ഗ്രാനൈറ്റ് തറയും റബ്ബർ കാർപ്പെറ്റും- തണുപ്പിന്റെ കഥ

"ഗ്രാനൈറ്റ് തറയ്ക്ക് റബ്ബർ കാർപ്പറ്റിനെക്കാൾ തണുപ്പ് അനുഭവപ്പെടുന്നത് എന്തുകൊണ്ടാണ്?"
 
വായനക്കാരുടെ ശാസ്ത്ര സംശയങ്ങൾ ശേഖരിച്ചതിൽ നിന്നും കിട്ടിയൊരു ചോദ്യമാണിത്. (ഇനിയും ചോദ്യം ചോദിക്കാനാഗ്രഹിക്കുന്നവർ ബ്ലോഗിന്റെ വലത്തേ കോളത്തിൽ മുകളിലേയ്ക്ക് നോക്കൂ)
 
നിത്യജീവിതത്തിൽ ചില വസ്തുക്കൾ മറ്റ് വസ്തുക്കളെ അപേക്ഷിച്ച് തണുത്തിരിക്കുന്നതായിട്ടുള്ള അനുഭവങ്ങളിൽ നിന്നാണ് ഈ ചോദ്യം വന്നതെന്ന് വ്യക്തം. അങ്ങനെ തോന്നാത്തവർ തിരക്കൊഴിഞ്ഞ അടുക്കളിയിലേക്കൊന്ന് കയറി, സ്റ്റീൽ പാത്രം, ഗ്ലാസ്, അമ്മിക്കല്ല്, തടിപ്പെട്ടി, ഫ്രൈയിങ് പാനിന്റെ പിടി എന്നിങ്ങനെ അവിടെ കാണുന്ന ഓരോ വസ്തുക്കളിലായി തൊട്ടുനോക്കുക. സ്റ്റീൽ പാത്രം ഗ്ലാസിനെക്കാൾ തണുത്തിരിക്കുന്നു എന്ന് മനസിലാവും.
 
പക്ഷേ ഇവിടൊരു കുഴപ്പമുണ്ട്. സ്റ്റീൽ പാത്രവും ഗ്ലാസും ഫ്രൈയിങ് പാനും ഒക്കെ ഒരേ മുറിയിൽ കുറേ നേരം ഇരുന്നവയാണ് എങ്കിൽ അവ എല്ലാം ഒരേ താപനിലയിൽ തന്നെ ആയിരിക്കും എന്നതാണ് സത്യം. അവ ഒന്ന് മറ്റൊന്നിനെക്കാൾ തണുത്തതോ ചൂടുള്ളതോ ആയി നിൽക്കില്ല. പ്രകൃതിയിലെ അടിസ്ഥാന ഭൗതികനിയമമാണിത്– വ്യത്യസ്ത താപനിലയിലുള്ള വസ്തുക്കൾ ഒരുമിച്ച് വന്നാൽ അതിൽ ചൂട് കൂടിയതിൽ നിന്ന് കുറഞ്ഞതിലേയ്ക്ക് താപോർജം ഒഴുകുകയും അവയെല്ലാം ഒരേ താപനിലയിലേയ്ക്ക് വരികയും ചെയ്യും. മുറിയിൽ വെറുതേ വെച്ചിരിക്കുന്ന പക്ഷം ചൂടുചായ ‘തണുക്കുക’യും ഐസ് വാട്ടർ ‘ചൂടാവുകയും’ ചെയ്യുന്നത് അതുകൊണ്ടാണ്. ചായ അന്തരീക്ഷത്തിലേയ്ക്ക് ചൂട് കൊടുക്കുകയും ഐസ് വാട്ടർ ചൂട് അതിലേയ്ക്ക് വലിച്ചെടുക്കുകയും ചെയ്യും. ആത്യന്തികഫലം ഇവയെല്ലാം ഒരേ താപനിലയിലേയ്ക്ക് എത്തിച്ചേരും എന്നതായിരിക്കും. അങ്ങനെയെങ്കിൽ പോലും നിങ്ങൾ ലോഹപാത്രത്തിലും പ്ലാസ്റ്റിക് പാത്രത്തിലും തൊട്ടുനോക്കിയാൽ ലോഹപാത്രം കൂടുതൽ ‘തണുത്തിരിക്കുന്നു’ എന്ന കാര്യത്തിൽ നിങ്ങൾ തർക്കിക്കാൻ തയ്യാറാകുമെന്ന് ഉറപ്പാണ്. ഇവ രണ്ടും ഒരേ താപനിലയിലാണ് ഇരിക്കുന്നത് എന്ന കാര്യം സമ്മതിക്കാൻ ബുദ്ധിമുട്ടായിരിക്കും.
 
അപ്പോ എന്താണിവിടത്തെ പ്രശ്നം?
 
ഇവിടെ താപനില അഥവാ Temperature അല്ല, താപചാലകത അഥവാ Thermal conductivity എന്ന ഗുണവിശേഷമാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. 
 
താപവും താപനിലയും തമ്മിലുള്ള വ്യത്യാസം ആദ്യം മനസിലാക്കണം. താപം എന്നത് ഒരു ഊർജവും താപനില എന്നത് അതിന്റെ ഒരു ഫലവുമാണ്. Temperature is the ‘effect’ of heat energy. താപോർജം എന്നത് സത്യത്തിൽ ഒരു വസ്തുവിലെ കണങ്ങളുടെ ഗതികോർജം (kinetic energy) ആണ്. ഊർജം പകർന്ന് കിട്ടുമ്പോൾ ഒരു വസ്തുവിലെ കണങ്ങൾ അതിനനുസരിച്ച് ചലിയ്ക്കാൻ തുടങ്ങും. ഖരവസ്തുക്കളിൽ കണങ്ങളെല്ലാം ക്രമമായ രീതിയിൽ അടുക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നതിനാൽ, കണങ്ങളുടെ ചലനം എന്നത് ഒരു കമ്പനചലനമായിരിക്കും (Vibration). കണങ്ങൾ അവയുടെ സ്ഥാനത്തിരുന്ന് വൈബ്രേറ്റ് ചെയ്യും. എത്രത്തോളം കൂടുതൽ ഊർജം കിട്ടുന്നുവോ അത്രത്തോളം വേഗത്തിലായിരിക്കും കണങ്ങൾ കമ്പനം ചെയ്യുന്നത്. ഇങ്ങനെ ഒരു വസ്തുവിലെ കണങ്ങളുടെ കമ്പനത്തിന്റെ ഒരു ശരാശരി അളവാണ് നമ്മൾ താപനിലയായി അളക്കുന്നത്. രണ്ട് താപനിലയിലുള്ള വസ്തുക്കളുടെ ഉള്ളിൽ രണ്ട് അളവിലായിരിക്കും താപോർജം ഉള്ളത്. ഒന്നിൽ കണങ്ങൾ വളരെ വേഗത്തിലും മറ്റേതിൽ അവ പതിയെയും ആയിരിക്കും കമ്പനം ചെയ്തുകൊണ്ടിരിക്കുന്നത്. അവയെ തമ്മിൽ ചേർത്ത് വച്ചാൽ ഊർജം കൂടുതലുള്ള വസ്തുവിൽ നിന്ന് കുറഞ്ഞതിലേയ്ക്ക് ഊർജം ഒഴുകും. ഊർജം നഷ്ടപ്പെടുന്ന വസ്തുവിൽ കണങ്ങളുടെ വേഗത കുറയുകയും മറ്റേതിൽ അത് കൂടുകയും ചെയ്യും. രണ്ടിലും ഒരേ താപനില എത്തുന്നതുവരെ ഈ ഒഴുക്ക് നടക്കും. 
 
താപോർജത്തിന്റെ ഒഴുക്ക് കൊണ്ട് താപനില മാറുന്നു എന്നതാണ് പറഞ്ഞുവന്നത്. ഇനി ഈ ഒഴുക്കിന്റെ വേഗത കൂടി കണക്കിലെടുക്കണം. അതാണ് താപചാലകത എന്ന് അളക്കപ്പെടുന്ന ഗുണവിശേഷം. ഒരു വസ്തു അതിന് കിട്ടുന്ന താപോർജത്തെ അതിനുള്ളിലൂടെ കടത്തിവിടുന്നു എന്നതിനെയാണ് താപചാലക സ്വഭാവം എന്ന് പറയുന്നത്. നല്ല താപചാലകസ്വഭാവം ഉള്ള വസ്തുവിലെ കണങ്ങൾ തങ്ങൾക്ക് കിട്ടുന്ന ഊർജത്തെ ഉടൻ തന്നെ മറ്റ് കണങ്ങൾക്ക് പകർന്ന് കൊടുക്കുകയും പുറത്തെ ഊർജസ്രോതസ്സിൽ നിന്നും വീണ്ടും ഊർജം സ്വീകരിക്കുകയും ചെയ്യും. ഒരു ഓഡിറ്റോറിയത്തിൽ നിരന്നിരിക്കുന്ന ആളുകൾക്ക് ചായ കൊടുക്കുന്ന കാര്യം സങ്കല്പിച്ചാൽ മതി. ഒരു മൂലയിലിരിക്കുന്ന ഒന്നോ രണ്ടോ പേരുടെ കൈയിൽ ചായ കൊടുത്ത് ഉള്ളിലേയ്ക്ക് പാസ് ചെയ്ത് കൊടുക്കാൻ പറയുന്നു. ആദ്യം ചായ വാങ്ങുന്ന ആളുകൾ വേഗം വേഗം അത് അകത്തേയ്ക്ക് പാസ് ചെയ്തുകൊടുത്താൽ വളരെ വേഗം ചായ വിതരണം ചെയ്യപ്പെടും. താപോർജത്തിന്റെ കാര്യമാണെങ്കിൽ, വലിയ കണങ്ങളോ, വളരെ ശക്തമായി അടുക്കിയിരിക്കുന്ന കണങ്ങളോ ആണെങ്കിൽ അത്രയെളുപ്പത്തിൽ ഇങ്ങനെ ഊർജം വിതരണം ചെയ്യപ്പെടില്ല. അത്തരം വസ്തുക്കൾ മോശം താപചാലകമായിരിക്കും. പ്ലാസ്റ്റിക്, തടി തുടങ്ങിയ വസ്തുക്കൾ ഇക്കൂട്ടത്തിൽ പെടും. ലോഹങ്ങൾക്കാണ് ഇക്കാര്യത്തിൽ കേമത്തരം. ലോഹങ്ങളിൽ ഏതാണ്ട് സ്വതന്ത്രമായി സഞ്ചരിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾ ധാരാളമുണ്ട് എന്നതിനാൽ വളരെ വേഗം താപോർജം വിതരണം ചെയ്യപ്പെടും. ഇതേ കാരണം കൊണ്ട് തന്നെയാണ് ലോഹങ്ങൾ വൈദ്യുതിയ്ക്കും പ്രിയങ്കരമാവുന്നത്. ഒരു വസ്തുവിന് എത്രത്തോളം താപചാലക സ്വഭാവം ഉണ്ടോ അത്രത്തോളം എളുപ്പത്തിൽ അത് താപോർജം സ്വീകരിച്ച് അകത്തോട്ട് കടത്തിവിടും. നിങ്ങൾ ഒരു കാൽ തടിപ്പലകയിലും മറ്റേത് ഗ്രാനൈറ്റ് ടൈലിലും ചവിട്ടി നിന്നാൽ ഈ വ്യത്യാസമാണ് അനുഭവപ്പെടുന്നത്. ഗ്രാനൈറ്റിന് തടിയെക്കാൾ ഇരുപത് മടങ്ങ് താപചാലക ശേഷിയുണ്ട്. അത് വളരെ വേഗം നിങ്ങളുടെ കാലിൽ നിന്ന് താപോർജം വലിച്ചെടുത്ത് അതിനുള്ളിലേയ്ക്ക് വിതരണം ചെയ്യും. നിങ്ങളുടെ തലച്ചോറ് ആ കാലിൽ നിന്ന് ഊർജം നഷ്ടം വരുന്നത് മനസിലാക്കി ‘തണുക്കൽ’ എന്ന അനുഭവം ഉണ്ടാക്കും. കരയിൽ നിന്ന് വെള്ളത്തിലേയ്ക്ക് കാല് തൊട്ടാൽ മണ്ണിനെക്കാൾ പതിനഞ്ച് മടങ്ങ് ചാലകശേഷിയുള്ള വെള്ളവും നിങ്ങൾക്ക് തണുത്തതായി തോന്നും. വെള്ളി ലോഹമാണ് (silver) എറ്റവും നല്ല താപചാലകം, അതിന് തടിയെക്കാൾ മൂവായിരം മടങ്ങ് താപചാലക ശേഷിയുണ്ട്. അലമാര തുറന്ന് വെള്ളി ചെയിൻ കൈയിലെടുത്താൽ അത് നല്ല തണുത്തിരിക്കുന്നതായി തോന്നുന്നത് അതുകൊണ്ടാണ്. കുറേ നേരം അത് കൈയിൽ പിടിച്ചിരുന്നാൽ താപത്തിന്റെ ഒഴുക്ക് പതിയെ നിലയ്ക്കുകയും തണുപ്പ് എന്ന അനുഭവം മാറുകയും ചെയ്യും. വാതകങ്ങളാണ് ഏറ്റവും മോശം താപചാലകം. അവയുടെ കണങ്ങൾ തമ്മിലുള്ള അകലം വളരെ കൂടുതലായതിനാൽ അവയ്ക്കിടയിലുള്ള താപകൈമാറ്റം വളരെ ബുദ്ധിമുട്ടാണ്. (അത് ഒരു കണക്കിന് നന്നായി. ഇല്ലെങ്കിൽ നമ്മളെ പൊതിഞ്ഞ് നിൽക്കുന്ന അന്തരീക്ഷം ശരീരത്തിലെ താപം പെട്ടെന്ന് വലിച്ചെടുത്തേനെ)
 
അതായത്, വസ്തുക്കളെ തൊടുമ്പോൾ നമുക്ക് അനുഭവപ്പെടുന്നത് അവയുടെ താപനില മാത്രമല്ല, അവയുടെ താപചാലക ശേഷി കൂടെയാണ് എന്നർത്ഥം.