ఉష్ణం & ఉష్ణోగ్రత (Heat)

ఉష్ణం, ఉష్ణోగ్రత రెండూ ఒకటే అనుకుంటారు, కానీ ఇవి వేర్వేరు. ఉష్ణం ఒక శక్తి రూపం, ఉష్ణోగ్రత ఒక వస్తువు ఎంత వేడిగా లేదా చల్లగా ఉందో చెప్పే కొలత.

• ఉష్ణం (Heat): ఉష్ణోగ్రత తేడా వల్ల ఒక వస్తువు నుండి మరో వస్తువుకు బదిలీ అయ్యే శక్తి.
• SI ప్రమాణం: జౌల్ (J)
• ఇతర ప్రమాణం:
  1. కేలరీ
  2. 1 కేలరీ ≈ 4.18 జౌల్
• ఉష్ణం ఎల్లప్పుడూ ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత వస్తువు నుండి తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వస్తువుకు ప్రవహిస్తుంది
• ఉష్ణోగ్రత (Temperature): పదార్థంలోని అణువుల సగటు గతిశక్తికి కొలమానం.
• SI ప్రమాణం: కెల్విన్ (K)
• కొలిచే పరికరం: థర్మామీటర్
• ముఖ్య తేడా: ఒక బకెట్ వేడి నీటిలో, ఒక కప్పు వేడి నీటిలో ఉష్ణోగ్రత ఒకటే ఉండవచ్చు, కానీ బకెట్‌లో ఉష్ణం ఎక్కువ.
• ఉష్ణ సమతాస్థితి: రెండు వస్తువులు ఒకే ఉష్ణోగ్రతకు చేరితే వాటి మధ్య ఉష్ణ ప్రవాహం ఆగిపోతుంది.
• థర్మోడైనమిక్స్ శూన్య నియమం: రెండు వస్తువులు మూడో వస్తువుతో ఉష్ణ సమతాస్థితిలో ఉంటే అవి పరస్పరం కూడా సమతాస్థితిలో ఉంటాయి.

ఉష్ణోగ్రతను కొలవడానికి మూడు ప్రధాన స్కేళ్లు ఉన్నాయి: సెల్సియస్, ఫారెన్‌హీట్, కెల్విన్. ఒక్కో స్కేలుకు రెండు స్థిర బిందువులు (నీరు గడ్డకట్టే, మరిగే బిందువులు) ఉంటాయి.

• సెల్సియస్ (°C): నీరు గడ్డకట్టే బిందువు 0°C, మరిగే బిందువు 100°C. మధ్యలో 100 భాగాలు.
• ఫారెన్‌హీట్ (°F): గడ్డకట్టే బిందువు 32°F, మరిగే బిందువు 212°F. మధ్యలో 180 భాగాలు.
• కెల్విన్ (K): SI ప్రమాణం. 0 K = పరమ శూన్య ఉష్ణోగ్రత (Absolute zero) = –273.15°C. నీరు గడ్డకట్టే బిందువు 273.15 K.
• మార్పిడి సూత్రాలు:
  1. K = °C + 273 (సుమారుగా)
  2. °F = (°C × 9/5) + 32
  3. C/5 = (F – 32)/9
  4. –40° వద్ద సెల్సియస్, ఫారెన్‌హీట్ రెండూ సమానం
• మానవ శరీర ఉష్ణోగ్రత: సగటున 37°C = 98.6°F.
• థర్మామీటర్లు:
  1. క్లినికల్ థర్మామీటర్: పరిధి 35°C–42°C (94°F–108°F); పాదరసం వాడతారు; మధ్యలో సన్నని వంపు ఉండి పాదరసం వెనక్కి రాదు
  2. ప్రయోగశాల థర్మామీటర్: –10°C నుండి 110°C
  3. పైరోమీటర్: చాలా అధిక ఉష్ణోగ్రతలు (ఉదా: సూర్యుడు, కొలిమి)
• పాదరసం ఎందుకు?: అది మెరుస్తూ కనిపిస్తుంది, సమానంగా వ్యాకోచిస్తుంది, ఉష్ణాన్ని బాగా వాహకం చేస్తుంది.

వేర్వేరు పదార్థాలను ఒకే మోతాదులో వేడి చేస్తే అవి ఒకేలా వేడెక్కవు. ఈ తేడాకు కారణం విశిష్టోష్ణం (Specific Heat). ఇది ఉష్ణ లెక్కల్లో కీలకం.

• విశిష్టోష్ణం (s): 1 kg పదార్థ ఉష్ణోగ్రతను 1°C (లేదా 1 K) పెంచడానికి కావలసిన ఉష్ణం. ప్రమాణం J/kg·K.
• ఉష్ణం సూత్రం: Q = m s Δt (m = ద్రవ్యరాశి, Δt = ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదల).
• నీటి విశిష్టోష్ణం: ≈ 4200 J/kg·K (1 cal/g·°C). సాధారణ పదార్థాల్లో నీటి విశిష్టోష్ణం చాలా ఎక్కువ.
• ఫలితాలు:
  1. సముద్రపు నీరు నెమ్మదిగా వేడెక్కి, నెమ్మదిగా చల్లబడుతుంది. అందుకే తీర ప్రాంతాల్లో వాతావరణం సమశీతోష్ణంగా ఉంటుంది
  2. ఎడారుల్లో ఇసుక త్వరగా వేడెక్కి, రాత్రి త్వరగా చల్లబడుతుంది (ఇసుక విశిష్టోష్ణం తక్కువ)
  3. నీటిని వాహన రేడియేటర్లలో శీతలీకరణకు వాడతారు
  4. వేడి నీటి సంచులు (hot water bags) లో నీరు వాడతారు
• ఉష్ణ నష్టం = ఉష్ణ లాభం: వేడి, చల్లటి పదార్థాలను కలిపినప్పుడు వేడి పదార్థం కోల్పోయిన ఉష్ణం, చల్లటి పదార్థం గ్రహించిన ఉష్ణానికి సమానం (కెలోరిమెట్రీ సూత్రం).
• ఉష్ణ ధారణ సామర్థ్యం (Heat capacity): మొత్తం వస్తువు ఉష్ణోగ్రతను 1°C పెంచడానికి కావలసిన ఉష్ణం = m × s.

ఉష్ణం ఒక చోటు నుండి మరో చోటుకు మూడు పద్ధతుల్లో బదిలీ అవుతుంది: ఉష్ణ వహనం, సంవహనం, వికిరణం. ఏ పద్ధతిలో ఏది జరుగుతుందో గుర్తించడం పరీక్షల్లో ముఖ్యం.

• ఉష్ణ వహనం (Conduction): పదార్థం కదలకుండా, అణువుల ఢీకొనడం ద్వారా ఉష్ణం ప్రసరించడం. ముఖ్యంగా ఘన పదార్థాల్లో.
• ఉష్ణ వాహకాలు:
  1. లోహాలు (వెండి అత్యుత్తమ వాహకం
  2. తర్వాత రాగి)
• ఉష్ణ నిరోధకాలు (బ్యాడ్ కండక్టర్లు): చెక్క, ప్లాస్టిక్, గాలి, ఉన్ని
• వంట పాత్రలు లోహంతో, హ్యాండిల్స్ ప్లాస్టిక్ లేదా చెక్కతో చేస్తారు
• సంవహనం (Convection): ద్రవాలు, వాయువుల్లో పదార్థ కణాలే కదులుతూ ఉష్ణాన్ని తీసుకెళ్లడం.
• వేడి గాలి పైకి, చల్లని గాలి కిందికి వెళ్తాయి
• పగటి పూట సముద్రపు గాలి (sea breeze), రాత్రి భూ గాలి (land breeze)
• ఇళ్లలో వెంటిలేటర్లు పైభాగంలో ఉండటం
• వికిరణం (Radiation): మాధ్యమం అవసరం లేకుండా విద్యుదయస్కాంత తరంగాల రూపంలో ఉష్ణం ప్రసరించడం. కాంతి వేగంతో ప్రయాణిస్తుంది.
• సూర్యుని నుండి భూమికి ఉష్ణం రావడం వికిరణం ద్వారానే
• నల్లటి వస్తువులు ఉష్ణాన్ని బాగా గ్రహిస్తాయి, బాగా వికిరణం చేస్తాయి
• తెల్లటి వస్తువులు ఉష్ణాన్ని పరావర్తనం చేస్తాయి
• వేసవిలో తెల్ల బట్టలు వేసుకోవడానికి కారణం ఇదే
• థర్మోస్ ఫ్లాస్క్ (Thermos flask):
  1. లోపలి రెండు గోడల మధ్య శూన్యం ఉండి, వహనం, సంవహనం ఆగుతాయి
  2. వెండి పూత వల్ల వికిరణం తగ్గుతుంది. వేడి పదార్థం వేడిగా, చల్లని పదార్థం చల్లగా ఉంటుంది.

వేడి చేసినప్పుడు చాలా పదార్థాలు వ్యాకోచిస్తాయి (పరిమాణం పెరుగుతుంది), చల్లబడినప్పుడు సంకోచిస్తాయి. ఈ ధర్మం రోజువారీ జీవితంలో, ఇంజినీరింగ్‌లో కీలకం.

• ఘనాల్లో వ్యాకోచం: రేఖీయ (పొడవు), తల (వైశాల్యం), ఘన పరిమాణ (ఆయతనం) వ్యాకోచాలు ఉంటాయి.
• అనువర్తనాలు:
  1. రైలు పట్టాల మధ్య చిన్న ఖాళీలు వదలడం
  2. వంతెనలకు విస్తరణ జాయింట్లు
  3. విద్యుత్ తీగలు వేసవిలో కొద్దిగా వేలాడటం
  4. ఎడ్లబండి చక్రాలకు ఇనుప రింగ్‌ను వేడి చేసి తొడగడం
  5. గాజు గ్లాసులో వేడి నీరు పోస్తే పగలడం (అసమాన వ్యాకోచం); పైరెక్స్ గాజుకు వ్యాకోచం తక్కువ కాబట్టి పగలదు
  6. ద్వి-లోహపు పట్టీ (bimetallic strip): థర్మోస్టాట్లు, ఇస్త్రీ పెట్టె, ఫైర్ అలారంలలో వాడతారు
• ద్రవాల్లో వ్యాకోచం:
  1. ద్రవాలు ఘనాల కంటే ఎక్కువ వ్యాకోచిస్తాయి
  2. థర్మామీటర్లు దీనిపై ఆధారం.
• వాయువులు: అత్యధికంగా వ్యాకోచిస్తాయి.
• నీటి అసాధారణ వ్యాకోచం: 0°C నుండి 4°C వరకు నీరు వేడి చేస్తే సంకోచిస్తుంది. 4°C వద్ద నీటి సాంద్రత అత్యధికం (1000 kg/m³). కాబట్టి చలికాలంలో సరస్సులు పైన గడ్డకడతాయి, లోపల నీరు ద్రవంగానే ఉండి జలచరాలు బ్రతుకుతాయి.

పదార్థాలు ఘన, ద్రవ, వాయు అనే మూడు స్థితుల్లో ఉంటాయి. ఉష్ణం గ్రహించినా, కోల్పోయినా స్థితి మారవచ్చు. స్థితి మారేటప్పుడు ఉష్ణోగ్రత మారదు, ఆ సమయంలో వాడే ఉష్ణాన్ని గుప్తోష్ణం (Latent Heat) అంటారు.

• స్థితి మార్పులు:
  1. ద్రవీభవనం (Melting): ఘనం → ద్రవం
  2. ఘనీభవనం (Freezing): ద్రవం → ఘనం
  3. బాష్పీభవనం (Vaporisation): ద్రవం → వాయువు
  4. సాంద్రీకరణ (Condensation): వాయువు → ద్రవం
  5. ఉత్పతనం (Sublimation): ఘనం ↔ వాయువు నేరుగా (కర్పూరం, నాఫ్తలీన్, పొడి మంచు)
• గుప్తోష్ణం: స్థితి మార్పు సమయంలో ఉష్ణోగ్రత మార్పు లేకుండా గ్రహించే/విడుదల చేసే ఉష్ణం.
• ద్రవీభవన గుప్తోష్ణం (మంచు): ≈ 3.34 × 10⁵ J/kg (80 cal/g)
• బాష్పీభవన గుప్తోష్ణం (నీరు): ≈ 22.6 × 10⁵ J/kg (540 cal/g)
• ఫలితాలు:
  1. 100°C ఆవిరి కాలిస్తే 100°C నీటి కంటే ఎక్కువ గాయమవుతుంది, ఎందుకంటే ఆవిరిలో గుప్తోష్ణం ఉంటుంది
  2. చల్లటి పానీయంలో మంచు ముక్కలు ఉంచడం: మంచు కరిగేటప్పుడు ఉష్ణాన్ని గ్రహిస్తుంది
  3. చెమట ఆవిరై శరీరాన్ని చల్లబరుస్తుంది
• బాష్పీభవనం ప్రభావితం చేసే అంశాలు: ఉష్ణోగ్రత, ఉపరితల వైశాల్యం, గాలి వేగం, తేమ.
• పీడనం–మరిగే స్థానం: ఎత్తైన ప్రాంతాల్లో పీడనం తక్కువ కాబట్టి నీరు 100°C కంటే తక్కువ వద్ద మరుగుతుంది. ప్రెషర్ కుక్కర్‌లో పీడనం ఎక్కువ కాబట్టి మరిగే స్థానం పెరిగి త్వరగా ఉడుకుతుంది.

ఉష్ణం, పని, శక్తి మధ్య సంబంధాన్ని థర్మోడైనమిక్స్ (ఉష్ణగతిక శాస్త్రం) వివరిస్తుంది. పోటీ పరీక్షల్లో ప్రాథమిక భావనలు, నియమాలు అడుగుతారు.

• శూన్య నియమం: రెండు వస్తువులు మూడో వస్తువుతో సమతాస్థితిలో ఉంటే అవి పరస్పరం సమతాస్థితిలో ఉంటాయి. ఇది ఉష్ణోగ్రత భావనకు ఆధారం.
• మొదటి నియమం: ఇది శక్తి నిత్యత్వ నియమం. వ్యవస్థకు ఇచ్చిన ఉష్ణం = అంతర్గత శక్తిలో మార్పు + వ్యవస్థ చేసిన పని (Q = ΔU + W).
• రెండవ నియమం:
  1. ఉష్ణం దానంతట అదే చల్లని వస్తువు నుండి వేడి వస్తువుకు ప్రవహించదు. ఏ ఉష్ణ యంత్రమూ తీసుకున్న ఉష్ణాన్ని మొత్తం పనిగా మార్చలేదు (కెల్విన్–ప్లాంక్ ప్రవచనం). దీనివల్ల ఎంట్రోపీ (entropy) అనే భావన వస్తుంది
  2. విశ్వంలో ఎంట్రోపీ పెరుగుతూనే ఉంటుంది.
• మూడవ నియమం: పరమ శూన్య ఉష్ణోగ్రత (0 K) ను ఎప్పటికీ చేరుకోలేం.
• ఉష్ణ యంత్రం (Heat engine): ఉష్ణాన్ని పనిగా మార్చే పరికరం. ఉదా: ఆవిరి యంత్రం, పెట్రోల్/డీజిల్ ఇంజిన్లు.
• ఆవిరి యంత్రాన్ని మెరుగుపరిచినవాడు జేమ్స్ వాట్
• శీతలీకరణ యంత్రం (రిఫ్రిజిరేటర్) ఉష్ణ యంత్రానికి వ్యతిరేకంగా పనిచేస్తుంది: చల్లని చోటి నుండి ఉష్ణాన్ని తీసి బయటికి వదులుతుంది
• కార్నో యంత్రం:
  1. ఆదర్శ ఉష్ణ యంత్రం
  2. సామర్థ్యం కేవలం రెండు ఉష్ణోగ్రతల (T₁, T₂ కెల్విన్‌లో) పై ఆధారపడుతుంది: 1 – T₂/T₁.
• ఉష్ణం యాంత్రిక సమానం: జౌల్ ప్రయోగం ద్వారా పని, ఉష్ణం మధ్య సంబంధం కనుగొనబడింది (1 కేలరీ ≈ 4.18 జౌల్).