தொன்னை வழிவகுத்தல் (Thermal Conductivity)

 தொன்னை வழிவகுத்தல் என்பது வெப்ப இயக்கவியலின் (Thermodynamics) முக்கியமான கருத்துகளில் ஒன்றாகும். இது ஒரு பொருளின் வெப்பத்தை எவ்வாறு பரிமாற்றம் செய்யும் என்பதை அளவிடும் பரிமாணமாகும். எளிமையாகச் சொன்னால், இது ஒரு பொருளின் வெப்ப ஆற்றலை மற்றொரு பகுதிக்கு பரிமாற்றுவதற்கான திறன் அல்லது அதன் திறன் என்று கூறலாம். பொருள் ஒன்று வெப்பத்தை எவ்வாறு கடத்துகிறது என்பதனை விளக்குவதற்கு “தொன்னை வழிவகுத்தல்” ஒரு முக்கியக் கருதாகும்.

தொன்னை வழிவகுத்தல் என்றால் என்ன?

தொன்னை வழிவகுத்தல் ($k$) என்பது ஒரு பொருளின் வெப்பத்தை அதன் பொருளின் அகவை (temperature gradient) மற்றும் வெப்ப பரிமாற்றத்தை அடிப்படையாகக் கொண்டு பரிமாற்றம் செய்யும் திறனை குறிக்கின்றது. பொதுவாக, இது ஒரு பொருளின் வெப்ப ஆற்றலை பரிமாற்றம் செய்யும் திறன் ஆகும்.

என்பது ஒரு பொருளின் வெப்ப ஆற்றலைச் சொல்வதில் முக்கியத்துவம் உடையது. சிறந்த வெப்ப வழிவகுத்தல் கொண்ட பொருட்கள் விரைவாக வெப்பத்தை பரிமாற்றம் செய்கின்றன, அதேபோல் குறைந்த வெப்ப வழிவகுத்தல் கொண்ட பொருட்கள் வெப்பத்தை மெல்ல விரிந்த வகையில் பரிமாற்றம் செய்கின்றன.

தொன்னை வழிவகுத்தல் மற்றும் வெப்ப இயக்கவியல்

தொன்னை வழிவகுத்தல் வெப்ப இயக்கவியலின் மிக முக்கியமான அளவுருவாகும், ஏனெனில் இது வெப்ப பரிமாற்ற செயல்களில் உள்ள பொருளின் தன்மைகளை தீர்மானிக்க உதவுகிறது. வெப்ப பரிமாற்றம் என்பது மூன்று வகைகளில் நடைபெறும்:

1. தொன்னை வழிவகுத்தல் (Conduction): வெப்பம் வெப்பசுழற்சிகளுக்குள் பரிமாற்றம் செய்யப்படுகிறது.

2. வெப்ப வெளியீடு (Convection): வெப்ப ஆற்றல் மூலமாக இடைவெளியைக் கடந்து பரிமாற்றம் செய்யப்படுகிறது.

3. கதிர்வேகை (Radiation): வெப்ப அலைகள் கதிர்வீச்சின் மூலம் பரிமாற்றமாகும்.

தொன்னை வழிவகுத்தல் என்பது வெப்ப பரிமாற்றத்திற்கு தேவையான முக்கியமான வழிமுறையாகும்.

வெப்ப பரிமாற்றச் சமன்பாடு

ஒரு பொருளின் வெப்ப பரிமாற்றத்தை விவரிக்க, நாங்கள் Fourier's Law of Heat Conduction (பூமி சூழ்நிலைக்கு திருத்தம் செய்யப்பட்ட கோடை வழிவகுத்தலின் சட்டம்) பயன்படுத்துகிறோம். இந்த சமன்பாடு, பொருளின் வெப்ப பரிமாற்றம் மற்றும் அதன் வழிவகுத்தல் தன்மையை அறிவது ஆகும்:

$$Q = -k A \frac{\Delta T}{L}$$

இங்கு:

• $Q$ = வெப்ப பரிமாற்றம் (Heat transfer, W),

• $k$ = தொன்நை வழிவகுத்தல் ($\text{Thermal Conductivity}$),

• $A$ = பரப்பளவு (Area, m²),

• $\Delta T$ = வெப்ப மாறுதல் (Temperature difference, K or °C),

• $L$ = பொருளின் நெருக்கமான தூரம் (Thickness of the material, m).

இந்த சமன்பாடு மூலம், வெப்ப பரிமாற்றத்தில் உட்படும் பொருளின் குறிகோள் மற்றும் வெப்ப மாற்றங்கள் எப்படி நடக்கும் என்பதை தீர்மானிக்க முடியும்.

தொன்னை வழிவகுத்தலின் காரணங்கள்

ஒரு பொருளின் தொன்னை வழிவகுத்தல் அதன் இயற்கை, அமைப்பு மற்றும் அணுகலின் அடிப்படையில் மாறும். இங்கே சில காரணிகள் கொடுக்கப்பட்டுள்ளன:

1. பொருளின் அமைப்பு: சில பொருட்கள் தங்களின் அணுக்களின் இடையே அதிக அளவிலான உறவுகளை ஏற்படுத்துகின்றன, அதனால் வெப்பம் அவற்றின் மூலம் விரைவாக கடத்தப்படுகின்றது. உதாரணமாக, உலோகங்கள் (metals) என்பவை அதிக வெப்ப வழிவகுத்தல் கொண்டவை.

2. அணுக்களின் அளவு மற்றும் அமைப்பு: அணுக்கள் அல்லது அணு சேர்மங்களின் அமைப்பு வெப்ப பரிமாற்றத்திற்கு எப்படி வழிவகுக்கின்றன என்பதை தீர்மானிக்கிறது. குறைந்த அளவிலான அணுக்களின் பொருட்கள் வெப்பத்தை நம்பிக்கையாக பரிமாற்றம் செய்யும்.

3. பொருளின் வெப்ப மாறுதல்: வெப்ப மாறுதல், ஒரு பொருளின் நுழைவதற்கு அல்லது வெளியே செல்லும் வெப்பம் அளவிடும்போது, அதன் வழிவகுத்தல் திறனை மிகப்பெரிய அளவிலான மாற்றங்களில் மாற்றுகிறது.

4. விண்ணப்பத்திற்குரிய பரப்பளவு: பரப்பளவு அளவு, வழிவகுத்தல் திறனை மாற்றுகிறது. அதிக பரப்பளவு உள்ள பொருள்கள் வெப்பத்தை விரைவாக பரிமாற்றம் செய்யும்.

வெப்ப வழிவகுத்தலின் மாதிரிகள்

பல பொருட்களின் வெப்ப வழிவகுத்தலின் அளவுகளுக்கான மாதிரிகள் கீழே கொடுக்கப்பட்டுள்ளன:

பொருள்	வெப்ப வழிவகுத்தல் ($k$, W/m·K)
அசுத்தம் (Copper)	398
அலுமினியம் (Aluminum)	237
இரும்பு (Iron)	80
தண்ணீர் (Water)	0.606
காகிதம் (Paper)	0.04
காற்று (Air)	0.025

இந்த அட்டவணை, வெப்ப பரிமாற்றத் திறன் (thermal transfer rate) மற்றும் எந்த பொருளுக்கு எந்த அளவிலான வெப்ப வழிவகுத்தல் உள்ளது என்பதை வெளிப்படுத்துகிறது.

வெப்ப வழிவகுத்தலின் பயன்பாடுகள்

1. தொழில்நுட்ப பயன்பாடுகள்: வெப்ப மாற்ற செயல்களில், குறைந்த அல்லது அதிக வெப்ப வழிவகுத்தல் முக்கியமான பங்கு வகிக்கின்றது. சூடான பொருட்கள் மற்றும் பரிமாற்றங்களின் வடிவமைப்புகளில் வெப்ப வழிவகுத்தல் பெரும்பாலும் பொதுவானது.

2. போகைகள் மற்றும் கட்டமைப்புகள்: பரிமாற்றக் குளிர்ச்சியுடன் கூடிய பொருட்கள், வெப்ப வழிவகுத்தல் மிக முக்கியமானது. வேதியியல் கலந்த செயல்களில் மற்றும் வானிலை மற்றும் சூழலியல் அடிப்படையில் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

3. எரிபொருள் தொழில்நுட்பம்: எரிபொருளின் சூடான சுழற்சியில், வெப்பம் மிக வேகமாக பரிமாற்றப்பட வேண்டும். இது, மிகவும் வழிவகுத்தல் பெற்ற பொருள்களை பயன்படுத்துவதை உறுதி செய்யும்.

4. எலெக்ட்ரானிக்ஸ்: அதேபோல், மின்தொழில்நுட்பங்களிலும், உயர் வெப்ப வழிவகுத்தல் பொருட்கள் மிக முக்கியமான பங்கு வகிக்கின்றன, ஏனெனில் மின்சாரம் கடத்தும் போது வெப்பம் அதிகரிக்கலாம்.

தொன்னை வழிவகுத்தல் மற்றும் பொருள் மாறுதல்

பொருளின் வெப்ப வழிவகுத்தல், அதன் வேறுபாட்டை எதிர்பார்க்கின்றது. எவனும் ஒரு பொருளின் வழிவகுத்தல் திறனை அதிகரிக்கும்போது, அதன் அணுக்களின் அமைப்பு மாறுவதன் மூலம் குறைந்தது.

முடிவுரை

தொன்னை வழிவகுத்தல் என்பது வெப்ப இயக்கவியலின் அடிப்படை அமைப்புகளுள் ஒன்றாகும். இது வெப்ப பரிமாற்றத்தைத் தீர்மானிக்க உதவும் முக்கியமான கருதாகும். பொருளின் வெப்ப வழிவகுத்தல் அந்த பொருளின் திறன் மற்றும் அதன் பொருளின் பரிமாற்றங்களை மிக முக்கியமானதாக ஆக்குகின்றது. இயற்கை மற்றும் தொழில்நுட்ப அமைப்புகளில் இந்த கருத்து பெரும்பாலும் பயன்படுகிறது, குறிப்பாக வெப்ப சக்தி, நீடித்த செயல்பாடுகள், மற்றும் பரிசோதனைகள்.