परिभ्रमण गतिकी ही यांत्रिकीची एक शाखा आहे, जी परिभ्रमण गतीवर प्रभाव टाकणारे बल, वस्तुमान आणि इतर घटकांचा समावेश असलेल्या परिभ्रमण गतीचा अभ्यास करते. एखादी वस्तू तेव्हा फिरते, जेव्हा त्या वस्तूचे सर्व भाग, त्या वस्तूच्या एका भागावर असलेल्या अक्षाभोवती किंवा आधाराभोवती फिरतात. या विषयात अभ्यासलेली परिभ्रमण गती ही एका स्थिर अक्षाभोवतीच्या परिभ्रमण गतीवर लक्ष केंद्रित करते. कप्पीची हालचाल, पंख्याची हालचाल, सीडी/डीव्हीडी रूममधील सीडी/डीव्हीडीची हालचाल, दरवाजा किंवा खिडकीची हालचाल, इंजिन सिलेंडरची हालचाल, हेलिकॉप्टर किंवा विमानाचा प्रोपेलर, किंवा जहाजाचा प्रोपेलर ही एका स्थिर अक्षाभोवतीच्या परिभ्रमण गतीची काही उदाहरणे आहेत. तुम्ही कधी फिरणारा भोवरा पाहिला आहे का? फिरणाऱ्या भोवऱ्याच्या अक्षाची स्थिती नेहमी बदलत असते (भोवऱ्याचा कल बदलत राहतो), त्यामुळे फिरणाऱ्या भोवऱ्यासारख्या परिभ्रमण गतीचा अभ्यास या विषयात केला जात नाही.
काळे तत्त्व
कृष्णवर्णीय तत्त्वे समजून घेणे
जर आपण एका उघड्या भांड्यात (उदाहरणार्थ, बादलीत) गरम आणि थंड पाणी एकत्र केले, तर उष्णता गरम पाण्यातून थंड पाण्यात हस्तांतरित होते. भांडे उघडे असल्यामुळे, काही उष्णता हवेत हस्तांतरित होते. त्यामुळे भांडेही गरम होते. गरम पाण्याने सोडलेली उष्णता केवळ थंड पाण्याद्वारेच नव्हे, तर हवा आणि भांड्याद्वारेही शोषली जाते. या प्रकरणात, बादली ही एक उष्णता-रोधक नसलेली प्रणाली आहे.
जेव्हा आपण बंद थर्मोसमध्ये गरम आणि थंड पाणी मिसळतो, तेव्हा उष्णता गरम पाण्याकडून थंड पाण्याकडे हस्तांतरित होते. थर्मोस ही एक विलग प्रणाली आहे , त्यामुळे हवा किंवा थर्मोसमध्ये उष्णता हस्तांतरित होत नाही. गरम पाण्याने सोडलेली उष्णता, मिश्रण औष्णिक समतोलापर्यंत पोहोचेपर्यंत थंड पाण्याद्वारे शोषली जाते.
प्रणाली आणि पर्यावरण
प्रणाली आणि पर्यावरण समजून घेणे
प्रणाली म्हणजे अभ्यासली जाणारी वस्तू किंवा वस्तूंचा समूह होय. विश्वातील इतर वस्तूंना पर्यावरण म्हटले जाते. सामान्यतः, एखादी प्रणाली तिच्या पर्यावरणापासून 'विभाजक/सीमा/विभाजक' द्वारे वेगळी केली जाते.
उदाहरणार्थ, समजा आपल्याला थर्मोसमधील पाण्याचा अभ्यास करायचा आहे. थर्मोसच्या आतील पाणी ही प्रणाली (system) आहे, तर थर्मोसच्या बाहेरील हवा आणि इतर वस्तू हे पर्यावरण (environment) आहे. थर्मोसच्या भिंती, म्हणजे आतील काच आणि बाहेरील प्लास्टिक, विभाजक म्हणून काम करतात. पाण्याचा थर्मोस हे याचे एक उदाहरण आहे.
सुप्त उष्णता
सुप्त उष्णता समजून घेणे
जर तुम्ही थंड पाणी आणि बर्फाचे मिश्रण असलेल्या भांड्यात पाऱ्याचे तापमापक घातले, तर तुमच्या लक्षात येईल की खाली सरकल्यानंतर पाऱ्याचा पृष्ठभाग स्थिर होतो किंवा पुढे हलत नाही. पाण्याचा वितळणबिंदू किंवा गोठणबिंदू (० ° C) गाठल्यावर पाऱ्याचा पृष्ठभाग हलणे थांबवतो. जर भांडे उघडे असेल, तर जास्त तापमानाच्या हवेतून उष्णता कमी तापमानाच्या बर्फ आणि पाण्याच्या मिश्रणाकडे वाहते. हवेतील या अतिरिक्त उष्णतेमुळे बर्फ वितळतो. बर्फ वितळत असताना, बर्फ आणि पाण्याच्या मिश्रणाचे तापमान बदलते का? बर्फ वितळत असताना, पाणी आणि बर्फाच्या मिश्रणाचे तापमान बदलत नाही.
विशिष्ट उष्णता
विशिष्ट उष्णता (c) म्हणजे एखाद्या वस्तूच्या एकक वस्तुमानाचे (m) तापमान (T) एक अंशाने वाढवण्यासाठी लागणारी उष्णता (Q). c चे सूत्र खालीलप्रमाणे आहे:
आंतरराष्ट्रीय एकक प्रणाली J/Kg K आहे.
वस्तूची विशिष्ट उष्णता तापमानानुसार बदलते. जर तापमानातील बदल फार मोठा नसेल, तर हे मूल्य स्थिर मानले जाऊ शकते. खाली 1 atm दाब आणि 20 ° C तापमानावर अनेक वस्तूंसाठी c ची मूल्ये (प्रायोगिकरित्या मिळवलेली) दिली आहेत.
उष्णता सूत्र
जर वेगवेगळ्या तापमानाच्या वस्तू एकमेकांच्या संपर्कात आल्या, तर उष्णता नैसर्गिकरित्या जास्त तापमानाच्या वस्तूपासून कमी तापमानाच्या वस्तूकडे जाते. एकदा दोन्ही वस्तू औष्णिक समतोल साधतात, की उष्णता हस्तांतरण थांबते . असे म्हणता येईल की उष्णता हस्तांतरणामुळे संपर्कात असलेल्या वस्तूंच्या तापमानात बदल होतो . या संक्षिप्त स्पष्टीकरणाच्या आधारे असा निष्कर्ष निघतो की, उष्णता (Q) ही वस्तू आणि त्या वस्तूच्या तापमानातील बदल (डेल्टा T) यांच्याशी संबंधित आहे . प्रत्येक वस्तूला वस्तुमान (m) असते आणि वस्तूचा प्रकारही वेगळा असतो.
यांत्रिक उष्णता फाटणे
उष्णतेचे एकक कॅलरी (संक्षिप्त रूप कॅल) आहे. एक कॅलरी म्हणजे १ ग्रॅम पाण्याचे तापमान १°C ने ( नेमके १४.५ ° C पासून १५.५ ° C पर्यंत) वाढवण्यासाठी लागणारी उष्णता. पाण्याच्या वेगवेगळ्या तापमानानुसार लागणाऱ्या उष्णतेचे प्रमाण बदलते. समान उष्णता दिल्यास, पाण्याच्या तापमानात १° C ची वाढ फक्त १४.५ ° C आणि १५.५ ° C च्या दरम्यानच होते. उष्णतेचे जे एकक अनेकदा वापरले जाते, विशेषतः अन्नाची ऊर्जा मूल्य व्यक्त करण्यासाठी, ते किलोकॅलरी (kcal) आहे. १ किलोकॅलरी = १००० कॅलरीज. १ किलोकॅलरीचे दुसरे नाव म्हणजे १ कॅलरी (कॅपिटल K). ब्रिटिश पद्धतीनुसार उष्णतेचे एकक बीटीयू (ब्रिटिश थर्मल युनिट) आहे. १ बीटीयू = १ पाउंड पाण्याचे तापमान १°F ने ( नेमके ६३ ° F पासून ६४ ° F पर्यंत) वाढवण्यासाठी लागणारी उष्णता.
पाण्याची विसंगती
पाण्याच्या विसंगती समजून घेणे
प्रत्येक वस्तूचे तापमान वाढल्यावर ती प्रसरण पावते (आकारमान वाढते) आणि तापमान कमी झाल्यावर ती आकुंचन पावते (आकारमान कमी होते). पाणीसुद्धा तापमान वाढल्यावर प्रसरण पावते आणि तापमान कमी झाल्यावर आकुंचन पावते, पण ० ° C ते ४ ° C तापमानात असे होत नाही. ० ° C आणि ४ ° C तापमानाच्या दरम्यान , तापमान वाढल्यावर पाण्याचे आकारमान कमी होते (पाणी आकुंचन पावते). जर आपण ० ° C तापमानावर पाणी गरम केले , तर पाणी जितके जास्त गरम होईल, तितके त्याचे आकारमान जास्त कमी होते. जेव्हा पाणी ४ ° C तापमानाला पोहोचते, तेव्हा आकुंचनाची प्रक्रिया थांबते. ४ ° C च्या वर, तापमान वाढल्यावर पाण्याचे आकारमान वाढते (पाणी प्रसरण पावते). याउलट, जेव्हा तापमान ४ ° C पासून ० ° C पर्यंत कमी होते, तेव्हा पाणी प्रसरण पावते (पाण्याचे आकारमान वाढते). पाण्याच्या या विचित्रतेला 'पाण्याची विसंगती' (anomaly of water) म्हणून ओळखले जाते.
विस्तार
जर तुम्ही विद्युत तारांचे बारकाईने निरीक्षण केले, तर तुमच्या लक्षात येईल की त्या ढिलेपणामुळे खाली वाकलेल्या असतात. विद्युत तारांना फक्त ताणण्याऐवजी, मुद्दामहून सैल का ठेवले जाते? पूर्व नुसा तेंगारा येथील फ्लोरेस आणि लेंबाटामधील बहुतेक छप्परं जस्त (Zn) धातूची बनलेली असतात. दिवसा किंवा रात्री, जस्ताची छप्परं आवाज करतात. जस्त आवाज का करतो? जर तुम्ही जावा बेटावर राहत असाल, तर तुम्ही रेल्वे रुळ पाहिले असतील. रुळांच्या सांध्यांवर फटी असतात. रुळांच्या सांध्यांवरील या फटींचे कार्य काय आहे? प्रसरण या विषयाशी संबंधित अशा अनेक गोष्टी आहेत ज्याबद्दल तुम्ही विचार करू शकता आणि प्रश्न विचारू शकता.
गॅस थर्मामीटर
जर आपण वेगवेगळ्या प्रकारच्या तापमापकांचे, उदाहरणार्थ पाऱ्याचा तापमापक आणि अल्कोहोलचा तापमापक, अंशांकन केले , तर दोन्ही तापमापकांचे अंशांकन फक्त ० ° C (किंवा ३२ ° F) आणि १०० ° C (किंवा २१२ ° F) वर समान असते. जर आपण हवेचे तापमान मोजण्यासाठी दोन्ही तापमापकांचा वापर केला, तर प्रत्येक तापमापकाने दाखवलेले आकडे समान असतीलच असे नाही. असे होऊ शकते की पाऱ्याचा तापमापक ४८ ° C दाखवतो, तर अल्कोहोलचा तापमापक ४६ ° C दाखवतो. याचे कारण म्हणजे पारा आणि अल्कोहोल यांच्या प्रसरणाचा दर वेगवेगळा असतो. त्याचप्रमाणे इतर प्रकारच्या तापमापकांच्या बाबतीतही, जसे की बायमेटॅलिक तापमापक इत्यादी. अशा प्रकारे निर्धारित केलेले तापमानाचे अंशांकन हे वापरलेल्या सामग्रीच्या गुणधर्मांवर मोठ्या प्रमाणात अवलंबून असते.