उष्णता, तापमान संक्रमण (वहन, अभिसरण, प्रारण) व किरणोत्सारिता (Heat & Radioactivity)

१. उष्णता व तापमान (Heat vs Temperature)

• उष्णता (Heat): पदार्थातील कणांच्या एकूण गतिज ऊर्जेचे माप (ऊर्जेचे एक रूप, SI एकक: ज्यूल, CGS: कॅलरी; $१ \text{ cal} = ४.१८४ \text{ J}$).
• तापमान (Temperature): पदार्थाच्या उष्णतेची किंवा थंडपणाची पातळी मोजणारी राशी (SI एकक: केल्व्हिन - K).
  रूपांतर सूत्र: $$\frac{C}{5} = \frac{F - 32}{9} = \frac{K - 273.15}{5}$$

  परीक्षेचा आवडता प्रश्न: $-४०^\circ$ तापमानाला सेल्सिअस (°C) आणि फॅरनहाईट (°F) या दोन्ही तापमापकांवर समान वाचन दिसते ($-40^\circ\text{C} = -40^\circ\text{F}$).

• मानवी शरीराचे सामान्य तापमान: ३७°C = ९८.६°F = ३१०.१५ K.

२. उष्णता संक्रमणाच्या पद्धती (Modes of Heat Transfer)

1. वहन (Conduction): पदार्थाच्या कणांचे स्वतःचे स्थान न बदलता एका कणाकडून दुसऱ्या कणाकडे उष्णता वाहणे.
   (केवळ स्थायू पदार्थांमध्ये घडते. उदा. लोखंडी सळीचे एक टोक तापवले असता दुसरे टोक गरम होणे).
2. अभिसरण (Convection): द्रवातील किंवा वायूतील तापलेले कण स्वतः वर जाऊन त्यांच्या जागी थंड कण येणे (कणांच्या प्रत्यक्ष हालचालीद्वारे वहन).
   (द्रव व वायूमध्ये घडते. उदा. पाणी उकळणे, खारे व मतलई वारे, वातानुकूलन यंत्रे वर बसवणे).
3. प्रारण (Radiation): कोणत्याही भौतिक माध्यमाची गरज नसताना विद्युत चुंबकीय तरंगांच्या स्वरूपात उष्णतेचे संक्रमण होणे.
   (उदा. सूर्याची उष्णता पृथ्वीवर पोहोचणे, शेकोटीसमोर बसल्यावर उब मिळणे).

३. पाण्याचे असंगत आचरण (Anomalous Behaviour of Water)

सामान्यतः द्रव तापवल्यास प्रसरण पावतो आणि थंड केल्यास आकुंचन पावतो. परंतु पाणी ०°C ते ४°C या तापमानात अपवादात्मक आचरण दर्शवते:

• पाणी ०°C वरून तापवू लागले असता ४°C पर्यंत त्याचे आकुंचन होते (आकारमान कमी होते) आणि ४°C नंतर प्रसरण पावते.
• ४°C वर पाण्याचे आकारमान सर्वात कमी आणि घनता सर्वाधिक ($१००० \text{ kg/m}^3$) असते.
• निसर्गातील महत्त्व: हिवाळ्यात अतिथंड प्रदेशात सरोवराच्या पृष्ठभागावर ०°C चा बर्फाचा थर साचतो, परंतु पाण्याचा असंगत आचरणामुळे तळाशी ४°C चे द्रव पाणी शिल्लक राहते; ज्यामुळे जलचर व वनस्पती जिवंत राहू शकतात. (हे मोजण्यासाठी होपचे उपकरण - Hope's Apparatus वापरतात).

४. किरणोत्सारिता (Radioactivity & Nuclear Physics)

• शोध: १८९६ मध्ये हेन्री बेक्वेरेल यांनी युरेनियममध्ये शोध लावला. नंतर मेरी क्युरी व पिअरे क्युरी यांनी रेडियम व पोलोनियम या किरणोत्सारी मूलद्रव्यांचा शोध लावला.
• किरणोत्सारी किरण:

  गुणधर्म	अल्फा किरण ($\alpha$)	बीटा किरण ($\beta$)	गॅमा किरण ($\gamma$)
  स्वरूप	हेलियम केंद्रक ($He^{2+}$) - २ प्रोटॉन + २ न्यूट्रॉन.	अतिवेगाने धावणारे इलेक्ट्रॉन ($e^-$).	विद्युत चुंबकीय प्रारणे (फोटॉन्स).
  प्रभार	धन प्रभार (+२).	ऋण प्रभार (-१).	उदासीन (प्रभाररहित).
  वस्तुमान	४ a.m.u. (सर्वात जड).	$1/1836$ a.m.u.	वस्तुमानरहित.
  भेदन क्षमता (Penetration)	सर्वात कमी (कागदाने अडवता येते).	मध्यम (अ‍ॅल्युमिनियम पत्रा लागतो).	सर्वाधिक (जाड शिसे/काँक्रीट लागते).
  आयनन क्षमता (Ionization)	सर्वाधिक.	मध्यम.	सर्वात कमी.

• किरणोत्सारी समस्थानिकांचे महत्त्वाचे उपयोग (Isotopes):
  • कार्बन-१४ ($C^{14}$): जीवाश्मांचे व पुरातत्वीय अवशेषांचे वय ठरवण्यासाठी (Carbon Dating - विलार्ड लिबी).
  • कोबाल्ट-६० ($Co^{60}$): कर्करोग (Cancer) उपचारासाठी रेडिएशन थेरपी.
  • आयोडीन-१३१ ($I^{131}$): थायरॉईड ग्रंथीचे विकार व गलगंड उपचारासाठी.
  • फॉस्फरस-३२ ($P^{32}$): रक्ताचा कर्करोग (ल्युकेमिया) व कृषी संशोधनासाठी.
  • युरेनियम-२३५ ($U^{235}$): अणूभट्टीमध्ये (Nuclear Reactor) ऊर्जा निर्मिती व अणूबॉम्बमध्ये.
  • सोडियम-२४ ($Na^{24}$): रक्ताभिसरणातील अडथळे व रक्तवाहिन्यांमधील गुठळ्या शोधण्यासाठी.

५. अणू विखंडन वि. अणू संमीलन (Nuclear Fission vs Fusion)

• अणू विखंडन (Nuclear Fission): जड अणूचे (युरेनियम/प्लुटोनियम) न्यूट्रॉनच्या माऱ्याने दोन हलक्या केंद्रकांमध्ये विभाजन होणे.
  उदा. अणुभट्टी (Nuclear Power Plant - तारापूर, महाराष्ट्र: भारतातील पहिली अणुभट्टी १९६९) आणि अणूबॉम्ब (Atom Bomb - ऑटो हान).
• अणू संमीलन (Nuclear Fusion): दोन हलकी केंद्रके (हायड्रोजन) एकत्र येऊन एक जड केंद्रक (हेलियम) तयार होणे.
  उदा. सूर्याची व ताऱ्यांची ऊर्जा निर्मिती आणि हायड्रोजन बॉम्ब (एडवर्ड टेलर).