પ્રવાહી અવસ્થા

પ્રવાહી અવસ્થા : દ્રવ્યની ઘન અને વાયુ પ્રાવસ્થા (gas phase) વચ્ચેની અસ્ફટિકીય (non-crystalline, amorphous) અવસ્થા. શુદ્ધ પદાર્થની બાબતમાં તેના ગલનબિંદુથી ઊંચે અને ઉત્કલનબિંદુથી નીચેની ત્રિક બિંદુ (triple point) દબાણ અને ક્રાંતિક (critical) દબાણ વચ્ચેની અવસ્થાને પ્રવાહી અવસ્થા કહી શકાય. અણુઓની સંકેન્દ્રિતતાની ર્દષ્ટિએ પ્રવાહી વાયુ કરતાં વધુ પણ ઘન કરતાં ઓછું સંકેન્દ્રિત હોય છે. આને લીધે પ્રવાહી ઘનની માફક મોટા પાયા ઉપર નિયમિત, ત્રિપરિમાણી આણ્વિક, પારમાણ્વિક કે આયનિક ગોઠવણી ધરાવતું નથી તથા તેમાં વાયુની માફક તદ્દન અવ્યવસ્થિત અથવા યાચ્છિક (random) ગોઠવણી પણ હોતી નથી. પ્રવાહી એ ઘન અને વાયુરૂપ પદાર્થો સાથે એ રીતે સામ્ય ધરાવે છે. ઘન પદાર્થની માફક પ્રવાહીની ઘનતા દબાણ અને તાપમાન ઉપર ઓછો આધાર રાખે છે; જ્યારે વાયુઓની માફક તે અપરૂપણ પ્રતિબળો (shearing stresses) સામે ટકી શકતું નથી. વર્ષોથી પ્રવાહીઓનો અભ્યાસ થતો આવ્યો છે; પણ પ્રવાહી-અવસ્થા માટેનો કોઈ એક બુદ્ધિગ્રાહ્ય (comprehensive) સિદ્ધાંત હજુ રજૂ થયો નથી.

પ્રવાહીઓ દ્વારા થતા એક્સ–કિરણોના વિવર્તન(diffraction)ના અભ્યાસ પરથી એમ માલૂમ પડ્યું છે કે સંરચનાકીય ર્દષ્ટિએ પ્રવાહીના અણુઓ પ્રમાણમાં સુસંકલિત રીતે ગઠિત થયેલા (closely packed) હોય છે; પણ તે ઘનની માફક લાંબા વ્યાપવાળી (long range) સ્ફટિકીય વ્યવસ્થા ધરાવતા નથી. પ્રવાહીમાંની આ સંરચનાકીય વ્યવસ્થા કેટલાક અણુ-વ્યાસ (molecular diameters) સુધી જ લંબાયેલી હોય છે. અને વ્યવસ્થિત રીતે ગોઠવાયેલા આ અણુઓ, પરમાણુઓ કે આયનોના સમુચ્ચયો, એકબીજાની સાપેક્ષતામાં આગળ-પાછળ ખસી શકે છે. આથી પ્રવાહી લગભગ નિયત (fixed) કદ ધરાવે છે અને પ્રવાહીને જે પાત્રમાં ભરવામાં આવ્યું હોય તેનો આકાર ધરાવે છે.

પ્રવાહી સ્નિગ્ધતા કે શ્યાનતા (viscosity) ઠારબિંદુ, ઉત્કલનબિંદુ, પૃષ્ઠતાણ, બાષ્પદબાણ જેવા ગુણધર્મો ધરાવે છે. આ ગુણધર્મો પ્રવાહીની જાત પ્રમાણે બદલાય છે. દા.ત., મર્ક્યુરીની (પારાની) ઘનતા 13.596 ગ્રા./ઘસેમી. છે અને બધાં પ્રવાહીઓમાં તે સૌથી વધુ પૃષ્ઠતાણ ધરાવે છે. કાચની અતિશીતિત [(supercooled) પ્રવાહી] સ્નિગ્ધતા સૌથી વધુ હોય છે.

પ્રવાહીના અણુઓ આંતર-આયનિક બળો દ્વારા નિર્મિત એક સીમામાં મુક્ત રીતે હરીફરી શકે છે. અણુઓના કંપનને કારણે હવા/પ્રવાહી આંતરપૃષ્ઠ આગળ કેટલાક અણુઓ પ્રવાહીના પૃષ્ઠતાણ (surface tension) વડે નિર્ધારિત થતા દરે ઉત્ક્ષેપિત થાય છે. અણુઓની આ રીતે પલાયન થવાની વૃત્તિને નિ:સૃતિ (fugacity) કહે છે. બાષ્પીભવન માટે તે કારણભૂત છે. જો પ્રવાહી ઉપરની હવાવાળી જગ્યામાં મોકળાશ હોય તો બાષ્પીભવન સારા એવા પ્રમાણમાં થાય છે. જો પ્રણાલી બંધ હોય તો પ્રવાહીમાંથી જેટલા અણુઓ બહાર જાય તેટલા જ અણુઓ આણ્વિક આકર્ષણને લીધે પાછા આવતા હોવાથી થોડા સમયમાં પ્રવાહી વડે હવા સંતૃપ્ત બને છે. આ સંજોગોમાં પ્રવાહી/હવા પ્રણાલી સમતોલનમાં આવેલી ગણાય છે.

પ્રવાહી પદાર્થોની એક લાક્ષણિકતા એ છે કે તે વહેવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. આ ગુણ પ્રવાહીની સ્નિગ્ધતા અને કેટલીક વાર તેના અપરૂપણદર પર આધારિત હોય છે. જે પ્રવાહી બળ આપતાંની સાથે જ વહેવા માંડે અને તેના વહેવાનો દર પ્રયુક્ત બળના સીધા આપાતમાં (proportional) હોય તો તેને ન્યૂટોનિયન પ્રવાહી કહે છે. દા.ત., પાણી, ગૅસોલીન વગેરે.

જે પ્રવાહીઓના અણુઓના છેડા પરના પરમાણુઓ કે સમૂહો એકબીજાથી વિરુદ્ધ પ્રકારનો વીજભાર ધરાવતા હોય તેવાં પ્રવાહીઓને ધ્રુવીય (polar) પ્રવાહીઓ કહે છે. આ સમૂહોને કારણે તેઓ દ્વિધ્રુવ ચાકમાત્રા (dipole moment) ધરાવે છે. પાણી એ ઊંચો પરાવૈદ્યુતાંક (dielectric constant) ધરાવતું ધ્રુવીય પ્રવાહી છે. શુદ્ધ હાઇડ્રોકાર્બન પ્રવાહીઓ સામાન્ય રીતે અધ્રુવીય (nonpolar) હોય છે.

વિવિધ પ્રવાહીઓની એકબીજામાંની દ્રાવ્યતા પણ એકબીજામાં સંપૂર્ણપણે દ્રાવ્ય (મિશ્ર) એવા વાયુઓની અને સ્ફટિકીય સંયોજનોની બાબતમાં ક્વચિત જ જોવા મળતી દ્રાવ્યતાની વચ્ચેની હોય છે. સામાન્ય રીતે એકસરખા અણુઓ ધરાવતાં બે પ્રવાહીઓ એકબીજામાં સઘળા પ્રમાણમાં મિશ્ર થઈ શકે છે; દા.ત., પાણી અને ઇથાઇલ આલ્કોહૉલ, વિભિન્ન પ્રકારના અણુઓ ધરાવતાં પ્રવાહીઓ એકબીજામાં અમિય અથવા આંશિકપણે મિય હોય છે; દા.ત., પાણી અને બેન્ઝિન, પાણી અને ફીનૉલ.

પ્રવાહી પદાર્થોને બે પ્રકારમાં વહેંચી શકાય : (i) સામાન્ય (normal) અને (ii) સંલગ્ન (associated) પ્રવાહીઓ. સામાન્ય પ્રવાહીઓ (દા.ત., આર્ગન, કાર્બન ટેટ્રાક્લૉરાઇડ અને એવાં અન્ય કાર્બનિક પ્રવાહીઓ) બાષ્પદબાણ, બાષ્પીભવનની ઉષ્મા, ઉત્કલનબિંદુ તથા સ્નિગ્ધતા જેવી રાશિઓને લગતાં પ્રયોગમૂલક (empirical) સમીકરણોને ઘણુંખરું અનુસરે છે. આવાં પ્રવાહી તેમની વર્તણૂકમાં લગભગ સમાનતા ધરાવે છે. સંલગ્ન પ્રવાહીઓ પ્રયોગમૂલક સંબંધોમાં વિચલન દર્શાવે છે. તેમને તપાસતાં એમ જણાયું છે કે તેમના અણુઓ પડોશમાંના કણો (અણુઓ) સાથે હાઇડ્રોજન બંધ જેવાં જોડાણો (links) ધરાવે છે. પાણી એક આવું પ્રબળપણે સંલગ્ન પ્રવાહી છે. હાઇડ્રૉક્સિલ અથવા એમાઇનો સમૂહ ધરાવતાં કાર્બનિક પ્રવાહીઓ પણ સંલગ્ન પ્રકારનાં હોય છે. તેમના ગુણધર્મો પ્રવાહીમાં રહેલા કણો એકબીજા સાથે કેટલાં જોડાણો ધરાવે છે તે સંખ્યા ઉપર આધાર રાખે છે; દા.ત., હાઇડ્રોજન ફ્લોરાઇડ જેવાં સંયોજનો જોડાઈને વલય (ring) સંરચના ધરાવતાં થાય છે અને આથી આવું પ્રવાહી ઊંચા અણુભારવાળું સામાન્ય પ્રવાહી હોય તેમ વર્તે છે.

પ્રવાહી અવસ્થા વર્ણવવા માટે સૌથી વધુ વપરાતું પરિરૂપ (model) એ કોષ (cell) પરિરૂપ છે. તેમાં પ્રવાહીને ઘન જેવું કલ્પવામાં આવે છે. પ્રવાહીમાંનો પ્રત્યેક કણ એક કોષ અથવા પિંજરમાં સમાયેલો ધારવામાં આવે છે. અને આ કોષની દીવાલો પડોશના કણોની બનેલી ગણવામાં આવે છે. કોષમાં રહેલો આવો કણ મુક્ત રીતે હરીફરી શકે છે અને તેની ગતિ (motion) આસપાસના કણોની ગતિથી સ્વતંત્ર ધારવામાં આવે છે. આ સાદા કોષ-પરિરૂપમાં પણ સુધારાવધારા થયા છે; દા.ત., કોષમાં એક કરતાં વધુ નિવાસીઓ હોવાની શક્યતા, કોષમાંના કણની ગતિ ઉપર અસર કરનારાં વિવિધ બળક્ષેત્રો(force fields)ની હાજરી, કોષના ઊર્જાસ્તરોનું ક્વૉન્ટીકરણ (quantization) વગેરે.

પ્રવાહી અવસ્થા માટેના અન્ય અભિગમમાં પ્રવાહીને કણો અને છિદ્રોનાં યાર્દચ્છિક મિશ્રણ તરીકે ગણવામાં આવે છે. પ્રવાહી તેના ગલનબિંદુની નજીકના તાપમાને ઘન કરતાં 10%થી 15% જેટલું વધુ કદ ધરાવે છે. આ વધારાનું કદ પ્રવાહીમાંના કણોના કદ જેટલી ખાલી જગ્યા(અવકાશ)માં વિભાજિત કરી શકાય. એ દેખીતું છે કે જો આ અવકાશ એકમ-કદ કરતાં ઓછો હોય અથવા તે એકમ-કદ જેટલો પણ અનેક કણો વચ્ચે વહેંચાયેલો હોય તો આવું પરિરૂપ લાંબી પરાસવાળી વ્યવસ્થા (long-range order) ધરાવશે નહિ. કોષ-પરિરૂપમાં તાપમાન સાથે પ્રવાહીના કદવિસ્તરણને દરેક કોષના વિસ્તરણ સાથે સાંકળવામાં આવે છે, જ્યારે છિદ્રવાદ પ્રમાણે પ્રવાહીમાં વધુ ખાલી જગ્યાઓ ઉત્પન્ન થવાને કારણે કદનું વિસ્તરણ થયેલું ગણવામાં આવે છે.

આ ખ્યાલના વિસ્તરણ રૂપે આ ખાલી જગ્યાઓને તરલીકૃત કરવામાં આવે છે. તે પછી તેમની મદદથી પ્રવાહી સાથે સમતોલનમાં રહેલી બાષ્પ-પ્રાવસ્થામાં આવેલા કણોના ગુણધર્મો સંપન્ન કરવામાં આવે છે. કણો ખાલી જગ્યાઓમાં કૂદકો મારે અને તેમ કરતાં કણની જગ્યાએ ખાલી જગ્યા ઉત્પન્ન થતાં (ખાલી જગ્યાના ખસવાથી) ખાલી જગ્યાઓને તરલીકૃત કરી શકાય છે. આમ પ્રવાહીમાં ખાલી જગ્યાઓ ખસતી રહે છે અને એ રીતે ખાલી જગ્યાઓના તરલીકરણ દ્વારા કેટલાક પરિવહન-ગુણધર્મો(transport properties)ની ગણતરી શક્ય બને છે.

પ્રવાહી અવસ્થા સમજવા માટેની એક બીજી રીત એ ભૌમિતિક પદ્ધતિ છે. આ ચિત્રમય અભિગમમાં ગોળાઓની ત્રિપરિમાણી ગોઠવણીને યાર્દચ્છિક રીતે હલાવવામાં આવે છે અને તે પછી દરેક ગોળાનું સ્થાન નોંધવામાં આવે છે. આ વિધિ અનેક વાર કરવામાં આવે છે. અને પ્રાપ્ત આંકડાઓ પરથી ગોળાઓ માટે ત્રિજ્યક વિતરણ ફલન રચવામાં આવે છે. ઊંચી ઝડપવાળા કમ્પ્યૂટરો દ્વારા આમ કરવામાં આવે તો તેને મોન્ટે–કાર્લો પદ્ધતિ કહે છે. આ રીતે 50,000 જેટલાં સંરૂપણો (configurations) પરથી પ્રણાલીના સરેરાશ ગુણધર્મો મેળવી શકાય છે.

મોન્ટે–કાર્લો તકનીકનું એક વિચરણ (variation) એ આણ્વિક ગતિકી(molecular dynamics)ની પદ્ધતિ છે. આ પદ્ધતિમાં પ્રવાહીને 100 જેટલા કણો ધરાવતા કોષોમાં વિભાજિત કરવામાં આવે છે. (આ સંખ્યા કમ્પ્યૂટરની ઝડપ ઉપર આધારિત છે.) કણોની ગતિનું કમ્પ્યૂટરમાં ગણિતીય રીતે અનુકરણ (simulation) કરવામાં આવે છે અને દરેક કણનો પ્રક્ષેપ-પથ (trajectory) અનેક અથડામણો (collisions) સુધી અનુસરવામાં આવે છે. આ માહિતી દ્વારા વિભિન્ન ગુણધર્મોની ગણતરી શક્ય બને છે અને વધુમાં પ્રવાહી અવસ્થામાંના કણોની ગતિને ચિત્રનળી (picture tube) પર જોઈ શકાય છે. આ પ્રકારનો અભ્યાસ એમ સૂચવે છે કે કણ કોઈ એક બિંદુની આસપાસ કંપન પામે છે અને પછી ત્યાંથી ખસી અન્ય બિંદુ પર કંપન પામવા લાગે છે.

પ્રવાહીની સંરચના અંગેનાં આ પરિરૂપો વત્તેઓછે અંશે સફળ નીવડ્યાં છે, પણ તેમાંનો એક પણ વાદ સંપૂર્ણપણે સંતોષકારક નથી.

જ. દા. તલાટી