तापमान, ऊर्जा आणि फोनॉन्स

आपण ज्या गोष्टीला तापमान म्हणतो ते प्रत्यक्षात पदार्थातील अणू–रेणूंच्या हालचालीचं मापन असतं. तापमान वाढलं म्हणजे अणू-रेणू अधिक वेगाने हलू लागले आहेत, त्यांची सरासरी गतिक ऊर्जा वाढली आहे. त्यामुळे तापमान म्हणजे ऊर्जा किती आहे याचं मापन आहे.

पदार्थाच्या अवस्थेनुसार ही हालचाल वेगवेगळी दिसते.  उदाहरणार्थ,

• वायू : रेणू पूर्ण मोकळेपणाने इकडे-तिकडे धावतात, आणि प्रसरण पावतात.

• द्रव : रेणू थोड्या बंधनात असतात पण सतत एकमेकांभोवती फिरत राहतात, आणि तरीही प्रसरण पावतात पण वायूंपेक्षा कमी.

• घन : अणू बऱ्याचदा विशिष्ट रचनेमध्ये (लॅटिसमध्ये) ठराविक जागी बसलेले असतात; जे इतर अवस्थांप्रमाणे त्यांची जागा सोडू शकत नाहीत पण सतत कंपन (vibration) करतात. वाढत्या तापमानासोबत कंपनांची व्याप्ती (amplitude) वाढत जाते आणि अशाप्रकारे घन पदार्थ तापवल्यास प्रसरण पावतात.

आपल्याला हे तर माहित असेलच की, जेव्हा तापमान वाढते तेव्हा घन पदार्थ द्रव पदार्थात बदलतात आणि तापमान वाढल्यावर द्रव पदार्थ वायूंमध्ये बदलतात. कारण जेव्हा तापमान वाढते तेव्हा, कण अधिक ऊर्जा मिळवतात - प्रथम घन पदार्थांमधील स्थिर स्थानांपासून मुक्त होऊन द्रव म्हणून प्रवाहित होतात. पुढील उष्णता वाढल्याने, कण सर्व बलांवर मात करत मुक्तपणे हालचाल करतात, ज्यामुळे द्रव पदार्थ वायूंमध्ये बदलतात.

घन पदार्थातील अणूंच्या या कंपनांमधून निर्माण होणाऱ्या तरंगांना फोनॉन्स (phonons) म्हणतात. हे फोनॉन्स म्हणजेच उष्णता वाहून नेणारे "कण" आहेत असे मानता येऊ शकते. पदार्थाच्या गरम टोकाकडून थंड टोकाकडे उष्णता वाहून नेत तापमान एकसारखे करणारे. 

वेगवेगळ्या घन पदार्थांमध्ये वेगवेगळ्या प्रकारच्या अणुंची रचना असते आणि ते वेगवेगळ्या अणूंनी बनलेले असू शकतात ज्यांचे वस्तुमान भिन्न असते. म्हणून वेगवेगळ्या घन पदार्थांमध्ये वेगवेगळे परंतु फक्त निवडक कंपन असतात ज्यामुळे फोनॉन्सना भिन्न तरंगलांबी, ऊर्जा आणि वेग निर्माण होतो. म्हणून भिन्न घन पदार्थांमध्ये उष्णता वाहण्याची क्षमता भिन्न असते.

अणु कंपनांव्यतिरिक्त, मुक्त इलेक्ट्रॉन देखील उष्णता वाहून नेऊ शकतात आणि म्हणूनच मोठ्या संख्येने मुक्त इलेक्ट्रॉन असलेल्या धातूंमध्ये देखील उच्च उष्णता वहन करण्याची क्षमता असते. म्हणून चांगले विद्युत वाहक हे चांगले उष्णतेचे वाहक सुद्धा असतात. या उलट इन्सुलेटरमध्ये व्यावहारिकदृष्ट्या कोणतेही मुक्त इलेक्ट्रॉन नसतात आणि म्हणूनच इन्सुलेटरमध्ये उष्णता प्रामुख्याने फोनॉन (अणु कंपन) द्वारे वाहून नेली जाते.

म्हणजे घन पदार्थाची थर्मल कंडक्टिव्हिटी (उष्णता वहन करण्याची क्षमता) हे फोनॉन्स कसे पसरतात, किती अंतर जातात, कुठे अडकतात यावर अवलंबून असते. म्हणूनच पदार्थाची उष्णता वाहून नेण्याची क्षमता (थर्मल कंडक्टिव्हिटी) बदलायची असेल तर फोनॉन्सच्या हालचालींवर नियंत्रण ठेवावं लागतं.  उदाहरणार्थ, सोलार सेल, सी पी यू सारख्या इलेक्ट्रॉनिक्सच्या गरम होण्याने त्यांची कार्यक्षमता कमी होते किंवा हीटर बनवण्यासाठी, चांगले उष्णता रोधक बनवणे जेणेकरुन कार्यक्षम हीटिंग झोनसाठी बनवण्यासाठी मदत होऊ शकते. यासाठी मिश्रधातू बनवणे, नॅनोस्ट्रक्चर तयार करणे, लॅटिसमध्ये डिफेक्ट्स घालणे अशी अनेक तंत्रे वापरली जातात.

अशा प्रकारे तापमान, ऊर्जा आणि फोनॉन्स यांचा अभ्यास करून आपण घन पदार्थांच्या उष्णतेसंबंधीचा गुणधर्मांना समजून घेऊ शकतो आणि आपल्या गरजेनुसार बदलूही शकतो.