भाप और पहला औद्योगिक युग
कोयला जलाकर बॉयलर में पानी गरम किया जाता है। पानी भाप बन जाता है, जो बहुत ज़्यादा जगह घेरती है, इसलिए पिस्टन को ज़ोर से धक्का देती है। पिस्टन छड़ और पहिये को घुमाता है। अब ऊष्मा से काम लिया जा सकता था, चाहे नदी पास हो या न हो।
इसके बाद कारखानों, रेलों और जहाज़ों में मशीनें आईं। लोग गाँवों से शहरों की ओर गए। ईंधन कम बर्बाद हो, इसी इच्छा से ऊष्मागतिकी का विज्ञान बढ़ा।
भाप इंजन पूरा नहीं होता। बहुत-सी ऊष्मा हवा में चली जाती है। दक्षता = उपयोगी कार्य ÷ दी गई ऊष्मा।
विद्युत चुंबकत्व और बिजली का युग
1831 में माइकल फैराडे ने दिखाया कि बदलता चुंबकीय क्षेत्र तार में धारा चला देता है। कुंडली के पास घूमता चुंबक एक जनरेटर है। टरबाइन (भाप, पानी या हवा से घूमती) चुंबक को घुमाती है।
मोटर इसका उलटा करती है: चुंबकीय क्षेत्र में कुंडली में धारा बहे तो वह घूमती है। बिजली तारों से दूर तक जा सकती है, इसलिए एक बिजलीघर से कारखाने, घर और सड़कें चल सकीं। यह दूसरा औद्योगिक युग था।
माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स और सूचना का युग
ट्रांजिस्टर एक बहुत छोटा स्विच है जिसमें कोई चलने वाला पुर्ज़ा नहीं होता। सिलिकॉन के एक टुकड़े पर बहुत से ट्रांजिस्टर मिलकर समाकलित परिपथ (चिप) बनाते हैं। इंजीनियरों ने स्विच छोटे किए, तो चिप पर इनकी संख्या लगभग हर दो साल में दुगुनी होती गई। इसे मूर का नियम कहते हैं।
छोटे स्विच कम बिजली लेते हैं और तेज़ चलते हैं। इसीलिए आज का फ़ोन पुराने कमरे-भर कंप्यूटर से ज़्यादा ताक़तवर है। चिप, फ़ाइबर और रेडियो से सूचना युग बना: कंप्यूटर, फ़ोन, इंटरनेट।
नाभिकीय प्रौद्योगिकी
विखंडन में यूरेनियम-235 जैसा भारी नाभिक न्यूट्रॉन पकड़कर टूट जाता है। टुकड़ों का कुल द्रव्यमान शुरुआत से थोड़ा कम होता है। यह कम हुआ द्रव्यमान ऊर्जा बन जाता है: E = mc²। एक किलो यूरेनियम से उतनी ऊष्मा मिल सकती है जितनी हज़ारों टन कोयले से।
रिएक्टर में ऊष्मा पानी को भाप बनाती है, भाप टरबाइन घुमाती है और जनरेटर बिजली बनाता है। नियंत्रक छड़ें न्यूट्रॉन सोखकर अभिक्रिया को स्थिर रखती हैं। नाभिकीय बिजली में धुआँ या कार्बन डाइऑक्साइड नहीं निकलती, पर रेडियोधर्मी कचरा बनता है जिसे सुरक्षित रखना पड़ता है और सख़्त सुरक्षा नियम चाहिए।
अन्य उपयोग: मेडिकल स्कैन और कैंसर का इलाज, भोजन की सुरक्षा और कार्बन डेटिंग।
करके देखें
घर पर: किसी बड़े की मदद से केतली की टोंटी के ऊपर कागज़ की छोटी पवनचक्की रखो। भाप उसे घुमाएगी: ऊष्मा गति बन गई। फिर खिलौने की छोटी मोटर को हाथ से घुमाओ और उसके दोनों तार LED से जोड़ो। LED टिमटिमा सकती है: गति बिजली बनी।
3D में: माइक्रोचिप चुनो, पहले अनुमान लगाओ कि स्लाइडर दाएँ ले जाने पर कितने स्विच दिखेंगे, फिर जाँचो।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- दक्षता = उपयोगी कार्य ÷ दी गई ऊष्मा × 100%
- मूर का नियम: चिप पर ट्रांजिस्टर लगभग हर 2 साल में दुगुने
- E = mc² (घटे द्रव्यमान से ऊर्जा; c = 3 × 10⁸ m/s)
- जनरेटर: तेज़ घूमना या मज़बूत चुंबक देता है ज़्यादा वोल्टेज
हल किए गए उदाहरण
1. एक भाप इंजन 500 J ऊष्मा लेता है और 100 J कार्य करता है। उसकी दक्षता निकालो।
दक्षता = 100 ÷ 500 = 0.2, यानी 20%। बाकी 400 J ऊष्मा के रूप में बर्बाद हुई।
2. एक चिप में 1 000 ट्रांजिस्टर हैं। संख्या हर 2 साल में दुगुनी होती है, तो 10 साल बाद कितने होंगे?
10 साल में 5 बार दुगुना। 1 000 × 2⁵ = 1 000 × 32 = 32 000।
3. एक विखंडन में 0.001 kg द्रव्यमान ऊर्जा बन गया। कितनी ऊर्जा निकली? (c = 3 × 10⁸ m/s)
E = mc² = 0.001 × (3 × 10⁸)² = 0.001 × 9 × 10¹⁶ = 9 × 10¹³ J।
आम गलतियाँ
- यह सोचना कि जनरेटर ऊर्जा अपने-आप बनाता है। वह गति की ऊर्जा को बिजली में बदलता है।
- विखंडन को सिर्फ़ नाभिक का टूटना कहना। असली बात यह है कि थोड़ा द्रव्यमान बहुत ऊर्जा बनता है।
- विखंडन (भारी नाभिक का टूटना) और संलयन (हल्के नाभिकों का जुड़ना) को आपस में मिला देना।
- यह मानना कि मशीन की दक्षता 100% से ज़्यादा हो सकती है। कुछ ऊर्जा हमेशा ऊष्मा बनकर खो जाती है।