సంగ్రహ ఆంధ్ర విజ్ఞాన కోశము/రెండవ సంపుటము/ఉష్ణతా యాంత్రిక సమము

ఉష్ణతాయాంత్రిక సమము (Mechanical Equivalent of Heat) :

ఉష్ణము, వస్తువులలో గల సూక్ష్మరంధ్రముల ద్వారా చొచ్చుకొనిపోయి, పదార్థము యొక్క అణువుల మధ్య నున్న భాగములను నింపు, స్థితి స్థాపకత్వము గల ద్రవము (Elastic Fluid) అని 18వ శతాబ్ది ప్రారంభములో భావింప బడెడిది. ఈ ద్రవపదార్థము "కెలొరీ" అని పిలువబడెను. కాని ఈ సిద్ధాంతము, రూంఫర్డ్, డేవీ, జూల్ (Joule) చేసిన ప్రయోగముల నిదర్శనమువలన విడిచి పెట్టబడెను. పై సిద్ధాంతమును మొట్టమొదటిసారిగా సందేహించినవాడు కౌంటు రూంఫర్డు. తుపాకిగొట్టము తయారుచేయుచుండగా, లోహమును తొలుచుటలొ పుట్టిన అపరిమితమగు ఉష్ణాధిక్యము అతనికి కుతూహలము కలిగించెను. ప్రయోగపూర్వముగా అతడు కెలొరీకును, ఎర్గు (erg) కును అనగా యాంత్రికశక్తి ప్రమాణమునకును గల సంబంధమును అనగా ఉష్ణతా యాంత్రికశక్తి సమము యొక్క అంకసనమును కనుగొనెను. కాని ప్రయోగ ప్రారంభమున నున్న పరిస్థితులు స్థిరముగా లేకపోవుటచే, కెలొరీ సిద్ధాంతవేత్తలను, ఈ సిద్ధాంతము ఒప్పించ లేకపోయెను. హంఫ్రీడేవి సిద్ధాంతము దీనిని చక్కబరచేను. రెండు మంచుముక్కల నొక దానితో నొకటి రుద్దునపుడు సంఘర్షము యొక్క ఉష్ణమువలన అవి కరిగి నీరుగా మారునని డేవీ ప్రయోగము చేసెను. (మంచు గడ్డను కరిగించుటకు ఉష్ణము కావలెను. కనుక నీటిలో మంచుగడ్డకంటే ఎక్కువ ఉష్ణ మున్నదని అందరును సమ్మతించినదే.) ఉష్ణము పదార్థములో నుండు ద్రవము అగుచో రాపిడివలన అట్టి ద్రవము బహిర్గతమగును. కాని ఎక్కువ కాదు. కనుక పూర్వపు సిద్ధాంతము తప్పని ఈ ప్రయోగము రుజువుచేసి, రాపిడివలన అనగా యాంత్రిక శక్తి వలన ఉష్ణము పుట్టినదని కూడ రుజువుచేసినది.

1842 వ సంవత్సరములో జర్మను దేశ భౌతిక శాస్త్రవేత్త అయిన “మేయర్” 'ఉష్ణము, శక్తి - వీటి యొక్క సనుత్వ సిద్ధాంతమును, నిర్ధారణపూర్వకముగా తెలియజేసెను. పందొమ్మిదవ శతాబ్ది మధ్యభాగములో 'జూల్' నేర్పుతో కావించిన ప్రయోగముల విశిష్టత, ఈ పరిస్థితిని విశదపరచెను. విద్యుత్ప్రవాహములో పుట్టు ఉష్ణమును

యాంత్రిక క్రియకు పోల్చుటచే, రూంఫర్డు యొక్క ప్రయోగపు విలువకు, దరిదాపుగా 'జూల్' ప్రయోగపు విలువవచ్చెను. పైగా ఈ విలువను పనిని ఉష్ణములోనికి మార్చు ఘన పదార్థ సంఘర్షము, గొట్టము గుండ ప్రవహించు ద్రవముల నిరోధక శక్తి, ద్రవములను చిలుకుట, గాలిని అణచుట మొదలైన వివిధ ప్రయోగములవలన సరిచూచెను. ప్రయోగ మెట్టిదైనను ఉష్ణములోనికి పరివర్తనమగు పని యొక్క మారకపువంతు అన్నింటిలోను దాదాపు సమానముగా నున్నదని కనుగొనబడెను. ఈస్థిరమగు విలువ ఒక కెలొరికి 4-18 జూల్స్ అయినది. 778 అడుగు పౌనులు B. Th. U. (బ్రిటిష్ థర్మల్ యూనిట్లు). ఈ విధముగా ఉష్ణప్రమాణములను, పని యొక్క ప్రమాణములోనికి మార్చునపుడు 'J' అను అక్షరమును ఉపయోగించిరి. కనుక మనము దానిని W = J H అని వ్రాయవచ్చును. (H= పుట్టిన ఉష్ణము - W= జరిగినపని).

1. 'J' విలువ, జూల్ ప్రయోగము :ఈ ప్రయోగమందు ఉపయోగింపబడిన పరికరముల కూర్పు పటము

'1' లో చూపబడినది. ఉష్ణ తామాపకము (కెలోరీ మీటరు) లోని తెడ్డులను త్రిప్పు నిమిత్తము కొంత భారము చివర · వేలాడగట్టబడెను. ఆ తెడ్డులను, ఉష్ణతామాపకముల త్రిప్పుటవలన, దానిలోనున్న నీరు చిలుకబడును. ఈవిధముగా సంఘర్షణము వలన ఉష్ణము పుట్టును. అట్లు ఉద్భవించిన ఉష్ణమును పరిణామ ఉష్ణోగ్రతా వృద్ధి (Resultant increase of temperature) వలన అనగా m= (t₂ - t₁) అను సూత్రముద్వారా కనుగొనవచ్చును. ఇచ్చట, m= ఉష్ణ తామాపకములో తీసికొన్న నీటి ద్రవ్యరాశి.

t₁= ప్రయోగమునకు పూర్వమున్న నీటి ఉష్ణోగ్రత.

t₂=ప్రయోగానంతరమున నీటి ఉష్ణోగ్రత.

వ్రేలాడ తీయబడిన, భారమువలస జరిగిన పనిని 'ndw' అను సూత్రముద్వారా గణింపవచ్చును.

n = భారమును పడునట్లు చేసినచో పతన సంఖ్య.

d = ఒకసారి పడిన దూరము.

w= చివర కట్టబడిన భారము.

ఉష్ణతాయాంత్రిక సమమనునది జరిగిన పనికిని ఉద్భవించిన ఉష్ణమునకునుగల నిష్పత్తి.

2. ఉష్ణతామాపక పద్ధతి: 'మేయర్ ' శక్తి స్థిరత్వ సిద్ధాంతములో, ఉష్ణమునుకూడ చేర్చి ప్రయోగమును కావించెను. ఉష్ణ తామాపక పద్ధతిని ఉపయోగించి, 'J' విలువ కనుగొనుటకు ఈ క్రింది సూత్రమును ఉపయోగించెను.

J (C_p - C_v) = R/W.

J = జూల్ స్థిరాంకము (ఉష్ణతాయాంత్రిక సమము యొక్క విలువ) C_p = స్థిరపీడనమునందు విశిష్టోషము;

C_v = స్థిరపరిమాణమునందు విశిష్టోష్ణము; R = వాయు స్థిరాంకము ; W = అణుభారము (Molecular Wt.). ఆ విధముగా ఉదజనియొక్క C_p, C_v విలువలను పరిశీలించినచో, C_p, - C_v = 3.39-2.4=0.99; R.= 8.313×10⁷; W=2.016, యగును. కనుక 'J' విలువ 4.16 × 10⁷ ఎర్గులు/ కెలొరీ వచ్చును.

3. సిరల్ యొక్ష ప్రయోగము: ఖండితశంకుల ఆకారము గల రెండు ఇత్తడిపాత్రలు ఒకదానిలో నొకటి యిముడు నట్లుఅమర్చబడినవి. ఈపద్ధతి రెండవపటములో చూపబడెను. దాని కమర్చబడిన భారము పైకిలేచుటగాని, క్రిందపడుట గాని, జరుగకుండునట్లు- తగు వేగముతో, గుండ్రముగా తిరుగు గొట్టము పనిచేయవలెను. అప్పుడు సంఘర్షణమువలన

(పటము 3) జరుగుపని "n m k dg" లకు సమానమగును,

నీటియందు హెచ్చిన ఉష్ణోగ్రతనుబట్టి, ఉద్భవించిన ఉష్ణము గణింపబడును. ఈ విధముగా " = ఉష్ణతా మాపకతుల్య జలరాశి అనియు; 12 = శంకులోని నీటి భారము అనియు, = ఉష్ణోగ్రతాభివృద్ధి యొక్క విలు వలు అనియు తీసికొన్న యెడల జనించిన ఉష్ణము.... n mn d g = (w+m)t; ఉష్ణతాయాంత్రిక సమము (w+m.)t = యగును. = ఉష్ణతాయాంత్రిక సమము వ కార్డుబోర్డు గొట్టపు పద్ధతి: ఇది స్థిరమగు విలువను సులభముగా వెంటనే ఇచ్చునటువంటి ప్రయోగము. తూకము తెలిసిన సీసపుగుండు (భారము -7) ను ‘11 పొడవుగల మూయబడిన స్తూపాకారం పెట్టముకు సుంచవలెను. ఈ పరికరమును అమర్చిన విధానము పటములో చూపబడెను. సీసపు గుండు నిదాసముగా అడుగు భాగమున పడు నట్లు అనేక పర్యాయములు వేగ ముగా స్తూపాకారపు గొట్టమును తలకిందులు చేయవలెను. సీసపు గుండు అడుగుభాగమునకు వచ్చి ' నపుడు దాని చలనశక్తి యంతయు ఉష్ణములోనికి మారిపోవును. ఈ విధముగా కర్యాయములు చేసి నచో జరిగినవిని 'nmg l' నకు సమాన మగును. పడుటకుముందు, తర్వాత కూడ గుండు ఉష్ణోగ్రతను తీసికొనవలెను. సంఘర్షణము వలన . ఉష్ణోగ్రతలో వృద్ధి ‘?' సీసపుగుండు విశిష్టోష్ణము 'కీ' అయినచో అది . పటము 4. పొందిన ఉష్ణము ' S 1 ' కి సమాన నుగును. కనుక ఉష్ణతాయాంత్రిక కార్డుబోర్డుగొట్టపు 259 వ్యయమైనః __nmg! సమము = పుట్టిన ఉష్ణము mst ప్రయోగము W విద్యుత్ విధానము : 'కేలండరు', 'కార్నర్' లు, ఇరు వురు 1890 వ సంవత్సరములో ఉష్ణతాయాంత్రిక సమ మును కనుగొనుటకు, మిక్కిలి కచ్చితమగు ప్రయోగ మును కావించిరి. 5 వ పటములో ఈ ప్రయోగమందలి "వేడిచేయు సాధనము. పటము 5. విద్యుద్విధానము T పరికరముల కూర్పు చూపబడుచున్నది. అమ పన్నని గాజుగొట్టముద్వారా నీరు నిలకడగా ప్రవహించుచుం డును. సన్నని ప్లాటివు తీగ గాజు గొట్టము పొడవున, మధ్య భాగములో ఉండునట్లు అమర్చబడెను. ఈ తీగలోనికి విద్యుత్తును పంపుటవలన గొట్టముగుండ ప్రవహించుచున్న నీరు వేడెక్కును. పటములో చూపబడినట్లు T₁, T₂, అను ఉష్ణోగ్రతామాదకములు గొట్టములో నమర్చబడెను. వాటిలోని కొలతలు స్థిరముగా నున్నప్పుడు ఆ కొలతలు గుర్తింపబడును. ఒక సెకనులో ప్రవహించుచున్న నీటి ద్రవ్యరాశి 'm' అయినచో ఆ నీరు పొందిన ఉష్ణము m(t₂-I₁) యగును.

t₁=T₁, ఉష్ణమాపకములోని స్థిర ఉష్ణోగ్రత.

t₂=T₂, ఉష్ణమాపకములోని స్థిర ఉష్ణోగ్రత.

ఇందు వినియోగింపబడిన విద్యుచ్ఛక్తి V (వోల్టులు)X I(ఆంపియర్లు) ×10⁷: ఎర్గులకు సమానము కనుక

ఉష్ణతాయాంత్రిక సమము= V I 10⁷/m(t₂-t₁)ఎర్గులు/ కెలొరే.

యల్. జె. ఆర్.