જો તમે લાકડાની ખુરશી પર બેસો છો, તો લાકડાની ખુરશીની સપાટી ગરમ થઈ જાય છે. તેનાથી વિપરીત, જો તમે પ્લાસ્ટિક અથવા ધાતુની બનેલી ખુરશી પર બેસો છો, તો ધાતુ અથવા પ્લાસ્ટિકની ખુરશીની સપાટી તેના પર બેસ્યા પછી ગરમ લાગતી નથી. લાકડાની ખુરશીની સપાટી કેમ ગરમ હોય છે, જ્યારે ધાતુની ખુરશીની સપાટી ગરમ હોતી નથી? ગાદલા વિના ઠંડા ફ્લોર પર સૂવાથી દુખાવો કેમ થઈ શકે છે? શું તમે ક્યારેય ઠંડુ જેકેટ પહેર્યું છે? મોટાભાગના ઠંડા જેકેટ ઊનના બનેલા હોય છે? વહન દ્વારા ગરમીના સ્થાનાંતરણના વિષય સાથે સંબંધિત વિચારવા અને પૂછવા માટે હજુ પણ ઘણી બાબતો છે.
એક મીણબત્તી અને પાતળા વાયરનો ટુકડો તૈયાર કરો. વાયરનો એક છેડો પકડી રાખો અને વાયરના બીજા છેડાને મીણબત્તીની જ્યોત સાથે સ્પર્શ કરો. થોડીવાર રાહ જુઓ જ્યાં સુધી તમારો હાથ ગરમ ન લાગે. તમારો હાથ કેમ ગરમ લાગે છે? જ્યારે વાયરનો એક છેડો મીણબત્તીની જ્યોતને સ્પર્શે છે, ત્યારે ગરમી મીણબત્તીની જ્યોત (ઉચ્ચ તાપમાન) થી વાયરના બીજા છેડા (નીચા તાપમાન) તરફ જાય છે. આ ગરમી સ્થાનાંતરણને કારણે જ્યોતને સ્પર્શતા વાયરના છેડાનું તાપમાન વધે છે. મીણબત્તીની જ્યોતને સ્પર્શતા વાયરના છેડા અને વાયરના બીજા છેડા વચ્ચેના તાપમાનના તફાવતને કારણે ગરમી જ્યોતને સ્પર્શતા વાયરના છેડાથી તમારા હાથ દ્વારા સ્પર્શ કરાયેલ વાયરના છેડા સુધી જાય છે. આ ગરમી સ્થાનાંતરણને કારણે જે વાયરને સ્પર્શ કરવામાં આવે છે તેના છેડાનું તાપમાન વધે છે. પછી ગરમી તમારા ઠંડા હાથમાં જાય છે. પરિણામે, તમારો હાથ ગરમ લાગે છે.
જ્યારે ઊંચા તાપમાનવાળા પદાર્થનો કોઈ ભાગ ઓછા તાપમાનવાળા પદાર્થના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે ગરમી ઊંચા તાપમાનવાળા પદાર્થમાંથી ઓછા તાપમાનવાળા પદાર્થ તરફ જાય છે. વધારાની ઊર્જાને કારણે પદાર્થ બનેલા પરમાણુઓ અને પરમાણુઓ ઝડપથી ગતિ કરે છે. જેમ જેમ તેઓ ગતિ કરે છે, તેમ તેમ પરમાણુઓમાં ગતિ ઊર્જા (EK = ½ mv 2 ) હોય છે. જે પરમાણુઓ ઝડપથી ગતિ કરે છે (વધુ ગતિ ઊર્જા સાથે) તેમની બાજુના પરમાણુઓ સાથે અથડાય છે. આ પરમાણુઓ પછી તેમની બાજુના અન્ય પરમાણુઓ સાથે અથડાય છે. અને તેથી આગળ વધે છે. તેથી પરમાણુઓ એકબીજા સાથે અથડાય છે, ઊર્જાનું પરિવહન કરે છે. પદાર્થ બનાવતા પરમાણુઓ વચ્ચે અથડામણ દ્વારા થતી ગરમીનું સ્થાનાંતરણ કહેવામાં આવે છે. તેને વહન દ્વારા ગરમીનું સ્થાનાંતરણ કહેવામાં આવે છે.
વાહકતા દ્વારા ગરમીના સ્થાનાંતરણ માટેનું સૂત્ર
ડાબી બાજુની વસ્તુનું તાપમાન વધારે છે (T1) જ્યારે જમણી બાજુના પદાર્થનું તાપમાન ઓછું હોય છે (T2). તાપમાનમાં તફાવતને કારણે (T1 - ટી2), ગરમી ઊંચા તાપમાનવાળા પદાર્થમાંથી નીચા તાપમાનવાળા પદાર્થ તરફ જાય છે (ઉષ્મા પ્રવાહની દિશા જમણી બાજુ છે). જે પદાર્થમાંથી ગરમી પસાર થાય છે તેનો ક્રોસ-સેક્શનલ વિસ્તાર (A) અને લંબાઈ (l) હોય છે.
પ્રયોગના પરિણામોના આધારે, ચોક્કસ સમય અંતરાલ (Q/t) દરમિયાન સ્થાનાંતરિત થતી ગરમી તાપમાન તફાવત (T 1 – T 2 ), ક્રોસ-સેક્શનલ ક્ષેત્ર (A), પદાર્થની પ્રકૃતિ (k = થર્મલ વાહકતા) ના સીધા પ્રમાણસર હોય છે અને પદાર્થની લંબાઈના વ્યસ્ત પ્રમાણસર હોય છે. વહન દ્વારા ગરમીના સ્થાનાંતરણ દર માટેનું સૂત્ર:
વર્ણન: Q/t = ગરમી સ્થાનાંતરણ દર, k = થર્મલ વાહકતા, A = ક્રોસ-સેક્શનલ વિસ્તાર, T1 = ઉચ્ચ તાપમાન, T2 = નીચું તાપમાન, l = વસ્તુની લંબાઈ.
વહન દ્વારા ગરમીના સ્થાનાંતરણનો ઉપયોગ
ટાઇલ્સ કાર્પેટ કરતાં ઠંડી કેમ લાગે છે? ટાઇલ્સમાં કાર્પેટ કરતાં વધુ થર્મલ વાહકતા હોય છે. તેથી, ટાઇલ્સ ગરમીના સારા વાહક હોય છે, જ્યારે કાર્પેટ ગરમીના નબળા વાહક હોય છે. જ્યારે આપણે કાર્પેટ પર પગ મૂકીએ છીએ, ત્યારે ગરમી આપણા પગમાંથી કાર્પેટ તરફ વહે છે. આવું થાય છે કારણ કે આપણા શરીરનું તાપમાન કાર્પેટના તાપમાન કરતાં વધારે હોય છે. કાર્પેટ ગરમીના નબળા વાહક હોય છે, તેથી આપણા પગમાંથી વહેતી ગરમી કાર્પેટની સપાટી પર એકઠી થાય છે, જેનાથી કાર્પેટ ગરમ થાય છે. જ્યારે આપણે ટાઇલ્સ અથવા સિરામિક્સ પર પગ મૂકીએ છીએ, ત્યારે ગરમી આપણા પગમાંથી ટાઇલ્સ અથવા સિરામિક્સ તરફ વહે છે. કારણ કે ટાઇલ્સ ગરમીના સારા વાહક છે, તેથી ગરમી ટાઇલ્સની સપાટી પર જળવાઈ રહેતી નથી. ગરમી સરળતાથી વહે છે, જેનાથી આપણા પગ ઠંડા લાગે છે. જો તમારું ઘર ઠંડા વિસ્તારમાં હોય, તો તમારે તમારા બેડરૂમના ફ્લોરને કાર્પેટથી ઢાંકવો જોઈએ જેથી તમારા શરીરની ગરમી ન જાય. તેનાથી વિપરીત, જો તમારું ઘર ગરમ વિસ્તારમાં હોય, તો તમારે તમારા બેડરૂમના ફ્લોરને કાર્પેટથી ઢાંકવો જોઈએ નહીં કારણ કે તમને ઠંડી નહીં પણ ગરમ લાગશે 😉
ગાદલા વગર ફ્લોર પર સૂવાથી બીમારી થઈ શકે છે. શા માટે? આનું કારણ એ છે કે તમારા શરીરમાંથી ફ્લોર પર મોટી માત્રામાં ગરમી ટ્રાન્સફર થાય છે. ગરમી એ ગતિમાં ઉર્જા છે. જ્યારે તમારા શરીરમાં ઘણી ગરમી ગુમાવે છે, ત્યારે તેનું ઉર્જા સ્તર ઘટે છે. જો તમારી પાસે ઉર્જાનો અભાવ હોય, તો તમે બીમાર થઈ શકો છો!
બારીઓ અને દરવાજાઓનું કાર્ય શું છે? દરવાજા અને બારીઓ લાકડાના કેમ હોવા જોઈએ? રાત્રે, ઘરની બહાર હવાનું તાપમાન ઘરની અંદરના હવાના તાપમાન કરતા ઓછું હોય છે. હવાના તાપમાનમાં આ તફાવત ગરમીને ઘરની અંદરથી બહાર તરફ લઈ જાય છે. તેથી, રાત્રે આપણે સામાન્ય રીતે દરવાજા અથવા બારીઓ બંધ કરીએ છીએ. ગુનેગારોને દૂર રાખવા ઉપરાંત, બારીઓ અથવા દરવાજાઓનું એક કાર્ય ગરમીને ઘરમાંથી બહાર નીકળતી અટકાવવાનું છે. સામાન્ય રીતે દરવાજા અથવા બારીઓ લાકડાના બનેલા હોય છે. લાકડાની થર્મલ વાહકતા એટલી ઓછી હોય છે કે તે થર્મલ ઇન્સ્યુલેટર તરીકે કાર્ય કરી શકે છે. બારીઓ અથવા દરવાજાનું બીજું કાર્ય હવાને પકડી રાખવાનું છે. બારી અથવા દરવાજાની અંદર ફસાયેલી હવા સારા ઇન્સ્યુલેટર તરીકે કામ કરે છે (ગરમીને બહાર નીકળતી અટકાવે છે). હવાની થર્મલ વાહકતા ખૂબ ઓછી હોય છે. કોઈ વસ્તુની થર્મલ વાહકતા જેટલી ઓછી હોય છે, તે વસ્તુ દ્વારા વહન દ્વારા ગરમીનું સ્થાનાંતરણ કરવું તેટલું મુશ્કેલ બને છે.
સંસ્કારી અને સામાન્ય માનવી તરીકે આપણી સ્થિતિ જાળવી રાખવા ઉપરાંત 🙂, કપડાં શરીરનું તાપમાન સ્થિર રાખવાનું પણ કામ કરે છે. આપણે જે કપડાં પહેરીએ છીએ તે સામાન્ય રીતે હવાના તાપમાનને અનુરૂપ હોય છે. જ્યારે હવાનું તાપમાન ઘણું ઓછું હોય છે, ત્યારે આપણે જે કપડાં પહેરીએ છીએ તે જાડા હોય છે. ધાબળા અથવા જાડા કપડાં (જેકેટ, વગેરે) હવાને સરળતાથી ફરતા અટકાવે છે. હવા ત્વચા અને જેકેટ અથવા ધાબળા વચ્ચે ફસાઈ જાય છે. કારણ કે આપણા શરીર અને ફસાઈ ગયેલી હવા વચ્ચે તાપમાનનો તફાવત હોય છે, તેથી ગરમી શરીરમાંથી હવામાં જાય છે. શરીરમાંથી વધારાની ગરમી ફસાઈ ગયેલી હવાનું તાપમાન વધે છે (હવા ગરમ થાય છે). ઉપર આપેલ થર્મલ વાહકતા કોષ્ટક જુઓ. હવાનું થર્મલ વાહકતા મૂલ્ય ખૂબ જ ઓછું છે. તેથી, ગરમી શરીરમાંથી બહાર નીકળી શકતી નથી. આપણા શરીરનું તાપમાન સ્થિર રહે છે. જો હવા ખૂબ ઠંડી હોય ત્યારે આપણે જેકેટ ન પહેરીએ, તો ગરમી આપણા શરીરમાંથી બહાર નીકળી જાય છે. શરીરમાંથી જેટલી વધુ ગરમી બહાર નીકળી જાય છે, તેટલી વધુ ઊર્જા શરીર ગુમાવે છે.
સમસ્યાઓનું ઉદાહરણ
1. 2011/2012 રાષ્ટ્રીય પરીક્ષા પ્રશ્ન A81 નં.10
નીચેના વિધાન પર ધ્યાન આપો!
(1) ધાતુ વાહકતા
(2) ધાતુના છેડા વચ્ચે તાપમાનનો તફાવત
(3) ધાતુની લંબાઈ
(૪) ધાતુનું દળ
ધાતુમાં ગરમીના પ્રસારનો દર નક્કી કરતા પરિબળો...
A. (1), (2) અને (3)
બી. (1) અને (4)
સી. (2) અને (4)
ડી. (3) અને (4)
E. (4) ફક્ત
ચર્ચા
વાહકતા દ્વારા ગરમીના સ્થાનાંતરણ દરના સૂત્રના આધારે, ગરમીના સ્થાનાંતરણ દર નક્કી કરતા પરિબળો ધાતુની વાહકતા (k), ધાતુના છેડા (T) વચ્ચેનો તાપમાન તફાવત અને ધાતુની લંબાઈ (l) છે. ધાતુના દળ પર કોઈ અસર થતી નથી.
સાચો જવાબ A છે.
