ఉష్ణం - ఉష్ణోగ్రత

శక్తి స్వరూపం 

ఉష్ణం శక్తి స్వరూపం. ఇది పదార్థం లేదా వస్తువు చల్లగా లేదా వేడిగా ఉండటాన్ని తెలియజేస్తుంది. ఉష్ణశక్తి నిరంతరం అధిక ఉష్ణోగ్రత నుంచి అల్ప ఉష్ణోగ్రత వైపు ప్రసరిస్తుంది. పదార్థం లేదా వ్యవస్థలోని పరమాణువులు, అణువులు, ఇతర సూక్ష్మకణాల యాదృచ్ఛిక (Random)చలనం వల్ల కలిగే గతిజ, స్థితిజ శక్తుల మొత్తమే దాని ఉష్ణశక్తి. 

వ్యవస్థ పనిచేయడానికి లేదా వ్యవస్థపై పని జరగడానికి ఉష్ణం తోడ్పడుతుంది. వివిధ రకాల ఇంధనాలు దహనమై ఉష్ణాన్ని ఇవ్వడం వల్ల యంత్రాలు, వాహనాలు పనిచేస్తున్నాయి. జీవి తీసుకున్న ఆహారం కూడా దహనమై, కావాల్సిన శక్తి ఉత్పత్తి అవుతుంది. 

వస్తువుల నుంచి పరిసరాలకు ఉష్ణం బదిలీ అయితే దాన్ని ధన ఉష్ణంగా, వ్యతిరేక దిశలో వెళ్లే దాన్ని రుణ ఉష్ణంగా పేర్కొంటారు. 

ఉష్ణం, శక్తి ఒకే రకమైన ప్రమాణాలను (units) కలిగి ఉంటాయి. ఉష్ణానికి ¨ SI ప్రమాణం జౌల్‌ (joule), CGS ప్రమాణం - ఎర్గ్, వాడుకలో ఉన్న మరో ప్రమాణం కెలోరి (calorie).

ఒక వాతావరణ (atm) పీడనం వద్ద 1 గ్రా. నీటి ఉష్ణోగ్రతను 14.5 °Cనుంచి 15.5°C వరకు వేడి చేసేందుకు కావాల్సిన ఉష్ణరాశిని ఒక ‘కెలోరీ (cal) అని నిర్వచిస్తారు.

1 cal = 4.18 J _ ∼ 4.2 J

కెలోరిఫిక్‌ విలువ: ఇది ఇంధనం లేదా ఆహారం కలిగి ఉన్న శక్తిని సూచిస్తుంది. పదార్థాన్ని పూర్తిగా మండించినప్పుడు వెలువడే శక్తిని దాని కెలోరిఫిక్‌ విలువ అంటారు. దీనికి ప్రమాణం కిలో జౌల్‌/ కేజీ  (kJ/kg). ఎక్కువ కెలోరిఫిక్‌ విలువ కలిగిన ఆహారం లేదా ఇంధనం ఎక్కువ శక్తినిస్తుంది.

వివిధ ఇంధనాలు, ఆహార పదార్థాల కెలోరిఫిక్‌ విలువలు (సుమారుగా) ఎల్‌పీజీ - 55000 kJ/kg, మీథేన్‌ - 50000 kJ/kg, పెట్రోల్‌ - 45000 kJ/kg, డీజిల్‌ - 45000 kJ/kg,బయోగ్యాస్‌  40000 kJ/kg, బొగ్గు  33000 kJ/kg, కలప  22000 kJ/kg, పిండి పదార్థాలు 17 kJ/gram, కొవ్వు  38 kJ/gram, ప్రోటీన్‌ 17 kJ/gram,

కెలోరిఫిక్‌ విలువను (ఉష్ణాన్ని) కెలోరీమీటర్‌ లేదా బాంబు కెలోరీమీటర్‌తో కొలుస్తారు. ఉష్ణాన్ని కొలిచే శాస్త్రాన్ని కెలోరిమెట్రి  (calorimetry)  అంటారు.

     ఉష్ణోగ్రత

వస్తువు చల్లదనం లేదా వెచ్చదన తీవ్రతను నిర్ణయించే ఒక సాపేక్ష ఉష్ణీయ స్థితిని ఉష్ణోగ్రత (temperature) అంటారు. దీన్ని థర్మామీటర్‌ లేదా ఉష్ణోగ్రతా మాపకంతో కొలుస్తారు. ఉష్ణోగ్రతను కొలిచే శాస్త్రాన్ని థర్మోమెట్రి (Thermometry) అంటారు. ఉష్ణోగ్రతకు SI ప్రమాణం కెల్విన్‌ k, వాడుకలో ఉన్న ఇతర ప్రమాణాలు సెల్సియస్, ఫారెన్‌హీట్‌.

ఉష్ణోగ్రత అనే భావనను ఉష్ణగతికశాస్త్ర శూన్యాంక నియమం తెలుపుతుంది.

థర్మామీటర్లను క్రమాంకనం (Calibration) చేయడానికి దానిపై అథోస్థిర బిందువు (Lower fixed point), ఊర్థ్వ స్థిర బిందువు (Upper fixed point) లను గుర్తిస్తారు. వాటి మధ్య దూరాన్ని కొన్ని సమభాగాలుగా విభజిస్తారు. సాధారణంగా దిగువ స్థానం మంచు ద్రవీభవించే ఉష్ణోగ్రతలను, ఎగువస్థానం నీరు బాష్పీభవనం చెందే ఉష్ణోగ్రతలను సూచిస్తాయి.

సెల్సియస్‌ ఉష్ణోగ్రతామానంలో దిగువ, ఎగువ స్థానాలు వరుస0°C, 100°C. వాటి మధ్య దూరాన్ని 100 సమాన భాగాలు(divisions)గా విభజించారు. దీన్ని పూర్వం సెంటీగ్రేడ్‌ స్కేల్‌ అని పిలిచేవారు. 

ఫారెన్‌ హీట్‌ ఉష్ణోగ్రతామానంలో దిగువ, ఎగువ స్థిర బిందువులు వరుసగా 32°F., 212°F. వాటి మధ్య అంతరాన్ని 180 సమాన భాగాలుగా గుర్తించారు. 

థర్మామీటర్లు - రకాలు

కొలిచే ఉష్ణోగ్రతల వ్యాప్తి ఆధారంగా వివిధ రకాల థర్మామీటర్లు వాడుకలో ఉన్నాయి. వాటిలో కొన్ని:

1. గాజులో ద్రవం ఉండే థర్మామీటర్లు

2. వాయు థర్మామీటర్లు

3. విద్యుత్‌ నిరోధక థర్మామీటర్లు

4. ఉష్ణ యుగ్మ లేదా ఉష్ణవిద్యుత్‌ థర్మామీటర్లు

5. ఉష్ణ వికిరణ థర్మామీటర్లు

6. అయస్కాంత థర్మామీటర్లు

7. జ్వరమానిని

8. సిక్స్‌ గరిష్ఠ - కనిష్ఠ థర్మామీటర్‌

సెల్సియస్, ఫారెన్‌హీట్‌ ఉష్ణోగ్రతామానాల మధ్య సంబంధం

ఫారెన్‌హీట్, సెల్సియస్‌ స్కేల్‌ రెండింటిలో ఒకే రీడింగ్‌ను చూపించే ఉష్ణోగ్రత  40°C 40°C =  40°F)

ఉష్ణోగ్రతకి SI ప్రమాణం కెల్విన్‌ k దీన్ని పరమ ఉష్ణోగ్రతామానంabsolute scale of temperature) అంటారు. ఇందులో రుణ విలువలు ఉండవు. శూన్య కెల్విన్‌ ఉష్ణోగ్రతను చేరుకోవడం అసాధ్యం.

కెల్విన్, సెల్సియస్‌ ఉష్ణోగ్రతా మానాల మధ్య సంబంధం:

K = °C + 273

ద్రవ థర్మామీటర్‌: వేడి చేస్తే ద్రవాలు వ్యాకోచిస్తాయి అనే ధర్మం ఆధారంగా ఇవి పనిచేస్తాయి. వీటిలో పాదరసం, ఆల్కహాల్‌ లాంటి ద్రవాలను స్తూపాకార గాజు బల్బులో నింపుతారు. దానిపై ఉండే సన్నటి నాళంపై విభాగాలను క్రమాంకనం చేస్తారు. పాదరసం 38.8 °Cవద్ద గడ్డ కడితే, 356°C వద్ద ఆవిరవుతుంది. కాబట్టి ఈ థర్మామీటర్‌ని 39°C కంటే తక్కువ, 356°C కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతలను కొలవడానికి ఉపయోగించలేం. అల్ప ఉష్ణోగ్రతలను కొలవడానికి (112 °C వరకు) ఆల్కహాల్‌ థర్మామీటర్‌ని ఉపయోగిస్తారు. 200 °C  వరకు ఉష్ణోగ్రతలను కొలిచేందుకు ద్రవ పెంటేన్‌ని వాడతారు.

వాయు థర్మామీటర్‌: వాయువును వేడిచేస్తే దాని ఘనపరిమాణం, పీడనం పెరుగుతాయి. కాబట్టి ఉష్ణోగ్రతను కొలిచే సమయంలో వాయువు ఘనపరిమాణం, పీడనాల్లో ఒక రాశిని స్థిరంగా ఉంచి, వాయు థర్మామీటర్‌ని తయారు చేస్తారు. ద్రవాలతో పోలిస్తే, వాయువులకు వ్యాకోచం ఎక్కువగా, ఏకరీతిలో ఉంటుంది. ఉష్ణధారణ సామర్థ్యం తక్కువగా ఉంటుంది. ద్రవాల కంటే వాయువులను శుద్ధంగా పొందొచ్చు. కాబట్టి ఉష్ణోగ్రతని కొలవడానికి వాయు థర్మామీటర్లు అత్యంత అనువైనవి. అంతే కాకుండా మిగతా థర్మామీటర్లను క్రమాంకనం చేయడానికి కూడా ఇవి తోడ్పడతాయి. వాయు థర్మామీటర్లలో హైడ్రోజన్, హీలియం, నైట్రోజన్‌ లాంటి వాయువులను ఉపయోగిస్తారు.

ఉష్ణోగ్రతలను స్థిర ఘనపరిమాణ హైడ్రోజన్‌ థర్మామీటర్లతో 

200 °Cనుంచి 1100  °Cవరకు; నైట్రోజన్‌ థర్మామీటర్‌తో 1500°C వరకు కొలుస్తారు. 200°C కంటే తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలను కొలవడానికి హీలియం థర్మామీటర్‌ని ఉపయోగిస్తారు. స్థిరపీడన గాలి థర్మామీటర్‌తో 600°C వరకు ఉష్ణోగ్రతని కొలవొచ్చు.

ఉష్ణ విద్యుత్‌ థర్మామీటర్‌: సీబెక్‌ ప్రభావం ఆధారంగా పనిచేస్తాయి. రెండు వేర్వేరు లోహ తీగలను సంవృత వలయంగా కలిపితే ఉష్ణయుగ్మం(thermocouple)ఏర్పడుతుంది. తీగలు కలుసుకునే సంధి ప్రాంతాలను వేర్వేరు ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఉంచితే వలయంలో ఉష్ణ విద్యుత్‌ ఏర్పడుతుంది. చల్లటి సంధి ఉష్ణోగ్రతను స్థిరంగా ఉంచి, రెండో సంధి సహాయంతో వస్తువు ఉష్ణోగ్రతను లెక్కిస్తారు. ఉష్ణయుగ్మాల సహాయంతో -250 °Cనుంచి 3000°C వరకు ఉష్ణోగ్రతలను మాపనం చేయొచ్చు.

తక్కువ ఉష్ణోగ్రతా వ్యత్యాసాలు తెలుసుకోవడానికి; మానవుడు చేరుకోలేని ప్రదేశాలు; కీటకాలు, క్రూర జంతువుల శరీర ఉష్ణోగ్రతలను మాపనం చేయడానికి ఉష్ణయుగ్మ ఆధారిత థర్మామీటర్లను ఉపయోగిస్తారు. శ్రేణిలో కలిపిన ఉష్ణయుగ్మాల సంధానాన్ని ‘థర్మోపైల్‌ (Thermopileze) అంటారు.

అయస్కాంత థర్మామీటర్‌: శూన్య కెల్విన్‌కి సమీపంలో ఉండే అత్యల్ప ఉష్ణోగ్రతలను కొలిచేందుకు దీన్ని ఉపయోగిస్తారు. ఇది క్యూరీ నియమం ఆధారంగా పనిచేస్తుంది. పదార్థం అయస్కాంత వశ్యత  దాని పరమ ఉష్ణోగ్రతకి విలోమానుపాతంలో ఉంటుందని క్యూరీ నియమం తెలుపుతుంది.

అత్యల్ప ఉష్ణోగ్రతల అధ్యయనాన్ని క్రయోజెనిక్స్‌ అని, మాపనశాస్త్రాన్ని క్రయోమెట్రీ¨ అని, మాపన పరికరాలను క్రయోమీటర్లు అని పిలుస్తారు.

జ్వరమానిని: సాధారణ పాదరస జ్వరమానిని జ్వరం తీవ్రతను నిర్ధారించడానికి ఉపయోగిస్తారు. ఇది 35 - 42°C, 94 - 108°F స్కేలు క్రమాంకనంతో ఉంటుంది. దీని కేశనాళానికి చిన్న వంక (Kink) ఉంటుంది. ఇది పాదరస రీడింగ్‌ వెంటనే పడిపోకుండా చేస్తుంది.

సిక్స్‌ గరిష్ఠ - కనిష్ఠ ఉష్ణమాపకం: ఒక రోజులో నమోదయ్యే గరిష్ఠ కనిష్ఠ ఉష్ణోగ్రతలను కొలవడానికి ఉపయోగిస్తారు. ఇది  ‘U’ ఆకారంలో ఉండే సన్నటి గాజు గొట్టం. దీని రెండు భుజాలపై విడిగా ఉష్ణోగ్రత స్కేళ్లు ఉంటాయి. ఒకటి గరిష్ఠాన్ని, మరొకటి కనిష్ఠాన్ని గుర్తిస్తుంది. U- గొట్టం రెండు చివర్లలో సీలు వేసిన రెండు గాజు బల్బులు ఉంటాయి. ఒకదాన్ని పూర్తిగా ఆల్కహాల్‌తో నింపితే, మరొకదాన్ని శూన్యంగా ఉంచుతారు. గొట్టం మలుపు భాగాన్ని పాదరసంతో నింపుతారు.

విద్యుత్‌ నిరోధక థర్మామీటర్‌: ఉష్ణోగ్రత ఆధారంగా విద్యుత్‌ తీగ నిరోధం మారుతుంది. ఈ సూత్రం ఆధారంగానే ఈ థర్మామీటర్లు పనిచేస్తాయి. వీటిలో ప్రధానంగా ప్లాటినం తీగను వాడతారు. వీటిని 272 °C నుంచి 1200 °C  ఉష్ణోగ్రతల అవధిలో వినియోగిస్తారు.

ఉష్ణ వికిరణ థర్మామీటర్‌: దూరంగా ఉండే వస్తువులు, నక్షత్రాలు, సూర్యుడు మొదలైన వస్తువుల ఉష్ణోగ్రతలను తెలుసుకునేందుకు వీటిని ఉపయోగిస్తారు. ముఖ్యంగా  6000°Cవరకు ఉండే అధిక ఉష్ణోగ్రతలను కొలిచేందుకు వాడతారు. వీటినే పైరోమీటర్లు అని కూడా అంటారు. అధిక ఉష్ణోగ్రతలను కొలిచే శాస్త్రాన్ని ‘పైరోమెట్రీ’ అంటారు.

శూన్యకెల్విన్‌ కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఉండే వస్తువులన్నీ వికిరణాలను విడుదల చేస్తాయి. వికిరణ తీవ్రతను వాటి ఉష్ణోగ్రత తెలియజేస్తుంది. వికిరణ తీవ్రతను దూరం నుంచే కొలవడం ద్వారా ఉష్ణోగ్రతలను నిర్ధారిస్తాయి. ఇవి కృష్ణవస్తు (black body) వికిరణ సూత్రాలు, ముఖ్యంగా స్టీఫెన్‌ నియమం ఆధారంగా పనిచేస్తాయి. వికిరణ తీవ్రతను థర్మోపైల్, ఫొటో వోల్టాయిక్‌ డిటెక్టర్, ఫొటో మల్టిప్లయర్‌లతో గుర్తించి, విద్యుత్‌ సిగ్నల్‌గా మారుస్తారు.

ఉదా: కొవిడ్‌ సమయంలో వ్యక్తులను స్పర్శించకుండా షాపింగ్‌ మాల్స్, హాస్పిటల్స్, స్కూళ్లలో శరీర ఉష్ణోగ్రతలను తెలుసుకోవడానికి వాడిన ఇన్‌ఫ్రారెడ్‌ థర్మామీటర్‌.