Thermal properties of matter
Thermal Properties of Matter
Complete Handwritten Notes for NEET & Bihar Board (Class 11)
Prepared by Willer Academy
Last Updated: January 28, 2026
Temperature and Heat
Temperature is a measure of the average kinetic energy of the particles in a substance. It determines the direction of heat flow.
Heat is the energy transferred between substances due to a temperature difference. Heat always flows from a region of higher temperature to a region of lower temperature.
The SI unit of heat is the joule (J). The calorie (cal) is also commonly used (1 cal = 4.186 J).
Thermal Expansion
Most substances expand when heated. This is called thermal expansion.
- Linear Expansion: ΔL = α L₀ ΔT
- Area Expansion: ΔA = 2α A₀ ΔT
- Volume Expansion: ΔV = β V₀ ΔT (β ≈ 3α for isotropic solids)
where α is the coefficient of linear expansion, β is the coefficient of volume expansion, L₀, A₀, V₀ are original dimensions, and ΔT is the change in temperature.
Figure: Thermal expansion of a solid rod when heated[reference:0].
Specific Heat Capacity
Specific heat capacity (c) is the amount of heat required to raise the temperature of 1 kg of a substance by 1 K (or 1°C).
Formula: Q = m c ΔT
Water has a very high specific heat capacity (4186 J/kg·K), which makes it a good coolant and thermal buffer.
Figure: Temperature–entropy diagram showing specific heat transfer[reference:1].
Latent Heat
Latent heat is the heat absorbed or released during a phase change (solid ↔ liquid ↔ gas) at constant temperature.
- Latent heat of fusion (Lf): Heat required to melt 1 kg of solid at its melting point.
- Latent heat of vaporization (Lv): Heat required to vaporize 1 kg of liquid at its boiling point.
Formula: Q = m L
Figure: Temperature vs. heat added for water, showing plateaus during phase changes[reference:2].
Laws of Thermodynamics
First Law (Law of Energy Conservation): ΔU = Q – W
where ΔU is change in internal energy, Q is heat added to the system, and W is work done by the system.
Second Law: Heat flows spontaneously from a hotter body to a colder body. It also introduces the concept of entropy, which always increases for an isolated system.
Heat Transfer Methods
Heat can be transferred in three ways:
- Conduction: Transfer through a material by molecular collisions (e.g., a metal rod heated at one end).
- Convection: Transfer by the bulk movement of fluids (e.g., boiling water, atmospheric currents).
- Radiation: Transfer via electromagnetic waves (e.g., heat from the sun, infrared radiation).
Figure: Illustration of conduction, convection, and radiation[reference:3].
Temperature Scales
Common temperature scales:
- Celsius (°C): Based on water’s freezing (0°C) and boiling (100°C) points.
- Fahrenheit (°F): Used mainly in the USA.
- Kelvin (K): The SI base unit; absolute zero (0 K) is the lowest possible temperature.
Conversions: K = °C + 273.15; °F = (9/5)°C + 32.
तापमान और ऊष्मा
तापमान किसी पदार्थ के कणों की औसत गतिज ऊर्जा का माप है। यह ऊष्मा प्रवाह की दिशा निर्धारित करता है।
ऊष्मा तापमान अंतर के कारण पदार्थों के बीच स्थानांतरित ऊर्जा है। ऊष्मा हमेशा उच्च तापमान के क्षेत्र से निम्न तापमान के क्षेत्र की ओर प्रवाहित होती है।
ऊष्मा की SI इकाई जूल (J) है। कैलोरी (cal) भी प्रयोग में आती है (1 cal = 4.186 J)।
ऊष्मीय प्रसार
अधिकांश पदार्थ गर्म करने पर फैलते हैं। इसे ऊष्मीय प्रसार कहते हैं।
- रैखिक प्रसार: ΔL = α L₀ ΔT
- क्षेत्रफल प्रसार: ΔA = 2α A₀ ΔT
- आयतन प्रसार: ΔV = β V₀ ΔT (समदैशिक ठोसों के लिए β ≈ 3α)
जहाँ α रैखिक प्रसार गुणांक, β आयतन प्रसार गुणांक, L₀, A₀, V₀ मूल आयाम हैं, और ΔT तापमान परिवर्तन है।
चित्र: एक ठोस छड़ का गर्म करने पर ऊष्मीय प्रसार[reference:4].
विशिष्ट ऊष्मा धारिता
विशिष्ट ऊष्मा धारिता (c) किसी पदार्थ के 1 kg का तापमान 1 K (या 1°C) बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा है।
सूत्र: Q = m c ΔT
पानी की विशिष्ट ऊष्मा धारिता बहुत अधिक (4186 J/kg·K) होती है, जो इसे एक अच्छा शीतलक और ऊष्मीय बफर बनाती है।
चित्र: विशिष्ट ऊष्मा स्थानांतरण दर्शाता तापमान–एन्ट्रॉपी आरेख[reference:5].
गुप्त ऊष्मा
गुप्त ऊष्मा नियत तापमान पर अवस्था परिवर्तन (ठोस ↔ द्रव ↔ गैस) के दौरान अवशोषित या मुक्त ऊष्मा है।
- संलयन की गुप्त ऊष्मा (Lf): अपने गलनांक पर 1 kg ठोस को पिघलाने के लिए आवश्यक ऊष्मा।
- वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा (Lv): अपने क्वथनांक पर 1 kg द्रव को वाष्प में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा।
सूत्र: Q = m L
चित्र: पानी के लिए तापमान बनाम ऊष्मा जोड़ा गया आरेख, अवस्था परिवर्तन के दौरान पठार दिखाता हुआ[reference:6].
ऊष्मागतिकी के नियम
प्रथम नियम (ऊर्जा संरक्षण का नियम): ΔU = Q – W
जहाँ ΔU आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन, Q निकाय को दी गई ऊष्मा, और W निकाय द्वारा किया गया कार्य है।
द्वितीय नियम: ऊ
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