વાયુ-અવસ્થા

વાયુ-અવસ્થા : પદાર્થની ત્રણ મૂળભૂત ભૌતિક અવસ્થાઓ પૈકીની એક. અન્ય બે છે : ઘન અને પ્રવાહી. આ ત્રણેય સ્વરૂપો જે રીતે તેઓ જગા(space)ને રોકે છે અને પોતાનો આકાર બદલે છે તે દૃષ્ટિએ અલગ પડે છે; દા. ત., પથ્થરનો એક ટુકડો અવકાશનો ચોક્કસ ભાગ રોકે છે અને સ્થાયી (fixed) આકાર ધરાવે છે. પાણી જેવું પ્રવાહી જગા રોકે છે પણ તેને પોતાનો આકાર નહિ હોવાથી જે પાત્રમાં ભરવામાં આવે તેવો આકાર ધારણ કરે છે. હવા જેવો વાયુરૂપ પદાર્થ ન તો સ્થાયી આકાર ધરાવે છે કે ન તો તે ચોક્કસ કદ ધરાવે છે. તેને જે પાત્રમાં ભરવામાં આવે તે આખું પાત્ર પોતે સંકોચન કે વિસ્તરણ પામી ભરી દે છે અને પાત્રનો આકાર ધારણ કરે છે. તાપમાન કે દબાણમાં ફેરફાર થાય તો વાયુના કદમાં ફેરફાર થાય છે.

સોળમી સદીની શરૂઆતમાં વૈજ્ઞાનિકોને એ ખ્યાલ આવ્યો કે કેટલાંક દ્રવ્યો હવા જેવું સ્વરૂપ ધરાવે છે. આ સદીના મધ્યભાગમાં બેલ્જિયન રસાયણવિદ અને ફિઝિશિયન જાન બૅપ્ટિસ્ટ વાન હેલ્મૉન્ટે તેમનાં લખાણોમાં અવકાશ માટેના ગ્રીક શબ્દ chaosમાં ફેરફાર કરી ‘વાયુ’ (gas) શબ્દ પ્રયોજ્યો હતો. આ શબ્દ વાયુના અવકાશને ભરી દેવાની ક્ષમતા વર્ણવે છે. સોળમી અને સત્તરમી સદી દરમિયાન અનેક વાયુઓ (દા.ત., નાઇટ્રોજન, હાઇડ્રોજન, ઑક્સિજન વગેરે) શોધાયા અને તેમના ગુણધર્મોનો અભ્યાસ શરૂ થયો. વાયુ-અવસ્થાનો અભ્યાસ પ્રમાણમાં ઘણો સીધોસાદો છે.

વાયુ-અવસ્થાની ચર્ચા બે રીતે કરવામાં આવે છે. એકમાં કોઈ એક પાત્રમાં ભરવામાં આવેલા વાયુના સ્થૂળ (bulk) કદની વર્તણૂક દર્શાવતું પ્રયોગશાળાકીય વર્ણન આવે છે. આવા સ્થૂળ દૃષ્ટિબિંદુમાં દ્રવ્યના પારમાણ્વિક સિદ્ધાંતને લક્ષમાં લીધા વિના અનેક કણોના બનેલા વાયુના દબાણ કે તાપમાન જેવા માપી શકાય તેવા ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. આવા (સ્થૂળ અને માપી શકાય તેવા) ગુણધર્મોના અભ્યાસનો સમાવેશ (પરિઘટનાત્મક, phenomenological) ઉષ્માગતિશાસ્ત્ર અને પરિવહન-સિદ્ધાંત(transport theory)માં થાય છે. બીજી રીત એ વાયુનું કણસ્વરૂપી વર્ણન છે, જે સૂક્ષ્મદૃષ્ટિય (microscopic) અભિગમ છે. તે વૈયક્તિક (individual) કણોના ગુણધર્મો તથા તે ભેગા મળી પ્રયોગશાળામાં અભ્યાસ દરમિયાન વાયુની જે વર્તણૂક જોવા મળે છે તે કેવી રીતે ઉદભવે છે તેની સાથે સંબંધ ધરાવે છે.

પાણી ભરેલા પાત્રમાં ખાંડ તથા મીઠું નાખવામાં આવે તો તે ગળ્યું અથવા ખારું કેમ લાગે છે ? તેમાં ઉમેરેલો પદાર્થ ક્યાં જાય છે ? ઓરડામાં એક ખૂણામાં અગરબત્તી સળગાવવામાં આવે તો તેની સુવાસ આખા ઓરડામાં કેમ પ્રસરી જાય છે ? એક પાત્રમાં વાયુ ભરીને તેના પર દબાણ આપવામાં આવતાં તેનું કદ કેમ ઘટે છે ?  આવા પ્રશ્નોના જવાબ મેળવવા માટે એમ માનવામાં આવ્યું કે પ્રવાહી અથવા વાયુમાંના અણુઓ વચ્ચે ખાલી જગા હોવી જોઈએ અને અણુઓ આવી જગામાં સતત ગતિ કરતા હોવા જોઈએ. વળી કોઈ પણ પદાર્થની ભૌતિક સ્થિતિ કાયમી હોતી નથી અને યોગ્ય સંજોગો હેઠળ પદાર્થ એક ભૌતિક અવસ્થામાંથી બીજીમાં રૂપાંતર પામે છે; દા. ત., સામાન્ય તાપમાને પાણી પ્રવાહી અવસ્થા ધરાવે છે. તાપમાન વધારવાથી તે બાષ્પ(વાયુરૂપ)માં ફેરવાય છે, જ્યારે તાપમાન ઘટાડવાથી તે બરફ(ઘનસ્વરૂપ)માં ફેરવાય છે. આમ પદાર્થની ભૌતિક સ્થિતિ તેના તાપમાન અને દબાણ ઉપર આધાર રાખે છે. વાયુ-અવસ્થા માટે ઊંચું તાપમાન, પ્રવાહી અવસ્થા માટે તેનાથી ઓછું (મધ્યમ), જ્યારે ઘન અવસ્થા માટે પ્રમાણમાં તેથી પણ ઓછું તાપમાન જરૂરી છે. એમ કહી શકાય કે ઘન અવસ્થામાં અણુઓ મર્યાદિત ગતિ ધરાવે છે. તાપમાન વધારતાં આ ગતિ વધે છે અને જે તાપમાને ઘન પદાર્થ પ્રવાહીમાં ફેરવાય તે તાપમાનને ઘન પદાર્થનું ગલનબિંદુ કહે છે આ બિંદુ પરમાણુઓ / અણુઓ વચ્ચેના આકર્ષણબળ અથવા સંસંજક સંસક્તિ (cohesive) બળો ઉપર આધારિત હોય છે. જે તાપમાને પ્રવાહી બાષ્પમાં ફેરવાય તેને તેના ઉત્કલનબિંદુ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ તાપમાને અણુઓની ગતિ વધતાં આંતર-આણ્વીય બળોની અસર ઘટે છે અને અણુઓ પ્રવાહી સપાટી પરથી મુક્ત થાય છે. આને ઉત્કલન કહે છે.

વાયુઓની બાબતમાં દબાણ, કદ તથા તાપમાન વચ્ચેનો સંબંધ વાયુના નિયમો અથવા તેમના સંયોગ (combination) વડે દર્શાવી શકાય. વાયુઓ ઉપર થયેલા પ્રયોગો દ્વારા આ નિયમો અસ્તિત્વમાં આવ્યા છે.

બૉઇલનો નિયમ : 1660 આસપાસ રૉબર્ટ બૉઇલે કરેલા પ્રયોગોએ દર્શાવ્યું કે જો તાપમાન અચળ રાખવામાં આવે તો વાયુના ચોક્કસ જથ્થાના નમૂનાનું કદ તેના ઉપરના દબાણના વ્યસ્ત (inverse) પ્રમાણમાં હોય છે.

આ વિધાન આદર્શ વાયુઓ માટે સાચું છે, પણ વાસ્તવિક વાયુઓ કે જેમની વચ્ચે આંતરઆણ્વિક બળો પ્રવર્તતાં હોય છે તેમની બાબતમાં ઊંચા દબાણે આ નિયમમાં વિચલનો જોવા મળે છે.

ચાર્લ્સ અથવા ગે–લ્યૂસૅકનો નિયમ : 1781માં જેક્વિસ ચાર્લ્સ અને 1808માં ગે-લ્યૂસૅકે કરેલા પ્રયોગો પરથી એમ જણાયું કે જો દબાણ અચળ રાખવામાં આવે તો વાયુના નિયત જથ્થાના નમૂનાનું કદ તાપમાન સાથે રૈખિક રીતે વધે છે, વળી તાપમાનમાંના કોઈ એક ચોક્કસ વધારા માટે બધા વાયુઓનું પ્રસરણ એકસરખું જોવા મળે છે. આમ આ નિયમને આ પ્રમાણે લખી શકાય. સ્થાયી (fixed) દબાણે વાયુના નમૂનાનું કદ તેના નિરપેક્ષ તાપમાનના સમપ્રમાણમાં હોય છે.

આ બે નિયમો પરથી આદર્શ વાયુના નમૂનાના કોઈ એક જથ્થા માટે દબાણ, કદ અને તાપમાનનો સંબંધ નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

અહીં વાયુનો જથ્થો મોલ એકમો(mole units)માં દર્શાવવામાં આવે તો

1912માં એમેડિયો એવોગેડ્રોએ એક અધિતર્ક (hypothesis) રૂપે જણાવ્યું કે અણુઓની સરખી સંખ્યા ધરાવતા વિવિધ વાયુઓ તાપમાને અને દબાણે સરખું કદ ધરાવે છે. આ અધિતર્ક પરથી એ સ્પષ્ટ થાય છે કે સમીકરણ (6)ને નીચે પ્રમાણે લખી શકાય :

જ્યાં R એ વાયુ-અચળાંક (gas constant) તરીકે ઓળખાતો અનુપાતી (proportionality) અચળાંક છે. સામાન્ય રીતે અવસ્થાના સમીકરણ (equation of state) તરીકે ઓળખાતા આ સમીકરણને

તરીકે લખવામાં આવે છે.

ઉપરનું સમીકરણ (8) શુદ્ધ, એકઘટકીય વાયુ અથવા વાયુઓના વિવિધ ઘટકો ધરાવતા મિશ્રણ માટે વાપરી શકાય.

ડૉલ્ટનનો આંશિક દબાણનો નિયમ : જો વાયુમિશ્રણનો પ્રત્યેક ઘટક તેમજ મિશ્રણ પોતે ઉપરના નિયમોને અનુસરતાં હોય તો સમગ્ર મિશ્રણનું દબાણ નીચે દર્શાવેલા આ નિયમ વડે દર્શાવી શકાય. ‘એકબીજા સાથે પારસ્પરિક પ્રક્રિયા કરતા ન હોય તેવા બે કે વધુ વાયુઓને કોઈ એક તાપમાને મિશ્ર કરવામાં આવે તો વાયુ-મિશ્રણનું કુલ દબાણ (P) એ પ્રત્યેક વાયુ પોતે આખા પાત્રના કદને રોકતાં જે દબાણ ઉત્પન્ન કરે તેવા આંશિક (partial) દબાણોના સરવાળા બરાબર હોય છે.

ગ્રેહામનો વાયુ-પ્રસરણનો નિયમ : 1833માં થૉમસ ગ્રેહામે સૂચવેલા નિયમ મુજબ ‘કોઈ એક દબાણ અને તાપમાને વાયુના નિ:સરણ(effusion)નો વેગ તેના અણુભાર(M)ના વર્ગમૂળના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે.’

જ્યાં r નિ:સરણનો વેગ છે.

વાયુઓને લગતા આ નિયમો વાયુઓના ગતિ-સિદ્ધાંત (kinetic theory of gases) દ્વારા સારી રીતે સમજાવી શકાય છે. તેમાં વાયુઓના અણુઓની વર્તણૂકને લક્ષમાં લેવામાં આવી છે. આગળ જણાવ્યું તેમ વાયુમાંના અણુઓ સતત ગતિશીલ હોય છે. ગતિ કરતા આવા અણુઓ એકબીજા સાથે તેમજ પાત્રની દીવાલ સાથે અથડાય છે. આને કારણે તેમની ગતિ બદલાતી રહે છે. 1860થી 1865 દરમિયાન જેમ્સ ક્લાર્ક મૅક્સવેલ લંડનની કિંગ્સ કૉલેજમાં પ્રાધ્યાપક હતા તે દરમિયાન તેમણે અણુઓની ગતિના વિતરણનો નિયમ (distribution law) રજૂ કરેલો, જે નીચેના સમીકરણ વડે દર્શાવાય છે :

જ્યાં એ અણુઓનો એવો અંશ છે કે જે C અને C + dc વચ્ચેની ગતિ ધરાવે છે. m વાયુના અણુનું દળ, T કૅલ્વિન તાપમાન, અને k બૉલ્ટ્ઝમૅન અચળાંક છે. (જુઓ : વાયુનો આણ્વીય ગતિવાદ).

વાસ્તવિક વાયુઓ : ગતિસિદ્ધાંત એ ફક્ત આદર્શ વાયુઓ માટે જ વાપરી શકાય છે. વાસ્તવિક (real) વાયુઓ આદર્શ પ્રતિરૂપ(model)થી અલગ પડે છે. સહેલાઈથી જેમનું પ્રવાહીકરણ થઈ શકે તેવા વાયુઓને બાદ કરતાં મોટાભાગના વાયુઓ 10 વાતાવરણના દબાણ સુધી લગભગ આદર્શ તરીકે વર્તે છે. વાસ્તવિક વાયુઓની બાબતમાં ઊંચા દબાણે તેમના કદમાં જોઈએ તેટલો ઘટાડો થતો ન હોવાથી તેમને માટે સંપીડન અથવા દ્બનીયતા અવયવ (Z) વાપરવામાં આવે છે.

આવા વાયુઓ માટે તાપમાન અને દબાણના વિભિન્ન સંજોગોમાં ઉપયોગમાં લઈ શકાય તેવાં અનેક સમીકરણો રજૂ થયાં છે. વાન ડર વૉલ્સનું સમીકરણ :

આ પૈકીનું એક જાણીતું સમીકરણ છે.

ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ