താപം

ഊർജ്ജത്തിന്റെ ഒരു രൂപമാണ് താപം (ആംഗലേയം: Heat). ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലും താപഗതികത്തിലും താപം എന്നത്, താപ ചാലകത ഉള്ളതും, രണ്ട് വ്യത്യസ്ത താപനിലകളിലിരിക്കുന്ന വസ്തുക്കൾ തമ്മിൽ കൈമാറുന്ന ഊർജ്ജമാണ്. വസ്തുക്കളിലെ തന്മാത്രകളുടെ ആകെ ഗതികോർജ്ജത്തിന്റെ അളവാണ് താപം. താപം അളക്കുന്ന യൂണിറ്റ് ജൂൾ ആണ്. മുമ്പ് ഇത് കലോറി എന്ന യൂണിറ്റിലും അളക്കപ്പെട്ടിരുന്നു. ജ്വലനം പോലെയുള്ള രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ, ഘർഷണം, വൈദ്യുതിപ്രവാഹത്തിനുണ്ടാകുന്ന പ്രതിരോധം, ന്യൂക്ലിയർ റിയാക്ഷൻ എന്നിവയിൽ നിന്നാണ് താപോർജ്ജം ഉണ്ടാകുന്നത്. വസ്തുക്കളിലെ തന്മാത്രകളുടെ ശരാശരി ഗതികോർജ്ജത്തിന്റെ അളവിനെ താപനില എന്നും പറയുന്നു. )(

ന്യൂക്ലിയർ ഫ്യൂഷൻ മൂലം സൂര്യനിലുണ്ടാകുന്ന താപം.

താപനില

ഒരു വസ്തുവിനുള്ള ചൂട് അഥവാ തണുപ്പിന്റെ മാത്രയാണ് താപനില. താപവും താപനിലയും രണ്ടാണ്. ഓരോ വസ്തുവിനേയും നിശ്ചിതതാപനിലയിലെത്തിക്കാൻ വ്യത്യസ്ത അളവ് താപം നൽകേണ്ടിവരും. താപനില ഒരു തെർമോമീറ്റർ ഉപയോഗിച്ച് അളക്കാം. രസം അഥവാ മെർക്കുറി തെർമോമീറ്റർ, ആൽക്കഹോൾതെർമോമീറ്റർ എന്നിവയാണ് സാധാരണയായി താപനില അളക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നത്. വളരെ ഉയർന്ന അളവിലുള്ള താപം അളക്കുന്നതിന് പൈറോമീറ്റർ ഉപയോഗിക്കുന്നു. കാലാവസ്ഥാനുബന്ധിയായി താപം അളക്കുന്നത് കൂടിയ താപനിലയും കുറഞ്ഞ താനിലയും അളക്കാനുപയോഗിക്കുന്ന മാക്സിമം - മിനിമം തെർമ്മോമീറ്ററാണ്. ഒരു പ്രത്യേകദിനത്തിലെ കുറഞ്ഞ താപനില സാധാരണയായി സൂര്യനുദിക്കുന്നതിന് തൊട്ടുമുമ്പും കുറഞ്ഞ താപനില ഉച്ച കഴിഞ്ഞ് 2 മണിയോടും കൂടി അളക്കുന്നു. താപനില സാധാരണയായി സെത്സിയസ്, ഫാരെൻഹൈറ്റ് അല്ലെങ്കിൽ കെൽ‌വിൻ എന്നീ യൂണിറ്റുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

സെൽഷ്യസ് സ്കെയിൽ

ശുദ്ധമായ ഐസിന്റെ ദ്രവണാങ്കം (മെൽറ്റിംഗ് പോയിന്റ്) 0⁰സെൽഷ്യസാണ്. ശുദ്ധമായ ജലത്തിന് 100⁰ഡിഗ്രിയാണ് തിളനില. ഈ രണ്ട് മൂല്യങ്ങളെ നൂറ് തുല്യഭാഗങ്ങളാക്കിയാൽ ലഭിക്കുന്ന ഓരോ ഭാഗത്തേയും 1⁰ സെൽഷ്യസ് എന്ന് വിളിക്കുന്നു. മനുഷ്യശരീരത്തിന്റെ താപനില സെൽഷ്യസ് സ്കെയിലിൽ 37⁰C ആണ്. ഇന്ത്യയിലും യൂറോപ്പിലുമാണ് സാധാരണയായി സെൽഷ്യസ് സ്കെയിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നത്.

ഫാരൻഹീറ്റ് സ്കെയിൽ

ഈ തോതിൽ (സ്കെയിലിൽ) ശുദ്ധമായ ഐസിന്റെ ദ്രവണാങ്കം (മെൽറ്റിംഗ് പോയിന്റ്) 32⁰ ഫാരൻഹീറ്റ് ആണ്. ഇവിടെ ശുദ്ധജലത്തിന്റെ തിളനില (ബോയിലിംഗ് പോയിന്റ്) 212⁰F ആണ്. ഇരുമൂല്യങ്ങളും തമ്മിൽ 18⁰ വ്യത്യാസമാണുള്ളത്. 1720 ൽ ജർമ്മൻ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ഫാരൻഹീറ്റ് ആണ് ഈ സ്കെയിലിന്റെ കണ്ടുപിടിത്തം നടത്തിയത്. സെൽഷ്യസ് സ്കെയിലിനെ ഫാരൻഹീറ്റ് സ്കെയിലിലേയ്ക്ക് മാറാൻ Tf=32+9/5Tc (Tf= ഫാരൻഹീറ്റ് സ്കെയിലിലെ താപനില, Tc= സെൽഷ്യസ് സ്കെയിലിലെ താപനില) എന്ന സൂത്രവാക്യം ഉപയോഗിച്ചാൽ മതി.

കെൽവിൻ സ്കെയിൽ

കെൽവിൻ പ്രഭു തയ്യാറാക്കിയ കെൽവിൻ സ്കെയിൽ -273.15⁰C എന്ന താപനിലയെ പൂജ്യമായി കണക്കാക്കി സ്ഥാപിച്ചിട്ടുള്ളതാണ്. കേവലപൂജ്യം (Abslute zero) എന്ന് ഇതറിയപ്പെടുന്നു. ഈ സ്കെയിൽ പ്രകാരം ജലത്തിന്റെ ഖരണാങ്കം 273K ആണ്. തിളനില 373K യും. ഡിഗ്രി സെൽഷ്യസിലെ താപനിലയെ കെൽവിൻ സ്കെയിലിലേയ്ക്ക് മാറ്റാൻ TK=TC+273.15 എന്ന സൂത്രവാകയം ഉപയോഗിച്ചാൽ മതി.

താപോർജ്ജത്തിന്റെ കൈമാറ്റം

മൂന്നു രീതികളിലാണ് ഇത് നടക്കുന്നത്.

• ചാലനം (ആംഗലേയം: conduction)
• സംവഹനം (ആംഗലേയം: convection)
• വികിരണം (ആംഗലേയം: radiation)

ചാലനം

ഖരവസ്തുക്കളിൽ താപകൈമാറ്റം നടക്കുന്നത് ഈ രീതിയിലാണ്. താപം വസ്തുക്കളുടെ അടിസ്ഥാനകണങ്ങളായ അണുക്കളേയും, തന്മാത്രകളേയും മറ്റും കമ്പനം/vibration ചെയ്യിക്കുന്നു. ഇങ്ങനെ കമ്പനം ചെയ്യപ്പെടുന്ന കണങ്ങൾ തൊട്ടടുത്ത കണങ്ങളുമായി കൂട്ടിമുട്ടുകയും അതുവഴി ഊർജ്ജം കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്ന പ്രക്രിയയാണ് ഇത്. ലോഹങ്ങളിൽ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളാണ് താപത്തിനും വൈദ്യുതിക്കും ചാലകമായി വർത്തിക്കുന്നത്. അതിനാൽ ചെമ്പു പോലെയുള്ള നല്ല വൈദ്യുത ചാലകങ്ങൾ താപത്തിന്റേയും ഉത്തമ ചാലകങ്ങളാണ്.

താപോർജ്ജത്തിന്റെ ചാലനം ഓരോ വസ്തുക്കളിലും വ്യത്യസ്ത അളവിലാണ്. താപോർജ്ജം കൂടുതലായി കടത്തി വിടുന്ന വസ്തുക്കളെ താപ ചാലകങ്ങൾ (ആംഗലേയം: heat conductors) എന്നും വളരെ കുറവായി മാത്രം ചാലനം നടത്തുന്ന വസ്തുക്കളെ അചാലകങ്ങൾ (insulators) എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു.

സംവഹനം

ദ്രാവകങ്ങളിലൂടെയും വാതകങ്ങളിലൂടെയുമുള്ള താപ കൈമാറ്റം ഈ വിധമാണ് നടക്കുന്നത്. ദ്രാവകങ്ങളേയോ വാതകങ്ങളേയോ ചൂടാക്കുമ്പോൾ, ചൂടാകുന്ന ഭാഗം വികസിക്കുകയും ചൂടുള്ള ഭാഗത്തിന്റെ സാന്ദ്രത കുറയുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ ഭാ‍ഗത്തേക്ക് ചൂടു കുറവുള്ള സാന്ദ്രതയേറിയ ദ്രാവകം പ്രവഹിക്കപ്പെടുകയും അങ്ങനെ ചൂട് എല്ലായിടത്തേക്കുമായി വ്യാപിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

വികിരണം

വൈദ്യുത കാന്തിക തരംഗങ്ങളുടെ രൂപത്തിലുള്ള താപത്തിന്റെ ഈ കൈമാറ്റരീതിക്ക് ഒരു മാധ്യമത്തിന്റെ ആവശ്യമില്ല എന്നുള്ളതാണ് പ്രധാന പ്രത്യേകത. സൂര്യനിൽ നിന്നുമുള്ള താപവികിരണം ഈ രൂപത്തിലാണ് ഭൂമിയിൽ എത്തുന്നത്. വസ്തുക്കളിലെ കണങ്ങൾ കമ്പനം ചെയ്യുമ്പോഴുണ്ടാകുന്ന ത്വരണം മൂലമാണ് വൈദ്യുതകാന്തിക തരംഗങ്ങൾ ഉണ്ടാകുന്നത്. ഇൻഫ്രാറെഡ് തരംഗങ്ങളുടെ രൂപത്തിലാണ് താപം വികിരണം ചെയ്യപ്പെടുന്നത്.

താപധാരിത (heatcapacity)

മാസ്സ് എത്ര ആയിരുന്നാലും ഒരു പദാർത്ഥത്തിന്റെ താപനില ഒരു ഡിഗ്രിസെൽസിയസ് (1⁰C)ഉയർത്തുന്നതിനാവശ്യമായ താപമാണ് താപധാരിതതാപം.

വിശിഷ്ടതാപധാരിത

1kg പദാർഥത്തിന്റെ താപനില 1⁰C അഥവാ 1K വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിന് ആവശ്യമായ താപത്തിന്റെ അളവാണ് ആ പദാർഥത്തിന്റെ വിശിഷ്ടതാപധാരിത(specific heat capacity). ഇതിന്റെ യൂണിറ്റ് J/kg K ആണ്. J/kg⁰C എന്നും ഉപയോഗിക്കുന്നുണ്ട്.

പദാർഥങ്ങളുടെ വിശിഷ്ടതാപധാരിത

പദാർഥം	വിശിഷ്ടതാപധാരിത J/ kgK
അലുമിനിയം	900
ഇരുമ്പ്	460,
ചെമ്പ്	385,
ജലം	4200
സ്ഫടികം	677
മഞ്ഞുകട്ട	2130
വെള്ളി	234
മെർക്കുറി	138
വെളിച്ചെണ്ണ	2100

മിശ്രണതത്ത്വം

വ്യത്യസ്ത താപനിലയിലുള്ള രണ്ടു വസ്തുക്കൾ സമ്പർക്കത്തിലിരുന്നാൽ താപനില കൂടിയ വസ്തുവിൽ നിന്നു കുറഞ്ഞതിലേക്ക്, അവയുടെ താപനില തുല്യമാകുന്നത് വരെ താപം പ്രവഹിക്കും. ചൂടുള്ള വസ്തുവിനുണ്ടായ താപനഷ്ടവും ചൂട് കൂടിയ വസ്തുവിനുണ്ടായ താപലാഭവും തുല്യമായിരിക്കും. ഇതാണു മിശ്രണതത്ത്വം(Principle of method of mixtures).

അവസ്ഥാപരിവർത്തനം(Change of state)

എല്ലാ വസ്തുക്കളും നിർമിച്ചിരിക്കുന്നത് തൻമാത്രകൾ ഉപയോഗിച്ചാണ്. ഇവ ചൂടാക്കുമ്പോൾ കിട്ടുന്ന താപം മൂലം വസ്തുക്കളിലെ തൻമാത്രകളുടെ ഗതികോർജ്ജം വർദ്ധിക്കുകയും തത്ഫലമായി വസ്തുക്കൾക്ക് രൂപമാറ്റം സംഭവിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. വസ്തുക്കളിലെ ഈ മാറ്റത്തെ അവസ്ഥാപരിവർത്തനം എന്നുപറയുന്നു.

താപം ലഭിക്കുന്നതിനു മുൻപ്

താപം ലഭിച്ചശേഷം

ദ്രവീകരണ ലീനതാപം(specific latent heat of fusion)

1kg ഖരവസ്തു അതിന്റെ ദ്രവണാങ്കത്തിൽവെച്ച്, താപനിലയിൽ വ്യത്യാസമില്ലാതെ പൂർണമായും ദ്രാവകമായി മാറുവാൻ സ്വീകരിക്കുന്ന താപത്തെ അതിന്റെ ദ്രവീകരണലീനതാപം എന്നുപറയുന്നു. m kg മാസും L_F ദ്രവീകരണലീനതാപവുമുള്ള പദാർത്ഥത്തെ, താപനിലയിൽ വ്യത്യാസമില്ലാതെ പൂർണമായും ദ്രാവകവസ്ഥയിലേക്ക് മാറ്റാനാവശ്യമായ താപം mL_F ആണ്.

ചില പദാർഥങ്ങളുടെ ദ്രവീകരണ ലീനതാപം

പദാർഥം	ദ്രവണാങ്കം	ദ്രവീകരണ ലീനതാപം (103J/kg)
മെർക്കുറി	-39	11.4
ഹൈഡ്രജൻ‍	-259	58
വെള്ളി	962	88
ഐസ്കട്ട	0	335
ചെമ്പ്	1083	207

തിളനില ((boiling point)

സാധാരണ അന്തരീക്ഷമർദത്തിൽ ഒരു ദ്രാവകം തിളച്ചു ബാഷ്പമായി മാറുന്ന നിശ്ചിത താപനിലയെ തിളനില എന്നുപറയുന്നു.

ബാഷ്പീകരണ ലീനതാപം

1 kg ദ്രാവകം അതിന്റെ തിളനിലയിൽ വച്ച് താപനിലയിൽ മാറ്റമില്ലാതെ പൂർണമായും വാതകമായി മാറുവാൻ സ്വീകരിക്കുന്ന താപത്തെ അതിന്റെ ബാഷ്പീകരണ ലീനതാപം എന്നു പറയുന്നു (specific latent heat of vaporisation). m kg മാസും L_V ബാഷ്പീകരണ ലീനതാപവുമുള്ള ദ്രാവകം പൂർണമായും ബാഷ്പമായി മാറാൻ ആവശ്യമായ താപം mL_v ആണ്.

ഉത്പതനം

ഒരു പദാർഥം ഖരാവസ്ഥയിൽ നിന്ന് നേരിട്ട് വാതകാവസ്ഥയിലേക്കു മാറുന്നതിനെ ഉത്പതനം എന്ന് പറയുന്നു