क्या तापमान विद्युत और तापीय चालकता को प्रभावित करता है?

विद्युतीयप्रवाहकत्त्वयएक के रूप में खड़ा हैमूलभूत पैरामीटरभौतिकी, रसायन विज्ञान और आधुनिक इंजीनियरिंग में, विभिन्न क्षेत्रों में महत्वपूर्ण निहितार्थ रखते हुए,उच्च-मात्रा वाले विनिर्माण से लेकर अति-सटीक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स तक। इसका महत्वपूर्ण महत्व अनगिनत विद्युत और तापीय प्रणालियों के प्रदर्शन, दक्षता और विश्वसनीयता से इसके सीधे संबंध से उपजा है।

यह विस्तृत व्याख्या, दोनों के बीच जटिल संबंधों को समझने के लिए एक व्यापक मार्गदर्शिका के रूप में कार्य करती है।विद्युत चालकता (σ), तापीय चालकता(κ), और तापमान (T)इसके अलावा, हम सामान्य चालकों से लेकर विशिष्ट अर्धचालकों और इन्सुलेटरों जैसे चांदी, सोना, तांबा, लोहा, विलयन और रबर तक विविध सामग्री वर्गों के चालकता व्यवहारों का व्यवस्थित रूप से पता लगाएंगे, जो सैद्धांतिक ज्ञान और वास्तविक दुनिया के औद्योगिक अनुप्रयोगों के बीच की खाई को पाटते हैं।

इस लेख को पूरा करने पर, आप एक मजबूत, सूक्ष्म समझ से लैस हो जाएंगेकातापमान, चालकता और ऊष्मा का संबंध.

विषयसूची:

1. क्या तापमान विद्युत चालकता को प्रभावित करता है?

2. क्या तापमान ऊष्मीय चालकता को प्रभावित करता है?

3. विद्युत और तापीय चालकता के बीच संबंध

4. चालकता बनाम क्लोराइड: प्रमुख अंतर

I. क्या तापमान विद्युत चालकता को प्रभावित करता है?

प्रश्न, “क्या तापमान चालकता को प्रभावित करता है?” का उत्तर निश्चित रूप से है: हाँ।तापमान विद्युत और तापीय चालकता दोनों पर महत्वपूर्ण, पदार्थ-निर्भर प्रभाव डालता है।विद्युत संचरण से लेकर सेंसर संचालन तक महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में, तापमान और चालकता संबंध घटक प्रदर्शन, दक्षता मार्जिन और परिचालन सुरक्षा को निर्धारित करता है।

तापमान चालकता को कैसे प्रभावित करता है?

तापमान चालकता में परिवर्तन करके उसे परिवर्तित करता हैकितनी आसानी सेआवेश वाहक, जैसे इलेक्ट्रॉन या आयन, या ऊष्मा किसी पदार्थ से होकर गुज़रते हैं। प्रत्येक प्रकार के पदार्थ के लिए इसका प्रभाव अलग-अलग होता है। यहाँ बताया गया है कि यह कैसे काम करता है, जैसा कि स्पष्ट रूप से बताया गया है:

1.धातुएँ: तापमान बढ़ने के साथ चालकता कम हो जाती है

सभी धातुएँ मुक्त इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से चालन करती हैं जो सामान्य तापमान पर आसानी से प्रवाहित होते हैं। गर्म होने पर, धातु के परमाणु अधिक तीव्रता से कंपन करते हैं। ये कंपन अवरोधों की तरह कार्य करते हैं, इलेक्ट्रॉनों को बिखेरते हैं और उनके प्रवाह को धीमा कर देते हैं।

विशेष रूप से, तापमान बढ़ने पर विद्युत और तापीय चालकता लगातार कम होती जाती है। कमरे के तापमान के पास, चालकता आमतौर पर1°C वृद्धि पर ~0.4%.इसके विपरीत,जब 80°C की वृद्धि होती है,धातुएं खो जाती हैं25–30%उनकी मूल चालकता का.

यह सिद्धांत औद्योगिक प्रसंस्करण में व्यापक रूप से लागू किया जाता है, उदाहरण के लिए, गर्म वातावरण तारों में सुरक्षित धारा क्षमता को कम करता है और शीतलन प्रणालियों में कम गर्मी अपव्यय करता है।

2. अर्धचालकों में: चालकता तापमान के साथ बढ़ती है

अर्धचालक पदार्थ की संरचना में इलेक्ट्रॉनों के कसकर बंधे होने से शुरू होते हैं। कम तापमान पर, इनमें से कुछ ही धारा प्रवाहित करने के लिए गति कर पाते हैं।जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, ऊष्मा इलेक्ट्रॉनों को मुक्त होकर प्रवाहित होने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्रदान करती है। जितना अधिक तापमान बढ़ता है, उतने ही अधिक आवेश वाहक उपलब्ध होते हैं,चालकता को बहुत बढ़ावा देता है।

अधिक सहज शब्दों में, सीविद्युत चालकता तेजी से बढ़ती है, जो सामान्य श्रेणियों में प्रायः प्रत्येक 10-15°C पर दोगुनी हो जाती है।यह मध्यम गर्मी में प्रदर्शन में मदद करता है, लेकिन बहुत अधिक गर्मी (अत्यधिक रिसाव) होने पर समस्याएं पैदा कर सकता है, उदाहरण के लिए, यदि अर्धचालक के साथ निर्मित चिप को उच्च तापमान पर गर्म किया जाता है, तो कंप्यूटर क्रैश हो सकता है।

3. इलेक्ट्रोलाइट्स (बैटरियों में तरल पदार्थ या जैल) में: चालकता गर्मी के साथ बेहतर होती है

कुछ लोग सोचते हैं कि तापमान विलयन की विद्युत चालकता को कैसे प्रभावित करता है, और यह भाग इस प्रकार है। इलेक्ट्रोलाइट्स विलयन में आयनों का संचालन करते हैं, जबकि ठंड तरल पदार्थों को गाढ़ा और सुस्त बना देती है, जिसके परिणामस्वरूप आयनों की गति धीमी हो जाती है। तापमान बढ़ने के साथ, तरल कम श्यान हो जाता है, इसलिए आयन तेज़ी से विसरित होते हैं और आवेश को अधिक कुशलता से वहन करते हैं।

कुल मिलाकर, हर 1°C पर चालकता 2-3% बढ़ जाती है जब तापमान 40°C से ज़्यादा बढ़ जाता है, तो चालकता लगभग 30% कम हो जाती है।

आप इस सिद्धांत को वास्तविक दुनिया में भी देख सकते हैं, जैसे बैटरी जैसी प्रणालियां गर्मी में तेजी से चार्ज होती हैं, लेकिन अधिक गर्म होने पर क्षतिग्रस्त होने का खतरा रहता है।

II. क्या तापमान ऊष्मीय चालकता को प्रभावित करता है?

तापीय चालकता, जो यह मापती है कि किसी पदार्थ में ऊष्मा कितनी आसानी से प्रवाहित होती है, आमतौर पर अधिकांश ठोस पदार्थों में तापमान बढ़ने पर कम हो जाती है, हालांकि इसका व्यवहार पदार्थ की संरचना और ऊष्मा के संचरण के तरीके के आधार पर भिन्न होता है।

धातुओं में, ऊष्मा मुख्यतः मुक्त इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से प्रवाहित होती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, परमाणु अधिक तीव्रता से कंपन करते हैं, इन इलेक्ट्रॉनों को बिखेरते हैं और उनके मार्ग को बाधित करते हैं, जिससे पदार्थ की ऊष्मा को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने की क्षमता कम हो जाती है।

क्रिस्टलीय कुचालकों में, ऊष्मा फोनॉन नामक परमाणु कंपनों के माध्यम से प्रवाहित होती है। उच्च तापमान इन कंपनों को तीव्र कर देता है, जिससे परमाणुओं के बीच टकराव अधिक बार होता है और तापीय चालकता में स्पष्ट गिरावट आती है।

हालाँकि, गैसों में इसका उल्टा होता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, अणु तेज़ी से गति करते हैं और ज़्यादा बार टकराते हैं, जिससे टकरावों के बीच ऊर्जा का स्थानांतरण ज़्यादा प्रभावी ढंग से होता है; इसलिए, तापीय चालकता बढ़ जाती है।

पॉलिमर और द्रवों में, तापमान बढ़ने के साथ थोड़ा सुधार होना आम बात है। गर्म परिस्थितियाँ आणविक श्रृंखलाओं को अधिक स्वतंत्र रूप से गति करने और श्यानता कम करने में मदद करती हैं, जिससे ऊष्मा का पदार्थ से होकर गुजरना आसान हो जाता है।

III. विद्युत और तापीय चालकता के बीच संबंध

क्या तापीय चालकता और विद्युत चालकता के बीच कोई संबंध है? आप इस सवाल पर सोच रहे होंगे। दरअसल, विद्युत और तापीय चालकता के बीच एक गहरा संबंध है, फिर भी यह संबंध केवल कुछ खास प्रकार के पदार्थों, जैसे धातुओं, के लिए ही सार्थक है।

1. विद्युत और तापीय चालकता के बीच मजबूत संबंध

शुद्ध धातुओं (जैसे तांबा, चांदी और सोना) के लिए एक सरल नियम लागू होता है:यदि कोई पदार्थ विद्युत का संचालन करने में बहुत अच्छा है, तो वह ऊष्मा का संचालन करने में भी बहुत अच्छा होगा।यह सिद्धांत इलेक्ट्रॉन-साझाकरण घटना पर आधारित है।

धातुओं में, विद्युत और ऊष्मा दोनों का संचरण मुख्यतः एक ही कण द्वारा होता है: मुक्त इलेक्ट्रॉन। यही कारण है कि उच्च विद्युत चालकता कुछ मामलों में उच्च तापीय चालकता की ओर ले जाती है।

के लिएविद्युतीयप्रवाह,जब वोल्टेज लगाया जाता है, तो ये मुक्त इलेक्ट्रॉन विद्युत आवेश लेकर एक दिशा में चलते हैं।

जब यह आता हैगर्मीप्रवाहधातु का एक सिरा गर्म होता है और दूसरा ठंडा, और यही मुक्त इलेक्ट्रॉन गर्म क्षेत्र में तेजी से चलते हैं और धीमे इलेक्ट्रॉनों से टकराते हैं, जिससे ऊर्जा (गर्मी) तेजी से ठंडे क्षेत्र में स्थानांतरित हो जाती है।

इस साझा तंत्र का अर्थ है कि यदि किसी धातु में बहुत सारे अत्यधिक गतिशील इलेक्ट्रॉन हैं (जो इसे एक उत्कृष्ट विद्युत कंडक्टर बनाते हैं), तो वे इलेक्ट्रॉन कुशल "ऊष्मा वाहक" के रूप में भी कार्य करते हैं, जिसे औपचारिक रूप से वर्णित किया गया हैWiedemann-फ्रांजकानून.

2. विद्युत और तापीय चालकता के बीच कमजोर संबंध

विद्युत और तापीय चालकता के बीच का संबंध उन पदार्थों में कमजोर हो जाता है जहां आवेश और ऊष्मा का वहन विभिन्न तंत्रों द्वारा होता है।

IV. चालकता बनाम क्लोराइड: प्रमुख अंतर

जबकि विद्युत चालकता और क्लोराइड सांद्रता दोनों ही महत्वपूर्ण पैरामीटर हैंजल गुणवत्ता विश्लेषण, वे मौलिक रूप से भिन्न गुणों को मापते हैं।

प्रवाहकत्त्व

चालकता किसी विलयन की विद्युत धारा संचारित करने की क्षमता का माप है।t मापता हैसभी घुले हुए आयनों की कुल सांद्रतापानी में, जिसमें धनात्मक आवेशित आयन (धनायन) और ऋणात्मक आवेशित आयन (ऋणायन) शामिल हैं।

सभी आयन, जैसे क्लोराइड (Cl^-), सोडियम (Na⁺), कैल्शियम (Ca²⁺), बाइकार्बोनेट और सल्फेट, कुल चालकता में योगदान करते हैंमाइक्रोसीमेन्स प्रति सेंटीमीटर (µS/cm) या मिलीसीमेन्स प्रति सेंटीमीटर (mS/cm) में मापा जाता है।

चालकता एक त्वरित, सामान्य संकेतक हैकाकुलघुले हुए ठोस(टीडीएस) और समग्र जल शुद्धता या लवणता।

 क्लोराइड सांद्रता (Cl^-)

क्लोराइड सांद्रता केवल विलयन में उपस्थित क्लोराइड आयन का विशिष्ट माप है।यह मापता हैकेवल क्लोराइड आयनों का द्रव्यमान(सीएल^-) मौजूद होता है, जो अक्सर सोडियम क्लोराइड (NaCl) या कैल्शियम क्लोराइड (CaCl) जैसे लवणों से प्राप्त होता है₂).

यह मापन विशिष्ट विधियों जैसे अनुमापन (जैसे, अर्जेंटोमेट्रिक विधि) या आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड (आईएसई) का उपयोग करके किया जाता हैमिलीग्राम प्रति लीटर (एमजी/एल) या भाग प्रति मिलियन (पीपीएम) में।

औद्योगिक प्रणालियों (जैसे बॉयलर या कूलिंग टावर) में संक्षारण की संभावना का आकलन करने और पेयजल आपूर्ति में लवणता के प्रवेश की निगरानी के लिए क्लोराइड का स्तर महत्वपूर्ण है।

संक्षेप में, क्लोराइड चालकता में योगदान देता है, लेकिन चालकता केवल क्लोराइड तक सीमित नहीं है।यदि क्लोराइड की सांद्रता बढ़ जाती है, तो कुल चालकता बढ़ जाएगी।हालाँकि, यदि कुल चालकता बढ़ जाती है, तो यह क्लोराइड, सल्फेट, सोडियम या अन्य आयनों के किसी भी संयोजन में वृद्धि के कारण हो सकता है।

इसलिए, चालकता एक उपयोगी जांच उपकरण के रूप में कार्य करती है (उदाहरण के लिए, यदि चालकता कम है, तो क्लोराइड भी कम होने की संभावना है), लेकिन विशेष रूप से संक्षारण या नियामक उद्देश्यों के लिए क्लोराइड की निगरानी के लिए, एक लक्षित रासायनिक परीक्षण का उपयोग किया जाना चाहिए।