તાપમાન

‘ગુરુત્વાકર્ષણ’ની જેમ જ, માનવજીવન સાથે ગાઢ રીતે સંકળાયેલું કુદરતનું એક અન્ય પાસું છે ‘તાપમાન’. એક યા બીજી રીતે આપણે જેને સતત અનુભવીએ છીએ તે ‘તાપમાન’. આપણને કુદરત તરફથી મળેલી આ અણમોલ ભેટ વીશે જાણકારી મેળવીએ.

પ્રકરણ : 05

તાપમાન  

                            – મુરજી ગડા

(‘કુદરતને સમજીએ’ પુસ્તીકના ગત લેખ માટે સ્રોત : https://govindmaru.com/2020/06/01/murji-gada-51/ )

‘ગુરુત્વાકર્ષણ’ની જેમ જ, માનવજીવન સાથે ગાઢ રીતે સંકળાયેલું કુદરતનું એક અન્ય પાસું છે ‘તાપમાન’. એક યા બીજી રીતે આપણે જેને સતત અનુભવીએ છીએ તે તાપમાનનાં આપણી દૃષ્ટીએ બે રુપ છે : ગરમી અને ઠંડી. જો કે ઠંડી કોઈ સ્વતન્ત્ર રુપ નથી, એ માત્ર ગરમીનો અભાવ છે. આપણને બાહ્ય ગરમી બે સ્ત્રોતોમાંથી મળે છે : સુર્યના તાપ દ્વારા અને કોઈ પ્રકારના બળતણના દહનથી. આંતરીક ગરમી ખોરાકના પાચનથી મળે છે.

તાપમાનનો અનુભવ તો આદી માનવને શરુઆતથી જ હતો; છતાં એને માપવાની કોશીશ માનવીએ લાંબા સમય સુધી કરી નહીં, તે એક રીતે નવાઈની વાત છે. તો બીજી રીતે એ પણ બતાવે છે કે માનવ સંસ્કૃતીના વીકાસ દરમીયાન પ્રયોગાત્મક શોધખોળનો બહુધા અભાવ રહ્યો હતો. આ વાત ખાસ કરીને ભારતીય ઉપખંડને વધારે લાગુ પડે છે. પ્રયોગાત્મક શોધખોળની જરુર ન પડે એવાં, વજન, કદ, રાશી (Volume) અન્તર વગેરેનાં માપ તો દરેક સંસ્કૃતીમાં માનવે શરુઆતથી જ બનાવ્યા હતા.

યુરોપમાં રેનેસાં (Renaissance) દરમીયાન કોઈ જીજ્ઞાસુએ આ તાપમાનની બાબત પણ હાથમાં લીધી. એની શરુઆત રોજબરોજની ઘટનાથી થઈ હશે. પાણીને ગરમ કરીએ એટલે તે એક ચોક્કસ તાપમાને ઉકળવા લાગે છે. પાણી એનાથી વધારે ગરમ ન થઈ શકે. વધુ ગરમી આપતાં પાણીનું વરાળમાં રુપાંતર થાય છે. આ એક જાહેર અનુભવની વાત છે. પાણી કે કોઈ પણ વસ્તુ કેટલી ગરમ છે તેનો માપદંડ કોઈની પાસે નહોતો. એનું તાપમાન કેટલું છે તે જાણી શકાતું નહોતું. એક વૈજ્ઞાનીકે ઉકળતા પાણીને 100 ડીગ્રી સેલ્શીયસ અને થીજતા પાણીને 0 ડીગ્રી સેલ્શીયસ ગણીને ગરમ–ઠંડીનો ચોક્કસ માપદંડ શરુ કર્યો. (શીયાળામાં પાણીનું થીજવું યુરોપ માટે સામાન્ય ઘટના રહી છે જ્યારે ઉત્તર ભારત સીવાયના બાકીના ભાગના લોકોએ બરફ જોયો પણ નહોતો એમ કહેવામાં અતીશયોક્તી નથી.)

સત્તરમી સદીમાં યુરોપમાં જુદાં જુદાં વૈજ્ઞાનીકોએ તાપમાન માપનારાં અલગ અલગ પ્રકારનાં થર્મોમીટર બનાવ્યાં. સમયાંતરે એમાં જરુરી ફેરફારો થયા. આજે આપણે વાપરીએ છીએ એવાં થર્મોમીટર આવતાં, બીજાં સો વર્ષ જેટલો સમય લાગ્યો હતો. એ કેટલાયે વૈજ્ઞાનીકોની વર્ષોની મહેનતનું ફળ છે.

આજે સામાન્ય વ્યવહારમાં થર્મોમીટરમાં બે પ્રકારના સ્કેલ વપરાય છે : એક તો, આગળ વર્ણવેલો દશાંશ પદ્ધતી આધારીત સેલ્શીયસ અને બીજો, ફેરનહાઈટ (Fahrenheit), જેમાં પાણીના થીજવાના તાપમાનને કોઈ અકળ કારણસર 32 ડીગ્રી F અને ઉકળવાના તાપમાનને 212 ડીગ્રી F માનવામાં આવ્યા છે. આ બીજા થર્મોમીટરનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે શરીરનું તાપમાન અને કેટલાક દેશોમાં વાતાવરણનું તાપમાન જાણવા પુરતો મર્યાદીત છે.

તાપમાન માપવાની શરુઆત, ભલે, પાણીને કેન્દ્રમાં રાખીને થઈ હોય તેમ જ આપણા રોજબરોજના જીવનમાં, ભલે એટલું પુરતું હોય; પણ તાપમાનનો/ઉષ્ણતામાનનો વીસ્તાર એનાથી ઘણો વધારે છે. એના સમગ્ર વીસ્તારને આવરી લેવા માટે, વીજ્ઞાનના વીકાસ સાથે, બે વધારાના માપદંડ બનાવ્યા છે, જે સેલ્શીયસ અને ફેરનહાઈટના પાયા પર જ રચાયા છે. જો કે એમની શરુઆત ન્યુનતમ તાપમાનથી થાય છે.

આપણી આસપાસના પદાર્થોને આપણે ત્રણ રુપે જાણીએ છીએ. ઘન, પ્રવાહી અને વાયુ. એમના આ ત્રણ રુપ પૃથ્વી પરના સામાન્ય તાપમાન અને હવાના દબાણે છે. એમનું તાપમાન અને/અથવા દબાણ વધારવા કે ઘટાડવાથી પદાર્થોનું સ્વરુપ બદલાવી શકાય છે. ઉંચા તાપમાને ઘન પદાર્થો પીગળવા લાગે છે. તાપમાન એના કરતાં પણ વધારીએ તો એ વાયુરુપ પણ બની જાય છે. એ જ રીતે તાપમાન ઘટાડવાથી કે દબાણ વધારવાથી વાતાવરણના વાયુઓને પ્રવાહીમાં ફેરવી શકાય છે અને પછી એ થીજીને ઘન સ્ફટીકો પણ બની શકે છે.

ઉંચા તાપમાનની કોઈ સીમા નથી, જ્યારે નીચા તાપમાનની ચોક્કસ સીમા છે. એ છે,  –273.15 ડીગ્રી સેલ્શીયસ અને –459.67 ડીગ્રી ફેરનહાઈટ, જેને ‘એબ્સોલ્યુટ ઝીરો’ (Absolute Zero) કહે છે. સૈદ્ધાંતીક રીતે, આ ન્યુનતમ તાપમાનથી ઓછું તાપમાન શક્ય નથી. ખરું પુછો તો, ત્યાં પહોંચવુ પણ અશક્ય જેવું છે. આ આંકડા ગણીતના સમીકરણથી મેળવવામાં આવ્યા છે.

ન્યુનતમ તાપમાને 0 ડીગ્રી K (Kelvin) ગણીને સેલ્શીયસ માપ બનાવાયું છે. એ પ્રમાણે પાણીનું ઠારબીંદુ 273 ડીગ્રી K અને ઉત્કલનબીંદુ 373 ડીગ્રી K થાય. એ જ પ્રમાણે ફેરનહાઈટ સ્કેલ વાપરતાં, ન્યુનતમ તાપમાનને 0 ડીગ્રી R (Rankine) ગણવામાં આવ્યું છે.

આ ઉંચા–નીચા તાપમાનના વ્યવહારીક ઉપયોગના થોડા દાખલા જોઈએ. તેમ જ અતી ઉંચા અને અતી નીચા તાપમાને શું થાય કે થઈ શકે એ પણ જાણીએ. પહેલાં નીચા તાપમાનની વાત કરીએ.

હૉસ્પીટલમાં જોવા મળતા ઑક્સીજન સીલીંડરમાં પ્રવાહી ઑક્સીજન હોય છે. અવકાશયાનને લઈ જતા રોકેટના ઈંઘણ તરીકે પ્રવાહી હાઈડ્રોજન વપરાય છે. કોઈ પણ ઈંધણને  બળવા માટે ઑક્સીજનની જરુર પડે છે. દહન માટે જરુરી ઑક્સીજન અવકાશમાં હોતો નથી એટલે પ્રવાહી ઑક્સીજન પણ રોકેટમાં સાથે લઈ જવો પડે છે. ઑક્સીજનને પ્રવાહી બનાવવા એને –183 ડીગ્રી સેલ્શીયસ એટલે કે 90 ડીગ્રી K જેટલો ઠંડો કરવો પડે. હાઈડ્રોજનને પ્રવાહી બનાવવા માટે 20 ડીગ્રી K સુધી ઠંડો કરવો પડે. વાતાવરણમાં સૌથી વધારે પ્રમાણ ધરાવતો નાઈટ્રોજન 77 ડીગ્રી K જેટલા તાપમાને પ્રવાહીમાં ફેરવાય છે. અન્ય વાયુઓ પણ જુદા જુદા તાપમાને પ્રવાહી બની જાય છે. આ બધા વાયુઓના ઔદ્યોગીક ઉપયોગ પણ છે. આટલું નીચું તાપમાન મેળવવાની પ્રક્રીયાને ‘ક્રાયોજેનીક્સ’ (Cryogenics) કહે છે.

વાયુઓના ઘન સ્વરુપનો કોઈ વ્યવહારીક ઉપયોગ નથી. તેમ છતાં, જાણવા ખાતર કહી શકાય કે નાઈટ્રોજન 63 ડીગ્રી K, ઑક્સીજન 50 ડીગ્રી K અને હાઈડ્રોજન 14 K ડીગ્રી પર ઘન બની જાય છે.

આપણા રોજીન્દા ઉપયોગમાં, રસોડામાં વપરાતો LPG (Liquified Petroleum Gas) ‘બાટલામાં’ પ્રવાહી રુપે હોય છે. એનું કુદરતી સ્વરુપ વાયુરુપ છે. એને ઠંડો કરીને નહીં; પણ ભારે દબાણ નીચે એને પ્રવાહી રુપમાં ફેરવાય છે. જ્યારે તે રેગ્યુલેટરમાંથી પસાર થાય છે ત્યારે દબાણ ઘટી જતાં એ તરત વાયુ રુપમાં બહાર આવે છે.

હવે ઉંચા તાપમાનની વાત કરીએ. આપણા ઉપયોગની બધી ધાતુઓ જમીનમાંથી કાચી ખનીજ માટીના (Ore) રુપમાં મળે છે, જેમાં જોઈતી ધાતુનું પ્રમાણ બહું ઓછું હોય છે. એના શુદ્ધીકરણની પ્રક્રીયા ઘણી લાંબી છે. એક તબક્કે કાચા ખનીજને ખાસ પ્રકારની ભઠ્ઠીમાં જરુરી તાપમાને પીગળાવીને મુખ્ય ધાતુને પ્રવાહીના રુપે મેળવાય છે. સૌથી વધુ વપરાતી ધાતુ લોખંડ 1810 ડીગ્રી K પર પીગળે છે અને 3134 ડીગ્રી K પર વાયુ બને છે. બધાનું માનીતું સોનું 1337 ડીગ્રી K પર પીગળે છે અને 3129 ડીગ્રી પર વાયુ બને છે. આવા ઉંચા તાપમાન માપનાર સાધનોને થર્મોમીટર નહીં પણ પાયરોમીટર (Pyrometer) કહે છે.

અતી ઉંચા તાપમાનના થોડા આંકડા જાણ ખાતર જોઈએ. સુર્યની સપાટીનું તાપમાન આશરે 6000–7000 ડીગ્રી K જેટલું હોય છે, જ્યારે એના ગર્ભનું તાપમાન 15,00,000 ડીગ્રી K જેટલું હોવાનું મનાય છે. અન્ય તારાઓના ગર્ભનું તાપમાન એના કરતાં પણ વધુ હોઈ શકે છે. આકાશમાં થતી વીજળીનું તાપમાન 28,000 ડીગ્રી K હોય છે.

કહેવાતો ઈશ્વરીય કણ શોધનાર LHC તરીકે ઓળખાતી પ્રયોગશાળામાં એકડા પર અઢાર મીંડાં મુકીએ એટલું તાપમાન પેદા કરાયું હતું. પૃથ્વી પર અને કદાચ સુર્યમંડળનું પણ આ મહત્તમ તાપમાન હતું. બ્રહ્માંડની ઉત્પત્તીની ક્ષણે એક જ ક્ષણ માટે તાપમાન 14 પાછળ 31 મીંડાં જેટલું થયું હોવાનું વૈજ્ઞાનીકોનું માનવું છે. અતી ઉંચા તાપમાને પરમાણુઓના ઘટકો પણ છુટા પડી જાય છે. એને પદાર્થનું પ્લાઝમા સ્વરુપ કહેવાય છે. સુર્યપ્રકાશ આ પ્લાઝમા સ્વરુપે આપણા સુધી આવે છે.

હવે ન્યુનતમ તાપમાનના થોડા આંકડા જોઈએ. તારા ભલે સતત કાર્યરત અણુભઠ્ઠીઓ હોય અને લાખો ડીગ્રી તાપમાન પેદા કરતા હોય; પરન્તુ અવકાશનું સરેરાશ તાપમાન માત્ર 2.73 ડીગ્રી K હોવાનું વૈજ્ઞાનીકોનું તારણ છે. અવકાશમાં સર્વત્ર ગાઢ અન્ધકાર છે. સુર્યથી માત્ર બે પ્રકાશ કલાક જેટલા દુર જઈએ તો સુર્ય એક સામાન્ય તારા જેવો દેખાવા લાગે છે. આપણો પાડોશી તારો તો 4.3 પ્રકાશવર્ષ જેટલો દુર છે. અગણીત લાગતા તારા જાણે અવકાશની વીશાળતાનો આછો ખ્યાલ આપવા માટે છુટાછવાયા વેરાયા હોય એમ કહેવામાં જરાય અતીશયોક્તી નથી.

તાપમાનની આટલી વીશાળ રેન્જની સરખામણીએ આપણે જોઈએ છીએ એવી સજીવ સૃષ્ટીના અસ્તીત્વ માટે જરુરી તાપમાન અને વાતાવરણ આ પૃથ્વી પર સર્જાયું છે, એનું મહત્ત્વ સમજવા જેવું છે. મોટા ભાગના લોકોને 25 ડીગ્રી સે. તાપમાન આલ્હાદક લાગે છે. એમાં માત્ર 5 ડીગ્રી સે.ની વધઘટ થાય તો માનવ ‘કમ્ફર્ટ ઝોન’ની બહાર હોવાનું ગણાય. એનાથી બીજા 5 ડીગ્રી સે. જેટલું ઘટીને 15 ડીગ્રી સે. થઈ જાય તો એને ઠંડી કહેવાય. બીજી બાજુ, 5 ડીગ્રી સે. વધીને 35 ડીગ્રી સે. થઈ જાય તો આપણે ગરમીની ફરીયાદ કરીએ છીએ.

છાપામાં અવારનવાર સીઝનનો ‘સૌથી ઠંડો’ કે ‘સૌથી ગરમ’ દીવસના સમાચાર આવે છે. આ શબ્દો છેતરામણા છે. ગુજરાતમાં દીવસના ઉચ્ચતમ અને ન્યુનતમ તાપમાનમાં સામાન્ય રીતે 15–20 ડીગ્રી સે. જેટલો ફરક હોય છે. આ ઉચ્ચતમ–ન્યનતમ તાપમાન થોડા સમય પુરતા જ હોય છે. મોટાભાગના દીવસ દરમીયાન તાપમાન આ બે છેડા વચ્ચે ક્યાંક હોય છે. એક બાજુનું તાપમાન જો કોઈ નવો રેકોર્ડ બનાવે તો પણ બીજી બાજુનું તાપમાન આગળ પાછળના દીવસ જેટલું જ રહે તો દીવસ બહુ ઠંડો કે બહુ ગરમ ન લાગે. સાચા અર્થમાં ‘સૌથી ઠંડો’ ‘સૌથી ગરમ’ દીવસ ત્યારે થયો કહેવાય જ્યારે 24 કલાકનું સરેરાશ તાપમાન સીઝનના અન્તીમે હોય. આ ત્યારે થાય જ્યારે ઉચ્ચતમ–ન્યુનતમ બન્ને તાપમાન એક દીશામાં જાય અને બન્ને વચ્ચેનો ગાળો ઓછો થાય.

પૃથ્વી પરના તાપમાનમાં બહુ મોટી વધઘટ નથી થતી એની પાછળનું કારણ પૃથ્વી પરનું વાતાવરણ છે, જે સુર્યની વધારે પડતી ગરમીને આવતાં રોકે છે, આવેલી ગરમીને બધે ફેલાવે છે તેમ જ અવકાશમાં પાછી જતી પણ રોકે છે. ચન્દ્ર અને પૃથવી, સુર્યથી સરખા અન્તરે આવેલાં છે; પણ ચન્દ્ર પર વાતાવરણ ન હોવાથી એની સુર્ય તરફની પ્રકાશીત બાજુનું તાપમાન ઉકળતા પાણીથી પણ વધુ, એટલે કે 120 ડીગ્રી સે. જેટલું રહે છે, જ્યારે અન્ધારી બાજુનું તાપમાન –270 ડીગ્રી સે. રહે છે. ચન્દ્ર પર દીવસે પાણી ઉકળે અને રાતે પાણી તો ઠીક, હવા હોય તો તે પણ થીજી જાય. એવા સંયોગોમાં કોઈ પણ પ્રકારનું જીવન સમ્ભવીત નથી. ચન્દ્રના દીવસ–રાત આપણાં કરતાં ઘણાં અલગ છે એ વળી જુદી જ વાત છે.

હાલ પૃથ્વીનું સરેરાશ તાપમાન 15 ડીગ્રી સેલ્શીયસ છે. એમાં જો માત્ર 1 ડીગ્રીનો વધારો થાય તો ધ્રુવપ્રદેશનો બરફ પીગળે અને સમુદ્રની સપાટીમાં વધારો થાય. 1.5 કે 2 ડીગ્રીનો વધારો થાય તો દરીયા કીનારાનાં શહેરોમાં પાણી ફરી વળે.

આવું ઠંડી–ગરમીનું ચક્ર કરોડો વર્ષોથી ચાલતું રહ્યું છે. હવે માનવી એમાં ઉમેરો કરી રહ્યો છે. મુખ્ય મુદ્દો એ છે કે જીવસૃષ્ટીના અસ્તીત્વ માટે જરુરી વાતાવરણ અને તાપમાન તારાવીશ્વોમાં બીજે ક્યાંય હોવું એટલું સહજ નથી. આપણે કુદરત તરફથી મળેલી આ અણમોલ ભેટ વેડફી ન નાખીએ તે જોવાનું છે.

–મુરજી ગડા

લેખક અને પ્રકાશક શ્રી. મુરજી ગડાનું  પુસ્તક ‘કુદરતને સમજીએ’ પ્રથમ આવૃત્તી : ફેબ્રુઆરી, 2016; પાનાં : 94, મુલ્ય : ની:શુલ્ક)માંનો આ ચતુર્થ લેખ, પુસ્તકનાં પાન 20થી 25 ઉપરથી, લેખક અને પ્રકાશકશ્રીના સૌજન્યથી સાભાર..

લેખક–વ–પ્રકાશક–સમ્પર્ક : શ્રી. મુરજી ગડા, 1, શ્યામ વાટીકા સોસાયટી, વાસણા રોડ, વડોદરા –  390 007 સેલફોન : 972 679 9009 ઈ.મેલ : mggada@gmail.com

નવી દૃષ્ટી, નવા વીચાર, નવું ચીન્તન ગમે છે ? તેના પરીચયમાં રહેવા નીયમીત મારો રૅશનલ બ્લોગ https://govindmaru.com/ વાંચતા રહો. દર શુક્રવારે સવારે 7.00 અને દર સોમવારે સાંજે 7.00 વાગ્યે, આમ, સપ્તાહમાં બે પોસ્ટ મુકાય છે. તમારી મહેનત ને સમય નકામાં નહીં જાય તેની સતત કાળજી રાખીશ..

અક્ષરાંકન : ગોવીન્દ મારુ ઈ.મેલ : govindmaru@gmail.com