केल्व्हिन तापमानश्रेणी (Kelvin scale)

केल्व्हिन अथवा निरपेक्ष (absolute) तापमानश्रेणी प्रामुख्याने शास्त्रीय विषयात पदार्थांचे तापमान मोजण्यासाठी वापरण्यात येणारी तापमानश्रेणी आहे. ह्या तापमानश्रेणीचा प्रस्ताव लॉर्ड केल्व्हिन विल्यम टाॅम्सन (Lord Kelvin William Thomson) यांनी मांडला आणि ती वापरात आणली. त्यामुळे तिला केल्व्हिन तापमानश्रेणी म्हणतात. एखाद्या संहतीचे तापमान तिच्या घटकांच्या यादृछिक (random) हालचालींचे माप आहे. तापमान कमी केल्यास संहतीतील घटकांच्या हालचाली कमी होतात. केल्व्हिन तापमानश्रेणीमध्ये शून्य (0) केल्व्हिन तापमानात पदार्थातील घटकांची गती शून्य होते असे मानले जाते. ऊष्मागतिकीच्या नियमांनुसार शून्याहून कमी तापमान संभवत नाही. कारण संहतीच्या घटकांची हालचाल शून्याहून कमी असू शकत नाही. ऊष्मागतिकीमध्ये केल्व्हिन तापमानाचा वापर होतो.

सेल्सियस (celcius) तापमानश्रेणी ही सर्वसाधारण वापरातील दुसरी तापमानश्रेणी आहे. ही तापमानश्रेणी सुद्धा वैज्ञानिक विषयांत सुद्धा वापरली जाते. सेल्सियस तापमानात २७३ मिळवले की केल्व्हिन श्रेणीमधील मधील तापमान मिळते.

इतिहास : लॉर्ड केल्व्हिन यांनी १८४८ साली प्रसिद्ध केलेल्या “On an Absolute Thermometric Scale (ऑन ॲन ॲब्सॉल्युट थर्मोमेट्रिक स्केल)” या पत्रिकेत केल्व्हिनने प्रथम निरपेक्ष तापमानश्रेणीचा प्रस्ताव मांडलेला आहे. या पत्रिकेनुसार अपरिमित थंडी (infinite cold) म्हणजे शून्य डिग्री तापमान असे मानून निरपेक्ष तापमानश्रेणी निर्धारित केली. त्याने सेंटिग्रेड तापमानश्रेणीत हे तापमान –२७३ $\mul{^\circ}{C}$ मानले. त्यामागील कारण खाली दिलेले आहे. विरळ (dilute) वायूंच्या नियमांनुसार दाब स्थिर (constant) ठेवला असता दोन तापमानांमधील वायूच्या घनफळातील फरक आणि तापमानातील फरक हे समानुपाती असतात (वायूंचे नियम). प्रयोगांद्वारे असे आढळून येते की सर्व तरल वायूंचे घनफळ आणि तापमान यांचा आलेख काढल्यास हा वक्र तापमानाच्या अक्षाला –२७३ $^\circ$ $C$ तापमान असताना मिळतो. म्हणजेच जेव्हा वायूचे घनफळ शून्य होते तेव्हा सेंटिग्रडमधील तापमान –२७३ $\mul{^\circ}{C}$ असते. त्याचप्रमाणे विरळ वायूचे घनफळ स्थिर असल्यास तापमानात बदल करून वायूचा दाब बदलल्यास दाबातील बदल हा तापमानातील बदलाच्या समानुपाती असतो आणि दाब आणि तापमानाचा वक्र सुद्धा कमी तापमानाच्या दिशेस वाढवल्यास –२७३ $\mul{^\circ}{C}$ तापमानास तापमानाच्या अक्षास मिळतो. म्हणजे –२७३ $\mul{^\circ}{C}$ तापमानात वायूचा दाब शून्य होतो. त्याचाच अर्थ –२७३ $\mul{^\circ}{C}$ तापमानास वायूतील कणांची गतिज ऊर्जा शून्य होते. त्यामुळे केल्व्हिनने हे तापमान निरपेक्ष श्रेणीतील शून्य तापमान मानले. तसेच ज्या तापमानास पाणी गोठते ते निरपेक्ष तापमानश्रेणीतील तापमान २७३ मानले (सेल्सियस श्रेणीत हे तापमान ० $\mul{^\circ}{C}$ आहे). सेल्सियस आणि निरपेक्ष (केल्व्हिन) श्रेण्यांतील तापमाने समानुपाती असतात. त्यानंतर निरपेक्ष तापमानश्रेणीचे केल्व्हिन तापमानश्रेणी असे नामकरण करण्यात आले आणि या तापमानश्रेणीतील एककास $\mul{^\circ}{K}$ नाव देण्यात आले. १९५४ सालच्या वजने आणि मापे यांच्या सर्वसाधारण संमेलनात (General Conference on Weights and Measures – CGPM) पाण्याच्या त्रिक बिंदूला (triple point) २७३.१६ $\mul{^\circ}{K}$ मानण्याचे निश्चित केले. १९६७ च्या CGPM मध्ये केल्व्हिन तापमानाचे एककास $K$ असे संबोधण्याचे (म्हणजे $\mul{^\circ}{K}$ मधून $^\circ$ वगळण्याचे) निश्चित केले.

इतर तापमानश्रेण्या : केल्व्हिन तापमानश्रेणी जरी वैज्ञानिक कामांमध्ये वापरात असली तरी सेल्सियस आणि फॅरेनहाइट या दोन तापमानश्रेण्या सर्वसाधारण वापरात प्रचलित आहेत. फॅरेनहाइट श्रेणी मुख्यत्वेकरून अमेरिकेच्या संयुक्त राष्ट्र महासंघात प्रचलित आहे. इतर बहुतांश देशात सेल्सियस श्रेणी सामान्य वापरात रूढ आहे. सेल्सियस तापमानश्रेणीत पाण्याच्या त्रिक बिंदूचे तापमान $\mul{^\circ}{C}$ ठरवले असून पाण्याच्या उत्कलन बिंदूचे तापमान १०० $\mul{^\circ}{C}$ ठरवले आहे. फॅरेनहाइट श्रेणीत ही तापमाने अनुक्रमे ३२ $\mul{^\circ}{F}$ आणि २१२ $\mul{^\circ}{F}$ अशी निश्चित केली आहेत. एका तापमानश्रेणीतून दुसऱ्या श्रेणीत तापमान परिवर्तित करण्याची सूत्रे सोबतच्या चौकटीत दिलेली आहेत.

तापमाने परिवर्तित करण्याचा तक्ता

	केल्व्हिन	सेंटिग्रेड	फॅरेनहाइट
केल्व्हिन		[ $K$ ] = [ $\mul{^\circ}{C}$ ] + २७३.१६	[ $K$ ] = ([ $\mul{^\circ}{F}$ ] + ४५९.६७) ५/९
सेंटिग्रेड	[ $\mul{^\circ}{C}$ ]=[ $K$ ]–२७३.१६		[ $\mul{^\circ}{C}$ ]=([ $\mul{^\circ}{F}$ ]–३२)५/९
फॅरेनहाइट	[ $\mul{^\circ}{F}$ ]=[ $K$ ]९/५-४५९.६७	[ $\mul{^\circ}{F}$ ]=[ $\mul{^\circ}{C}$ ] ९/५+३२

वापर : केल्व्हिन तापमानश्रेणीचा वापर, अर्थातच वस्तूंचे तापमान मोजण्यासाठी होतोच. त्याव्यतिरिक्त इतर काही ठिकाणीही केल्व्हिन तापमानश्रेणीचा वापर खालीलप्रमाणे :

१. रंगांचे तापमान : निरनिराळ्या वस्तू विद्युतचुंबकीय लहरी उत्सर्जित करतात. या लहरींचा वर्णपट (spectrum) बराचसा कृष्णिकापंक्तीसारखा (black body spectrum) असतो. आणि कृष्णिकापंक्ती आणि कृष्णिकेचे तापमान (black body temperature) यांचा घनिष्ट संबंध आहे. अधिक तापमान असलेल्या कृष्णिकेमधून अधिक ऊर्जा (विद्युतचुंबकीय लहरींद्वारा) उत्सर्जित होते. या लहरींचा शिखरबिंदू (peak) तापमान वाढवल्यास कमी तरंगलांबीकडे, म्हणजेच अधिक वारंवारतेकडे (frequency) सरकतो. वेगवेगळ्या रंगांच्या वस्तूंकडून उत्सर्जित होणाऱ्या विद्युतचुंबकीय लहरींची तरंगलांबी वेगवेगळी असते. लाल रंगामधून उत्सर्जित होणाऱ्या लहरींची तरंगलांबी अधिक असते आणि जांभळ्या रंगातून उत्सर्जित होणाऱ्या लहरींची तरंगलांबी कमी असते. म्हणून विशिष्ट रंगाचा विशिष्ट तापमानाशी संबंध जोडता येतो. रंगाच्या तापमानाचा खगोलशास्त्रात (हर्झस्प्रंग–रसेल रेखाकृती) आणि छायाचित्रणपद्धतीत वापर होतो. उदा., अधिक रंग तापमान असलेली छायचित्रे निळसर असतात तर कमी रंग तापमान असलेली छायाचित्रे तांबुस असतात.

२. इलेक्ट्रॉनिकी कुरव (noise) आणि तापमान : इलेक्ट्रॉनिक परिपथांमध्ये (circuits) संकेत (signal) नसतानासुद्धा विद्युतप्रवाह (current) वाहात असतो. या प्रवाहास इलेक्ट्रॉनिकी कुरव (noise) असे म्हणतात. या प्रवाह प्रामुख्याने परिपथाचे विविध भाग त्यांच्या तापमानामुळे निर्माण होणाऱ्या औष्णिक क्षोभामुळे निर्माण होतो. या कुरवाला जॉन्सन-नायक्विस्ट कुरव (Johnson-Nyquist noise) असे म्हणतात. हा कुरव तापमानावर अवलंबून असल्याने त्याचा आयाम (amplitude) तापमानश्रेणीत दर्शवता येते. त्यासाठी केल्व्हिन तापमानाचा वापर होतो.

ऋण तापमान : केल्व्हिन तापमानश्रेणीत संहतीचे तापमान तिच्या घटकांच्या हालचालीवर अवलंबून असते. हालचाल कमी झाल्यास संहतीचे तापमान कमी होते. म्हणजे संहतीच्या घटकांची हालचाल बंद झाल्यावर केल्व्हिन तापमानश्रेणीत तिचे तापमान शून्य होते. या युक्तिवादानुसार शून्याहून कमी म्हणजेच उणे तापमान संभवत नाही. संहतीच्या घटकांच्या हालचालींचे वर्णन अनाधुनिक स्थितिगतिशास्त्राद्वारे करता येत असल्यास वरील युक्तिवाद पूर्णपणे लागू आहे. परंतु संहतीच्या घटकांच्या हालचालींचे वर्णन पुंज स्थितिगतिशास्त्राद्वारे होत असल्यास शून्याहून कमी अथवा ऋण तापमानाची कल्पना करता येते. त्यासाठी तापमानाची व्याख्या बदलावी लागते. संहतीचे तापमान हे संहतीतील घटकांच्या गतिज ऊर्जेचे माप समजले जाते. परंतु ऊष्मागतिकीचे नियम वापरून तापमानाची नवीन व्याख्या करता येते. या नियमांनुसार संहतीचे तापमान हे संहतीच्या अंतर्गत ऊर्जेतील एन्ट्रॉपीसापेक्ष बदलाच्या व्यस्त प्रमाणात असते. म्हणजेच अंतर्गत उर्जेच्या एन्ट्रॉपीसापेक्ष विकलजाद्वारे (derivative with respect to entropy) तापमानाची व्याख्या केली जाते. उदाहरणार्थ संहतीचे तापमान ( $T$ )

$T = [\frac{1}{\frac{dU}{dS}}]$

इथे $U$ आणि $S$ हे अनुक्रमे अंतर्गत ऊर्जा (Internal Energy) आणि एन्ट्रॉपी (Entropy)आहे. साधारणपणे अंतर्गत ऊर्जेत वाढ झाल्यास एन्ट्रॉपीमध्येसुद्धा वाढ होते आणि त्यामुळे तापमान धन असते. बहुतांश पुंज (क्वांटम; Quantum) संहतींमध्ये सुद्धा असेच असते. परंतु जर अंतर्गत ऊर्जेच्या वाढीबरोबर एन्ट्रॉपीमध्ये घट होत असेल तर ऊष्मागतिकीतील व्याख्येनुसार तापमान ऋण होते. संहतीतील घटकांच्या उर्जेत ऊर्ध्वमर्यादा असेल तर असे होऊ शकते. उदा., दोन ऊर्जा पातळ्या असलेल्या घटकांची संहित्या. अशा संहत्यांमध्ये अंतर्गत ऊर्जा विशिष्ट प्रमाणाहून अधिक झाली की उर्जेच्या वाढीमुळे संहतीच्या एन्ट्रॉपीमध्ये घट होते. त्यामुळे वरील व्याख्येनुसार अशा संहत्यांमध्ये तापमान ऋण होते (ऋण तापमान)

ऋण तापमान असलेल्या संहतीचे उत्कृष्ट उदाहरण म्हणजे लेझर. लेझरची संरचना त्यामधील वायू अथवा स्फटिकाच्या रेणूंमधील दोन ऊर्जापातळ्या महत्त्वाच्या असतात. लेझरचे किरण उत्सर्जित होण्याआधी लेझरमधील अधिक ऊर्जापातळीत कमी ऊर्जापातळीपेक्षा जास्त रेणू असतात. या स्थितीचे ऋण तापमानाद्वारे वर्णन करता येते (लेझर).

कळीचे शब्द : #वायूंचेनियम #ऋणतापमान #ऊष्मागतिकी #इलेक्ट्रॉनिकीकुरव

संदर्भ :