सर्जन	पृथ्वी तक पहुँचती सूर्य की ऊष्मा, थर्मस फ्लास्क

विशिष्ट ऊष्मा धारिता: 1 kg को 1°C गर्म करने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा।

पानी की विशिष्ट ऊष्मा धारिता असाधारण रूप से अधिक है (4,186 J/kg·K)। इसीलिए महासागर तटीय जलवायु को नियंत्रित करते हैं और इंजनों में शीतलक के रूप में पानी का उपयोग होता है।

4.2 ऊष्मागतिकी के नियम

नियम	कथन	निहितार्थ
शून्यवाँ	यदि A, C के साथ ऊष्मीय साम्यावस्था में है और B भी C के साथ, तो A और B ऊष्मीय साम्यावस्था में हैं	तापमान को मापने योग्य गुण के रूप में परिभाषित करता है
पहला	ऊर्जा न बनाई जा सकती है, न नष्ट की; Q = ΔU + W	रेफ्रिजरेटर, ताप इंजन ऊर्जा संरक्षण का पालन करते हैं
दूसरा	ऊष्मा स्वाभाविक रूप से ठंडे से गर्म की ओर नहीं बहती; ब्रह्मांड की एन्ट्रॉपी सदैव बढ़ती है	कोई ताप इंजन 100% दक्ष नहीं; रेफ्रिजरेटर को बाह्य कार्य चाहिए
तीसरा	जैसे T → 0 K, एन्ट्रॉपी → न्यूनतम स्थिरांक	परम शून्य प्राप्त करना असंभव है

कार्नो दक्षता: ताप इंजन की अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता = 1 − (T_cold/T_hot)। तापमान का अंतर जितना अधिक, इंजन उतना ही दक्ष।

4.3 ध्वनि तरंगें

ध्वनि एक अनुदैर्ध्य यांत्रिक तरंग है — कण तरंग प्रसार की दिशा के समानांतर दोलन करते हैं। इसे भौतिक माध्यम चाहिए और यह निर्वात में नहीं चल सकती।

ध्वनि की गति:

• 0°C पर वायु में = 332 m/s; 25°C पर ≈ 346 m/s
• पानी में ≈ 1,500 m/s; इस्पात में ≈ 5,100 m/s
• सघन माध्यमों में ध्वनि तेज चलती है क्योंकि कण पास-पास होते हैं

आवृत्ति श्रेणियाँ:

• अवश्रव्य: < 20 Hz — भूकंप, हाथी संचार, मौसम
• श्रव्य श्रेणी: 20 Hz – 20,000 Hz (मानव सुनाई)
• पराश्रव्य: > 20,000 Hz

पराश्रव्य के अनुप्रयोग:

• चिकित्सा USG: 2–15 MHz ध्वनि स्पंद अंग सीमाओं से परावर्तित होते हैं — भ्रूण, गुर्दे की पथरी, हृदय कार्य की छवियाँ।
• सोनार (Sound Navigation and Ranging): पनडुब्बियों और चमगादड़ों (प्रतिध्वनि स्थान) द्वारा उपयोग — प्रतिध्वनि समय से गहराई/दूरी मापता है।
• औद्योगिक NDT: बिना काटे धातु ढलाई में आंतरिक दरारें पहचानता है।
• लिथोट्रिप्सी: उच्च-तीव्रता पराश्रव्य स्पंद बिना शल्यक्रिया के गुर्दे की पथरी तोड़ते हैं।

डॉप्लर प्रभाव: जब स्रोत और प्रेक्षक एक-दूसरे के सापेक्ष गति करते हैं, तो प्रेक्षित आवृत्ति बदल जाती है।

• निकट आने पर आभासी आवृत्ति बढ़ती है, दूर जाने पर घटती है।
• अनुप्रयोग: रडार स्पीड गन, मौसम डॉप्लर रडार, खगोल विज्ञान में रेडशिफ्ट (ब्रह्मांड विस्तार का प्रमाण), हृदय रोग में डॉप्लर अल्ट्रासाउंड।

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