ઉષ્મા

ઊર્જાનું એક સ્વરૂપ જે અણુઓની યાર્દચ્છિક ગતિ(random motion)ના અનુપાતમાં હોય છે. ઊંચા તાપમાને રહેલા પદાર્થમાં ઉષ્માની માત્રા વધુ હોય તેવું નથી. પદાર્થમાં રહેલી ઉષ્મા-ઉર્જા પદાર્થના કદ, તેના દ્રવ્યનો પ્રકાર તેમજ તાપમાન પર આધારિત હોય છે.

ઉષ્માનું સ્વરૂપ : અઢારમી સદીના અંત સુધી કેટલાક વૈજ્ઞાનિકોમાં એવી માન્યતા પ્રવર્તતી હતી કે ઉષ્મા એક વજનરહિત, સ્થિતિસ્થાપક, અર્દશ્ય અને સ્વ-અપાકર્ષી (self-repellent) પ્રકારનું તરલ છે; તેનું સર્જન કે તેનો વિનાશ શક્ય નથી. આ તરલ ‘કૅલોરિક’ તરીકે ઓળખાતું હતું. તેથી આ માન્યતાને ‘કૅલોરિકવાદ’ કહેવામાં આવ્યો. આ વાદ ઍન્ટોઇન લેવોઇઝર (1743-1794) નામના ફ્રેન્ચ વૈજ્ઞાનિકે સૂચવ્યો હતો. તે વાદ અનુસાર પદાર્થનું તાપમાન, તે પદાર્થમાં કેટલું કૅલોરિક તરલ રહેલું છે તેના પરથી નક્કી થતું. ઊંચું તાપમાન ધરાવતા પદાર્થમાં કૅલોરિક તરલની માત્રા વધારે હોય છે. કૅલોરિક ગરમ ભાગથી ઠંડા ભાગ તરફ વહે છે તેવી માન્યતા હતી. ઘન, પ્રવાહી અને વાયુમાં કૅલોરિકનો જથ્થો ક્રમશ: વધતો જાય છે. ઉષ્માવહન, પદાર્થનું પ્રસરણ વગેરે ઘટના આ વાદથી સમજાવી શકાતી હતી. પરંતુ હમ્ફ્રી ડેવી નામના વિજ્ઞાનીએ પ્રયોગો દ્વારા દર્શાવ્યું છે કે 0^o સે. કરતાં નીચા તાપમાને, શૂન્યાવકાશમાં રાખેલા બરફના બે ટુકડાઓને ઘસવામાં આવે ત્યારે ઉત્પન્ન થતી ઉષ્માને લીધે પાણી મળે છે. કૅલોરિકવાદ પ્રમાણે બરફમાંથી કૅલોરિક નિચોવી લેતાં, પાણી ઉત્પન્ન થાય છે. એનો અર્થ એ થાય કે બરફ કરતાં પાણીમાં ઓછી ઉષ્મા છે. હકીકતમાં આ સાચું નથી. તેથી આ પ્રયોગ સમજાવવામાં કૅલોરિકવાદ નિષ્ફળ નીવડ્યો.

મ્યૂનિકમાં આવેલ, બવેરિયાના સરકારહસ્તકના તોપ બનાવવાના કારખાનામાં તોપની નળીમાં કાણું પાડવાની પ્રક્રિયા દરમિયાન કાઉન્ટ રમ્ફર્ડે ઉષ્મા ઉત્પન્ન થતી અનુભવી. વળી આ ઉષ્મા અખૂટ અને સતત ઉત્પન્ન કરી શકાય છે તેમ તેને જણાયું. જો પદાર્થની અંદરથી આ પ્રમાણે ઉષ્માનો આવો અખૂટ જથ્થો મેળવી શકાતો હોય તો ઉષ્મા દ્રવ્ય વસ્તુ હોઈ શકે નહિ, પણ એક પ્રકારની ઊર્જા હોવી જોઈએ જે કાર્ય કરવાથી મળે છે. જેમ્સ પ્રેસ્કૉટ જૂલ નામના વૈજ્ઞાનિકે 1840થી 1849ના અરસામાં કરેલા પ્રયોગો પરથી પ્રતિપાદિત થયું કે ઉષ્મા એક પ્રકારની ઊર્જા છે. જ્યારે પણ યાંત્રિક કાર્યનું ઉષ્મામાં રૂપાંતર થાય છે ત્યારે ખર્ચાતી યાંત્રિક ઊર્જા કે કાર્ય (W) અને તેના અવેજમાં ઉત્પન્ન થતી ઉષ્મા-ઊર્જા (H) એકબીજાના સમપ્રમાણમાં હોય છે. આમ ઉષ્મા એક પ્રકારની ઊર્જા છે તેવું સ્થાપિત થયું. આ માન્યતા અત્યારે પણ પ્રચલિત છે.

ઉષ્મા અને તાપમાન : ઉષ્મા-ઊર્જા પદાર્થના અણુઓની ગતિશક્તિનું પરિણામ છે. પ્રત્યેક અણુની ગતિશક્તિને ધ્યાનમાં લઈને મળતી ઉષ્મા-ઊર્જાની ગણતરી કરવી મુશ્કેલ છે. તેથી બધા જ સૂક્ષ્મ અણુઓની ગતિનું લાંબા સમય સુધી અવલોકન કરીને, તેના સરેરાશને એક સ્થૂળ (bulk) ગુણધર્મ તરીકે લેવાય છે. આમ પદાર્થનું તાપમાન પદાર્થમાં રહેલી ઉષ્મા-ઊર્જાને કારણે પદાર્થના અણુઓની તીવ્ર ગતિનું સમગ્ર દર્શન છે. તેને અનુભવી શકાય છે. સરળ રીતે કહીએ તો પદાર્થના ગરમ અથવા ઠંડાપણાની સ્થિતિને દર્શાવવા માટે તાપમાન નામની રાશિનો ઉપયોગ થાય છે. તે ઉષ્માની માત્રા દર્શાવતો આંક છે. ઉષ્મા કારણ છે, જ્યારે તાપમાન એક અસર છે. પદાર્થ ઠંડો છે કે ગરમ, તે સ્પર્શ દ્વારા જાણી શકાય છે. આ હકીકત આપણને ઉષ્મીય સમતોલન (thermal equilibriun) તરફ દોરે છે.

ઉષ્મીય સમતોલન : ધારો કે એકસરખા બે પદાર્થ A અને Bમાં A ગરમ અને B ઠંડો છે. તેમને સંપર્કમાં લાવતાં ઉષ્મા Aમાંથી B તરફ વહે છે. થોડા સમય પછી A અને Bનું તાપમાન સરખું થતાં, ઉષ્માનું વહન બંધ થાય છે. આ સ્થિતિ દર્શાવે છે કે A અને B ઉષ્મીય સમતોલનમાં છે. એકબીજાથી દૂર રહેલા A અને Bને ત્રીજા પદાર્થ C સાથે ઉષ્મીય સંપર્કમાં લાવતાં A અને B અલગ અલગ રીતે C સાથે ઉષ્મીય સમતોલનમાં આવે છે. હવે A અને Bને સંપર્કમાં લાવતાં ઉષ્માનું વહન થતું નથી. એટલે કે બંને પદાર્થો ઉષ્મીય સમતોલનમાં હોય છે. આ પ્રયોગ દર્શાવે છે કે જો પદાર્થ A અને B અલગ રીતે ત્રીજા પદાર્થ C સાથે ઉષ્મીય સમતોલનમાં હોય, તો પદાર્થ A અને B પણ એકબીજા સાથે ઉષ્મીય સમતોલનમાં રહે છે. આ નિયમને ઉષ્માગતિશાસ્ત્રનો શૂન્યક્રમિક નિયમ (Zeroth law of thermodynamics) કહે છે.

તાપમાનમાપક : ઉષ્મીય સમતોલનનો વિચાર તાપમાનનો ખ્યાલ પ્રદર્શિત કરે છે. ઉષ્મીય સમતોલનમાં રહેલા એક પદાર્થમાં એક સામાન્ય ગુણધર્મ રહેલો છે, જેનું મૂલ્ય દરેક માટે એકસરખું હોય છે. આ ગુણધર્મને તાપમાન કહે છે. તાપમાન માપવા માટે બે પદાર્થોને સંસર્ગમાં રાખવા પડે છે. ગરમ, હૂંફાળું, ઠંડું કે શીતળ જેવો શબ્દપ્રયોગ તાપમાનને ચોકસાઈથી દર્શાવી શકતો નથી. તેથી તાપમાનની માત્રા દર્શાવતો આંક હોવો આવશ્યક છે.

બરફના ગલનબિંદુને અને પાણીના ઉત્કલનબિંદુને અંત્યબિંદુઓ તરીકે લઈને જુદા જુદા માપક્રમવાળાં થર્મૉમિટર બનાવવામાં આવ્યાં છે. તેના પ્રકાર (1) સેલ્સિયસ કે સેન્ટિગ્રેડ (^oC), (2) ફેરનહાઇટ (^oF), (3) નિરપેક્ષ અથવા કેલ્વિન (K) અને (4) રૅન્કિન (^oR) છે.

સેલ્સિયસ થર્મૉમિટરમાં એક વાતાવરણ દબાણે, શુદ્ધ પાણીના ઠારણબિંદુ(બરફના ગલનબિંદુ)ને શૂન્ય અંશ અને તેના ઉત્કલનબિંદુને 100 અંશ ગણવામાં આવે છે. તેમની વચ્ચેના ગાળાનું સો સરખા ભાગમાં વિભાજન કરવામાં આવે છે અને આ પ્રત્યેક ભાગને એક અંશ સેલ્સિયસ કહે છે. સેલ્સિયસ થર્મૉમિટરની રચના 1742માં સ્વીડિશ ખગોળશાસ્ત્રી એન્ડર્સ સેલ્સિયસે (1701-1744) કરી હતી. ફેરનહાઇટ થર્મૉમિટરની રચના જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રી ગેબ્રિયલ ડૅનિયલ ફેરનહાઇટે (1686-1736) 1715માં કરી હતી. આ થર્મૉમિટરનો ઉપયોગ ખાસ કરીને અંગ્રેજીભાષી પ્રદેશમાં થાય છે. તેમાં એક વાતાવરણ-દબાણે, બરફના ગલનબિંદુને 32 અંશ અને ઉત્કલનબિંદુને 212 અંશ લેવામાં આવે છે. આ બંને અંત્યબિંદુઓ વચ્ચે 180 અંશનો ગાળો છે તેથી તેના ભાગને 1^o F કહે છે.

સેલ્સિયસ અને ફેરનહાઇટ માપ વચ્ચેનો સંબંધ : 32 અથવા દર્શાવાય છે, જ્યાં C અને F અનુક્રમે સેલ્સિયસ અને ફેરનહાઇટમાં તાપમાનનાં મૂલ્ય છે. વૈજ્ઞાનિક પ્રયોગોમાં, સેલ્સિયસ અને ફેરનહાઇટ તાપમાન શૂન્ય કરતાં નીચે જતાં તેનું મૂલ્ય ઋણ બને છે, ત્યારે આ માપક્રમોનો આંક સરળ રીતે લખી શકાતો નથી. આ કારણે તાપમાનના નિરપેક્ષ કે કેલ્વિન માપ માટે બહિર્વેશન-(extrapolation)ની રીતથી નિરપેક્ષ શૂન્ય મેળવાય છે.

કૅલ્વિન અને રૅન્કિન માપક્રમને K અને ^oR વડે દર્શાવવામાં આવે છે. બંને માપક્રમને નિરપેક્ષ શૂન્યથી શરૂ કરીને પાણીના ઠારણબિંદુને અનુક્રમે 273.15 K અને 491.7 ^oR લેવામાં આવે છે. જ્યારે પાણીના ઉત્કલનબિંદુને કેલ્વિન માપક્રમમાં 373.15 K અને રૅન્કિન માપક્રમમાં 671.7 ^oR લેવામાં આવે છે. આ બંને માપક્રમમાં ઉપર દર્શાવેલાં અંત્યબિંદુઓ વચ્ચેનો ગાળો અનુક્રમે 100 અને 180 આંકનો છે. તે પરથી એક અંશની કિંમત મેળવી શકાય છે. ફેરનહાઇટ (F) અને રૅન્કિન (R) માપક્રમ વચ્ચેનું સંબંધસૂત્ર R = F + 459.7થી દર્શાવી શકાય છે.

પદાર્થમાં ઉષ્મા-ઊર્જાની અસરથી વિદ્યુત-અવરોધ, કદ, દબાણ, વિકિરણ અને ઉષ્માવિદ્યુત વગેરેમાં થતા ફેરફાર ઉપરથી તાપમાનનું માપ મેળવી શકાય છે.

દ્વિધાતુ (bimetal) થર્મૉમિટરમાં જુદી જુદી બે ધાતુઓને એક ઉપર એક મૂકીને બનાવેલી સંયુક્ત પટ્ટી(compound strip)ના પ્રસરણનો ઉપયોગ થાય છે. આવી પટ્ટીને ગૂંચળામાં વાળીને ઉષ્મા આપતાં, અસમાન પ્રસરણને લીધે ગૂંચળું વિસ્તાર પામે છે. પરિણામે તેની સાથેનો દર્શક (pointer) આવર્તન (deflection) પામે છે. જો સ્કેલ સીધો જ તાપક્રમમાં અંકિત કરેલો હોય તો દર્શક તાપમાનનું પ્રત્યક્ષ મૂલ્ય દર્શાવે છે.

ગરમ પદાર્થના કોઈ પણ બિંદુનું તાપમાન થર્મોકપલની મદદથી માપી શકાય છે. 1821માં સીબૅક નામના વિજ્ઞાનીએ પ્રાયોગિક રીતે શોધી કાઢ્યું કે જુદી જુદી બે ધાતુઓના છેડા રેણ કરીને વીજપરિપથ બનાવ્યા પછી તે છેડાઓના બે જોડાણ(junction)ને જુદા જુદા તાપમાને રાખતાં તેમાં વિદ્યુતચાલક બળ અને પરિણામે વિદ્યુતપ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે. આ ઘટનાને સીબૅક અસર (Seeback effect) કહે છે. ધાતુઓની આવી જોડ કે યુગ્મને થર્મોકપલ કહે છે. લોખંડ-કૉન્સ્ટન્ટન, તાંબું-કૉન્સ્ટન્ટન, ક્રોમેલ – એલ્યુમેલ વગેરે વિવિધ ધાતુજોડથી બનેલ થર્મોકપલ છે. તાપમાનના મોટા ગાળા માટે તાપમાન અને વિદ્યુત-વોલ્ટેજ વચ્ચે રેખીય સંબંધ, આ થર્મોકપલ દર્શાવે છે. તેથી તેનો ઉપયોગ કોઈ પણ બિંદુનું તાપમાન બહુ ચોકસાઈથી માપવા માટે થઈ શકે છે. આવા થર્મોકપલ-થર્મૉમિટર પદાર્થના સંસર્ગમાં આવતાં તેનું તાપમાન તત્કાળ મેળવી લે છે. થર્મોકપલ દ્વારા એ રીતે બદલાતાં તાપમાન માપી શકાય છે. તેમની બનાવટ સરળ અને સસ્તી છે. તેની માપનક્ષમતા – 200^o Cથી 1,600^o C સુધીની છે. થર્મોકપલ અથવા અવરોધ-થર્મૉમિટરની જગ્યાએ થર્મિસ્ટર પણ વપરાય છે.

તાપમાનના ફેરફારથી વાહકના અવરોધમાં ફેરફાર થાય છે. અવરોધને તાપમાનના સંદર્ભમાં અંકિત કરીને વ્હિસ્ટન બ્રીજ સાધન દ્વારા તાપમાન માપી શકાય છે. પ્લૅટિનમ-અવરોધ-થર્મૉમિટર ઊંચું તાપમાન માપવા માટે વપરાય છે.

ર્દશ્ય પ્રકાશ ઉત્પન્ન કરતા પદાર્થનું તાપમાન પ્રકાશીય ઉત્તાપમાપી (optical pyrometer) વડે માપી શકાય છે. આવા ઉત્તાપમાપીના પ્રકાર (1) અર્દશ્ય – તંતુ ઉત્તાપમાપી (disappearing filament pyrometer), (2) ધ્રુવક ઉત્તાપમાપી (polarising pyrometer), (3) હેનિંગનું વર્ણપટ ઉત્તાપમાપી (Henning’s spectral pyrometer) વગેરે છે.

ઉષ્માના એકમો : ઉષ્માના એકમો (1) કૅલરી, (2) બ્રિટિશ થર્મલ યુનિટ અને (3) જૂલ છે.

કૅલરી : મેટ્રિક માપ-પદ્ધતિમાં ઉષ્માના એકમને કૅલરી વડે દર્શાવાય છે. એક ગ્રામ પાણીના તાપમાનમાં 1^o સે. જેટલો ફેરફાર કરવા માટે જરૂરી ઉષ્માને, એક કૅલરી કહે છે. સામાન્ય રીતે આ તફાવત 14.5^o સે. અને 15.5^o સે. વચ્ચે લેવામાં આવે છે. તેનો મોટો એકમ કિલો-કૅલરી છે. 1 કિલો-કૅલરી = 10³ કૅલરી.

બ્રિટિશ થર્મલ યુનિટ : એક પાઉંડ પાણીના તાપમાનમાં 1^o F જેટલો ફેરફાર કરવા માટે જરૂરી ઉષ્માને એક બ્રિટિશ થર્મલ યુનિટ (BTU) કહે છે. તાપમાનનો આ તફાવત 63^o F થી 64^o F વચ્ચે લેવામાં આવે છે. 1 BTU = 242 કૅલરી.

થર્મ : એક હજાર પાઉંડ પાણીનું તાપમાન 100^o F વધારવા માટે જરૂરી ઉષ્માના જથ્થાને એક થર્મ કહે છે. 1 થર્મ = 10⁵ BTU.

જૂલ : યાંત્રિક કાર્ય દ્વારા ઉત્પન્ન થતી ઉષ્મા, કરવામાં આવતા કાર્યના સમપ્રમાણમાં હોય છે. તેથી ઉષ્માના એકમને જૂલ વડે દર્શાવાય છે. એક ગ્રામ પાણીનું તાપમાન 1^o સે. વધારવા માટે જોઈતી યાંત્રિક ઊર્જા 4.2 જૂલ હોય છે. એટલે કે 1 કૅલરી ઉષ્મા = 4.2 જૂલ યાંત્રિક ઊર્જા.

વિશિષ્ટ ઉષ્મા (specific heat) : પ્રયોગો પરથી આપણે જાણીએ છીએ કે એક જ તાપમાને રહેલા પદાર્થનાં જુદાં જુદાં વજનોમાં, તાપમાનનો એકસરખો ફેરફાર કરવા માટે, જરૂરી ઉષ્માનું મૂલ્ય જુદું જુદું હોય છે. જો m વજનના પદાર્થ માટે ઉષ્માનો જથ્થો Q હોય તો Q a m. જો પદાર્થનું વજન અચળ રાખવામાં આવે તો તાપમાનના તફાવતના પ્રમાણમાં ઉષ્મા જોઈએ. જો તાપમાનનો તફાવત ΔT અને ઉષ્માનો જથ્થો Q હોય તો Q α ΔT, આ ઉપરથી એમ લખી શકાય કે Q α m.ΔT અથવા Q = ms ΔT જેમાં s એક અચળાંક છે જેને પદાર્થની ‘વિશિષ્ટ ઉષ્મા’ કહે છે. તેનું મૂલ્ય પદાર્થના દ્રવ્ય (material) પર આધાર રાખે છે. તેને નીચે પ્રમાણે વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય. એકમ વજનના પદાર્થના તાપમાનમાં 1^o સે. જેટલો ફેરફાર કરવા માટેની જરૂરી ઉષ્માને તે પદાર્થની વિશિષ્ટ ઉષ્મા કહે છે. તેનો એકમ કૅલરી/ગ્રા.^oસે. છે. એક ગ્રામ પાણીના તાપમાનમાં 1^o સે. જેટલો ફેરફાર કરવા માટે જોઈતી ઉષ્માને એક કૅલરી કહે છે. તેથી પાણીની વિશિષ્ટ ઉષ્મા 1 કૅલરી/ગ્રા.^oસે. છે.

કોઈ પણ પદાર્થે મેળવેલી અથવા ગુમાવેલી ઉષ્મા નીચેના સૂત્ર દ્વારા દર્શાવી શકાય. પદાર્થે મેળવેલી (અથવા ગુમાવેલી) ઉષ્મા Q = પદાર્થનું દળ × તેની વિ. ઉ. × તાપમાનનો ફેરફાર = ms ΔT. ઘન પદાર્થની વિ. ઉ. ઉપરના સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને મેળવી શકાય છે. પ્રવાહીની વિ. ઉ. ન્યૂટનના શીતનના નિયમ(Newton’s Law of cooling)ની મદદથી મેળવવામાં આવે છે.

વાયુમાં તાપમાનના ફેરફારથી દબાણ અને કદમાં ફેરફાર થાય છે. તેથી એક પ્રાચલ(parameter)ને અચળ રાખીને બીજા પ્રાચલો વચ્ચે સંબંધ મેળવવામાં આવે છે. વાયુમાં એકમ વજનને બદલે 1 મોલ વાયુ લેવામાં આવે છે. તેથી વિશિષ્ટ ઉષ્માને મોલર વિશિષ્ટ ઉષ્મા કહે છે. તેની વ્યાખ્યા આ પ્રમાણે છે : એક મોલ વાયુના તાપમાનમાં 1^o સે. (1 K) વધારો કરવા માટે જોઈતી ઉષ્માને તે વાયુની ‘મોલર વિશિષ્ટ ઉષ્મા’ કહે છે.

અચળ દબાણે, વાયુના એક મોલ જથ્થાનું તાપમાન 1^o સે. વધારવા માટે જોઈતી ઉષ્માને, અચળ દબાણે મોલર વિશિષ્ટ ઉષ્મા કહે છે. તેને C_p વડે દર્શાવાય છે. તે જ પ્રમાણે કદ અચળ રાખવાથી મળતી વિ. ઉ.ને C_v વડે દર્શાવાય છે. C_pનું મૂલ્ય C_v કરતાં વધારે હોય છે અને C_p-C_v = R છે; એમાં R વાયુનો અચળાંક છે. તેનું મૂલ્ય 8.314 જૂલ/મોલ – કેલ્વિન અથવા 1.987 કૅલરી/મોલ − કેલ્વિન છે.

ઉષ્માધારિતા (heat capacity) : આ પદ ઉષ્મામાપન સાથે સંકળાયેલું છે. આપેલા પદાર્થના તાપમાનમાં 1^o સે. જેટલો ફેરફાર કરવા માટે જરૂરી ઉષ્માને તે પદાર્થની ઉષ્માધારિતા કહે છે. તેનો એકમ કૅલરી છે.

ઉષ્મા–ઊર્જા પ્રાપ્તિસ્થાન : ઉષ્માનાં ઉદભવસ્થાનો, ખરું જોતાં એક ઊર્જામાંથી ઉષ્મા-ઊર્જામાં રૂપાંતર કરતાં સ્થાનો છે. અગત્યનાં ઉષ્મા-પ્રાપ્તિસ્થાનો નીચે પ્રમાણે છે :

(1) સૂર્ય : સૂર્યમાંથી આપણે પરોક્ષ રીતે ઉષ્મા મેળવીએ છીએ. સૂર્યમાં ન્યૂક્લિયર સંગલન (fusion) દ્વારા પ્રચંડ શક્તિ સતત ઉત્પન્ન થાય છે, જેનો અતિઅલ્પ અંશ (લગભગ બે અબજમો ભાગ) આપણે પૃથ્વી પર મેળવીએ છીએ.

(2) પૃથ્વી : પૃથ્વીના અંદરના ભાગમાં આવેલા જ્વાળામુખીમાંથી મળતા પ્રવાહી લાવા અને પાણીના ઝરા દર્શાવે છે કે પૃથ્વીનો આંતરિક ભાગ તેની સપાટી કરતાં ગરમ છે. તે ઉષ્મા વિવિધ રીતે મેળવી શકાય છે.

(3) ઊર્જા-રૂપાંતર દ્વારા : (ક) યાંત્રિક ઊર્જા – કાઉન્ટ રમ્ફર્ડ અને જૂલના પ્રયોગોએ સાબિત કર્યું કે યાંત્રિક ઊર્જાનું ઉષ્મા-ઊર્જામાં રૂપાંતર કરી શકાય છે. ઘર્ષણ વિરુદ્ધ કાર્ય કરવાથી ઉષ્મા ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. (ખ) રાસાયણિક ઊર્જા – કોલસો, તેલ, ગૅસ અને લાકડું વગેરે ઉષ્મા-ઊર્જાનાં ઉદગમસ્થાનો છે. તેમને બાળતાં, તેમનું ઑક્સિજન સાથે સંયોજન થતાં ઉષ્મા મળે છે. ખોરાક દ્વારા આપણા શરીરમાંથી મળતા ગ્લુકોઝ સાથે ઑક્સિજન રાસાયણિક રીતે સંયોજાતાં, ઉષ્મા ઉત્પન્ન થાય છે, જે શરીરનું તાપમાન જાળવે છે. (ગ) વિદ્યુત ઊર્જા – વિદ્યુત-પ્રતિરોધમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરવાથી ઉષ્મા પ્રાપ્ત થાય છે. હીટર, હૉટ પ્લેટ, ઇસ્ત્રી, વીજળીના ગોળા વગેરે વિદ્યુત ઉપકરણોમાંથી આ અસરને કારણે ઉષ્મા પ્રાપ્ત થાય છે.

(4) ન્યૂક્લિયર ઊર્જા : યુરેનિયમ ધાતુનું ન્યૂટ્રૉન દ્વારા વિભંજન કરતાં ન્યૂક્લિયસમાંથી 200 MeV ઊર્જા પ્રાપ્ત થાય છે. ઉપરાંત ન્યૂક્લિયર સંગલન દ્વારા પણ પુષ્કળ ઊર્જા મેળવી શકાય છે.

ઉષ્મા–માપન (heat measurement) : (1) પદાર્થની ઉષ્મા-ઊર્જાને કૅલોરીમિટર નામના સાધન દ્વારા પ્રત્યક્ષ માપી શકાય છે. મુખ્યત્વે કૅલોરીમટર તાંબાની ધાતુનું બનેલું અને બંધ કરી શકાય તેવું પાત્ર હોય છે. ઉષ્માવહન દ્વારા ઉષ્માનું વહન ન થાય તે માટે તેને લાકડાની પેટીમાં રાખી તેની આજુબાજુ ઊન અથવા કૉટનવૂલ વગેરે જેવા ઉષ્મા-અવાહક પદાર્થો રાખવામાં આવે છે. વિકિરણ દ્વારા ઉષ્માનું નિર્ગમન ન થાય તે માટે તેની બહારની દીવાલ ચળકાટવાળી હોય તેવા બીજા મોટા કૅલોરીમિટરમાં રાખવામાં આવે છે. ગરમ પદાર્થની ઉષ્મા-ઊર્જાનું માપ, તે પદાર્થને પાણી ભરેલા કૅલોરીમિટરમાં ડુબાડીને સમગ્ર તંત્ર સમતોલનમાં આવે ત્યારે તાપમાનનો વધારો નોંધી, સૂત્રની મદદથી ગણી શકાય છે.

(2) રાસાયણિક પ્રક્રિયા દ્વારા ઉત્પન્ન થતી ઉષ્મા(heat of reaction)ને ઉપરની આકૃતિમાં દર્શાવેલ સમોષ્મી (adiabatic) બૉમ્બ કૅલોરીમિટર વડે માપી શકાય છે. બૉમ્બમાં રાખેલ દહનપાત્ર(combustion crucible)માં બાળવા માટેના પદાર્થનો નમૂનો રાખી, બૉમ્બને મથાળે આવેલા વાલ્વ દ્વારા 30 વાતાવરણ જેટલા ઊંચા દબાણે ઑક્સિજનને બૉમ્બમાં દાખલ કરવામાં આવે છે. પછી તેને વિદ્યુતની મદદથી સળગાવતાં, બળવાની પ્રક્રિયા દરમિયાન ઉત્પન્ન થતી ઉષ્માનું કૅલોરીમિટરમાંના પાણી વડે શોષણ થવાથી તેના તાપમાનમાં વધારો થાય છે. બળવાની પ્રક્રિયા પૂરી થતાં, ઉષ્મીય સમતોલન પ્રાપ્ત થયા પછી કૅલોરીમીટરના પાણીના તાપમાનમાં થયેલો વધારો અવરોધ(resistance) – થર્મૉમિટર વડે માપવામાં આવે છે. મૉનિટરની મદદથી કૅલોરીમિટરના પાણીનું તાપમાન અને તેની બહાર ફરતે રાખેલા પાણીના જૅકેટમાંના પાણીના તાપમાનને એકસરખા મૂલ્યે રાખવામાં આવે છે. આમ કરવાથી કૅલોરીમીટર અને આવરણ વચ્ચે ઉષ્માની કોઈ આપ-લે થતી નથી. આવી પ્રક્રિયા સમોષ્મી પ્રકારની હોવાથી બૉમ્બ કૅલોરીમિટરને સમોષ્મી બૉમ્બ કૅલોરીમિટર કહે છે. કૅલોરીમિટરનું વજન તથા ઉષ્માધારિતા(heat capacity)નું મૂલ્ય જાણવાથી, રાસાયણિક પ્રક્રિયા દરમિયાન ઉત્પન્ન થતી ઉષ્માની ગણતરી કરી શકાય છે.

ભૌતિક અવસ્થામાં ફેરફાર (change of physical state) : સામાન્યત: પદાર્થ ઘન, પ્રવાહી કે વાયુસ્વરૂપે હોય છે. પદાર્થનાં આ સ્વરૂપોને તેમની ભૌતિક અવસ્થા કહે છે. ઘન પદાર્થને ઉષ્મા આપતાં તેનું તાપમાન વધે છે અને અંતે તેની અવસ્થા બદલાય છે. જેમ કે બરફનું પાણીમાં રૂપાંતર અને પાણીનું વરાળમાં રૂપાંતર થાય છે. [નોંધ : પદાર્થનું ચોથું સ્વરૂપ પણ છે, જે પ્લાઝમા સ્વરૂપ તરીકે ઓળખાય છે.]

ગલન(melting)ની પ્રક્રિયા : ઘન પદાર્થને ગરમ કરતાં તેનું અમુક ચોક્કસ તાપમાને પ્રવાહીમાં રૂપાંતર થાય તેને ગલન કહે છે. જે ચોક્કસ તાપમાને આ ક્રિયા શરૂ થાય છે તે તાપમાનને ‘ગલનબિંદુ’ કહે છે. જુદા જુદા પદાર્થનું ગલનબિંદુ જુદું જુદું હોય છે. આ ક્રિયા દરમિયાન તાપમાન એકસરખું રહે છે, પરંતુ સામાન્યત: પદાર્થનું કદ વધે છે. અશુદ્ધિ તથા દબાણની, ગલનબિંદુ પર અસર થાય છે.

ઘનીભવન (solidification) : પ્રવાહીનું તાપમાન ઘટાડતાં તે ઠંડું પડે છે અને ઘન અવસ્થામાં રૂપાંતર પામે છે. આ ક્રિયાને ‘ઘનીભવન’ કહે છે. પ્રવાહી ઠરી જઈને ઘન અવસ્થામાં રૂપાંતર પામે છે તે તાપમાનને ઠારણબિંદુ (freezing point) કહે છે. સામાન્ય રીતે ઘનીભવન ક્રિયામાં પદાર્થનું કદ ઘટે છે. પાણી અપવાદરૂપ છે, કારણ કે બરફ થતાં તેનું કદ વધે છે. અશુદ્ધિને લીધે ઠારણબિંદુમાં ફેરફાર થાય છે.

દ્રવીકરણ (liquefaction) : અમુક સંજોગોમાં વાયુરૂપી પદાર્થને ઠંડો પાડતાં તેનું પ્રવાહી અવસ્થામાં રૂપાંતર થાય છે, જે પ્રક્રિયાને ‘દ્રવીકરણ’ કહે છે.

બાષ્પીભવન (vaporisation) : કોઈ પણ તાપમાને, જે પ્રક્રિયામાં પ્રવાહી તેની બાષ્પમાં રૂપાંતર પામે છે તેને ‘બાષ્પીભવન’ કહે છે.

ગુપ્ત ઉષ્મા (latent heat) : જુદી જુદી પરિસ્થિતિમાં પદાર્થ જુદા જુદા સ્વરૂપે અસ્તિત્વ ધરાવે છે. પદાર્થ કયા સ્વરૂપે મળશે તેનો આધાર તાપમાન અને દબાણ જેવાં પરિબળો પર છે. 0^o સે. કરતાં નીચા તાપમાને રહેલા બરફને ઉષ્મા આપતાં તેનું તાપમાન 0^o સે. થાય છે અને પછી બરફ પીગળવો શરૂ થાય છે. બરફનું સંપૂર્ણપણે પાણી થાય તે દરમિયાન તાપમાન 0^o સે. જ રહે છે. ત્યારપછી ઉષ્મા આપતાં તાપમાન વધે છે. તેથી વિરુદ્ધ, પાણીનું બરફમાં રૂપાંતર કરવા માટે તેમાંથી ઉષ્મા લઈ લેવી પડે છે. બધા જ પાણીનો બરફ ન થાય ત્યાં સુધી તાપમાન બદલાતું નથી. એક વાતાવરણદબાણે પાણીને 100^o સે. ગરમ કરતાં પાણી ઊકળે છે. અને જ્યાં સુધી બધા જ પાણીની વરાળ ન થઈ જાય ત્યાં સુધી તાપમાનમાં ફેરફાર થતો નથી. આ ઉપરથી આપણે કહી શકીએ કે ગલનબિંદુએ બરફનું પાણીમાં રૂપાંતર કરવા અથવા ક્વથનબિંદુએ ઊકળતા પાણીનું વરાળમાં રૂપાંતર કરવા માટે ઉષ્મા આપવી પડે છે, જ્યારે તેથી વિરુદ્ધ પ્રક્રિયા કરવા માટે તેમાંથી ઉષ્મા લઈ લેવી પડે છે જે અપ્રગટ-ગુપ્ત (latent) રહે છે. તેથી તાપમાનમાં ફેરફાર થયા વિના પદાર્થની ભૌતિક અવસ્થાના રૂપાંતર માટે અપાતી અથવા તેમાંથી લઈ લેવી પડતી ઉષ્માને ‘ગુપ્ત ઉષ્મા’ કહે છે. એકમ દળના ઘન પદાર્થનું તેના ગલનબિંદુએ તાપમાનના ફેરફાર સિવાય પ્રવાહીમાં રૂપાંતર કરવા માટે જરૂરી ઉષ્માને તે પદાર્થની ગલન-ગુપ્ત ઉષ્મા (latent heat of fusion) કહે છે. 0^o સે. પર રહેલા 1 ગ્રામ બરફનું 0^o સે.એ પાણીમાં રૂપાંતર કરવા 80 કૅલરી ઉષ્મા જોઈએ છે. 1 ગ્રામ પ્રવાહીને તેના ક્વથનબિંદુએ તાપમાનમાં ફેરફાર કર્યા સિવાય બાષ્પમાં રૂપાંતર કરવા માટે આપવી પડતી ઉષ્માને બાષ્પની ક્વથન-ગુપ્ત ઉષ્મા (latent heat of vaporisation) કહે છે. વાતાવરણના દબાણે 100^o સે. પર રહેલા પ્રત્યેક ગ્રામ પાણીનું તે જ તાપમાને વરાળમાં રૂપાંતર કરવા 540 કૅલરી ઉષ્મા જોઈએ છે.

ગુણાત્મક રીતે ગુપ્ત ઉષ્માની સમજૂતી સૂક્ષ્મ અણુઓમાં નીપજતાં આણ્વિક બળોની પરિકલ્પના વડે આપી શકાય. પદાર્થના ઘન, પ્રવાહી અને વાયુસ્વરૂપમાં અણુઅણુ વચ્ચેનાં આંતરઅણુ-આકર્ષણબળો કે સંસક્તિબળો (cohesive forces) ક્રમશ: ઘટતાં જાય છે અને વાયુમાં અણુઓ એકબીજાથી ખૂબ જ દૂર હોવાથી તે નગણ્ય હોય છે. પદાર્થના ઘન સ્વરૂપમાંથી પ્રવાહી અને પ્રવાહીમાંથી વાયુસ્વરૂપમાં રૂપાંતર કરવા માટે અણુઓને એકબીજાથી છૂટા કરવા પડે અને તેને માટે તેમની પર કાર્ય કરવું પડે છે. આ કાર્ય બહારથી આપવામાં આવતી ઉષ્મા-ઊર્જા દ્વારા થતું હોય છે. વધારાની ઊર્જા ગતિ-ઊર્જા તરીકે આવિષ્કાર પામતી નથી, પરંતુ અણુઓ વચ્ચેનાં આંતરક્રિયાબળોની સાથે સંકળાયેલી સ્થિતિ-ઊર્જાસ્વરૂપે હોય છે. પદાર્થનું તાપમાન અણુઓની સરેરાશ ગતિ-ઊર્જાને કારણે હોય છે. તેથી વધારાની આ ઊર્જા પદાર્થના તાપમાનમાં વધારો કરતી નથી. પરિણામે તેને ગુપ્ત ઉષ્મા કહે છે. આંતરઅણુબળો સાથે સંકળાયેલી સ્થિતિ-ઊર્જાની માત્રાનો અંદાજ ગુપ્ત ઉષ્મા વડે મેળવી શકાય છે.

ઉષ્મીય પ્રસરણ (thermal expansion) : પદાર્થ પર થતી ઉષ્માની અસરમાં ધ્યાન ખેંચે તેવી બાબત તેનું પ્રસરણ છે. સામાન્યત: ઉષ્મા આપવાથી દરેક પદાર્થનું કદ વધે છે. ઘન પદાર્થ કરતાં પ્રવાહીનું અને પ્રવાહી કરતાં વાયુસ્વરૂપમાં પદાર્થનું પ્રસરણ વધારે થાય છે.

ઘન પદાર્થને ચોક્કસ આકાર હોવાથી, ઉષ્મા આપતાં તેની લંબાઈ, પહોળાઈ અને ઊંચાઈમાં પ્રસરણ થતાં તેની લંબાઈ, ક્ષેત્રફળ અને કદમાં વધારો થાય છે. તેથી પદાર્થને રેખીય પ્રસરણ, ક્ષેત્ર-પ્રસરણ અને કદ-પ્રસરણ હોય છે. 0^o સે. તાપમાને આવેલા એકમ લંબાઈના ઘન પદાર્થના સળિયામાં, 1^o સે. તાપમાનનો ફેરફાર કરવાથી, તેની લંબાઈમાં થતા વધારાને તેનો રેખીય પ્રસરણાંક (co-efficient of linear expansion) કહે છે. તે ગ્રીક મૂળાક્ષર α (આલ્ફા) વડે દર્શાવાય છે. તે જ પ્રમાણે એકમ ક્ષેત્રફળ ધરાવતા પદાર્થનું તાપમાન 1^o સે. વધારતાં તેના ક્ષેત્રફળમાં થતા વધારાને ક્ષેત્રીય પ્રસરણાંક (co-efficient of superficial expansion) કહે છે. તેને ગ્રીક મૂળાક્ષર β (બીટા) વડે દર્શાવવામાં આવે છે. એકમ કદના પદાર્થનું તાપમાન 1^o સે. વધારતાં તેના કદમાં થતા વધારાને કદ-પ્રસરણાંક (co-efficient of cubical expansion) કહે છે. તેને ગ્રીક મૂળાક્ષર γ (ગૅમા) વડે દર્શાવાય છે. α, β અને γ વચ્ચેનો સંબંધ β = 2α અને γ = 3α છે. ઘનપદાર્થના પ્રસરણના ઘણા ઉપયોગો છે. દા.ત., રેલવેના પાટાઓના છેડાના જોડાણ આગળ જગ્યા રાખવામાં આવે છે, જેથી ગરમીથી પ્રસરણ થતાં તેમની લંબાઈમાં વધારો થઈ પાટા વળી ન જાય.

પ્રવાહીને ગરમ કરવા માટે તેને કોઈ પાત્રમાં લેવું પડે છે. તેથી પ્રવાહીને ઉષ્મા આપતાં પ્રવાહીની સાથે સાથે પાત્રનું પણ પ્રસરણ થાય છે. પરિણામે પ્રવાહીનું સાચું પ્રસરણ માપવા માટે પાત્રનું પ્રસરણ પણ ગણતરીમાં લેવું પડે છે. જો પાત્રનું પ્રસરણ અવગણવામાં આવે તો પ્રવાહીનું જે ર્દશ્યમાન પ્રસરણ થાય છે તેને ‘આભાસી પ્રસરણ’ (apparent expansion) કહે છે. પાત્રના પ્રસરણને ગણતરીમાં લેતાં મળતા પ્રવાહીના પ્રસરણને ‘સાચું પ્રસરણ’ (real expansion) કહે છે. પ્રવાહીના પ્રસરણાંકને કદવૃદ્ધિમાપક(volume dilatometer)થી અથવા ભારવૃદ્ધિમાપક(weight dilatometer)થી માપી શકાય છે. પ્રવાહીનો લગભગ સાચો પ્રસરણાંક નીચેના સૂત્રથી મેળવી શકાય છે.

પ્રવાહીનો સાચો પ્રસરણાંક = પ્રવાહીનો આભાસી પ્રસરણાંક + પાત્રનો કદ-પ્રસરણાંક

વાયુને પ્રવાહીની જેમ આકાર હોતો નથી. વાયુનું તાપમાન વધતાં તેનું કદ વધે છે, જે ઘન અને પ્રવાહીની સરખામણીમાં ખૂબ જ વધારે હોય છે. પરિણામે તેને રાખેલા પાત્રના કદમાં થતા વધારાને અવગણી શકાય છે. પદાર્થના કદમાં થતો વધારો તેના અણુઓની ગતિશક્તિમાં થતા વધારાને લીધે હોય છે. તેથી જુદા જુદા ઘન પદાર્થ અને પ્રવાહીનું પ્રસરણ જુદું જુદું હોય છે. પરંતુ બધા જ વાયુઓનું પ્રસરણ સરખું હોય છે. વાયુના અણુઓ વચ્ચેનું અંતર તેમના કદની સરખામણીમાં વધારે હોય છે. તેથી આંતર-અણુબળો તથા વાયુનું કદ પાત્રના કદની સરખામણીમાં ખૂબ જ ઓછું હોય છે. આ કારણે જે તાપમાન અને દબાણે વાયુનું પ્રવાહીકરણ થાય તેની નજીકના તાપમાન અને દબાણ સિવાયના તાપમાન અને દબાણે, બધા જ વાયુના ભૌતિક ગુણધર્મો સમાન હોય છે. વાયુની બાબતમાં દબાણ, કદ અને તાપમાન પરસ્પર અવલંબી પ્રાચલો છે, જેથી એકને અચળ રાખીને બીજા બે વચ્ચેના સંબંધનો અભ્યાસ થઈ શકે છે.

વાયુનું દબાણ અચળ રાખીને વાયુના તાપમાનમાં ફેરફાર કરતાં તેના કદમાં થતા ફેરફારને, અચળ દબાણે વાયુનું કદ-પ્રસરણ કહે છે. અચળ દબાણે 0^o સે. તાપમાન ધરાવતા એકમ કદના વાયુનું તાપમાન 1^o સે. વધારતાં, તેના કદમાં થતા વધારાને અચળ દબાણે વાયુનો કદ-પ્રસરણાંક કહે છે. તેનું સૂત્ર નીચે પ્રમાણે છે :

અચળ દબાણે વાયુનો કદ-પ્રસરણાંક =

વાયુનું દબાણ અચળ રાખીને તાપમાન વધારતાં તેના કદમાં થતા વધારાને માપવા માટેનું સાધન અચળ દબાણ વાયુ થર્મૉમિટર (constant pressure air thermometer) છે.

આપેલા જથ્થાના વાયુનું કદ અચળ રાખીને તેના તાપમાનમાં ફેરફાર કરતાં તેના અચળ કદે દબાણમાં થતા ફેરફારને વાયુનું દબાણ-પ્રસરણ કહે છે. કદ અચળ રાખીને 0^o સે. તાપમાને એકમ દબાણવાળા વાયુનું તાપમાન 1^o સે. વધારતાં તેના દબાણમાં થતા વધારાને અચળ કદે વાયુનો દબાણ-પ્રસરણાંક કહે છે. તેનું સૂત્ર નીચે પ્રમાણે છે :

અચળ કદે વાયુનો દબાણ-પ્રસરણાંક =

વાયુનું કદ અચળ રાખીને તાપમાન વધારતાં, તેના દબાણમાં થતો વધારો માપવા માટેનું સાધન અચળ કદ વાયુ થર્મૉમિટર (constant volume air thermometer) છે. પ્રયોગો પરથી જણાયું છે કે જુદા જુદા વાયુ માટે અચળ કદે દબાણ-પ્રસરણાંક (∝_v) અને અચળ દબાણે કદ-પ્રસરણાંક (∝_p)નાં મૂલ્યો સરખાં એટલે =  કે 0.00366 છે.

જગન્નાથ ગિરધરલાલ સુથાર