१. उष्णता (Heat) आणि तापमान (Temperature)
उष्णता आणि तापमान या दोन्ही संकल्पना विज्ञानात अत्यंत महत्त्वाच्या आहेत, परंतु त्या दोन वेगळ्या गोष्टी आहेत. TET परीक्षेसाठी यातील फरक समजून घेणे गरजेचे आहे.
उष्णता (Heat)
उष्णता ही ऊर्जेचे एक रूप आहे.
जेव्हा दोन वस्तूंमध्ये तापमानाचा फरक असतो, तेव्हा जास्त तापमानाकडून कमी तापमानाकडे जी ऊर्जा प्रवाहित होते, तिला उष्णता म्हणतात.
उष्णता ही पदार्थातील रेणूंच्या एकूण गतिज ऊर्जेचे मापन असते.
एकक (Unit):
MKS (SI) पद्धतीत: ज्यूल (Joule)
CGS पद्धतीत: कॅलरी (Calorie)
तत्व: उष्णता नेहमी गरम वस्तूकडून थंड वस्तूकडे वाहते.
तापमान (Temperature)
तापमान हे उष्णतेच्या पातळीचे मापन आहे.
एखादी वस्तू किती गरम किंवा थंड आहे, हे दर्शविणाऱ्या राशीला तापमान म्हणतात.
उष्णतेच्या प्रवाहाची दिशा तापमान ठरवते.
एकक (Unit):
सेल्सिअस (Celsius - °C)
फॅरनहाइट (Fahrenheit - °F)
केल्विन (Kelvin - K) - हे शास्त्रीय संशोधनात वापरले जाणारे प्रमाणित एकक आहे.
तापमानाची मोजमाप आणि सूत्रे
वेगवेगळ्या एककांमध्ये रूपांतर करण्यासाठी खालील सूत्रांचा वापर केला जातो:
सेल्सिअस आणि फॅरनहाइट संबंध:
C / 5 = (F - 32) / 9
केल्विन आणि सेल्सिअस संबंध:
K = C + 273.15
महत्त्वाचे मुद्दे:
पाण्याचा गोठणबिंदू: 0°C किंवा 32°F
पाण्याचा उत्कलनबिंदू: 100°C किंवा 212°F
मानवी शरीराचे सामान्य तापमान: 37°C किंवा 98.6°F
२. उष्णतेचे संक्रमण (Heat Transfer)
एका ठिकाणाहून दुसऱ्या ठिकाणी उष्णता वाहून नेण्याच्या प्रक्रियेला उष्णतेचे संक्रमण म्हणतात. याचे तीन प्रमुख प्रकार आहेत.
अ) वहन (Conduction)
जेव्हा उष्णता पदार्थाच्या एका कणाकडून दुसऱ्या कणाकडे दिली जाते, परंतु कणांचे स्थलांतर होत नाही, तेव्हा त्यास 'वहन' म्हणतात.
हे प्रामुख्याने स्थायू पदार्थांत (Solids) घडते.
उष्णतेचे वहन होण्यासाठी माध्यमाची आवश्यकता असते.
सुवाहक (Conductors): ज्या पदार्थांतून उष्णता सहज वाहते. उदा. तांबे, ॲल्युमिनियम, लोखंड, चांदी.
दुर्वाहक (Insulators): ज्या पदार्थांतून उष्णता सहज वाहत नाही. उदा. लाकूड, प्लास्टिक, काच, रबर.
दैनंदिन उदाहरण: गरम चहात ठेवलेला स्टीलचा चमचा दुसऱ्या टोकाला गरम होतो, कारण उष्णता चमच्याच्या एका टोकाकडून दुसऱ्या टोकाकडे वहन प्रक्रियेने जाते.
ब) अभिसरण (Convection)
द्रव आणि वायू पदार्थांमध्ये उष्णतेचे संक्रमण प्रामुख्याने अभिसरण पद्धतीने होते.
यात गरम झालेले रेणू स्वतः हलके होऊन वर जातात आणि त्यांची जागा घेण्यासाठी थंड (जड) रेणू खाली येतात. अशा प्रकारे कणांच्या प्रत्यक्ष हालचालीमुळे उष्णता पसरते.
या प्रवाहाना 'अभिसरण प्रवाह' म्हणतात.
दैनंदिन उदाहरण:
पाणी उकळताना खालचे पाणी गरम होऊन वर येते आणि वरचे थंड पाणी खाली जाते.
समुद्र वारे आणि खारे वारे (Sea Breeze and Land Breeze) हे अभिसरणाचे उत्तम उदाहरण आहे.
क) प्रारण (Radiation)
ज्या प्रक्रियेत उष्णतेच्या संक्रमणासाठी कोणत्याही माध्यमाची (हवा, पाणी किंवा स्थायू) आवश्यकता नसते, त्यास प्रारण म्हणतात.
यात उष्णता लहरींच्या स्वरूपात (विद्युतचुंबकीय लहरी) प्रवास करते.
प्रारण हे पोकळीतून (Vacuum) सुद्धा होऊ शकते.
उदाहरण:
सूर्यापासून पृथ्वीपर्यंत उष्णता येण्यासाठी प्रारण कारणीभूत असते, कारण मध्ये अवकाश (पोकळी) आहे.
शेकोटीजवळ बसल्यावर आपल्याला जी उब मिळते ती प्रारणामुळे मिळते.
३. उष्णतेमुळे होणारे परिणाम
उष्णतेमुळे पदार्थावर विविध परिणाम होतात, जे परीक्षेच्या दृष्टीने महत्त्वाचे आहेत.
प्रसरण (Expansion)
उष्णता दिल्यावर बहुतेक पदार्थ प्रसरतात आणि उष्णता काढून घेतल्यावर आकुंचन पावतात.
स्थायूंचे प्रसरण: रेल्वेच्या रुळांमध्ये दोन सांध्यांत थोडी फट ठेवली जाते, कारण उन्हाळ्यात उष्णतेमुळे रूळ प्रसरतात आणि वाकडे होऊ नयेत म्हणून ही जागा आवश्यक असते.
द्रवांचे प्रसरण: तापमापीमध्ये (Thermometer) पारा वापरला जातो कारण उष्णता मिळाल्यावर तो नियमित प्रमाणात प्रसरतो.
वायूंचे प्रसरण: उष्णतेमुळे वायूंचे प्रसरण सर्वात जास्त होते. सायकलचा टायर उन्हाळ्यात जास्त हवा भरल्यास फुटण्याची शक्यता असते कारण आतील हवा प्रसरते.
अवस्थांतर (Change of State)
उष्णतेमुळे पदार्थाची अवस्था बदलते:
वितळणे (Melting): स्थायूचे द्रवात रूपांतर होणे. (उदा. बर्फाचे पाणी होणे).
बाष्पीभवन (Evaporation): द्रवाचे वायूत रूपांतर होणे. (उदा. पाण्याची वाफ होणे).
संघनन (Condensation): वायूचे द्रवात रूपांतर होणे. (उदा. वाफेचे पाणी होणे).
गोठणे (Freezing): द्रवाचे स्थायूत रूपांतर होणे. (उदा. पाण्याचा बर्फ होणे).
संप्लवन (Sublimation): काही पदार्थ उष्णता दिल्यावर द्रवात रूपांतरित न होता थेट वायूत रूपांतरित होतात. उदा. कापूर, आयोडीन, नॅप्थॅलीन गोळ्या.
४. ध्वनी (Sound): निर्मिती आणि प्रसारण
ध्वनी ही एक प्रकारची ऊर्जा आहे जी आपल्या कानावर संवेदना निर्माण करते. ध्वनीच्या अभ्यासाला भौतिकशास्त्रात महत्त्वाचे स्थान आहे.
ध्वनीची निर्मिती (Production of Sound)
ध्वनीची निर्मिती होण्यासाठी वस्तूमध्ये कंपने (Vibrations) निर्माण होणे आवश्यक असते.
जेव्हा एखादी वस्तू अतिशय वेगाने पुढे-मागे हालचाल करते (कंप पावते), तेव्हा ध्वनी निर्माण होतो.
जर कंपने थांबली, तर ध्वनी येणे बंद होते.
उदाहरणे: गिटारची तार छेडल्यावर ती कंप पावते आणि आवाज येतो. आपल्या घशातील स्वरतंतू (Vocal Cords) कंप पावल्यामुळे आपण बोलू शकतो.
ध्वनी प्रसरणासाठी माध्यमाची आवश्यकता
कंपनांमुळे निर्माण झालेला ध्वनी श्रोत्यापर्यंत पोहोचण्यासाठी माध्यमाची (Medium) गरज असते.
हे माध्यम स्थायू, द्रव किंवा वायू असू शकते.
निर्वात पोकळीतून (Vacuum) ध्वनी ऐकू येत नाही. चंद्रावर वातावरण नाही, त्यामुळे तिथे दोन व्यक्ती एकमेकांशी थेट बोलू शकत नाहीत (त्यांना रेडिओ लहरींचा वापर करावा लागतो).
ध्वनीचा वेग (Speed of Sound)
ध्वनीचा वेग हा माध्यमाच्या घनतेवर अवलंबून असतो.
स्थायू माध्यम: वेग सर्वाधिक असतो (उदा. लोखंडातून आवाज वेगाने जातो).
द्रव माध्यम: वेग मध्यम असतो (पाण्यातून).
वायू माध्यम: वेग सर्वात कमी असतो (हवेतून).
हवेमध्ये ध्वनीचा वेग साधारणपणे ३४० मीटर/सेकंद (सामान्य तापमानाला) असतो.
पावसाळ्यात ढग गडगडण्यापूर्वी वीज चमकलेली दिसते, कारण प्रकाशाचा वेग ध्वनीच्या वेगापेक्षा खूप जास्त असतो.
५. ध्वनीची वैशिष्ट्ये (Characteristics of Sound)
ध्वनीचे स्वरूप समजून घेण्यासाठी खालील तीन गोष्टी महत्त्वाच्या आहेत.
१. वारंवारता (Frequency)
एका सेकंदात वस्तूची जितकी कंपने होतात, त्या संख्येला वारंवारता म्हणतात.
एकक: हर्ट्झ (Hertz - Hz).
श्राव्य ध्वनी (Audible Sound): मानवी कान २० Hz ते २०,००० Hz या वारंवारतेचा ध्वनी ऐकू शकतात.
अवश्राव्य ध्वनी (Infrasonic): २० Hz पेक्षा कमी वारंवारता (उदा. भूकंप, वेल मासा). हे आपण ऐकू शकत नाही.
श्राव्यातीत ध्वनी (Ultrasonic): २०,००० Hz पेक्षा जास्त वारंवारता (उदा. वटवाघूळ, सोनोग्राफी मशीन). हे देखील मानवी कान ऐकू शकत नाहीत.
२. तारत्व (Pitch)
ध्वनीचा आवाज किती 'तीक्ष्ण' (Shrill) किंवा 'बोजड' (Grave/Flat) आहे, हे तारत्वावरून ठरते.
तारत्व हे वारंवारतेवर (Frequency) अवलंबून असते.
जास्त वारंवारता = उच्च तारत्व (High Pitch) = आवाज तीक्ष्ण (उदा. लहान मुलांचा किंवा स्त्रियांचा आवाज).
कमी वारंवारता = कमी तारत्व (Low Pitch) = आवाज जाड/बोजड (उदा. पुरुषांचा आवाज, सिंहाची गर्जना).
३. तीव्रता किंवा महत्ता (Loudness / Amplitude)
ध्वनी किती मोठा किंवा हळू आहे, हे त्याच्या तीव्रतेवर अवलंबून असते.
तीव्रता ही कंपनांच्या आयामावर (Amplitude) अवलंबून असते.
आयाम म्हणजे कंपन करणाऱ्या वस्तूचे मूळ जागेपासून झालेले जास्तीत जास्त विस्थापन.
जास्त आयाम = मोठा आवाज (Loud Sound).
कमी आयाम = हळू आवाज (Soft Sound).
एकक: डेसिबल (Decibel - dB).
सामान्य संभाषणाचा आवाज साधारण ६० dB असतो. ८० dB च्या वरचा आवाज मानवी आरोग्यासाठी हानिकारक (ध्वनी प्रदूषण) मानला जातो.
परीक्षोपयोगी सारांश (Quick Revision Table)
| भौतिक राशी | एकक (SI/Common) | कशावर अवलंबून असते? |
| उष्णता | ज्यूल (J) / कॅलरी | रेणूंची गती |
| तापमान | सेल्सिअस (°C) / केल्विन | उष्णतेची पातळी |
| वारंवारता | हर्ट्झ (Hz) | कंपनांची संख्या (प्रति सेकंद) |
| ध्वनीची तीव्रता | डेसिबल (dB) | आयाम (Amplitude) |
| तारत्व (Pitch) | - | वारंवारता (Frequency) |
