પરેશ ર. વૈદ્ય

નેહાએ જલદીથી દૂધ ગરમ કર્યું, ગ્લાસમાં રેડ્યું અને તેમાં ખાંડ ભેળવી ઠંડુ કરવા માટે એક બાઉલમાં પાણી રેડી ગ્લાસ તેમાં ઊભો કરી દીધો.

“શૈલી, આ દૂધ રાખ્યું છે, ઠેડું થાય પછી પી લેજે” કહી એ ઉતાવળથી તૈયાર થવા ચાલી ગઈ. ઘણી વાર પછી શૈલીએ ગ્લાસ મોઢે માંડયો ત્યારે એ તો ચીસ પાડી ઊઠી.

“મા, દૂધ બહુ ગરમ છે!’”

નેહાને વિશ્વાસ ન પડયો. પરંતુ વાત ખરી હતી – પ્યાલામાં ઉપરનું દૂધ એટલું ગરમ હતું કે જાણે ઠંડું કરવા જ ન મૂક્યું હોય. પૂરતું ઠાર્યા પછી પણ બાળકને દૂધ ગરમ લાગ્યું તેવી વિચિત્ર લાગતી આ ઘટના પાછળ પ્રવાહીના ઠંડા પડવાની ખાસ પ્રક્રિયા કારણરૂપ હતી. એ ઘટના સમજવાને બહાને ચાલો આપણે પણ પદાર્થના ગરમ અને ઠંડા થવાની પ્રક્રિયાની સમજણ તાજી કરી લઈએ.

વસ્તુ ગરમ કેમ થાય?

પદાર્થની આણ્વિક રચનાનું ચિત્ર અહીં ફરી જુઓ.

પદાર્થને ગરમી મળે ત્યારે તેના અણુઓ (કે પરમાણુઓ) જોરથી કંપન કરવા લાગે છે. ચિત્રમાં જોતાં જણાશે કે ઘન પદાર્થના અણુઓ એકબીજાને અડીને ગોઠવાયેલા હોય છે. આથી એકનું કંપન તેના પાડોશીને કંપન કરવા ફરજ પાડે છે. એ બીજો પરમાણુ ત્રીજાને હલાવે છે. એમ ગરમી કંપન સ્વરૂપે આગળ વધતી રહે છે. સ્વાભાવિક છે કે પદાર્થમાં ગરમ પ્રવાહ ઠંડા તરફ આગળ વધતો અર્હે છે. કડાઈને ગેસ પર મુકીએ ત્યારે જ્વાળા બહ્લે તલિયાને જ અડકતી હોય, પણ થોડીવારમાં તે ઉપર કડાં સુધી પહોંચો જ જાય છે. આ પ્રક્રિયાને ઉષ્ણતાનું ‘વહન’ કહે છે.

પ્રવાહી અને વાયુમાં અણુઓ એકબીજા સાથે સજ્જડ સંપર્કમાં નથી હોતા. આથી એક અણુનું કંપન તેના પાડોશી અણુને કંપવા માટે ફરજ નથી પાડતું. તો પછી ગરમી પ્રસરે કેમ? કુદરતે તેના માટે જુદી વ્યવસ્થા કરી છે. ગરમીના કારણે પાણી કે હવા (અને વાયુઓ) હલકાં થાય અને તેથી ઉપર ચડે છે. ઉપર જઈ પોતાની જગ્યા બનાવવા માટે એ ત્યાં રહેલ ઠંડા પ્રવાહીને બાજુએ હટાવે છે. તુલનામાં ઠંડું હોવાર્થી એ પ્રવાહી ભારે પણગ છે અને તેથી વાસણમાં એ નીચે ઊતરે છે. આથી ચૂલામાંથી આવતી ગરમી મેળવવાનો વારો હવે આ નીચે ઊતરેલ પ્રવાહીનો છે. એ ગરમ થશે અને ઉપર જશે ત્યારે તેના કરતાં ઓછા ઉષગતામાનવાળા પ્રવાહીને નીચે ધકેલશે. આમ વારવાર તપેલીને તળિયે મુલાકાત લઈ લઈને પ્રવાહી ઊકળવા જેટલી ગરમી પ્રાપ્ત કરી લે છે. વાયુમાં પણ આ જ પ્રક્રિયાથી ગરમી પ્રસરે છે. તેને ઉષ્મતા ‘નયન’ (લઈ જવું) કહે છે. સ્વાભાવિક છે કે નિયત જથ્થાના ઘન પદાર્થ કરતાં એટલા જ પ્રવાહી અને વાયુને ગરમ થતાં થોડો વધારે વખત લાગે, કેમ કે અણુઓ જાતે પ્રવાસ કરીને ઉષ્મા પહોંચાડે છે.

ગરમીના પ્રવાસની ત્રીજી રીત છે વિકિરણની. તેમાં ઊર્જાના સોત અને મેળવનારની વચ્ચે કોઈ માધ્યમ (એટલે કે અણુઓ)ની જરૂર નથી. સૂર્યની ગરમી પૃથ્વી પર આ રીતે, સીધી ઠેક મારીને, પહોંચે છે. શિયાળાની રાતે ચોકીદારો તાપણું શેકે છે તે પણ વિકિરણથી જ. તાપણાની ગરમ હવા તો ઉપર જતી હોય, તો આડી દિશામાં હાથ કેમ ગરમ થાય છે? ચારે તરફ વિકિરણથી ફેલાતી ગરમીના કારણે જ.

રસોડાના સંદર્ભમાં ગરમી મેળવવાનો એક તદ્દન નિરાળો માર્ગ છે. જેમાં ઉષ્ણતાનું વહન કરવાનો પ્રશ્ન જ નથી થતો. એ છે માઈક્રોવેવ ઓવનનો. રેડિયો તરંગો વચ્ચે ખાદ્ય પદાર્થ મૂકવાથી તેમાં રહેલ પાણીના અણુઓ કંપન કરવા લાગે છે. તે રીતે આખો જથ્થો એકસાથે જ ગરમ થતો હોવાથી ઉષ્ણતા પ્રસરવાનો મુદ્દો જ નથી.

ઠંડું થવા માટે : વસ્તુ કે વાનગી ગરમ થવાની ત્રણ-ચાર રીતો આપણે જોઈ, પરંતુ ગરમ વસ્તુઓ આપમેળે ઠંડા પડવાની એક જ રીત છે – તે છે વિકિરણની. ગરમ પદાર્થ હંમેશાં જ ગરમીનું ઉત્સર્જન કરતો રહે છે.જે આસપાસના પરિસરમાં મળી જાય છે. આ ઉત્સર્જનનો દર બે વાત પર આધાર રાખે – એક તો પદાર્થનું ઉષ્ણતામાન અને બીજી કે ગરમ પદાર્થની ઉષ્ણતાનું વિકિરણ કરે છે એ સપાટી કેટલી ખુલ્લી છે. પદાર્થના ઉષ્ણતામાન અને પરિસરના ઉષ્ણતામાન વચ્ચે  જેમ ફરક વધારે તેમ ઠંડા પડવાની ગતિ વધારે. આથી જ શિયાળામાં વાનગીઓ જલદી ઠંડી પડે છે.

કુદરતના આ ક્રમ કરતાં વધારે ઝડપથી જો ચીજને ઠંડી પાડવી હોય તો પ્રયત્ન કરવા પડે, જેમાં પેલા ઉષ્ણતાવહન અને ઉષ્ણતાનયનના સિદ્ધાંતો લાગુ પડવા માંડે. દાખલા તરીકે જો ગરમ કૂકરને જલદી ખોલવું હોય તો તમે તેને પાણીના નળ નીચે ઠંડું પાડો છો. પાણીના સંપર્કમાં આવતાં ધાતુ પોતાની ગરમી પાણીને આપવા લાગે છે. કૂકરનો ઉપલો ભાગ ઠંડો થતાં તળિયાં તરફથી ગરમી ઉપર આવવા લાગે છે અને પાણી તેનેય ઠંડું કરતું વહે છે. થોડી વારમાં આપ્યું ફૂકર નું બહારનું વાસણ ઠંડું થઈ જાય છે. આની સરખામાણીમાં કુદરતી ઉત્સર્જન ઘણું ધીમું હોત.

નેહાએ પાણીમાં દૂધનો પ્યાલો મૂક્યો તેમાં પણ કુદરતી ક્રમ કરતાં જલદી કામ કરવાની યુક્તિ હતી. તેની ભૂલ એટલી હતી ગ્લાસમાંનાં દૂધની સપાટી બહારનાં પાત્રમાં પાણીની સપાટી કરતાંય ઉપર હતી. (જુઓ ચિત્ર. અહીં ડાબી તરફનું ચિત્ર ગરમ દૂધ માટેનું છે તે જુઓ.)
બાઉલ કે તાંસળીનું જે પાણી ગ્લાસને અડકેલું છે તે ગ્લાસ મારફત દૂધની ગરમી લેશે. ગરમ થયેલ પાણી ઉપર ચડી નવાં ઠંડાં પાણીને ગ્લાસ પાસે આવવા દેશે. જ્યાં લગી બાઉલનું બધું પાણી એક સમાન ગરમ થઈ જાય ત્યાં સુધી આ “ઉપર-નીચે’ ચાલ્યા કરશે. શક્ય છે કે દૂધ બહુ ગરમ હોય તો બાઉલનું પાણી બદલવું પણ પડે.

પરંતુ આપણને વધારે રસ છે ગ્લાસની અંદર દૂધ કેમ ઠંડું પડે છે તે જોવામાં. અહીં પ્યાલાની ગોળ ફરતી સપાટી પાસેનું દૂધ ઠંડું પડે છે અને નીચે ઊતરે છે. અને ત્યાંથી ગરમ દૂધને ઉપર ધકેલે છે, જે કાળી જાડી રેખાથી બતાવ્યું છે. પરંતુ ઉપર ધકેલાતા આ દૂધની મુસાફરી માત્ર ‘B’ અક્ષરથી બતાવેલ ‘લેવલ” સુધી જ રહેશે. તેનાથી ઉપરનું (A-B હિસ્સાનું) દૂધ તો એટલું ગરમ અને હલકું છે કે ઉપર જતો દૂધનો પ્રવાહ Bથી ઉપર જઈ નહીં શકે. વર્તુળાકાર ગતિમાં ઠંડું અને ગરમ દૂધ ફર્યા કરશે, પણ માત્ર B સપાટીની નીચે જ.  એ જથ્થો આખો સમાન ઉષ્ણતામાને આવી જશે ત્યારે ઉષ્ણતાનું ‘નયન’ ફરતું બંધ થશે, પરંતુ AB હિસ્સો ગરમ જ રહેશે, કારણ કે પ્રવાહીમાં ઘન પદાર્થની જમ સંપર્ક દ્વારા ગરમી નથી જતી. જો પ્યાલો ધાતુનો હશે તો એ AB ભાગની ગરમી BC ભાગને મોકલશે, પરંતુ કાચના પ્યાલામાં એ પણ નથી થતું.

આ પરિસ્થિતિ ઠગારી એટલે છે કે જો BC હિસ્સા પર હાથ રાખી પ્યાલો ઉપાડો તો એ ઠંડો જ લાગશે ! આથી બાળક વિશ્વાસથી તેને મોઢે લગાડે છે, અને ચોંકે છે. આવું ન બને તે માટે દૂધને ચમચીથી હલાવ્યા કરવું જોઈએ જેથી BC હિસ્સાનું ઠંડું દૂધ વારંવાર ઉપરના ભાગમાં આવ્યા કરે અને ઉષગતામાન બધે એકસમાન રહે. વધુ સરળ રસ્તો છે બહારના પાત્રમાં પાણીની સપાટી ગ્લાસમાંની દૂધની સપાટી જેટલી રાખવાનો.

ઠંડા દૂધ માટે જુદો નિયમઃ પ્રવાહીમાં ગરમીના પ્રવાસની વિચિત્રતા અનુભવવી હોય તો ઠંડા દૂધ પર આ જ પ્રયોગ કરો. રેફ્રિજરેટરમાંથી કાઢેલ દૂધને સામાન્‍ય ઉષ્ણતામાને (રૂમ ટેમ્પરેચરે) લાવવા માટે ગૃહિગીઓ આ રીતે થોડી વાર બહાર મૂકતી જ હોય છે. એ જ પ્યાલા અને એ જ બાઉલમાં આ ઠંડા દૂધને મૂકો. અને બાઉલનું પાણી ઠંડું થતું જશે અને પ્યાજ્ઞાનું ગરમ થઈ રૂમના ઉષ્ણતામાને આવશે. જમણી તરફના ચિત્રમાં જુઓ કે દૂધની હરફર ડાબા ચિત્ર કરતા જુદી છે. પ્યાલાની દીવાલ તરફનું દૂધ ઠંડી ‘ગુમાવે’ છે તેથી હલકું થઈ ઉપર જાય છે. એને Bની સપાટીને રેખાની મર્યાદા નડતી નથી કારણ એનું ઉષગતામાન છથી ઉપરના ઠંડા દૂધ કરતાં વધારે છે. એ ઉપર જતું જ રહે છે, છેક ટોચ સુધી. ત્યાંથી એ ઠંડા દૂધને નીચે ધકેલશે, જે કાળી જાડી રેખા બતાવે છે. એટલે પ્યાલાનું બધું જ દૂધ ગરમ થવાની પ્રક્રિયામાં ભાગ લે છે અને તેથી થોડી વારે બધા દૂધનું ઉષ્ણતામાન એકસમાન હશે. ગરમ દૂધ જેવું આશ્ચર્ય કે ઝાટકો અહીં નહીં મળે.

પ્રવાહીની જમ વાયુ અને હવામાં પાણ ગરમીની આપલે ઉષ્ણતાનયનથી જ થાય છે. એક રીતે એ કુદરતનું વરદાન છે. ચૂલા અને ભટ્ટીઓમાંથી નીકળતો ગરમ ધુમાડો આ કારણે ઉપર ચાલ્યો જાય છે. નહીં તો એ આડો ફેલાતો હોત. અપવાદરૂપે પરિસ્થિતિઓમાં હજુય તેમ થાય છે, અને વાયુપ્રદૂષાણનું કારણ બને છે. પૃથ્વી પર વહેતા પવનો આ ‘નયન’ પ્રક્રિયાના ફળસ્વરૂપે જ છે. હવાની બાબતમાં ભેજ પણ આ પ્રક્રિયામાં થોડો ભાગ ભજવે છે અને માવઠાં જવી ઘટનાઓ બને છે જે સરળતાથી સમજવી મુશ્કેલ બને છે. વિશાળ પાયા ઉપર તો ભારતનું ચોમાસું પણ આ પ્રક્રિયાના પરિણામે છે, પરંતુ એ ઘરની બહારની ઘટના હોવાથી આ લેખમાળામાં ચર્ચામાં નહીં લઈએ.

આમ છતાં એમ કહી શકાય કે કુદરતની આવી પ્રક્રિયાઓ ન સમજાય તો તો ચોંકાવે છે જ, પરંતુ સમજમાં આવે તો પણ આશ્ચર્યમુગ્ધ કર્યા વિના રહેતી નથી.

સૌજન્યઃ નવનીત સમર્પણ જુલાઈ ૨૦૨૫

ડૉ. પરેશ ર. વૈદ્યનો સંપર્ક pr_vaidya@yahoo.com   વિજાણુ સરનામે થઈ શકે છે.