द्रव्याच्या अवस्था

द्रव्याच्या अवस्था : घनरूप, द्रवरूप आणि वायुरूप या  द्रव्याच्या नेहमी दिसणाऱ्या मुख्य अवस्था (किंवा स्थिती) आहेत. प्राकृतिक दृष्ट्या एकाच द्रव्याच्या वेगवेगळ्या अवस्थांत फरक पडतो, तो तदंगभूत औष्णिक व समाकर्षक ऊर्जेच्या कमीअधिकपणामुळे. कारण या दोन प्रकारच्या ऊर्जांवरच द्रव्यकणांच्या रचनेचा सुव्यवस्थितपणा अवलंबून असतो. म्हणून द्रव्याचे घनरूपातून द्रवरूपात किंवा द्रवरूपातून वायुरूपात रूपांतर करण्यासाठी त्याला उष्णता देणे जरूर पडते. याउलट रूपांतरे करताना त्यातील उष्णता काढून घेणे भाग पडते.

संकलित स्थितीतील द्रव्यकणांच्या विभागणीची एक तऱ्हा म्हणजे द्विमित विस्ताराची आणि दुसरी म्हणजे नेहमी दिसणारी त्रिमित विस्ताराची. त्रिमित विस्तारात द्रव्यकण काही विशिष्ट आयतनात (घनफळात) विखुरलेले असतात. त्रिमित विस्ताराचे आणखी वर्गीकरण पुढीलप्रमाणे करता येईल.

येथे एक गोष्ट लक्षात ठेवणे जरूर आहे, ती ही की कित्येकदा वेगवेगळ्या उपवर्गांमधील सीमारेषा अगदी स्पष्ट अशा नसतात. उदा., अस्फटिक घन  आणि द्रव यांमधील फरक सैद्धांतिक दृष्ट्या फारच थोडा असतो. 

घन अवस्था : स्वतःच्याच वजनाने ज्याचा आकार बदलू शकत नाही त्या पदार्थास घन पदार्थ म्हणावे, अशी घन पदार्थाची थोडक्यात व्याख्या देता येईल. घन पदार्थाला निश्चित आयतन व निश्चित आकार असतो. घन पदार्थ कर्तरण प्रतिबल (पदार्थातील भिन्न भागांच्या सापेक्ष चलनामुळे उत्पन्न होणारी एकक क्षेत्रफळावरील  प्रेरणा) सहन करू शकतात. त्यांच्या या विशेष गुणधर्मामुळे व्यवहारात अनेक ठिकाणी आपण घन पदार्थांचा वापर करतो.

घन पदार्थातील कण एकमेकांवर जोरदार आकर्षणाच्या प्रेरणा लावीत असतात. त्याचबरोबर ते एकमेकांचे प्रतिसारणही (दूर लोटण्याची क्रियाही) करीत असतात. या दोन्ही परस्परविरोधी प्रकारच्या प्रेरणा मूलतः कणांच्या आतिल इलेक्ट्रॉनमुळेच निर्माण होतात. घन पदार्थ तोडताना किंवा फोडताना आकर्षण प्रेरणांचा विरोध होतो. याउलट दाबाखाली पदार्थाचा संकोच होण्यास जो विरोध होतो तो प्रतिसारक प्रेरणांमुळेच. नेहमीच्या स्थितीत या दोन प्रकारच्या प्रेरणांचा समतोल झालेला असतो.

स्फटिक आणि अस्फटिक असे घन पदार्थांचे दोन वर्ग होतात. शिरगोळा, खडीसाखर किंवा धातू ही स्फटिकांची उदाहरणे आहेत तर काच हे अस्फटिकाचे उदाहरण आहे. स्फटिक पदार्थात सममिती (समरूप पृष्ठकांची वा फलकांची पुनरावर्ती मांडणी असण्याचा गूणधर्म) असते व जरूर तर काही संस्कारांनंतर ती सममिती आपणास दिसूही शकते. काही पदार्थ अगदी सूक्ष्म स्फटिकांच्या समुच्चयाने बनलेले असतात. त्यांचे स्फटिकत्व सहजपणे ओळखू येत नाही तर काही पदार्थांच्या बाबतीत ते नुसत्या डोळ्यांनाही दिसू शकते. बहुतेक सर्व मूलद्रव्ये आणि संयुगे स्फटिकरूपात मिळू शकतात. पदार्थांचे वजन पेलण्याचे सामर्थ्य, कडकपणा वगैरे महत्त्वाचे गुण त्यांच्यातील स्फटिक रचनेवर अवलंबून असतात. यामुळे स्फटिकांच्या अभ्यासाला विशेष महत्त्व आहे [ → स्फटिकविज्ञान].

घन पदार्थातील कण पुढील चार प्रकारच्या प्रेरणांनी एकमेकांना बांधलेले असतात : (१) आयनीबंध (विरुद्ध विद्युत् भारित आयनांतील अणू, रेणू, वा अणूगटातील बंध) (२) सहसंयुजा बंध (दोन अणूंमध्ये सामाईक इलेक्ट्रॉन, सामान्यतः दोन असलेला रासायनिक बंध) (३) धातु बंध (दोन अणूंमधील बंध) (४) व्हॅन डर व्हाल्स बंध किंवा रेणवीय बंध. कणांना बांधणारे बंध जितके जास्त जोरदार तितका तो पदार्थ अधिक बळकट असतो आणि त्याचा वितळबिंदू (वितळण्याचे तापमान) उच्च असतो.

 या सर्व बंध प्रकारांत रेणवीय बंध सर्वांत कमजोर असतात. या बंधाने तयार झालेले घन पदार्थ अगदी मऊ असतात व त्यांचा वितळबिंदू अगदी कमी असतो. (उदा., घन आयोडीन). याउलट हिऱ्यामधील अणू सहसंयुजा बंधाने निगडित असतात व त्यामुळे असे पदार्थ अतिशय टणक असून त्यांचा वितळबिंदू फार उच्च असतो. या बंधामुळे घन पदार्थ एकसंघ राहतो परंतु त्याच्या उलट परिणाम करणारी एक प्रक्रियाही त्याबरोबर चालू असते. ती म्हणजे ⇨ द्रव्याच्या गत्यात्मक सिद्धांतानुसार होणारी कणांची हालचाल होय. ही हालचाल पदार्थ निरपेक्ष शून्य तापमानापर्यंत (-२७३^°से.) थंड केला, तरच बंद होते. नाहीतर ती एकसारखी अविरतपणे चालू असते. या हालचालीमुळे पदार्थांचा कठीणपणा कमी होण्याची प्रवृत्ती होते तसेच त्याचा आकारही बदलण्याकडे या हालचालीचा कल असतो.

या हालचालीचे दोन परिणाम होतात. एक म्हणजे पदार्थाचे कण आपल्या मूलस्थानापासून इतस्ततः सर्व दिशांनी स्थानांतर करतात. अर्थात हे स्थानांतर फार सूक्ष्म असते. या प्रकारच्या हालचालीची एकूण गोळाबेरीज करता पदार्थाचे कण आपल्या मूळ जागेवरच राहतात. दुसऱ्या प्रकारच्या हालचालीत कण आपली मूळ जागा सोडून पूढे जातात. या गतीमुळेच एका घन पदार्थाचे दुसऱ्या घन पदार्थातून विसरण (रेणू एकमेकांत मिसळण्याची क्रिया) होत राहते (कार्बनाबरोबर लोखंड खूप तापवले असता पोलाद बनते त्याचे कारण त्या उच्च तापमानात कार्बनाचे कण लोखंडात विसरण पावतात हेच होय).

द्रव्याच्या गत्यात्मक हालचाली पदार्थाचा आकार बदलून टाकण्याचा प्रयत्न करतात, तर बंध प्रेरणा तो कायम राखू पाहतात. पदार्थाचे तापमान जसजसे वाढवावे तसतशा उष्णतेमुळे त्यातील कणांच्या वाढलेल्या हालचाली जास्त जास्त जोरदार होतात. त्यामुळे पदार्थाचा टणकपणा कमी होऊ लागतो. शेवटी तापमान पुरेसे वाढविल्यास कणांचे स्थानांतर सुकरतेने होऊ लागते म्हणजेच पदार्थ वितळून त्याचे द्रवात रूपांतर होते. वितळण्यासाठी पुरविलेल्या सुप्त उष्णतेचे (तापमान न बदलता पदार्थाची अवस्था बदलण्यासाठी दिलेल्या उष्णतेचे) कणांच्या गतिज ऊर्जेत रूपांतर होते.

द्रव अवस्था : घन पदार्थ वितळतो तेव्हा त्याच्या घनतेत फारसा फरक होत नाही. त्याच प्रमाणे द्रवाची संकोच्यताही घन पदार्थाच्या संकोच्यते इतपतच असते. यावरून द्रवामध्ये कणांतील अंतरे ही घनामधील कणांतील अंतरांपेक्षा फारशी जास्त नसली पाहिजेत, हे स्पष्ट होते परंतु उष्णतेमुळे झालेल्या हालचालीने द्रवाचे कण घनातील कणांपेक्षा जास्त वेळा स्थलांतरे करतात. त्यामुळेच द्रवाला प्रवाहीपणा प्राप्त होतो. द्रवांचे विसरणही त्यामुळे घन पदार्थापेक्षा जास्त जलद होते परंतु एकट्या कणाऐवजी कणसमूहांचे स्थलांतर होत जाते. तरीही द्रवाचे कण एकमेकांवर समाकर्षणाची प्रेरणा लागू करू शकतात. म्हणून द्रवाचा आकार जरी सहजगत्या बदलत असला, तरी त्याचे आकारमान निश्चित असते, हा वायू व द्रव यांच्या गुणधर्मातला महत्त्वाचा फरक आहे. द्रवाच्या तुलनेने वायूची घनता खूपच कमी व संकोच्यता खूप जास्त असते, ही गोष्टही सर्वांना ठाऊक आहे. अनेक दृष्टींनी पाहता द्रव अवस्था ही घन व वायूरूप अवस्थांच्या मधला टप्पा आहे असे दिसते.

घन अवस्थेत पदार्थातील कण सुव्यवस्थित रचनेत बद्ध असतात व काही एका मूलभूत ऱचनेची ठराविक अंतराने पुनरावृत्ती होत असते. त्यामुळे त्यामधून क्ष-किरणांचे विवर्तन [ →  क्ष-किरण] होऊ दिल्यास स्पष्ट अशा समकेंद्री वर्तुळांची एक मालिकाच मिळते परंतु द्रवातून क्ष-किरणांचे विवर्तन होऊ दिले, तर फक्त एक वर्तुळ व त्याच्याभोवती धुक्यासारखे अस्पष्ट गोलाकार आवरण मिळते. (आ. १ अ, आ व इ)

यावरून असे अनुमान निघते की, द्रवकणांमध्ये अल्प अंतरापर्यंतच रचनेचा व्यवस्थितपणा असतो. जास्त अंतरापर्यंत गेल्यास रचनेची बरोबर पुनरावृत्ती होत नाही. (आ. २ व ३). रचनेतील व्यवस्थितपणाच्या अभावामुळे द्रवांना समदिक्‌ता हा गुण प्राप्त होतो. याचा अर्थ द्रवाचे भौतिक गुणधर्म सर्व दिशांनी सारखेच असतात.

द्रवातील कणांची अवस्था स्थूलमानाने ज्ञात झालेली असली, तरी त्याच्याबाबतीत सैद्धांतिक उपपत्ती देणे अद्याप शक्य झालेले नाही. म्हणून द्रव अवस्था ही अद्याप गूढच आहे, असे म्हटले जाते.

काच, साखरेचा घट्ट झालेला पाक वगैरे कित्येक पदार्थांत बरोबर याच प्रकारात क्ष- किरणांचे विवर्तक दृष्टीस पडते परंतु दिसायला तर हे पदार्थ घनरूप दिसतात. या पदार्थांना निश्चित असा वितळबिंदूही असत नाही म्हणून या वर्गातील पदार्थ धड द्रवही नाहीत किंवा धड घनही नाहीत, अशा संक्रमण अवस्थेत आहेत असे मानतात.

 द्रव आणि स्फटिक यांच्या दरम्यानची आणखीही एक अवस्था असून तिला द्रव स्फटिक असे म्हणतात. [→ द्रव स्फटिक].

वायू अवस्था : द्रव पदार्थ त्याच्या उकळबिंदूपर्यंत तापविला असता त्याचे बाष्पात रूपांतर होते. या रूपांतरात पदार्थाच्या आयतनात सु. १,००० पट किंवा त्याहीपेक्षा अधिक वाढ होते व तितक्याच प्रमाणात पदार्थांची घनता कमी होते म्हणजेच वायुरूप अवस्थेत पदार्थांच्या कणांमधील अंतरे अनेक पटींनी वाढतात. म्हणूनच वायूंची संकोच्यता द्रव किंवा घन पदार्थांपेक्षा खूपच जास्त असते. कणांमधील अंतरे वाढल्यामुळे कणांमधील आकर्षण जवळजवळ नष्टच झाल्यासारखे होते व वायूच्या कणांमध्ये एकमेकांपासून जास्तीत जास्त दूर जाण्याची प्रवृत्ती होते. त्यामुळे वायू त्यांना उपलब्ध असलेल्या भांड्याचे सर्वच्या सर्व आयतन व्यापतात.

वायुरूपातील कणांच्या मुक्त संचाराला सांख्यिकीचे नियम लावून त्यावरून वायूंना लागू पडणारे नियम–बॉइल यांचा नियम, चार्ल्‌स यांचा नियम किंवा गे्ल्यु‌सॅक यांचा नियम–यांची, तसेच वायूंच्या इतर अनेक गुणधर्मांची उपपत्ती उत्तम तऱ्हेने देता येते. यातूनच द्रव्याच्या गत्यात्मक सिद्धांताचा उदय झाला [→ द्रव्याचा गत्यात्मक सिद्धांत].

द्रव उकळून त्याचे बाष्पात रूपांतर होताना घडून येणारे फेरबदल जरी फार मोठे वाटले, तरी सैद्धांतिक दृष्ट्या द्रव व वायुरूप अवस्थांमध्ये एक प्रकारची अभिन्नता असली पाहिजे असे सिद्ध करणारे प्रयोग प्रथम कान्यार द ला तूर शार्ल व नंतर टी. अँड्रूज यांनी केले. त्यानंतर जे. डी. व्हॅन डर व्हाल्स, डी. बर्थेलॉट, सी. डीटेरीट्सी वगैरे शास्त्रज्ञांनी या दोन्ही अवस्थांना लागू पडणारी आपली अवस्था-समीकरणे मांडली [→ स्थिती समीकरण]. या सर्व गोष्टींचा सारांश म्हणून असे सांगता येईल की, कोणत्याही वायूचे पुरेसे शीतलीकरण (म्हणजे सीमान्त तापमानाच्या खाली जाईतो) करून त्याच्यावरील दाब पुरेसा वाढविल्यास त्याच्या कणांचे संघनन (एकत्रीकरण) होऊन त्याचे द्रवात रूपांतर होते. उलटपक्षी तापमान वाढवून दाब पुरेसा कमी केल्यास द्रवाचे वायुरूपात परिवर्तन होते. थोडक्यात संघनित वायू म्हणजे द्रव आणि असंघनित द्रव म्हणजे वायू होय [→ वायु].

आयनद्रायू अवस्था : ५०% धन आयन व ५०% मुक्त इलेक्ट्रॉन यांच्या मिश्रणास आयनद्रायू (प्लाझ्मा) हे नाव आय्. लँगम्यूर यांनी प्रथम दिले. आयनद्रायू म्हणजे अतिशय मोठ्या प्रमाणात आयनीकरण झालेला वायू होय.

विश्वातील एकूण द्रवपैकी जास्तीत जास्त द्रव आयनद्रायू स्थितीतच आहे. तारे, आंतरतारकीय अवकाश आयनद्रायूनेच भरलेले आहेत. इलेक्ट्रॉनीय निर्वात नलिकेच्या (व्हाल्व्हच्या) अंतर्भागात किंवा अनुस्फुरक नलिकेच्या (फ्लुओरेसंट ट्यूबच्या) आत आयनद्रायू असतो. सूर्य हा जवळजवळ संपूर्णपणे आयनद्रायुमय आहे.

वायूमध्ये आयनीकरण करण्याचे अनेक मार्ग आहेत. वायूचा दाब कमी करून त्याचे तापमान पुरेसे वाढविले असता त्याचे आयनद्रायूत रूपांतर होते. हा प्रकार तापमान वाढवून घन पदार्थाचे द्रवात अथवा द्रवाचे वायूत रूपांतर करण्यासारखाच आहे व या दृष्टिकोनातून आयनद्रायू अवस्थेला द्रवाची चौथी अवस्था म्हणण्याचा प्रघात पडला आहे. 

या अवस्थेचा विशेष अभ्यास विसाव्या शतकातच सुरू झाला असून विद्युत् शक्तीचे उत्पादन किंवा अणूंचे संघटन (दोन अणुकेंद्रांचा संयोग होणे) यांसारख्या प्रक्रियांत त्याचे फार महत्व आहे [→  आयनद्रायु भौतिकी].

द्विमित विस्तार : पाण्याच्या पृष्ठभागावर तेलाचा एखादा बिंदू टाकला, तर तो ताबडतोब सर्व पृष्ठभागावर पसरतो. तेलाच्या या थराची जाडी फार तर (तेलाच्या) रेणूच्या लांबीच्या काही पटींइतकीच  असते. द्रवाच्या अशा अती पातळ थराला तवंग म्हणतात, हाच द्रव्याचा द्विमित विस्तार होय. या अवस्थेतील द्रव्याचे गुण नेहमीपेक्षा काहीसे वेगळे असलेले आढळतात. या थरांची जाडी पुष्कळदा केवळ एक रेणूइतकीच असते म्हणून त्यांना एक-रेणुस्तर किंवा एकस्तर असेही नाव दिले गेले आहे.

अशा एक-रेणुस्तराचा अभ्यास मुख्यतः लँगम्यूर यांनी केला आहे. एका लांबट चौकोनी भांड्यात पाणी घेऊन त्याच्या पृष्ठभागावर त्यांनी असे तवंग तयार केले. तवंगाच्या एका बाजूला एक स्थिरपट्टी (अ ही) व दुसऱ्या बाजूला (आ ही) हालती पट्टी लावली होती. प या पारड्यात वजने टाकून आ वर डावीकडून उजवीकडे जाणारी प्रेरणा लावता येते. समतोल होण्यासाठी तवंगाने आ वर इतक्याच जोराची प्रेरणा उलट दिशेने लावली पाहिजे (आ. ४). अशा तऱ्हेने तवंगाची आ वर लागू होणारी प्रेरणा F ही मोजता येते. अ आणि आ मधील अंतर कमीजास्त करून तवंगाचे क्षेत्रफळ कमीजास्त करता येते व त्यामुळे त्याची जाडीही कमीजास्त करता येते. तवंगाचे क्षेत्रफळ खूप वाढविल्यानंतर असे दिसून येते की,

F. a  =  KT.

येथे a = श्रेत्रफळ, K = स्थिरांक व T = निरपेक्ष तापमान आहेत. हे समीकरण PV = RT या वायूंच्या बाबतीतील समीकरणासारखे आहे म्हणून अशा तवंगांना वायुस्वरूप तवंग असे म्हणतात. अशा तवंगांचे क्षेत्रफळ एकसारखे संकुचित करीत गेल्यास त्यांचे गुण प्रथम द्रवासारखे आणि शेवटी घनरूप पदार्थासारखेही होतात. तवंग द्रवाच्या रेणूंच्या विशिष्ट आकारामुळे अशा प्रकारचे परिणाम होऊ शकतात व म्हणून या प्रयोगावरून पदार्थांच्या रेणूंच्या रचनेबद्दल माहिती मिळू शकते.

संदर्भ: 1. Gottlieb, M. Garbuny, M. Emmerich,  W.Seven States of Matter, New York, 1966.

           2. Moelwyn – Hughes. E. A. States of Matter, New York, 1961.

           3. Pryde, J. A. The Liquid  state,  New York, 1966.                                                                      

पुरोहित, वा. ल.

“