Notes-Marathi Medium-इयत्ता-आठवी – सामान्य विज्ञान-पाठ-14- उष्णतेचे मापन व परिणाम-Maharashtra Board

अभ्यासघटक : उष्णतेचे स्रोत तापमान उष्णता व तापमान तापमापी विशिष्ट उष्मा कॅलरीमापी उष्णतेचे परिणाम

उष्णता : ही एक प्रकारची ऊर्जा आहे, जी अधिक तापमान असलेल्या वस्तूकडून कमी तापमान असलेल्या वस्तूकडे प्रवाहित होते.

• वहन, अभिसरण व प्रारण या तीन प्रकारे उष्णता स्थानांतरित होते.
• पदार्थातील अणूंची एकूण गतिज ऊर्जा ही पदार्थातील उष्णतेचे मापक असते.
• उष्णतेचे SI मधील एकक Joule (ज्यूल) व CGS मधील एकक Calorie (कॅलरी) हे आहे.
• 1cal उष्णता 18 J एवढी असते.
• एक ग्रॅम पाण्याचे तापमान 1⁰C ने वाढण्यासाठी लागणारी ऊर्जा ही एक cal ऊर्जा असते.
• उष्णता ही ऊर्जेचे एक स्वरूप असल्याने ती अर्ग या एककातही व्यक्त करता येते.

उष्णतेचे स्रोत (Sources of Heat) :

(i) सूर्य : सूर्याच्या केंद्रामध्ये होणाऱ्या केंद्रकीय एकीकरणामुळे (Nuclear fusion) मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा निर्माण होते.

• केंद्रकीय एकीकरण प्रक्रियेमध्ये हायड्रोजनच्या केंद्रकांचा संयोग होऊन हेलियमची केंद्रके तयार होतात व त्यातून ऊर्जा निर्मिती होते.
• त्यातील काही ऊर्जा प्रकाश व उष्णतेच्या स्वरूपात पृथ्वी पर्यंत पोहोचते.
• सूर्य हा पृथ्वीला मिळणाऱ्या उष्णतेचा सर्वांत मोठा स्रोत आहे.

(ii) पृथ्वी : पृथ्वीच्या केंद्रातील तापमान अधिक असल्याने पृथ्वी देखील उष्णतेचा स्रोत आहे. ह्या उष्णतेस भू-औष्णिक ऊर्जा म्हणतात.

(iii) रासायनिक ऊर्जा : लाकूड, कोळसा, पेट्रोल इत्यादी इंधनाच्या ज्वलनात इंधनाची ऑक्सिजनबरोबर रासायनिक प्रक्रिया होऊन उष्णता निर्माण होते.

(iv) विद्युत ऊर्जा : विद्युतही उष्णतेचा स्रोत असते. अनेक उपकरणांमध्ये विद्युत ऊर्जा वापरून उष्णता निर्माण केली जाते. जसे विजेची इस्त्री , विद्युत शेगडी इत्यादी म्हणजेच

(v) अणुऊर्जा : अणुऊर्जा प्रकल्पात काही मूलद्रव्यांच्या, जसे युरेनिअम, थोरिअम इत्यादी, अणूंच्या केंद्रकांचे विभाजन केले असता अत्यंत थोड्या कालावधीत प्रचंड ऊर्जा व उष्णता निर्माण होते.

(vi) हवा : आपल्या सभोवताली असलेल्या हवेत देखील बरीच उष्ण ता सामावलेली असते.

तापमान (Temperature) :

तापमान :  एखाद्या वस्तूचे तापमान हे ती वस्तू किती उष्ण अथवा किती थंड आहे हे दर्शवते.

• तापमान ही राशी उष्णतेच्या प्रवाहाची दिशा ठरवते.
• वस्तूतील अणूंची सरासरी गतिज ऊर्जा ही त्या वस्तूच्या तापमानाचे मापक असते.
• तापमानाचे SI एकक केल्व्हीन (K) आहे. तापमान C (अंश सेल्सिअस) व F (अंश फॅरेनहाईट) मध्येही व्यक्त करतात.
• आपल्याला जाणवणारी उष्ण किंवा थंड ही संवेदना सापेक्ष असते.

उष्णता व तापमान (Heat and temperature) :

उष्णता	तापमान
पदार्थातील अणूंची एकूण गतिज ऊर्जा ही पदार्थातील उष्णतेची मापक असते.	वस्तूतील अणूंची सरासरी गतिज ऊर्जा ही त्या वस्तूच्या तापमानाचे मापक असते.
उष्णता ही अधिक तापमान असलेल्या वस्तुकडून कमी तापमान असलल्या वस्तूकडे प्रवाहित होणारी ऊर्जा होय.	तापमान ही राशी उष्णतेच्या स्थानांतराची दिशा ठरवते. एखाद्या वस्तूचे तापमान हे ती वस्तू किती उष्ण अथवा थंड आहे हे दर्शवते,

•  उष्ण वायूतील अणूंचा वेग थंड वायूतील अणूंच्या वेगापेक्षा अधिक असतो.

• स्थायूमधील अणूंच्या मानाने वायूमधील अणू मोठ्या प्रमाणात मुक्तपणे व वेगवेगळ्या दिशांनी संचार करतात.
• स्थायूतील अणू त्यांच्यामधील परस्पर बलाने बांधलेली असतात व त्यामुळे आपल्या स्थानावरून विस्थापित होत नाहीत. उष्णतेमुळे आपल्या स्थिर जागेवरच ते आंदोलित होतात.
• जितके स्थायूचे तापमान अधिक तितका त्यांचा दोलन वेग अधिक असतो.

 (आकृती मध्ये बाणांची दिशा व लांबी अनुक्रमे अणूंच्या वेगाची दिशा व परिमाण दर्शवितात.)

सेल्सियस (⁰C), फॅरेनहाईट (⁰F) व केल्व्हीन (K) या तिन्हीं एककेतील संबंध खालील सूत्राने दाखवता येतो.

\(\frac{F-32}{9}=\frac{c}{5}\)

K = C + 273.15

∴ F = \(\frac{9}{5}\)C + 32 = \(\frac{9}{5}\)(K - 273.15) + 32

येथे C म्हणजे ⁰C मधील तापमान, F म्हणजे ⁰F मधील तापमान व K म्हणजे केल्व्हीनमधील तापमान होय.

तापमापी (Thermometer) :

तापमापी हे तापमान मोजण्यासाठीचे उपकरण आहे.

तापमापींचे प्रकार :

• प्रयोगशाळेत वापरली जाणारी तापमापी,
• वैद्यकीय तापमापी,
• डिजिटल तापमापी,
• कमाल-किमान तापमापी

असे तापमापीचे विविध प्रकार आहेत.

द्रव (पारा अथवा अल्कोहोल) तापमापी : तापमान बदलल्यास द्रवाचे आकारमान बदलते.

ज्या तापमापीत द्रवाच्या या गुणधर्माचा उपयोग केलेला असतो त्या तापमापीला द्रव (पारा अथवा अल्कोहोल) तापभापी म्हणतात.

रचना :

• द्रव तापमापीत एक काचेची अरुंद नळी असते जिच्या एका टोकाकडे एक फुगा असतो.
• नळीत पूर्वी पारा भरलेला असायचा परंतु, पारा आपल्यासाठी हानिकारक असल्याने त्याऐवजी आता अल्कोहोल वापरले जाते. नळीची उरलेली जागा निर्वात असून नळीचे दुसरे टोक बंद केलेले असते.
• ज्या वस्तूचे तापमान मोजायचे असते त्या वस्तूच्या संपर्कात तापमापीचा फुगा काही काळ ठेवला जातो. त्यामुळे त्याचे तापमान वस्तूच्या तापमाना एवढे होते.
• वाढलेल्या तापमानामुळे अल्कोहोलचे प्रसरण होते व नळीतील त्याची पातळी वाढते.
• अल्कोहोलच्या प्रसरणाचे गुणधर्म वापरून त्याच्या नळीतील पातळीवरून तापमान जाणून घेता येते व त्याप्रमाणे तापमापीची नळी चिन्हांकित केलेली असते.

वैद्यकीय तापमापी अथवा ज्वरमापी : पाऱ्याला उष्णता दिली असता त्याचे समप्रमाणात प्रसरण होते, या गुणधर्माचा उपयोग करून हे उपकरण तयार केलेले आहे.

रचना :

• वैद्यकीय तापमापी अथवा ज्वरमापी ही जाड काचेची, समान अंतर्व्यासाची एक केशनलिका असते.
• तिच्या एका टोकाशी पातळ काच असलेला फुगा असतो. त्यापुढील नळीच्या एका बाजूला बहिर्वक्र भिंगाचा आकार दिलेला असतो. त्यामुळे तापमान पाहणे सोपे जाते.
• वैदयकीय तापमापी अथवा ज्वरमापी फुग्यापासून निघालेल्या केशनलिकेचा भाग काही अंतरावर किंचित वक्र आणि चिंचोळा केलेला असतो.
• त्यामुळे ज्वरमापीत वर चढलेला पारा (अथवा अल्कोहोल) तापमान कमी झाल्यावर आपोआप फुग्यात परत येत नाही.
• या ज्वरमापीवर साधारणतः 35 °C ते 42C (किंवा 95° ते 108 °F) पर्यंत तापमानाच्या खुणा केलेल्या असतात.
• 37 °C (98.6 °F) या अंकावर एक तांबडी खूण (बाण) केलेली असते. ती निरोगी माणसाच्या शरीराचे तापमान दर्शवते.

ज्वरमापीचा उपयोग आपल्या शरीराचे तापमान मोजण्यासाठी होतो. प्रयोगशाळेतील तापमापीला ज्वरमापीप्रमाणे वक्रभाग नसतो व त्याची तापमान मापनाची मर्यादा ज्वरमापीच्या मानाने जास्त असते.

डिजिटल तापमापी : या मध्ये एक संवेदन (sensor) वापरतात. तो शरीरातून बाहेर पडणा्या उष्णतेचे व त्यावरून शरीराच्या तापमानाचे थेट मापन करू शकतो.

 कमाल-किमान तापमापी : यातील एका भागावर दिवसभरातील कमाल तापमान समजते, तर दुसऱ्या भागावर दिवसभरातील किमान तापमान समजते.

विशिष्ट उष्मा (Specific heat) :

पदार्थाचा विशिष्ट उष्मा म्हणजे एकक वस्तुमानाच्या पदार्थाचे तापमान एक अंशाने वाढवण्यासाठी लागणारी उष्णता होय.

• विशिष्ट उष्मा c या चिन्हाने दर्शवतात. विशिष्ट उष्मा J/(kg.K), J/(kg.°C) व cal/(g. °C) अशा वेगवेगळ्या एककांत व्यक्त करतात.
• विशिष्ट उष्मा c व वस्तुमान m असलेल्या वस्तूचे तापमान T_i पासून T_f  पर्यंत वाढवायचे असल्यास त्यास Q उर्जा द्यावी लागेल. ही वस्तूचे वस्तुमान, विशिष्ट उष्मा व तापमानवाढीवर अवलंबून असते.

सूत्र : Q = m × c × (T_f  – T_i)

वेगवेगळ्या पदार्थांचा विशिष्ट उष्मा वेगवेगळा असतो.

कॅलरीमापी (Calorimeter) :

वस्तूतील उष्णता मोजण्यासाठी कॅलरीमापी हे उपकरण वापरले जाते. या उपकरणाद्वारे एखाद्या रासायनिक किंवा भौतिक प्रक्रियेमध्ये बाहेर पडणाऱ्या किंवा शोषित होणाऱ्या उष्णतेचे मापन करू शकतो.

कॅलरीमापीची रचना : आकृती मध्ये कॅलरीमापीची रचना दाखवली आहे.

• थर्मास फ्लास्कप्रमाणे कॅलरीमापीत आत व बाहेर अशी दोन भांडी असतात. आतील भांडे तांब्याचे असते, तर बाहेरील भांडे लाकडाचे असते.
• बाहेरील भांड्यावर उष्णतारोधक झाकण असते. त्याला दोन भोके असतात. त्यांचा उपयोग करून कॅलरीमापीत तापमान मोजण्यासाठी एक तापमापी व द्रव ढवळण्यासाठी एक कांडी बसवलेली असते.
• तांब्याच्या भांड्याचे आतील व बाहेरील पृष्ठभाग चकचकीत केलेले असतात. त्यामुळे कॅलरीमापी व बाहेरील वातावरण यांमध्ये प्रारणामुळे होणारी उष्णतेची देवाण-घेवाण कमीत कमी होते.
• कॅलरीमापीतील वस्तू सभोवतालपासून औष्णिकदृष्ट्या अलिप्त ठेवतात, म्हणजेच कॅलरीमापीमधील वस्तूंतील उष्णता आतून बाहेर जाऊ शकत नाही, तसेच उष्णता बाहेरून आत येऊ शकत नाही.

कॅलरीमापीत एका स्थिर तापमानाचे पाणी ठेवलेले असते. म्हणजे पाण्याचे व आतील भांड्याचे तापमान समान असते. त्यात एखादी उष्ण वस्तू टाकल्यास ती वस्तू , पाणी व आतील भांडे यांत उष्णतेची देवाणघेवाण होते व त्यामुळे त्यांचे तापमान समान होते. यात उष्ण वस्तूने दिलेली एकूण उष्णता व पाण्याने व कॅलरीमापीने ग्रहण केलेली एकूण उष्णता ही समान असते.

Q_O  =  Q_W  + Q_C  …..(i)

वस्तूने दिलेली एकूण उष्णता = Q_O ,

पाण्याने ग्रहण केलेली उष्णता = Q_W ,

कॅलरीमापीने ग्रहण केलेली उष्णता Q_C.

Qo, Q_W व Q_C हे वस्तुमान, तापमानातील बदल, म्हणजेच ΔT (डेल्टा टी) व पदार्थांचा विशिष्ट उष्मा यांवर अवलंबून असते.

कॅलरीमापीच्या पदार्थाचा, पाण्याचा व गरम वस्तूच्या पदार्थाचा विशिष्ट उष्मा क्रमशः C_C, C_W व C_O असल्यास,

(सूत्र : Q = m × c × (T_f  – T_i) = m × c × ΔT) वापरून

सूत्र (i) प्रमाणे m_O × ΔT_O × C_O = m_W × ΔT_W × C_W + m_C × ΔT_C × C_C

उष्णतेचे परिणाम (Effects of heat) :

प्रसरण (Expansion) : कोणत्याही पदार्थास उष्णता दिली गेल्यास त्याचे तापमान वाढते तसेच त्याचे प्रसरण होते. होणारे प्रसरण त्याच्या तापमान वाढीवर अवलंबून असते. उष्णतेमुळे स्थायू, द्रव व वायू अशा सर्व पदार्थांचे प्रसरण होते.

स्थायूचे प्रसरण (Expansion of solids) :

एकरेषीय प्रसरण (Linear Expansion) : स्थायूचे एकरेषीय प्रसरण म्हणजे तापमानवाढीमुळे तार किंवा सळईच्या रूपातील स्थायूच्या लांबीत होणारी वाढ.

पदार्थाचा एकरेषीय प्रसरणांक  λ = (l₂ - l₁)/ (l₁ ΔT)

स्थायूचे प्रतलीय प्रसरण (Planar expansion of solids) : स्थायूच्या एकरेषीय प्रसरणाप्रमाणेच स्थायूच्या पत्र्याचे तापमान वाढविल्यावर त्याचे क्षेत्रफळ वाढते. यास स्थायूचे प्रतलीय प्रसरण म्हणतात. ते खालील सूत्राने दिले जाते.

A₂ = A₁ (1 + σΔT)

येथे ΔT हा तापमानातील बदल असून A₁  व A₂ ही पत्र्याची आरंभी व अंतिम क्षेत्रफळे आहेत. σ(सिग्मा) हा पदार्थाचा द्विघाती किंवा प्रतलीय प्रसरणांक आहे.

स्थायूचे घनीय प्रसरण (Volumetric expansion of solids) : स्थायूच्या त्रिमितीय तुकड्याला

उष्णता दिली असता त्याचे सर्व बाजूने प्रसरण होते व त्याचे आकारमान वाढते. यास स्थायूचे घनीय प्रसरण म्हणतात.

V₂ = V₁ (1 + βΔT)

येथे ΔT हा तापमानातील बदल असून V₂ व V₁ ही स्थायूची अंतिम व आरंभीची आकारमाने आहेत व β (बीटा) हा पदार्थाचा घनीय प्रसरणांक आहे.

द्रवाचे प्रसरण (Expansion of liquids) : द्रवाला ठराविक आकार नसतो पण त्यांना ठराविक आकारमान मात्र असते.

म्हणून द्रवाचा घनीय प्रसरणांक V₂ = V₁ (1 + βΔT)

येथे ΔT हा तापमानातील बदल असून V₂ व V₁ ही द्रवाची अंतिम व आरंभीची आकारमाने आहेत व β (बीटा) हा द्रवाचा घनीय प्रसरणांक आहे.

वायूचे प्रसरण (Expansion of gases) : वायूला ठरावीक आकारमानही नसते. वायूला उष्णता दिल्यावर त्याचे प्रसरण होते, परंतु वायू एका ठरावीक आकाराच्या बाटलीत बंदिस्त केलेला असल्यास त्याचे आकारमान वाढू शकत नाही व त्याचा दाब वाढतो. हे आकृती मध्ये दाखवले आहे.

त्यामुळे दाब स्थिर ठेवून वायूचे प्रसरण मोजले जाते. अशा प्रसरणांकास स्थिर दाब प्रसरणांक म्हणतात. तो खालील सूत्राने दिला जातो.

V₂ = V₁ (1 + βΔT)

येथे ΔT हा तापमानातील बदल असून V₂ व V₁ ही वायूची समान दाबावरील अंतिम व आरंभीची आकारमाने आहेत व β (बीटा) हा द्रवाचा घनीय प्रसरणांक आहे.

पदार्थास उष्णता दिली असता त्याचे आकारमान वाढते. अशा वेळी पदार्थ बंदिस्त करून त्याचे वस्तुमान कायम ठेवल्यास, पदार्थाची घनता कमी होते. हे घनता = वस्तुमान / आकारमान या सूत्रावरून स्पष्ट होते.