ఉష్ణం - వాయువులు

వాయు నియమాలు 

* వాయువు స్థితిని పీడనం, ఘనపరిమాణం, ఉష్ణోగ్రతలు నిర్ణయిస్తాయి. అందులో ఒక భౌతికరాశిని స్థిరంగా ఉంచితే, మిగతా రెండింటి మధ్య సంబంధాన్ని తెలియజేసేవి వాయు నియమాలు.

ఆదర్శ వాయువు (Ideal Gas)

అన్ని ఉష్ణోగ్రతలు, పీడనాల వద్ద బాయిల్, చార్లెస్‌ నియమాలను తు.చ. తప్పకుండా పాటించే వాయువులను ఆదర్శ వాయువులు అంటారు. వాయు నియమాలను ఏ వాయువు కూడా కచ్చితంగా పాటించదు. కాబట్టి ఆదర్శ వాయువు ఊహాజనితం.

 అతి తక్కువ పీడనం, అత్యధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద మాత్రమే మనం చూసే నిజ వాయువులు ఆదర్శ వాయువుల్లా ప్రవర్తిస్తాయి. 

 ఉదా: హైడ్రోజన్, హీలియం వాయువులు. 

 ఆదర్శ వాయు సమీకరణాన్ని బాయిల్‌(PV = స్థిరం),

  చార్లెస్‌   )  నియమాల ఆధారంగా రాబట్టొచ్చు. అది 

PV = nRT

ఇక్కడ  R   వాయు స్థిరాంకం, n - మోల్‌ల (moles) సంఖ్య.

స్థితి మార్పు  (Change of State) 

 పదార్థం సాధారణంగా మూడు స్థితుల్లో (ప్రావస్థల్లో) ఉంటుంది. అవి ఘన, ద్రవ, వాయు స్థితులు. స్థితి మార్పునకు పీడనం, ఉష్ణోగ్రతల్లో మార్పులు చేయాలి. సాధారణ వాతావరణ పీడనం వద్ద పదార్థం స్థితిని ఉష్ణాన్ని ఇవ్వడం లేదా తీసుకోవడం ద్వారా మార్చొచ్చు. అంటే పదార్థం ఉష్ణోగ్రతను మార్చాలి.

బాష్పీభవన, ద్రవీభవన ఉష్ణోగ్రతలు  

 సాధారణ పీడనం వద్ద నీటిని వేడిచేస్తే అది 100°C వద్ద ఆవిరిగా మారుతుంది. ఈ ఉష్ణోగ్రతను బాష్పీభవన ఉష్ణోగ్రత అంటారు.  నీటిని వేడిచేస్తున్న కొద్దీ నీటి అణువులు తమ బంధాలను తెంచుకుని ఆవిరవుతాయి. బాష్పం (ఆవిరి) కలిగించే పీడనం, వాతావరణ పీడనానికి సమానమైనప్పుడు నీరు మరుగుతుంది.

 ద్రవంపై పీడనాన్ని పెంచితే బాష్పీభవన స్థానం విలువ పెరుగుతుంది. పీడనం తగ్గితే బాష్పీభవన ఉష్ణోగ్రత తగ్గుతుంది.  ప్రెజర్‌ కుక్కర్‌లో పీడనం పెరిగితే నీరు మరిగే స్థానం సుమారు 120°C కి చేరుతుంది. కాబట్టి కుక్కర్‌లో వంట త్వరగా అవుతుంది.

 ఎత్తయిన కొండ ప్రాంతాల్లో వాతావరణ పీడనం తక్కువగా ఉంటుంది. కాబట్టి అక్కడ నీరు సుమారు 80°C వద్ద ఆవిరిగా మారుతుంది. అందుకే ఆ ప్రదేశాల్లో ఆహార పదార్థాలు త్వరగా ఉడకవు. 

 వాతావరణ పీడనం వద్ద మంచు  0°C  వద్ద నీరుగా మారుతుంది. దీన్నే ద్రవీభవన ఉష్ణోగ్రత అంటారు. పీడనాన్ని పెంచితే మంచు 0°C  కంటే తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్దే కరుగుతుంది. ఈ సూత్రం ఆధారంగా ఐస్‌ స్కేటింగ్‌  (Ice Skating) చేస్తారు. 

 కొన్ని ఘన పదార్థాలను నేరుగా ఆవిరిగా మార్చొచ్చు. ఈ ప్రక్రియనే ఉత్పతనం  (Sublimation)అంటారు. ఉదా: కర్పూరం.

గుప్తోష్ణం  (latent heat)

 ద్రవీభవనం, బాష్పీభవనాలు స్థితిమార్పును సూచిస్తాయి. స్థితి మార్పు కోసం పదార్థానికి ఉష్ణాన్ని అందించినప్పటికీ, అది జరిగే క్రమంలో ఉష్ణోగ్రత పెరగదు. అంటే మంచుకి ఉష్ణాన్ని ఇస్తే అది ద్రవీభవించడం మొదలయ్యే వరకు ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతుంది. కానీ 0ాది వద్ద మంచు మొత్తం నీరుగా మారే సమయంలో ఉష్ణోగ్రత పెరగదు. స్థితిమార్పు సమయంలో ఉష్ణోగ్రత మారకుండా, పదార్థం తీసుకున్న ఉష్ణాన్ని ‘గుప్తోష్ణం’ అంటారు.

 స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద ప్రమాణ ద్రవ్యరాశితో ఉండే ఘన పదార్థాన్ని ద్రవస్థితికి మార్చేందుకు అవసరమయ్యే ఉష్ణాన్ని ‘ద్రవీభవన గుప్తోష్ణం’ అంటారు. అదేవిధంగా ద్రవాన్ని వాయుస్థితిలోకి మార్చే ఉష్ణాన్ని బాష్పీభవన గుప్తోష్ణం అంటారు 

 నీటికి ఉండే ద్రవీభవన గుప్తోష్ణం 80 కేలరీలు/గ్రామ్, బాష్పీభవన గుప్తోష్ణం 540 కేలరీలు/గ్రామ్‌. ఇతర ద్రవాలతో పోలిస్తే నీటికి గుప్తోష్ణాల విలువలు ఎక్కువ. పండ్ల రసాన్ని చల్లగా మార్చేందుకు చల్లటి నీరు కంటే మంచు ముక్కలను కలపడం మేలు.

 నీటికి అధిక బాష్పీభవన గుప్తోష్ణం ఉంటుంది. దీని ఆధారంగానే ఆవిరి యంత్రం (Steam engine) పనిచేస్తుంది. వేడి నీటి కంటే వేడి ఆవిరి వల్ల కలిగే కాలిన గాయాలు ప్రమాదకరమైనవి.

 తక్కువ బాష్పీభవన గుప్తోష్ణం ఉండే ద్రవాలు త్వరగా ఆవిరవుతాయి. 

ఉదా: పెట్రోలు, ఈథర్, ఇంజెక్షన్‌ వేసే ముందు రాసే స్పిరిట్‌.

ఇగరడం (Evaporation)

 వేసవిలో చెరువుల్లోని నీరు ఆవిరవుతుంది. అదే విధంగా కుండలోని కొంత నీరు సూక్ష్మ రంధ్రాల ద్వారా బయటకి వచ్చి ఆవిరిగా మారుతుంది. ఈ సందర్భంలో కుండలోని నీటిని వేడిచేయట్లేదు. అయినా ఆ నీరు చల్లగా ఉంటుంది. అదే విధంగా జ్వరంతో బాధ పడే వ్యక్తి నుదుటిపై వేసిన తడి వస్త్రంలోని నీరు త్వరగా ఆవిరై చల్లదనాన్ని ఇస్తుంది.

 కొన్ని నీటి అణువులు నిదానంగా మిగతా అణువుల నుంచి తగిన శక్తిని పొంది బాష్పంగా మారి నీటి ఉపరితలం నుంచి వెళ్లిపోవడాన్ని ‘ఇగరడం’ అంటారు. ఎండలో వేసిన ఉతికిన బట్టలు ఆరిపోవడం, సముద్రపు నీటితో ఉప్పును తయారు చేయడం ఇగరడానికి ఉదాహరణలు. ఇగరడం అనే ప్రక్రియ ఉష్ణోగ్రత, గాలి వీచే వేగం, ఉపరితల వైశాల్యం, గాలిలోని తేమ మొదలైన అంశాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

విశిష్టోష్ణం

* ఒకే పరిమాణాన్ని కలిగిన వస్తువుల ఉష్ణోగ్రతను పెంచాలంటే సమాన పరిమాణం ఉన్న ఉష్ణం అవసరం లేదు. ఉదాహరణకు ఒక కేజీ ద్రవ్యరాశితో ఉండే నీరు, మంచు, అల్యూమినియంల ఉష్ణోగ్రతను 1°C కి పెంచాలంటే అన్నిటికి సమాన పరిమాణంతో ఉండే ఉష్ణం అవసరం లేదు. అవన్నీ ఒకే సమయంలో వేడెక్కవు. వీటిలో అల్యూమినియం అతివేగంగా వేడెక్కితే, నీరు అత్యంత నెమ్మదిగా వేడెక్కుతుంది. దీనికి కారణం వాటి విశిష్టోష్ణాల విలువల్లో వ్యత్యాసం.

* 1 గ్రామ్‌ పదార్థ ఉష్ణోగ్రతను 1°C పెంచేందుకు కావాల్సిన ఉష్ణ రాశి (Q)ని విశిష్టోష్ణం (Specific Heat) అంటారు.

 విశిష్టోష్ణం  = 

ఇక్కడ, Q  - ఉష్ణం, m - ద్రవ్యరాశి, ∆t - ఉష్ణోగ్రతలో వ్యత్యాసం 

  * S కి ప్రమాణాలు =    

కొన్ని పదార్థాల విశిష్టోష్ణాలు (cal/g°C) 
                              

నీరు: 1.00 (అత్యధికం), రాగి: 0.0923, గాజు: 0.2, ఇనుము: 0.11, సీసం: 0.03, వెండి: 0.56, పాదరసం: 0.033, రాగి: 0.093, మంచు: 0.50, ఆవిరి: 0.46

నీటి విశిష్టోష్ణం

 జీవి బతకడానికి అత్యవసరమైన నీటికి విశిష్టోష్ణం చాలా ఎక్కువ. లోహాల్లో నీరు త్వరగా వేడెక్కదు, చల్లారదు.  నీటికి ఉండే అధిక విశిష్టోష్ణం వాతావరణ ఉష్ణోగ్రతను కూడా నియంత్రించి మనకు నివాసయోగ్యంగా మార్చుతోంది.

 లోహాలకు తక్కువ విశిష్టోష్ణం ఉండటం వల్ల వాటిని వంటపాత్రలుగా, శరీర ఉష్ణాన్ని నియంత్రించే ఆభరణాలుగా ఉపయోగిస్తారు.

 లోహ పాత్రలతో పోలిస్తే మట్టి పాత్రల్లో చేసిన వంటలు రుచికరంగా ఉంటాయి. లోహాల కంటే మట్టి పాత్రకి విశిష్టోష్ణం ఎక్కువ. కాబట్టి వాటిలో పదార్థం మాడిపోకుండా ఉండి, పోషక విలువలను కలిగి ఉంటుంది. నీటి అధిక విశిష్టోష్ణం వల్ల దాన్ని కారు రేడియేటర్లలో, థర్మల్‌ న్యూక్లియర్‌ విద్యుత్‌ ఉత్పాదక కేంద్రాల్లో ఉపయోగిస్తారు. 

 అదే విధంగా గాలిలోని తేమ వెంటనే వేడెక్కదు లేదా చల్లారదు. ఈ కారణంగానే వాతావరణ ఉష్ణోగ్రత ఒక్కసారిగా పెరగదు లేదా తగ్గదు.సముద్రాలు, చెరువులు, కొలనుల్లో నీటి ఉష్ణోగ్రత హఠాత్తుగా పెరగదు. అందుకే వాటిలోని జలచరాలు మనుగడ సాగిస్తున్నాయి.

  బాయిల్‌ నియమం

* స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద నిర్దిష్ట ద్రవ్యరాశితో ఉండే వాయువు పీడనం దాని ఘనపరిమాణానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది.

   

లేదా PV = స్థిరం

P, Vల మధ్య గీసిన గ్రాఫ్‌ పక్క విధంగా ఉంటుంది.

చార్లెస్‌ నియమం: స్థిర పీడనం వద్ద నిర్దిష్ట ద్రవ్యరాశితో ఉండే వాయువు ఘనపరిమాణం దాని పరమ ఉష్ణోగ్రతకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.

V ∝ T (P = స్థిరం)

​​

V, T ల మధ్య గీసిన గ్రాఫ్‌ పక్క విధంగా ఉంటుంది. 

* ఇదే నియమాన్ని మరో విధంగా చూస్తే, స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద నిర్దిష్ట ద్రవ్యరాశితో ఉండే వాయువు పీడనం దాని పరమ ఉష్ణోగ్రతకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.

P ∝ T (V= స్థిరం)

  P, T ల మధ్య గీసిన గ్రాఫ్‌ పైవిధంగా ఉంటుంది.

* పై రెండు గ్రాఫ్‌ల నుంచి ఒక విషయాన్ని నిర్ధారించవచ్చు. శూన్య కెల్విన్‌ (0'K') ఉష్ణోగ్రత వద్ద వాయువు పీడనం, ఘనపరిమాణాలు శూన్యం అవుతాయి. అంటే వాయువు అదృశ్యం అవుతుంది. ఇది ప్రకృతి నియమాలకు విరుద్ధం, అసాధ్యం. శూన్య కెల్విన్‌(−273°C) ఉష్ణోగ్రతను పొందడం అసాధ్యమని చార్లెస్‌ నియమం  సూచిస్తుంది. 

రచయిత

దురిశెట్టి అనంత రామకృష్ణ

విషయ నిపుణులు