गरमी हमेशा गरम से ठंडे की ओर बहती है
ऊष्मा वह ऊर्जा है जो तापमान के फ़र्क़ के कारण चलती है। यह अपने-आप ठंडे से गरम की ओर नहीं जाती। सर्दी में घर बाहर को गरमी खोता है, इसलिए उसे भरने को हीटर चाहिए। गरमी में गरमी अंदर आती है, इसलिए छाया या कूलर चाहिए। "ठंड अंदर आना" असल में गरमी का बाहर जाना है।
इमारत तीन तरह से गरमी खोती है। चालन से गरमी दीवार, छत, फ़र्श और काँच से गुज़रती है। संवहन में गरम हवा दरारों से बाहर और ठंडी हवा अंदर आती है। विकिरण में गरमी अवरक्त तरंगों से जाती है, जैसे खिड़की से या सूरज से छत पर।
दीवार से चालन: q = ΔT ÷ R
दीवार के हर वर्ग मीटर से बहने वाली गरमी q = ΔT ÷ R है, वाट प्रति वर्ग मीटर में। ΔT अंदर और बाहर के तापमान का फ़र्क़ है। R दीवार का तापीय प्रतिरोध है। एक परत के लिए R = L ÷ k, जहाँ L मीटर में मोटाई है और k ऊष्मा-चालकता (W/m·K) है, जो बताती है कि पदार्थ गरमी को कितनी आसानी से जाने देता है।
k के आम मान: ईंट 0.8, काँच 1.0, लकड़ी 0.15, स्थिर हवा 0.026, फ़ोम 0.03। परतें एक के पीछे एक हों तो उनके R जुड़ते हैं: Rकुल = R₁ + R₂ + …। पूरी दीवार का ऊष्मा-क्षय Q = q × क्षेत्रफल है। मोटाई दुगुनी करने पर R दुगुना और क्षय आधा। छोटे k वाली पतली परत भी बड़ा R देती है।
ऊष्मारोधन, खिड़कियाँ, छतें और हवा के झोंके
फ़ोम, खनिज-ऊन, कॉर्क या बंद हवा की परत जैसे ऊष्मारोधी पदार्थों का k छोटा होता है क्योंकि वे हवा को स्थिर रखते हैं। हवा तब बहुत कुचालक है जब हिल न सके। ऊष्मारोधन दीवारों और छत में लगाइए, जहाँ से सबसे ज़्यादा गरमी निकलती है।
खिड़कियाँ तेज़ी से गरमी खोती हैं। दोहरे काँच (डबल ग्लेज़िंग) में दो शीशों के बीच बंद हवा या गैस होती है, जो चालन और संवहन घटाती है। हवा के झोंके दरारों से संवहन हैं, इसलिए दरवाज़े-खिड़कियाँ बंद करिए। गरम जगहों में छत को सफ़ेद या परावर्तक रंग दिया जाता है ताकि सूरज का विकिरण कम सोखे (ठंडी छत)। मिट्टी या पत्थर की मोटी दीवारें ज़्यादा ऊष्मा-धारिता से दिन में गरमी सोखती और रात में छोड़ती हैं, जिससे तापमान के उतार-चढ़ाव कम होते हैं।
गरम देश में यही गणित उलटी तरफ़ काम करता है: ऊष्मारोधन गरमी को बाहर रोके रखता है और एयर-कंडीशनर को कम काम करना पड़ता है।
खुद करके देखिए: अपने कमरे को जाँचिए
ठंडे या गरम दिन में बाहरी दीवार और भीतरी दीवार को छूकर देखिए। कौन-सी ज़्यादा ठंडी या गरम लगती है? खिड़की के पास और दीवार के पास थर्मामीटर या हाथ रखिए। फिर 3D लैब में पहले अनुमान लगाइए कि 5 सेमी फ़ोम जोड़ने पर क्या होगा, फिर जोड़िए। सिर्फ़ 10 सेमी ईंट से रिसाव को 10 वाट से नीचे लाने की कोशिश कीजिए।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- q = ΔT ÷ R (प्रति m² ऊष्मा-बहाव, W/m² में)
- R = L ÷ k एक परत के लिए (L मीटर में, k W/m·K में)
- R_कुल = R₁ + R₂ + … (एक के पीछे एक परतें)
- U = 1 ÷ R_कुल ("U-मान", W/m²·K)
- Q = q × A (क्षेत्रफल A से ऊष्मा-बहाव, वाट में)
- ऊर्जा = शक्ति × समय (1 kWh = 1 kW × 1 घंटा)
हल किए गए उदाहरण
1. 20 सेमी ईंट की दीवार (k = 0.8 W/m·K) में अंदर 22 °C और बाहर 2 °C है। R और q निकालिए।
R = L ÷ k = 0.20 ÷ 0.8 = 0.25 m²·K/W। ΔT = 20 °C। q = 20 ÷ 0.25 = 80 W/m²।
2. पिछले सवाल की दीवार का क्षेत्रफल 10 m² है। हर सेकंड कितनी गरमी बाहर जाती है?
Q = q × A = 80 × 10 = 800 W, यानी हर सेकंड 800 J।
3. 5 सेमी फ़ोम (k = 0.03 W/m·K) का R निकालिए।
R = 0.05 ÷ 0.03 = 1.67 m²·K/W। यह 20 सेमी ईंट के R का लगभग 7 गुना है।
4. 20 सेमी ईंट की दीवार में 5 सेमी फ़ोम जोड़िए। ΔT = 20 °C पर नया R और q निकालिए।
R_कुल = 0.25 + 1.67 = 1.92 m²·K/W। q = 20 ÷ 1.92 ≈ 10.4 W/m², जो 80 से बहुत कम है।
5. 10 m² की इस ऊष्मारोधी दीवार से 24 घंटे में कितनी ऊर्जा जाती है?
Q = 10.4 × 10 = 104 W। ऊर्जा = 104 W × 24 h = 2496 Wh ≈ 2.5 kWh।
6. खुली ईंट की दीवार (800 W) और ऊष्मारोधी दीवार (104 W) के रोज़ के ऊष्मा-क्षय का ख़र्च ₹8 प्रति kWh पर तुलना कीजिए।
खुली: 0.8 kW × 24 h = 19.2 kWh, ख़र्च ₹154। ऊष्मारोधी: 2.5 kWh, ख़र्च ₹20। रोज़ लगभग ₹134 की बचत।
आम गलतियाँ
- "ठंड अंदर आती है" कहना। असल में गरमी बाहर जाती है। ठंड सिर्फ़ गरमी की कमी है।
- परतों के k या मोटाइयाँ जोड़ देना। एक के पीछे एक परतों में R = L ÷ k जोड़ते हैं, k नहीं।
- R = L ÷ k में सेमी को मीटर में बदलना भूल जाना। 20 सेमी = 0.20 मीटर।
- यह सोचना कि मोटाई हमेशा बेहतर पदार्थ से जीत जाती है। 5 सेमी फ़ोम 40 सेमी ईंट से बेहतर हो सकता है, क्योंकि उसका k लगभग 27 गुना छोटा है।