धडा ९: उष्णता

आकृतीत : आकृतीत उष्णता गरम वस्तू A (80 °C) कडून थंड वस्तू B (30 °C) कडे वाहते : A थंड होते आणि B गरम होते.

नियम 1 : उष्णता नेहमी गरमकडून थंडकडे वाहते — गरम वस्तू उष्णता गमावून थंड होते; थंड वस्तू उष्णता घेऊन गरम होते. हलवाई धातूच्या डावेच्या टोकाला कापड गुंडाळतो आणि आपण गरम स्टीलचा ग्लास रुमालाने धरतो, म्हणजे उष्णता हातापर्यंत पोहोचत नाही. तापमान थर्मामीटरने मोजतात.

• सोपे : 30 °C च्या खोलीतला 70 °C चा चहा खोलीला उष्णता देऊन थंड होतो.
• मध्यम : हातातील बर्फाचा खडा हातातून उष्णता घेतो, म्हणून हात थंड वाटतो.
• परीक्षेसाठी : 60 °C ची वस्तू P आणि 20 °C ची वस्तू Q एकमेकांना लागल्या : उष्णता P कडून Q कडे वाहते, दोन्हींचे तापमान समान होईपर्यंत.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत मेणाने चिकटवलेल्या पिना असलेल्या तीन कांड्या (स्टील, ॲल्युमिनियम, तांबे) एका टोकाला तापवल्या आहेत. पिना गरम टोकापासून पडू लागतात. तांब्याच्या कांडीतील सर्वाधिक पिना पडल्या आहेत, म्हणून तांबे उष्णता सर्वांत वेगाने वाहते.

नियम 1 : संवहन-वहन — घन पदार्थात उष्णता गरम टोकाकडून थंड टोकाकडे पदार्थातून जाते. त्यासाठी माध्यम लागते आणि वेग पदार्थावर अवलंबून असतो.

• सोपे : गरम चहात ठेवलेल्या स्टीलच्या चमच्याचा दांडाही गरम होतो.
• मध्यम : तांबे स्टीलपेक्षा उष्णता वेगाने वाहते, म्हणून तांब्याची पट्टी लवकर तापते.
• परीक्षेसाठी : प्रयोगात ज्या कांडीच्या पिना आधी पडतात (तांबे) ती तिघांत सर्वोत्तम वाहक.

आकृतीत : आकृतीत ज्योतीने (A) तापलेले तळाजवळील पाणी गरम होऊन वर जाते (B). वरचे थंड पाणी खाली येऊन (C) त्याची जागा घेते. स्फटिक (D) हे प्रवाह दाखवतात.

नियम 2 : अभिसरण — पाणी तापवले की तळाचे पाणी गरम होते, त्याची घनता कमी होते आणि ते वर जाते; वरचे थंड पाणी त्याची जागा घेते. हे अभिसरण प्रवाह पोटॅशियम परमँगनेटच्या स्फटिकांमुळे दिसतात. अभिसरणाला माध्यम लागते.

• सोपे : हीटरवरील गरम हवा वर जाते आणि थंड हवा तिची जागा घेते.
• मध्यम : उकळत्या वरणाच्या भांड्यात तळचे गरम वरण वर येते आणि वरचे थंड वरण खाली जाते.
• परीक्षेसाठी : पाणी वरून तापवले तर तळ लवकर तापत नाही, कारण गरम पाणी वरच राहते.

आकृतीत : आकृतीत परीक्षानळीतील पाण्याचा वरचा भाग तापवला आहे (A). गरम पाणी खाली जाऊ शकत नाही, म्हणून तळाचा बर्फ (B) लवकर वितळत नाही.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत प्रारणाला माध्यम लागत नाही. सूर्य (A) आणि पृथ्वी (C) यांमधील भाग B मध्ये हवा नाही, तरीही सूर्याची उष्णता आपल्यापर्यंत पोहोचते.

नियम 1 : प्रारण — सूर्याची उष्णता प्रारणाने आपल्यापर्यंत येते. शेकोटी किंवा मेणबत्तीची ऊब मुख्यतः प्रारणाने जाणवते. झाडे, डोंगर, दगड, रस्ते अशा अनेक वस्तू उष्णता प्रारित करतात; अवरक्त कॅमेरा (infrared camera) याचा वापर करून रात्री परिसर दिसतो.

• सोपे : शेकोटीची उष्णता प्रारणाने हातांपर्यंत पोहोचते.
• मध्यम : सूर्य आणि पृथ्वी यांमधील बहुतेक जागेत हवा नसतानाही सूर्याची उष्णता जाणवते.
• परीक्षेसाठी : अवरक्त कॅमेरा रात्री उबदार रस्ता दाखवतो, कारण रस्ता उष्णता प्रारित करतो.

आकृतीत : आकृतीत मंद काळा पृष्ठभाग चकचकीत पृष्ठभागापेक्षा जास्त उष्णता शोषतो : डबा P (काळा) 48 °C आणि डबा Q (चकचकीत) फक्त 36 °C दाखवतो.

नियम 2 : शोषण आणि परावर्तन — उष्णता किरण वस्तूवर पडले की काही शोषले जातात आणि काही परावर्तित होतात. शोषण पृष्ठभागाचा रंग आणि स्वरूप यावर अवलंबून असते. काळी वस्तू सर्वाधिक उष्णता शोषते.

• सोपे : काळी छत्री उन्हात पांढरीपेक्षा जास्त तापते.
• मध्यम : डबा P आणि डबा Q यांच्या तापमानातील फरक 48 − 36 = 12 °C.
• परीक्षेसाठी : उन्हाळ्यात आपण पांढरे किंवा फिकट कपडे पसंत करतो, कारण ते जास्त उष्णता परावर्तित करतात.

आकृतीत : आकृतीत उष्णता किरण पृष्ठभागावर पडतात : काही शोषले जातात आणि काही परावर्तित होतात. चकचकीत पृष्ठभाग Q जास्त परावर्तित करतो (जाड बाण) आणि काळा पृष्ठभाग P जास्त शोषतो.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत रिंगमधून जेमतेम जाणारा धातूचा गोळा तापवल्यावर जात नाही, कारण घन पदार्थ तापवल्यावर प्रसरण पावतात. थंड केल्यावर ते पुन्हा आकुंचन पावतात.

नियम 1 : वाहक आणि दुर्वाहक — तांबे व इतर धातू चांगले वाहक आहेत. प्लॅस्टिक व लाकूड दुर्वाहक आहेत. गरम चहाचा काचेचा किंवा चिनी मातीचा कप आपण धरू शकतो, पण स्टील किंवा तांब्याचा नाही.

• सोपे : तव्याचा लाकडी हात थंड राहतो, कारण लाकूड दुर्वाहक आहे.
• मध्यम : स्वयंपाकाची भांडी धातूची, पण त्यांचे हात बहुधा प्लॅस्टिक किंवा लाकडाचे.
• परीक्षेसाठी : गरम सूपमध्ये स्टील आणि लाकडी चमचा ठेवला तर स्टीलचा आधी धरता न येण्याइतका तापतो.

नियम 2 : प्रसरण आणि आकुंचन — घन पदार्थ तापवल्यावर प्रसरण पावतात आणि थंड केल्यावर आकुंचन पावतात; वेगवेगळे घन वेगवेगळ्या प्रमाणात प्रसरण पावतात. द्रवांत तापवल्यावर कण एकमेकांपासून दूर जातात, म्हणून आकारमान वाढते. वायूही तापवल्यावर प्रसरण पावतो.

• सोपे : घट्ट धातूचे झाकण कोमट पाण्यात प्रसरण पावते, म्हणून सैल होते.
• मध्यम : थर्मामीटरमधील द्रव तापवल्यावर प्रसरण पावतो, म्हणून वर चढतो.
• परीक्षेसाठी : बाटलीवर बांधलेला फुगा बाटली गरम पाण्यात ठेवल्यावर फुगतो.

आकृतीत : आकृतीत द्रव तापवल्यावर प्रसरण पावतो आणि थंड केल्यावर आकुंचन पावतो. नळीतील पातळी 30 °C ला खूण 3 पासून 60 °C ला खूण 7 पर्यंत वर चढते.

आकृतीत : आकृतीत वायूही तापवल्यावर प्रसरण पावतात : बाटली गरम पाण्यात ठेवल्यावर बाटलीवरील फुगा फुगतो.

फरक ओळखा

आकृतीत : थर्मासच्या आकृतीत A झाकण, B बाहेरचे आवरण, C काचेच्या दोन भिंतींमधील पोकळी (हवा काढलेली, निर्वात) आणि तिचे चकचकीत पृष्ठभाग, D फ्लास्कचे संरक्षण करणारे स्पंज किंवा रबराचे तुकडे.

नियम 1 : रचना — स्कॉटिश शास्त्रज्ञ सर जेम्स ड्युअर यांनी 1892 मध्ये पहिला फ्लास्क बनवला. यात एकात एक अशा काचेच्या दोन नळ्या, बंद केलेल्या; पृष्ठभागांना चकचकीत चांदीचा थर आणि मधली हवा काढलेली असते. बाहेर धातू किंवा प्लॅस्टिकचे आवरण आणि मध्ये स्पंज किंवा रबराचे तुकडे असतात.

• सोपे : निर्वातात हवा नाही, म्हणून वहन आणि अभिसरण थांबते.
• मध्यम : चकचकीत थर उष्णता परावर्तित करतो, म्हणून प्रारण थांबते.
• परीक्षेसाठी : झाकणातून आणि तोंडाजवळील काचेतून उष्णता अजूनही हळू गमावली जाते, म्हणून 2-3 तासांनी चहा थोडा थंड होतो.

नियम 2 : ते कसे चालते — चकचकीत पृष्ठभाग उष्णता परावर्तित करतो, म्हणून प्रारण होत नाही; निर्वात वहन आणि अभिसरण थांबवतो. झाकणातून आणि काचेतून थोडी उष्णता जातेच, म्हणून दोन-तीन तासांनी आतले पदार्थ थोडे थंड होतात.

• सोपे : उष्णता सहज बाहेर जाऊ शकत नाही, म्हणून गरम चहा गरम राहतो.
• मध्यम : थर्मास थंड पाणीही थंड ठेवतो, कारण बाहेरची उष्णता सहज आत येऊ शकत नाही.
• परीक्षेसाठी : थांबवलेला प्रकार : प्रारण चकचकीत थराने; वहन आणि अभिसरण निर्वाताने.

फरक ओळखा