ऊष्मा Questions and Answers – पृष्ठ 7

कुल विकिरण पायरोमीटर किसी गर्म पिंड से सभी तरंगदैर्ध्य की विकिरण एकत्र करके उसका तापमान मापता है। विकल्प A (200°C से 1500°C) गलत है — 200°C की निचली सीमा बहुत कम है। कुल विकिरण पायरोमीटर को सटीक माप के लिए न्यूनतम लगभग 800°C की आवश्यकता होती है। विकल्प B (500°C से 2000°C) गलत है — 500°C की निचली सीमा गलत है और 2000°C की ऊपरी सीमा भी वास्तविक 3000°C सीमा से कम है। विकल्प C (800°C से 2700°C) गलत है — यह प्रकाशीय पायरोमीटर (वीन के नियम पर आधारित) की सीमा है, कुल विकिरण पायरोमीटर की नहीं। विकल्प D (800°C से 3000°C) सही है — स्टीफन-बोल्ट्जमान नियम पर आधारित कुल विकिरण पायरोमीटर 800°C से 3000°C तक तापमान माप सकता है। प्रकाशीय पायरोमीटर (2700°C तक) की तुलना में यह थोड़ी अधिक सीमा (3000°C तक) इसका प्रमुख लाभ है।

कुल विकिरण पायरोमीटर किसी पिंड द्वारा विकिरित कुल ऊर्जा का उपयोग करके बहुत उच्च तापमान मापने के लिए उपयोग किया जाता है। विकल्प A (वीन का विस्थापन नियम) गलत है — वीन का विस्थापन नियम विकिरण की शिखर तरंगदैर्ध्य को परम तापमान से संबंधित करता है। वीन का नियम प्रकाशीय पायरोमीटर द्वारा उपयोग किया जाता है, कुल विकिरण पायरोमीटर द्वारा नहीं। विकल्प B (न्यूटन का शीतलन नियम) गलत है — न्यूटन का शीतलन नियम संवहन द्वारा ऊष्मा हानि की दर का वर्णन करता है। विकल्प C (स्नेल का नियम) गलत है — स्नेल का नियम प्रकाश के अपवर्तन का वर्णन करता है। विकल्प D (स्टीफन का नियम) सही है — कुल विकिरण पायरोमीटर स्टीफन-बोल्ट्जमान नियम पर आधारित है: E = σT⁴। पायरोमीटर गर्म पिंड से सभी विकिरण (कुल, तरंगदैर्ध्य-विशिष्ट नहीं) एकत्र करता है और इसे थर्मोकपल या बोलोमीटर पर केंद्रित करता है।

प्रकाशीय पायरोमीटर (गायब होने वाले फिलामेंट पायरोमीटर) की एक विशिष्ट परिचालन तापमान सीमा होती है। विकल्प A (200°C से 1000°C) गलत है — यह सीमा प्रकाशीय पायरोमीटर के लिए बहुत कम है। 800°C से नीचे के तापमान पर किसी पिंड से दृश्य प्रकाश विकिरण अपर्याप्त होती है। विकल्प B (500°C से 1500°C) गलत है — जबकि ऊपरी सीमा (1500°C) प्रकाशीय पायरोमीटर की सीमा के भीतर है, निचली सीमा (500°C) गलत है। विकल्प C (800°C से 2700°C) सही है — प्रकाशीय पायरोमीटर 800°C से 2700°C तक तापमान माप सकता है। निचली सीमा 800°C है क्योंकि इसी तापमान पर दृश्य तापदीप्ति शुरू होती है। विकल्प D (1000°C से 5000°C) गलत है — प्रकाशीय पायरोमीटर की ऊपरी सीमा 2700°C है, 5000°C नहीं।

प्रकाशीय पायरोमीटर बहुत उच्च तापमान को गर्म पिंड से उत्सर्जित विकिरण का विश्लेषण करके मापता है। विकल्प A (स्टीफन का नियम) गलत है — स्टीफन का नियम कुल ऊर्जा विकिरण को T⁴ से संबंधित करता है। कुल विकिरण पायरोमीटर स्टीफन के नियम पर आधारित होता है, न कि प्रकाशीय पायरोमीटर। विकल्प B (न्यूटन का शीतलन नियम) गलत है — न्यूटन का शीतलन नियम बताता है कि ऊष्मा हानि की दर पिंड और परिवेश के तापमान के अंतर के अनुपाती होती है। विकल्प C (वीन का विकिरण नियम) सही है — प्रकाशीय पायरोमीटर वीन के विकिरण नियम (वीन के वितरण नियम) पर कार्य करता है। यह नियम कृष्ण पिंड से विकिरण के स्पेक्ट्रल वितरण का वर्णन करता है। विकल्प D (प्लांक का नियम) गलत है — प्लांक का नियम कृष्ण पिंड विकिरण का पूर्ण वर्णन है, लेकिन प्रकाशीय पायरोमीटर विशेष रूप से व्यावहारिक माप के लिए वीन के सन्निकटन का उपयोग करते हैं।

वीन का विस्थापन नियम यह समझने के लिए मौलिक है कि पिंड ऊष्मा और प्रकाश को कैसे विकिरित करते हैं। विकल्प A (दाब) गलत है — वीन के विस्थापन नियम का विकिरण करने वाले पिंड के दाब से कोई संबंध नहीं है। विकल्प B (परम तापमान) सही है — वीन का विस्थापन नियम बताता है कि किसी कृष्ण पिंड द्वारा अधिकतम विकिरण उत्सर्जित होने वाली तरंगदैर्ध्य (λm) उसके परम तापमान (T) के व्युत्क्रमानुपाती होती है। गणितीय रूप में: λm × T = b, जहाँ b = 2.898 × 10⁻³ m·K (वीन का विस्थापन स्थिरांक)। तापमान बढ़ने पर शिखर तरंगदैर्ध्य छोटी तरंगदैर्ध्य की ओर खिसक जाती है (लाल/अवरक्त से नीली/बैंगनी की ओर)। इसीलिए उच्च तापमान वाले तारे नीले-सफेद दिखाई देते हैं। विकल्प C (द्रव्यमान) गलत है — पिंड का द्रव्यमान विकिरण की शिखर तरंगदैर्ध्य से सीधे संबंधित नहीं है। विकल्प D (रंग) गलत है — वीन का नियम परम तापमान और तरंगदैर्ध्य के गणितीय संबंध के बारे में है।

स्टीफन का नियम (स्टीफन-बोल्ट्जमान नियम) ऊष्मा विकिरण में सबसे महत्वपूर्ण नियमों में से एक है। विकल्प A सही है — स्टीफन का नियम बताता है कि किसी कृष्ण पिंड की एकांक सतह क्षेत्र से प्रति एकांक समय में उत्सर्जित कुल ऊर्जा (E) परम तापमान के चतुर्थ घात (T⁴) के सीधे अनुपाती होती है। गणितीय रूप में: E ∝ T⁴ या E = σT⁴, जहाँ σ (सिग्मा) स्टीफन-बोल्ट्जमान स्थिरांक = 5.67 × 10⁻⁸ W/m²K⁴ है। यह नियम 1879 में जोसेफ स्टीफन ने प्रस्तावित किया था। विकल्प B गलत है — संबंध T⁴ (चतुर्थ घात) के साथ है, T² (वर्ग) के साथ नहीं। विकल्प C गलत है — विकिरण तरंगदैर्ध्य और तापमान का संबंध वीन के विस्थापन नियम द्वारा वर्णित है। विकल्प D गलत है — स्टीफन का नियम आदर्श कृष्ण पिंड पर लागू होता है।

तापविद्युत थर्मामीटर (थर्मोकपल) एक व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला तापमान मापन उपकरण है। विकल्प A (डॉप्लर प्रभाव) गलत है — डॉप्लर प्रभाव तरंगों की आवृत्ति में परिवर्तन से संबंधित है जब स्रोत और प्रेक्षक सापेक्ष गति में होते हैं। इसका थर्मोकपल थर्मामीटरों से कोई सीधा संबंध नहीं है। विकल्प B (सीबेक प्रभाव) सही है — तापविद्युत थर्मामीटर सीबेक प्रभाव पर कार्य करता है, जिसे 1821 में थॉमस जोहान सीबेक ने खोजा था। सीबेक प्रभाव के अनुसार जब दो असमान धातुओं को दो संधियों पर जोड़ा जाता है और संधियाँ विभिन्न तापमान पर होती हैं, तो एक विद्युत-वाहक बल (EMF) उत्पन्न होता है। विकल्प C (प्रकाश-विद्युत प्रभाव) गलत है — प्रकाश-विद्युत प्रभाव में प्रकाश पड़ने पर धातु की सतह से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं। विकल्प D (कॉम्पटन प्रभाव) गलत है — कॉम्पटन प्रभाव इलेक्ट्रॉनों द्वारा X-किरणों के प्रकीर्णन से संबंधित है।

उच्च तापमान गैस थर्मोमेट्री के लिए बहुत उच्च वियोजन तापमान वाली गैसों की आवश्यकता होती है। विकल्प A (500°C तक) गलत है — 500°C हाइड्रोजन गैस थर्मामीटर की सीमा है। नाइट्रोजन थर्मामीटर इससे बहुत अधिक तापमान माप सकते हैं। विकल्प B (1000°C तक) गलत है — 1000°C नाइट्रोजन गैस थर्मामीटर की ऊपरी सीमा नहीं है। विकल्प C (1500°C तक) सही है — नाइट्रोजन गैस थर्मामीटर 1500°C तक तापमान माप सकते हैं। नाइट्रोजन (N₂) का वियोजन तापमान बहुत अधिक (~3000°C) है और क्वथनांक -196°C है, जो इसे बहुत विस्तृत गैसीय सीमा देता है। 1500°C से ऊपर के तापमान के लिए ऑप्टिकल पायरोमीटर उपयोग किए जाते हैं। विकल्प D (2000°C तक) गलत है — 2000°C नाइट्रोजन गैस थर्मामीटर की व्यावहारिक विश्वसनीय सीमा से अधिक है।

अत्यंत कम तापमान मापन के लिए ऐसी गैसों की आवश्यकता होती है जो बेहद कम तापमान पर भी गैसीय अवस्था में रहें। विकल्प A (हाइड्रोजन गैस थर्मामीटर) गलत है — हाइड्रोजन गैस थर्मामीटर सामान्यतः -200°C से 500°C की सीमा में उपयोग किए जाते हैं। विकल्प B (नाइट्रोजन गैस थर्मामीटर) गलत है — नाइट्रोजन -196°C पर द्रवीभूत हो जाती है, इसलिए यह -200°C से नीचे गैस थर्मामीटर के रूप में उपयोगी नहीं है। विकल्प C (हीलियम गैस थर्मामीटर) सही है — हीलियम का उपयोग -200°C से नीचे (क्रायोजेनिक सीमा में) तापमान मापने के लिए किया जाता है। हीलियम किसी भी तत्व का सबसे कम क्वथनांक -269°C (4 K) रखता है। विकल्प D (ऑक्सीजन गैस थर्मामीटर) गलत है — ऑक्सीजन -183°C पर द्रवीभूत हो जाती है।

गैस थर्मामीटर इस सिद्धांत पर काम करते हैं कि गैस का दाब या आयतन तापमान के साथ समानुपातिक रूप से बदलता है। विकल्प A (हीलियम गैस थर्मामीटर) गलत है — हीलियम थर्मामीटर अत्यंत कम तापमान, विशेषकर -200°C से नीचे के लिए उपयोग किए जाते हैं, क्योंकि हीलियम परम शून्य के पास भी गैसीय रहती है (यह -269°C पर उबलती है)। विकल्प B (नाइट्रोजन गैस थर्मामीटर) गलत है — नाइट्रोजन -196°C पर द्रवीभूत हो जाती है, इसलिए उस तापमान से नीचे इसे गैस थर्मामीटर के रूप में उपयोग नहीं किया जा सकता। विकल्प C (हाइड्रोजन गैस थर्मामीटर) सही है — हाइड्रोजन गैस थर्मामीटर -200°C से 500°C की सीमा में उपयोग किए जाते हैं। हाइड्रोजन की गैसीय सीमा बहुत विस्तृत है और यह तापमान के साथ एकसमान रूप से फैलती है। विकल्प D (ऑक्सीजन गैस थर्मामीटर) गलत है — ऑक्सीजन -183°C पर द्रवीभूत हो जाती है।