సంగ్రహ ఆంధ్ర విజ్ఞాన కోశము/రెండవ సంపుటము/ఉష్ణగతి శాస్త్రము
ఉష్ణగతి శాస్త్రము :
ఉష్ణశక్తి పొందెడు మార్పులను వివరించెడు శాస్త్రమును ఉష్ణగతిశాస్త్రము అందురు. అనుభవమును బట్టి చెప్పిన కొన్ని ప్రతిపాదనలమీద ఈ శాస్త్రము ఆధారపడి ఉన్నది. ఆ ప్రతిపాదనలను పదార్థములలో జరుగు మార్పులకు అన్వయింప చేసి, మారిన పదార్థము ఈ విధముగ ఉండును, అని సిద్ధాంతరీత్యా సూచింపబడినది. ప్రయోగరీత్యా కనుగొనబడిన దానితో సమన్వయమగుట వలన, ఈ శాస్త్రమునకు బలము చేకూరినది. దానితో అనేక విధములైన మార్పుల పరిశీలనములకు ఉపయోగపడుచున్నది.
ప్రథమ ఉష్ణగతి సూత్రము : యాంత్రికముగా పనిచేసినపుడు ఉష్ణము ఉద్భవించుట మానవునకు అనాదిగా తెలిసి ఉండవచ్చును. కాని ఈ రెండింటి సంబంధమును గురించి శాస్త్రరీత్యా పరిశోధనములు జరిగినవి. 18వ శతాబ్దము చివరిలోను, 19 వ శతాబ్ది ప్రారంభములోను, తుపాకుల నిర్మాణ కర్మాగారములో నియోగింపబడిన రూమ్ షర్డు శాస్త్రజ్ఞుడు, తుపాకులకు కన్నములను పొడుచుటలో విపరీతముగా ఉష్ణము ఉద్భవించుటను చూచి ఎంతపని చేసినప్పుడు ఎంత వేడిపుట్టును, అనెడు విషయమును జాగ్రత్తగా పరిశీలించెను. చేసిన పనికి వేడి అనులోమముగా ఉన్నదని కనుగొనెను. ఆ పరిశోధనముల మూలముగా, ఉష్ణముకూడ ఒక రకమైన శక్తి అనియు, యాంత్రికశక్తి వెచ్చింపబడినప్పుడు, అదే ఉష్ణశక్తి గామారుననునిర్ణయమునకు వచ్చినాడు. అతని తరువాత అదేవిధానములలో పరిశోధనములు చేసిన కొందరు శాస్త్రజ్ఞులకృషివలన 4.2 x 10 ఎర్గులయాంత్రికశ క్తి వెచ్చింప బడినప్పుడు, ఒక కెలోరీ ఉష్ణశక్తి ఉద్భవించునని తెలిసినది. యాంత్రికశక్తి వలన ఉష్ణశక్తిని ఉద్భవింపచేయుటయే కాకుండ, ఉష్ణశక్తిని యాంత్రికశక్తిగా మార్చుటకూడ మానవునికి అంతకుముందే సాధ్యమైనపని. ఆవిరియంత్రములు ఇతర యంత్రములు ఉష్ణశక్తిని ఉపయోగించుకొని, యాంత్రికముగా పనిచేయును. ఆ ఉష్ణశక్తి నిచ్చుటకు బొగ్గు, కఱ్ఱ, నూనె మొదలైన వాటిలో దేని నేని ఉపయోగించవల యును. ఈ పదార్థములను, ఇవి ఇచ్చెడు ఉష్ణశక్తి ని ఉపయోగించకుండ, ఒక యంత్రము పనిచేయగలిగితే మానవునికి చాలా లాభదాయకమే. ఆవిధముగా పనిచేసెడు యంత్రము సాధ్యమగునా అని మానవుడు కొన్ని ఆలోచనలు చేసినాడు కూడ. అయితే యాంత్రిక ఉష్ణశక్తుల మధ్య సంబంధము తెలిసిన తరువాత, ఈశ క్తులు ఒక దానిలో నుండి రెండవదానిలోనికి మారుచున్నవి. కాని ఈ రెండింటిలో ఏదియు శూన్యములో నుండి రాలేదు. అనెడు విషయము 'దృఢముగా నాటినది. శక్తి ఒకరూపములో అంతమయినప్పుడు, నాశనము కాకుండ అది ఇంకొక రూపములోనికి మారును. అంతేగాని ఇంకొక రూపములో వెచ్చింపబడ కుండ ఒక రూపములో శక్తిని క్రొత్తగా సృష్టింపలేము అను శక్తి నిత్యత్వ సూత్రము స్థిరపడినది. దీనినే ప్రథమ ఉష్ణగతి సూత్రము అందురు.
ఒక వస్తువుకు కొంత ఉష్ణక క్తిని ఇచ్చినప్పుడు దాని ఉష్ణోగ్రత పెరుగును. అదే సందర్భములో అది విస్తీర్ణతను చెందుచు కొంత పనిని చేయవచ్చును. కాని ఇచ్చిన ఉష్ణశక్తి అంతయు పనిలో ఉపయోగింపబడము. అందువల్ల వస్తువునకు అంతశ్శక్తి ఉన్నది. అది ఎక్కువ అయినది అని గ్రహించవచ్చును. దీనినే గణితరీత్యా, ఇచ్చిన ఉష్ణశక్తి= అంతశ్శక్తిలో మార్పు + యాంత్రిక పని అని వ్రాయవచ్చును. వస్తువునకిచ్చిన ఉష్ణశక్తి అది ఆ శక్తిని తీసికొనుటలో చేసినవని, దాని అంతశ్శక్తిలో గలిగిన హెచ్చుదల ఈ రెండింటి మొత్తమునకు సమానము. వస్తువు చేసినపని, దాని పీడనము, ఘనపరిమాణములో మార్పు వీటి గుణిజమునకు సమానము. కనుక ఇచ్చిన ఉష్ణశక్తి= అంతశ్శక్తి లో మార్పు+ (పీడనము × ఘనపరిమాణములో మార్పు), ప్రథమ ఉష్ణగతి సూత్రమును పైగణిత రూపములో వ్రాసి దాని మూలముగా ఒక వస్తువు ఉష్ణమును తీసికొన్నప్పుడు దానిలో వచ్చెడు మార్పులను అన్వేషించుటలొ ఉపయోగించినారు.
ద్వితీయ ఉష్ణగతిసూత్రము : మొదటిసూత్రము ప్రకారము ఉష్ణశక్తి, యాంత్రికశక్తి - ఇవి రెండు ఒక రూపములో నుండి ఇంకొక రూపములోనికి మారినప్పుడు, మధ్యలో శక్తి ఏమియు నాశనముకాదని తెలియుచున్నది. కాని ఈమార్పులో ఏది సులువు? మనము కొంత ఉష్ణశక్తిని తీసికొనినచో దానినంతయు యాంత్రిక శక్తి లోనికి తప్పకుండ మార్చి వేయగలమా అను ప్రశ్నకు ఆసూత్రము ప్రకారము జవాబులేదు. వేడియంత్రముల పరిశీలనములలో కొన్ని విషయములు తెలిసినవి. బొగ్గును కాల్చుటవలన వచ్చిన వేడినంతయు యంత్రములో యాంత్రికశక్తిగా మార్చగలిగినచో చాలమంచిదే. కాని లెక్కలు కడితే, అవేడిలో నూటికిసుమారు పది పదునై దు వంతులుమాత్రమే యాంత్రికశక్తిగా మారుననీ, మిగిలినదంతయు పరిసరములలోనికి వ్యాపించిపోవుననియు తెలిసినది. ఈ శాతమును యంత్రము యొక్క నిపుణత అందురు. ఈవిపుణతను ఎకువ చేయుటకు ప్రయత్నములు జరిగినవి. కాని అది ఏకొలదిగనో తప్ప ఎక్కువ అగుటలేదు. ఎందువల్ల ఇట్లు అగుచున్నదని కార్నట్ అను శాస్త్రజ్ఞుడుసిద్ధాంత రీత్యా పరిశీలించినాడు. ఎక్కువ తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలలో (T1, T2) రెండు
పదార్ధములు ఉన్నప్పుడే, ఉష్ణశక్తిని ఎక్కువఉష్ణోగ్రతలో నున్న వస్తువునుండి తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలోనున్న వస్తువునకు మార్చుచు, ఆ సందర్భములో కొంత యాంత్రికపు పనినిచేయుటకు వీలగును. మొదటి పదార్థము Q1 అనెడు ఉష్ణశక్తిని కోల్పోయినచో, అందులో ఒక భాగమును Q2 ను, రెండవ పదార్థమునకు ఇచ్చుచు, ఆరెండింటి భేదమును, 9ను, తత్సమానమైన యాంత్రికపు పనిగా అనుభవించవచ్చును. ఆ సందర్భములో ఆదర్శప్రాయమైన ఉష్ణయంత్రము యొక్క నిపుణత T1-T2/T1అని కార్నట్ చూపెట్టినాడు. ఈచర్చల మూలముగా అదివరకే అస్పష్టముగా ఉన్న కొన్ని భావములు ఒక స్థిరరూపము దాల్చినవి. ప్లాంకు, కెల్విను అను శాస్త్రజ్ఞులు ఇట్లు ఒక నిర్వచనము చేసినారు. ఒక వస్తువునుండి కొంత ఉష్ణశక్తిని తీసికొని, పరి సరములలో మార్పులు లేకుండ, ఆశక్తినంతయు యాంత్రిక శక్తిలోనికి మార్చుట అసాధ్యము. ఈ భావము నే క్లాసియను ఇంకొక విధముగా నిర్వచించినాడు. తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలో ఉన్న వస్తువునుండిఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతలోగల వస్తువునకు, ఉష్ణశక్తి స్వయముగా వెళ్ళలేదు. ఏయంత్రము గాని దానిమీద యాంత్రికశక్తిని ఉపయోగింపనిచో తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలోనున్న వస్తువునుండి ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతగల వస్తువునకు ఉష్ణశక్తిని పంపలేదు.
పై నిర్వచనములు ఒకే భావమునకు రూపాంతరములనియు, ఒక దానికొకటి సంబంధించినవే అనియు గ్రహించ వచ్చును. అవి ద్వితీయ ఉష్ణగతిసూత్రమునకు రూపములు.
ఎంట్రోపీ : ఉష్ణగతిశాస్త్రములో వచ్చెడు రాసులలో ఇదివరకు తెలిసినవి ఉష్ణశక్తి, అంతశ్శక్తి, పీడనము, ఘనపరిమాణము, ఉష్ణోగ్రత అనునవి. చివరి నాలుగు రాసులలో ఏరెండైనను ఒక పదార్థమునకు నిశ్చితముగా ఉన్నప్పుడు, మిగిలిన రెండు, వాటి విలువ మీద ఆధారపడి, నిర్ణయింపబడుమ.
పై రాసులు కాక, ఎంట్రోపీ అను రాశి ఈశాస్త్రములో ఎక్కువ ఉపయోగకరమైనది. కార్నట్ శాస్త్రజ్ఞుడు ఉష్ణ యంత్రముల నిపుణతను గురించి చేసిన చర్చల సందర్భములో ఆదర్శమైన యంత్రములో Q1T1 =Q1T2 అని తెలిసినది: మొదటి పదార్థము T1 ఉష్ణోగ్రత వద్ద Q1 వేడిని పోగొట్టుకొన్నప్పుడు,Q1/T1 అను రాశిని ఆ పదార్ధము యొక్క ఎంట్రొపీ తగ్గుదల, అంటే, అట్లే రెండవ పదార్థములొ Q2/T2. ను ఎంట్రోపీ హెచ్చుదల, అంటే, ఈ ఆదర్శ మైన మంత్రములో పాల్గొనుచున్న ఆపదార్థముల మొత్తముమీద ఎంట్రోపి ఏమీ మారలేదని చెప్పవచ్చును. కాని ఉష్ణ వాహకత్వము, ఉష్ణప్రసారము మొదలగు సహజమైన ఉష్ణపు మార్పులతో ఇట్లే లెక్కలుకట్టి చూచినచో, మార్పులలో పాల్గొనుచున్న అన్ని పదార్థముల మొత్తముమీద ఎంట్రోపి ఎక్కువ అగుచున్నదని తేలును. ఈ విషయ పరిశీలనముల ద్వారా ప్రకృతిలో జరుగు మార్పులతో ఎంట్రోపి మొత్తముమీద ఎక్కువ అగుచు ఉండుటయో, అథవా స్థిరముగా ఉండుటయో జరుగునని నిర్వచించవచ్చును. ఇదే ద్వితీయ ఉష్ణగతి సూత్రమునకు ఇంకొక నిర్వచనము.
మొదటి సూత్రము ప్రకారము ప్రపంచములోని శక్తి స్థిరముగా ఉన్నదని, రెండవ సూత్రము ప్రకారము ప్రపంచములోని ఎంట్రోపీ (entropy) ఎక్కువై పోవుచున్నదని తెలియుచున్నది. ఎంట్రోపీ ఎక్కువ యగుట అనగా యాంత్రికముగా ఉపయోగపడగల శక్తి తగ్గిపోవుట అని శాస్త్రజ్ఞులు చూపెట్టినారు. కనుక శక్తిమొత్తము వివిధ రూపములలో స్థిరముగా ఉన్నను, ఉపయోగపడగలుగు శక్తి సదాతగ్గిపోవుచున్నదన్నమాట. అందుకే ఒక శాస్త్రజ్ఞుడు 'విశ్వము' ఒక 'కీ' ఇచ్చిన గడియారము వంటిది. కీ విడిపోవుచున్నది, మరల కీ ఇచ్చుట మనకురాదు' అన్నాడు. పై చర్చలో ఎంట్రోపీలో మార్పు= ఇచ్చిన ఉష్ణశక్తి/ఉష్ణోగ్రత అని చూచినాము. మొదటి సూత్రము ప్రకారము ఇచ్చిన ఉష్ణశక్తి = అంత శ్ళక్తిలో మార్పు + పీడనము X ఘన పరిమాణములో మార్పు). కనుక, ఉష్ణోగ్రత × ఎంట్రోపీలో మార్పు =అంతశ్శక్తిలో మార్పు + (పీడనము × ఘనపరిమాణములో మార్పు.)
ఈ సమీకరణమునే ద్వితీయ ఉష్ణగతి సూత్రమునకు గణితరూపముగా భావించవచ్చును. ఈ రెండు సూత్రములు పై గణితరూపములో పదార్థములలో జరగు అనేకమైనమార్పులను అన్వేషించుటలో ఉపయోగించును. తృతీయ ఉష్ణగతి సూత్రము : రాసాయనికపు నూర్పులు ఏవిధముగా జరుగుచున్నవి అను విషయమును పరిశీలించుటకు ఉష్ణగతి శాస్త్రమును ఉపయోగించుచున్న సందర్భములో ఇంకొక ముఖ్యసూత్రము ప్రతిపాదింపబడినది. పరమమాసములో (Absolute system) 0° ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఘనపదార్థములలో ఏరాసాయనికపు మార్పు జరుగుచున్నను, వాటి అన్నిటి మొత్తపు ఎంట్రోపీలో ఏమీ మార్పు ఉండదు. దీనిని నెర్నెస్ట్ అను శాస్త్రజ్ఞుడు ప్రతిపాదించినాడు. అందుచేత దీనిని నెర్న్ స్ట్ హిట్ థీరమ్ అందురు. దీనినే తృతీయఉష్ణగతి మాత్ర మని కూడ అందురు. ఈ విషయమును ఆధారము చేసికొని, ప్లాంకుశాస్త్రజ్ఞుడు ఇంకోక అడుగు ముందుకు వేసి, పరమమానంలో 0° ఉష్ణోగ్రతవద్ద ప్రతి ఘనపదార్థము యొక్క ఎంట్రోపీ కూడ శూన్యము అని ప్రతిపాదించినాడు. ఈ సూత్రము వేరు వేరు పదార్థముల ఎంట్రొపీలను, విలువ తెలియని స్థిరాంకముల అవసరము లేకుండ కచ్చితముగా లెక్కలు కట్టుటకు, రాసాయనికపు మార్పులు ఎటుల జరుగునని తెలిసికొనుటకు ఎక్కువగా ఉపయోగపడును.
సాంఖ్యకీయ ఉష్ణగతిశాస్త్రము : (Statistical --thermodynamics): ఉష్ణగతి శాస్త్రము పదార్థముల అణు నిర్మాణమును పరిగణించుటలేదు. పదార్థముల ఘన పరిమాణము, పీడనము, ఉష్ణోగ్రత, ఎంట్రోపి మొదలగు స్థూల రాసుల ఆధారముగా పదార్థపు ప్రవర్తనమును సూచించుచున్నది. కాని పదార్థములు అణునిర్మాణమును గణించుచు ఆ అణువుల 'వేరు వేరు సాముదాయక ఏర్పాటులలో దేనికి సంభావ్యత ఎక్కువ ఉన్నదని పరిశీలించుట ద్వారా, పదార్థపు ప్రవర్తనము సూచించుటకు వీలున్నది. ఈ సందర్భములో సంభావ్యతకు ఎంట్రొపీకి గల సంబంధమును బోల్ట్ ను శాస్త్రజ్ఞుడు వ్యక్తీకరించినాడు. అణువుల ఏ సాముదాయక ఏర్పాటుకు ఎక్కువ ఎంట్రోపీ ఉన్నదో ఆ ఏర్పాటు అత్యధిక సంభావ్యత కలది. ఇలాగ ఎంట్రొపీకి అణు, సముదాయమైన పదార్థ ప్రవర్తనమును ప్రాథమికముగా సూచించుటకు సాంఖ్యకీయ ఉష్ణగతి శాస్త్రము (Statistical thermodynamics) ఉపకరించును.
డి. ఎ. ఎ. ఎస్. నా. రా.