पदार्थात तेज द्रव्यामुळे होणारे भौतिक बदल व उष्णता क्षयमान
महा एमटीबी   24-Apr-2018
 
 
 
शत्रूवर नि: संशय विजय मिळवायचा रामबाण उपाय म्हणजे त्याला एकटं पाडणे. शत्रूबुद्धीच्या राजांचा विळखाच जर असेल आणि तो असतोच, तर त्यावरचा उपाय म्हणजे त्यांच्यामधील घट्ट असे संबंध विविध क्लृप्त्या करुन खिळखिळे करणे. साम, दाम, दंड, भेद यातील काहीही वापरून ते साध्य करावे ही चाणक्य नितीतर विक्रमाला सहजगत्याच अवगत होतील. एकीमध्ये ताकद असतेच असते, मग ती एकी मधमाश्यांमधली असो, रानात टोळ्याने राहून सिंहांनाही पिटाळणाऱ्या रेड्यांची असो किंवा एकदिलाने रामसेतू बांधणाऱ्या वानरांची असो. एकदिलाची बेदिली झाली की त्या पक्षाचा पराजय निश्चितच समजा..

“काय विक्रमा आज पदार्थविज्ञानाच्या अभ्यासाचा मागमूसही दिसत नाही तुझ्या विचारांमध्ये.. एकी बेकी, शत्रूपक्ष फोडणे वगैरे विचार चालू आहेत आज. ह्या एकीचा काही संदर्भ आहे का रे तुझ्या त्या पदार्थविज्ञानात ?”

“आहे ना वेताळा निश्चितच आहे. असं बघ मागील वेळी आपण एकदा पाहिलं होतं की बर्फाला उष्णता दिली की पाणी होतं,पाण्याला उष्णता दिली की वाफ होते.”

“अरे पण बर्फ, पाणी, वाफ यात एकीचा काय संबंध आला ? उगीच नाही त्या ठिकाणी तोंडाची वाफ दवडू नकोस..”

“तेज तर सांगतोय मी..आपलं तेच तर सांगतोय मी. मागील वेळी आपण म्हटलं होतं,
द्रव्यादीनां त्रयाणामपि धर्म्माधर्म्मकर्त्तुत्वञ्च


म्हणजेच द्रव्यांना धर्म - अधर्म असतो. मी आधीच म्हटलं त्याप्रमाणे धर्म म्हणजे सहजवृत्ती किंवा काही प्रमाणात शिस्तशीर पणा.. नियमितपणा..”

“नियमितपणा ? कसला नियमितपणा ?”

“हे बघ वेताळा, आपण पृथ्वीद्रव्य घेऊ. बर्फाचं उदाहरण घेऊ. तर या पृथ्वीद्रव्यामध्ये त्याचे लाखो - कोट्यावधी रेणू हे अतिशय दाटीवाटीने पण अतिशय शिस्तबद्धपणे एकमेकांना धरून बसलेले असतात. पण जसजसं तेज द्रव्य या बर्फाच्या संपर्कात येतं आणि आपला परिणाम गाजवू लागतं तसतसं या गुण्यागोविंदाने राहणाऱ्या रेणूरूप बांधवांमध्ये भाऊबंदकी निर्माण होऊ लागते. त्यामुळे त्यांच्यातले घनिष्ट संबंध सैल होऊ लागतात”



“पैशाच्या उबेमुळे माणसांमधले संबंध बिघडतात हे ऐकलं होतं..पण बर्फाचे रेणूसुद्धा तसेच ?”


“वेताळा जोपर्यंत काही इतर द्रव्ये परिणाम घडवत नसतात तोपर्यंत कोणतेही द्रव्य सहजस्थितीत धर्मपालन सहजतेने करत राहते. तेजद्रव्य संपर्कात आलं की ते रेणुरेणंमधले संबंध ढिले पडतात व फाटाफाटाफूट होते. चारांची तोंडे चार दिशांना होतात. त्यांच्यातला शिस्तशीरपणा, नियमितता लुळी, ढिली पडते. पाश्चात्य शास्त्रज्ञांनी या अव्यवस्थेला, बेदिलीला उष्णताक्षयमान (entropy) हे नाव दिले आहे. जसा ह्या बाह्यबलाचा प्रभाव वाढत जातो तस तसं हे बंध अधिकाधिक क्षीण होत जातात व द्रवाशी फारकत घेऊन वायू मुक्त होऊ लागतो. जेवढी उष्णता अधिक, तेवढी ही बेदिली अधिक व म्हणून तेवढे उष्णताक्षयमान (entropy) सुध्दा जास्त.”




“पण याला क्षय म्हणजे नुकसान का म्हणता? तुम्हालाच हवं होत ना बर्फापासून पाणी..आता का क्षय-क्षय म्हणून का नावं ठेवताय ?”
 
“याचं कारण असं आहे वेताळा..ही दिली गेलेली उष्णता कोणत्याही कामाला येत नाही. म्हणजे त्या उष्णतेने तुम्ही कोणतेही यांत्रिक कार्य करू शकत नाही. पाणी ती उष्णता घेऊन फक्त तापत राहते व योग्य वेळेला वाफेत परिवर्तित होते. बाकी या उष्णतेचा काही उपयोग नाही. शिवाय एका द्रव्याचे उष्णताक्षयमान वाढले तर त्याच्या संपर्कातील द्रव्याचे उष्णता क्षयमान कमी होते. या देवघेवीत काही उष्णता वातावरणात सोडली जाते म्हणजे वाया जाते.”

“मग त्याचं काय एवढं.. जाणारच ना ?”

“त्याचं असंय वेताळा, समजा एक गरम दुधाचा कप आहे. ते दूध लवकर थंड व्हावं म्हणून तो कप थंड पाण्याच्या वाडग्यात ठेवला. याठिकाणी दुधापासून तेज विलग झालं, त्यातलं थोडं थंड पाण्याला बिलगलं व काही उष्णता वातावरणात सोडली गेली. यात असेही म्हणू शकतो की अश्या प्रकारची उष्णतेची देवाणघेवाण झाली तर त्या पाण्याचे व दुधाचे एकूण उष्णता क्षयमान हे या देवघेवीनंतर वाढलेले असते.

If a macroscopic isolated system undergoes a thermodynamic process then the entropy of the system always increases, that is,


ΔS≥0

या ठिकाणी ΔS हा त्याठिकाणचे आधीचे उष्णता क्षयमान व नंतरचे क्षयमान यांतला फरक दर्शवतो. साध्या भाषेत त्याठिकाणी ही उष्णता वायफळ म्हणजेच कोणतेही कार्य न होताच खर्च झाली.”

“हा कुठला नियम वगैरे आहे का ?”

“हो वेताळा, उष्मागतिकी (thermodynamics) म्हणजे उष्णतेच्या देवाणघेवाणीचा अभ्यास ज्या पदार्थविज्ञानाच्या शाखेत करतात त्यातला हा दुसरा नियम आहे.

इतर कुठल्याही प्रकारची द्रव्ये ज्या ठिकाणी परिणाम घडवून आणत नाहीत असा विश्व हा एक पदार्थ धरला, तर त्या विश्वरूप पदार्थाचे उष्णता क्षयमान हे वरचेवर वाढतच जाते. दुसरं असं की उष्णता क्षयमानातला हा बदल ही नेहमीच एक धन संख्या असते.
 
The state of entropy of the entire universe, as an isolated system, will always increase over time. The second law also states that the changes in the entropy in the universe can never be negative.
 
वेताळा पाश्चात्य शास्रज्ञांचे या क्षेत्रात अतिशय मोलाचे योगदान आहे. निकोलस कार्नॉट, रुडॉल्फ क्लॉशिअस, विलियम थॉमसन किंवा लॉर्ड केल्विन यांच्या उल्लेखाशिवाय आपल्याला पुढे जाता येणे अशक्यच.”

“म्हणजे विक्रमा वैशेषिकांच्या भाषेत काय म्हणता येईल ?”

“वैशेषिकांच्या भाषेत, जर तो कप व वाडगे व त्यातील अनुक्रमे दूध व पाणी व शिवाय भोवतालची हवा या तीन द्रव्यांचा मिळून एक पदार्थ धरला तर त्यातली द्रव्ये त्यांच्या धर्मानुसार वागतच राहणार व त्या वागण्यामुळे त्यांच्या संपर्कातल्या द्रव्यांच्या बाबतीत अधर्म कर्तुत्त्व घडवणार. तेजद्रव्य हे प्रवाही असल्याने एका ठिकाणाहून दुसरीकडे वाहत राहणार व त्यामुळे ते ज्या ज्या द्रव्यांच्या संपर्कात येणार त्या द्रव्यांमधले अंतर रेणवीय बंध सुटे करणार व ती भूतद्रव्ये नैसर्गिक स्थितीला (natural state) न जाता अधर्माने वागत राहणार. पर्यायाने उष्णताक्षयमान वाढतच राहाणार.”

“खरंच आहे हे..तुम्हा मानवांनी तुमच्या कामाच्या निमित्ताने पर्यावरणातील उष्णता वाढवलेलीच आहे..पण विक्रमा या नियमचा व ऊर्जेचा काही संबंध आहे का ?”
 
“” नाही वेताळा, उष्णता ऊर्जेचा नियम हा मूळ ऊर्जा अक्षय्यता नियमावर (law of conservation of energy) बेतलेला आहे. पण उष्णता क्षयमानाशी त्याचा थेट संबंध बसत नाही”
 
“विक्रमा हे क्षयमान कुठे कमी कुठे जास्त असं असतं का? म्हणजे तापमान कमी झालं तर उष्णता क्षयमान कमी व वाढलं तर जास्त असं होतं ते का?”

“वेताळा एक उदाहरण देतो म्हणजे लक्षात येईल. समज एक सैन्याची तुकडी अतिशय शिस्तबद्ध पद्धतीने संचलन करत चालली आहे. सर्वांच्या चालण्यात, हालचालीत एक समानता आहे. आता समजा या तुकडीवर शत्रुपक्षाने हल्ला केला तर काय होईल ?”



“तर शिस्तशीर चालण्यापेक्षा शत्रुपक्षाला प्रतिकार करायला ते सैनिक सरसावतील. त्यामुळे त्यांच्यातील एकसंधपणा, एकवाक्यता कमी होईल. शत्रुपक्षावर विजय मिळवला तर ते सैनिक पुन्हा एका रांगेत येतील व विजयी मिरवणूक काढतील. पण विक्रमा जर शत्रुपक्ष वरचढ झाला तर ? शत्रुपक्षाने एक हत्ती सोडला वा तोफगोळे डागले तर ?”

“तर वेताळा ते सैन्य इकडे तिकडे पळत सुटेल व त्यांच्याकडून काहीही कामगिरी होण्याची शक्यता अतिशय कमी होईल. पदार्थविज्ञानाच्या बाबतीत बोलायचं तर स्थायुंमधले रेणूहे अतिशय घट्टपणे बसलेले असतात. त्यांच्याकडून अपेक्षित काम करणं सोपं असतं व तिथे उष्णतेचा क्षय (entropy) अतिशय कमी असतो. पण जसजसा स्थायूचा द्रव होतो तसं रेणूंमधलं अंतर वाढतं व बंध सैल होतात. परिणामी उष्णतेचा क्षय वाढतो. द्रवाचा वायू झाला की ते रेणू अजूनच दूर दूर जातात व त्यामुळे तिथे उष्णतेचा क्षय सर्वात जास्त असतो.”

“पण मग विक्रमा असं कोणतं तापमान असतं की जेथे हे क्षयमान सर्वात कमी होते ?”

“अगदी सुंदर प्रश्न वेताळा. लॉर्ड केल्विनने तापमान मोजण्यासाठी असं एक तापमान शोधून काढलं की जेथे तापमानाच्या किंचित बदलाने पाण्याचे वाफेत वा बर्फात रूपांतर करता येईल. याला पाण्याचा त्रिअवस्थाबिंदू (triple point of water) म्हणतात. ०.०१ डिग्री सेल्शिअसला हा बिंदू असतो. यात वाफेचा दाब ६११.६५७ पास्कल निश्चित करण्यात आला आहे. या तापमानाला व दाबाला पाण्याच्या अवस्थांतरणादरम्यान किंचित उष्णता क्षय होतो. हेच तापमान २७३.१६ केल्विन इतकं असतं. सेल्शिअस मध्ये ते ०.०१ सेल्शिअस व फॅरन हाईटच्या भाषेत तेच तापमान ३२.०१८ फॅरनहाईट असतं.”

“असो पण विक्रमा, हे क्षयमान काहीतरी महत्त्वाची गोष्ट आहे खास..उर्जेबद्दलही बोलू..जितकं सांगतोयस तेवढं अधिकच गुरफटतोयस व आम्हालाही ओढतोयस..विश्वाचं उष्णता क्षयमान वाढतंय हे ऐकून आश्चर्य वाटलं, त्याविषयीचा नियम माहिती झाल्याने उत्सुकताही चाळवली..पण आता इथून सोडवणूक करुन घ्यायची वेळ आली. येतो विक्रमा..हाऽहाऽऽहाऽऽऽ”

दूरवर कोठेतरी शेकोटी चालू होती..जळलेले लाकूड वातावरणातील उष्णता क्षयमान वाढवत होते..पण प्रजाजनांना त्या क्षयमानापेक्षा त्या हुडहुडी भरणाऱ्या खालावलेल्या तापमानापासून बचाव करण्यात जास्त रस होता..
(क्रमश:)

- अनिकेत कवठेकर