घनरूप आणि द्रवरूप पदार्थांच्या गुणधर्मांचा अभ्यास करण्याचे काम पूर्वीच्या काळापासून चाललेले होते. त्या अभ्यासातूनच आर्किमिडीजला पाण्याच्या उद्धरणशक्तीसारखे नियम समजले. घनरूप आणि द्रवरूप पदार्थांचे घनफळ किंवा आकारमान (व्हॉल्यूम) इंच, फूट, मीटर, लीटर यासारख्या एककांमध्ये मोजता येते, त्यांना तराजूत तोलून त्यांचे वजन करता येते, त्यावरून त्याची घनता काढता येते, पण वायूंचा अशा प्रकारचा अभ्यास कसा करणार? सतराव्या शतकातल्या अनेक शास्त्रज्ञांनी हवा आणि इतर वायूंवर लक्षपूर्वक संशोधन केले. त्यांना हे प्रश्न पडलेच. प्रयोगशाळेतल्या ज्या बंद पात्रात ते तयार केले जात होते त्यात ते सर्वत्र पसरून जायचे आणि बाहेर निघाले तर लगेच हवेत विरून जायचे. त्यांना एका फुग्यात भरून त्या फुग्याचे घनफळ आणि वजन मोजणे हा एक उपाय होता. त्यामधून फुगे तयार करून त्यात वायूंना भरण्याची कल्पना निघाली.
हवेपेक्षा वाफ हलकी असल्यामुळे ती वर वर जातांना दिसते, त्याचप्रमाणे थंड हवेपेक्षा गरम हवा हलकी असते आणि ती धुराड्यातून वर वर जाते. हे पाहिल्यानंतर ऊष्ण हवा भरून आभाळात उंचवर उडवले जाणारे फुगे (Baloons) तयार करण्याचे प्रयोग सुरू झाले. त्या काळात फुगे बनवण्यासाठी रबरासारखे लवचीक पदार्थ सुलभपणे उपलब्ध नव्हते आणि त्याचे मोठमोठे शीट तयार करण्याचे तंत्रज्ञान माहीत नव्हते. विशिष्ट आकाराच्या कापडाच्या पिशव्या शिवून आणि त्यावर निरनिराळ्या पदार्थांचे लेप देऊन हे फुगे तयार केले जात असत.
इसवी सन १७४६ मध्ये जन्मलेल्या जॅक्स चार्ल्स ( Jacques Charles) याने लहानमोठे फुगे तयार करून आणि त्यात निरनिराळे वायू भरून त्यांचा अभ्यास केला. हैड्रोजन हा वायू हवेपेक्षा खूपच हलका असल्यामुळे तो फुग्यात भरला तर तो फुगा खूप उंच जाईल असा विचार केला आणि रॉबर्ट बंधूंच्या सहाय्याने सन १७८३ मध्ये तसा पहिला प्रयोग केला. त्यासाठी त्याने कमी वजनाच्या आणि मोठ्या आकाराच्या अशा खास फुग्याचे डिझाईन तयार केले आणि रेशमी कापड, रबराचा चीक, टर्पेंटाइन, व्हार्निश वगैरेंचा उपयोग करून तो मोठा बलून तयार करवून घेतला. त्यात हैड्रोजन वायू भरण्यासाठी शिशाचे नळ आणि त्या वायूला बाहेर पडू न देण्यासाठी घट्ट बंद होणारी झडप (व्हॉल्व्ह) तयार केली. लोखंडाच्या स्क्रॅपवर सल्फ्यूरिक अॅसिड टाकून त्याने हैड्रोजन वायू तयार करवून घेतला. फुगा हवेत उडवण्यासाठी आवश्यक इतका वायू तयार करायलाच कित्येक दिवस लागले होते. या कामासाठी लागणारी विशेष प्रकारची उपकरणे तयार करवून घेऊन घेण्याइतके ज्ञान, बुद्धीमत्ता आणि कौशल्य चार्ल्सकडे होते. त्याचा हा अद्भुत प्रयोग पहायला लाखो लोकांनी गर्दी केली, त्या वेळी फ्रान्समध्ये आलेला अमेरिकन शास्त्रज्ञ बेंजामिन फ्रँकलिन यानेसुद्धा तो प्रयोग पाहिला.
चार्ल्सने ऊष्ण हवेने भरलेले फुगे तयार करण्यातही सहाय्य करून त्यांना हवेत उडवले. त्याला स्वतःलासुद्धा त्या बलून्सबरोबर हवेत उडायची इच्छा होती, पण फ्रान्सच्या राजाने त्याला असले धाडस करू दिले नाही. या उड्डाणातला धोका पाहून त्याने आधी तुरुंगातल्या दोन कैद्यांना फुग्यासोबत हवेत उडायला लावले. त्यामुळे मानवनिर्मित साधनाने हवेत पहिले उड्डाण करण्याची संधी आणि बहुमान मात्र कोणत्या संशोधकाला न मिळता दोन गुन्हेगारांना मिळाला.
चार्ल्स आणि रॉबर्ट यांनी चित्रात दाखवल्याप्रमाणे एक अवाढव्य आकाराचा फुगा तयार केला आणि त्याला एक पाळणा टांगून निकोलस रॉबर्टसह चार्ल्स स्वतः त्यात बसला. या फुग्याला हवेत वर चढवण्याची किंवा खाली जमीनीवर उतरवण्याची व्यवस्था त्याने केली होती. हा फुगा हवेत ५५० मीटर इतका उंच उडला आणि दोन तास हवेवर तरंगत तरंगत ३६ किलोमीटर इतक्या दूरवर गेला. त्यानंतर चार्ल्सने एकट्यानेच पाळण्यात बसून ते बलून उडवले आणि ते वेगाने तब्बल ३००० मीटर इतक्या उंचावर गेले, पण हवामानातला इतका अचानक बदल चार्ल्सला सहन झाला नाही. त्याला असह्य वेदना होऊ लागल्यामुळे ते बलून लगेच खाली आणावे लागले.
हे प्रयोग करत असतांना चार्ल्सने असे पाहिले की दिवसभर हैड्रोजन वायू भरून त्याचा फुगा बराच फुगायचा पण रात्रीच्या थंडीमध्ये त्याचा संकोच होऊन तो आकाराने लहान व्हायचा. तो सीलबंद असल्याने कुठूनही गळत नव्हता यााची खात्री करून घेतली तरीही सकाळ होईपर्यंत त्याचा आकार थोडा लहान होत असे. इसवी सन १७८७ मध्ये त्याने प्रयोगशाळेमध्ये यावर मुद्दाम वेगळे प्रयोग केले आणि असे पाहिले की कुठल्याही वायूला त्याच्यावरील दाब स्थिर ठेवून तापवले तर त्याच्या तापमानात ज्या प्रमाणात वाढ होईल त्याच प्रमाणात तो प्रसरण पावतो आणि त्याचे आकारमान वाढते आणि त्याला थंड केले तर ज्या प्रमाणात त्याचे तापमान कमी होते त्याच प्रमाणात त्याचे घनफळही कमी होते.
वरील आकृतीमधील सिलिंडरमधील दट्ट्यावर ठेवलेल्या वजनाएवढा दाब त्यामधील हवेवर पडतो. समान वजन ठेवून त्याचा हवेवर पडणारा दाब स्थिर ठेवला आहे. वरील आकृतीमधला सिलिंडरच्या खाली ठेवलेला बर्नर पेटवला की त्यातला वायू तापून त्याचे आकारमान वाढते आणि दट्ट्या वर उचलला जातो, खालील आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे तो बर्नर विझला की आतला वायू थंड होऊन दट्ट्या खाली येतो, म्हणजे वायूचे आकारमान कमी होते. घनरूप आणि द्रवरूप पदार्थांचेसुद्धा तापमानानुसार प्रसरण आणि आकुंचन होतच असते, पण ते अतीशय सूक्ष्म असते, सहजपणे दिसण्यासारखे नसते. वायुरूप पदार्थांच्या घनफळात मात्र खूप मोठा फरक पडतो. चार्ल्सने जेंव्हा आपले हे संशोधन केले त्यावेळी फ्रान्समधील अस्थिर परिस्थितीत ते प्रसिद्ध करून त्याला इतर शास्त्रज्ञांची मान्यता मिळवली नाही. काही वर्षांनंतर गे ल्यूसॅक या दुसऱ्या फ्रेंच शास्त्रज्ञाने १८०२ मध्ये आपला सिद्धांत मांडला तेंव्हा तो चार्ल्सच्या संशोधनाच्या आधारावर असल्याचे सांगून चार्ल्सला त्याचे श्रेय दिले आणि त्याला चार्ल्सचा नियम (Charles' law) असे नाव दिले. या नियमाला आकारमानाचा नियम ( law of volumes) असेही म्हणतात. या नियमाला हवेच्या अभ्यासामध्ये खूप महत्व आहे. हवेच्या प्रसरणाच्या या नियमामुळेच पुढील काळातल्या शास्त्रज्ञांना निरनिराळ्या प्रकारची इंजिने तयार करणे शक्य झाले.
No comments:
Post a Comment