வெப்பப் பரிமாற்றம் மற்றும் வெப்ப விரிவு

இயற்பியலில் வெப்பம் என்பது ஆற்றலின் ஒரு வடிவமாகும். ஒரு பொருளில் உள்ள அணுக்கள் மற்றும் மூலக்கூறுகளின் இயக்க ஆற்றலே வெப்பம் என அழைக்கப்படுகிறது. வெப்பம் எப்போதும் அதிக வெப்பநிலை கொண்ட இடத்திலிருந்து குறைந்த வெப்பநிலை கொண்ட இடத்திற்குப் பாயும். இந்த நிகழ்வே வெப்பப் பரிமாற்றம் எனப்படும்.

1. வெப்பப் பரிமாற்றத்தின் முறைகள்

வெப்பம் ஒரு இடத்திலிருந்து மற்றொரு இடத்திற்கு மூன்று முக்கிய வழிகளில் கடத்தப்படுகிறது. அவை: கடத்தல், வெப்பச்சலனம் மற்றும் கதிர்வீச்சு.

அ) வெப்பக் கடத்தல் (Conduction)

திடப் பொருட்களில் வெப்பம் பரவும் முறை கடத்தல் எனப்படும். இதில் துகள்கள் ஓரிடத்திலிருந்து மற்றொரு இடத்திற்கு நகர்வதில்லை; மாறாக, அவை தங்கள் ஆற்றலை அருகிலுள்ள துகள்களுக்கு அதிர்வுகள் மூலம் கடத்துகின்றன. உலோகங்கள் வெப்பத்தை நன்கு கடத்தும் பொருட்கள். மரம், பிளாஸ்டிக் போன்றவை வெப்பத்தைக் கடத்தாப் பொருட்கள் (கடத்தாப் பொருட்கள்).

ஆ) வெப்பச்சலனம் (Convection)

திரவங்கள் மற்றும் வாயுக்களில் வெப்பம் பரவும் முறை இதுவாகும். இதில் வெப்பமடைந்த மூலக்கூறுகள் உண்மையாகவே இடப்பெயர்ச்சி அடைகின்றன. உதாரணமாக, நீர் கொதிக்கும்போது அடியில் உள்ள நீர் வெப்பமடைந்து மேலெழும்ப, மேலுள்ள குளிர்ந்த நீர் கீழே இறங்குகிறது. இதுவே வெப்பச்சலன ஓட்டம் எனப்படும்.

இ) வெப்பக் கதிர்வீச்சு (Radiation)

வெப்பம் பரவ ஊடகம் தேவையில்லாத முறை இது. வெற்றிடத்தின் வழியே கூட வெப்பம் கதிர்வீச்சாகப் பயணிக்க முடியும். சூரியனிடமிருந்து பூமிக்கு வெப்பம் வருவது இதற்குச் சிறந்த உதாரணம். கதிர்வீச்சு மின்காந்த அலைகளாகப் பயணிக்கிறது.

2. வெப்ப விரிவு (Thermal Expansion)

ஒரு பொருளை வெப்பப்படுத்தும்போது அதன் அணுக்கள் அதிக வேகத்தில் அதிர்வடைந்து, தங்களுக்குள் உள்ள இடைவெளியை அதிகரித்துக் கொள்கின்றன. இதனால் பொருளின் பரிமாணம் (நீளம், பரப்பு அல்லது கன அளவு) அதிகரிக்கிறது. இதையே வெப்ப விரிவு என்கிறோம்.

அ) நீள் வெப்ப விரிவு (Linear Expansion)

ஒரு கம்பி அல்லது கோலின் வெப்பநிலையை உயர்த்தும்போது அதன் நீளம் அதிகரிப்பது நீள் வெப்ப விரிவு எனப்படும். நீளத்தில் ஏற்படும் மாற்றம் (ΔL), ஆரம்ப நீளம் (L) மற்றும் வெப்பநிலை மாற்றத்திற்கு (ΔT) நேர்த்தகவில் இருக்கும்.

சூத்திரம்: ΔL = α L ΔT (இங்கு α என்பது நீள் வெப்ப விரிவு குணகம் ஆகும்).

ஆ) பரப்பு வெப்ப விரிவு (Area Expansion)

ஒரு தகட்டின் வெப்பநிலையை உயர்த்தும்போது அதன் பரப்பளவில் ஏற்படும் அதிகரிப்பு பரப்பு வெப்ப விரிவு எனப்படும். இது பெரும்பாலும் உலோகத் தகடுகளில் காணப்படுகிறது.

சூத்திரம்: ΔA = β A ΔT (இங்கு β என்பது பரப்பு வெப்ப விரிவு குணகம்).

இ) பரும வெப்ப விரிவு (Volume Expansion)

பொருளின் முப்பரிமாண அளவிலும் (நீளம், அகலம், உயரம்) ஏற்படும் அதிகரிப்பு பரும வெப்ப விரிவு எனப்படும். இது திட, திரவ மற்றும் வாயுப் பொருட்கள் அனைத்திலும் நடைபெறும்.

சூத்திரம்: ΔV = γ V ΔT (இங்கு γ என்பது பரும வெப்ப விரிவு குணகம்).

3. அன்றாட வாழ்வில் வெப்ப விரிவின் தாக்கங்கள்

வெப்ப விரிவு என்பது வெறுமனே அறிவியல் கோட்பாடு மட்டுமல்ல, அது நம் அன்றாட வாழ்க்கையில் பல மாற்றங்களை ஏற்படுத்துகிறது:

• இரயில் தண்டவாளங்களுக்கு இடையே இடைவெளி விடப்படுவது, கோடைகாலத்தில் தண்டவாளங்கள் விரிவடைந்து வளைவதைத் தடுக்கவே.
• தொலைபேசி கம்பிகள் கோடைகாலத்தில் தொய்வாகவும், குளிர்காலத்தில் இறுக்கமாகவும் இருப்பதற்குக் காரணம் வெப்ப விரிவு.
• பாட்டில் மூடிகளைத் திறக்க முடியாவிட்டால், அதன் மேல் சுடுநீரை ஊற்றுவதன் மூலம் மூடி விரிவடைந்து எளிதாகத் திறக்க முடிகிறது.

4. திரவங்களின் வெப்ப விரிவு (Anomalous Expansion of Water)

பொதுவாக அனைத்துப் பொருட்களும் வெப்பமடையும்போது விரிவடையும், குளிர்ச்சியடையும்போது சுருங்கும். ஆனால் நீர் இதற்கு விதிவிலக்கு. நீர் 4°C வெப்பநிலையில் அதிக அடர்த்தியைக் கொண்டிருக்கும். 4°C-லிருந்து 0°C-க்கு நீரை குளிர்விக்கும்போது அது சுருங்குவதற்குப் பதிலாக விரிவடையும். இதையே 'நீரின் அசாதாரண விரிவு' என்கிறோம். இதனால்தான் குளிர்காலங்களில் குளங்களின் மேற்பரப்பு உறைந்திருந்தாலும், அடியில் மீன்கள் உயிர்வாழ முடிகிறது.

5. தேர்விற்கான முக்கிய குறிப்புகள்

வெப்பப் பரிமாற்றம் மற்றும் வெப்ப விரிவு ஆகிய பாடப்பகுதிகள் இயற்பியலின் அடிப்படைத் தூண்கள். இந்தத் தலைப்பில் இருந்து வினாக்கள் கேட்கப்படும்போது, மேலே கொடுக்கப்பட்டுள்ள சூத்திரங்களையும், அன்றாட வாழ்வியல் உதாரணங்களையும் தொடர்புபடுத்திப் பார்த்தால் எளிதில் விடையளிக்க முடியும்.

குறிப்பாக, நீரின் அசாதாரண விரிவு மற்றும் வெப்ப விரிவு குணகங்களின் அலகு போன்றவற்றைத் தவறவிடக்கூடாது. ஒவ்வொரு விரிவுக்கும் அதன் குணகங்கள் (α, β, γ) எவ்வாறு ஒன்றோடொன்று தொடர்புடையவை என்பதைப் புரிந்துகொள்வது உயர்மட்டத் தேர்வுகளுக்கு மிகவும் அவசியம்.

பயிற்சி வினாக்கள்: ஒரு இரும்புத் தண்டின் வெப்பநிலையை 50°C உயர்த்தினால் அதன் நீளம் எவ்வளவு மாறும் என்பதை நீள் வெப்ப விரிவு சூத்திரத்தைப் பயன்படுத்தி கணக்கிட்டுப் பழகவும். இது போன்ற எளிய கணக்கீடுகள் தேர்வில் அதிக மதிப்பெண்களைப் பெற்றுத்தரும்.