३ कारणे ज्यामुळे पाण्याची वाफ अनेक डब्यांची ट्रेन ओढू शकते!! What Makes A Steam Locomotive Work?

पाणी हे जीवन आहे. पण पाण्यामध्ये असे काय आहे त्यामुळे पाणी हे सजीवसृष्टीचा आधार आहे? १६ व्या शतकात ज्ञानाच्या पुनरुत्थान होत असताना, मानव तर्कशुद्ध व वैज्ञानिक दृष्टिकोनातून विचार करू लागला. निसर्गातील कुतूहलांचे उत्तर निरीक्षणाने व जीवनातील समस्यांचे निराकरण वैज्ञानिक पद्धतीनने प्रयोग करून करू लागला. उष्णतेचा वापर करून यांत्रिक कार्य करणे शक्य झाले ते वाफेच्या इंजिनमुळे.१८व्या शतकामध्ये त्यातूनच औद्योगिक क्रांती झाली. उष्णतेचा वापर करून यांत्रिक कार्य करणे शक्य झाले ते वाफेच्या इंजिनमुळे. स्वयंपाक करताना प्रेशर कुकरचा वापर अन्नपदार्थ शिजवण्यासाठी करतात . यामध्ये पाणी जेव्हा उच्च दाबाखाली पाण्याचा उत्कलनांक वाढतो, त्यामुळे पदार्थ लवकर शिजतो. याच पाण्याचा वाफेचा उपयोग वाफेचे इंजिन चालवण्यासाठी केले जातो. परंतु वाफेत एवढी ताकद येते कुठून की जी अनेक डब्यांची रेल्वे ओढू शकते? 

 १. पाण्याचे तापमान १०० डिग्री झाल्यावर पाण्याची लगेच वाफ का होत नाही? : अप्रकट ऊष्मा

२.  पाण्याच्या रेणूंमध्ये असणाऱ्या सुप्त ऊर्जेचे रहस्य : हैड्रोजन बंध

३. जेव्हा वाफ पाण्याप्रमाणे वाहू लागते : निर्णायक बिंदू व वाफेचे इंजिन

 १. पाण्याचे तापमान १०० अंश सेल्सिअस झाल्यावर पाण्याची लगेच वाफ का होत नाही? : अप्रकट ऊष्मा (Latent Heat)

Boiling Point of water पाण्याचा उत्कलन बिंदू

कोणत्याही गोष्टीला तापमान हे त्या वस्तूमधील उष्णतेचे प्रमाण होय. जेव्हा पाण्याला उष्णता दिली जाते तेव्हा तापमानही वाढते. पाण्याचे तापमान जेव्हा १०० अंश सेल्सिअस होते तेव्हा त्याची वाफ होण्यासाठी दोन रेणूंमधील आंतर-रेण्वीय आकर्षण बलावर (inter-molecular force) मात करण्याआठी उष्णता शोषली जाते परंतु पाण्याचे तापमान वाढत नाही. त्यानंतर पाण्याचे रूपांतर वाफेमध्ये होते. परंतु सामान्य वातावरणीय दाबात वाफेचे तापमान १००अंश सेल्सिअस असते. मग प्रश्न पडतो की पाणी १००अंश सेल्सिअस तापमानाला  पोहोचते आणि काही वेळाने वाफ निर्माण होते, या मधल्या काळातील पाण्याला दिलेली उष्णता जाते कुठे? हाच प्रश्न 'जोसेफ ब्लॅक' या वैज्ञानिकाला पडला. त्यांनी या ऊर्जेला १७६१ मध्ये 'अप्रकट ऊष्मा 'असे नाव दिले.

* अप्रकट ऊष्मा  * म्हणजे पदार्थाचे एका अवस्थेतून दुसऱ्या अवस्थेत रूपांतर होण्यासाठी लागणारी उष्णता. पाण्याची अप्रकट ऊष्मा ही इतर सर्व द्रव पदार्थांपेक्षा जास्त आहे, कारण पाण्याच्या रेणूंमध्ये आंतर- रेण्वीय बलाव्यतिरिक्त एक अतिरिक्त बंध असतो- हायड्रोजन बंध. त्यामुळेच पाणी हे विशेष बनते. 

 २. पाण्याच्या रेणूंमध्ये असणाऱ्या सुप्त ऊर्जेचे रहस्य  : हायड्रोजन बंध (Hydrogen Bond)

Hydrogen Bonding among Water Molecules पाण्याच्या रेणूंमधील हायड्रोजन बंध

याचं गुपित पाण्याच्या विशिष्ट रासायनिक संरचनेत आहे. हायड्रोजन बंध पाण्याला विशेष बनवतो, कसं तेे पाहूया .पाणी हेे दोन हायड्रोजन अणू आणि एक ऑक्सिजनचा अणू यांच्या रासायनिक बंधातून तयार झालेले आहे. हायड्रोजनचा अणूअंक १ आहे, तर ऑक्सिजनचा अणूअंक ८ आहे . हायड्रोजन त्याचे द्विक (duplet) पूर्ण करण्यासाठी एका इलेक्ट्रॉनची गरज असते तर ऑक्सिजनच्या बाहेरच्या कक्षेत सहा इलेक्ट्रॉन असल्यामुळे त्याला अष्टक (octet) पूर्ण करण्यासाठी दोन इलेक्ट्रॉन ची आवश्यकता असते. त्यामुळे दोन हायड्रोजनचे अणू व एक ऑक्सिजनचा अणू एकत्र येऊन, दोन इलेक्ट्रॉन एकमेकात वाटून घेतात; यालाच आपण 'सहसंयुज बंध' (covalent bond) म्हणतो. आता खरी गंमत आहे जेव्हा ऑक्सिजनच्या शेवटच्या कक्षेत सहा इलेक्ट्रॉन असतात तसेच दोन इलेक्ट्रॉन हायड्रोजन चे दोघात समान असतात त्यामुळे ऑक्सिजन च्या शेवटच्या  एकूण ४ संकरित उपकक्षा (orbitals: s,p,d,f) तयार होतात. त्यातील दोन कक्षामध्ये ऑक्सिजन मधीलच प्रत्येकी दोन इलेक्ट्रॉन असतात, तर राहिलेल्या दोन कक्षांमध्ये एक इलेक्ट्रॉन ऑक्सिजनचा तर एक इलेक्ट्रॉन हायड्रोजनचा  असतो, हायड्रोजन हा विद्युत धन (electropositive) तर ऑक्सिजन हा विद्युत ऋण मूलद्रव्य आहे. त्यामुळे सहसंयुज बंधातील आतील इलेक्ट्रॉनची जोडी ही ऑक्सिजनच्या अणूकडे आकर्षिली जाते. परिणामी ऑक्सिजन अणुवर आंशिक ऋण भार (partial negative charge) तर हायड्रोजनच्या अणुवर आंशिक ऋण भार निर्माण होतो. ऑक्सिजन अणुवरील आंशिक ऋण भार सहसंयुज जोडीकडून एकल (unpaired/lone) जोडीकडे हस्तांतरित होतो. त्यामुळे पाण्याच्या रेणूमध्ये (H2O) दोन आंशिक ऋण भार व दोन आंशिक धन भार निर्माण होतात. पाण्यामध्ये एका पाण्याच्या रेणूचे २ आंशिक धन व २ आंशिक ऋण भार सभोवतालच्या इतर पाण्यांच्या रेणूतील २ ऋण आंशिक भार व २ आंशिक धन भाराला आकर्षित करून कमी ताकदीचे बंध निर्माण होतात. या बंधालाच 'हायड्रोजन बंध' म्हणतात. या बंधामुळेच पाण्याच्या दोन रेणूमध्ये इतर द्रवापेक्षा जास्त आकर्षण असते. हायड्रोजन बंध हे हायड्रोजन व ग्रुप १४,१५ व १६ मूलद्रव्यांमध्ये निर्माण होतात. उदा. अमोनिया (NH3). पाण्याला उष्णता दिल्यानंतर त्याचे वाफेत रूपांतर होताना सहसंयुज बंधासोबत हायड्रोजन बंध तोडण्यासाठी जास्त उष्णतेची गरज असते. ही उष्णता पाण्याचे रेणू ही जास्तीची उष्णता ग्रहण केल्यामुळे पाण्याची वाफ ही ताकदवान बनते.

३. जेव्हा वाफ पाण्याप्रमाणे वाहू लागते : वाफेचे इंजिन (Steam Engine)

Critical Point of Water  पाण्याचा निर्णायक बिंदू

सामान्य वातावरणीय दाबाला पाण्याच्या वाफेचे तापमान हे १०० अंश सेल्सिअस असते व तिचे तापमान कमी झाले तर वाफेचे लगेच पाण्यात रूपांतर होते, त्या वाफेला * आर्द्र वाफ * (wet steam) म्हणतात. जेव्हा पाणी बंदिस्त कंटेनर मध्ये तापवले जाते, तेव्हा पाण्याचा उत्कलन बिंदू (boiling point) तसेच पाण्याच्या वाफेचे तापमान व दाब वाफेने निर्माण केलेला दाब वाढत जातो.  परंतु पाण्याची पूर्ण ताकद वापरायचे असेल तर पाण्याची शुष्क वाफ वापरावी लागते. पाण्याची  * शुष्क वाफ * (dry steam) म्हणजे अशा तापमान व दाब स्थितीतील वाफ, जी पाण्यात पुन्हा परावर्तित होत नाही. ही वाफ तयार करण्यासाठी पाण्याचे तापमान व दाब हा * निर्णायक बिंदू * (critical point) पेक्षा जास्त असावा लागतो. पाण्याचा निर्णायक बिंदू ३७४ अंश सेल्सियस आणि २१८ वातावरणीय दाब एवढा आहे. या बिंदूच्या पलीकडे पाण्याची वाफ ही अतिशक्तिशाली (super critical fluids) पाण्याप्रमाणे वाहू लागते. वाफेच्या इंजिनमध्ये बाष्पपात्र (boiler) बंदिस्त कंटेनर कोळशाच्या ज्वलनाच्या साहाय्यानेे उच्च तापमान व उच्च दाबाला पाण्याची वाफ केली जाते. यामध्ये पाण्याच्या वाफेची शक्ती धरणातून उंचावरून खाली सोडलेल्या पाण्यात शक्तीप्रमाणे असते.

Steam Engine  वाफेचे इंजिन

ही ऊर्जा रेल्वे इंजिनामध्ये  पिस्टनवर दाब निर्माण करून रेल्वे इंजिन ची चाके गोलाकार फिरवण्यासाठी  वापरली जाते. अशाप्रकारे पाण्याची वाफ ही संपूर्ण ट्रेनला ओढते.

वाफेचे इंजिनाची घ्यावी लागणारी अतिरिक्त देखभाल व लागणारी जागा यामुळे वाफेच्या इंजिनची जागा डिझेल इंजिन व विद्युत इंजिन यांनी घेतली. तरीही अजूनही अनेक उद्योगामध्ये वाफेच्या शक्तीचा उपयोग बाष्पपात्र (बॉयलर) च्या स्वरूपात केला जातो

पाण्याच्या वाफेविषयी वैज्ञानिक माहिती कशी वाटली ती कमेंट्स करून सांगा. तुम्हाला या संकल्पनेबद्दल अधिक माहिती असेल किंवा दिलेल्या माहितीत सुधारणा करायची असेल तसेच कोणते प्रश्न असतील तरीही कमेंट्स करा. चर्चेतून अनेक संकल्पना स्पष्ट होऊ शकतात.

#विज्ञानवाटा #vidnyanwata #physics 2 #chemistry 2 #steamengine