अधिकांश सामग्री गर्म होने पर फैलती है, लेकिन कुछ अद्वितीय पदार्थ होते हैं जो अलग तरह से व्यवहार करते हैं। कैलटेक इंजीनियरों ने पहली बार यह पता लगाया है कि इन जिज्ञासु पदार्थों में से एक, स्कैंडियम ट्राइफ्लोराइड (एससीएफ 3) कैसे गर्म होने पर सिकुड़ता है।

इस खोज से सभी प्रकार के पदार्थों के व्यवहार की गहरी समझ पैदा होगी और अद्वितीय गुणों वाली नई सामग्रियों के निर्माण की भी अनुमति मिलेगी। सामग्री जो गर्म होने पर फैलती नहीं है, वह केवल वैज्ञानिक जिज्ञासा नहीं है। वे विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में उपयोगी होते हैं, जैसे उच्च-सटीक आंदोलनों जैसे कि घड़ियाँ, जिन्हें तापमान में उतार-चढ़ाव के साथ भी उच्च सटीकता बनाए रखना चाहिए।

जब ठोस पदार्थों को गर्म किया जाता है, तो अधिकांश ऊष्मा परमाणुओं के कंपन में चली जाती है। सामान्य सामग्री में, ये कंपन परमाणुओं को "धक्का" देते हैं, जिससे सामग्री का विस्तार होता है। हालांकि, कुछ पदार्थों में अद्वितीय क्रिस्टल संरचनाएं होती हैं जो गर्म होने पर उन्हें अनुबंधित करती हैं। इस संपत्ति को नकारात्मक थर्मल विस्तार कहा जाता है। दुर्भाग्य से, ये क्रिस्टल संरचनाएं बहुत जटिल हैं, और वैज्ञानिक अब तक यह नहीं देख पाए हैं कि परमाणुओं के कंपन से सामग्री के आकार में कमी कैसे आती है।

यह 2010 में ScF3 में नकारात्मक थर्मल विस्तार की खोज के साथ बदल गया, एक अपेक्षाकृत सरल क्रिस्टल संरचना वाला एक पाउडर पदार्थ। यह पता लगाने के लिए कि गर्मी के संपर्क में आने पर इसके परमाणु कैसे कंपन करते हैं, अमेरिकी वैज्ञानिकों ने प्रत्येक परमाणु के व्यवहार का अनुकरण करने के लिए एक कंप्यूटर का उपयोग किया। इसके अलावा, टेनेसी में ओआरएनएल परिसर की न्यूट्रॉन प्रयोगशाला में सामग्री के गुणों का अध्ययन किया गया था।

अध्ययन के परिणाम पहली स्पष्ट तस्वीर प्रदान करते हैं कि सामग्री को कैसे संकुचित किया जाता है। इस प्रक्रिया को समझने के लिए, स्कैंडियम और फ्लोरीन परमाणुओं को स्प्रिंग्स द्वारा एक दूसरे से जुड़ी गेंदों के रूप में कल्पना करना आवश्यक है। हल्का फ्लोरीन परमाणु दो भारी स्कैंडियम परमाणुओं से बंधा होता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, सभी परमाणु कई दिशाओं में झूलने लगते हैं, लेकिन फ्लोरीन परमाणु और दो स्कैंडियम परमाणुओं की रैखिक व्यवस्था के कारण, पहले वाला स्प्रिंग्स के लंबवत दिशाओं में अधिक कंपन करता है। प्रत्येक कंपन के साथ, फ्लोरीन स्कैंडियम परमाणुओं को एक दूसरे की ओर आकर्षित करता है। जैसा कि पूरे सामग्री में होता है, यह आकार में सिकुड़ जाता है।

सबसे बड़ा आश्चर्य इस तथ्य के कारण हुआ कि मजबूत उतार-चढ़ाव के दौरान फ्लोरीन परमाणु की ऊर्जा विस्थापन की चौथी डिग्री (चौथी डिग्री कंपन या द्विघात कंपन) के समानुपाती होती है। साथ ही, अधिकांश सामग्रियों को हार्मोनिक (द्विघात) दोलनों की विशेषता होती है, जैसे कि स्प्रिंग्स और पेंडुलम के पारस्परिक आंदोलन।

खोज के लेखकों के अनुसार, चौथी डिग्री का व्यावहारिक रूप से शुद्ध क्वांटम थरथरानवाला पहले कभी क्रिस्टल में दर्ज नहीं किया गया है। इसका मतलब है कि भविष्य में ScF3 के अध्ययन से अद्वितीय तापीय गुणों वाली सामग्री बनाना संभव होगा।

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अधिकांश सामग्री गर्म होने पर फैलती है, लेकिन कुछ अद्वितीय पदार्थ होते हैं जो अलग तरह से व्यवहार करते हैं। कैलटेक इंजीनियरों ने पहली बार यह पता लगाया है कि इन जिज्ञासु पदार्थों में से एक, स्कैंडियम ट्राइफ्लोराइड (एससीएफ 3) कैसे गर्म होने पर सिकुड़ता है।

इस खोज से सभी प्रकार के पदार्थों के व्यवहार की गहरी समझ पैदा होगी और अद्वितीय गुणों वाली नई सामग्रियों के निर्माण की भी अनुमति मिलेगी। सामग्री जो गर्म होने पर फैलती नहीं है, वह केवल वैज्ञानिक जिज्ञासा नहीं है। वे विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में उपयोगी होते हैं, जैसे उच्च-सटीक आंदोलनों जैसे कि घड़ियाँ, जिन्हें तापमान में उतार-चढ़ाव के साथ भी उच्च सटीकता बनाए रखना चाहिए।

जब ठोस पदार्थों को गर्म किया जाता है, तो अधिकांश ऊष्मा परमाणुओं के कंपन में चली जाती है। सामान्य सामग्री में, ये कंपन परमाणुओं को "धक्का" देते हैं, जिससे सामग्री का विस्तार होता है। हालांकि, कुछ पदार्थों में अद्वितीय क्रिस्टल संरचनाएं होती हैं जो गर्म होने पर उन्हें अनुबंधित करती हैं। इस संपत्ति को नकारात्मक थर्मल विस्तार कहा जाता है। दुर्भाग्य से, ये क्रिस्टल संरचनाएं बहुत जटिल हैं, और वैज्ञानिक अब तक यह नहीं देख पाए हैं कि परमाणुओं के कंपन से सामग्री के आकार में कमी कैसे आती है।

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यह 2010 में ScF3 में नकारात्मक थर्मल विस्तार की खोज के साथ बदल गया, एक अपेक्षाकृत सरल क्रिस्टल संरचना वाला एक पाउडर पदार्थ। यह पता लगाने के लिए कि गर्मी के संपर्क में आने पर इसके परमाणु कैसे कंपन करते हैं, अमेरिकी वैज्ञानिकों ने प्रत्येक परमाणु के व्यवहार का अनुकरण करने के लिए एक कंप्यूटर का उपयोग किया। इसके अलावा, टेनेसी में ओआरएनएल परिसर की न्यूट्रॉन प्रयोगशाला में सामग्री के गुणों का अध्ययन किया गया था।

अध्ययन के परिणाम पहली स्पष्ट तस्वीर प्रदान करते हैं कि सामग्री को कैसे संकुचित किया जाता है। इस प्रक्रिया को समझने के लिए, स्कैंडियम और फ्लोरीन परमाणुओं को स्प्रिंग्स द्वारा एक दूसरे से जुड़ी गेंदों के रूप में कल्पना करना आवश्यक है। हल्का फ्लोरीन परमाणु दो भारी स्कैंडियम परमाणुओं से बंधा होता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, सभी परमाणु कई दिशाओं में झूलने लगते हैं, लेकिन फ्लोरीन परमाणु और दो स्कैंडियम परमाणुओं की रैखिक व्यवस्था के कारण, पहले वाला स्प्रिंग्स के लंबवत दिशाओं में अधिक कंपन करता है। प्रत्येक कंपन के साथ, फ्लोरीन स्कैंडियम परमाणुओं को एक दूसरे की ओर आकर्षित करता है। जैसा कि पूरे सामग्री में होता है, यह आकार में सिकुड़ जाता है।

सबसे बड़ा आश्चर्य इस तथ्य के कारण हुआ कि मजबूत उतार-चढ़ाव के दौरान फ्लोरीन परमाणु की ऊर्जा विस्थापन की चौथी डिग्री (चौथी डिग्री कंपन या द्विघात कंपन) के समानुपाती होती है। साथ ही, अधिकांश सामग्रियों को हार्मोनिक (द्विघात) दोलनों की विशेषता होती है, जैसे कि स्प्रिंग्स और पेंडुलम के पारस्परिक आंदोलन।

खोज के लेखकों के अनुसार, चौथी डिग्री का व्यावहारिक रूप से शुद्ध क्वांटम थरथरानवाला पहले कभी क्रिस्टल में दर्ज नहीं किया गया है। इसका मतलब है कि भविष्य में ScF3 के अध्ययन से अद्वितीय तापीय गुणों वाली सामग्री बनाना संभव होगा।

यह ज्ञात है कि गर्मी के प्रभाव में कण अपनी अराजक गति को तेज करते हैं। यदि आप किसी गैस को गर्म करते हैं, तो इसे बनाने वाले अणु एक दूसरे से आसानी से बिखर जाएंगे। गर्म तरल पहले मात्रा में बढ़ जाएगा, और फिर वाष्पित होना शुरू हो जाएगा। ठोस पदार्थों का क्या होगा? उनमें से प्रत्येक अपनी एकत्रीकरण की स्थिति को नहीं बदल सकता है।

थर्मल विस्तार: परिभाषा

ऊष्मीय प्रसार तापमान में परिवर्तन के साथ पिंडों के आकार और आकार में परिवर्तन है। गणितीय रूप से, मात्रा विस्तार गुणांक की गणना करना संभव है, जिससे बाहरी परिस्थितियों को बदलने में गैसों और तरल पदार्थों के व्यवहार की भविष्यवाणी करना संभव हो जाता है। ठोस पदार्थों के लिए समान परिणाम प्राप्त करने के लिए, इसे ध्यान में रखना आवश्यक है।भौतिकविदों ने इस तरह के शोध के लिए एक पूरे खंड को अलग कर दिया है और इसे डिलेटोमेट्री कहा है।

इंजीनियरों और वास्तुकारों को इमारतों के डिजाइन, सड़क और पाइप बिछाने के लिए उच्च और निम्न तापमान के प्रभाव में विभिन्न सामग्रियों के व्यवहार के बारे में ज्ञान की आवश्यकता होती है।

गैसों का विस्तार

गैसों का ऊष्मीय प्रसार अंतरिक्ष में उनके आयतन के विस्तार के साथ होता है। यह प्राचीन काल में प्राकृतिक दार्शनिकों द्वारा देखा गया था, लेकिन केवल आधुनिक भौतिक विज्ञानी ही गणितीय गणना करने में कामयाब रहे।

सबसे पहले, वैज्ञानिकों को हवा के विस्तार में दिलचस्पी हो गई, क्योंकि यह उन्हें एक व्यवहार्य कार्य लग रहा था। वे व्यापार में इतने उत्साह से उतरे कि उन्हें विपरीत परिणाम मिले। स्वाभाविक रूप से, वैज्ञानिक समुदाय इस तरह के परिणाम से संतुष्ट नहीं था। माप की सटीकता इस बात पर निर्भर करती है कि किस थर्मामीटर का उपयोग किया गया था, दबाव, और कई अन्य स्थितियां। कुछ भौतिक विज्ञानी इस निष्कर्ष पर पहुंचे हैं कि गैसों का विस्तार तापमान में परिवर्तन पर निर्भर नहीं करता है। या यह रिश्ता अधूरा है?

डाल्टन और गे-लुसाकी द्वारा काम करता है

भौतिकविदों ने तब तक बहस करना जारी रखा होगा जब तक कि वे कर्कश नहीं होते या माप को छोड़ देते, यदि वह और एक अन्य भौतिक विज्ञानी गे-लुसाक के लिए नहीं, एक ही समय में, एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से, समान माप परिणाम प्राप्त कर सकते थे।

लुसैक ने इतने सारे अलग-अलग परिणामों का कारण खोजने की कोशिश की और देखा कि प्रयोग के समय कुछ उपकरणों में पानी था। स्वाभाविक रूप से, गर्म करने की प्रक्रिया में, यह भाप में बदल गया और अध्ययन की गई गैसों की मात्रा और संरचना को बदल दिया। इसलिए, वैज्ञानिक ने जो पहला काम किया, वह उन सभी उपकरणों को अच्छी तरह से सुखाना था, जिनका इस्तेमाल उन्होंने प्रयोग करने के लिए किया था, और अध्ययन के तहत गैस से नमी के न्यूनतम प्रतिशत को भी बाहर कर दिया था। इन सभी जोड़तोड़ के बाद, पहले कुछ प्रयोग अधिक विश्वसनीय निकले।

डाल्टन ने अपने सहयोगी की तुलना में इस मुद्दे को अधिक समय तक निपटाया और 19 वीं शताब्दी की शुरुआत में ही परिणाम प्रकाशित किए। उसने हवा को सल्फ्यूरिक एसिड वाष्प से सुखाया और फिर उसे गर्म किया। प्रयोगों की एक श्रृंखला के बाद, जॉन इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि सभी गैसों और वाष्पों का विस्तार 0.376 के कारक से होता है। लुसैक 0.375 नंबर के साथ आया। यह अध्ययन का आधिकारिक परिणाम था।

जल वाष्प दबाव

गैसों का ऊष्मीय प्रसार उनकी लोच पर निर्भर करता है, अर्थात उनकी मूल मात्रा में लौटने की क्षमता। ज़िग्लर अठारहवीं शताब्दी के मध्य में इस मुद्दे की जांच करने वाले पहले व्यक्ति थे। लेकिन उनके प्रयोगों के परिणाम बहुत अधिक भिन्न थे। उच्च तापमान के लिए बॉयलर और कम तापमान के लिए बैरोमीटर का उपयोग करके अधिक विश्वसनीय आंकड़े प्राप्त किए गए थे।

18 वीं शताब्दी के अंत में, फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी प्रोनी ने एक एकल सूत्र प्राप्त करने का प्रयास किया जो गैसों की लोच का वर्णन करेगा, लेकिन यह बहुत बोझिल और उपयोग में मुश्किल निकला। डाल्टन ने इसके लिए साइफन बैरोमीटर का उपयोग करते हुए सभी गणनाओं का अनुभवजन्य परीक्षण करने का निर्णय लिया। इस तथ्य के बावजूद कि सभी प्रयोगों में तापमान समान नहीं था, परिणाम बहुत सटीक थे। इसलिए उन्होंने उन्हें अपनी भौतिकी की पाठ्यपुस्तक में एक तालिका के रूप में प्रकाशित किया।

वाष्पीकरण सिद्धांत

गैसों के ऊष्मीय प्रसार (भौतिक सिद्धांत के रूप में) में विभिन्न परिवर्तन हुए हैं। वैज्ञानिकों ने उन प्रक्रियाओं की तह तक जाने की कोशिश की जिनसे भाप पैदा होती है। यहां फिर से, प्रसिद्ध भौतिक विज्ञानी डाल्टन ने खुद को प्रतिष्ठित किया। उन्होंने परिकल्पना की कि कोई भी स्थान गैस वाष्प से संतृप्त होता है, भले ही इस जलाशय (कमरे) में कोई अन्य गैस या वाष्प मौजूद हो। इसलिए, यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि केवल वायुमंडलीय वायु के संपर्क में आने से तरल वाष्पित नहीं होगा।

तरल की सतह पर वायु स्तंभ का दबाव परमाणुओं के बीच की जगह को बढ़ाता है, उन्हें अलग करता है और वाष्पित करता है, अर्थात यह वाष्प के निर्माण में योगदान देता है। लेकिन गुरुत्वाकर्षण वाष्प के अणुओं पर कार्य करना जारी रखता है, इसलिए वैज्ञानिकों ने माना कि वायुमंडलीय दबाव किसी भी तरह से तरल पदार्थों के वाष्पीकरण को प्रभावित नहीं करता है।

तरल पदार्थों का विस्तार

द्रवों के ऊष्मीय प्रसार का अध्ययन गैसों के प्रसार के समानांतर किया गया। वही वैज्ञानिक वैज्ञानिक अनुसंधान में लगे हुए थे। ऐसा करने के लिए, उन्होंने थर्मामीटर, एरोमीटर, संचार वाहिकाओं और अन्य उपकरणों का इस्तेमाल किया।

सभी प्रयोगों ने एक साथ और प्रत्येक ने अलग-अलग डाल्टन के सिद्धांत का खंडन किया कि सजातीय तरल पदार्थ उस तापमान के वर्ग के अनुपात में फैलते हैं जिस पर उन्हें गर्म किया जाता है। बेशक, तापमान जितना अधिक होगा, तरल का आयतन उतना ही अधिक होगा, लेकिन इसके बीच कोई सीधा संबंध नहीं था। हां, और सभी तरल पदार्थों की विस्तार दर अलग थी।

उदाहरण के लिए, पानी का थर्मल विस्तार शून्य डिग्री सेल्सियस से शुरू होता है और तापमान गिरने पर जारी रहता है। पहले, प्रयोगों के ऐसे परिणाम इस तथ्य से जुड़े थे कि यह पानी ही नहीं है जो फैलता है, लेकिन जिस कंटेनर में यह स्थित है वह संकरा है। लेकिन कुछ समय बाद, भौतिक विज्ञानी डेलुका फिर भी इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि कारण तरल में ही खोजा जाना चाहिए। उन्होंने इसके सबसे बड़े घनत्व का तापमान खोजने का फैसला किया। हालांकि, कुछ विवरणों की उपेक्षा के कारण वह सफल नहीं हुआ। इस घटना का अध्ययन करने वाले रुमफोर्ट ने पाया कि पानी का अधिकतम घनत्व 4 से 5 डिग्री सेल्सियस के बीच देखा जाता है।

निकायों का थर्मल विस्तार

ठोस पदार्थों में, मुख्य विस्तार तंत्र क्रिस्टल जाली के कंपन के आयाम में परिवर्तन है। सरल शब्दों में, परमाणु जो सामग्री बनाते हैं और एक-दूसरे से मजबूती से जुड़े होते हैं, वे "कांपने" लगते हैं।

निकायों के थर्मल विस्तार का नियम निम्नानुसार तैयार किया गया है: डीटी द्वारा हीटिंग की प्रक्रिया में रैखिक आकार एल वाला कोई भी शरीर (डेल्टा टी प्रारंभिक तापमान और अंतिम तापमान के बीच का अंतर है), डीएल द्वारा फैलता है (डेल्टा एल है वस्तु की लंबाई और अंतर तापमान द्वारा रैखिक थर्मल विस्तार के गुणांक का व्युत्पन्न)। यह इस कानून का सबसे सरल संस्करण है, जो डिफ़ॉल्ट रूप से इस बात को ध्यान में रखता है कि शरीर एक ही बार में सभी दिशाओं में फैलता है। लेकिन व्यावहारिक कार्य के लिए, बहुत अधिक बोझिल गणनाओं का उपयोग किया जाता है, क्योंकि वास्तव में सामग्री भौतिकविदों और गणितज्ञों द्वारा बनाए गए तरीके से व्यवहार नहीं करती है।

रेल का थर्मल विस्तार

भौतिक इंजीनियर हमेशा रेलवे ट्रैक बिछाने में शामिल होते हैं, क्योंकि वे सटीक गणना कर सकते हैं कि रेल के जोड़ों के बीच कितनी दूरी होनी चाहिए ताकि गर्म या ठंडा होने पर ट्रैक ख़राब न हो।

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, थर्मल रैखिक विस्तार सभी ठोस पदार्थों पर लागू होता है। और रेल कोई अपवाद नहीं है। लेकिन एक विवरण है। यदि शरीर घर्षण बल से प्रभावित नहीं होता है तो एक रैखिक परिवर्तन स्वतंत्र रूप से होता है। रेल को स्लीपरों से सख्ती से जोड़ा जाता है और आसन्न रेलों से वेल्डेड किया जाता है, इसलिए लंबाई में परिवर्तन का वर्णन करने वाला कानून रैखिक और बट प्रतिरोधों के रूप में बाधाओं पर काबू पाने को ध्यान में रखता है।

यदि रेल अपनी लंबाई नहीं बदल सकती है, तो तापमान में बदलाव के साथ, इसमें थर्मल तनाव बढ़ जाता है, जो इसे खिंचाव और संपीड़ित दोनों कर सकता है। इस घटना का वर्णन हुक के नियम द्वारा किया गया है।