முகப்பு அறிவியல் வெப்பம் என்றால் என்ன?

வெப்பம் என்றால் என்ன?

98
0

ஒரு இலகுவான கேள்வி அல்லவா? அன்றாட வாழ்வில் வெப்பம் என்னும் சொல்லுக்கு மிகுந்த முக்கியத்துவம் இருக்கிறது. குளிர்,வெப்பம், காலநிலை, வெயில், சூடு இப்படி பல வழிகளில் நாம் அன்றாடம் வெப்பத்தோடு இணைந்தே இருக்கிறோம். ஆனால் எத்தனை பேருக்குஉண்மையில் இந்த வெப்பம் என்றால் என்ன என்று தெரியும்? வெப்பத்திற்கு இலகுவாக வரைவிலக்கணம் ஒன்றை சொல்லிவிடமுடியுமா? வெப்பத்திற்கும் வெப்பநிலைக்கும் உள்ள தொடர்பு என்ன? இரண்டுக்கும் உள்ள வித்தியாசம் என்ன?

மிக இலகுவாகத் தெரியும் இந்தக் கேள்விக்கான பதில், இயற்கயின் பல மர்மங்களின் முடிச்சுகளை அவிழ்க்கப்போகிறது என்று நான் இப்போது உங்களிடம் கூறினால் உங்களுக்கு அதன் அர்த்தம் எந்தளவு முக்கியமானது என்று விளங்காமல் போகலாம், ஆனால் நிச்சயம் முடிவில் உங்களுக்கு இயற்கயின் விந்தை விளங்கும் என்று நம்புகிறேன்.

வெப்பத்தைப் பற்றி அறிய முதல், முக்கியமான ஒரு விடையத்தை தெரிந்துகொள்வோம். வெப்பம் (heat) மற்றும் வெப்பநிலை (temperature) என்பன இரு வேறுபட்ட கோட்பாடுகள். நாம் சாதாரண வாழ்வில் இரண்டையும் பொதுவாக வித்தியாசப்படுத்துவதில்லை. ஆனால் உண்மையில் இரண்டும் வேறுபட்ட கருத்துக்கள். வெப்பநிலையைத் தான் நாம் செல்சியஸ், பாரனைட் போன்ற அலகுகளில் அளக்கின்றோம். நீர் 100 பாகை செல்சியஸில் ஆவியாகும் என்பதும், சூரியனின் வெளிப்புற வெப்பநிலை 6000 பாகை செல்சியஸ் என்பதும் இதைத்தான்.

ஏற்கனவே கூறியது போல வெப்பநிலை அல்லது வெப்பசக்தி என்பன சற்றே விளக்குவதற்கு சிக்கலான விடயங்கள். ஆகவே முதலில் எளிமையாக விளங்கிக்கொள்ள எத்தனிப்போம்.

வெப்பநிலை என்பது ஒரு பொருள் அல்லது இடம் எந்தளவு குளிராக அல்லது சூடாக இருக்கிறது என்று அளக்கும் அளவு என்று எடுத்துக்கொள்ளலாம் – இது மிக மிக எளிமையான விளக்கம். கொஞ்சம் கொஞ்சமாக ஆழமான விளக்கத்திற்கு செல்வோம்.

மேலே குறிப்பட்டபடி வெப்பநிலை என்றால் என்ன என்று கருதினால், வெப்பம் என்றால் என்ன என்று அடுத்ததாக பார்ப்போம்.

வெப்பம் என்பது ஒரு ஒரு சக்தியின் வடிவம். வஸ்துக்கள் (matter) அணுக்களாலும் மூலக்கூறுகளாலும் ஆனவை (இந்தப் பிரபஞ்சம் வஸ்துக்களாலும் சக்தியாலும் ஆனது). அணுக்களும் மூலக்கூறுகளும் எப்போதுமே இயங்கிக்கொண்டே இருக்கும் காரணம் சக்தி. இவை ஒன்றுக் கொன்று மோதிக்கொண்டோ அல்லது அதிர்ந்துகொண்டோ இருக்கலாம். இப்படியாக அதிர்ந்துகொண்டு இருக்கும் அணுக்கள்/மூலக்கூறுகள் அதனைக் விடக் குறைந்தளவு வேகமாக அதிர்ந்துகொண்டு இருக்கும் அணுக்களை/மூலக்கூறுகளை நோக்கி பாயும் சக்தியே வெப்பசக்தி அல்லது வெப்பம் எனலாம்.

கூடிய வெப்பநிலை கொண்ட பொருளில் இருந்து குறைந்த வெப்பநிலை உள்ள பொருளுக்கு கடத்தப்படும் சக்தி வெப்பசக்தி என இலகுவாக ஒரு விளக்கத்தை கொடுக்கலாம். இப்போது உங்களுக்கு கொஞ்சம் கொஞ்சம் புரிவது போலவும், குழப்பமாகவும் இருக்கலாம். மேலும் கொஞ்சம் கொஞ்சமாக விளக்கங்களைப் பார்ப்போம். தொடர்ந்து பயணிக்கலாம்.

சக்திக்கு நிலைமாறும் பண்பு உள்ளதல்லவா? அதனால் பல்வேறு பட்ட சக்தியின் வடிவங்கள் வெப்பசக்தியாக மாற்றமடையக்கூடியனவே. ஒளி, ஒலி மின், இயக்கம், ரசாயன மற்றும் அணுச்சக்தி (மேலும் பல) என்பன வெப்பசக்தியாக மாற்றமடையக்கூடியன.

வெப்பத்திற்கும் வெப்பநிலைக்குக் என்ன வேறுபாடு என்பதை தெளிவாக புரிந்துகொள்வோம். வெப்பம் என்பது வஸ்துவில் உள்ள அணுக்கள் / மூலக்கூறுகள் அசைவதால் உருவாவது என்பதால், வஸ்துவில் உள்ள மொத்த அணுக்களின் இயக்க சக்தியே வெப்பசக்தி எனலாம், ஆனால் வெப்பநிலை என்பது வஸ்துவில் உள்ள அணுக்களின் இயக்கத்தின் சராசரியாகும்.

மொத்த அணுக்களின் (மூலக்கூறுகள் என்றுக் கொள்வோம்) இயக்க சக்தி என்பதால், வஸ்துவில் உள்ள அணுக்களின் எண்ணிக்கை, மற்றும் அணுக்களின் தன்மை என்பவற்றில் வெப்பம் தங்கியிருக்கும். ஆனால் வெப்பநிலை என்பது அளவில் தங்கியிருப்பதில்லை.

ஒரு கப்பில் இருக்கும் வெந்நீர் 80 பாகை செல்சியஸ் என்றால், ஒரு பெரிய பாத்திரத்தில் இருக்கும் நீரும் 80 பாகை செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் இருக்கலாம். ஆனால், கப்பில் இருக்கும் நீரின் வெப்பசக்தியை விட, பெரிய பாத்திரத்தில் இருக்கும் நீரில் அதிக வெப்பசக்தி இருக்கும். காரணம் பெரிய பாத்திரத்தில் அதிகளவான நீர் மூலக்கூறுகள் இருக்கும் அல்லவா?

ஒரு வஸ்துவின் வெப்பசக்தி அதன் வெப்பநிலையை தீர்மானிக்கிறது. ஒரு வஸ்துவிற்கு நாம் வெப்பத்தை வழங்கினால், அதாவது அதன் அணுக்களின் இயக்க சக்தியை அதிகரித்தால், அந்த வஸ்துவின் வெப்பநிலை அதிகரிக்கும். அதேபோல ஒரு பொருளின் / வஸ்துவின் அணுக்களின் இயக்க சக்தியை குறைத்தால் அப்பொருளின் வெப்பநிலையும் குறையும். இது உங்களுக்கு இப்போது விளங்கும் என்று நினைக்கிறேன்.

மிகவும் எளிமையாக கூறவேண்டும் என்றால் வெப்பம் என்பது சக்தி, வெப்பநிலை என்பது சக்தியின் சராசரி அளவு என்று கொள்ளலாம்!

வெப்பம் சக்தியின் ஒரு வடிவம் என்பதால், இதனை ஜூல் (joule) எனும் அலகில் அளக்கின்றனர். ஜூல் என்கிற சொல் ஆங்கில இயற்பியலாளரான James Prescott Joule இன் ஞாபகார்த்தமாக வைக்கப்பட்டுள்ளது. இவர் தன் வெப்பமும் ஒரு வகையான சக்தியே என்று கண்டுபிடித்தவர். வெப்பத்தை கலோரி (calorie) அலகிலும் அளக்கின்றனர். ஆனால் ஜூல் தான் சர்வதேச நியம அலகாகும்.

ஒரு கிராம் நீரை (ஒரு மில்லிலீடர்) ஒரு பாகை செல்சியஸால் அதிகரிக்க 4.19 ஜூல் சக்தி தேவைப்படும். இந்தளவு சக்தியே ஒரு கலோரி எனவும் அழைக்கப்படும்.

வெப்பநிலையை அளப்பதற்கு நாம் ஏற்கனவே கூறியபடி செல்சியஸ், பாரன்ஹீட் மற்றும் கெல்வின் போன்ற அலகுகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. இதில் கெல்வின் சர்வதேச அலகாகும்.

வெப்பநிலையைப் பொருத்தவரை அதற்கு எல்லை உண்டு; அதாவது மிகக்குறைந்த வெப்பநிலை மற்றும் மிகக்கூடிய வெப்பநிலை. மிகக்குறைந்த வெப்பநிலை என்பது  முழுப்பூஜ்ஜிய வெப்பநிலை (absolute zero temperature) எனப்படுகிறது.

கெல்வின் அலகில் இது 0 K ஆகும். அதனையே செல்சியஸில் மாற்றினால் 0 K = -273.15 பாகை செல்சியஸ்.  அதேபோல 0 பாகை செல்சியஸ் என்பது 273.15 K ஆகும்.

முழுப்பூஜ்ஜிய வெப்பநிலையில் வெப்பசக்தி இல்லை காரணம் வஸ்துவில் உள்ள அணுக்களின் இயக்கம் பூரணமாக நின்றுவிடும். பூரணமாக இயக்கம் நின்றுவிடும் அளவே முழுப்பூஜ்ஜிய வெப்பநிலை என்பதால், இதுவேஅடையக்கூடிய மிகக்குறைவான வெப்பநிலையாகும். முழுப்பூஜ்ஜிய வெப்பநிலையில் இல்லாத எல்லாப்பொருட்களும் வெப்பசக்தியைக் கொண்டிருக்கும், அதன் காரணமாக வெப்பநிலையையும் கொண்டிருக்கும்.

சரி, மிக அதிகளவான வெப்பநிலை என்ன? என்று உங்களுக்கு கேள்வி எழலாம். இயற்பியல் கோட்பாடு ரீதியாக பிளான்க் வெப்பநிலை என்பதே அடையக்கூடிய அதிகூடிய வெப்பநிலை என்கிறார்கள். இது 141,000 பில்லியன், பில்லியன் பில்லியன் கெல்வின் (1.416 x 1032) ஆகும். ஏன் இதனை விட அதிகமான வெப்பநிலையை அடைய முடியாது என்பது இந்தக் கட்டுரைக்கு வெளியே உள்ள விடையம். வேறொரு முறை அதனைப் பற்றிப் பார்க்கலாம். இன்னொரு விதத்தில் இப்படி சிந்தித்துப் பாருங்கள். பிரபஞ்சத்தில் மிக வேகமாக பயணிக்கக்கூடிய வேகம் ஒளியின் வேகம் அல்லவா? அணுக்களின் / மூலக்கூறுகளின் இயக்க சக்தியின் சராசரிதான் வெப்பநிலை என்றால், இந்த அணுக்களால் / மூலக்கூறுகளால் அசையக்கூடிய மிக அதிகமான வேகம் என்பது ஒன்று உள்ளதல்லவா? ஆகவே இந்த அணுக்களால் அடையக்கூடிய அதிகூடிய வெப்பநிலை ஒன்று இருக்கவேண்டும். இயற்பியலிலேயே பல்வேறு கோட்பாடுகள் அதிகூடிய வெப்பநிலை பற்றி வேறுபட்ட கருத்துக்களை கொண்டுள்ளன. அவற்றைப் பற்றி இங்கே நாம் கருதவேண்டியதில்லை.

அடுத்த மிக முக்கியமான கோட்பாடு ஒன்று உண்டு அதனைப் பார்க்கலாம். வெப்பநிலை என்பதனை பூரணமாக விளங்கிக் கொள்ளவேண்டும் என்றால், முதலில் வெப்பநிலை என்பது வஸ்துவில் உள்ள மூலக்கூறுகள் / அணுக்களின் சராசரி சக்தியின் அளவு என்பதனை மறக்கவேண்டாம். ஒரு குறித்த வஸ்துவில் உள்ள அணுக்கள் அல்லது மூலக்கூறுகள் எல்லாமே ஒரே வேகத்தில் அசைவதோ அல்லது அதிர்வதோ இல்லை. வாயுவை உதாரணமாக எடுத்துக்கொண்டால், அதில் உள்ள மூலக்கூறுகள் சில வேகமாக அசையலாம், அதனால் அவற்றுக்கு அதிகளவான இயக்க சக்தி இருக்கும். சில மூலக்கூறுகள் குறைந்த வேகத்தில் அசையலாம் அதனால் அவற்றுக்கு குறைந்தளவு சக்தி இருக்கும். தற்போது வேகமாக அசையும் மூலக்கூறுகள் வேகம் குறைவாக அசையும் மூலக்கூறுகளுக்கு சக்தியை பரிமாற்றம் செய்யும்.இதனால் வேகம் குறைவாக அசைந்த மூலக்கூறுகள் வேகம் அதிகமாகவும், வேகம் அதிகமாக அசைந்த மூலக்கூறுகள் வேகம் குறைவாகவும் (சக்தி இழப்பால்) அசையும். மொத்தத்தில் அந்த வாயுவில் இருக்கும் அனைத்து மூலக்கூறுகளும் ஒரு கட்டத்தில் ஒரே இயக்கசக்தியைக் கொண்டிருக்கும். எல்லா மூலக்கூறுகளும் வெப்பச் சமநிலை அடையும்.

தற்போது நாம் குறித்த வாயுக்கு மேலும் சக்தியை வழங்கினால், அதில் இருக்கும் மூலக்கூறுகளின் அசையும் வேகம் அதிகரிக்கும், இதனால் குறித்த வாயுவின் மொத்த வெப்பசக்தியும் அதிகரிக்கும், இதன் காரணமாக வெப்பநிலையும் அதிகரிக்கும். ஆகவே அதிக வெப்பநிலை என்றால் அந்த வஸ்துவில் உள்ள அணுக்கள் / மூலக்கூறுகள் அதிக வேகமாக அசைகின்றன என்று கொள்ளலாம். இப்போது மேலே கூறிய முழுப்பூஜ்ஜிய வெப்பநிலையை எடுத்துக்கொண்டால், அங்கெ அணுக்கள் / அல்லது மூலக்கூறுகள் அசைவதை பூரணமாக நிறுத்தியிருக்கும் நிலை. ஆகவே அங்கெ வெப்பம் இல்லை என்று இப்போது உங்களுக்கு புரிகிறதா?

வெப்பம் / வெப்பநிலை பற்றி இன்னும் பல விடயங்களை பேசிக்கொண்டே செல்லலாம், ஆனால் அடுத்த ஒரு விடயத்தை பார்த்துவிட்டு முடித்துவிடுவோம்.

ஒரு வெப்பநிலை அதிகம் கொண்ட பொருள் ஒன்று வெப்பநிலை குறைந்த பொருளுடன் தொடுகையுறுமாறு வைக்கப்பட்டால், கூடிய வெப்பநிலை உள்ள பொருளில் இருந்து வெப்பம் குறைந்த வெப்பநிலை உள்ள பொருளுக்கு காவப்படும். ஒரு கட்டத்தில் இரண்டு பொருட்களும் ஒரே வெப்பநிலையை அடையும். இது வெப்பச் சமநிலை எனப்படுகிறது.

சூடான தேநீரை கொஞ்ச நேரம் அப்படியே வைத்திருந்தால், கொஞ்சம் கொஞ்சமாக அதன் வெப்பநிலை குறைவடைகிறது அல்லவா? எவ்வளவு வரை இப்படி அதன் வெப்பநிலை குறைவைடையும்? அறைவெப்பநிலையை (room temperature) அடையும் வரை அதன் வெப்பநிலை குறைவடையும்.

அதேபோல குளிரூட்டியில் இருந்து ஒரு சோடா போத்தல் ஒன்றை வெளியில் எடுத்து வைத்தால், அதன் வெப்பநிலை கொஞ்சம் கொஞ்சமாக அதிகரிக்கும் – எதுவரை? அறைவெப்பநிலையின் அளவுவரை.

இந்தக் கருத்தை அடிப்படையாக முன்வைத்து வெப்பநிலைக்கு மேலும் ஒரு வரைவிலக்கணம் தெளிவாக கொடுக்கலாம். (இன்னுமொரு விளக்கமா அடக்கடவுளே!)

வெப்பநிலை என்பது ஒரு பொருள் தனது சக்தியை எவ்வளவு தூரம் தன்னிச்சையாக சூழலுக்கு இழக்கத் தயாராக இருக்கிறது என்பதின் அளவு. இரண்டு பொருட்கள் வெப்பத்தொடுகையில் இருக்கும் போது, வெப்பநிலை கூடிய பொருளே முதலில் தனிச்சையாக தனது சக்தியை இழக்கத் தயாராகும்.

சரி முடிவுக்கு வந்துவிட்டோம். வெப்பம் / வெப்பநிலை என்றால் என்ன என்று இப்போது உங்களுக்கு சற்றே விளங்கியிருக்கும். மேலே சொல்லப்பட்ட கருத்துக்கள் இலகுவாக விளங்கிக்கொள்ள வேண்டும் என்பதால் இலகு படுத்தப்பட்டுள்ளது. வெப்பம் மற்றும் வெப்பநிலை பற்றிய கோட்பாடுகளைப் பற்றி “வெப்ப இயக்கவியல்” என்னும் இயற்பியல் பகுதி தெளிவாக விளக்குகிறது. இன்னொரு முறை வெப்ப இயக்கவியல் கோட்பாடுகளைப் பற்றிப் பார்க்கலாம். அதற்கு ஒரு முன்னோட்டமாக இந்தக் கட்டுரை.

சரி இறுதியாக ஒரு கேள்வி.

கொதிக்கும் பானை ஒன்றில் இருக்கும் நீரில் அதிகளவு வெப்பம் இருக்குமா? அல்லது பெரிய பனிப்பாறையில் அதிகளவு வெப்பம் இருக்குமா?


மேலும் பல அறிவியல் தகவல்களுக்கு, பரிமாணத்தின் பேஸ்புக் பக்கத்தை லைக் செய்யுங்கள், நண்பர்களுடனும் பகிர்ந்துகொள்ளவும் : https://facebook.com/parimaanam