ஒரு பொருளைத் தொட்டு அதன் வெப்பம் கூடுதலா குறைவா என ஒரு தோராயமான கருத்தை நாம் பெறலாம், ஆனால் தொடுகையால் உணரும் வெப்பநிலை துல்லியமானதோ எண் மதிப்பாகச் சொல்லக்கூடியதோ அல்ல. ஆகவே வெப்பநிலை என்பது ஒரு பொருளை அமைக்கும் துகள்களின் சராசரி இயக்க ஆற்றலின் (mean kinetic energy) ஓர் அளவீடு என்று வரையறுக்கின்றோம். துகள்களின் இயக்க ஆற்றல் கூடினால் வெப்பநிலை கூடும்; குறைந்தால் வெப்பநிலை குறையும்.
வெப்பநிலையை அளக்கும் கருவி வெப்பமானி. உலகின் முதல் வெப்பமானியை சுமார் கி.பி. 1600-இல் கலிலியோ கலிலி கண்டுபிடித்தார். கண்ணாடி-இரசக் கலன் (glass-mercury) வெப்பமானி −39°C முதல் 357°C வரை பயன்படும்; இரசம் சீராக விரிவடைவதாலும் நல்ல வெப்பக் கடத்தியாக இருப்பதாலும் பயன்படுத்தப்பட்டது, ஆனால் நச்சுத்தன்மை காரணமாக பயன்பாடு குறைந்துவருகின்றது. கண்ணாடி-மதுசாரம் (glass-alcohol) வெப்பமானி எத்தனோலின் உருகுநிலை −115°C ஆதலால் மிகக் குறைந்த வெப்பநிலைகளை அளக்க ஏற்றது. இலக்க (digital) வெப்பமானி விரிவாக்கத்திற்குப் பதிலாக மின்தடையை (resistance) பயன்படுத்தி வெப்பநிலையை நேரடியாகக் காட்டும்.
| அளவுகோல் | பனி உருகல் | நீர் கொதித்தல் |
|---|---|---|
| செல்சியஸ் (°C) | 0 | 100 |
| பாரன்ஹீட் (°F) | 32 | 212 |
| கெல்வின் (K) | 273 | 373 |
கெல்வின் அளவுகோலின் பூச்சியம் தனிமப் பூச்சிய வெப்பநிலையில் (absolute zero) வரையறுக்கப்படுகின்றது — துகள்களின் இயக்க ஆற்றல் பூச்சியமாகும் மிகக் குறைந்த வெப்பநிலை, −273.15°C. இதற்குக் கீழே வெப்பநிலையைக் குறைக்க முடியாது. 1 K வெப்ப வேறுபாடு = 1°C வெப்ப வேறுபாடு — இரண்டு அளவுகோல்களுக்கிடையே வேறுபாடு பூச்சியத்தின் தேர்வில் மட்டுமே.
சூடான இரும்புத் துண்டை குளிர்ந்த நீரில் இட்டால், இரும்பின் (உயர் வெப்பநிலை) வெப்பம் நீருக்கு (தாழ் வெப்பநிலை) பாயும் — நீரின் வெப்பநிலை கூடும், இரும்பின் வெப்பநிலை குறையும். இறுதியில் இரண்டின் வெப்பநிலையும் சமமாகும்போது வெப்பப் பாய்வு நிற்கும்; இந்நிலை வெப்பச் சமநிலை (thermal equilibrium). ஆகவே வெப்பம் (heat) என்பது இரு பொருள்களுக்கிடையேயான வெப்பநிலை வேறுபாட்டின் காரணமாக ஒன்றிலிருந்து மற்றொன்றுக்குக் கடத்தப்படும் ஆற்றல் — வெப்பம் எப்போதும் உயர் வெப்பநிலையிலிருந்து தாழ் வெப்பநிலைக்கே பாயும். அலகு ஜூல் (J).
வெப்பக் கொள்ளளவு (heat capacity, C): ஒரு பொருளின் வெப்பநிலையை ஓர் அலகால் ஏற்ற தேவைப்படும் வெப்பம் — அலகு J K⁻¹. இது பொருளின் நிறையையும் சடப்பொருளையும் சார்ந்தது. தன் வெப்பக் கொள்ளளவு (specific heat capacity, c): ஒரு அலகு நிறை (1 kg) கொண்ட பொருளின் வெப்பநிலையை ஒரு பாகையால் ஏற்ற தேவைப்படும் வெப்பம் — அலகு J kg⁻¹ K⁻¹. C = mc.
| சடப்பொருள் | c (J kg⁻¹ K⁻¹) |
|---|---|
| நீர் | 4200 |
| பனிக்கட்டி | 2100 |
| தேங்காய் எண்ணெய் | 2200 |
| அலுமினியம் | 900 |
| இரும்பு | 460 |
| செம்பு (copper) | 400 |
| இரசம் (mercury) | 140 |
| ஈயம் (lead) | 130 |
நீரின் c மிக உயர்ந்தது — அதனாலேயே கடல் நீர் மெதுவாகச் சூடாகி மெதுவாகக் குளிர்கின்றது; உடல் வெப்பநிலையைச் சீராக்க நீர் ஏற்றது.
Q — வெப்ப அளவு (J); m — நிறை (kg); c — தன் வெப்பக் கொள்ளளவு (J kg⁻¹ K⁻¹); θ — வெப்பநிலை மாற்றம் (K அல்லது °C, அளவில் இரண்டும் சமம்).
சடப்பொருள் திண்மம், திரவம், வாயு என மூன்று நிலைகளில் இருக்கலாம். வெப்பத்தை உறிஞ்சுவதாலோ வெளிவிடுவதாலோ ஒரு நிலையிலிருந்து மற்றொரு நிலைக்கு மாறுவதே நிலை மாற்றம் (change of state).
0°C-க்குச் சற்றுக் கீழே உள்ள பனிக்கட்டிக்கு வெப்பம் கொடுத்தால் முதலில் வெப்பநிலை 0°C வரை கூடும். அதன்பின் கொடுக்கும் வெப்பம் மூலக்கூறுகளுக்கிடையேயான கவர்ச்சி விசைகளை உடைக்கவே செலவாகின்றது — ஆகவே நிலை மாற்றத்தின்போது வெப்பநிலை மாறாது. இதுவே மறை வெப்பம் (latent heat): நிலை மாற்றம் நிகழும்போது வெப்பநிலையை மாற்றாமல் உறிஞ்சப்படும் (அல்லது வெளிவிடப்படும்) வெப்பம்.
| வகை | 1 kg க்கு |
|---|---|
| உருகலின் மறை வெப்பம் (fusion) — பனி → நீர் @ 0°C | 3.36 × 10⁵ J |
| ஆவியாதலின் மறை வெப்பம் (vaporisation) — நீர் → நீராவி @ 100°C | 2.26 × 10⁶ J |
ஒரு பொருள் உருகும்போது மறை வெப்பத்தை உறிஞ்சினால், அதே பொருள் உறையும்போது அதே அளவு மறை வெப்பத்தை வெளிவிடும்.
திரவம் வாயுவாக மாறுவது ஆவியாதல் (vaporisation); இது இரு வழிகளில் நிகழும் — கொதிநிலையில் திரவத்தினுள்ளும் நடக்கும் கொதித்தல் (boiling), அல்லது கொதிநிலைக்குக் கீழே மேற்பரப்பில் மட்டும் மெதுவாக நிகழும் உலர்தல் (evaporation). இரண்டிலும் மறை வெப்பம் உறிஞ்சப்படுகின்றது — வியர்வை உலர்வதால் நம் உடல் வெப்பநிலை சீராக்கப்படுவது இதற்கு எடுத்துக்காட்டு.
வெப்பநிலை கூடும்போது ஒரு பொருளின் பருமன் (நீளம், பரப்பு, கனவளவு) கூடுவதே வெப்பவிரிவு; குறையும்போது சுருக்கம் (contraction). திண்மம், திரவம், வாயு மூன்றுமே வெப்பத்தால் விரியும்; வாயுக்களே அதிகம் விரிவடைபவை.
திரவங்கள் சூடாக்கும்போது சோதனைக் குழாய் முதலில் விரிய திரவ மட்டம் சற்றுக் குறையும், பின் திரவம் கண்ணாடியை விட அதிகம் விரிவதால் மட்டம் மீண்டும் ஏறும் — இதுவே வெப்பமானிகளின் இயக்கக் கொள்கை.
வெப்பம் ஒரிடத்திலிருந்து மற்றொரிடத்திற்குச் செல்வதே வெப்பக் கடத்தல் — இது எப்போதும் உயர் வெப்பநிலையிலிருந்து தாழ் வெப்பநிலைக்கே நிகழும். மூன்று முறைகள் உள்ளன.
| முறை | எவ்வாறு | ஊடகம்? |
|---|---|---|
| கடத்தல் (Conduction) | துகள்கள் ஒன்றையொன்று மோதி இயக்க ஆற்றலைக் கடத்துதல்; உலோகங்களில் தடையற்ற இலத்திரன்களும் (free electrons) | தேவை — திண்மங்களில் முதன்மை |
| பரவுகை (Convection) | சூடான திரவம்/வாயு விரிந்து அடர்த்தி குறைந்து மேலெழும்; குளிர்ந்தவை கீழிறங்கும் | தேவை — திரவம், வாயு |
| கதிர்வீச்சு (Radiation) | மின்காந்தக் கதிர்களாக வெப்பம் பரவுதல் | தேவையில்லை (வெற்றிடத்திலும்) |
நல்ல கடத்திகள்: வெள்ளி, செம்பு, இரும்பு, இரசம், அலுமினியம் — தடையற்ற இலத்திரன்கள் காரணமாக. காப்பான்கள்: மரம், பிளாஸ்டிக், அஸ்பெஸ்ரஸ், களிமண், கம்பளி, காற்று; நீரும் மிகக் குறைந்த வெப்பக் கடத்தியே.
கருமை + சொரசொரப்பான பரப்புகள் கதிர்வீச்சை அதிகம் உறிஞ்சும்; பளபளப்பான + வெண்மைப் பரப்புகள் அதிகம் பிரதிபலிக்கும். தெர்மோஸ் குடுவையின் உட்புறம் வெள்ளி பூசப்படுவதும், கிரிக்கெட் வீரர்கள் பகலில் வெண்ணுடை உடுப்பதும் இதனாலேயே.