वायु

वायु : द्रव्याची एक अवस्था. घन, द्रव व आयनद्रायू (अतिशय मोठ्या प्रमाणात आयनीभवन – विद्युत भारित अणू, रेणू वा अणुगट म्हणजे आयन निर्माण होण्याची क्रिया – झालेला वायू) या द्रव्याच्या अन्य अवस्था असून घन व द्रव पदार्थांपेक्षा वायूचे गुणधर्म अगदी वेगळे असतात. सामान्य तापमान व दाबाच्या परिस्थितीत अकरा मूलद्रव्ये वायुरूपात आढळतात व ती अधातवीय आहेत. निसर्गतः काही वायू संयुगांच्या रूपात (उदा., कार्बन-डाय ऑक्साइड) आढळतात. पदार्थाचा संयोग वा विघटन करून कृत्रिम रीतींनी वायू बनविता येतात.

इतिहास : वायूचा अभ्यास प्राचीन काळापासून करण्यात येत आहे. काही द्रव्य हे हवेसारख्या अवस्थेत असू शकेल, हे सोळाव्या शतकाच्या सुरुवातीस लक्षात आले होते. सोळाव्या व सतराव्या शतकांत पुष्कळ वायूंचा (उदा., हायड्रोजन, ऑक्सिजन, नायट्रोजन) शोध लागला व त्यांचे अध्ययनही करण्यात आले. आंत्वान लव्हॉयझर यांनी ऑक्सिजन हे मूलद्रव्य असल्याचे ओळखले  (१७७५). ⇨ द्रव्याचा गत्यात्मक सिद्धांत पुढे आल्यावर द्रव्याची एक अवस्था म्हणून वायूचा विशेष अभ्यास होऊ लागला. १८२३ साली मायकेल फॅराडे यांनी क्लोरीन वायूचे द्रवात रूपांतर केले. यानंतर अनेक वायूंचे द्रवामध्ये रूपांतर करण्यात शास्त्रज्ञांना यश आले. याकरिता वायू थंड करून त्यावर दाब देण्यात येई. आता सर्व वायूंचे द्रवात व घनरूपातही रूपांतर करता येते. उदा., कार्बन डाय-ऑक्साइडापासून घनरूप शुष्क बर्फ बनविता येतो.

गुणधर्म व वर्तन : कमी घनता, उच्च तरलता (प्रवाहीपणा), दृढतेचा अभाव व उच्च संकोच्यता (दाबले जाण्याचा गुण) ही वायूची गुणवैशिष्ट्ये आहेत. यामुळे वायूला निश्चित आकार वा घनफळ नसते. वायू सहजपणे व झटकन प्रसरण पावतो व ज्या भांड्यात ठेवला असेल त्याचे सर्व घनफळ तो व्यापतो. सर्वसाधारण स्थितीत वायूच्या दाबात किंवा तापमानात थोडा बदल झाला, तरी त्याच्या घनफळात मोठा बदल होतो. वायूची श्यानता (दाटपणा) स्थूलपणे त्याच्या तापमानाच्या वर्गमुळाच्या प्रमाणात बदलते व कमी दाबाला ती दाबावर अवलंबून असते. वायूंचे विसरण (एकमेकांत मिसळले जाण्याची क्रिया) वेगवेगळ्या प्रमाणात होते आणि ते वायूचे तापमान, घनता इत्यादींनुसार बदलेत. वायूला द्रव पदार्थांप्रमाणे मुक्त पृष्ठभाग नसतो परंतु द्रवाप्रमाणे त्याला उत्प्लावकता (उद्धरणक्षमता) असते. द्रवाच्या तुलनेत वायूची घनता द्रवाच्या एक हजारांश किंवा त्याहून कमी असते.

बहुसंख्य वायू (उदा., नायट्रोजन, ऑक्सिजन) रंगहीन, गंधहीन व अदृश्य असतात. वजन, उष्णता शोषून घेण्याची क्षमता, रासायनिक वर्तन इ. गुणधर्मांच्या आधारे असे वायू वेगवेगळे ओळखता येतात. काही वायूंना रंग, वास वा दोन्ही असतात. उदा., नायट्रोजन डायऑक्साइड वायू तपकिरी रंगाचा असून हायड्रोजन सल्फाइड वायूला नासक्या अंड्यासारखा वास येतो तर क्लोरीन हा पोपटी हिरव्या रंगाचा व काहीसा उग्र वास असलेला वायू आहे.

वायूचे वर्तन द्रव्याच्या गत्यात्मक सिद्धांताच्या आधारे विशद केले जाते. या सिद्धांतानुसार सर्व द्रव्य हे अखंडपणे गतिशील असलेल्या अणुरेणूंचे बनलेले आहे. वायूतील असे कण (अणुरेणू) ध्वनीच्या वेगाएवढ्या गतीने सर्व दिशांत हालत असतात. हे कण एकमेकांपासून इतक्या दूरवरून व जलदपणे हालचाल करतात की, त्यांचा एकमेकांवर प्रभाव (उदा., आकर्षण) पडत नाही. अधिक गरम वायूतील कण अधिक वेगाने हालत असतात पण सर्व तापमानांना अधिक हलके  कण भारी कणांपेक्षा अधिक वेगाने हालत असतात. ते एकमेकांवर आदळतात पण एकूण ऊर्जा कमी होत नाही. वायूचे कण पात्राच्या भिंतीवर आदळतात व त्यामुळे दाब निर्माण होतो.

वायू त्याच्या उकळबिंदूइतका थंड केल्यास त्यातील कणांची हालचाल मंदावते व ते एकत्र येतात. कारण गतिज ऊर्जेपेक्षा परस्परांतील आकर्षण प्रभावी ठरते. यामुळे वायूचे या तापमानाला द्रवात रूपांतर होते. वायूवरील दाब वाढविल्यास तो यापेक्षा जास्त तापमानालाही द्रवरूप होतो. मात्र अशा रीतीने एका कमाल तापमानापर्यंतच वायूचे द्रवात रूपांतर होऊ शकते. या तापमानाला त्या वायूचे क्रांतिक तापमान म्हणतात. उदा., सर्वसाधारण वातावरणीय दाबाला ऑक्सिजनाचे त्याच्या उकळबिंदूला (-१८३^० से.) द्रवात रूपांतर होते. मात्र दर चौ. सेंमी. ला ५२.७३ किग्रॅ. दाबाला तो -११९^० से. या त्याच्या क्रांतिक तापमानाला द्रवरूप होतो.

नियम : वायूचे तापमान, दाब, घनफळ व पात्रातील वायुकणांची संख्या यांच्यातील नियम सूत्ररूपाने दर्शवितात व त्यांना वायूचे नियम म्हणतात. तापमानात बदल न करता वायूवरील दाब वाढल्यास वायूचे घनफळ कमी होते (उदा., दाब दुप्पट झाल्यास घनफळ निम्मे होते). याला बॉइल वा माऱ्यॉत नियम म्हणतात. यानुसार वायूचा दाब (P) व घनफळ (V) यांचा गुणाकार हा एक स्थिरांक असतो. सूत्ररूपात हा नियम असा देतात : PV = स्थिरांक.

स्थिर दाबाला वायूच्या ठराविक राशीचे घनफळ हे त्याच्या निरपेक्ष तापमानानुसार (अंश के.) बदलते (वायूचे तापमान एका अंशाने वाढल्यास त्याच्या मूळ घनफळात प्रसरणाने तेवढीच वाढ होते). याला चार्ल्स किंवा गे ल्यूसॅक नियम म्हणतात. यानुसार वायूचे घनफळ व तापमान यांचे गुणोत्तर एक स्थिरांक असतो. हे सूत्ररूपात

असून वायूचे तापमान दुप्पट झाल्यास त्याचे घनफळ दुप्पट होईल.

दाब व तापमान तेच असल्यास सर्व वायूंच्या समान घनफळात असणाऱ्या रेणूंची संख्या समान असते. त्याला ॲव्होगाड्रो नियम म्हणतात. २२.४ लिटर वायूमध्ये ०^०से. तापमानाला व वातावरणीय दाबाला ६.२ × १०^२३ एवढे रेणू असतात. या संख्येला ॲव्होगाड्रो संख्या म्हणतात. एखाद्या द्रव्याचे ॲव्होगाड्रो संख्येएवढे कण म्हणजे त्या द्रव्याचे एक मोल होय.

वरील तिन्ही नियमांचे एकत्रीकरण करून वायूचा सामान्य (सार्वत्रिक) नियम मिळतो. तो सूत्ररूपात पुढीलप्रमाणे देतात.

PV = nRT

(येथे P – वायूचा दाब, V – वायूचे घनफळ, T – वायूचे निरपेक्ष तापमान व n –वायूचे मोल). Rहा वायूचा सार्वत्रिक स्थिरांक असून त्याचे मूल्य ८.३१४ जूल / ^० के. एवढे आहे. या नियमांच्या अभ्यासातूनच द्रव्याचा गत्यात्मक सिद्धांत पुढे आला.

उपयोग : हायड्रोजन व हीलियम हे वायू हवेपेक्षा हलके असून ते वातावरणीय वेधशाळांतून उपकरणांसहित सोडण्यात येणाऱ्या व इतर फुग्यांमध्ये भरण्यासाठी वापरतात. ऑक्सिजन व नायट्रोजन हे वायू जीवसृष्टीच्या धारणेसाठी आवश्यक आहेत. साबण व वनस्पती (तूप) बनविण्यासाठी हायड्रोजन वापरतात. नीच तापमानातील अध्ययन व किरणोत्सर्गी (भेदक कण वा किरण बाहेर टाकणाऱ्या) पदार्थांचा अभ्यास यात हीलियम वायू वापरतात. अनेक वायू इंधन म्हणून व उद्योगधंद्यांत वापरले जातात. वितळजोडकामाकरिता ॲसिटिलीन, हायड्रोजन यांचा उपयोग करतात. विशिष्ट विद्युत् दिव्यांमधून आर्‌गॉन, क्रिप्टॉन यांसारखे वायू वापरतात. युद्धामध्ये क्वचित विषारी वायूचा वापर केला जातो.

पहा : द्रव्याचा गत्यात्मक सिद्धांत द्रव्याच्या अवस्था.

ठाकूर अ. ना. सूर्यवंशी, वि. ल.

“