अध्याय 7: प्रकृति में ऊष्मा का स्थानांतरण

ऊष्मा हमेशा अधिक गर्म स्थान से कम गर्म स्थान की ओर जाती है। ठोसों में ऊष्मा मुख्यतः चालन से फैलती है। ठोस का एक सिरा गर्म करने पर उसके कण अधिक तेज़ी से कंपन करते हैं और पास के कणों को ऊष्मा दे देते हैं, वे अगले कणों को देते हैं, इस तरह यह चलता रहता है। कण स्वयं ठोस के साथ आगे नहीं बढ़ते; केवल ऊष्मा आगे जाती है। जब तक वस्तु के सभी भाग एक ही ताप पर न आ जाएँ, चालन चलता रहता है।

जिन पदार्थों से ऊष्मा आसानी से गुज़रती है वे ऊष्मा के सुचालक होते हैं। ताँबा, एल्युमिनियम, लोहा जैसी अधिकतर धातुएँ सुचालक हैं। जिन पदार्थों से ऊष्मा आसानी से नहीं गुज़रती वे कुचालक या रोधक होते हैं; जैसे लकड़ी, प्लास्टिक, काँच, कपड़ा, रबर और हवा। खाना पकाने के बर्तन धातु के होते हैं क्योंकि वे भोजन को जल्दी गर्म करते हैं, और उनकी मूठें लकड़ी या प्लास्टिक की होती हैं ताकि हम उन्हें पकड़ सकें। ऊनी कपड़े हवा रोक लेते हैं और हवा कुचालक होने से वे हमें गर्म रखते हैं। खोखली ईंटों, मोटी मिट्टी की दीवारों या फूस की छत वाले घर गर्मी में ठंडे और सर्दी में गर्म रहते हैं, क्योंकि रुकी हुई हवा और मिट्टी ऊष्मा को आसानी से नहीं जाने देते।

द्रवों और गैसों में ऊष्मा मुख्यतः संवहन से फैलती है। हवा जैसी गैस गर्म करने पर फैलती है, हल्की हो जाती है और ऊपर उठती है। ठंडी, भारी हवा उसकी जगह लेने नीचे से आती है। यह ठंडी हवा फिर गर्म होती है, ऊपर उठती है और यही चक्र चलता रहता है। हवा के इस घूमने से ऊष्मा एक जगह से दूसरी जगह पहुँचती है। संवहन में कण स्वयं एक स्थान से दूसरे स्थान तक चलते हैं और ऊष्मा साथ ले जाते हैं। चालन और संवहन में यही मुख्य अंतर है। धुएँ में गर्म गैसें मिली होती हैं जो आसपास की हवा से हल्की होती हैं, इसलिए धुआँ ऊपर जाता है। चिमनी, छत के पास का रोशनदान और गर्म हवा का गुब्बारा इसी विचार का उपयोग करते हैं।

द्रव भी संवहन से ऊष्मा आगे ले जाते हैं। बर्तन के तले का पानी गर्म होता है तो वह फैलता है, हल्का हो जाता है और ऊपर उठता है। ऊपर और किनारों का ठंडा, भारी पानी नीचे आकर उसकी जगह लेता है। यह पानी गर्म होकर फिर ऊपर उठता है। यह चक्र चलता रहता है और पानी की वास्तविक गति से पूरा द्रव गर्म हो जाता है। बीकर की तली में पोटैशियम परमैंगनेट का छोटा क्रिस्टल रखकर बीकर को बीच के नीचे गर्म करें तो रंगीन धारी बीच में ऊपर उठती है और किनारों से नीचे आती है। इससे पानी में संवहन धारा दिखती है। नीचे से गर्म करना ऊपर से गर्म करने से अधिक प्रभावी होता है।

ज़मीन (मिट्टी, रेत, चट्टानें) और पानी एक ही गति से गर्म और ठंडे नहीं होते। धूप में ज़मीन पानी से जल्दी गर्म होती है, और रात में ज़मीन पानी से जल्दी ठंडी होती है। दिन में ज़मीन के ऊपर की हवा गर्म होकर हल्की हो जाती है और ऊपर उठती है। समुद्र के ऊपर की ठंडी हवा उसकी जगह लेने आती है। समुद्र से ज़मीन की ओर चलने वाली यह हवा समुद्री पवन है। रात में ज़मीन जल्दी ठंडी हो जाती है, इसलिए समुद्र के ऊपर की हवा अपेक्षाकृत गर्म होकर ऊपर उठती है और ज़मीन की ठंडी हवा समुद्र की ओर जाती है। यह स्थल पवन है। ये पवनें बड़े पैमाने पर संवहन के उदाहरण हैं। इनके कारण तटीय क्षेत्रों का ताप मध्यम रहता है और मछुआरे इन पवनों का उपयोग नाव चलाने में करते हैं।

विकिरण वह ऊष्मा-स्थानांतरण है जिसमें किसी पदार्थ-माध्यम की आवश्यकता नहीं होती। इसी तरह सूर्य की ऊष्मा अंतरिक्ष से हम तक आती है और दूर रखी आग या गर्म वस्तु की गर्माहट हमें महसूस होती है। सभी वस्तुएँ ऊष्मा बाहर निकालती (विकिरित करती) हैं और अधिक गर्म वस्तुएँ अधिक करती हैं। लौ से दूर रखा गर्म बर्तन आसपास को ऊष्मा देकर धीरे-धीरे ठंडा हो जाता है। काली और खुरदरी सतहें विकिरित ऊष्मा को अधिक अवशोषित करती हैं, और हल्की व चमकदार सतहें उसे अधिक परावर्तित करती हैं। इसीलिए गर्मियों में हल्के रंग के और सर्दियों में गहरे रंग के कपड़े हमें पसंद आते हैं। चालन और संवहन के लिए माध्यम चाहिए; विकिरण के लिए नहीं।

ऊष्मा के फैलने के तीन तरीके हैं : चालन, संवहन और विकिरण। चालन में ऊष्मा छूने वाले कणों में जाती है और कण जगह पर रहते हैं। संवहन में ऊष्मा द्रवों और गैसों के चलते हुए कण ले जाते हैं। विकिरण में ऊष्मा बिना किसी माध्यम के जाती है। कई रोज़मर्रा की घटनाओं में एक से अधिक प्रक्रियाएँ होती हैं। चूल्हे पर पानी गर्म करते समय लौ बर्तन के तले को चालन से गर्म करती है, पानी संवहन धाराओं से गर्म होता है और लौ तथा बर्तन के पास महसूस होने वाली गर्माहट विकिरण से होती है। मनुष्य इन विचारों का उपयोग कपड़े, घर, खाना पकाने के बर्तन, थर्मस और अनेक उपकरण बनाने में करता है। कौन-सी प्रक्रिया चल रही है, यह तय करने के लिए पूछिए : क्या संपर्क है? क्या कण चलते हैं? क्या माध्यम नहीं है?

सूर्य की ऊष्मा से समुद्र, झील, नदियों, मिट्टी और पौधों का पानी वाष्पीकरण से जलवाष्प बन जाता है। वाष्प ऊपर उठती है, ठंडी होती है और संघनित होकर छोटी बूँदें बनती है, जिनसे बादल बनते हैं। ये बूँदें वर्षा, बर्फ़ या ओलों के रूप में गिरती हैं; इसे वर्षण कहते हैं। सतह, आकाश और फिर सतह तक पानी का लगातार चलते रहना जलचक्र है। वर्षा का कुछ पानी ज़मीन पर बहकर नदियों और समुद्र में जाता है और कुछ मिट्टी में रिसता है। मिट्टी और चट्टानों में पानी के रिसने को अंतःस्रवण कहते हैं। पानी बजरी से सबसे तेज़, रेत से धीमे और चिकनी मिट्टी से सबसे धीमे रिसता है। मिट्टी के कणों के बीच की जगहों और चट्टानों में जमा पानी भूजल है। पानी जमा रखने वाली भूमिगत परतें जलभृत हैं, जिनसे हमें कुओं, हैंडपंपों और नलकूपों से पानी मिलता है। भूजल का अत्यधिक उपयोग और अंतःस्रवण रोकने वाली कंक्रीट की सतहें भूजल स्तर घटा देती हैं, इसलिए उसे फिर से भरने के लिए वर्षा जल संचयन और पुनर्भरण गड्ढे अपनाए जाते हैं।