तापीय द्रव्यमान

तापीय द्रव्यमान का लाभ इस तुलना में दिखाया गया है कि कैसे भारी और हल्के भार के निर्माण आंतरिक तापमान को प्रभावित करते हैं

भवन के डिजाइन में, तापीय द्रव्यमान एक भवन के द्रव्यमान का एक गुण है जो इसे ताप को संग्रहीत करने और तापमान में उच्चावचन के विरुद्ध तापीय जड़ता प्रदान करने में सक्षम बनाता है। इसे कभी-कभी तापीय संचयन प्रभाव के रूप में जाना जाता है। ऊर्जा कुशल भवनों को बनाने के लिए भारी संरचनात्मक तत्वों के तापीय द्रव्यमान को निर्माण के हल्के तापीय प्रतिरोध घटकों के साथ कार्य करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है।

उदाहरण के लिए, जब बाहर के तापमान में दिन भर उच्चावचन होता रहता है, तो घर के ऊष्मारोधी भाग के भीतर एक बड़ा तापीय द्रव्यमान दैनिक तापमान में उच्चावचन को समतल करने का कार्य कर सकता है, क्योंकि तापीय द्रव्यमान तापीय ऊर्जा को अवशोषित कर लेगा, जब निकट के तापमान की तुलना में तापमान अधिक होगा। द्रव्यमान, और ऊष्मीय ऊर्जा वापस दें जब परिवेश शीत हो, बिना तापीय संतुलन तक पहुंचे। यह एक पदार्थ के तापीय रोधन मान से अलग है, जो एक भवन की तापीय चालकता को कम करता है, जिससे इसे बाहर से अपेक्षाकृत अलग से उष्ण या शीत किया जा सकता है, या यहां तक ​​​​कि रहने वालों की तापीय ऊर्जा को लंबे समय तक बनाए रखा जा सकता है।

वैज्ञानिक रूप से, तापीय द्रव्यमान ऊष्मा धारिता या तापीय संधारिता के बराबर है, तापीय ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए निकाय की क्षमता। इसे सामान्यतः प्रतीक C_th द्वारा संदर्भित किया जाता है,और इसकी SI इकाई J/°C या J/K (जो समतुल्य हैं) है। तापीय द्रव्यमान का उपयोग जल, मशीनों या मशीन के भागों, जीवित वस्तुओं, या किसी अन्य संरचना या इंजीनियरिंग या जीव विज्ञान में निकाय के लिए भी किया जा सकता है। उन संदर्भों में, ताप क्षमता शब्द का सामान्यतः इसके अतिरिक्त उपयोग किया जाता है।

पृष्ठभूमि

Main article: ऊष्मा धारिता

ऊष्मीय ऊर्जा का तापीय द्रव्यमान से संबंधित समीकरण है:

$Q=C_{\mathrm {th} }\Delta T\,$

जहां Q स्थानांतरित तापीय ऊर्जा है, C_th निकाय का ऊष्मीय द्रव्यमान है, और ΔT तापमान में परिवर्तन है।

उदाहरण के लिए, यदि 38.46 J/°C के तापीय द्रव्यमान वाले तांबे के गियर में 250 J ऊष्मा ऊर्जा जोड़ी जाती है, तो इसका तापमान 6.50 °C बढ़ जाएगा। यदि निकाय में पर्याप्त रूप से ज्ञात भौतिक गुणों के साथ एक सजातीय पदार्थ होती है, तो तापीय द्रव्यमान उस पदार्थ की विशिष्ट ताप क्षमता के वर्तमान समय में पदार्थ का द्रव्यमान होता है। कई पदार्थों से बने निकायों के लिए, उनके शुद्ध घटकों के लिए ताप क्षमता का योग गणना में उपयोग किया जा सकता है, या कुछ स्थितियों में (उदाहरण के लिए सभी प्राणियों के लिए) संख्या को पूरे निकाय के लिए प्रश्न में मापा जा सकता है, स्पष्ट रुप से।

एक विस्तारी गुणधर्म के रूप में, ताप क्षमता किसी वस्तु की विशेषता है; इसकी संबंधित गहन गुणधर्म विशिष्ट ताप क्षमता है, जो द्रव्यमान या मोल की संख्या जैसी पदार्थ की मात्रा के माप के रूप में व्यक्त की जाती है, जिसे पदार्थ के पूरे निकाय की ताप क्षमता देने के लिए समान इकाइयों से गुणा किया जाना चाहिए। इस प्रकार ऊष्मा क्षमता की गणना निकाय के द्रव्यमान m के उत्पाद और पदार्थ के लिए विशिष्ट ताप क्षमता c के उत्पाद के रूप में की जा सकती है, या स्थित अणुओं के मोल (इकाई) की संख्या और मोलर की विशिष्ट ताप क्षमता ${\bar {c}}$ के उत्पाद के रूप में की जा सकती है। शुद्ध पदार्थों की तापीय ऊर्जा भंडारण क्षमताएं क्यों बदलती हैं, इसकी चर्चा के लिए विशिष्ट ताप क्षमता को प्रभावित करने वाले कारक देखें।

एकसमान संघटन वाले पिंड के लिए, $C_{\mathrm {th} }$ को

$C_{\mathrm {th} }=mc_{\mathrm {p} }$

द्वारा सन्निकटित किया जा सकता है जहाँ $m$ पिंड का द्रव्यमान है और $c_{\mathrm {p} }$ पदार्थ की समदाबीय विशिष्ट ऊष्मा क्षमता है जिसका औसत तापमान सीमा पर है। कई अलग-अलग पदार्थों से बने पिंडों के लिए, विभिन्न घटकों के तापीय द्रव्यमान को एक साथ जोड़ा जा सकता है।

भवनों में तापीय द्रव्यमान

तापीय द्रव्यमान किसी भी स्थान पर भवन के आराम को ठीक बनाने में प्रभावी है जो इस प्रकार के दैनिक तापमान में उच्चावचन का अनुभव करता है - दोनों शीत ऋतु में और साथ ही ग्रीष्म ऋतु में। जब ठीक रूप से उपयोग किया जाता है और निष्क्रिय सौर डिजाइन के साथ जोड़ा जाता है, तो तापीय द्रव्यमान एचवीएसी में ऊर्जा के उपयोग में बड़ी कमी लाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है। तापीय द्रव्यमान वाली पदार्थों का उपयोग सबसे अधिक लाभदायक होता है जहां दिन से रात के बाहरी तापमान में बड़ा अंतर होता है (या, जहां रात का तापमान तापस्थापी निर्देश बिंदु से कम से कम 10 डिग्री शीत होता है)। भारी-भार और हल्के-भार वाले शब्दों का उपयोग प्रायः विभिन्न तापीय द्रव्यमान रणनीतियों वाली भवनों का वर्णन करने के लिए किया जाता है, और हीटिंग और कूलिंग के लिए उनकी तापीय प्रतिक्रिया का वर्णन करने के लिए बाद की गणनाओं में उपयोग किए जाने वाले संख्यात्मक कारकों की पसंद को प्रभावित करता है। बिल्डिंग सर्विसेज इंजीनियरिंग में, डायनेमिक सिमुलेशन कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग सॉफ़्टवेयर के उपयोग ने विभिन्न निर्माणों के साथ और विभिन्न वार्षिक जलवायु डेटा समूहों के लिए भवनों के भीतर पर्यावरणीय प्रदर्शन की सटीक गणना की अनुमति दी है। यह आर्किटेक्ट या इंजीनियर को एचवीएसी के लिए ऊर्जा खपत को कम करने, या पूरी तरह से ऐसी प्रणालियों की आवश्यकता को दूर करने में भारी भार और हल्के भार के निर्माण, साथ ही रोधन स्तरों के बीच संबंधों का विस्तार से पता लगाने की अनुमति देता है।

ठीक तापीय द्रव्यमान के लिए आवश्यक गुण

तापीय द्रव्यमान के लिए आदर्श पदार्थ वे पदार्थ हैं जिनमें:

• उच्च विशिष्ट ताप क्षमता,
• उच्च घनत्व

द्रव्यमान वाले किसी भी ठोस, तरल या गैस में कुछ तापीय द्रव्यमान होगा। एक सामान्य ग़लतफ़हमी यह है कि केवल ठोस या मिट्टी की मिट्टी में तापीय द्रव्यमान होता है; यहाँ तक कि हवा में भी ऊष्मीय द्रव्यमान होता है (हालाँकि बहुत कम)।

निर्माण पदार्थ के लिए वॉल्यूमेट्रिक ताप क्षमता की एक तालिका उपलब्ध है, लेकिन ध्यान दें कि तापीय द्रव्यमान की उनकी परिभाषा थोड़ी अलग है।

विभिन्न जलवायु में तापीय द्रव्यमान का प्रयोग

ऊष्मीय द्रव्यमान का सही उपयोग और अनुप्रयोग एक जिले में प्रचलित जलवायु पर निर्भर करता है।

सौर-उजागर तापीय द्रव्यमान

तापीय द्रव्यमान आदर्श रूप से भवन के भीतर रखा जाता है और स्थित होता है जहां यह अभी भी कम कोण वाली शीत ऋतु की धूप (खिड़कियों के माध्यम से) के संपर्क में आ सकता है लेकिन ताप के नुकसान से अछूता रहता है। ग्रीष्म ऋतु में संरचना के अति ताप को रोकने के लिए एक ही तापीय द्रव्यमान को उच्च-कोण ग्रीष्मकालीन सूरज की रोशनी से अस्पष्ट किया जाना चाहिए।

तापीय द्रव्यमान को निष्क्रिय रूप से सूर्य द्वारा या इसके अतिरिक्त दिन के दौरान आंतरिक ताप प्रणालियों द्वारा उष्ण किया जाता है। द्रव्यमान में संग्रहीत ऊष्मीय ऊर्जा रात के दौरान वापस आंतरिक भाग में छोड़ी जाती है। यह आवश्यक है कि इसका उपयोग निष्क्रिय सौर डिजाइन के मानक सिद्धांतों के संयोजन में किया जाए।

तापीय द्रव्यमान के किसी भी रूप का उपयोग किया जा सकता है। एक कंक्रीट स्लैब नींव या तो खुला छोड़ दिया या प्रवाहकीय पदार्थ के साथ कवर किया गया, उदा। टाइल्स, एक आसान उपाय है। एक और नई विधि लकड़ी के फ्रेम वाले घर के चिनाई के मुखौटे को अंदर ('रिवर्स-ईंट लिबास') में रखना है। इस स्थिति में ऊष्मीय द्रव्यमान बड़ी मात्रा या मोटाई के अतिरिक्त एक बड़े क्षेत्र पर सबसे ठीक लगाया जाता है। 7.5–10 सेमी (3″–4″) प्रायः पर्याप्त होता है।

चूंकि तापीय ऊर्जा का सबसे महत्वपूर्ण स्रोत सूर्य है, ग्लेज़िंग से तापीय द्रव्यमान का अनुपात विचार करने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। इसे निर्धारित करने के लिए विभिन्न सूत्र तैयार किए गए हैं। एक सामान्य नियम के रूप में, अतिरिक्त सौर-उजागर तापीय द्रव्यमान को 6: 1 से 8: 1 के अनुपात में सूर्य के किसी भी क्षेत्र के लिए (दक्षिणी गोलार्ध में उत्तर की ओर या उत्तरी गोलार्ध में दक्षिण की ओर) ग्लेज़िंग के लिए लागू करने की आवश्यकता होती है। कुल तल क्षेत्र का 7%। उदाहरण के लिए, 200 मी² 20 मीटर वाला घर² सूर्यमुखी ग्लेजिंग में कुल फ्लोर एरिया के अनुसार ग्लेजिंग का 10% है; 6 मीटर^{उस ग्लेज़िंग के 2} को अतिरिक्त तापीय द्रव्यमान की आवश्यकता होगी। इसलिए, ऊपर दिए गए 6:1 से 8:1 के अनुपात का उपयोग करके, अतिरिक्त 36–48 मी² सौर-उजागर तापीय द्रव्यमान की आवश्यकता है। सटीक आवश्यकताएं जलवायु से जलवायु में भिन्न होती हैं।

ग्रीष्म ऋतु के तापमान को नियंत्रित करने में मदद करने के लिए एक ठोस कंक्रीट के फर्श सॉफिट से खिड़कियाँ खोलकर और तापीय द्रव्यमान को उजागर करके प्राकृतिक वेंटिलेशन के साथ एक आधुनिक स्कूल कक्षा

ताप के समय में अधिक ताप को सीमित करने के लिए तापीय द्रव्यमान

तापीय द्रव्यमान आदर्श रूप से एक भवन के भीतर रखा जाता है जहां इसे सीधे सौर लाभ से बचाया जाता है लेकिन भवन में रहने वालों के संपर्क में आता है। इसलिए यह सामान्यतः प्राकृतिक रूप से हवादार या कम ऊर्जा वाले यांत्रिक रूप से हवादार भवनों में ठोस कंक्रीट के फर्श के स्लैब से जुड़ा होता है, जहां कंक्रीट के सोफिट को कब्जे वाले स्थान के संपर्क में छोड़ दिया जाता है।

दिन के दौरान सूर्य से ताप प्राप्त होती है, भवन के रहने वालों, और किसी भी विद्युत प्रकाश व्यवस्था और उपकरण से, जिससे अंतरिक्ष के भीतर हवा का तापमान बढ़ जाता है, लेकिन यह ताप ऊपर उजागर कंक्रीट स्लैब द्वारा अवशोषित हो जाती है, इस प्रकार तापमान में वृद्धि सीमित हो जाती है। अंतरिक्ष के भीतर मानव तापीय आराम के लिए स्वीकार्य स्तर के भीतर होना चाहिए। इसके अलावा कंक्रीट स्लैब की निचली सतह का तापमान भी सीधे रहने वालों से उज्ज्वल ताप को अवशोषित करता है, जिससे उनके तापीय आराम को भी फायदा होता है।

दिन के अंत तक स्लैब उष्ण हो गया है, और अब, जैसे बाहरी तापमान में कमी आती है, ताप को छोड़ा जा सकता है और स्लैब शीत हो जाता है, अगले दिन की शुरुआत के लिए तैयार होता है। हालांकि यह पुनर्जनन प्रक्रिया तभी प्रभावी होती है जब स्लैब से ताप दूर करने के लिए रात में बिल्डिंग वेंटिलेशन सिस्टम संचालित किया जाता है। स्वाभाविक रूप से हवादार भवनों में इस प्रक्रिया को स्वचालित रूप से सुविधाजनक बनाने के लिए स्वचालित विंडो ओपनिंग प्रदान करना सामान्य है।

उष्ण, शुष्क जलवायु (जैसे रेगिस्तान)

सांता फ़े, न्यू मैक्सिको में एक एडोब दीवार वाली भवन

यह ऊष्मीय द्रव्यमान का शास्त्रीय उपयोग है। उदाहरणों में शामिल हैं एडोब, धरती से टकराना, या चूना पत्थर ब्लॉक हाउस। इसका कार्य चिह्नित दैनिक तापमान भिन्नताओं पर अत्यधिक निर्भर है। दीवार मुख्य रूप से दिन के दौरान बाहरी से आंतरिक तक ताप हस्तांतरण को धीमा करने का कार्य करती है। उच्च आयतन ताप क्षमता और मोटाई तापीय ऊर्जा को आंतरिक सतह तक पहुँचने से रोकती है। जब रात में तापमान गिरता है, तो दीवारें ऊष्मीय ऊर्जा को रात के आकाश में वापस विकीर्ण कर देती हैं। इस एप्लिकेशन में इंटीरियर में ताप हस्तांतरण को रोकने के लिए ऐसी दीवारों को बड़े पैमाने पर होना महत्वपूर्ण है।

उष्ण आर्द्र जलवायु (जैसे उपोष्णकटिबंधीय और उष्णकटिबंधीय)

तापीय द्रव्यमान का उपयोग इस वातावरण में सबसे चुनौतीपूर्ण है जहां रात का तापमान ऊंचा बना रहता है। इसका उपयोग मुख्य रूप से एक अस्थायी हीट सिंक के रूप में होता है। हालांकि, अति ताप को रोकने के लिए इसे रणनीतिक रूप से स्थित होना चाहिए। इसे ऐसे क्षेत्र में रखा जाना चाहिए जो सीधे सौर लाभ के संपर्क में न हो और रात में पर्याप्त वेंटिलेशन (वास्तुकला) की अनुमति देता है ताकि आंतरिक तापमान को और बढ़ाए बिना संग्रहीत ऊर्जा को दूर किया जा सके। अगर उपयोग ही करना है तो इसका उपयोग विवेकपूर्ण मात्रा में किया जाना चाहिए और फिर से बड़ी मोटाई में नहीं।

सामान्यतः तापीय द्रव्यमान के लिए प्रयुक्त पदार्थ

• जल: जल में सामान्यतः उपयोग की जाने वाली सभी पदार्थ की उच्चतम मात्रा में ऊष्मा क्षमता होती है। सामान्यतः, इसे बड़े कंटेनर (कंटेनरों), ऐक्रेलिक राल ट्यूबों में रखा जाता है, उदाहरण के लिए, सीधे धूप वाले क्षेत्र में। इसका उपयोग ताप क्षमता बढ़ाने के लिए मिट्टी जैसे अन्य प्रकार की पदार्थ को संतृप्त करने के लिए भी किया जा सकता है।
• ठोस , मिट्टी की ईंटें और चिनाई के अन्य रूप: कंक्रीट की तापीय चालकता इसकी संरचना और इलाज की तकनीक पर निर्भर करती है। राख, पेर्लाइट, फाइबर और अन्य इन्सुलेट समुच्चय वाले कंक्रीट की तुलना में पत्थरों के साथ कंक्रीट अधिक तापीय प्रवाहकीय होते हैं। सॉफ्टवुड लंबर की तुलना में कंक्रीट के तापीय द्रव्यमान गुण वार्षिक ऊर्जा लागत में 5-8% की बचत करते हैं।
• ऊष्मारोधी कंक्रीट पैनल में तापीय द्रव्यमान फैक्टर प्रदान करने के लिए कंक्रीट की एक आंतरिक परत होती है। यह एक पारंपरिक फोम रोधन द्वारा बाहर से इन्सुलेट किया जाता है और फिर कंक्रीट की बाहरी परत के साथ फिर से कवर किया जाता है। प्रभाव एक अत्यधिक कुशल भवन रोधन लिफाफा है।
• इन्सुलेट ठोस रूप का उपयोग सामान्यतः भवन संरचनाओं को तापीय द्रव्यमान और रोधन दोनों प्रदान करने के लिए किया जाता है। ठोस द्रव्यमान ठीक तापीय जड़ता के लिए आवश्यक विशिष्ट ताप क्षमता प्रदान करता है। प्रपत्र के किनारे या आंतरिक सतहों पर बनाई गई इन्सुलेट परतें ठीक तापीय प्रतिरोध प्रदान करती हैं।
• मिट्टी की ईंट, कच्ची ईंट या मिट्टी की ईंट: ईंट और ईंट देखें।
• पृथ्वी, मिट्टी और सोड: गंदगी | गंदगी की ताप क्षमता इसकी घनत्व, नमी पदार्थ, कण आकार, तापमान और संरचना पर निर्भर करती है। नेब्रास्का के शुरुआती निवासियों ने गंदगी और घास से बनी मोटी दीवारों वाले घरों का निर्माण किया क्योंकि लकड़ी, पत्थर और अन्य निर्माण पदार्थ दुर्लभ थी। दीवारों की अत्यधिक मोटाई कुछ रोधन प्रदान करती है, लेकिन मुख्य रूप से तापीय द्रव्यमान के रूप में कार्य करती है, दिन के दौरान तापीय ऊर्जा को अवशोषित करती है और रात के दौरान इसे जारी करती है। आजकल, लोग कभी-कभी उसी प्रभाव के लिए अपने घरों के निकट मिट्टी के आश्रय का उपयोग करते हैं। पृथ्वी आश्रय में, तापीय द्रव्यमान न केवल भवन की दीवारों से आता है, बल्कि निकट की पृथ्वी से भी आता है जो भवन के साथ भौतिक संपर्क में है। यह काफी स्थिर, मध्यम तापमान प्रदान करता है जो आसन्न दीवार के माध्यम से ताप के प्रवाह को कम करता है।
• रेमेड अर्थ: रैम्ड अर्थ अपने उच्च घनत्व और इसके निर्माण में उपयोग की जाने वाली मिट्टी की उच्च विशिष्ट ताप क्षमता के कारण उत्कृष्ट तापीय द्रव्यमान प्रदान करता है।
• प्राकृतिक चट्टान और पत्थर: पत्थर की चिनाई देखें।
• घरों की बाहरी, और शायद आंतरिक, दीवारों को बनाने के लिए लॉग का उपयोग भवन निर्माण पदार्थ के रूप में किया जाता है। लॉग हाउस ऊपर सूचीबद्ध कुछ अन्य निर्माण पदार्थ से भिन्न होते हैं क्योंकि ठोस लकड़ी में मध्यम आर-मान (रोधन) और महत्वपूर्ण तापीय द्रव्यमान दोनों होते हैं। इसके विपरीत, जल, पृथ्वी, चट्टानें और कंक्रीट सभी का आर-मान कम है। यह ऊष्मीय द्रव्यमान एक लॉग होम को ठंड के मौसम में ठीक ताप रखने और उष्ण मौसम में अपने कूलर तापमान को ठीक बनाए रखने की अनुमति देता है।
• चरण-परिवर्तन पदार्थ

मौसमी ऊर्जा भंडारण

यदि पर्याप्त द्रव्यमान का उपयोग किया जाता है तो यह मौसमी लाभ पैदा कर सकता है। यानी यह शीत ऋतु में उष्ण और ग्रीष्म ऋतु में शीत हो सकता है। इसे कभी-कभी मौसमी तापीय ऊर्जा भंडारण या PAHS कहा जाता है। PAHS सिस्टम को कोलोराडो में 7000 फ़ीट और मोंटाना में कई घरों में सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है। भूपोत पैसिव हीटिंग और कूलिंग के साथ-साथ नींव की दीवार के लिए पुनर्नवीनीकरण टायरों का उपयोग करके अधिकतम PAHS/STES का उपयोग करता है। यूके में हॉकर्टन हाउसिंग प्रोजेक्ट में भी इसका सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है।

यह भी देखें

• अर्थशिप
• धरती से टकराना
• विशिष्ट ताप की क्षमता
• तापीय ऊर्जा भंडारण
• ट्रोम्बे की दीवार