उष्णता संनयन

उष्णता संक्रमणाच्या (वाहून नेण्याच्या) तीन पद्धतींपैकी एक पद्धत. प्रवाही पदार्थ (द्रायू म्हणजे द्रव किंवा वायू) मुख्यतः संनयनाने गरम होतात. ही पद्धत उष्णता संवहन (माध्यमाच्या कणांची हालचाल न होता एका कणाकडून दुसर्‍या कणाकडे उष्णता वाहून नेली जाणे) अगर प्रारण (तरंगरूपी ऊर्जेचे उत्सर्जन) याहून अगदी भिन्न व स्वतंत्र आहे. [ उष्णता संवहन; उष्णता प्रारण]. तत्त्वतः संनयन म्हणजे तप्त पृष्ठ व त्याच्याशी संलग्न असलेला द्रायू यांमधील उष्णता ऊर्जेची देवाणघेवाण होय.

उष्णतेचे संनयन दोन प्रकारांनी होते : (१) नैसर्गिक वा मुक्त संनयन : यात एखाद्या गरम वस्तूशेजारी असलेल्या द्रायूच्या तप्त स्तराची घनता आसपासच्या थंड स्तराच्या मानाने कमी झाल्याने, त्या तप्त स्तरास उत्प्रणोदन (वर नेणारी) प्रेरणा मिळते व तो वर सरकतो. त्याची जागा आसपासच्या थंड स्तराने व्यापिली जाते. (२) प्रेरित संनयन : यात बाह्य साधनाने तप्त पृष्ठावरून वायूचा प्रवाह सोडल्याने संनयन होते. ह्या दोन्ही प्रकारांत द्रायूचा प्रवाह स्तरयुक्त असतो.

द्रायूच्या हवेत थंड होण्याच्या क्रियेचे राश्यात्मक स्वरूप कळण्यासाठी न्यूटन यांनी समीकरण सुचविले आहे; त्यास न्यूटन यांचा शीतलीकरणाचा सिद्धांत, असे नाव आहे. तो असा :

q = hA ( ts - tf )

यात q दर सेकंदास वाहणारी उष्णता, A उष्णतावाहक दिशेस लंब असलेले क्षेत्रफळ, h संनयनाने होणार्‍या उष्णता संक्रमणाचा गुणांक व tsपृष्ठाचे आणि tf द्रायूचे तपमान दर्शवितात.

मुक्त संनयन : या क्रियेचे उत्तम उदाहरण म्हणजे भोवताली असलेल्या थंड व स्थिर वातावरणात एखाद्या उभ्या तप्त पृष्ठाचे निवणे. पृष्ठाशेजारी कमी घन असलेली हवा पलीकडील शीत व अधिक घन हवेच्या उत्प्रणोदकतेमुळे वर ढकलली जाते. पृष्ठाजवळील काही उंचीवर असे आढळेल की, पृष्ठास समांतर असा हवेच्या गतीचा प्रत्यक्ष वेगबदल पृष्ठाच्या शेजारी शून्य असतो, पुढे वाढत जाऊन कमाल होतो व त्यानंतर कमी होत शेवटी शून्य होतो. परंतु पृष्ठाच्या आसपासच्या हवेचे तपमान तप्त पृष्ठाजवळ कमाल असते व तेथून हळूहळू कमी होत ते अखेरीस पृष्ठापासून दूर असलेल्या हवेच्या तपमानाइतके होते. हवेचा वेगबदल व तपमानबदल परस्परांशी संबंधित असतात व ते ज्या वायुभागात घडतात त्या भागास सीमास्तर म्हणतात. तप्त पृष्ठ व आसपासची हवा यांमधील ऊर्जा संक्रमणाचा संपूर्ण विचार करता असे आढळते की, तप्त पृष्ठास अगदी चिकटून असलेला हवेचा पातळ थर संवहनामुळे तापतो व त्याची कोणतीही हालचाल होत नाही. त्याच्या पलीकडे पृष्ठापासून थोड्या अंतरावर असलेल्या हवेचा वेग परिमित होतो व संवहनाने मिळालेल्या उष्णतेचा काही भाग संनयनाने पृष्ठास समांतर असा वाहतो.

प्रेरित संनयन : एखाद्या तप्त दंडगोलाच्या वक्र पृष्ठावरून हवेचा प्रवाह सोडला, तर प्रेरित संनयन होते; काही थोड्या प्रमाणात मुक्त संनयनही होऊ शकेल पण त्याचे प्रमाण प्रेरित संनयनाशी तुलना करता फार कमी व म्हणून उपेक्षणीय असते. परंतु ऊर्जेची देवाण-घेवाण मुक्त संनयनात चालते त्याच पद्धतीने प्रेरित संनयनातही चालते; मुख्य फरक असा की, द्रायूचा कमाल वेग सीमास्तराच्या बाहेरील कडेस असतो व म्हणून सीमास्तर पातळ असतात.

द्रायूची संनयनक्षमता त्याच्या पुढील गुणांवर अवलंबून असते : श्यानता (द्रव वा वायू पदार्थातील अंतर्गत घर्षण, चिकटपणा) μ, स्थिरदाबाची उष्णता-धारिता Cp व उष्णता संवहन गुणांक K.

μCp/K = μ/K/Cpया गुणोत्तरास प्रांट्ल अंक Npr असे म्हणतात. Npr चे मूल्य कमी असलेले द्रव धातूसारखे द्रायू संनयनाने होणार्‍या उष्णता संक्रमणाच्या दृष्टीने, अधिक प्रभावी ठरतात. उष्ण अगर थंड सीमास्तरातील द्रायू समताप पृष्ठावरून वाहू लागला म्हणचे त्याचे तपमान हळूहळू पृष्ठाच्या तपमानाइतके होऊ लागते; त्यामुळे द्रायूतील पृष्ठालगतच्या तपमानाचा चढ अगर उतार आणि संनयनाची त्वरा, द्रायूच्या ओघाच्या दिशेस कमी होत जातात. स्थानीय उष्णता संक्रमण गुणांक h सारखा बदलत असल्याने (उदा., २६° से. तपमान असलेला हवेचा ओघ ०° से. तपमान असलेल्या सपाट पृष्ठावरून जाऊ लागल्यास स्थानीय उष्णता संक्रमण गुणांक जवळजवळ दहाने बदलतो) व्यवहारात सरासरी उष्णता संक्रमण गुणांक वापरण्याचा प्रघात आहे व तो अधिक उपयोगी ठरतो. उष्णता संक्रमण पृष्ठावर h चे समाकलन [एक गणितीय कृत्य, अवकलन व समाकलन] करून त्यास पृष्ठाच्या क्षेत्रफळाने भागले असता सरासरी उष्णता संक्रमण गुणांक मिळतो.

संक्षोभयुक्त ओघांत होणारे संनयन स्तरयुक्त ओघांमध्ये होणार्‍या पद्धतीचेच असते, परंतु त्यात उष्णता संक्रमाणाची त्वरा अधिक असते; कारण संक्षोभयुक्त ओघात, बदलल्या वेगघटकांमुळे देवघेव मोठ्या प्रमाणात होत असल्याने, मुख्य प्रवाहाच्या दिशेच्या लंब दिशेने होणारे ऊर्जा संक्रमण जोराने वाढते.

उकळण्याच्या क्रियेत होणारे ऊर्जा संक्रमणही संनयनानर आधारित असते. उदा., उष्ण पृष्ठभाग व त्यापासून किंचित दूर असा द्रायू यांमधील तपमानाचा फरक उकळण्याच्या क्रियेतील एक घटक असून तो महत्त्वाचा समजला जातो. फरक सु. ५० से. असला, तर द्रायू संनयनाने अतितप्त होत असतो. फरक अधिक वाढला तर तप्त पृष्ठभागावर बुडबुडे तयार होतात व हलके असल्याने ते वर सरकतात; यामुळे होणार्‍या ढवळण्याच्या क्रियेने उष्णता संक्रमण नुसत्या संनयनाने होणार्‍या संक्रमणाहून अधिक होते.

खूप वेगाने होत असलेले उड्डाण अगर पृष्ठावरील प्रवाह यात संनयनामुळे होणार्‍या उष्णता संक्रमणास ‘वायुयामिक तापन’ असे नाव आहे. द्रायूच्या गतिज ऊर्जेचे अंतर्गत ऊर्जेत रूपांतर झाल्याने हे तापन होते. एकतर आघातामुळे होणार्‍या संपीडनाने (दाबला गेल्याने) वायूचे तपमान वाढते व त्याखेरीज पृष्ठास लागून असलेल्या सीमास्तरात होणार्‍या गतिज ऊर्जेचा घर्षणयुक्त र्‍हास झाल्यानेही तपमानात वाढ होते.

वातावरणविज्ञानात संनयनाचे महत्त्व फार आहे. कारण वातावरणात होणार्‍या उष्णता संक्रमणात प्रारण अल्प असून संवहन उपेक्षणीय असते व म्हणून संनयन हेच उष्णता संक्रमणाचे विशेष साधन ठरते. हवेतील सगळ्यात खालचे थर तापलेल्या जमिनीशी संलग्न असल्याने तापतात व वरच्या थरांच्या मानाने हलके होऊन वर सरकतात आणि अशा रीतीने मुक्त संनयन घडते. याच तत्त्वावर घरात हवा खेळती राहते. उंच पण तप्त भूभागांच्या पृष्ठांवरून हवा वाहल्यामुळे प्रेरित संनयन होते. आर्द्र हवेत संनयनाने राशीमेघ (पाया सामान्यतः क्षितिज समांतर व वरचा भाग घुमटाकार असलेले जाड मेघ) निर्माण होतात. आर्द्र वा कोरड्या हवेत निर्माण झालेले जोरदार ऊर्ध्ववाही (उभ्या दिशेने वाहणारे) प्रवाह विमान वाहतुकीत धोका उत्पन्न करतात, निदान प्रवाश्यांना त्यांचा त्रास झाल्याखेरीज रहात नाही. उंच उडणारे पक्षी व ग्‍लायडर चालक संनयनाने हवेत निर्माण झालेल्या प्रवाहांचा फायदा घेऊन आकाशात खूप उंचीवर जाऊ शकतात. मर्यादित जागेत खूप उंचीपर्यंत फार जोराचे संनयन झाल्याने वादळ निर्माण होते. कमी प्रमाणात संनयन झाल्यास धुळीची वावटळ निर्माण होते. वार्‍याचा वेग मोजण्यासाठी वापरण्यात येणार्‍या तप्ततंतू पवनवेगमापकामध्ये संनयनाचा उपयोग होतो. तत्पतंतूवरून जाणार्‍या हवेच्या प्रवाहामुळे तंतूचे तपमान कमी होते या तत्त्वावर ह्या पवनवेगमापकाची रचना आधारलेली आहे [  पवनवेगमापन].

लेखक : श्री.द.भावे

स्त्रोत : मराठी विश्वकोश