ch09

उष्णता संक्रमणाचे तीन मुख्य प्रकार आहेत: वहन (Conduction), अभिसरण (Convection) आणि प्रारण (Radiation). या विभागात आपण अभिसरण आणि घनतेचा संबंध पाहू.

• अभिसरण (Convection):
• द्रव आणि वायू पदार्थांमध्ये उष्णतेचे संक्रमण अभिसरण पद्धतीने होते.
• या पद्धतीत, उष्णता मिळाल्यावर पदार्थाचे कण स्वतः उष्ण होतात आणि त्यांची घनता कमी होते.
• कमी घनतेचे उष्ण कण वरच्या दिशेने जातात आणि त्यांची जागा घेण्यासाठी थंड, जास्त घनतेचे कण खाली येतात.
• ही प्रक्रिया सतत चालू राहते, ज्यामुळे संपूर्ण द्रव किंवा वायू उष्ण होतो.

• घनतेचा अभिसरणावरील परिणाम:
• उष्णतेमुळे घनता कमी झालेले पाणी खाली जाऊ शकत नाही. त्यामुळे अभिसरण क्रिया घडत नाही.
• उदाहरण: परीक्षानळीतील पाणी गरम करताना, जर उष्णता वरच्या बाजूने दिली, तर वरचे पाणी गरम होऊन त्याची घनता कमी होते. हे उष्ण पाणी वरच राहते आणि खालील थंड पाणी वर येऊ शकत नाही. त्यामुळे उष्णता तळाशी असलेल्या बर्फापर्यंत पोहोचत नाही आणि बर्फ वितळत नाही.
• याउलट, जर उष्णता तळाशी दिली, तर तळाशी असलेले पाणी गरम होऊन वर जाते आणि थंड पाणी खाली येते, ज्यामुळे अभिसरण होते आणि संपूर्ण पाणी गरम होते.

• महत्त्वाचे निरीक्षण (Activity 9.4.1):
• एका परीक्षानळीत पाणी घेऊन, स्टीलच्या जाळीत बर्फाचा तुकडा गुंडाळून तळाशी सोडा.
• परीक्षानळी तिरकी धरून तिच्या वरच्या भागाला बर्नरने उष्णता दिल्यास, वरचे पाणी उकळू लागते, पण तळाशी असलेला बर्फ वितळत नाही.
• याचे कारण असे की, उष्णतेमुळे वरच्या पाण्याची घनता कमी होते आणि ते खाली येत नाही, त्यामुळे उष्णतेचे अभिसरण तळापर्यंत पोहोचत नाही.

• प्रारणाची व्याख्या: उष्णता संक्रमणाचा असा प्रकार ज्यासाठी कोणत्याही माध्यमाची आवश्यकता नसते, त्याला प्रारण (Radiation) म्हणतात.
• उष्णता वहन आणि अभिसरण यासाठी माध्यमाची (स्थायू, द्रव, वायू) आवश्यकता असते, परंतु प्रारणासाठी माध्यम नसले तरी उष्णता संक्रमित होते.

• प्रारणाची उदाहरणे:
• सूर्यापासून पृथ्वीला उष्णता: सूर्य आणि पृथ्वी यांच्यामध्ये हवा किंवा इतर कोणतेही माध्यम नाही. तरीही सूर्याची उष्णता प्रारण क्रियेमुळे पृथ्वीपर्यंत पोहोचते.
• शेकोटीजवळील उष्णता: शेकोटीजवळ उभे राहिल्यास आपल्याला उष्णता जाणवते. ही उष्णता प्रारणाद्वारे आपल्यापर्यंत येते.
• मेणबत्तीजवळील तळहात: मेणबत्ती पेटवून तिच्या दोन्ही बाजूंनी तळहात दूर धरल्यास उष्णता जाणवते. हात जवळ आणल्यास उष्णता अधिक जाणवते.

• प्रारणाचे गुणधर्म:
• प्रारणे जेव्हा एखाद्या वस्तूवर पडतात, तेव्हा उष्णतेचा काही भाग वस्तूकडून शोषून घेतला जातो, तर काही भाग परावर्तित (Reflected) केला जातो.
• पदार्थाची उष्णतेची प्रारणे शोषून घेण्याची क्षमता त्याच्या रंगावर आणि अंगभूत गुणधर्मांवर अवलंबून असते.

• रंगाचा प्रारणावर परिणाम (Activity 9.5.1):
• काळा रंग: काळा रंग उष्णतेचा सर्वाधिक चांगला शोषक (Absorber) असतो. तो उष्णता प्रारणे मोठ्या प्रमाणात शोषून घेतो.
• पांढरा रंग: पांढरा रंग उष्णतेचा उत्तम परावर्तक (Reflector) असतो. तो उष्णता प्रारणे कमी शोषून घेतो आणि जास्त परावर्तित करतो.
• प्रयोग: एका डब्याला काळा रंग लावून आणि दुसरा तसाच ठेवून, दोन्हीमध्ये समान तापमानाचे पाणी भरलेले ग्लास उन्हात ठेवल्यास, काळ्या डब्यातील पाण्याचे तापमान अधिक वाढते. कारण काळा डबा जास्त उष्णता शोषून घेतो.

• दैनंदिन जीवनातील उपयोग:
• उन्हाळ्यात पांढरे कपडे: पांढरे कपडे उष्णता कमी शोषून घेतात, त्यामुळे शरीराला थंडावा मिळतो.
• हिवाळ्यात गडद/काळे कपडे: गडद रंगाचे कपडे जास्त उष्णता शोषून घेतात, त्यामुळे शरीराला ऊब मिळते.
• राजस्थानमधील घरांना पांढरा रंग: उष्ण प्रदेशात घरांना पांढरा रंग दिल्याने उष्णता परावर्तित होते आणि घरे थंड राहतात.
• अवरक्त कॅमेरा (Infrared Camera): निसर्गातील वस्तूंकडून (झाडे, डोंगर, दगडगोटे, रस्ते) होणाऱ्या उष्णतेच्या प्रारणांचा वापर करून रात्रीच्या वेळी आजूबाजूचा परिसर दिसू शकेल असा कॅमेरा विकसित झाला आहे. याला अवरक्त कॅमेरा म्हणतात. याचा उपयोग शत्रूच्या हालचालींवर नजर ठेवण्यासाठी होतो.

• उष्णतेचे सुवाहक (Good Conductors of Heat):
• जे पदार्थ उष्णतेचे वहन सहजपणे करतात, त्यांना उष्णतेचे सुवाहक म्हणतात.
• उदाहरणे: धातू (तांबे, लोखंड, ॲल्युमिनिअम, स्टील).
• उपयोग: अन्न शिजवण्याची भांडी (तवा, कढई) धातूची बनलेली असतात, कारण ते उष्णता लवकर शोषून अन्नापर्यंत पोहोचवतात.

• उष्णतेचे दुर्वाहक (Bad Conductors of Heat / Insulators):
• जे पदार्थ उष्णतेचे वहन सहजपणे करत नाहीत, त्यांना उष्णतेचे दुर्वाहक म्हणतात.
• उदाहरणे: प्लॅस्टिक, लाकूड, काच, हवा, पाणी (काही प्रमाणात), रबर, स्पंज.
• उपयोग: गरम चहा काचेच्या किंवा मातीच्या कपात घेतल्यास तो सहज हातात धरता येतो, कारण काच आणि माती उष्णतेचे दुर्वाहक आहेत. भांडी पकडण्यासाठी लाकडी किंवा प्लॅस्टिकचे हँडल वापरतात.

• Activity 9.5.1.1 चे निरीक्षण:
• गरम पाण्यात विविध वस्तू (स्टीलचा चमचा, तांब्याची पट्टी, पेन्सिल, प्लॅस्टिकची पट्टी) टाकल्यास, धातूच्या वस्तूंची पाण्याबाहेरील टोके गरम होतात, तर लाकडी किंवा प्लॅस्टिकच्या वस्तूंची टोके थंड राहतात.
• यावरून असे सिद्ध होते की धातू उष्णतेचे सुवाहक आहेत, तर लाकूड आणि प्लॅस्टिक दुर्वाहक आहेत.

| वस्तू | टोकाला आलेली उष्णता (खूप गरम, गरम, कोमट, वातावरणाइतकी थंड) | | :---------------- | :---------------------------------------------------------- | | स्टीलचा चमचा | गरम | | तांब्याची पट्टी | खूप गरम | | कंपासमधील डिव्हायडर | गरम | | पेन्सिल (लाकडी भाग) | वातावरणाइतकी थंड | | प्लॅस्टिकची पट्टी | वातावरणाइतकी थंड | | काचेचे भांडे | कोमट | | लाकडी चमचा | वातावरणाइतकी थंड | | माती | वातावरणाइतकी थंड |

• प्रसरण (Expansion): उष्णता दिल्यावर पदार्थाचे आकारमान वाढते, याला प्रसरण म्हणतात.
• आकुंचन (Contraction): उष्णता काढून घेतल्यास पदार्थाचे आकारमान कमी होते, याला आकुंचन म्हणतात.

• स्थायूंचे प्रसरण व आकुंचन:
• उष्णतेमुळे धातू प्रसरण पावतात व उष्णता काढून घेतल्यास आकुंचन पावतात.
• निरनिराळ्या स्थायूंचे प्रसरण पावण्याचे प्रमाण निरनिराळे असते.

• Activity 9.6.1 चे निरीक्षण (धातूचे कडे आणि गोळा):
• एक धातूचे कडे आणि एक धातूचा गोळा घ्या, जो कड्यातून जेमतेम आरपार जाईल.
• गोळा तापवल्यास तो कड्यातून आत जात नाही, कारण उष्णतेमुळे गोळ्याचे प्रसरण होते आणि त्याचे आकारमान वाढते.
• गोळा थंड झाल्यावर तो पुन्हा कड्यातून जातो, कारण थंड झाल्यामुळे त्याचे आकुंचन होते आणि तो मूळ स्थितीत येतो.

• दैनंदिन जीवनातील उदाहरणे:
• रेल्वेचे रूळ: रेल्वेच्या रुळांच्या सांध्यांमध्ये फट ठेवलेली असते. उन्हाळ्यात उष्णतेमुळे रूळ प्रसरण पावतात. जर फट नसती, तर रूळ वाकले असते आणि अपघात होण्याची शक्यता असती.
• सिमेंट काँक्रीटचे पूल: पुलांच्या सांध्यांमध्येही फटी ठेवतात, जेणेकरून उष्णतेमुळे होणारे प्रसरण सामावून घेता येईल.
• लोहाराचे काम: लोहार गरम करून धातूचे प्रसरण घडवून आणतो आणि त्याला हवा तो आकार देतो. उदा. बैलगाडीच्या चाकाला लोखंडी धाव बसवणे.

• द्रवांचे प्रसरण: द्रवाला उष्णता दिल्यावर द्रवाच्या कणांमधील अंतर वाढते आणि त्याचे आकारमान वाढते. याला द्रवाचे प्रसरण म्हणतात.
• द्रवांचे आकुंचन: तापमान कमी केल्यास द्रवाचे आकारमान कमी होते, याला द्रवाचे आकुंचन म्हणतात.

• Activity 9.7.1 चे निरीक्षण (शंकुपात्रातील पाणी):
• शंकुपात्रात पाणी भरून त्यात काचेची नळी व तापमापी बसवा.
• पाण्याला उष्णता दिल्यावर, तापमानात वाढ होते आणि काचेच्या नळीमधील पाण्याची पातळी वाढते. यावरून द्रवाचे प्रसरण होते हे सिद्ध होते.
• उष्णता देणे थांबवल्यावर पाण्याची पातळी कमी होते, कारण पाणी थंड होऊन त्याचे आकुंचन होते.

• पाण्याचे असंगत वर्तन (Anomalous Expansion of Water):
• इतर द्रवांप्रमाणे पाणी 0°C ते 4°C या तापमानादरम्यान वेगळे वर्तन करते.
• 0°C ते 4°C पर्यंत पाणी गरम केल्यास ते प्रसरण पावण्याऐवजी आकुंचन पावते आणि त्याची घनता वाढते.
• 4°C ला पाण्याची घनता सर्वाधिक असते.
• 4°C च्या पुढे पाणी गरम केल्यास ते इतर द्रवांप्रमाणे प्रसरण पावते.
• या असंगत वर्तनामुळेच थंड प्रदेशात पाणी गोठल्यावरही जलचर प्राणी जिवंत राहतात. (तलावाच्या पृष्ठभागावर बर्फ तयार होतो, पण तळाशी 4°C पाणी राहते).

• तापमापीमध्ये पारा/अल्कोहोलचा वापर:
• तापमापीमध्ये पारा किंवा अल्कोहोल वापरतात, कारण ते उष्णतेमुळे नियमितपणे प्रसरण पावतात आणि त्यांचे प्रसरण डोळ्यांना सहज दिसेल इतके असते.
• पारा आणि अल्कोहोल हे उष्णतेचे चांगले सुवाहक आहेत, त्यामुळे ते शरीराचे किंवा वस्तूचे तापमान अचूकपणे मोजू शकतात.

• वायूंचे प्रसरण: उष्णता दिल्यामुळे वायूंचे आकारमान वाढते. याला वायूंचे प्रसरण म्हणतात.
• वायूंचे आकुंचन: उष्णता काढून घेतल्यास वायूचे आकारमान कमी होते. याला वायूचे आकुंचन म्हणतात.

• Activity 9.7.1.1 चे निरीक्षण (फुगा आणि बाटली):
• एका काचेच्या बाटलीवर फुगा लावा आणि ती बाटली गरम पाण्यात धरा.
• गरम पाण्यातील उष्णतेमुळे बाटलीतील हवा गरम होते आणि तिचे प्रसरण होते.
• प्रसरण पावलेली हवा फुग्यात शिरते आणि फुगा फुगतो. यावरून वायूंचे प्रसरण होते हे सिद्ध होते.
• बाटली थंड पाण्यात ठेवल्यास फुगा आकुंचन पावतो, कारण आतील हवा थंड होऊन तिचे आकुंचन होते.

• वायूंचे प्रसरण स्थायू व द्रवांपेक्षा जास्त:
• वायूंचे प्रसरण स्थायू आणि द्रवांपेक्षा खूप जास्त असते.
• वायूंच्या कणांमधील अंतर खूप जास्त असल्यामुळे आणि ते मुक्तपणे फिरत असल्यामुळे उष्णता दिल्यावर ते अधिक वेगाने दूर जातात, ज्यामुळे त्यांचे आकारमान मोठ्या प्रमाणात वाढते.

• थर्मास फ्लास्कचा उपयोग: चहा, कॉफी, दूध यांसारखे पदार्थ दीर्घकाळ गरम ठेवण्यासाठी किंवा सरबतासारखे पदार्थ थंड ठेवण्यासाठी थर्मास फ्लास्कचा वापर होतो.

• थर्मास फ्लास्कची रचना:
• हा दुहेरी भिंत असलेला फ्लास्क असतो.
• यात एकात एक बसवलेल्या काचेच्या सीलबंद केलेल्या नळ्या असतात.
• दोन्ही नळ्यांचे पृष्ठभाग चांदीचा मुलामा देऊन चकचकीत केलेले असतात.
• दोन्ही नळ्यांदरम्यानची हवा काढून घेऊन निर्वात पोकळी (Vacuum) केलेली असते.
• नळ्यांच्या बाहेर संरक्षक बरणी (धातू किंवा प्लॅस्टिकची) असते.
• ही बरणी व आतील फ्लास्क यांच्यामध्ये स्पंज किंवा रबराचे तुकडे फ्लास्कच्या संरक्षणासाठी लावलेले असतात.
• सर जेमस ड्यूआर या स्कॉटिश वैज्ञानिकांनी 1892 मध्ये पहिला थर्मास फ्लास्क तयार केला, म्हणून याला ड्यूआर फ्लास्क असेही म्हणतात.

• थर्मास फ्लास्कचे कार्य (उष्णता संक्रमणाचे प्रतिबंध):
• प्रारण रोखणे: आतील नळीच्या चकचकीतपणामुळे उष्णतेचे प्रारण बाहेर जात नाही. उष्णता आतल्या आत परावर्तित होते.
• वहन रोखणे: दोन नळ्यांदरम्यान असलेल्या निर्वात पोकळीमुळे उष्णतेचे वहन होऊ शकत नाही, कारण वहनासाठी माध्यमाची आवश्यकता असते.
• अभिसरण रोखणे: निर्वात पोकळीमुळे हवा नसल्याने उष्णतेचे अभिसरणही होऊ शकत नाही.
• थोड्या प्रमाणात उष्णता बाहेर जाणे: तरीही, थोडी उष्णता वरील झाकणाच्या बाजूकडून आणि काचेतून होणाऱ्या अल्प वहनामुळे बाहेर येते. त्यामुळे पदार्थ काही तासांनंतर पूर्णपणे गरम राहत नाही.

• थर्मोवेअर (Thermoware):
• थर्मोवेअर म्हणजे अशी भांडी किंवा कंटेनर जे उष्णता टिकवून ठेवण्यासाठी किंवा थंड ठेवण्यासाठी बनवलेले असतात, पण ते थर्मास फ्लास्कइतके कार्यक्षम नसतात.
• त्यांमध्ये सहसा दुहेरी भिंती असतात, पण निर्वात पोकळी नसते. त्याऐवजी हवा किंवा फोमचा थर असतो, जो उष्णतेचा दुर्वाहक असतो. यामुळे उष्णतेचे वहन आणि अभिसरण काही प्रमाणात कमी होते, पण पूर्णपणे थांबत नाही.