సంగ్రహ ఆంధ్ర విజ్ఞాన కోశము/రెండవ సంపుటము/ఉష్ణతా శాస్త్రము
ఉష్ణతాశాస్త్రము (Heat) :
ఉష్ణముయొక్క స్వభావమును, లక్షణములను వివరించునది "ఉష్ణతాశాస్త్రము". ఉష్ణమున కింకొక పదము "వేడిమి". సూర్యరశ్మి రూపమునను, మంటల రూపమునను ఉన్న ఉష్ణమును ఆదిమమానవులే ఎరుగుదురు. ఎండు కొమ్మలు రాచుకొనునప్పుడు మంటలు పుట్టుట వారు చూచి అవసరమైనప్పుడా విధానమును ఉపయోగించెడి వారు. ఇచ్ఛా పూర్వకముగను, సులభముగను మంటను ఉత్పన్నము చేయవలెనను వాంఛ అగ్గిపెట్టెగా సఫలీకృతమైనది. కాని, ఉష్ణమసగా నేమి అను ప్రశ్నకు సరియైన సమాధానము 150 ఏండ్ల క్రిందట లభించినది.
వేడి వస్తువులు సహజముగ చల్లారి ఉష్ణమును కోల్పోవును. వాటి నంటుకొనియున్న చల్లటి వస్తువులు వేడి ఎక్కును మెరకనుండి పల్లమునకు నీరు ప్రవహించుట, వేడి పదార్థములనుండి చల్లటి పదార్థములవైపు ఉష్ణము ప్రవహించుట గుర్తించిన విజ్ఞానులు ఉష్ణము నొక ద్రవముగ భావించిరి. అది ఉషికము (కేలోరిక్ = Caloric) అనబడును. వేడి పదార్థములో ఎక్కువ ఉషికమును, చల్లటి పదార్థములో తక్కువ ఉషికమును ఉండునని భావించిరి. వేడినీటిలో చన్నీటిని కలిపినప్పుడు రెండింటి ఉషికము మట్టము సమానమగువరకు వేడినీరు చల్లారి చన్నీరు వేడి ఎక్కువని భావింపవచ్చును.
కాని, ఉష్ణ మొక విధమైన శక్తియని 18 వ శతాబ్దపు చివరి వత్సరములలో కౌంట్ రూంఫర్డ్ ప్రకటించెను. ఫిరంగులు తయారుచేయుటకై ఉక్కు దండములను తొలుచుచుండగా, వాటినుండి విడివడిన తునుకలు వేడిగా నుండినట్లు గమనించిన రూంఫర్డ్ కొన్ని తునుకలను నీటిలో వేయగా నీరు వేడెక్కి మరిగినది. ఉక్కు దండములను తొలుచుటకు వినియోగించ బడిన వనియే వేడిగా మారిస వనియు పని ఎక్కువైనకొలది జనించు ఉష్ణముకూడ ఎక్కువగుననియు రూంఫర్డ్ ఒక ప్రతిపాదనము చేసెను. మరి 50 ఏండ్లలో ప్రయోగములుచేసి పనిని వేడిమిగా మార్చి ఆ రెంటికి గల సంబంధమును పారిమాణికముగా పలువురు విజ్ఞానులు నిరూపించిరి. అంతటితొ ఉష్ణ మొక శక్తియని స్థిరమైనది.
వస్తువులను వేడిచేసినప్పుడు వాటిలో కొన్ని నిర్దిష్టమైన మార్పలు కలుగును. అవి పరిమాణములో మారును. వాటి వేడిమి వైఖరిలో మార్పు కలుగును. వాటి స్థితిలో మార్పు కలుగును. లేదా వైద్యుతముగగాని, రాసాయనికముగగాని మార్పు కలుగవచ్చును. వస్తువులను తాకినప్పుడు కొన్ని వేడిగాను, కొన్ని చల్లగాను ఉన్నవని అందుము. ఆ వ్యత్యాస మును గుర్తించుటకు స్పర్శజ్ఞానము ఆధారము. కాని, అదంతగా నమ్మతగినదికాదు. ఏమనగా, కఱ్ఱపిడిగల ఇనుపకత్తిని చలికాలములో తాకిన యెడల పిడికంటే కత్తి ఎక్కువ చల్లగాను, వేసవికాలమందైతే పిడికంటే కత్తి ఎక్కువ వేడిగాను ఉన్నట్లు కనిపించును. నిజముగా వాటి వేడిమి ఒకే తరహాలోనుండును. అట్టి తరహాను నిర్ణయించు లక్షణమును "తాపక్రమము" అనిరి. దానిని కొలచునది "తాపమావని" (Thermometer). పదార్థముల ఆయతనములోగల మార్పుల నాధారముగా చేసికొని పాదరసముతో సాధారణ తాపమాపనులు నిర్మింపబడుచున్నవి. జ్వరమును కొలిచెడు ప్రత్యేక తాపమాపని 1వ చిత్రములో కలదు. ఇందు ఫారన్ హీటు మానములో 95 నుండి 110 డిగ్రీలవర కుండును. మానవుని సామాన్య తాపక్రమము 98°4 ఫా.
వేడిమివల్ల వస్తువుల పరిమాణములో కలుగు మార్పులను అనేక విధముల ఉపయోగించుచున్నారు. గడియార మందున్న లోలకము స్పందించి వేళ చూపును, లోలకపు
పొడవు స్థిరముగా నున్న గాని, గడియారము సరియైన వేళ చూపదు. ఋతువులతోపాటు దాని పొడవు మారుచుండును. వేసవిలో ఎక్కువ వేడికి పొడవు పెరిగి గడియారము మందముగాగమించును, చలికాలములో లొలకము సంకోచించి వడిగా స్పందించగా గడియారము త్వరగా పోవును. ఈ దోషమును సవరించుటకు ప్రత్యేకమైన లోలకములను చేయుదురు. ఇట్టి పద్ధతినే "చిన్న గడియారములలో" తులా చక్రములకు వినియోగించెదరు.
ఘనపదార్థము ద్రవమైనప్పుడు, సామాన్యముగ, దాని ఆయతనము పెరుగును. కాని మంచు విషయమున అట్లు కాదు. కొంత ఆయతనముగల మంచు నీరుగా ద్రవించి నప్పుడా నీటి ఆయతనము తగ్గును. అందుచేత మంచుకంటే నీరు సాంద్రమైనది. కాగా, నీటిలో మంచు తేలును, ఇది ప్రకృతిలో గొప్ప విశేషము. చలికాలములో నీరు ఘనీవించి మంచుగడ్డ లేర్పడును. ధ్రువప్రాంత సముద్రములలో మంచుకొండ లేర్పడును. అవి సముద్రములో తేలుటవల్ల జలచరములన్నియు సురక్షితముగ బ్రదుక గలుగుచున్నవి.
కరగుచున్న మంచులో తాపమాపనినుంచి మంచును వేడిచేసిన యెడల మంచు అంతయు కరగువరకు దాని తాపక్రమము 0° సెం. వద్దనేయుండును. మంచు కరగి పోయిన పిమ్మట నీటి తాషక్రమము హెచ్చు కాజొచ్చును. అట్లే నీరు మరుగ బెట్టిన తర్వాత దాని నెంత వేడిచేసినను దాని తాపక్రమము 100 సెం. వద్దనే యుండును. మంచు కరగుచున్నప్పుడు, నీరు మరుగుచున్నప్పుడు అవి తీసికొన్న వేడి ఏమైనట్లు? ఆవేడిమి వల్ల తాపక్రమముతో మార్పు కలుగలేదు కాని, ఘనముగా నున్న మంచు ద్రవముగాను, ద్రవముగానున్న నీరు ఆవిరిగాను మారినవి. అనగా, పదార్థపు అవస్థ మారుటకు వేడి అవసర మనుట స్పష్టము. అవస్థ మారినప్పుడు తాపక్రమము స్థిరముగా నుండును. కాని తాపక్రమము మారినప్పుడు అవస్థమారదు. ఘనపదార్థమందు అణువులు సక్రమముగ ఏర్పాటై దగ్గరగా నున్నవి. ఘన పదార్థము ద్రవమైనప్పుడు అణువులు కొంత దూరదూరముగ చెదరును. ద్రవము వాయువైనప్పుడు అణువులు మిక్కిలి దూరముగ పోవుటచే వాయువు వంటికి కనిపించదు. కాబట్టి ఘనముగానున్న మంచున కిచ్చిన వేడిమిని అణువులు గ్రహించి, అన్యోన్య ఆకర్షణ జలములను త్రెంచుకొని దూరదూరముగ పోవుట వల్ల పలుచని నీరు ఏర్పడు చున్నది. అట్లే నీటి అరుపులు ఆవిరిగా మారినప్పుడు అవి మరింత దూరముగ పోవుచున్నవి. అనగా ఆ అణువుల స్థానికశక్తిని హెచ్చించు టకై వేడిమి వినియోగమగుచున్నది. తానక్రమము మారినప్పుడు అణువుల గతిజశక్తి మారుచున్నది. ఇట్లు, వేడిమివలన అణుచలనములలో మార్పుకలుగుచుండుటచేత 'అణుచలనమే వేడిమి' అను భావము 'ఉష్ణ మొక విధమైన శక్తి' అను భావమును బలపరచినది.
ద్రవము బాష్పముగా మారుటకు నిశ్చిత తాపక్రమ మవసరమైనను అన్ని తాపక్రమములవద్ద కొలదిగనైన ద్రవము బాష్పీకరించుచుండును. బాష్పీకరణము (evaporation) చాల ప్రధానమైన సంఘటన. అందులో నీటి విషయమున అది మన జీవితములో ముఖ్యమైనది.ఆ సంఘటనవలననే తడిబట్టలు ఆరుట, మట్టి పాత్రలలో నీరు చల్లబడుట, వర్షము వెలసిన తరువాత రోడ్లు ఎండుట సంభవించుచున్నవి.
పనిని వేడిమిగా మార్చగలమని గమనించియుంటిమి. శక్తితో గమించు వస్తువు నాపినప్పుడు వేడిమి జనించును. అనగా, దాని గతిజశక్తి వేడిమిగా మారును. రెండు చేతులను గట్టిగా రాపాడించినప్పుడు చేసిన పని వేడిమిగా మారి చేతులు మండును. ఘర్షణము (friction) వల్ల వేడిమి జనించును. ఉల్కలు (meteors) లేక రాలుడు చుక్కలు (shooting stars) తేజోవంతముగ దీపించుటకు ఘర్షణమే కారణము. ఆకాశములో యథేచ్ఛముగా సంచరించు ద్రవ్యఖండములు భూమిచే ఆకర్షింపబడి భూముఖముగా పడును. చాలా వేగములో గమించు ఖండములు గాలితో రాపొడి, స్వీయ గతిజశక్తిని
కోల్పోయి, వేడెక్కి మండిపోవును. అట్టి ఉల్కలే తేజొ రేఖలవలె రాత్రులందు కన్పించును. బండిచక్రములకును ఇరుసునకును గల ఘర్షణమును తగ్గించుటకు, సాధారణముగా, ఇరుసునకు నారచుట్టి అముదము పట్టించెదరు. అదే కందెన వేయుట. యంత్రములలో భ్రమించు భాగములు వేడిమి నొందకుండ వాటిలో నూనె వేసెదరు.
పనిని లేక యాంత్రిక శక్తి (mechanical energy) ని వేడిమిలోనికి పూర్తిగ మార్చగలము. కాని, వేడిమిని పనిలోనికి మార్చినప్పుడు కొంత వేడిమి వ్యర్థము కాక తప్పదు. రైలు ఇంజన్ వంటి ఆవిరి యంత్రాలతో కాని, డీసెల్ వంటి తైలయంత్రాలలోగాని, పనిచేయు పదార్థము ఎక్కువ తాపక్రమము వద్ద ఉష్ణమును గ్రహించి తక్కువ తాపక్రమమువద్ద కొంత ఉష్ణమును విసర్జించును. ఈ ప్రక్రియ చక్రీయముగ జరుగుచుండును. ఒక యంత్రము T1° తాపక్రమమువద్ద Q1 వేడిమిని తీసికొని, T2° తాపక్రమమువద్ద Q2 వేడిమిని విసర్జించిన యెడల, Q1/T1=Q2/T2 ఇందులో (Q1-Q2) మాత్రమే పనిలోనికి మారుచున్నది. కాని, యంత్రము తీసికొనిన వేడిమి Q1, అంతటిని పనిగా మార్చకలిగినయెడల, Q2=0. అప్పుడు T2=0 అట్టి తాపక్రమమే 'పరమ శూన్యము' (absolute zero), పరమ శూన్యమువద్దనున్న వస్తువునుండి వేడిమిని గ్రహించలేము. పరమ శూన్యముకంటె తక్కువ తాపక్రమము విశ్వమం దెచ్చటను ఉండజాలదు.
ఉష్ణగతి సూత్రములలో రెండవదాని ననుసరించి ఉష్ణ మెల్లప్పుడును వేడి పదార్థములనుండి చల్లటి పదార్థముల వైపే ప్రవహించును. అట్లు ప్రవహించు ఉష్ణములో కొంత భాగముమ పనిగా మార్పగలము, విశ్వములో నున్న వేడి పదార్థము లన్నియు చల్లారుచున్నవి. వస్తువుల తాపక్రమ వ్యత్యాసము తగ్గుచున్నది. దాని మూలమున ఉష్ణమును పనిగా మార్చగల అవకాశము సన్నగిల్లుచున్నది.
వాయువును చల్లార్చిన కొలది అది ద్రవమై తుదకు ఘనీభవించును. వస్తువులను వేడిచేయుట సులభమేకాని, వాటిలో నున్న వేడిమిని తీసివేసి చల్లార్చుట కష్టము. గాలి, ఆమ్లజని, ఉదజని మొదలగునవి సామాన్య తాపక్రమమువద్ద వాయువు యొక్క అవస్థలో నున్నవి. వాటిలోనున్న వేడిమిని తగ్గించి వాటిని ద్రవీభవింప చేయుటకు ప్రత్యేక యంత్రము లావశ్యకమైనవి.
ఘనపదార్థములను వేడిచేసినప్పు డవి ద్రవించి, ద్రవము వాయువుగా మారును. కాని, ఇనుము, రాగి, వెండివంటి లోహములను కొలిమిలొ పెట్టి వేడిచేయగా అవి కరగక మునుపే కొంత సేపటికి ఎఱ్ఱటి కాంతి వెలువడును.ఇంకను వేడి చేసిన యెడల ఎఱ్ఱటికాంతి నీలమై తెల్లగా మారును. ఇట్లు కాంతికిరణములు వెలువడుటకు మునుపే అగోచరమగు ఉష్ణకిరణములను అవి వెలువరించును. వీటి నుండి ఒక్క విషయమును గ్రహింపగలము. వస్తువును వేడి చేసినప్పుడు అందలి అణువుల సంచలనము హెచ్చగును. అదే తాపక్రమముగ వ్యక్తమగును. అణుసంచలనము పల్లనే ఉష్ణవహనము (Conduction) సంభవించుచున్నది. ద్రవమందలి అణువులు యథేచ్ఛముగా సంచరింపగలవు. వాయువులో వాటి కెక్కువ స్వేచ్ఛయున్నది. అధిక తాషక్రమమువద్దనున్న అణుకూటములు సంచారమువలన ఉష్ణ ప్రావణము (Convection) జరుగును. యానకము (Medium) అవసరము లేకయే తరంగరూపమున ఉష్ణము వ్యాపించునప్పుడు దానిని కిరణ ప్రసార (Radiation) మందురు. కాంతికిరణము లట్లే ఉష్ణకిరణములను ప్రవర్తింప జేయును. ఉష్ణకిరణములు పరావర్తన మొందును, వక్రీభవన మొందును; వాటిని కటకములలో కేంద్రీకరింపవచ్చును.
ఉష్ణ వ్యాప్తి నరికట్టుట కష్టము. వేడి పదార్థములు చల్లారకుండ భద్రపరచుటకై డీవార్స్ ఫ్లాస్క్ ఉన్నది. దానినే "వేక్యూమ్ ఫ్లాస్క్" అందురు. వేడి పదార్థముమ వేడిగాను, చల్లటి పదార్థమును చల్లగాను ఉంచగల సామర్థ్యము దాని కున్నది. అది 2వ చిత్రములో చూపబడినది.
వ. వేం