ఉష్ణ ప్రభావం

ఉష్ణవ్యాకోచం 

* పదార్థాన్ని వేడి చేస్తే అందులోని అణువుల గతిజశక్తి పెరుగుతుంది. దీంతో అవి వేగంగా కదలడం (వాయువుల్లో), అధికంగా కంపించడం (ఘనాల్లో) చేస్తాయి. పదార్థ పరిమాణం, ఆకారాల్లో చోటు చేసుకునే పెరుగుదలనే ఉష్ణవ్యాకోచం అంటారు. 

* ఘన, ద్రవ, వాయువుల్లో వాయువులు అత్యధికంగా, ఘనపదార్థాలు అత్యల్పంగా వ్యాకోచిస్తాయి. 

* పదార్థం లేదా వస్తువులను చల్లారిస్తే సంకోచానికి లోనవుతాయి. వాయువుల్లో ఉష్ణ ప్రభావం వల్ల పీడనం కూడా పెరుగుతుంది.

ఘన పదార్థాల్లో ఉష్ణ వ్యాకోచం

*  ఒక ఘన పదార్థం తీగ, పలక లేదా ఘనం (cube) రూపంలో ఉండొచ్చు. తీగను వేడిచేస్తే దాని పొడవులో, పలకను వేడిచేస్తే విస్తీర్ణం (పొడవు, వెడల్పు)లో, ఘనాన్ని వేడి చేస్తే ఘనపరిమాణంలో వ్యాకోచాన్ని గమనించొచ్చు.

* l₁ పొడవైన తీగను t°₁C ఉష్ణోగ్రత నుంచి t°₂C ఉష్ణోగ్రతకు వేడిచేస్తే దాని పొడవు l₂ కి పెరుగుతుంది. పొడవులో వచ్చే వ్యాకోచాన్ని(l₂ − l₁) దైర్ఘ్య వ్యాకోచం అంటారు. దైర్ఘ్య వ్యాకోచ గుణకాన్ని (∝) కింది విధంగా నిర్వచిస్తారు. 

అదేవిధంగా  (a₁) వైశాల్యం ఉండే పలకలో (t₂ − t₁) ఉష్ణోగ్రతతో వచ్చే వ్యాకోచాన్ని విస్తీర్ణ వ్యాకోచ గుణకం (β) తో సూచిస్తారు.

* V₁ ఘనపరిమాణంతో ఉండే ఘనాన్ని వేడిచేస్తే ఘనపరిమాణం V₂ గా మారితే దాని ఘనపరిమాణ వ్యాకోచ గుణకం 

* 1°C ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలకు వచ్చే వ్యాకోచాన్ని వ్యాకోచ గుణకం సూచిస్తుంది. అన్ని వ్యాకోచ గుణకాలకు ప్రమాణం °C⁻¹ లేదా °F⁻¹

 ∝,β,γ మధ్య సంబంధం  ∝ : β : γ = 1 : 2 : 3 లేదా β=2∝, γ=3∝

నిజజీవితంలో.. 

నిజజీవితంలో ఘన పదార్థాల వ్యాకోచాన్ని అనేక సందర్భాల్లో చూస్తాం.

* వేసవిలో వ్యాకోచించడానికి వీలుగా రైలు పట్టాల మధ్య కొంత ఖాళీని వదులుతారు. ్జ శీతాకాలంలో సంకోచించడానికి, స్తంభాల మధ్య తీగలను కొంత వదులుగా బిగిస్తారు.

* సిమెంట్‌తో నిర్మించే రోడ్లు, మెట్రో రైలు బ్రిడ్జి నిర్మాణంలో మధ్యలో ఖాళీని ఉంచుతారు.

* పెద్ద ఇనుప దూలాలతో బ్రిడ్జి నిర్మాణం చేసేటప్పుడు దూలం ఒక చివరను రోలర్‌పై ఉంచి, ఆ చివర ఖాళీని వదులుతారు. దీంతో వేసవిలో దూలం వ్యాకోచించినా, బ్రిడ్జి కూలిపోకుండా ఉంటుంది.

* గాజు సీసాకి బిగుసుకుపోయిన లోహపు మూతను తీసేందుకు సీసా మూతి భాగాన్ని గోరు వెచ్చని నీటిలో ముంచితే మూత వ్యాకోచించి, వదులవుతుంది. 

* బండి కొయ్య చక్రానికి లోహపు రింగ్‌ను అమర్చే వ్యక్తి చక్రం పరిమాణం కంటే తక్కువ సైజులో ఉండే ఇనుప రింగును తీసుకుంటాడు. దాన్ని ఎర్రగా వేడి చేసి కొయ్య చక్రంపై ఉంచి దానిపై  నీరు పోసి వెంటనే చల్లార్చుతాడు. దీంతో చక్రానికి ఎలాంటి మేకులు లేకుండానే రింగ్‌ బిగుసుకుపోతుంది.

* వేగంగా ప్రయాణించే విమానం గాలి ఘర్షణ వల్ల వేడెక్కి సుమారు 15-25 సెం.మీ. వ్యాకోచిస్తుంది.

* వృత్తాకార రంధ్రాన్ని కలిగిన లోహ పలకను వేడిచేస్తే రంధ్రం పరిమాణం పెరుగుతుంది.

* వేడిగా ఉండే గాజు బల్బుపై నీటిని చల్లితే నీరు పడిన చోట సంకోచం, మిగతా చోట్ల వ్యాకోచాల వల్ల అది పగిలిపోతుంది.

* గాజులో సీలు వేసేందుకు ప్లాటినం తీగ వాడతారు. ఎందుకంటే వాటికి దైర్ఘ్య వ్యాకోచ గుణకాల విలువలు దాదాపు సమానం. 

* మీటర్‌ స్కేళ్లు, లోలకం గడియారాల్లోని లోహ లోలక బద్దలను, శృతి దండాలను ‘ఇన్వర్‌ స్టీలు’తో తయారు చేస్తారు. ఎందుకంటే దీనికి దైర్ఘ్య వ్యాకోచం చాలా తక్కువ. అన్ని కాలాల్లో ఇవి ఒకే రకమైన విలువలను చూపిస్తాయి. ఇన్వర్‌ స్టీల్‌ అనే మిశ్రమ లోహంలో 64% ఇనుము, 36% నికెల్‌ ఉంటాయి. 

* వివిధ పరిశ్రమల్లో వేడి నీటిని, ద్రవాలను తీసుకెళ్లే లోహ గొట్టాలు తరచుగా వ్యాకోచం చెందడంతో వాటి జాయింట్స్‌ వద్ద పగుళ్లు ఏర్పడతాయి. దీన్ని నివారించేందుకు గొట్టాల మధ్య ప్రాంతంలో అర్ధ వలయాల రూపంలో వంచుతారు.

ద్రవాల్లో ఉష్ణ వ్యాకోచం

* ద్రవాల విషయంలో పొడవు, వైశాల్యాలను నిర్వచించలేం. వీటికి ఘనపరిమాణ వ్యాకోచం మాత్రమే ఉంటుంది. ద్రవాలను ఘనాలలా నేరుగా వేడిచేయలేం. దీని కోసం లోహ లేదా ఇతర ఘన పదార్థంతో చేసిన (కుండ లాంటి) పాత్రలను ఉపయోగిస్తారు. ద్రవాన్ని వేడి చేసే క్రమంలో పాత్ర కూడా వ్యాకోచిస్తుంది. 

రకాలు: ద్రవాలకు రెండు రకాల వ్యాకోచాలు ఉంటాయి.

అవి: 

1. నిజ వ్యాకోచం (Real Expansion)

2. దృశ్య వ్యాకోచం (Apparent Expansion)

* పాత్ర వ్యాకోచాన్ని పరిగణించకుండా, కేవలం ద్రవం వ్యాకోచాన్నే పరిగణిస్తే అది నిజ వ్యాకోచం. పాత్ర వ్యాకోచాన్ని కూడా పరిగణిస్తే అది దృశ్య వ్యాకోచం. 

* ఉదాహరణకు ఒక పొడవైన గొట్టం కలిగిన గాజు పాత్ర తీసుకుని దానిలో నీటిని A వరకు పోసి వేడి చేయాలి. ద్రవం కంటే ముందు పాత్ర వేడెక్కి వ్యాకోచిస్తుంది. దీంతో ద్రవమట్టం Bకి పడిపోతుంది. తర్వాత ద్రవం వేడెక్కి C వరకు వ్యాకోచిస్తుంది. కానీ మనం AC వ్యాకోచాన్నే గమనిస్తాం. ఇది దృశ్య వ్యాకోచం. BC నిజ వ్యాకోచం.

BC = AC + AB

γ_నిజ = γ _{దృశ్య} + γ _{పాత్ర} 

*  పాదరస థర్మామీటరు ద్రవ వ్యాకోచం ఆధారంగా పని చేస్తుంది.

వాయువుల్లో వ్యాకోచం 

*  వాయు అణువుల మధ్య దూరం చాలా ఎక్కువ. కాబట్టి వాటి మధ్య అణు ఆకర్షణ బలాలు అత్యల్పం. వాయువుని వేడి చేస్తే అణువులు వేగంగా, ఎక్కువగా వ్యాప్తి చెందుతాయి. సాధారణ గాలి కంటే నైట్రోజన్‌ వాయువు ఉష్ణంతో తక్కువగా వ్యాకోచిస్తుంది. కాబట్టి మామూలు గాలి కంటే టైర్లలో నైట్రోజన్‌ని నింపితే మెరుగైన ఫలితం ఉంటుంది.

రకాలు: వాయువులకు రెండు రకాల వ్యాకోచ గుణకాలను నిర్వచించారు. 

అవి: 

1. పీడన వ్యాకోచ గుణకం (β)

2. ఘనపరిమాణ వ్యాకోచ గుణకం (∝)

స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద, 1°C ఉష్ణోగ్రతలో పెరుగుదలకు పీడనంలో వచ్చిన మార్పునకు, 0°C వద్ద ఉండే పీడనాల నిష్పత్తిని పీడన గుణకం అంటారు.

ద్విలోహ పట్టీ (Bimetallic Strip)

వేర్వేరు దైర్ఘ్య వ్యాకోచ గుణకం విలువలు కలిగిన రెండు భిన్న లోహ పలకలను కలిపి రివిట్ల ద్వారా బిగిస్తే దాన్ని ద్విలోహ పట్టీ అంటారు. 

ఉదా: ఇత్తడి, స్టీలు పలకల కలయిక.

*  ద్విలోహ పట్టీని వేడి చేస్తే ఇత్తడి, ఉక్కు కంటే ఎక్కువ వ్యాకోచించి పట్టీ కుంభాకారంగా వంగుతుంది. చల్లార్చితే పుటాకారంగా మారుతుంది. 

*  ఈ ధర్మం ఆధారంగా ద్విలోహ పట్టీలను ఉష్ణోగ్రతను స్థిరంగా ఉంచితే థర్మోస్టాట్‌గా, అధిక విద్యుత్‌ ప్రసారం జరిగినప్పుడు రక్షించే ఎలక్ట్రిక్‌ బ్రేకర్లుగా ఉపయోగిస్తారు. థర్మోస్టాట్‌ని గీజర్లు, రిఫ్రిజిరేటర్లు, విద్యుత్‌ ఇస్త్రీ పెట్టెల్లో, ఏసీ, ఫైర్‌ అలారమ్‌లలో ఉపయోగిస్తారు.

నీటి అసంగత వ్యాకోచం (Unusual/ anomalous expansion of water)

నీరు  0°C  నుంచి 4°C మధ్య ఇతర ద్రవాలకు విభిన్నంగా వ్యాకోచ, సంకోచ ప్రక్రియలను ప్రదర్శిస్తుంది.0°C నుంచి 4°C వేడిచేస్తే వ్యాకోచానికి బదులు సంకోచిస్తుంది. అదేవిధంగా 4 నుంచి 0°C కి చల్లార్చితే సంకోచానికి బదులు వ్యాకోచిస్తుంది. ఈ ఉష్ణోగ్రతల మధ్య మినహా మిగతా అన్ని ఉష్ణోగ్రతల వద్ద నీరు సాధారణంగానే ప్రవర్తిస్తుంది. అసంగత వ్యాకోచం ఫలితంగా 4°C వద్ద నీటికి కనిష్ఠ ఘనపరిమాణం, గరిష్ఠ సాంద్రత ఉంటాయి.

*  నీటి అసంగత వ్యాకోచం వల్ల అతి శీతల ప్రాంతాల్లోని జలాశయాల్లో నీటి జంతువులు (Aquatic Animals) మనుగడ కొనసాగిస్తున్నాయి.

*  వాతావరణ ఉష్ణోగ్రత తగ్గిన కొద్దీ కొలనులోని నీటి ఉష్ణోగ్రత తగ్గి 4°C కి చేరుతుంది. 4°C వద్ద ఉండే నీటికి ఎక్కువ సాంధ్రత (బరువు) కారణంగా అడుగు భాగానికి చేరుతుంది. దాని పై పొరల్లో వరుసగా 3°C, 2°C, 1°C, 0°C ఉష్ణోగ్రతతో ఉండే నీటి పొరలు ఏర్పడతాయి. అన్నింటికంటే పైన ఉండే నీరు (0°C) గడ్డకట్టినా, కింది నీరు ద్రవస్థితిలోనే ఉండటం వల్ల అందులోని జలచరాలు, చేపలు జీవిస్తాయి.

*  అతిశీతల ప్రాంతాల్లో కొండచరియలు విరిగిపడటానికి, వాహనాల రేడియేటర్లు, నీటి సరఫరా గొట్టాలు పగిలిపోవడానికి కారణం నీటి అసంగత వ్యాకోచమే. 

*  నీటికి ఉండే ఈ ధర్మాన్ని మార్చడానికి శీతల ప్రాంతాల్లోని నీటికి స్వల్ప పరిమాణంలో ఆల్కహాల్‌ని కలిపి గొట్టాల్లో సరఫరా చేయడం, రేడియేటర్లలో నింపడం చేస్తారు.