उष्णता

सामान्यतः, द्रवपदार्थ गरम केल्यास प्रसरण पावतात आणि थंड केल्यास आकुंचन पावतात. परंतु पाणी याला अपवाद आहे. पाण्याचे हे वैशिष्ट्यपूर्ण आचरण पाण्याचे असंगत आचरण म्हणून ओळखले जाते.

• सामान्य द्रवांचे वर्तन:
• तापमान वाढल्यास आकारमान वाढते (प्रसरण).
• तापमान कमी झाल्यास आकारमान कमी होते (आकुंचन).

• पाण्याचे असंगत आचरण:
• 0°C तापमानाचे पाणी गरम केल्यास, 4°C तापमान होईपर्यंत त्याचे प्रसरणाऐवजी आकुंचन होते.
• 4°C तापमानाला पाण्याचे आकारमान सर्वात कमी असते.
• 4°C च्या पुढे तापमान वाढवल्यास पाण्याचे आकारमान वाढते (सामान्य द्रवांप्रमाणे).
• याचा अर्थ, 4°C तापमानाला पाण्याची घनता सर्वात जास्त असते.

• आलेख विश्लेषण (आकृती 5.4):
• तापमान 0°C ते 4°C पर्यंत वाढवल्यास, पाण्याचे आकारमान कमी होते.
• तापमान 4°C च्या पुढे वाढवल्यास, पाण्याचे आकारमान वाढते.

• पुनर्हिमायन (Regelation):
• दाबामुळे बर्फाचा द्रवणांक 0°C पेक्षा कमी होतो.
• दाब दिल्यास बर्फाचे पाण्यात रूपांतर होते, दाब काढल्यास पाण्याचे पुन्हा बर्फात रूपांतर होते.
• या प्रक्रियेला पुनर्हिमायन म्हणतात.
• उदाहरण: बर्फाचे दोन खडे दाबल्यास ते एकमेकांना चिकटतात. बर्फाच्या लादीतून तार वजन लावून आरपार जाते, पण बर्फ तुटत नाही.

• दैनंदिन जीवनातील महत्त्व:
• थंड प्रदेशातील जलीय जीव 4°C तापमानामुळे तलावाच्या तळाशी जिवंत राहू शकतात. [IMAGE: TODO: थंड प्रदेशातील पाण्यातील सजीव]
• पाण्याच्या असंगत आचरणामुळे थंड प्रदेशात पाण्याच्या नळांना भेगा पडतात किंवा खडक फुटतात, कारण पाणी गोठल्यावर त्याचे आकारमान वाढते.

होपचे उपकरण पाण्याचे असंगत आचरण प्रायोगिकरित्या सिद्ध करण्यासाठी वापरले जाते.

• उपकरणाची रचना (आकृती 5.5):
• एक उभट धातूचे नळकांडे, ज्याच्या मध्यभागी एक पसरट गोलाकार भांडे जोडलेले असते.
• उभट नळकांड्याला वर (T2) आणि खाली (T1) दोन तापमापी जोडण्याची सोय असते.
• उभट नळकांड्यात पाणी भरलेले असते.
• पसरट भांड्यात बर्फ आणि मीठ यांचे गोठण मिश्रण (freezing mixture) भरलेले असते.

• प्रयोगाची पद्धत:
• प्रत्येक 30 सेकंदानंतर T1 आणि T2 तापमापीने दाखवलेल्या तापमानांची नोंद घेतली जाते.
• तापमान Y-अक्षावर आणि वेळ X-अक्षावर घेऊन आलेख काढला जातो.

• निरीक्षण आणि विश्लेषण (आकृती 5.6):
• सुरुवात: दोन्ही तापमापी (T1, T2) समान तापमान दाखवतात.
• पहिला टप्पा: नळकांड्याच्या मध्यभागातील पाणी गोठण मिश्रणामुळे थंड होते. 4°C पर्यंत थंड झाल्यावर, पाण्याचे आकारमान कमी होते आणि घनता वाढते. त्यामुळे हे थंड, जास्त घनतेचे पाणी खाली येते. परिणामी, खालच्या भागातील पाण्याचे तापमान (T1) जलद गतीने कमी होते.
• दुसरा टप्पा: जेव्हा T1 4°C पर्यंत पोहोचते, तेव्हा ते काही काळ स्थिर राहते. या काळात वरच्या भागातील पाण्याचे तापमान (T2) हळूहळू 4°C पर्यंत कमी होते. एकाच वेळी T1 आणि T2 दोन्ही 4°C तापमान दाखवतात.
• तिसरा टप्पा: मध्यभागातील पाण्याचे तापमान 4°C पेक्षा कमी झाल्यावर, पाण्याचे असंगत आचरण सुरू होते. पाण्याचे आकारमान वाढू लागते आणि घनता कमी होते. त्यामुळे हे कमी घनतेचे पाणी तळाकडे न जाता वरच्या भागाकडे जाऊ लागते.
• अंतिम टप्पा: यामुळे वरच्या भागातील पाण्याचे तापमान (T2) जलद गतीने 0°C पर्यंत कमी होते. T2 प्रथम 0°C नोंदवते. त्यानंतर तळाशी असलेले 4°C तापमानाचे पाणी हळूहळू थंड होऊन T1 देखील 0°C नोंदवते.

• निष्कर्ष:
• आलेखावरील दोन्ही वक्रांचा छेदनबिंदू कमाल घनतेचे तापमान (4°C) दर्शवतो.
• या प्रयोगातून पाण्याचे असंगत आचरण स्पष्ट होते, जिथे 0°C ते 4°C दरम्यान पाणी थंड झाल्यावर आकुंचन पावते आणि 4°C नंतर प्रसरण पावते.

वातावरणातील पाण्याची वाफ (बाष्प) आणि त्याचे परिणाम समजून घेणे महत्त्वाचे आहे.

• आर्द्रता (Humidity):
• हवेतील पाण्याच्या वाफेमुळे हवेत निर्माण होणारा ओलावा किंवा दमटपणा म्हणजे आर्द्रता होय.
• दैनंदिन हवामानाचे स्वरूप समजण्यास मदत करते.

• बाष्पाने संतृप्त हवा (Saturated air):
• एका विशिष्ट तापमानास, दिलेल्या हवेच्या आकारमानात एका कमाल मर्यादेपर्यंत बाष्प सामावले जाते.
• जेव्हा हवेमध्ये पाण्याची कमाल वाफ सामावलेली असते, तेव्हा ती हवा त्या विशिष्ट तापमानास बाष्पाने संतृप्त आहे असे म्हणतात.
• हवा संतृप्त होण्यासाठी लागणाऱ्या बाष्पाचे प्रमाण तापमानावर अवलंबून असते. तापमान कमी असल्यास कमी बाष्प लागते.
• उदाहरण: 40°C ला 1 kg कोरड्या हवेत 49 g बाष्प, तर 20°C ला 14.7 g बाष्प संतृप्त करते.

• असंतृप्त हवा (Unsaturated air):
• हवा सामावून घेत असलेल्या बाष्पाच्या कमाल मर्यादेपेक्षा हवेमध्ये कमी बाष्प सामावलेले असल्यास ती हवा असंतृप्त हवा आहे असे म्हणतात.

• दवबिंदू तापमान (Dew point temperature):
• एका विशिष्ट तापमानाची असंतृप्त हवा घेतली आणि तिचे तापमान कमी करत नेले, तर तापमान कमी होताना ज्या तापमानास हवा बाष्पाने संतृप्त होते, त्या तापमानास दवबिंदू तापमान म्हणतात.
• दवबिंदू तापमानास सापेक्ष आर्द्रता 100% असते.

• निरपेक्ष आर्द्रता (Absolute humidity):
• हवेतील पाण्याच्या वाफेचे प्रमाण मोजण्यासाठी वापरली जाणारी राशी.
• व्याख्या: एकक आकारमानाच्या हवेमध्ये असलेल्या पाण्याच्या वाफेच्या वस्तुमानास निरपेक्ष आर्द्रता म्हणतात.
• एकक: सामान्यतः kg/m³ मध्ये मोजतात.

• सापेक्ष आर्द्रता (Relative humidity):
• हवेच्या दमटपणाची किंवा कोरडेपणाची जाणीव सापेक्ष आर्द्रतेवर अवलंबून असते.
• व्याख्या: हवेच्या ठराविक आकारमानात व तापमानास प्रत्यक्ष समाविष्ट बाष्पाचे वस्तुमान आणि हवा संतृप्त करण्यासाठी आवश्यक असणाऱ्या बाष्पाचे वस्तुमान यांच्या गुणोत्तरास सापेक्ष आर्द्रता म्हणतात.
• सूत्र: $$ \text{शेकडा सापेक्ष आर्द्रता} = \left( \frac{\text{दिलेल्या आकारमानात प्रत्यक्ष समाविष्ट बाष्पाचे वस्तुमान}}{\text{दिलेल्या आकारमानाची हवा संतृप्त करण्यासाठी आवश्यक असणाऱ्या बाष्पाचे वस्तुमान}} \right) \times 100 $$
• महत्त्व:
• जर सापेक्ष आर्द्रता 60% पेक्षा जास्त असेल, तर हवा दमट वाटते.
• जर सापेक्ष आर्द्रता 60% पेक्षा कमी असेल, तर हवा कोरडी वाटते.

• संघननाचे (Condensation) परिणाम:
• विमानामागे दिसणारा पांढरा पट्टा: विमानाच्या इंजिनातून निघणाऱ्या वाफेचे संघनन होऊन ढग तयार होतात. वातावरणातील सापेक्ष आर्द्रता जास्त असल्यास पट्टा लांब दिसतो.
• थंड बाटलीवर पाण्याचे थेंब: फ्रिजमधून काढलेल्या थंड बाटलीच्या पृष्ठभागावरील हवा थंड होऊन दवबिंदू तापमानापर्यंत पोहोचते, त्यामुळे बाष्पाचे संघनन होऊन पाण्याचे थेंब जमा होतात.
• पहाटे गवतावर दवबिंदू: पहाटे तापमान कमी झाल्याने हवेतील बाष्पाचे संघनन होऊन गवताच्या पानांवर दवबिंदू जमा होतात.

उष्णता हे ऊर्जेचे एक स्वरूप आहे आणि ती मोजण्यासाठी विशिष्ट एकके वापरली जातात.

• SI एकक: जूल (J)
• CGS एकक: कॅलरी (cal)
• मोठ्या प्रमाणातील उष्णता: किलोकॅलरी (kcal)
• 1 किलोकॅलरी = 10³ कॅलरी

• कॅलरीची व्याख्या:
• 1 कॅलरी: 1 ग्रॅम पाण्याचे तापमान 14.5°C ते 15.5°C पर्यंत 1°C ने वाढवण्यासाठी लागणारी उष्णता.
• 1 किलोकॅलरी: 1 किलोग्रॅम पाण्याचे तापमान 14.5°C ते 15.5°C पर्यंत 1°C ने वाढवण्यासाठी लागणारी उष्णता.

• तापमान खंड निवडण्याचे कारण:
• पाण्याचे तापमान 14.5°C ते 15.5°C या विशिष्ट तापमान खंडात 1°C ने वाढवण्यासाठी लागणारी उष्णता इतर तापमान खंडांपेक्षा थोडी भिन्न असू शकते.
• म्हणून, उष्णतेचे एकक ठरवताना हाच विशिष्ट तापमान खंड निवडला जातो, जेणेकरून मापन प्रमाणित (standardized) राहील.

• जूल आणि कॅलरी संबंध:
• 1 कॅलरी = 4.18 जूल

प्रत्येक पदार्थाची उष्णता शोषून घेण्याची क्षमता वेगळी असते, या गुणधर्माला विशिष्ट उष्माधारकता म्हणतात.

• व्याख्या: एकक वस्तुमानाच्या पदार्थाचे तापमान 1°C ने वाढवण्यासाठी लागणारी उष्णता म्हणजे त्या पदार्थाची विशिष्ट उष्माधारकता होय.
• संज्ञा: 'c' या चिन्हाने दर्शवतात.

• एकके:
• SI एकक: J/kg °C
• CGS एकक: cal/g °C

• उष्णता शोषून घेणे किंवा गमावणे (सूत्र):
• जर पदार्थाचे वस्तुमान 'm' असेल, विशिष्ट उष्माधारकता 'c' असेल आणि तापमानातील बदल ΔT असेल, तर:
• शोषलेली उष्णता (तापमान वाढल्यास): $$ Q = m \times c \times \Delta T $$ (येथे ΔT ही तापमानातील वाढ आहे)
• गमावलेली उष्णता (तापमान कमी झाल्यास): $$ Q = m \times c \times \Delta T $$ (येथे ΔT ही तापमानातील घट आहे)

• विशिष्ट उष्माधारकता भिन्न असण्याचे उदाहरण (कृती 5.8):
• समान वस्तुमानाचे लोखंड, तांबे आणि शिसे यांचे भरीव गोल उकळत्या पाण्यात ठेवल्यास त्यांचे तापमान 100°C होते.
• हे गरम गोल मेणाच्या जाड थरावर ठेवल्यास, ते मेणात वेगवेगळ्या खोलीपर्यंत बुडतात.
• निरीक्षण: लोखंडाचा गोळा मेणात जास्त खोल जातो, शिशाचा गोळा सर्वात कमी खोल जातो, आणि तांब्याचा गोळा या दोघांच्या दरम्यान बुडतो.
• निष्कर्ष: याचा अर्थ, समान तापमान वाढवण्यासाठी तीनही गोळ्यांनी शोषलेली उष्णता भिन्न आहे. ज्या पदार्थाची विशिष्ट उष्माधारकता जास्त असते, तो जास्त उष्णता शोषून घेतो आणि जास्त उष्णता बाहेर टाकतो, त्यामुळे मेणात जास्त खोल जातो.
• तक्ता 5.9: विविध पदार्थांच्या विशिष्ट उष्माधारकता दर्शवतो. पाण्याची विशिष्ट उष्माधारकता (1.0 cal/g °C) इतर अनेक पदार्थांपेक्षा जास्त आहे, म्हणूनच पाणी उत्तम उष्णतावाहक आहे.

• पाण्याची उच्च विशिष्ट उष्माधारकता:
• पाण्याची विशिष्ट उष्माधारकता खूप जास्त असल्यामुळे, ते मोठ्या प्रमाणात उष्णता साठवून ठेवू शकते.
• यामुळे पाणी उष्णता विनिमयकांमध्ये (heat exchangers) आणि शीतलक (coolant) म्हणून वापरले जाते.
• समुद्रकिनाऱ्याजवळील हवामान सम (moderate) राहण्यासही पाण्याची उच्च विशिष्ट उष्माधारकता कारणीभूत ठरते.

पदार्थाची विशिष्ट उष्माधारकता मोजण्यासाठी मिश्रण पद्धत आणि कॅलरीमापीचा वापर केला जातो. हे उष्णता विनिमयाच्या तत्त्वावर आधारित आहे.

• उष्णता विनिमयाचे तत्त्व (Principle of Heat Exchange):
• जेव्हा उष्ण आणि थंड वस्तू एकमेकांच्या संपर्कात येतात, तेव्हा उष्ण वस्तू उष्णता गमावते आणि थंड वस्तू उष्णता ग्रहण करते.
• ही उष्णतेची देवाणघेवाण तोपर्यंत चालू राहते, जोपर्यंत दोन्ही वस्तूंचे तापमान समान होत नाही.
• जर ही प्रणाली (system) वातावरणापासून पूर्णपणे वेगळी केली असेल (उदा. उष्णतारोधक पेटीत), तर:
• उष्ण वस्तूने गमावलेली उष्णता = थंड वस्तूने ग्रहण केलेली उष्णता
• या तत्त्वाला उष्णता विनिमयाचे तत्त्व म्हणतात.

• कॅलरीमापी (Calorimeter):
• हे उपकरण पदार्थांच्या विशिष्ट उष्माधारकतेचे मापन करण्यासाठी वापरले जाते.
• कॅलरीमापी एक उष्णतारोधक भांडे असते, जेणेकरून बाहेरील वातावरणातून उष्णता आत येऊ नये किंवा आतील उष्णता बाहेर जाऊ नये.
• यात सामान्यतः पाणी आणि एक ढवळणी (stirrer) असते.

• मिश्रण पद्धत (Method of Mixtures):
• एखाद्या स्थायू पदार्थाची विशिष्ट उष्माधारकता मोजण्यासाठी, तो स्थायू पदार्थ विशिष्ट तापमानापर्यंत गरम केला जातो.
• नंतर तो स्थायू पदार्थ कॅलरीमापीतील विशिष्ट वस्तुमानाच्या पाण्यात टाकला जातो.
• उष्ण स्थायू पदार्थाकडून कॅलरीमापीतील पाणी आणि कॅलरीमापी यांच्यात उष्णता हस्तांतरण सुरू होते.
• हे हस्तांतरण स्थायू पदार्थ, पाणी आणि कॅलरीमापी यांचे तापमान समान होईपर्यंत चालू राहते.

• उष्णता विनिमयाचे समीकरण:
• उष्ण स्थायूने गमावलेली उष्णता (Q) = कॅलरीमापीने ग्रहण केलेली उष्णता (Q₂) + कॅलरीमापीतील पाण्याने ग्रहण केलेली उष्णता (Q₁)
• $$ Q = Q_1 + Q_2 $$

• प्रत्येक घटकाद्वारे शोषलेली/गमावलेली उष्णता:
• स्थायूने गमावलेली उष्णता (Q): $$ m_{\text{स्थायू}} \times c_{\text{स्थायू}} \times \Delta T_{\text{स्थायू}} $$
• पाण्याने ग्रहण केलेली उष्णता (Q₁): $$ m_{\text{पाणी}} \times c_{\text{पाणी}} \times \Delta T_{\text{पाणी}} $$
• कॅलरीमापीने ग्रहण केलेली उष्णता (Q₂): $$ m_{\text{कॅलरीमापी}} \times c_{\text{कॅलरीमापी}} \times \Delta T_{\text{कॅलरीमापी}} $$

• अप्रकट उष्णता (Latent Heat):
• पदार्थाच्या अवस्था बदलासाठी (उदा. स्थायूतून द्रव किंवा द्रवातून वायू) लागणारी उष्णता, जी तापमानात बदल न करता पदार्थाची अवस्था बदलते, तिला अप्रकट उष्णता म्हणतात.
• वितळण्याची अप्रकट उष्णता (Latent heat of fusion, L_f): 1 एकक वस्तुमानाचा स्थायू द्रव अवस्थेत रूपांतरित करण्यासाठी लागणारी उष्णता.
• बाष्पनाची अप्रकट उष्णता (Latent heat of vaporization, L_v): 1 एकक वस्तुमानाचा द्रव वायू अवस्थेत रूपांतरित करण्यासाठी लागणारी उष्णता.
• सूत्र: अवस्था बदलासाठी लागणारी उष्णता $$ Q = m \times L $$ (येथे L ही विशिष्ट अप्रकट उष्णता आहे)
• बर्फासाठी: वितळण्याची अप्रकट उष्णता = 80 cal/g
• पाण्यासाठी: बाष्पनाची अप्रकट उष्णता = 540 cal/g