उष्णता व तापमान – सामान्य विज्ञान (Science) Notes

१. उष्णता म्हणजे काय? (What is Heat?)

उष्णता हे ऊर्जेचे (Energy) एक रूप आहे. पदार्थातील सर्व अणू (Atoms) आणि रेणूंच्या (Molecules) एकूण गतीज ऊर्जेची (Total Kinetic Energy) बेरीज म्हणजे उष्णता होय.

उष्णतेची महत्त्वाची वैशिष्ट्ये:

• उष्णता ही एक अदिश राशी (Scalar Quantity) आहे.
• उष्णता नेहमी जास्त तापमानाच्या वस्तूंकडून कमी तापमानाच्या वस्तूंकडे प्रवाहित होते.
• उष्णतेचे वहन होण्यासाठी दोन वस्तूंमध्ये तापमानाचा फरक (Temperature Difference) असणे आवश्यक असते.

उष्णतेची एकके (Units of Heat):

• SI एकक: ज्युएल (Joule – J)
• CGS एकक: कॅलरी (Calorie – cal)

२. तापमान म्हणजे काय? (What is Temperature?)

तापमान हे वस्तूच्या उष्णतेची तीव्रतेची किंवा उष्णतेच्या पातळीची (Level of Hotness or Coldness) मापे दर्शवणारे परिमाण आहे. पदार्थातील रेणूंच्या सरासरी गतीज ऊर्जेचे (Average Kinetic Energy) माप म्हणजे तापमान होय.

तापमानाची एकके (Units of Temperature):

• SI एकक: केल्व्हिन (Kelvin – K) – (टीप: केल्व्हिन दर्शवताना डिग्री ‘°’ चिन्ह वापरत नाहीत).
• इतर प्रचलित एकके: अंश सेल्सिअस (°C) आणि अंश फॅरेनहाइट (°F).

३. उष्णता आणि तापमान यातील फरक (Heat vs Temperature)

४. तापमानाच्या पट्ट्या व रूपांतरण सूत्रे (Temperature Scales)

तापमान मोजण्यासाठी मुख्यतः तीन स्केल वापरले जातात: सेल्सिअस (°C), फॅरेनहाइट (°F), आणि केल्व्हिन (K).

महत्त्वाचे मूलभूत तापमान बिंदू:

• निरपेक्ष शून्य तापमान (Absolute Zero Temperature): $0 \text{ K} = -273.15^\circ\text{C}$ (या तापमानाला सर्व अणूंची गती पूर्णपणे थांबते).
• पाण्याचा गोठणबिंदू (Freezing Point of Water): $0^\circ\text{C} = 32^\circ\text{F} = 273.15 \text{ K}$
• पाण्याचा उत्कलनबिंदू (Boiling Point of Water): $100^\circ\text{C} = 212^\circ\text{F} = 373.15 \text{ K}$
• मानवी शरीराचे सामान्य तापमान: $37^\circ\text{C} = 98.6^\circ\text{F} = 310.15 \text{ K}$

५. उष्णतेचे संक्रमण (Modes of Heat Transfer)

उष्णता एका ठिकाणाहून दुसऱ्या ठिकाणी तीन प्रमुख पद्धतींनी प्रवाहित होते:

६. पाण्याचे असंगत वर्तन (Anomalous Behaviour of Water)

सामान्यतः कोणताही द्रव तापवल्यास तो प्रसरण पावतो (Volume increases). परंतु, पाणी $0^\circ\text{C}$ ते $4^\circ\text{C}$ या तापमान मर्यादेमध्ये अपवाद दर्शवते. यालाच पाण्याचे असंगत वर्तन म्हणतात.

प्रक्रियेचे टप्पे:

• जेव्हा $0^\circ\text{C}$ चे पाणी तापवले जाते, तेव्हा $0^\circ\text{C}$ ते $4^\circ\text{C}$ दरम्यान ते प्रसरण पावण्याऐवजी आकुंचन पावते (Contracts).
• तापमान $4^\circ\text{C}$ च्या पुढे गेल्यास ते नेहमीप्रमाणे प्रसरण पावू लागते.

पाण्याच्या असंगत वर्तनाचे निसर्गातील परिणाम:

• थंड प्रदेशातील जलचरांचे संरक्षण: अतिथंड हवामानात तलावातील वरच्या पाण्याचे बर्फ झाले, तरी तळाशी $4^\circ\text{C}$ चे पाणी द्रव रूपात राहते. त्यामुळे मासे व जलचर वनस्पती जिवंत राहू शकतात.
• खडक फुटणे: खडकांच्या भेगांमध्ये साचलेले पाणी गोठल्यास ते प्रसरण पावते, ज्यामुळे खडकांवर दाब पडून खडक फुटतात.
• नळ फुटणे: हिवाळ्यात थंड प्रदेशात पाण्याच्या नळात साचलेले पाणी गोठून प्रसरण पावल्याने पाण्याचे नळ फुटतात.

७. विशिष्ट उष्मा धारकता (Specific Heat Capacity)

एकक वस्तुमानाच्या ($1 \text{ kg}$ किंवा $1 \text{ g}$) पदार्थाचे तापमान $1^\circ\text{C}$ ने वाढवण्यासाठी लागणाऱ्या उष्णता ऊर्जेला त्या पदार्थाची विशिष्ट उष्मा धारकता ($c$) म्हणतात.

• सूत्र: $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$ (येथे $Q$ = दिलेली उष्णता, $m$ = वस्तुमान, $c$ = विशिष्ट उष्मा धारकता, $\Delta T$ = तापमानातील बदल).
• SI एकक: $\text{J/kg}\cdot^\circ\text{C}$ किंवा $\text{J/kg}\cdot\text{K}$
• CGS एकक: $\text{cal/g}\cdot^\circ\text{C}$
• पाण्याची विशिष्ट उष्मा धारकता: इतर द्रवांच्या मानाने सर्वाधिक असते ($1 \text{ cal/g}^\circ\text{C}$ किंवा $418४ \text{ J/kg}^\circ\text{C}$). म्हणूनच पाणी थंड करण्याचे कारक (Coolant) म्हणून गाड्यांच्या रेडिएटर्समध्ये वापरले जाते.

८. सुप्त उष्णता (Latent Heat)

पदार्थाची अवस्था बदलताना (उदा. स्थायूचे द्रवात किंवा द्रवाचे वायूत रूपांतर होताना) तापमानात कोणताही बदल न होता शोषलेल्या किंवा बाहेर टाकलेल्या उष्णतेला सुप्त उष्णता (Latent Heat) म्हणतात.

• वितळनाची अप्रकट/सुप्त उष्णता (Latent Heat of Fusion): बर्फाचे पाण्यात रूपांतर होताना $0^\circ\text{C}$ तापमानाला शोषलेली उष्णता. (बर्फासाठी $= 80 \text{ cal/g}$ किंवा $336 \text{ J/g}$).
• बाष्पीभवनाची अप्रकट/सुप्त उष्णता (Latent Heat of Vaporization): पाण्याचे वाफेत रूपांतर होताना $100^\circ\text{C}$ तापमानाला शोषलेली उष्णता. (पाण्यासाठी $= 540 \text{ cal/g}$ किंवा $2260 \text{ J/g}$).