अध्याय 03: ताप और ऊष्मा विज्ञान — ऊष्मा संचरण, ऊष्मागतिकी, प्रशीतन

अक्षर आकार

सार

इस अध्याय में आप क्या सीखेंगे?

ताप एवं ऊष्मा का मूल भेद: आंतरिक अणु-गतिज ऊर्जा बनाम तापीय ऊर्जा प्रवाह, परम शून्य ताप ($0\text{ K} = -273.15^\circ\text{C}$) तथा सेल्सियस, फारेनहाइट व केल्विन पैमानों का रूपांतरण।
तापीय प्रसार एवं जल का असामान्य व्यवहार: रेखीय/आयतन प्रसार, द्विधात्विक पट्टी (Bimetallic strip) और $0^\circ\text{C}$ से $4^\circ\text{C}$ के बीच जल का असामान्य संकुचन (सर्दियों में जमी हुई झील के नीचे जलीय जीवन की रक्षा)।
विशिष्ट ऊष्मा, गुप्त ऊष्मा एवं प्रावस्था परिवर्तन: जल की उच्च विशिष्ट ऊष्मा धारिता के भू-जलवायविक प्रभाव, गलन व वाष्पन की गुप्त ऊष्मा ($100^\circ\text{C}$ की भाप से जलने की तीव्रता), पुनर्हिमायन (Regelation) और वाष्पीकरण शीतलन।
ऊष्मा संचरण एवं विकिरण नियम: चालन (Conduction), संवहन (Convection), विकिरण (Radiation), थर्मस फ्लास्क, किरचॉफ, स्टीफन-बोल्ट्ज़मान ($E \propto T^4$), वीन का विस्थापन नियम ($\lambda_m T = b$) और मेघयुक्त रातों में ओस न बनने का भौतिक कारण।
ऊष्मागतिकी, प्रशीतन एवं क्रायोजेनिक्स: ऊष्मागतिकी के 4 नियम (शून्यवाँ, प्रथम, द्वितीय व तृतीय), ऊष्मा इंजन बनाम प्रशीतक/हीट पंप (COP), रेफ्रिजरेंट गैसों का विकास (CFC $\rightarrow$ HCFC $\rightarrow$ HFC $\rightarrow$ HFO) और क्रायोजेनिक तकनीक।
भारत-केंद्रित एवं समसामयिक अनुप्रयोग (2025–2026): किगाली संशोधन के 10 वर्ष (2016–2026) व भारत का HFC फेज-डाउन रोडमैप (2028–2047), इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान (ICAP), चंद्रयान-3 का 'ChaSTE' तापीय प्रोब और ISRO का CE-20 क्रायोजेनिक इंजन।

खंड 01

विषय का आधार: ताप और ऊष्मा में क्या अंतर है, ताप मापक्रम कैसे कार्य करते हैं और जल $4^\circ\text{C}$ पर अनूठा व्यवहार क्यों करता है?

1.1 ऊष्मा (Heat) बनाम तापमान (Temperature): कारण और परिणाम का संबंध

दैनिक बोलचाल में हम 'ताप' और 'ऊष्मा' को एक ही मान लेते हैं, किंतु भौतिक विज्ञान में ये दोनों स्पष्ट रूप से भिन्न राशियाँ हैं:

तापमान (Temperature — अवस्था का सूचक): किसी वस्तु की उष्णता या शीतलता की कोटि की माप को तापमान कहते हैं। सूक्ष्म (परमाण्वीय) स्तर पर, किसी पदार्थ के अणुओं की औसत स्थानांतरीय गतिज ऊर्जा (Average Translational Kinetic Energy, $\bar{K} = \frac{3}{2} k_B T$) ही उसके परम ताप का निर्धारण करती है। तापमान यह तय करता है कि दो वस्तुओं को संपर्क में रखने पर ऊष्मा किस दिशा में प्रवाहित होगी। इसका मूल SI मात्रक केल्विन ($\text{K}$) है।
ऊष्मा (Heat — संचरित होने वाली ऊर्जा): जब दो भिन्न तापमान वाली वस्तुओं को आपस में संपर्क में लाया जाता है, तो उच्च तापमान वाली वस्तु से निम्न तापमान वाली वस्तु की ओर तापीय अंतर के कारण प्रवाहित होने वाली ऊर्जा को ऊष्मा कहते हैं। इसका SI मात्रक जूल ($\text{J}$) है और व्यावहारिक मात्रक कैलोरी ($1\text{ cal} = 4.184\text{ J}$) है।
सरल उदाहरण: एक जलती हुई माचिस की तीली का तापमान ($\approx 600^\circ\text{C}$) एक बाल्टी गुनगुने पानी के तापमान ($\approx 50^\circ\text{C}$) से बहुत अधिक है; किंतु अणुओं की विशाल संख्या के कारण बाल्टी के गुनगुने पानी में निहित कुल तापीय ऊर्जा (ऊष्मा) माचिस की तीली से कहीं अधिक है।

1.2 तापमान के प्रमुख पैमाने (Temperature Scales) और पारस्परिक रूपांतरण सूत्र

तापमान मापने के लिए किसी पदार्थ के ऐसे भौतिक गुण का उपयोग किया जाता है जो ताप के साथ नियमित रूप से बदलता हो—जैसे पारे या अल्कोहल का आयतन प्रसार, प्लैटिनम तार का विद्युत प्रतिरोध ($R_T = R_0[1 + \alpha\Delta T]$), या दो धातुओं की संधि पर उत्पन्न ताप-विद्युत वाहक बल (Thermocouple — सीबेक प्रभाव)। प्रमुख ताप पैमानों के बीच रूपांतरण का सार्वत्रिक सूत्र है:

$$\frac{C - 0}{100} = \frac{F - 32}{180} = \frac{K - 273.15}{100} = \frac{R - 0}{80}$$

सारणी 1.1: प्रमुख ताप पैमानों के हिमांक, भाप बिंदु और महत्त्वपूर्ण परीक्षा मान
पैमाना (Scale)	जल का हिमांक (Ice Point)	जल का क्वथनांक (Steam Point)	बराबर भाग (Divisions)	परीक्षा हेतु विशेष बिंदु
सेल्सियस ($^\circ\text{C}$)	$0^\circ\text{C}$	$100^\circ\text{C}$	$100$	वैज्ञानिक व भारत के मौसम विभाग (IMD) द्वारा प्रयुक्त दैनिक मानक।
फारेनहाइट ($^\circ\text{F}$)	$32^\circ\text{F}$	$212^\circ\text{F}$	$180$	क्लीनिकल थर्मामीटर में प्रयुक्त। स्वस्थ मानव शरीर का सामान्य ताप $= \mathbf{37^\circ\text{C} = 98.6^\circ\text{F}} = 310.15\text{ K}$।
केल्विन ($\text{K}$ — परम ताप)	$273.15\text{ K}$	$373.15\text{ K}$	$100$	मूल SI मात्रक (इसके साथ कभी डिग्री $^\circ$ चिह्न नहीं लगता)। केल्विन पैमाने का मान कभी ऋणात्मक नहीं हो सकता।

तीनों प्रमुख परीक्षा संख्यात्मक बिंदु (High-Yield Values)

$-40^\circ$ का अद्वितीय बिंदु: $-40^\circ\text{C}$ और $-40^\circ\text{F}$ वह एकमात्र तापमान है जिस पर सेल्सियस और फारेनहाइट पैमाने बिल्कुल समान पाठ्यांक देते हैं।
$574.5875^\circ$ का बिंदु: वह तापमान जिस पर फारेनहाइट और केल्विन पैमाने समान संख्यात्मक मान देते हैं ($574.5875^\circ\text{F} = 574.5875\text{ K}$)। सेल्सियस और केल्विन कभी समान नहीं हो सकते क्योंकि $K = C + 273.15$।
परम शून्य ताप (Absolute Zero = $0\text{ K} = -273.15^\circ\text{C} = -459.67^\circ\text{F}$): प्रकृति में संभव न्यूनतम सैद्धांतिक तापमान, जिस पर पदार्थ के अणुओं की चिरसम्मत तापीय गति रुक जाती है (केवल क्वांटम शून्य-बिंदु ऊर्जा शेष रहती है)।
पारा बनाम अल्कोहल थर्मामीटर: पारा (Mercury) $-39^\circ\text{C}$ पर जम जाता है और $357^\circ\text{C}$ पर उबलता है; इसलिए ध्रुवीय या सियाचिन जैसे अति-शीत क्षेत्रों ($-40^\circ\text{C}$ से नीचे) का तापमान मापने के लिए पारे के बजाय अल्कोहल थर्मामीटर (अल्कोहल का हिमांक $\approx -114^\circ\text{C}$) प्रयुक्त होता है।

1.3 तापीय प्रसार (Thermal Expansion) और जल का असामान्य प्रसार ($0^\circ\text{C}$ से $4^\circ\text{C}$)

सामान्यतः किसी ठोस, द्रव या गैस को गर्म करने पर उसके अणुओं के बीच की औसत दूरी बढ़ती है और उसका आयतन बढ़ता है (तथा घनत्व घटता है)। ठोसों के तापीय प्रसार के कारण ही: (1) रेल की दो पटरियों के बीच या कंक्रीट के पुलों के गर्डरों के बीच थोड़ा रिक्त स्थान (Expansion joint) छोड़ा जाता है; (2) गर्मियों में लोलक घड़ी (Pendulum clock) के लोलक की लंबाई ($l$) बढ़ने से उसका आवर्तकाल ($T = 2\pi\sqrt{l/g}$) बढ़ जाता है और घड़ी सुस्त (Slow) हो जाती है, जबकि सर्दियों में तेज हो जाती है; तथा (3) विद्युत इस्त्री (Electric Iron), गीज़र और फायर अलार्म में अलग-अलग प्रसार गुणांक वाली दो धातुओं (जैसे पीतल व लोहा) से बनी द्विधात्विक पट्टी (Bimetallic Strip) थर्मोस्टेट स्विच का काम करती है।

जल का असामान्य प्रसार (Anomalous Expansion of Water — UPSC Prelims 2011): विश्व के लगभग सभी द्रव ठंडा करने पर लगातार सिकुड़ते हैं, परंतु जल एक अद्वितीय अपवाद है। जब जल को $0^\circ\text{C}$ से $4^\circ\text{C}$ तक गर्म किया जाता है, तो खुले हाइड्रोजन आबंध जाल (Open cage-like hydrogen-bonded structure) के टूटने के कारण उसका आयतन फैलने के बजाय सिकुड़ता (घटता) है और $4^\circ\text{C}$ के बाद सामान्य द्रवों की तरह फैलता है।

निष्कर्ष 1: जल का आयतन $4^\circ\text{C}$ पर न्यूनतम और घनत्व $4^\circ\text{C}$ पर अधिकतम ($1000\text{ kg/m}^3$ या $1\text{ g/cm}^3$) होता है।
निष्कर्ष 2: यदि $4^\circ\text{C}$ पर रखे जल से भरे बीकर को चाहे गर्म किया जाए (जैसे $4^\circ\text{C} \rightarrow 10^\circ\text{C}$) या ठंडा किया जाए (जैसे $4^\circ\text{C} \rightarrow 0^\circ\text{C}$)—दोनों ही स्थितियों में जल का आयतन बढ़ेगा और बीकर से पानी बाहर छलक जाएगा!
निष्कर्ष 3 (जलीय पारिस्थितिकी की रक्षा): भीषण शीत ऋतु में जब वायुमंडल का तापमान $-20^\circ\text{C}$ तक गिर जाता है, तब झील का ऊपरी जल ठंडा होकर जब $4^\circ\text{C}$ पर पहुँचता है, तो सर्वाधिक भारी (सघन) होने के कारण तली में बैठ जाता है। इसके बाद ऊपरी परत का जल जब $4^\circ\text{C}$ से $0^\circ\text{C}$ तक ठंडा होता है, तो हल्का होने के कारण ऊपर ही तैरता रहता है और जम कर बर्फ की चादर बना लेता है। चूँकि बर्फ ऊष्मा की कुचालक (Bad conductor of heat) है, इसलिए वह नीचे के $4^\circ\text{C}$ के द्रव जल की ऊष्मा को बाहर नहीं निकलने देती, जिससे मछलियाँ और जलीय जीव सुरक्षित जीवित रहते हैं।

खंड 02

परीक्षा-स्तरीय पूर्ण विस्तार: विशिष्ट व गुप्त ऊष्मा, ऊष्मा संचरण, विकिरण नियम, ऊष्मागतिकी और प्रशीतन

2.1 विशिष्ट ऊष्मा धारिता (Specific Heat Capacity) और गुप्त ऊष्मा (Latent Heat)

🔥 विशिष्ट ऊष्मा धारिता ($c = \frac{Q}{m\Delta T}$)

किसी पदार्थ के एकांक द्रव्यमान ($1\text{ kg}$) का तापमान $1\text{ K}$ (या $1^\circ\text{C}$) बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा। (SI मात्रक: $\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$)।

जल की सर्वोच्च विशिष्ट ऊष्मा ($4184\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ या $1\text{ cal}\cdot\text{g}^{-1}\cdot^\circ\text{C}^{-1}$): सामान्य पदार्थों में जल की विशिष्ट ऊष्मा सर्वाधिक होती है—अर्थात् जल देर से गर्म होता है और देर से ठंडा होता है।
अनुप्रयोग: (1) तटीय शहरों (जैसे मुंबई, चेन्नई) में समुद्री व स्थलीय समीर का चलना और समकारी जलवायु रहना, जबकि रेगिस्तान की रेत (कम विशिष्ट ऊष्मा) का दिन में तेजी से तपना और रात में तेजी से ठंडा होना; (2) ऑटोमोबाइल रेडिएटर और परमाणु रिएक्टरों में शीतलक (Coolant) के रूप में जल का उपयोग; (3) रोगियों की सिकाई के लिए गर्म पानी की बोतलों का उपयोग।

💧 गुप्त ऊष्मा (Latent Heat $Q = mL$)

नियत तापमान पर किसी पदार्थ के एकांक द्रव्यमान की भौतिक अवस्था (Phase—ठोस से द्रव या द्रव से गैस) बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा। (SI मात्रक: $\text{J/kg}$)। यह ऊष्मा तापमान नहीं बढ़ाती, बल्कि अंतर-आणविक आबंधों को तोड़ने में खर्च होती है।

बर्फ के गलन की गुप्त ऊष्मा: $3.34 \times 10^5\text{ J/kg}$ ($80\text{ cal/g}$)। इसीलिए $0^\circ\text{C}$ के जल की तुलना में $0^\circ\text{C}$ की बर्फ शीतल पेय को अधिक ठंडा करती है।
जल के वाष्पन की गुप्त ऊष्मा: $22.6 \times 10^5\text{ J/kg}$ ($540\text{ cal/g}$)। परीक्षा प्रश्न: $100^\circ\text{C}$ के उबलते जल की तुलना में $100^\circ\text{C}$ की भाप (Steam) से हाथ अधिक गंभीर रूप से जलता है, क्योंकि भाप में प्रति ग्राम $540$ कैलोरी अतिरिक्त गुप्त ऊष्मा होती है।

प्रावस्था परिवर्तन से जुड़े तीन महत्त्वपूर्ण परीक्षा सिद्धांत:

दाब का गलनांक एवं क्वथनांक पर प्रभाव एवं पुनर्हिमायन (Regelation): दाब बढ़ाने पर सभी द्रवों का क्वथनांक बढ़ता है (प्रेशर कुकर)। परंतु बर्फ जैसे पदार्थ जो पिघलने पर सिकुड़ते हैं, उन पर दाब बढ़ाने से गलनांक घट जाता है ($0^\circ\text{C}$ से नीचे चला जाता है)। इसीलिए जब दो बर्फ के टुकड़ों को जोर से दबाकर छोड़ा जाता है, तो दाब बढ़ने से संपर्क सतह पिघल जाती है और दाब हटाते ही पुनः जम कर दोनों टुकड़े जुड़ जाते हैं—इसे पुनर्हिमायन (Regelation) कहते हैं। बर्फ पर आइस-स्केटिंग और ग्लेशियरों का तली से फिसलना इसी पर आधारित है।
अशुद्धि मिलाने का प्रभाव (हिमांक में अवनमन व क्वथनांक में उन्नयन): जल में नमक या अवाष्पशील अशुद्धि मिलाने पर उसका क्वथनांक बढ़ जाता है ($>100^\circ\text{C}$) और हिमांक घट जाता है ($0^\circ\text{C}$ से घटकर $-21^\circ\text{C}$ तक)। इसीलिए बर्फीले देशों में सड़कों से बर्फ पिघलाने के लिए नमक ($\text{NaCl}$ या $\text{CaCl}_2$) छिड़का जाता है और कुल्फी/आइसक्रीम बनाने वाले बर्फ में नमक मिलाते हैं।
वाष्पीकरण से शीतलन (Cooling by Evaporation) एवं आर्द्रता: वाष्पीकरण हर तापमान पर द्रव की खुली सतह से होता है। द्रव के उच्च-ऊर्जा अणु वाष्पित होने के लिए शेष द्रव या शरीर से वाष्पन की गुप्त ऊष्मा खींच लेते हैं, जिससे शीतलन होता है—जैसे मिट्टी के घड़े (सुराही) के सूक्ष्म रंध्रों से रिसते पानी के वाष्पन से पानी का ठंडा होना, पसीना सूखने पर ठंडक लगना और डेज़र्ट कूलर का कार्य। (ध्यान दें: वर्षा ऋतु या तटीय क्षेत्रों में वायुमंडलीय आर्द्रता अधिक होने से वाष्पीकरण की दर घट जाती है, इसलिए मटका और डेज़र्ट कूलर काम नहीं करते तथा पसीना न सूखने से अधिक उमस/असहजता अनुभव होती है)।

2.2 ऊष्मा संचरण की तीन विधियाँ: चालन (Conduction), संवहन (Convection) और विकिरण (Radiation)

सारणी 2.1: ऊष्मा संचरण की तीनों विधियों की तुलना और परीक्षा अनुप्रयोग
विशेषता	1. चालन (Conduction)	2. संवहन (Convection)	3. विकिरण (Radiation)
भौतिक तंत्र	माध्यम के कण अपना स्थान छोड़े बिना कंपन द्वारा पड़ोसी कणों व मुक्त इलेक्ट्रॉनों को ऊष्मा देते हैं।	गर्म होकर हल्के हुए तरल (द्रव/गैस) के कण स्वयं गति कर ऊपर उठते हैं और ठंडे भारी कण नीचे आते हैं (संवहन धाराएँ)।	विद्युतचुम्बकीय तरंगों (मुख्यतः अवरक्त विकिरण / Infrared) के रूप में प्रकाश की चाल ($3 \times 10^8\text{ m/s}$) से संचरण।
माध्यम की आवश्यकता	अनिवार्य (मुख्यतः ठोसों और पारे में)।	अनिवार्य तथा गुरुत्वाकर्षण आवश्यक (द्रवों एवं गैसों में; निर्वात या शून्य-गुरुत्व अंतरिक्ष स्टेशन में प्राकृतिक संवहन नहीं होता)।	किसी माध्यम की आवश्यकता नहीं (निर्वात में भी गमन करता है—सूर्य से पृथ्वी तक ऊष्मा का आना)।
प्रमुख परीक्षा उदाहरण	• खाना पकाने के बर्तनों की तली ताँबे की और हत्था बैकेलाइट/लकड़ी का होना। • सर्दियों में लोहे की कुर्सी लकड़ी की कुर्सी से अधिक ठंडी लगना (हालांकि दोनों का ताप समान है, पर लोहा हाथ की ऊष्मा तेजी से चालित कर लेता है)। • एक मोटे कंबल की अपेक्षा दो पतले कंबल अधिक गर्म रखते हैं क्योंकि दोनों परतों के बीच फँसी वायु (Air) ऊष्मा की कुचालक होती है। • एस्किमो के बर्फ के घर (Igloo) का अंदर से गर्म रहना।	• कमरे में वेंटिलेटर (रोशनदान) और एयर कंडीशनर (AC) का ऊपर लगाया जाना (ठंडी हवा भारी होकर नीचे बैठती है) तथा रूम हीटर का नीचे फर्श पर रखा जाना। • पृथ्वी के वायुमंडल का गर्म होना, समुद्री व स्थलीय समीर, मानसूनी पवनें और मेंटल में प्लेट विवर्तनिकी संवहन धाराएँ।	• मेघयुक्त रातें स्वच्छ आकाश वाली रातों से अधिक गर्म होती हैं और ओस नहीं बनती (UPSC Prelims 2019), क्योंकि बादल पृथ्वी से उत्सर्जित दीर्घ-तरंग पार्थिव अवरक्त विकिरण को वापस परावर्तित कर देते हैं। • रेगिस्तान में दिन बहुत गर्म और रातें बहुत ठंडी होना। • पॉलिश किए गए चमकदार या सफेद बर्तन/कपड़े ऊष्मा के बुरे अवशोषक और बुरे उत्सर्जक होते हैं।

थर्मस फ्लास्क (Dewar Flask) और ऊष्मीय विकिरण के तीन प्रमुख नियम

1. थर्मस फ्लास्क (जेम्स देवार द्वारा आविष्कृत): यह ऊष्मा संचरण की तीनों विधियों को रोकता है—(i) दोहरी दीवारों के बीच का निर्वात (Vacuum) चालन और संवहन दोनों को रोकता है; (ii) काँच की दीवारों पर की गई चाँदी की चमकदार पॉलिश (Silvered walls) विकिरण द्वारा ऊष्मा की हानि को वापस परावर्तित कर रोकती है; और (iii) कॉर्क/प्लास्टिक का ढक्कन चालन रोकता है।

2. किरचॉफ का नियम (Kirchhoff's Law): अच्छे अवशोषक ही अच्छे उत्सर्जक होते हैं (Good absorbers are good emitters)। काली और खुरदरी सतह ऊष्मा का सर्वाधिक अवशोषण भी करती है और अंधेरे में रखने पर सबसे तेजी से ऊष्मा उत्सर्जित भी करती है।

3. स्टीफन-बोल्ट्ज़मान का चतुर्थ घात नियम ($E = \sigma T^4$): किसी कृष्णिका (Blackbody) के एकांक क्षेत्रफल से प्रति सेकंड उत्सर्जित विकिरण ऊर्जा उसके परम ताप ($T$) की चौथी घात के समानुपाती होती है।

4. वीन का विस्थापन नियम (Wien's Displacement Law, $\lambda_{\text{max}} \cdot T = b$): किसी वस्तु का तापमान जितना अधिक होगा, उससे उत्सर्जित विकिरण की अधिकतम तीव्रता वाली तरंगदैर्ध्य ($\lambda_{\text{max}}$) उतनी ही छोटी होगी। इसीलिए गर्म करने पर लोहा पहले लाल (बड़ी तरंगदैर्ध्य), फिर पीला, फिर श्वेत और अत्यधिक गर्म तारे नीले (Blue — सबसे छोटी तरंगदैर्ध्य, सर्वाधिक तापमान) दिखाई देते हैं।

2.3 ऊष्मागतिकी के चार नियम (Four Laws of Thermodynamics)

ऊष्मागतिकी (Thermodynamics) ऊष्मा, यांत्रिक कार्य, आंतरिक ऊर्जा और एन्ट्रॉपी के पारस्परिक संबंधों का विज्ञान है:

शून्यवाँ नियम (Zeroth Law — 1931, आर. एच. फाउलर): यदि निकाय A और B अलग-अलग किसी तीसरे निकाय C के साथ तापीय साम्य (Thermal Equilibrium) में हैं, तो A और B आपस में भी तापीय साम्य में होंगे। यह नियम 'तापमान' (Temperature) की संकल्पना और थर्मामीटर के कार्य-सिद्धांत को परिभाषित करता है।
प्रथम नियम (First Law — ऊर्जा संरक्षण का नियम, $\Delta Q = \Delta U + \Delta W$): किसी निकाय को दी गई ऊष्मा ($\Delta Q$) दो कार्यों में व्यय होती है—उसकी आंतरिक ऊर्जा ($\Delta U$) बढ़ाने में और बाह्य कार्य ($\Delta W = P\Delta V$) करने में।
प्रमुख ऊष्मागतिक प्रक्रम: (i) समतापीय प्रक्रम (Isothermal, $\Delta T = 0 \Rightarrow \Delta U = 0$): जैसे बर्फ का धीरे-धीरे पिघलना; (ii) रुद्धोष्म प्रक्रम (Adiabatic, $\Delta Q = 0 \Rightarrow \Delta W = -\Delta U$): निकाय और परिवेश के बीच ऊष्मा का कोई आदान-प्रदान न होना—जैसे साइकिल का टायर अचानक फटने पर बाहर निकलती हवा का ठंडा हो जाना, या वायुराशि के तेजी से ऊपर उठने पर रुद्धोष्म प्रसरण से ठंडा होकर बादल बनाना (Adiabatic cooling)।
द्वितीय नियम (Second Law — ऊष्मा प्रवाह की दिशा एवं एन्ट्रॉपी): प्रथम नियम यह नहीं बताता कि ऊष्मा अपने आप ठंडी वस्तु से गर्म वस्तु की ओर क्यों नहीं बहती। द्वितीय नियम के दो कथन हैं: (i) केल्विन-प्लांक कथन: ऐसा कोई ऊष्मा इंजन बनाना असंभव है जो स्रोत से ली गई 100% ऊष्मा को कार्य में बदल दे (अर्थात् $\eta = 1 - \frac{T_{\text{sink}}}{T_{\text{source}}} < 100\%$); (ii) क्लॉसियस कथन: बाह्य कार्य किए बिना ऊष्मा स्वतः कम ताप वाली वस्तु से अधिक ताप वाली वस्तु की ओर प्रवाहित नहीं हो सकती (रेफ्रिजरेटर का सिद्धांत)। इस नियम के अनुसार ब्रह्मांड की कुल अव्यवस्था या एन्ट्रॉपी (Entropy, $\Delta S \ge 0$) निरंतर बढ़ रही है।
तृतीय नियम (Third Law — नर्नस्ट प्रमेय): किसी पूर्ण क्रिस्टलीय पदार्थ की एन्ट्रॉपी परम शून्य ताप ($0\text{ K}$) पर शून्य हो जाती है, और किसी भी परिमित प्रक्रिया द्वारा किसी निकाय को $0\text{ K}$ तक ठंडा करना असंभव है।

2.4 प्रशीतन (Refrigeration), एयर कंडीशनिंग और रेफ्रिजरेंट गैसों का विकास

प्रशीतक (Refrigerator) वास्तव में विपरीत दिशा में कार्य करने वाला एक ऊष्मा इंजन (Heat Pump) है, जिसमें विद्युत कंप्रेसर द्वारा बाह्य कार्य ($W$) करके ठंडे प्रशीतन कक्ष (Evaporator/Freezer) से ऊष्मा ($Q_2$) खींची जाती है और कमरे के गर्म वातावरण (Condenser coils) में ऊष्मा ($Q_1 = Q_2 + W$) छोड़ दी जाती है।

प्रमुख परीक्षा पहेली (कमरे में फ्रिज का दरवाजा खुला छोड़ना): यदि किसी बंद कमरे में चल रहे रेफ्रिजरेटर का दरवाजा खुला छोड़ दिया जाए, तो कमरा ठंडा होने के बजाय धीरे-धीरे गर्म हो जाएगा (तापमान बढ़ जाएगा)! क्यों? क्योंकि फ्रिज जितनी ऊष्मा अंदर से सोखता है ($Q_2$), पीछे लगे कंडेंसर से उससे अधिक ऊष्मा ($Q_2 + W$, जिसमें कंप्रेसर मोटर की विद्युत ऊर्जा $W$ भी जुड़ जाती है) उसी कमरे में छोड़ देता है।
फ्रीजर पेटिका ऊपर क्यों होती है? घरेलू फ्रिज में फ्रीजर (Evaporator) सबसे ऊपर बनाया जाता है ताकि संवहन (Convection) द्वारा ऊपर की ठंडी भारी हवा नीचे उतरे और नीचे की गर्म हल्की हवा ऊपर जाकर ठंडी हो सके।

सारणी 2.2: प्रशीतक गैसों (Refrigerants) की चार पीढ़ियाँ, ODP, GWP और अंतरराष्ट्रीय संधियाँ (UPSC Prelims 2023)
प्रशीतक श्रेणी एवं उदाहरण	ओज़ोन क्षरण क्षमता (ODP)	ग्लोबल वार्मिंग क्षमता (GWP)	नियामक संधि एवं वर्तमान स्थिति
1. क्लोरोफ्लोरोकार्बन (CFCs: R-11, R-12 / Freon)	अत्यधिक उच्च ($\text{ODP} = 1$)	अत्यधिक उच्च ($4,750\text{–}10,900$)	मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल (1987): क्लोरीन मुक्त मूलक समतापमंडलीय ओज़ोन को नष्ट करते थे। भारत सहित विश्व में नियंत्रित उपयोग हेतु पूर्णतः चरणबद्ध समाप्त (Phased out)।
2. हाइड्रोक्लोरोफ्लोरोकार्बन (HCFCs: R-22)	निम्न ($\approx 0.055$)	उच्च ($\approx 1,810$)	संक्रमणकालीन विकल्प। भारत ने 2015, 2020 और 2025 के मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल HCFC फेज-आउट लक्ष्य समय पर पूरे कर लिए हैं (2030 तक पूर्ण समाप्ति)।
3. हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (HFCs: R-134a, R-410A, R-32)	शून्य ($\text{ODP} = 0$) (क्लोरीन अनुपस्थित)	उच्च से अति-उच्च ($675\text{–}14,800$)	किगाली संशोधन (Kigali Amendment, 2016): ये ओज़ोन परत को नुकसान नहीं पहुँचाते, पर शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस हैं। उपयोग: AC/फ्रिज, एयरोसोल (Aerosols), फोम एजेंट (Foam agents) और अग्नि-मंदक (Fire retardants) (UPSC Prelims 2023)।
4. हाइड्रोफ्लोरोओलेफिन (HFOs: R-1234yf) एवं प्राकृतिक प्रशीतक (R-290 प्रोपेन, R-600a आइसोब्यूटेन, $\text{NH}_3$, $\text{CO}_2$)	शून्य ($\text{ODP} = 0$)	अति-निम्न ($\text{GWP} < 1\text{ से }3$)	जलवायु-अनुकूल चौथी पीढ़ी के हरित प्रशीतक। इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान (ICAP) के तहत प्रोत्साहित।

खंड 03

भारत-केंद्रित आयाम: क्रायोजेनिक इंजन, चंद्रयान-3 का ChaSTE प्रयोग और इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान (ICAP)

3.1 क्रायोजेनिक्स (Cryogenics) और ISRO की स्वदेशी क्रायोजेनिक प्रणोदन क्षमता (CE-7.5 व CE-20)

क्रायोजेनिक्स भौतिकी और अभियांत्रिकी की वह शाखा है जो $-150^\circ\text{C}$ ($123\text{ K}$) से नीचे के अति-निम्न तापमान के उत्पादन और उस ताप पर पदार्थों के व्यवहार का अध्ययन करती है। अंतरिक्ष रॉकेटों (जैसे GSLV और LVM3) के सबसे ऊपरी चरण में क्रायोजेनिक इंजन का उपयोग इसलिए किया जाता है क्योंकि यह ठोस या पृथ्वी-भंडारणीय द्रव ईंधनों की तुलना में प्रति किलोग्राम प्रणोदक सर्वाधिक प्रणोद (उच्चतम विशिष्ट आवेग / Specific Impulse $I_{\text{sp}} \approx 440\text{–}455\text{ s}$) प्रदान करता है:

क्रायोजेनिक प्रणोदक युग्म: इसमें ईंधन के रूप में द्रव हाइड्रोजन ($\text{LH}_2$, क्वथनांक $-253^\circ\text{C}$ या $20\text{ K}$) और ऑक्सीकारक के रूप में द्रव ऑक्सीजन ($\text{LOX}$, क्वथनांक $-183^\circ\text{C}$ या $90\text{ K}$) का उपयोग होता है।
तापीय अभियांत्रिकी की चुनौती: $-253^\circ\text{C}$ पर सामान्य धातुएँ भंगुर (Brittle) हो जाती हैं, सील और वाल्व जम जाते हैं, तथा बाहरी वातावरण की ऊष्मा से द्रव हाइड्रोजन के उबलने (Boil-off) का खतरा रहता है। इसके लिए ISRO के लिक्विड प्रोपल्शन सिस्टम्स सेंटर (LPSC) ने विशेष क्रायो-मिश्रधातुओं और बहु-स्तरीय सुपर-इन्सुलेशन के साथ स्वदेशी CE-7.5 (GSLV Mk-II हेतु, स्टेज्ड कंबशन साइकिल) और भारी CE-20 (LVM3 बाहुबली व गगनयान हेतु, गैस-जनरेटर साइकिल, $200\text{ kN}$ थ्रस्ट) इंजनों का विकास कर भारत को विश्व के 6 चुनिंदा क्रायोजेनिक राष्ट्रों (USA, रूस, फ्रांस/ESA, चीन, जापान, भारत) में स्थापित किया।
अन्य क्रायोजेनिक अनुप्रयोग: MRI मशीनों के अतिचालक चुंबकों को ठंडा करने के लिए द्रव हीलियम (Liquid Helium, $-269^\circ\text{C}$ या $4.2\text{ K}$); वैक्सीन, स्टेम सेल, रक्त, पशु वीर्य और पादप जर्मप्लाज्म के दीर्घकालिक क्रायो-संरक्षण (Cryopreservation) के लिए द्रव नाइट्रोजन (Liquid Nitrogen, $-196^\circ\text{C}$ या $77\text{ K}$)।

3.2 चंद्रयान-3 का 'ChaSTE' (Chandra's Surface Thermophysical Experiment) — चंद्रमा के दक्षिणी ध्रुव का प्रथम तापीय प्रोफाइल

ISRO के विक्रम साराभाई अंतरिक्ष केंद्र (VSSC) की स्पेस फिजिक्स लेबोरेटरी (SPL) और अहमदाबाद की भौतिक अनुसंधान प्रयोगशाला (PRL) द्वारा विकसित ChaSTE पेलोड ने चंद्रयान-3 के विक्रम लैंडर से उतरकर चंद्रमा के दक्षिणी ध्रुवीय क्षेत्र में ऊष्मा चालन का ऐतिहासिक इन-सीटू मापन किया:

कार्य-प्रणाली: इसमें $1\text{ cm}$ की दूरी पर लगे 10 उच्च-परिशुद्धता तापमान संवेदकों (RTDs) और एक तापन अवयव (Heater) वाली प्रोब थी, जिसने हथौड़े (Hammering—जिसमें ESA का Philae और NASA का InSight HP3 विफल हुए थे) के बजाय घूर्णन-आधारित तंत्र (Rotation-based deployment mechanism) से चंद्र मृदा (Regolith) में $10\text{ cm}$ गहराई तक प्रवेश किया।
चौंकाने वाला तापीय निष्कर्ष: ChaSTE ने पाया कि जब चंद्रमा की ऊपरी सतह का तापमान सूर्य की धूप में लगभग $+50^\circ\text{C}$ से $+70^\circ\text{C}$ के बीच था, तब सतह से मात्र $8\text{ cm}$ ($80\text{ mm}$) नीचे तापमान अचानक गिरकर $-10^\circ\text{C}$ था!
वैज्ञानिक निहितार्थ: यह तीव्र ताप-प्रवणता सिद्ध करती है कि चंद्रमा की ऊपरी रेगोलिथ परत निर्वात में अत्यंत उच्च कोटि की तापीय कुचालक (Super Thermal Insulator — अत्यंत निम्न तापीय चालकता) है। इसका अर्थ है कि चंद्रमा की सतह के मात्र कुछ सेंटीमीटर नीचे दिन की भीषण गर्मी प्रवेश नहीं कर पाती, जिससे उच्च अक्षांशों व ढलानों के नीचे जल-बर्फ (Water-ice) के सुरक्षित रहने की संभावना बहुत अधिक है और भविष्य के मानव चंद्र आवासों (Lunar Habitats) को रेगोलिथ से ढककर प्राकृतिक थर्मल इन्सुलेशन दिया जा सकता है।

3.3 इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान (ICAP) और ऊर्जा दक्षता ब्यूरो (BEE) के मानक

पर्यावरण, वन और जलवायु परिवर्तन मंत्रालय (MoEFCC) द्वारा मार्च 2019 में जारी 'इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान' (ICAP) ने भारत को विश्व का पहला ऐसा देश बनाया जिसने राष्ट्रीय स्तर पर 20-वर्षीय (2017–18 से 2037–38) समेकित शीतलन रोडमैप तैयार किया। इसके प्रमुख लक्ष्य हैं: (i) 2037–38 तक सभी क्षेत्रों में कुल शीतलन माँग (Cooling demand) में 20% से 25% की कमी; (ii) रेफ्रिजरेंट (प्रशीतक) की माँग में 25% से 30% की कमी; (iii) शीतलन के लिए आवश्यक ऊर्जा में 25% से 40% की कमी; और (iv) 1 लाख सर्विसिंग तकनीशियनों का प्रशिक्षण। साथ ही, विद्युत मंत्रालय के ऊर्जा दक्षता ब्यूरो (BEE) ने एयर कंडीशनरों के लिए डिफ़ॉल्ट तापमान सेटिंग $24^\circ\text{C}$ तथा परिचालन सीमा $20^\circ\text{C}\text{–}28^\circ\text{C}$ के मानकीकरण की दिशा में कदम उठाए हैं (प्रत्येक $1^\circ\text{C}$ तापमान बढ़ाने पर लगभग $6\%$ बिजली की बचत होती है)।

खंड 04

समसामयिकी संबंध (2025–2026 के सत्यापित घटनाक्रम एवं CSE 2027 प्रासंगिकता)

4.1 किगाली संशोधन के 10 वर्ष (15 अक्टूबर 2026) और भारत का HFC फेज-डाउन कार्यक्रम (PIB सितंबर–अक्टूबर 2026)

सत्यापित संदर्भ (PIB 16 सितंबर 2026 एवं 15 अक्टूबर 2026): रवांडा के किगाली में 15 अक्टूबर 2016 को अपनाए गए मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल के 'किगाली संशोधन' (Kigali Amendment) ने अक्टूबर 2026 में अपने 10 वर्ष पूरे किए। 32वें विश्व ओज़ोन दिवस (16 सितंबर 2026) पर पर्यावरण मंत्रालय ने भारत की प्रगति की आधिकारिक पुष्टि की:

HCFC लक्ष्य पूर्ण: भारत ने मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल के त्वरित कार्यक्रम के तहत हाइड्रोक्लोरोफ्लोरोकार्बन (HCFCs) के 2015, 2020 और 2025 के चरणबद्ध कटौती लक्ष्यों को सफलतापूर्वक पूरा कर लिया है।
भारत की HFC फेज-डाउन समय-सारणी (अति-महत्त्वपूर्ण Prelims तथ्य): भारत ने सितंबर 2021 में किगाली संशोधन का अनुसमर्थन (Ratification) किया (जो भारत के लिए 26 दिसंबर 2021 से लागू हुआ)। भारत विकासशील देशों के 'समूह-2' (Article 5 Group 2 — भारत, खाड़ी देश, ईरान, इराक, पाकिस्तान) में है, जिसके लिए सबसे लचीली समय-सीमा तय की गई है:
1. आधार-रेखा (Baseline Years): 2024, 2025 और 2026 के औसत HFC उत्पादन/उपभोग (तथा HCFC बेसलाइन का 65%)।
2. फ्रीज वर्ष (Freeze Year): 2028।
3. 4 चरणों में 85% कटौती: 2032 में 10% कटौती $\rightarrow$ 2037 में 20% कटौती $\rightarrow$ 2042 में 30% कटौती $\rightarrow$ 2047 में 85% कटौती। (इसके पूर्ण कार्यान्वयन से सदी के अंत तक वैश्विक तापमान वृद्धि को $0.3^\circ\text{C}\text{–}0.5^\circ\text{C}$ तक रोका जा सकेगा)।

4.2 चंद्रयान-3 'ChaSTE' के तापीय डेटा से चंद्र ध्रुवों पर व्यापक जल-बर्फ का नया वैज्ञानिक प्रमाण (2025–2026)

सत्यापित संदर्भ (2025–2026 PRL/ISRO शोध निष्कर्ष): वर्ष 2025–2026 में प्रकाशित चंद्रयान-3 के ChaSTE प्रयोग के विस्तृत तापीय मॉडलिंग विश्लेषण ने दिखाया कि चंद्रमा के उच्च अक्षांशों में सूर्य से विपरीत झुकी हुई मात्र $14^\circ$ या उससे अधिक ढलान वाली सतहों के नीचे का उप-सतही तापमान इतना कम और स्थिर रहता है कि वहाँ ध्रुवीय स्थायी छाया क्षेत्रों (PSRs) के बाहर भी आसानी से जल-बर्फ (Water-ice) संरक्षित रह सकती है।

4.3 रात्रि के बढ़ते तापमान और नगरीय ऊष्मा द्वीप (Urban Heat Island — UHI) शमन पहलें (2025–2026)

सत्यापित संदर्भ (2025–2026 IMD व शहरी ताप कार्ययोजनाएँ): भारतीय मौसम विभाग (IMD) और राष्ट्रीय आपदा प्रबंधन प्राधिकरण (NDMA) के 2025–2026 के अध्ययनों ने रेखांकित किया है कि भारतीय महानगरों में कंक्रीट व डामर की उच्च तापीय धारिता (High thermal mass) और कम एल्बेडो के कारण रात्रि का न्यूनतम तापमान (Warm Nights) ग्रामीण क्षेत्रों से $4^\circ\text{C}\text{–}6^\circ\text{C}$ अधिक रह रहा है, जिससे मानव शरीर को रात्रिकालीन तापीय विश्राम नहीं मिल पाता। इसके समाधान हेतु 'हीट एक्शन प्लान' (HAPs) में उच्च-एल्बेडो कूल रूफ्स (Cool Roofs — सूर्य के प्रकाश का $>70\%$ परावर्तन करने वाली सफेद/पॉलिमर छतें), डिस्ट्रिक्ट कूलिंग सिस्टम (District Cooling Systems) और हरित-नीली अवसंरचना को प्राथमिकता दी गई है।

खंड 05

प्रारंभिक परीक्षा दृष्टि (Prelims High-Yield Pointers & Common Traps)

⚠️ UPSC Prelims के 6 प्रमुख वैचारिक भ्रम (Traps) — जहाँ अभ्यर्थी गलती करते हैं

भ्रम 1 (HFC और ओज़ोन परत क्षरण): कथन आता है कि "हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (HFCs) ओज़ोन परत को गंभीर रूप से नष्ट करते हैं, इसलिए उन्हें किगाली संशोधन के तहत प्रतिबंधित किया गया है।" सत्य (Trap): HFCs में क्लोरीन या ब्रोमीन नहीं होता, इसलिए उनकी ओज़ोन क्षरण क्षमता शून्य ($\text{ODP} = 0$) होती है! उन्हें ओज़ोन क्षरण के लिए नहीं, बल्कि उनकी उच्च ग्लोबल वार्मिंग क्षमता (High GWP) के कारण किगाली संशोधन के तहत फेज-डाउन किया जा रहा है।
भ्रम 2 (मेघयुक्त रातों में ओस न बनने का कारण): "बादल पृथ्वी के विकिरण को अवशोषित कर लेते हैं" बनाम "बादल पृथ्वी के विकिरण को वापस परावर्तित कर देते हैं"। सत्य (UPSC Prelims 2019 आधिकारिक कुंजी): बादल पृथ्वी से निकलने वाले पार्थिव विकिरण को वापस पृथ्वी की सतह की ओर परावर्तित (Reflect back) कर देते हैं, जिससे निचली वायु गर्म बनी रहती है और ओसांक (Dew point) तक ठंडी नहीं हो पाती।
भ्रम 3 ($4^\circ\text{C}$ के जल को ठंडा करने पर आयतन): छात्र सोचते हैं कि ठंडा करने पर हर वस्तु सिकुड़ती है। सत्य: जल को $4^\circ\text{C}$ से $0^\circ\text{C}$ तक ठंडा करने पर उसका आयतन बढ़ता है और घनत्व घटता है।
भ्रम 4 (बंद कमरे में खुला फ्रिज या पंखा चलाना): बंद कमरे में फ्रिज का दरवाजा खुला छोड़ने या सीलिंग फैन चलाने से कमरे का तापमान कम नहीं होता, बल्कि विद्युत ऊर्जा के ऊष्मा में बदलने से कमरे का तापमान थोड़ा बढ़ जाता है (पंखा केवल शरीर के पसीने का वाष्पीकरण तेज कर हमें ठंडक का आभास कराता है, कमरे की हवा को ठंडा नहीं करता)।
भ्रम 5 (काली वस्तु को अंधेरे में गर्म करने पर चमक): किरचॉफ के नियम के अनुसार काली वस्तु जितनी अच्छी अवशोषक है, उतनी ही अच्छी उत्सर्जक भी है; इसलिए यदि एक काली और एक सफेद चीनी मिट्टी की प्लेट को साथ में उच्च ताप तक गर्म करके अंधेरे कमरे में ले जाया जाए, तो काली प्लेट अधिक चमकेगी!
भ्रम 6 (धातु की मेज में जड़ा पीतल का सिक्का गर्म करने पर छेद का आकार): यदि धातु की प्लेट में एक वृत्ताकार छेद (Cavity) हो और प्लेट को गर्म किया जाए, तो छेद सिकुड़कर छोटा नहीं होता, बल्कि छेद का व्यास भी बढ़ता है (जैसे फोटोग्राफिक विस्तार हो)।

खंड 06

मुख्य परीक्षा दृष्टि (GS-III एवं GS-I विश्लेषण: सतत शीतलन, ऊर्जा सुरक्षा और शीत-श्रृंखला)

6.1 भारत की 'शीतलन दुविधा' (Cooling Dilemma): विकास, स्वास्थ्य, ऊर्जा ग्रिड और जलवायु प्रतिबद्धताओं का संतुलन

बढ़ती तापीय माँग एवं ऊर्जा सुरक्षा: भारत में बढ़ती आय, शहरीकरण और तीव्र हीटवेव के कारण 2037–38 तक शीतलन की माँग में 8 गुना वृद्धि अनुमानित है। वर्तमान में शहरी पीक बिजली माँग (Peak Power Load) का 40% से 50% हिस्सा केवल एयर कंडीशनिंग और कूलिंग उपकरणों से आता है।
AC का दुष्चक्र (Positive Feedback Loop): ऊष्मागतिकी के द्वितीय नियम के अनुसार एयर कंडीशनर कमरे के अंदर से जितनी ऊष्मा निकालता है, विद्युत कार्य ($W$) जोड़कर उससे कहीं अधिक अपशिष्ट ऊष्मा (Waste Heat) शहर की बाहरी हवा में फेंकता है—जो 'नगरीय ऊष्मा द्वीप' (UHI) प्रभाव को और बढ़ाता है।
कृषि एवं स्वास्थ्य शीत-श्रृंखला (Cold Chain Infrastructure): भारत में फलों, सब्जियों और डेयरी उत्पादों की कटाई-पश्चात् 15%–30% बर्बादी तथा यूनिवर्सल इम्यूनाइजेशन प्रोग्राम (टीकों को $2^\circ\text{C}\text{–}8^\circ\text{C}$ पर रखने की इलेक्ट्रॉनिक वैक्सीन इंटेलिजेंस नेटवर्क — eVIN प्रणाली) के लिए ऊर्जा-दक्ष और सौर-चालित कोल्ड-चेन अनिवार्य है।
समाधान की चतुर्मुखी रणनीति (ICAP + Kigali): (1) निष्क्रिय भवन डिज़ाइन (Passive Cooling Architecture): ECBC (Energy Conservation Building Code) और 'ईको-निवास संहिता' के माध्यम से इंसुलेटेड दीवारें, कूल रूफ्स और प्राकृतिक संवहन वेंटिलेशन; (2) डिस्ट्रिक्ट कूलिंग सिस्टम (DCS): अलग-अलग रूम AC के स्थान पर केंद्रीय चिलर प्लांट से पूरे व्यावसायिक परिसर में ठंडा पानी प्रवाहित करना (जैसे GIFT सिटी, गांधीनगर व हैदराबाद), जिससे 30%–40% बिजली बचती है; (3) स्वदेशी लो-GWP रेफ्रिजरेंट R&D: HFOs और प्राकृतिक रेफ्रिजरेंट पर विदेशी पेटेंट एकाधिकार से बचने के लिए CSIR प्रयोगशालाओं द्वारा स्वदेशी प्रशीतक अणुओं का विकास।

खंड 07

वास्तविक UPSC प्रारंभिक परीक्षा प्रश्नावली (Verified Prelims PYQs)

नीचे इस अध्याय (प्रशीतक गैसें, विकिरण व ओस, प्रेशर कुकर क्वथनांक तथा जल का असामान्य प्रसार) से सीधे जुड़े आधिकारिक UPSC CSE प्रारंभिक परीक्षा प्रश्न दिए गए हैं। (नोट: मूल अंग्रेजी प्रश्न के साथ 'विश्वसनीय हिंदी अनुवाद' दिया गया है और उत्तर आधिकारिक UPSC उत्तर-कुंजी से सत्यापित हैं।)

वास्तविक UPSC PYQ • CSE Prelims 2023 (GS Paper-I) उत्तर-कुंजी: आधिकारिक UPSC कुंजी से सत्यापित | विश्वसनीय हिंदी अनुवाद सहित

प्रश्न 1. निम्नलिखित पर विचार कीजिए: (Consider the following:) 1. एयरोसोल (Aerosols) 2. फोम एजेंट (Foam agents) 3. अग्नि मंदक (Fire retardants) 4. स्नेहक (Lubricants) उपर्युक्त में से कितनों को बनाने में हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (Hydrofluorocarbons — HFCs) प्रयुक्त होते हैं?

सही उत्तर: (c) केवल तीन (1, 2 और 3 सही हैं; आधिकारिक UPSC उत्तर-कुंजी के अनुसार 'Only three')
विस्तृत व्याख्या:

हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (HFCs) के मुख्य औद्योगिक उपयोग: एयर कंडीशनिंग और रेफ्रिजरेशन (शीतलन) के अतिरिक्त HFCs का व्यापक उपयोग (1) एयरोसोल प्रणोदक (Aerosol propellants — जैसे मीटर-डोज़ इनहेलर और स्प्रे), (2) इंसुलेटिंग फोम ब्लोइंग एजेंट (Foam agents — पॉलीयूरेथेन फोम बनाने में), और (3) अग्नि शमन/अग्नि मंदक प्रणालियों (Fire retardants/extinguishers — हैलोन के विकल्प के रूप में जैसे HFC-227ea) तथा विलायकों (Solvents) में किया जाता है।
विकल्प 4 (स्नेहक / Lubricants) क्यों शामिल नहीं है: HFCs स्वयं स्नेहक (Lubricants) बनाने में प्रयुक्त नहीं होते (बल्कि HFC कंप्रेसर में सिंथेटिक पॉलीओल एस्टर — POE तेलों का स्नेहक के रूप में अलग से उपयोग किया जाता है)। अतः आधिकारिक UPSC उत्तर-कुंजी में (c) केवल तीन को सही उत्तर माना गया है।

स्रोत: UPSC CSE Prelims 2023 GS Paper-I (Official Paper & Answer Key)

उत्तर एवं व्याख्या देखें (बिना जावास्क्रिप्ट / त्वरित पठन)

सही उत्तर: (c) केवल तीन (एयरोसोल, फोम एजेंट और अग्नि मंदक में HFC प्रयुक्त होते हैं; स्नेहक में नहीं)।

वास्तविक UPSC PYQ • CSE Prelims 2019 (GS Paper-I) उत्तर-कुंजी: आधिकारिक UPSC कुंजी से सत्यापित | विश्वसनीय हिंदी अनुवाद सहित

प्रश्न 2. मेघाच्छादित रात में ओस की बूँदें क्यों नहीं बनतीं? (Why are dewdrops not formed on a cloudy night?)

सही उत्तर: (b) पृथ्वी के विकिरण को बादल वापस परावर्तित कर देते हैं।
विस्तृत व्याख्या:

ओस बनने की तापीय शर्त: रात्रि के समय जब पृथ्वी की सतह दीर्घ-तरंग अवरक्त पार्थिव विकिरण (Long-wave terrestrial infrared radiation) उत्सर्जित कर ठंडी होती है और सतह के संपर्क वाली वायु का तापमान उसके ओसांक (Dew point) से नीचे गिर जाता है, तब जलवाष्प संघनित होकर ओस की बूँदें बनाती है।
मेघाच्छादित रात का प्रभाव: स्वच्छ आकाश वाली रात में पार्थिव विकिरण बेरोकटोक अंतरिक्ष में चला जाता है जिससे सतह तेजी से ठंडी होती है। किंतु बादलों वाली रात में बादल एक कंबल की तरह कार्य करते हैं और पृथ्वी से निकलने वाले ऊष्मीय विकिरण को वापस पृथ्वी की सतह की ओर परावर्तित/पुनःविकिरित (Reflect back) कर देते हैं। इससे धरातल गर्म बना रहता है और ओस नहीं बनती।

स्रोत: UPSC CSE Prelims 2019 GS Paper-I (Official Paper & Answer Key)

उत्तर एवं व्याख्या देखें (बिना जावास्क्रिप्ट / त्वरित पठन)

सही उत्तर: (b) पृथ्वी के विकिरण को बादल वापस परावर्तित कर देते हैं, जिससे धरातल का तापमान ओसांक तक नीचे नहीं गिर पाता।

वास्तविक UPSC PYQ • CSE Prelims 2021 (GS Paper-I — क्वथनांक एवं ऊष्मागतिकी) उत्तर-कुंजी: आधिकारिक UPSC कुंजी से सत्यापित | विश्वसनीय हिंदी अनुवाद सहित

प्रश्न 3. प्रेशर कुकर में, जिस तापमान पर खाद्य पकता है, वह मुख्यतः निम्नलिखित में से किस पर निर्भर करता है? 1. ढक्कन में स्थित छिद्र का क्षेत्रफल (Area of the hole in the lid) 2. ज्वाला का तापमान (Temperature of the flame) 3. ढक्कन का भार (Weight of the lid) नीचे दिए गए कूट का प्रयोग कर सही उत्तर चुनिए:

सही उत्तर: (c) केवल 1 और 3
विस्तृत व्याख्या: ऊष्मागतिकी के क्लॉसियस-क्लैपेरॉन समीकरण (Clausius-Clapeyron relation) के अनुसार किसी द्रव का क्वथनांक उस पर आरोपित वाष्प दाब के साथ बढ़ता है। प्रेशर कुकर में अधिकतम वाष्प दाब ढक्कन के छिद्र के क्षेत्रफल (1) और सीटी/ढक्कन के भार (3) से नियंत्रित होता है। प्रावस्था परिवर्तन (उबलने) के दौरान तापमान स्थिर रहता है, इसलिए ज्वाला का तापमान (2) बढ़ाने से केवल वाष्पन की दर बढ़ती है, पकने का तापमान नहीं।
स्रोत: UPSC CSE Prelims 2021 GS Paper-I (Official Paper & Answer Key)

उत्तर एवं व्याख्या देखें (बिना जावास्क्रिप्ट / त्वरित पठन)

सही उत्तर: (c) केवल 1 और 3।

वास्तविक UPSC PYQ • CSE Prelims 2011 (GS Paper-I — जल का असामान्य प्रसार) उत्तर-कुंजी: आधिकारिक UPSC कुंजी से सत्यापित | विश्वसनीय हिंदी अनुवाद सहित

प्रश्न 4. भीषण सर्दियों में किसी झील की सतह जम जाती है, किंतु उसके तल (Bottom) का जल फिर भी द्रव अवस्था में बना रहता है। इसका क्या कारण है? (The surface of a lake is frozen in severe winter, but the water at its bottom is still liquid. What is the reason?)

सही उत्तर: (c) जल की सघनता (घनत्व) 4°C पर अधिकतम होती है।
विस्तृत व्याख्या:

विकल्प (c) सर्वाधिक मूलभूत और सही कारण क्यों है: यद्यपि बर्फ ऊष्मा की कुचालक भी है (कथन a आंशिक रूप से सहायक तथ्य है), परंतु यदि जल का घनत्व $4^\circ\text{C}$ पर अधिकतम न होता, तो सामान्य द्रवों की तरह सबसे ठंडा ($0^\circ\text{C}$) पानी सबसे भारी होकर तली में बैठ जाता और झील नीचे से ऊपर की ओर पूरी तरह जम जाती! चूँकि जल का घनत्व $4^\circ\text{C}$ पर अधिकतम होता है, इसलिए $4^\circ\text{C}$ का भारी जल तली में बैठ जाता है और $0^\circ\text{C}$ का हल्का जल व बर्फ ऊपर तैरती रहती है। आधिकारिक UPSC उत्तर-कुंजी में विकल्प (c) को ही सही उत्तर घोषित किया गया है।

स्रोत: UPSC CSE Prelims 2011 GS Paper-I (Official Paper & Answer Key)

उत्तर एवं व्याख्या देखें (बिना जावास्क्रिप्ट / त्वरित पठन)

सही उत्तर: (c) जल की सघनता (घनत्व) 4°C पर अधिकतम होती है।

खंड 08

मुख्य परीक्षा वास्तविक प्रश्न एवं आदर्श उत्तर (Verified UPSC Mains PYQ)

सत्यापन नोट: वर्ष 2016–2026 के GS-III प्रश्नपत्रों में केवल शुद्ध शास्त्रीय ऊष्मागतिकी (Classical Thermodynamics) पर स्वतंत्र प्रश्न नहीं पूछा गया, किंतु ऊष्मा-अवशोषण, विकिरण, एल्बेडो और अपशिष्ट ऊष्मा (Waste Heat) के अनुप्रयोग पर UPSC Mains में 'नगरीय ऊष्मा द्वीप (Urban Heat Island)' तथा 'तापीय व्युत्क्रमण (Temperature Inversion)' पर प्रत्यक्ष प्रश्न पूछा गया है, जिसका आदर्श उत्तर नीचे दिया गया है:

वास्तविक UPSC Mains PYQ • CSE Mains (GS Paper-I / GS-III पर्यावरण व तापीय भौतिकी अंतर-संबंध) 150 शब्द मानक • ऊष्मा बजट, एल्बेडो एवं अपशिष्ट ऊष्मा

प्रश्न 1: विश्व के नगरीय पर्यावासों में 'ऊष्मा द्वीपों (Heat Islands)' के निर्माण के कारणों को स्पष्ट कीजिए।
(Bring out the causes for the formation of heat islands in the urban habitat of the world. — 150 Words)

आदर्श उत्तर (150 शब्द मानक):

भूमिका: 'नगरीय ऊष्मा द्वीप' (Urban Heat Island — UHI) वह सूक्ष्म-जलवायविक और तापीय परिघटना है जिसमें महानगरों का सतही व वायुमंडलीय तापमान (विशेषकर शांत और स्वच्छ रातों में) उनके आसपास के ग्रामीण या अर्ध-शहरी क्षेत्रों की तुलना में $3^\circ\text{C}$ से $8^\circ\text{C}$ तक अधिक बना रहता है।

निर्माण के प्रमुख तापीय एवं भौतिक कारण:

निम्न एल्बेडो और उच्च विशिष्ट ऊष्मा धारिता (High Thermal Mass): शहरों में प्रयुक्त काले डामर (Asphalt) की सड़कें, कंक्रीट और ईंटें कम एल्बेडो ($0.05\text{–}0.15$) के कारण दिन में अत्यधिक सौर विकिरण सोख लेती हैं और उच्च तापीय जड़त्व के कारण रात भर धीरे-धीरे दीर्घ-तरंग अवरक्त विकिरण उत्सर्जित कर शहर को गर्म रखती हैं।
वाष्पोत्सर्जन शीतलन (Evaporative Cooling) का ह्रास: वृक्षों की कटाई, आर्द्रभूमियों के अतिक्रमण और अपारगम्य पक्के फर्श (Impervious pavements) के कारण मृदा की नमी का वाष्पीकरण रुक जाता है, जिससे प्राकृतिक गुप्त-ऊष्मा शीतलन समाप्त हो जाता है।
नगरीय कैन्यन ज्यामिति (Urban Canyon Effect): पास-पास बनी गगनचुंबी इमारतें पवन के संवहनीय प्रवाह (Convective ventilation) को रोकती हैं और इमारतों से निकलने वाला अवरक्त विकिरण अंतरिक्ष में जाने के बजाय दीवारों के बीच बार-बार परावर्तित होकर फँस जाता है।
मानवजनित अपशिष्ट ऊष्मा (Anthropogenic Waste Heat): लाखों एयर कंडीशनरों के कंडेंसरों, वाहनों के दहन इंजनों, उद्योगों और वायुमंडलीय स्मॉग/एयरोसोल गुंबद (Pollution Dome) द्वारा उत्सर्जित ऊष्मा इस तापीय गुंबद को और सघन बना देती है।

निष्कर्ष: UHI के शमन के लिए 'इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान' (ICAP) के अनुरूप उच्च-एल्बेडो कूल रूफ्स, डिस्ट्रिक्ट कूलिंग, पेरिएबल पेवमेंट और शहरी वानिकी (Urban Forestry) को नगर नियोजन में अनिवार्य करना आवश्यक है।

खंड 09

नए मौलिक अभ्यास प्रश्न (UPSC CSE 2027 — 16 Prelims MCQs एवं 4 Mains अभ्यास प्रश्न)

स्पष्टीकरण: नीचे दिए गए सभी 16 बहुविकल्पीय प्रश्न और 4 मुख्य परीक्षा प्रश्न UPSC CSE 2027 की तैयारी हेतु निर्मित मौलिक अभ्यास प्रश्न (Original Practice Questions) हैं; ये पिछले वर्षों के प्रश्न (PYQ) नहीं हैं।

9.1 प्रारंभिक परीक्षा अभ्यास टेस्ट (16 UPSC-स्तरीय बहुविकल्पीय प्रश्न)

अभ्यास प्रश्न 01 • चंद्रयान-3 का 'ChaSTE' तापीय प्रयोग स्तर: समसामयिकी + तापीय चालकता

प्रश्न 1. चंद्रयान-3 के विक्रम लैंडर पर लगे पेलोड 'ChaSTE (Chandra's Surface Thermophysical Experiment)' के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: 1. यह चंद्रमा के दक्षिणी ध्रुवीय क्षेत्र में उप-सतही मृदा (Regolith) का इन-सीटू तापमान प्रोफाइल और तापीय चालकता मापने वाला विश्व का पहला उपकरण बना। 2. इसके मापन से पता चला कि चंद्रमा की ऊपरी सतह के मात्र 8–10 सेंटीमीटर नीचे तापमान सतह की तुलना में 60°C से अधिक कम (-10°C तक) था, जो सिद्ध करता है कि चंद्र रेगोलिथ एक अत्यंत प्रबल तापीय सुचालक (Good thermal conductor) है। उपर्युक्त में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं?

सही उत्तर: (c) केवल 1
व्याख्या: कथन 1 पूर्णतः सही है। कथन 2 का पूर्वार्ध सही है ($+50^\circ\text{C}$ से $+70^\circ\text{C}$ की सतह के मात्र $8\text{ cm}$ नीचे तापमान $-10^\circ\text{C}$ मिला), किंतु उसका वैज्ञानिक निष्कर्ष उल्टा लिखा गया है—इतनी कम गहराई में इतना विशाल तापांतर यह सिद्ध करता है कि चंद्र रेगोलिथ ऊष्मा को नीचे नहीं जाने देती, अर्थात् वह एक अत्यंत उच्च कोटि की तापीय कुचालक / रोधक (Thermal Insulator / Very low thermal conductivity) है, सुचालक नहीं!

उत्तर देखें

सही उत्तर: (c) केवल 1 (चंद्र रेगोलिथ अत्यंत उत्कृष्ट तापीय कुचालक/रोधक है, सुचालक नहीं)।

अभ्यास प्रश्न 02 • किगाली संशोधन (10 वर्ष: 2016–2026) एवं HFCs स्तर: पर्यावरण एवं प्रशीतन प्रौद्योगिकी

प्रश्न 2. मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल के 'किगाली संशोधन (Kigali Amendment)' और 'हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (HFCs)' के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: 1. हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (HFCs) की ओज़ोन क्षरण क्षमता (ODP) शून्य होती है, किंतु उनकी ग्लोबल वार्मिंग क्षमता (GWP) कार्बन डाइऑक्साइड की तुलना में सैकड़ों से हजारों गुना अधिक होती है। 2. किगाली संशोधन के अंतर्गत भारत को वर्ष 2025 तक अपने HFC उत्पादन और उपभोग को पूर्णतः शून्य (100% Phase-out) करना अनिवार्य था। 3. भारत ने 2032 से 2047 के बीच चार चरणों में HFC उपभोग में 85% की कटौती करने का लक्ष्य स्वीकार किया है। उपर्युक्त में से कौन-से कथन सही हैं?

सही उत्तर: (b) केवल 1 और 3
व्याख्या: कथन 1 और 3 सही हैं (PIB विज्ञप्ति, सितंबर 2026)। कथन 2 गलत है क्योंकि किगाली संशोधन HFCs के पूर्ण उन्मूलन (100% Phase-out) के बजाय चरणबद्ध कटौती (Phase-down) का प्रावधान करता है, और भारत (समूह-2 विकासशील देश) के लिए फ्रीज वर्ष 2028 है तथा 4 चरणों में कटौती 2032 (10%), 2037 (20%), 2042 (30%) और 2047 (85%) निर्धारित है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (b) केवल 1 और 3।

अभ्यास प्रश्न 03 • जल का असामान्य प्रसार (4°C पहेली) स्तर: UPSC Prelims वैचारिक Trap

प्रश्न 3. एक काँच का बीकर ठीक 4°C तापमान वाले शुद्ध जल से ऊपर के किनारे तक लबालब भरा हुआ है। अब यदि इस बीकर के जल के साथ दो प्रयोग किए जाएँ: • स्थिति A: जल का तापमान 4°C से बढ़ाकर 10°C किया जाए। • स्थिति B: जल का तापमान 4°C से घटाकर 1°C किया जाए। इन दोनों स्थितियों में क्या प्रेक्षण प्राप्त होगा?

सही उत्तर: (d) स्थिति A और स्थिति B दोनों में ही बीकर से पानी बाहर छलक जाएगा।
व्याख्या: जल का घनत्व $4^\circ\text{C}$ पर अधिकतम और आयतन $4^\circ\text{C}$ पर न्यूनतम होता है। अतः $4^\circ\text{C}$ से चाहे तापमान बढ़ाया जाए ($4^\circ\text{C} \rightarrow 10^\circ\text{C}$) या घटाया जाए ($4^\circ\text{C} \rightarrow 1^\circ\text{C}$)—दोनों ही दिशाओं में जल का घनत्व घटेगा और उसका आयतन बढ़ेगा, जिससे लबालब भरे बीकर से पानी बाहर छलक जाएगा।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (d) दोनों स्थितियों में आयतन बढ़ने के कारण पानी बाहर छलक जाएगा।

अभ्यास प्रश्न 04 • वाष्पन की गुप्त ऊष्मा (Latent Heat of Vaporization) स्तर: कारण-परिणाम विश्लेषण

प्रश्न 4. 100°C के उबलते हुए जल की तुलना में 100°C की भाप (Steam) से शरीर का जलना अधिक कष्टदायक और गंभीर क्यों होता है?

सही उत्तर: (c)
व्याख्या: जब $100^\circ\text{C}$ की भाप त्वचा के संपर्क में आकर $100^\circ\text{C}$ के द्रव जल में संघनित होती है, तो वह त्वचा को प्रति ग्राम $540\text{ cal}$ ($2.26 \times 10^6\text{ J/kg}$) अतिरिक्त गुप्त ऊष्मा छोड़ती है, जिससे ऊतकों को कहीं अधिक क्षति पहुँचती है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (c) वाष्पन की गुप्त ऊष्मा (540 cal/g) के कारण।

अभ्यास प्रश्न 05 • बंद कमरे में खुला रेफ्रिजरेटर स्तर: ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम

प्रश्न 5. यदि किसी पूर्णतः बंद और ऊष्मा-रोधी कमरे में एक चालू रेफ्रिजरेटर (Fridge) का दरवाजा कुछ घंटों के लिए खुला छोड़ दिया जाए, तो कमरे के औसत तापमान पर क्या प्रभाव पड़ेगा?

सही उत्तर: (a) कमरे का तापमान धीरे-धीरे बढ़ जाएगा।
व्याख्या: एयर कंडीशनर में कंडेंसर की गर्म कॉइल कमरे के बाहर लगी होती है, इसलिए वह कमरे को ठंडा करता है। परंतु रेफ्रिजरेटर की ठंडी इवेपोरेटर कॉइल और पीछे की गर्म कंडेंसर कॉइल दोनों ही बंद कमरे के भीतर हैं। फ्रिज का दरवाजा खोलने पर वह कमरे से जितनी ऊष्मा ($Q_2$) खींचेगा, उसमें कंप्रेसर द्वारा खर्च की गई विद्युत ऊर्जा ($W$) जोड़कर कुल $Q_1 = Q_2 + W$ ऊष्मा वापस उसी कमरे में छोड़ेगा; अतः शुद्ध रूप से कमरे में $W$ ऊष्मा जुड़ती जाएगी और कमरा गर्म हो जाएगा।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (a) कमरे का तापमान बढ़ जाएगा।

अभ्यास प्रश्न 06 • क्रायोजेनिक इंजन (ISRO CE-20) स्तर: अंतरिक्ष प्रणोदन एवं अति-निम्न ताप

प्रश्न 6. ISRO के LVM3 रॉकेट में प्रयुक्त स्वदेशी 'क्रायोजेनिक इंजन (CE-20)' के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: 1. इसमें ईंधन के रूप में द्रव हाइड्रोजन (-253°C पर) और ऑक्सीकारक के रूप में द्रव नाइट्रोजन (-196°C पर) का उपयोग किया जाता है। 2. ठोस और सामान्य कक्ष-तापमान वाले द्रव प्रणोदकों की तुलना में क्रायोजेनिक प्रणोदक प्रति किलोग्राम ईंधन अधिक प्रणोद (उच्च विशिष्ट आवेग / High Specific Impulse) प्रदान करते हैं। उपर्युक्त में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं?

सही उत्तर: (b) केवल 2
व्याख्या: कथन 1 गलत है क्योंकि क्रायोजेनिक इंजन में ऑक्सीकारक के रूप में द्रव नाइट्रोजन का नहीं, बल्कि द्रव ऑक्सीजन ($\text{LOX}$, $-183^\circ\text{C}$ पर) का उपयोग द्रव हाइड्रोजन ($\text{LH}_2$, $-253^\circ\text{C}$ पर) के साथ किया जाता है (नाइट्रोजन दहन में सहायक नहीं होती)। कथन 2 पूर्णतः सही है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (b) केवल 2 (ऑक्सीकारक द्रव ऑक्सीजन LOX -183°C होता है, द्रव नाइट्रोजन नहीं)।

अभ्यास प्रश्न 07 • वीन का विस्थापन नियम एवं तारों का रंग स्तर: विकिरण भौतिकी एवं खगोल विज्ञान

प्रश्न 7. रात्रि के आकाश में विभिन्न तारे लाल, पीले, श्वेत या नीले रंग के दिखाई देते हैं। किसी तारे का रंग मुख्यतः उसके किस भौतिक गुण को दर्शाता है, और इस संबंध को कौन-सा नियम स्पष्ट करता है?

सही उत्तर: (c) तारे का पृष्ठीय तापमान — वीन का विस्थापन नियम
व्याख्या: वीन के विस्थापन नियम ($\lambda_{\text{max}} \cdot T = b$) के अनुसार, तारे का पृष्ठीय तापमान ($T$) जितना अधिक होगा, उससे उत्सर्जित प्रकाश की चरम तरंगदैर्ध्य ($\lambda_{\text{max}}$) उतनी ही कम होगी। इसलिए नीले तारे ($\approx 25,000\text{–}40,000\text{ K}$) सर्वाधिक गर्म होते हैं, पीले तारे (जैसे सूर्य $\approx 5,800\text{ K}$) मध्यम ताप के होते हैं और लाल तारे ($\approx 3,000\text{ K}$) अपेक्षाकृत कम तापमान के होते हैं।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (c) तारे का पृष्ठीय तापमान — वीन का विस्थापन नियम।

अभ्यास प्रश्न 08 • ऊष्मा संचरण एवं दैनिक जीवन के अनुप्रयोग स्तर: कथन-आधारित अनुप्रयोग

प्रश्न 8. निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: 1. सर्दियों में एक मोटे कंबल की तुलना में उसी कुल मोटाई के दो पतले कंबल ओढ़ना अधिक गर्म रहता है, क्योंकि दोनों कंबलों के बीच फँसी वायु की परत ऊष्मा की कुचालक (Bad conductor of heat) होती है। 2. अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (ISS) के भीतर शून्य-गुरुत्व (Microgravity) में यदि मोमबत्ती जलाई जाए, तो प्राकृतिक संवहन धाराओं के अभाव में उसकी लौ पृथ्वी की तरह लंबी व नुकीली न होकर लगभग गोलाकार और मंद नीली हो जाती है। उपर्युक्त में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं?

सही उत्तर: (a) 1 और 2 दोनों
व्याख्या: कथन 1 सही है (वायु ऊष्मा की कुचालक है)। कथन 2 भी पूर्णतः सही है—पृथ्वी पर मोमबत्ती की लौ का ऊपर की ओर नुकीला होना गुरुत्व-जनित संवहन (गर्म हवा का हल्का होकर ऊपर उठना और नीचे से ताजी ऑक्सीजन का आना) के कारण होता है। सूक्ष्म-गुरुत्व (ISS) में भार-आधारित उत्प्लावन व प्राकृतिक संवहन नहीं होता, इसलिए ऑक्सीजन केवल धीमे आणविक विसरण (Diffusion) से पहुँचती है और लौ छोटी, गोलाकार तथा नीली बनती है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (a) 1 और 2 दोनों।

अभ्यास प्रश्न 09 • आर्द्रता एवं वाष्पीकरण शीतलन स्तर: मौसम एवं तापीय भौतिकी

प्रश्न 9. ग्रीष्म ऋतु की शुष्क दुपहरी (जैसे मई में राजस्थान या दिल्ली) में मिट्टी का घड़ा और डेज़र्ट कूलर पानी व कमरे को बहुत अच्छी तरह ठंडा करते हैं, किंतु मानसून/वर्षा ऋतु (अगस्त में) या तटीय शहरों में ये अप्रभावी हो जाते हैं। इसका मुख्य वैज्ञानिक कारण क्या है?

सही उत्तर: (c)
व्याख्या: मिट्टी का घड़ा और डेज़र्ट कूलर दोनों 'वाष्पीकरण द्वारा शीतलन' (Evaporative Cooling) के सिद्धांत पर कार्य करते हैं। वाष्पीकरण की दर वायु की शुष्कता के समानुपाती और सापेक्षिक आर्द्रता के व्युत्क्रमानुपाती होती है। मानसून में हवा पहले से ही जलवाष्प से संतृप्त (उच्च आर्द्रता) होती है, इसलिए पानी का वाष्पीकरण नहीं हो पाता और ठंडक उत्पन्न नहीं होती।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (c) उच्च सापेक्षिक आर्द्रता के कारण वाष्पीकरण की दर घट जाती है।

अभ्यास प्रश्न 10 • पुनर्हिमायन (Regelation) एवं दाब-गलनांक संबंध स्तर: प्रावस्था संतुलन

प्रश्न 10. जब बर्फ की एक सिल्ली के ऊपर दोनों सिरों पर भारी वजन लटकाकर एक पतला धातु का तार रखा जाता है, तो तार धीरे-धीरे बर्फ को पार कर नीचे निकल जाता है, किंतु बर्फ की सिल्ली दो टुकड़ों में नहीं कटती (तार के गुजरने के बाद ऊपर की बर्फ पुनः जुड़ जाती है)। यह परिघटना किस कारण होती है?

सही उत्तर: (b) पुनर्हिमायन (Regelation) के कारण
व्याख्या: बर्फ पिघलने पर सिकुड़ती है, इसलिए दाब बढ़ाने पर उसका गलनांक $0^\circ\text{C}$ से कम हो जाता है। पतले तार के नीचे अत्यधिक दाब ($P = F/A$) से बर्फ पिघल जाती है, तार नीचे जाता है और तार के ऊपर दाब मुक्त होते ही पानी तुरंत वापस जम जाता है। इसे ही पुनर्हिमायन (Regelation) कहते हैं।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (b) पुनर्हिमायन (Regelation)।

अभ्यास प्रश्न 11 • तापीय प्रसार एवं गुहिका (Cavity Expansion Trap) स्तर: UPSC Prelims सूक्ष्म वैचारिक प्रश्न

प्रश्न 11. तांबे की एक आयताकार प्लेट के ठीक बीच में एक वृत्ताकार छेद (Hole) है। यदि इस तांबे की प्लेट को एकसमान रूप से उच्च तापमान तक गर्म किया जाए, तो उस वृत्ताकार छेद के व्यास पर क्या प्रभाव पड़ेगा?

सही उत्तर: (d) छेद का व्यास सदैव बढ़ेगा।
व्याख्या: समदैशिक (Isotropic) ठोस का तापीय प्रसार एक फोटोग्राफिक आवर्धन (Photographic enlargement) की तरह होता है—गर्म करने पर पदार्थ के किन्हीं भी दो बिंदुओं के बीच की दूरी बढ़ जाती है। अतः प्लेट की बाहरी भुजाओं के साथ-साथ उसके भीतर बने छेद की परिधि और व्यास भी ठीक उतने ही अनुपात में बढ़ते हैं जितने अनुपात में उस स्थान पर ठोस तांबे की डिस्क फैलती।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (d) छेद का व्यास सदैव बढ़ेगा।

अभ्यास प्रश्न 12 • रुद्धोष्म प्रक्रम (Adiabatic Process) स्तर: ऊष्मागतिकी एवं वायुमंडलीय भौतिकी

प्रश्न 12. जब किसी वाहन के टायर की ट्यूब अचानक फट जाती है, तो ट्यूब से बाहर निकलने वाली हवा ठंडी महसूस होती है। यह परिघटना ऊष्मागतिकी के किस प्रक्रम का उदाहरण है?

सही उत्तर: (a) रुद्धोष्म प्रसरण (Adiabatic Expansion)
व्याख्या: टायर का फटना इतनी तीव्र प्रक्रिया है कि अंदर की संपीडित हवा को बाहर के वातावरण से ऊष्मा का आदान-प्रदान करने का समय नहीं मिलता ($\Delta Q = 0$ — रुद्धोष्म प्रक्रम)। प्रथम नियम ($\Delta Q = \Delta U + \Delta W = 0 \Rightarrow \Delta U = -\Delta W$) के अनुसार, हवा बाहर फैलने में जो कार्य ($\Delta W > 0$) करती है, वह उसकी अपनी आंतरिक ऊर्जा ($\Delta U$) से खर्च होता है, जिससे उसका तापमान गिर जाता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (a) रुद्धोष्म प्रसरण।

अभ्यास प्रश्न 13 • किरचॉफ का विकिरण नियम स्तर: विकिरण एवं उत्सर्जकता

प्रश्न 13. एक समान आकार की दो धातु की गेंदों—जिनमें से एक पूर्णतः काली (Black) है और दूसरी चमकदार सफेद पॉलिश (Polished White) की हुई है—को एक भट्टी में एक समान उच्च तापमान (जैसे 800°C) तक गर्म करके तुरंत एक पूर्णतः अंधेरे कमरे में रखा जाता है। अंधेरे कमरे में दोनों गेंदों के संबंध में कौन-सा कथन सही होगा?

सही उत्तर: (c)
व्याख्या: अंधेरे कमरे में बाहरी प्रकाश नहीं है जिसे सफेद गेंद परावर्तित कर सके; वहाँ गेंदें केवल अपने स्वयं के तापीय विकिरण उत्सर्जन से चमकेंगी। किरचॉफ के विकिरण नियम ($e_\lambda / a_\lambda = E_\lambda$) के अनुसार जो वस्तु जितनी अच्छी अवशोषक होती है, गर्म करने पर वह उतनी ही अच्छी उत्सर्जक भी होती है। इसलिए अंधेरे में $800^\circ\text{C}$ की काली गेंद सफेद गेंद से अधिक चमकीली दिखेगी।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (c) किरचॉफ के नियम के अनुसार काली गेंद अधिक उत्सर्जन कर अधिक चमकीली दिखेगी।

अभ्यास प्रश्न 14 • बर्फ में नमक मिलाना (Freezing Point Depression) स्तर: दैनिक जीवन का भौतिक-रसायन

प्रश्न 14. शीत कटिबंधीय देशों या हिमालयी राजमार्गों पर बर्फबारी के बाद सड़कों पर जमी बर्फ को हटाने के लिए उस पर साधारण नमक (NaCl) या कैल्शियम क्लोराइड (CaCl2) क्यों छिड़का जाता है?

सही उत्तर: (b)
व्याख्या: अणुसंख्य गुणधर्म (Colligative property — हिमांक में अवनमन / Depression in freezing point) के अनुसार शुद्ध बर्फ में लवण मिलाने पर हिम-लवण मिश्रण का हिमांक $0^\circ\text{C}$ से घटकर $-21^\circ\text{C}$ ($\text{NaCl}$ के लिए) या $-50^\circ\text{C}$ ($\text{CaCl}_2$ के लिए) तक गिर जाता है। परिणामस्वरूप सड़क का तापमान $-5^\circ\text{C}$ होने पर भी बर्फ जम नहीं पाती और पिघल जाती है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (b) हिमांक में अवनमन के कारण बर्फ शून्य से नीचे के ताप पर भी पिघल जाती है।

अभ्यास प्रश्न 15 • थर्मस फ्लास्क (Dewar Flask) तंत्र स्तर: ऊष्मा संचरण नियंत्रण

प्रश्न 15. एक मानक थर्मस फ्लास्क (Vacuum / Dewar Flask) में चाय या बर्फ को लंबे समय तक अपने मूल तापमान पर बनाए रखने के लिए किए गए प्रबंधों के संदर्भ में निम्नलिखित युग्मों पर विचार कीजिए: 1. दोहरी दीवारों के बीच का निर्वात (Vacuum) — चालन और संवहन द्वारा ऊष्मा संचरण को रोकता है 2. काँच की दीवारों पर चाँदी की चमकदार पॉलिश (Silvered walls) — विकिरण द्वारा ऊष्मा की हानि को रोकती है उपर्युक्त में से कौन-सा/से युग्म सही सुमेलित है/हैं?

सही उत्तर: (c) 1 और 2 दोनों
व्याख्या: चालन और संवहन के लिए भौतिक माध्यम अनिवार्य है, इसलिए निर्वात इन दोनों को रोक देता है। विकिरण निर्वात को पार कर सकता है, इसलिए उसे रोकने के लिए दीवारों पर चाँदी की दर्पण जैसी पॉलिश की जाती है जो ऊष्मीय विकिरण को वापस परावर्तित कर देती है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (c) 1 और 2 दोनों।

अभ्यास प्रश्न 16 • इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान (ICAP) एवं डिस्ट्रिक्ट कूलिंग स्तर: नीतिगत विज्ञान एवं ऊर्जा दक्षता

प्रश्न 16. 'इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान (ICAP)' और 'डिस्ट्रिक्ट कूलिंग सिस्टम (District Cooling System — DCS)' के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: 1. भारत मार्च 2019 में राष्ट्रीय स्तर पर एक समेकित 20-वर्षीय 'कूलिंग एक्शन प्लान' विकसित करने वाला विश्व का पहला देश बना। 2. डिस्ट्रिक्ट कूलिंग सिस्टम (DCS) में प्रत्येक इमारत में अलग-अलग एयर कंडीशनर लगाने के बजाय एक केंद्रीय संयंत्र में पानी को ठंडा कर भूमिगत इंसुलेटेड पाइपों के माध्यम से अनेक इमारतों में प्रवाहित किया जाता है, जिससे बिजली और प्रशीतक गैस दोनों की खपत घटती है। उपर्युक्त में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं?

सही उत्तर: (d) 1 और 2 दोनों
व्याख्या: दोनों कथन पूर्णतः सही हैं। GIFT City (गुजरात) में भारत का पहला वाणिज्यिक डिस्ट्रिक्ट कूलिंग सिस्टम संचालित है, जो पारंपरिक AC की तुलना में ऊर्जा मांग को 30%–40% तक कम करता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (d) 1 और 2 दोनों।

9.2 संभावित मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न (Mains GS-III Practice Questions & Model Answers)

मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न 01 (आदर्श उत्तर सहित) 15 अंक • शब्द-सीमा: 250 शब्द

अभ्यास प्रश्न 1: "मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल के किगाली संशोधन (Kigali Amendment) ने वर्ष 2026 में अपने 10 वर्ष पूरे किए हैं। भारत में तेजी से बढ़ती शीतलन माँग (Cooling Demand) के परिप्रेक्ष्य में, आर्थिक विकास और जलवायु प्रतिबद्धताओं के बीच संतुलन साधने हेतु 'इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान' (ICAP) और अगली पीढ़ी की प्रशीतन तकनीकों की भूमिका का समालोचनात्मक परीक्षण कीजिए।" (250 शब्द, 15 अंक)

आदर्श उत्तर:

भूमिका: 15 अक्टूबर 2016 को अपनाए गए मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल के 'किगाली संशोधन' का उद्देश्य उच्च ग्लोबल वार्मिंग क्षमता (GWP) वाले हाइड्रोफ्लोरोकार्बन (HFCs) के उत्पादन व उपभोग को चरणबद्ध रूप से घटाना है। भारत ने 2021 में इसका अनुसमर्थन कर 2028 में HFC फ्रीज तथा 2032 से 2047 के बीच चार चरणों में 85% कटौती का लक्ष्य निर्धारित किया है।

भारत की शीतलन चुनौती: उष्णकटिबंधीय जलवायु, तीव्र शहरीकरण और बढ़ती हीटवेव के कारण 2037–38 तक भारत की शीतलन माँग में 8 गुना वृद्धि अनुमानित है। विकास के लिए आवासीय कूलिंग, कृषि शीत-श्रृंखला (Cold chain) और वैक्सीन संरक्षण अनिवार्य हैं, पर पारंपरिक AC बिजली ग्रिड पर भारी दबाव और अपशिष्ट ऊष्मा (UHI) बढ़ाते हैं।

संतुलन साधने में ICAP और नई प्रशीतन तकनीकों की भूमिका:

इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान (ICAP) के लक्ष्य: 2037–38 तक कूलिंग माँग में 20–25%, रेफ्रिजरेंट माँग में 25–30% और शीतलन ऊर्जा खपत में 25–40% की कमी लाना।
निम्न-GWP हरित प्रशीतकों में संक्रमण: HFCs (जैसे R-410A, R-134a) के स्थान पर शून्य-ODP और अति-निम्न GWP वाले हाइड्रोफ्लोरोओलेफिन (HFOs) तथा प्राकृतिक प्रशीतकों (जैसे आइसोब्यूटेन R-600a, प्रोपेन R-290 और अमोनिया) का उपयोग।
ऊर्जा दक्षता एवं पैसिव कूलिंग: BEE स्टार लेबलिंग का कड़ाई से प्रवर्तन, इनवर्टर कंप्रेसर तकनीक, 'ईको-निवास संहिता' के तहत भवन इन्सुलेशन, कूल रूफ्स और डिस्ट्रिक्ट कूलिंग सिस्टम (DCS) का विस्तार।
प्रमुख अड़चनें: चौथी पीढ़ी के HFO रेफ्रिजरेंट पर बहुराष्ट्रीय कंपनियों के महँगे पेटेंट, R-290 की ज्वलनशीलता के कारण सुरक्षा मानकों की आवश्यकता और अनौपचारिक क्षेत्र के लाखों AC तकनीशियनों का कौशल उन्नयन।

निष्कर्ष: भारत को CSIR प्रयोगशालाओं के माध्यम से स्वदेशी निम्न-GWP रेफ्रिजरेंट अणुओं के अनुसंधान, ग्रीन कोल्ड-चेन और पैसिव शहरी वास्तुकला को एकीकृत कर 'सस्टेनेबल कूलिंग' में वैश्विक नेतृत्व करना चाहिए।

मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न 02 (आदर्श उत्तर सहित) 10 अंक • शब्द-सीमा: 150 शब्द

अभ्यास प्रश्न 2: "'क्रायोजेनिक प्रौद्योगिकी' (Cryogenic Technology) क्या है? अंतरिक्ष प्रक्षेपण यानों में क्रायोजेनिक इंजन का उपयोग क्यों आवश्यक है और इसमें निहित प्रमुख तापीय-अभियांत्रिकी चुनौतियाँ क्या हैं? ISRO की उपलब्धियों के संदर्भ में स्पष्ट कीजिए।" (150 शब्द, 10 अंक)

आदर्श उत्तर:

भूमिका: क्रायोजेनिक्स अति-निम्न तापमान ($-150^\circ\text{C}$ या $123\text{ K}$ से नीचे) के उत्पादन और उस ताप पर पदार्थों के व्यवहार का विज्ञान है। अंतरिक्ष रॉकेटों के ऊपरी चरण में द्रव हाइड्रोजन ($\text{LH}_2$, $-253^\circ\text{C}$) को ईंधन और द्रव ऑक्सीजन ($\text{LOX}$, $-183^\circ\text{C}$) को ऑक्सीकारक के रूप में प्रयुक्त करने वाले इंजन को 'क्रायोजेनिक इंजन' कहते हैं।

अंतरिक्ष प्रक्षेपण में आवश्यकता:

उच्चतम विशिष्ट आवेग (High Specific Impulse): ठोस या सामान्य द्रव ईंधनों ($\approx 260\text{–}300\text{ s}$) की तुलना में $\text{LH}_2 + \text{LOX}$ दहन प्रति किलोग्राम प्रणोदक सर्वाधिक प्रणोद ($\approx 444\text{ s}$) देता है, जो $4,000\text{ kg}$ से भारी संचार उपग्रहों को भू-तुल्यकाली कक्षा (GTO) में पहुँचाने और गगनयान मिशन के लिए अनिवार्य है।
स्वच्छ दहन: इसके दहन से केवल जलवाष्प ($\text{H}_2\text{O}$) निकलती है।

प्रमुख तापीय-अभियांत्रिकी चुनौतियाँ एवं ISRO की उपलब्धि:

$-253^\circ\text{C}$ के क्रायो-ताप और दहन कक्ष के $+3,000^\circ\text{C}$ ताप के बीच अत्यधिक तापीय प्रवणता से धातुओं का भंगुर (Brittle) होना।
बाहरी ऊष्मा चालन व विकिरण से द्रव हाइड्रोजन के वाष्पन (Boil-off) को रोकने हेतु मल्टी-लेयर सुपर-इन्सुलेशन तथा $40,000\text{ rpm}$ पर चलने वाले टर्बो-पंपों का विकास।

निष्कर्ष: 1990 के दशक के भू-राजनीतिक प्रौद्योगिकी प्रतिबंधों को पार कर ISRO ने स्वदेशी CE-7.5 (GSLV Mk-II) और CE-20 (LVM3 — चंद्रयान-3 व गगनयान का आधार) इंजन विकसित कर भारत को विश्व के 6 क्रायोजेनिक राष्ट्रों के शीर्ष क्लब में स्थापित किया है।

अतिरिक्त मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न (03 एवं 04) अभ्यास हेतु उत्तर-संरचना

अभ्यास प्रश्न 3: "चंद्रयान-3 के विक्रम लैंडर पर लगे 'ChaSTE' पेलोड की कार्य-प्रणाली और उसके प्रमुख वैज्ञानिक निष्कर्षों की व्याख्या कीजिए। चंद्रमा की रेगोलिथ की तापीय चालकता संबंधी ये निष्कर्ष भविष्य के चंद्र अन्वेषण में किस प्रकार उपयोगी होंगे?" (150 शब्द, 10 अंक)

उत्तर रूपरेखा: (1) VSSC व PRL द्वारा विकसित ChaSTE प्रोब (10 RTD सेंसर, घूर्णन-आधारित $10\text{ cm}$ वेधन तंत्र); (2) मुख्य निष्कर्ष—सतह ($+50^\circ\text{C}$ से $+70^\circ\text{C}$) के मात्र $8\text{ cm}$ नीचे तापमान $-10^\circ\text{C}$ मिलना; (3) महत्व—चंद्र मृदा का उत्कृष्ट तापीय रोधक (Thermal Insulator) होना सिद्ध, उच्च अक्षांशों की ढलानों के नीचे जल-बर्फ (Water-ice) के संरक्षण की पुष्टि और भविष्य के मानव चंद्र बेस के तापीय सुरक्षा कवच में रेगोलिथ का उपयोग।

अभ्यास प्रश्न 4: "भारत में कृषि उपज की कटाई-पश्चात् हानि (Post-harvest losses) को कम करने और सार्वभौमिक टीकाकरण की प्रभावशीलता बनाए रखने में 'हरित शीत-श्रृंखला' (Green Cold-Chain Infrastructure) के महत्त्व और तकनीकी विकल्पों पर चर्चा कीजिए।" (250 शब्द, 15 अंक)

उत्तर रूपरेखा: (1) भूमिका: भारत में फलों-सब्जियों की 15–30% बर्बादी और टीकों की संवेदनशीलता ($2^\circ\text{C}\text{–}8^\circ\text{C}$); (2) पारंपरिक डीज़ल/ग्रिड कोल्ड स्टोरेज की उच्च लागत और कार्बन फुटप्रिंट; (3) हरित तकनीकी विकल्प—(i) प्रावस्था परिवर्तन पदार्थ (Phase Change Materials — PCMs, जो गुप्त ऊष्मा अवशोषण से बिना बिजली के घंटों तक तापमान स्थिर रखते हैं), (ii) सौर-चालित विकेंद्रीकृत कोल्ड स्टोरेज और बायोमास-आधारित वाष्प अवशोषण प्रशीतन (Vapour Absorption Cooling), (iii) तरल नाइट्रोजन/क्रायोजेनिक रीफर वैन; (4) निष्कर्ष: PM किसान संपदा योजना और ICAP का समन्वय।

खंड 10

त्वरित पुनरावृत्ति: 22 सघन रिविज़न तथ्य एवं महत्त्वपूर्ण अंतर

तापमान बनाम ऊष्मा: तापमान = अणुओं की औसत स्थानांतरीय गतिज ऊर्जा की माप (SI मात्रक: केल्विन $\text{K}$); ऊष्मा = तापांतर के कारण प्रवाहित तापीय ऊर्जा (SI मात्रक: जूल $\text{J}$)।
तापमान रूपांतरण एवं विशेष बिंदु: $\frac{C}{5} = \frac{F-32}{9} = \frac{K-273.15}{5}$। $-40^\circ\text{C} = -40^\circ\text{F}$; मानव शरीर का सामान्य ताप $= 37^\circ\text{C} = 98.6^\circ\text{F} = 310.15\text{ K}$।
परम शून्य ताप (Absolute Zero): $0\text{ K} = -273.15^\circ\text{C} = -459.67^\circ\text{F}$ (न्यूनतम संभव ताप)।
पारा बनाम अल्कोहल थर्मामीटर: पारा $-39^\circ\text{C}$ पर जमता है और $357^\circ\text{C}$ पर उबलता है; अति-शीत ध्रुवीय क्षेत्रों ($<-40^\circ\text{C}$) में अल्कोहल थर्मामीटर (हिमांक $-114^\circ\text{C}$) प्रयुक्त होता है।
जल का असामान्य प्रसार ($0^\circ\text{C}$ से $4^\circ\text{C}$): $0^\circ\text{C}$ से $4^\circ\text{C}$ तक गर्म करने पर जल सिकुड़ता है; $4^\circ\text{C}$ पर जल का घनत्व अधिकतम और आयतन न्यूनतम होता है (UPSC Prelims 2011)।
ठोस का गुहिका प्रसार (Cavity Expansion): धातु की प्लेट को गर्म करने पर उसके भीतर बने वृत्ताकार छेद का व्यास भी सदैव बढ़ता है।
लोलक घड़ी पर ताप का प्रभाव: गर्मियों में लोलक की लंबाई बढ़ने से आवर्तकाल बढ़ता है और घड़ी सुस्त (Slow) हो जाती है; सर्दियों में तेज हो जाती है।
जल की उच्चतम विशिष्ट ऊष्मा ($4184\text{ J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$): इसी कारण तटीय क्षेत्रों की जलवायु समकारी रहती है और जल सर्वश्रेष्ठ शीतलक (Coolant) है।
गलन एवं वाष्पन की गुप्त ऊष्मा: बर्फ के गलन की गुप्त ऊष्मा $= 80\text{ cal/g}$ ($3.34 \times 10^5\text{ J/kg}$); जल के वाष्पन की गुप्त ऊष्मा $= 540\text{ cal/g}$ ($22.6 \times 10^5\text{ J/kg}$ — इसीलिए $100^\circ\text{C}$ की भाप उबलते पानी से अधिक जलाती है)।
पुनर्हिमायन (Regelation): दाब बढ़ाने पर बर्फ का गलनांक घटता है ($<0^\circ\text{C}$) और दाब हटाने पर पुनः जम जाता है।
हिमांक में अवनमन: बर्फ में नमक ($\text{NaCl}$) मिलाने पर गलनांक/हिमांक $0^\circ\text{C}$ से घटकर $-21^\circ\text{C}$ तक हो जाता है।
वाष्पीकरण शीतलन एवं आर्द्रता: मिट्टी के घड़े और डेज़र्ट कूलर वाष्पीकरण से ठंडा करते हैं; उच्च सापेक्षिक आर्द्रता (वर्षा ऋतु) में वाष्पीकरण दर घटने से ये काम नहीं करते।
चालन, संवहन एवं विकिरण: ठोसों में चालन; द्रवों व गैसों में संवहन (शून्य-गुरुत्व में प्राकृतिक संवहन अनुपस्थित); निर्वात में केवल विकिरण।
मेघाच्छादित रात में ओस न बनना (UPSC 2019): बादल पृथ्वी से निकलने वाले पार्थिव अवरक्त विकिरण को वापस पृथ्वी की ओर परावर्तित कर देते हैं।
किरचॉफ, स्टीफन एवं वीन के नियम: किरचॉफ = अच्छे अवशोषक ही अच्छे उत्सर्जक हैं; स्टीफन = $E \propto T^4$; वीन = $\lambda_{\text{max}} \cdot T = b$ (नीले तारे सर्वाधिक गर्म, लाल तारे अपेक्षाकृत ठंडे)।
ऊष्मागतिकी के 4 नियम: शून्यवाँ = तापमान व तापीय साम्य; प्रथम = ऊर्जा संरक्षण ($\Delta Q = \Delta U + \Delta W$); द्वितीय = एन्ट्रॉपी वृद्धि व ऊष्मा प्रवाह दिशा; तृतीय = $0\text{ K}$ की अप्राप्यता।
बंद कमरे में खुला फ्रिज: कमरे का तापमान बढ़ता है (क्योंकि कंडेंसर $Q_2 + W$ ऊष्मा कमरे में छोड़ता है)।
HFC के उपयोग (UPSC 2023): रेफ्रिजरेशन/AC के अतिरिक्त (1) एयरोसोल, (2) फोम एजेंट और (3) अग्नि मंदक (Fire retardants) में प्रयुक्त होते हैं, किंतु स्नेहक (Lubricants) में नहीं।
HFC की विशेषता: ओज़ोन क्षरण क्षमता शून्य ($\text{ODP} = 0$), किंतु उच्च ग्लोबल वार्मिंग क्षमता (GWP)।
किगाली संशोधन (2016) में भारत की समय-सारणी: फ्रीज वर्ष = 2028; 4 चरणों में कटौती: 2032 (10%), 2037 (20%), 2042 (30%) और 2047 (85% कटौती)।
क्रायोजेनिक प्रणोदक (ISRO CE-20): ईंधन = द्रव हाइड्रोजन ($\text{LH}_2$ @ $-253^\circ\text{C}$); ऑक्सीकारक = द्रव ऑक्सीजन ($\text{LOX}$ @ $-183^\circ\text{C}$)।
चंद्रयान-3 का 'ChaSTE' प्रयोग: चंद्र सतह के मात्र $8\text{ cm}$ नीचे तापमान $-10^\circ\text{C}$ (सतह पर $+50^\circ\text{C}$ से $+70^\circ\text{C}$); चंद्र रेगोलिथ को उत्कृष्ट तापीय रोधक (Thermal Insulator) सिद्ध किया।

खंड 11

प्रामाणिक संदर्भ एवं आधिकारिक स्रोत सूची

पत्र सूचना कार्यालय (PIB), पर्यावरण, वन और जलवायु परिवर्तन मंत्रालय — विश्व ओज़ोन दिवस 2026, मॉन्ट्रियल प्रोटोकॉल, किगाली संशोधन (HFC Phase-down) एवं इंडिया कूलिंग एक्शन प्लान (16 सितंबर 2026): https://www.pib.gov.in/PressReleaseDetail.aspx?PRID=2310817 तथा Ozone Cell, MoEFCC (सत्यापन तिथि: 01 नवंबर 2026)।
भारतीय अंतरिक्ष अनुसंधान संगठन (ISRO) — चंद्रयान-3 पेलोड विवरण एवं ChaSTE (Chandra's Surface Thermophysical Experiment): https://www.isro.gov.in/Chandrayaan3_Details.html (सत्यापन तिथि: 01 नवंबर 2026)।
संघ लोक सेवा आयोग (UPSC) — आधिकारिक पूर्व प्रश्नपत्र (Prelims 2011, 2019, 2021, 2023 एवं Mains): https://www.upsc.gov.in/examinations/previous-question-papers (सत्यापन तिथि: 01 नवंबर 2026)।
NCERT भौतिकी (कक्षा XI — भाग 2: अध्याय 10 'द्रव्य के तापीय गुण' एवं अध्याय 11 'ऊष्मागतिकी'): https://ncert.nic.in/textbook.php (सत्यापन तिथि: 01 नवंबर 2026)।

अंतर-अध्याय संदर्भ (Cross-Chapter References): केल्विन मात्रक की बोल्ट्ज़मान स्थिरांक परिभाषा व पाइरोमीटर अध्याय 01 में; दाब व प्रेशर कुकर का यांत्रिक आधार अध्याय 02 में; अवरक्त विकिरण व कृष्णिका स्पेक्ट्रम आगामी अध्याय 04 में; क्रायोजेनिक रॉकेट चरण अध्याय 19 में तथा ऊर्जा दक्षता व स्वच्छ शीतलन तकनीकें अध्याय 38 व 49 में सम्मिलित हैं।