उष्णता संक्रमण

उष्णता संक्रमण : पदार्थांच्या अवस्थांतरात (वायू ⇌ द्रव ⇌ घन) व बहुसंख्य रासायनिक प्रक्रियांत उष्णता ऊर्जा बाहेर पडते किंवा ती शोषली जाते. अनेक उद्योगधंद्यांतील तसेच रासायनिक अभियांत्रिकीतील विविध प्रक्रियांत उष्णता द्यावी लागते किंवा काढून घ्यावी लागते किंवा एका ठिकाणाहून दुसर्‍या ठिकाणी न्यावी लागते. यालाच उष्णता संक्रमण असे म्हणतात. उष्णतेचा काटकसरीने व परिणामकारक उपयोग करण्याच्या दृष्टीने उष्णता संक्रमण कसे होते याचा अभ्यास महत्त्वाचा ठरतो. या अभ्यासामुळे ऊर्ध्वपातन (पदार्थाचे वाफेत रूपांतर करून तिचे द्रव स्थितीत परत रूपांतर करणे), बाष्पीभवन (द्रव स्थितीतून वायू स्थितीत रूपांतर करणे), शुष्कीकरण, शीतलन वगैरे प्रक्रियांत लागणार्‍या उष्णतेचा जास्तीत जास्त उपयोग कमीत कमी खर्चात करता येईल, अशा यंत्ररचना व योजना करणे शक्य झाले आहे. म्हणून रासायनिक अभियांत्रिकीत उष्णता संक्रमण या विषयाला विशेष महत्त्व आहे.

उष्णता संक्रमणाचे प्रकार : उष्णतेचे संक्रमण पुढील तीन प्रकारे होते : (१) संवहन, (२) संनयन, (३) प्रारण.

(१) संवहन : उष्णतेचे संवहन घन पदार्थात, विशेषत्वाने धातूंत होत असते. अशा पदार्थाची एक बाजू तापवली असता तेथील अणूंचा (वा रेणूंचा) संवेग (वस्तुमान X वेग) वाढतो व तो शेजारील अणूंना मिळत जाऊन, उष्णता अशा रीतीने अखेरीस दुसर्‍या बाजूस मिळते. प्रत्यक्ष तापलेला अणू एका ठिकाणाहून दुसर्‍या ठिकाणी जात नाही. उष्णता नेहमीच उच्च तपमानापासून नीच तपमानाकडे वाहत असते. तिच्या वाहण्याची त्वरा (किंवा दर अथवा वेग) खालीलप्रमाणे मांडतात :

उष्णतेस रेटणारी प्रेरणा ही उच्च व नीच तपमानांतील फरकाबरोबर असते व उष्णतेस होणारा रोध हा फूर्ये यांच्या उष्णता संवाहकतेसंबंधीच्या समीकरणावरून काढता येतो. हे समीकरण खाली दिले आहे.

येथे उ = उष्णता का = काल क = पदार्थाची उष्णता संवाहकता त_१, त_२ – दोन समोरासमोरील बाजूंचे तपमान, त_{१ >} त_२; क्षे = प्रत्येक बाजूचे क्षेत्रफळ; स = दोन बाजूंतील लंबांतर. समी. (२) हे समी. ( १ ) च्या स्वरूपात मांडल्यास

प्रत्येक घन पदार्थाची उष्णता संवाहकता भिन्न असते. संवाहकतेचे एकक

समी. (१) चे स्वरूप प्रवाही विद्युत् शास्त्रातील ओहम नियमाप्रमाणे आहे. तेथे विद्युत् प्रवाह, विद्युत् दाब व विद्युत् रोध असतो. येथे उष्णता प्रवाह (उष्णता वाहण्याची त्वरा), उष्णता दाब (उष्णता रेटण्याची प्रेरणा) व उष्णता रोध आहे. या साम्यामुळे, निरनिराळ्या उष्णता संवाहकता असलेले पदार्थ एकमेकांस खेटून ठेवल्यास त्यांचा एकूण उष्णता रोध, विद्युत् शाखेतील एकसरीत (एकापुढे एक) असलेल्या रोधांप्रमाणे काढता येतो. [→  उष्णता संवहन].

(२) संनयन : हे प्रामुख्याने द्रवरूप व वायुरूप पदार्थांत होत असते. या पद्धतीत उष्णतेने पदार्थातील अणू वा रेणू तापून ते हलके झाल्यामुळे वर जातात व थंड अणू त्यांच्या जडपणामुळे खाली सरकतात व अशा रीतीने उष्णतेचे संक्रमण होऊन सर्व पदार्थ तापला जातो.

तापलेल्या अणूंच्या गतीमुळे संनयन प्रवाह सुरू होतात. मोठ्या आकारमानाच्या द्रवातून उष्णता जाताना मोठे संनयन प्रवाह निर्माण होऊन उष्णतेचे संक्रमण संवहन व संनयन या पद्धतींनी होते [→ उष्णता संनयन].

वर वर्णन केलेल्या संनयन पद्धतीला नैसर्गिक संनयन पद्धती म्हणतात. तथापि तापत असलेल्या द्रवात कोणत्याही यांत्रिक पद्धतीने ढवळण्याची किंवा क्षुब्धता निर्माण करण्याची क्रिया सुरू केली तर जे संनयन होते त्याला प्रेरित संनयन म्हणतात. अशा प्रेरित संनयन पद्धतीत, तापवीत असलेल्या किंवा थंड होत चाललेल्या द्रवाच्या जवळील तपमानातील चढ-उतार व वितरण (वाटणी) हे द्रवाच्या वेग वितरणावर अवलंबून असते. तापवलेला द्रव एका धातूच्या नळीतून जात असताना, नळीच्या जाडीतून उष्णतेचे संक्रमण बाहेरील बाजूस खेळवलेल्या थंड द्रवात होत असते तेव्हा नळीच्या बाहेरील दोन्ही बाजूंस संक्षोभयुक्त प्रवाह कोठून सुरू होतात व तपमानातील चढ-उतार कसा असतो हे आ. १ मध्ये दाखवले आहे.

(३) प्रारण : प्रत्येक पदार्थ कोणत्याही तपमानात उष्णता ऊर्जा बाहेर फेकीत असतो व शोषण करीत असतो. पदार्थाचे तपमान आजूबाजूच्या दुसर्‍या पदार्थांच्या तपमानापेक्षा जास्त असेल, तर उष्णता बाहेर फेकण्याची क्रिया म्हणजे प्रारण जास्त होत असते व कमी असेल, तर शोषण क्रिया जास्त असते. पदार्थाचे व आजूबाजूचे तपमान सारखे असेल, तर प्रारण व शोषण क्रिया समतोल असतात. प्रारण विद्युत् चुंबकीय तरंगाचा आविष्कार असून हे कोणत्याही माध्यमाशिवाय होत असते. सूर्यापासून निघालेले असे प्रारण तरंग आंतरग्रहीय अवकाशातून येताना जेव्हा पृथ्वीच्या वातावरणाने व पृथ्वीवरील पदार्थांनी शोषले जातात तेव्हाच उष्णता निर्माण होते. यालाच ऊष्मीय प्रारण म्हणतात. यात ०·८ ते ४०० मायक्रॉन (१ मायक्रॉन = १०^-४ सेंमी.) तरंगलांबींचा समावेश असतो. रासायनिक उद्योगधंद्यात ती ०·८ ते २५ मायक्रॉनपर्यंत असते [→ उष्णता प्रारण].

एखाद्या पृष्ठभागावरून होणार्‍या प्रारणाचे मान व प्रकार त्याच्या तपमानवाढीनुसार वाढत जाते. प्रकाश व प्रारण दोन्ही विद्युत् चुंबकीय तरंगच असल्यामुळे प्रकाशाचे नियम प्रारणालाही लागू पडतात.

प्रारणासंबंधीचा श्टेफान-बोल्टस्‌मान यांचा महत्त्वाचा नियम खालील प्रमाणे आहे :

उ = अ ब त^४

येथे उ = दर तासास प्रारित केलेली उष्णता ऊर्जा, अ = प्रारण करणारे क्षेत्रफळ, ब = स्थिरांक, त = निरपेक्ष तपमान [→ केल्हिन निरपेक्ष तापक्रम]. कृष्ण पदार्थात (ज्या पदार्थाच्या पृष्ठभागावर पडलेले सर्वच्या सर्व विद्युत् चुंबकीय प्रारण परावर्तन न होता शोषले जाते अशा पदार्थात) ब चे मूल्य ५·७१ × १०^-५ अर्ग/[सेंमी.^२ × से.^२ ×(^०के.)^४], इतर पदार्थांच्या बाबतीत वरील समीकरणाला त्या त्या पदार्थाच्या उत्सर्जन क्षमतेच्या (बाहेर टाकण्याच्या क्षमतेच्या) मूल्याने गुणावे लागते.

कृष्ण पदार्थाचे तपमान त_२ असून सर्व बाजूंनी आच्छादित असलेल्या त_१ या तपमानाच्या आवरणात असेल, तर आवरणापासून कृष्ण पदार्थास मिळालेली उष्णता अखेर

क = अ ब (त_१^४ – त_२^४)

या समीकरणाने मिळते. ऊष्मीय प्रारणाच्या संक्रमणाबरोबर संवहन व संनयन या क्रियाही चालू असतात.

अतिशय तापलेले वायू (उदा., कार्बन डाय-ऑक्साइड, कार्बन मोनॉक्साइड, पाण्याची वाफ, हायड्रोकार्बने) थंड होत असताना मोठ्या प्रमाणात प्रारणामार्गे उष्णता फेकतात. यामुळे कोणत्याही उपकरणाला प्रत्यक्ष उष्णता देऊन तापवावयाचे झाल्यास त्याची रचना अशी करतात की, ज्यामुळे वायूच्या प्रारणानेही त्याला उष्णता मिळत राहील. सर्वसाधारणरीत्या उच्च तपमान असलेली उष्णता या प्रारणामार्गे सोप्या तर्‍हेने देता येते. पण प्रकाशाचे नियम प्रारणाला लागू पडत असल्यामुळे, जर प्रारणाच्या मार्गात अपारदर्शक वस्तू ठेवली, तर त्याची छाया तापवावयाच्या पदार्थांवर पडते व म्हणून प्रारणामार्गे पदार्थ तापविणे शक्य होत नाही. तप्त पदार्थापासून होणारे प्रारण सर्व दिशेने थंड पदार्थावर पडल्यास तो तापवणे शक्य असते म्हणजेच थंड पदार्थावर सर्व दिशेने उष्णता पडेल, अशी तप्त पदार्थाची रचना व बैठक आखली पाहिजे. तप्त पदार्थाची बैठक व रचना कशी करतात याची कल्पना आ. २ वरून येईल.

उष्णता संक्रमणाच्या मूलभूत क्रियांचा खुलासा वर केला आहे. रासायनिक अभियांत्रिकीत यंत्ररचना करण्यात याचा उपयोग कसा केला जातो हे स्पष्ट होण्यासाठी उष्णता संक्रमण उपकरणाचे वर्णन व आकृती (आ. ३) खाली दिली आहे.

या उपकरणाच्या कवचात (३) नळ्या (१) धरणारे पत्रे (२) बसवलेले असून द्रव आत घेणारे व बाहेर टाकणारे भाग (४) झाकणांनी (५) बंद केले आहेत. (८) या द्वारातून द्रव नळ्यांत सोडून, (६) या मार्गाने आलेल्या वाफेने ते तापवितात. नळ्या लांब व समांतर असून त्यांचे पृष्ठक्षेत्रफळ मोठे असते व नळ्यांतून मंद वेगाने द्रव जात असल्यामुळे उष्णतेचे संक्रमण लहान आयतन (घनफळ) असलेल्या तापकात होते. जेवढे पृष्ठक्षेत्रफळ मोठे तेवढे उष्णता संक्रमण जास्त. बहुमार्गी तापक व उष्णता विनिमयक (दोन द्रायू म्हणजे द्रव वा वायू पदार्थ एकमेकांत मिसळू न देता एका द्रायूकडून दुसर्‍याकडे उष्णता वाहून नेणारे साधन) यांच्या साहाय्याने उष्णतेचा काटकसरीने उपयोग करता येतो. उष्णता वाया जाऊ नये म्हणून, तिच्या निरोधनाकरिता ॲस्बेस्टस, बूच, लाकूड, प्लॅस्टिक फोम (वायू आत शिरवून तयार केलेला हलका व कोशमय प्लॅस्टिक पदार्थ) इ. वापरतात.

संदर्भ : 1. Badger, W. L.; Banchero, J. T. Introduction to Chemical Engineering, Tokyo, 1955.

2. McCabe, W. L.; Smith, J. C. Unit Operations of Chemical Engineering, Tokyo, 1956.

दीक्षित, व. चिं.