धडा 7: निसर्गातील उष्णतेचे संक्रमण

उष्णता नेहमी जास्त गरम जागेकडून कमी गरम जागेकडे जाते. घन पदार्थांमध्ये उष्णता मुख्यतः वहनाने पसरते. घन पदार्थाचे एक टोक तापवले की त्यातील कण जास्त वेगाने कंप पावतात आणि शेजारच्या कणांना उष्णता देतात, ते पुढच्या कणांना देतात, असे चालू राहते. कण स्वतः पदार्थातून पुढे सरकत नाहीत; फक्त उष्णता पुढे जाते. वस्तूचे सर्व भाग एकाच तापमानाला येईपर्यंत वहन चालू राहते.

ज्या पदार्थांमधून उष्णता सहज जाते ते उष्णतेचे सुवाहक असतात. तांबे, अॅल्युमिनियम, लोखंड असे बहुतेक धातू सुवाहक आहेत. ज्या पदार्थांमधून उष्णता सहज जात नाही ते दुर्वाहक किंवा रोधक असतात; उदा. लाकूड, प्लॅस्टिक, काच, कापड, रबर आणि हवा. स्वयंपाकाची भांडी धातूची असतात कारण ती अन्न लवकर तापवतात, आणि त्यांच्या मुठी लाकडाच्या किंवा प्लॅस्टिकच्या असतात म्हणजे आपण त्या धरू शकतो. लोकरीचे कपडे हवा अडकवतात, आणि हवा दुर्वाहक असल्याने ते आपल्याला उबदार ठेवतात. पोकळ विटा, जाड मातीच्या भिंती किंवा गवताचे छत असलेली घरे उन्हाळ्यात थंड आणि हिवाळ्यात उबदार राहतात, कारण अडकलेली हवा आणि माती उष्णता सहज जाऊ देत नाहीत.

द्रव आणि वायूंमध्ये उष्णता मुख्यतः संवहनाने पसरते. हवेसारखा वायू तापवला की तो प्रसरण पावतो, हलका होतो आणि वर जातो. थंड, जड हवा त्याची जागा घेण्यासाठी खालून येते. ही थंड हवा पुन्हा तापते, वर जाते आणि हे चक्र चालू राहते. हवेच्या या फिरण्याने उष्णता एका जागेहून दुसरीकडे पोहोचते. संवहनात कण स्वतःच एका जागेहून दुसरीकडे सरकतात आणि उष्णता वाहून नेतात. वहन आणि संवहन यांतील हाच मुख्य फरक आहे. धुरात गरम वायू मिसळलेले असतात, जे आसपासच्या हवेपेक्षा हलके असतात, म्हणून धूर वर जातो. चिमणी, छताजवळची झरोका आणि गरम हवेचा फुगा ही कल्पना वापरतात.

द्रवही संवहनाने उष्णता पुढे नेतात. भांड्याच्या तळाचे पाणी तापले की ते प्रसरण पावते, हलके होते आणि वर जाते. वरचे व बाजूचे थंड, जड पाणी खाली येऊन त्याची जागा घेते. हे पाणी तापून पुन्हा वर जाते. हे चक्र चालू राहते आणि पाण्याच्या प्रत्यक्ष हालचालीमुळे संपूर्ण द्रव तापतो. बीकरच्या तळाशी पोटॅशियम परमँगनेटचा लहान स्फटिक ठेवून बीकर मध्यभागाखाली तापवला, तर रंगीत पट्टा मध्यभागी वर जातो आणि बाजूंनी खाली येतो. यातून पाण्यातला संवहन प्रवाह दिसतो. खालून तापवणे वरून तापवण्यापेक्षा जास्त परिणामकारक असते.

जमीन (माती, वाळू, खडक) आणि पाणी एकाच वेगाने तापत आणि थंड होत नाहीत. उन्हात जमीन पाण्यापेक्षा लवकर तापते, आणि रात्री जमीन पाण्यापेक्षा लवकर थंड होते. दिवसा जमिनीवरची हवा गरम होऊन हलकी होते आणि वर जाते. समुद्रावरील थंड हवा तिची जागा घ्यायला येते. समुद्राकडून जमिनीकडे वाहणारा हा वारा म्हणजे सागरी वारा. रात्री जमीन लवकर थंड होते, म्हणून समुद्रावरची हवा तुलनेने गरम असून वर जाते आणि जमिनीवरची थंड हवा समुद्राकडे जाते. हा भू-वारा. हे वारे मोठ्या प्रमाणावरील संवहनाची उदाहरणे आहेत. त्यामुळे किनारी प्रदेशांचे तापमान मध्यम राहते आणि मच्छीमार या वाऱ्यांचा उपयोग नौकानयनासाठी करतात.

प्रारण म्हणजे कोणत्याही पदार्थाच्या माध्यमाशिवाय होणारे उष्णतेचे संक्रमण. अशाच प्रकारे सूर्याची उष्णता अवकाशातून आपल्यापर्यंत येते आणि दूर ठेवलेल्या आगीची किंवा गरम वस्तूची ऊब आपल्याला जाणवते. सर्व वस्तू उष्णता उत्सर्जित (प्रारित) करतात आणि जास्त गरम वस्तू जास्त करतात. ज्योतीपासून दूर ठेवलेले गरम भांडे आपल्या आसपासच्या वातावरणाला उष्णता देऊन हळूहळू थंड होते. काळे आणि मळकट पृष्ठभाग प्रारित उष्णता जास्त शोषतात, आणि हलके व चकचकीत पृष्ठभाग ती जास्त परावर्तित करतात. म्हणूनच उन्हाळ्यात हलक्या रंगाचे आणि हिवाळ्यात गडद रंगाचे कपडे आपल्याला आवडतात. वहन आणि संवहनासाठी माध्यम लागते; प्रारणासाठी लागत नाही.

उष्णता पसरण्याचे तीन प्रकार आहेत : वहन, संवहन आणि प्रारण. वहनात उष्णता स्पर्श करणाऱ्या कणांमधून जाते आणि कण जागेवर राहतात. संवहनात उष्णता द्रव आणि वायूंच्या सरकणाऱ्या कणांनी वाहून नेली जाते. प्रारणात उष्णता कोणत्याही माध्यमाशिवाय जाते. अनेक रोजच्या घटनांत एकापेक्षा जास्त प्रक्रिया असतात. स्टोव्हवर पाणी तापवताना ज्वाला पातेल्याचा तळ वहनाने तापवते, पाणी संवहन प्रवाहांनी तापते आणि ज्योत व पातेल्याजवळ जाणवणारी ऊब प्रारणाने असते. माणूस या कल्पनांचा उपयोग कपडे, घरे, स्वयंपाकाची भांडी, थर्मॉस आणि अनेक उपकरणे बनवण्यासाठी करतो. कोणती प्रक्रिया चालू आहे हे ठरवण्यासाठी विचारा : स्पर्श आहे का? कण सरकतात का? माध्यम नाही का?

सूर्याच्या उष्णतेमुळे समुद्र, तलाव, नद्या, माती आणि वनस्पती यांतील पाण्याचे बाष्पीभवन होऊन ते बाष्प बनते. बाष्प वर जाते, थंड होते आणि संघनित होऊन लहान थेंब बनतात, त्यांचे ढग तयार होतात. हे थेंब पाऊस, बर्फ किंवा गारा म्हणून खाली पडतात; याला वृष्टी म्हणतात. पृष्ठभाग, आकाश आणि पुन्हा पृष्ठभाग असे पाण्याचे सतत फिरणे म्हणजे जलचक्र. पावसाचे काही पाणी जमिनीवरून नद्यांत आणि समुद्रात वाहते, तर काही मातीत झिरपते. माती आणि खडकांतून पाणी झिरपण्याला अंतःस्रवण म्हणतात. पाणी खडीतून सर्वात वेगाने, वाळूतून मंद आणि चिकणमातीतून सर्वात मंद झिरपते. मातीच्या कणांमधील जागेत आणि खडकांत साठलेले पाणी म्हणजे भूजल. पाणी साठवून देणारे भूगर्भातील थर म्हणजे जलधारक स्तर; त्यांतून आपल्याला विहिरी, हातपंप आणि कूपनलिकांतून पाणी मिळते. भूजलाचा अतिवापर आणि अंतःस्रवण रोखणारे काँक्रीटचे पृष्ठभाग यांमुळे भूजल पातळी खाली जाते, म्हणून ते पुन्हा भरण्यासाठी पावसाचे पाणी साठवणे आणि पुनर्भरण खड्डे वापरतात.