ऊर्जास्त्रोतांच्या शोधात - भाग २ ऊर्जेचे उगमस्थान

मागील भाग
ऊर्जास्त्रोतांच्या शोधात - भाग १ - ऊन, वारा, अग्नि आणि वीज

मागील भागावरून पुढे चालू ...

आपल्या रोजच्या ओळखीचे परंपरागत ऊर्जेचे काही प्रकार आपण पहिल्या भागात पाहिले. पण आपल्याला यांच्याबद्दल कितीशी माहिती असते? आपल्या हातापायांमधले बळ आपल्याला खाण्यापिण्यामधून मिळते एवढे सगळ्यांना माहीत असते. लाकूड जाळल्याने जशी आग निघते त्याचप्रकारे पण एक सौम्य आग (जठराग्नि) आपल्या पोटात तेवत असते आणि त्या अग्नीला अन्नाची आहुती देतांना आपण एक यज्ञ करत असतो असे 'वदनि कवळ घेता .. उदरभरण नोहे जाणिजे यज्ञकर्म।।' या श्लोकात म्हंटले आहे. पण "आपण खाल्लेल्या अन्नाचे ऊर्जेत होणारे रूपांतर कसे, केंव्हा आणि नेमके कुठे होते? लाकडाच्या जळण्यामधून तरी ऊष्णता आणि उजेड का बाहेर निघतात?" असले प्रश्न बहुतेक लोकांना कधी पडतच नाहीत. "नदीच्या खळाळणार्‍या पाण्याला कशामुळे जोर मिळतो? ती नेहमी पर्वताकडून समुद्राकडेच का वाहते? त्या वाहण्याच्या क्रियेसाठी लागणारी ऊर्जा तिला कुठून मिळते? वारे कशामुळे वाहतात?" असे यासारखे आणखी काही प्रश्न असतात. "परमेश्वराची योजना, अगाध लीला किंवा चमत्कार" असेच अशा प्रश्नांचे उत्तर बहुतेक लोकांकडून मिळेल. लहान मुलांनी जिज्ञासेपोटी असे प्रश्न विचारले असता ती वेळ निभावून नेण्यासाठी सगळी जबाबदारी देवबाप्पावर टाकली जाते आणि "देवबाप्पा जे काय करेल ते अंतिम, त्याच्यापुढे काही विचारायचे नाही." अशी ताकीद देऊन त्यांना गप्प केले जाते. नंतर असल्या प्रश्नांची उत्तरे माहीत नसली तरी "त्यावाचून आपले काही अडत नाही." असे म्हणून मोठेपणी त्यांचा सहसा कोणी विचार करत नाही.

सर्वसाधारणपणे असे असले तरी काही लोक याला अपवाद असतात. पूर्वी त्यांना तत्वज्ञ (फिलॉसॉफर) म्हणत, आता वैज्ञानिक (सायंटिस्ट) म्हणतात. सगळ्या प्रश्नांना दिल्या जाणार्‍या "देवाची करणी" यासारख्या एकाच भोंगळ उत्तराने त्यांचे समाधान होत नाही. उपलब्ध असलेली माहिती, आपली बुद्धी, विचारशक्ती आणि अनुभव यांच्या आधारे ते यापेक्षा वेगळी उत्तरे शोधू पाहतात. त्यासाठी ते कष्ट घेतात, प्रयोग आणि निरीक्षण करतात, त्यावर मनन चिंतन वगैरे करून समर्पक आणि सुसंगत असे उत्तर शोधण्यासाठी प्रयत्न करतात. अशा विद्वान लोकांनी अग्नि, वायू, सूर्यप्रकाश यासारख्या ऊर्जेच्या निरनिराळ्या रूपांचा आणि निसर्गातल्या ऊर्जास्त्रोतांचा बारकाईने अभ्यास केला, त्यांच्यामागे असलेली शास्त्रीय कारणे शोधली, सिद्धांत मांडले, ते सगळे समजून घेऊन त्यांचा अधिकाधिक उपयोग कसा करता येईल याचे प्रयत्न केले. यातून विज्ञान आणि तंत्रज्ञानातली प्रगती होत गेली.

"झाडावरून वेगळे झालेले सफरचंद नेहमी खाली जमीनीवरच का येऊन पडते?" या प्रश्नावर विचार करता "जमीनच त्याला तिच्याकडे ओढत असणार." अशी न्यूटनची खात्री पटली आणि त्याने या आकर्षणाचे गणिती नियम समजून घेतले आणि जगाला सांगितले. सुप्रसिद्ध सफरचंदाप्रमाणे ढगातल्या पाण्याच्या थेंबांनाही पृथ्वी खाली खेचते आणि त्यामुळे आकाशातून जमीनीवर पाऊस पडतो. पण मग "पर्वतावर पडलेल्या पावसाचे पाणी जर पर्वताच्या आकर्षणामुळे ढगामधून खाली येऊन पडले असेल तर त्याच आकर्षणामुळे ते तिथेच का थांबत नाही? डोंगर हा सुद्धा पृथ्वीचाच भाग आहे ना? मग ते पाणी त्याला सोडून उतारावरून आणखी खाली का धावत येते आणि त्यातून तयार झालेली नदी वहात वहात पुढे जात अखेर समुद्राला का जाऊन मिळते?" असे काही प्रश्न उठतात. याचे कारण पृथ्वीचे आकर्षण त्या पाण्याला फक्त जमीनीकडे ओढण्यापुरते नसते तर ते त्याला पृथ्वीच्या गोलाच्या केंद्राच्या दिशेने खेचत असते. पर्वताचा भाग त्या गोलाच्या मध्यबिंदूपासून दूर असतो आणि समुद्राचा तळ त्यामानाने जवळ असतो. यामुळे पावसाचे पाणी डोंगरावरून जिकडे उतार असेल त्या दिशेने वाहू लागते आणि समुद्राला मिळेपर्यंत वहात राहते. अशा प्रकारे नदीचे वाहणे पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे घडत असते. याचाच अर्थ नदीमधल्या वाहत्या पाण्यामधली वाहण्याची शक्ती त्या पाण्याला पृथ्वीकडून मिळते.

पण मग त्या आधी ते पाणी समुद्रामधून उठून पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या विरुद्ध उंच पर्वतावर कसे जाऊन पोचते? याचे उत्तर असे आहे. पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील पाण्याची सूर्याच्या उन्हाने वाफ होते. ही वाफ हवेपेक्षा हलकी असते. यामुळे पृथ्वीची गुरुत्वाकर्षण शक्ती हवेला अधिक जोराने आपल्याकडे ओढत असते आणि त्यामुळे तिच्या तुलनेने हलकी असलेली वाफ पृथ्वीपासून दूर (वातावरणात उंचावर) ढकलली जाते. म्हणजे या गोष्टीलासुध्दा पृथ्वी कारणीभूत असते. पण उंचावर गेलेली वाफ थंड होऊन तिच्यात पाण्याचे सूक्ष्म कण तयार होतात आणि त्यातून ढग तयार होतात. वार्‍यामुळे हे ढग समुद्रापासून दूर दूर ढकलले जात राहतात. वाटेत एकादा डोंगर आडवा आला तर ते पुढे जाऊ शकत नसल्याने त्याला आपटून ते आणखी वर जाऊ पाहतात, पण तिथले तापमान कमी असल्याने ढगातली वाफ थंड होऊन पाण्याचे थेंब आकाराने वाढत जातात आणि ते हवेपेक्षा जड असल्याने पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे खाली येऊन जमीनीवर बरसतात. याचाच अर्थ जमीनीवरील किंवा समुद्रामधील पाण्याला आधी सूर्यापासून ऊर्जा मिळते. ती वाफेमध्ये सुप्त अवस्थेत (लेटेंट हीट) असते, उंच पर्वतावर पडलेल्या पाण्यातही ती सुप्तरूपाने (पोटेन्शियल एनर्जी) असते. पृथ्वीच्या आकर्षणाने ते पाणी नदीमधून वाहू लागल्यावर त्याला गतिमान रूप (कायनेटिक एनर्जी) मिळते. अशा प्रकारे या ऊर्जेचा मूळ स्त्रोत सूर्य असतो आणि पृथ्वीचे गुरुत्वाकर्षण त्या ऊर्जेच्या रूपात बदल घडवून आणते असेही म्हणता येईल. याचप्रमाणे वाळवंटामधील हवा उन्हाने तप्त होऊन प्रसरण पावते आणि त्यामुळे ती विरळ होते. पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणामुळे या हवेचा तिच्यावर जो दाब पडत असतो तो कमी (हलका) होतो आणि जास्त दाब असलेली तुलनेने थंड हवा तिकडे धाव घेते. याला आपण वारा म्हणतो. म्हणजेच वाहत्या वार्‍यामधील ऊर्जासुध्दा त्याला अप्रत्यक्षपणे सूर्याकडूनच मिळते. पण सूर्य आणि अग्नी यांच्यामधली ऊर्जा कोठून येते? या प्रश्नाची उकल समजून घेण्यापूर्वी आणखी काही पायाभूत (बेसिक) गोष्टी ठाऊक असणे आवश्यक आहे.

विश्वातील सर्व पदार्थाची रचना निरनिराळ्या प्रकारच्या असंख्य अणूरेणूंपासून झाली असते, पण सुमारे फक्त शंभराएवढ्याच मूलद्रव्यांपासून हे असंख्य पदार्थ निर्माण झाले आहेत. या मूलद्रव्यांच्या सूक्ष्मतम कणांना अणु (अॅटम) असे नाव ठेवले गेले आणि दोन किंवा अधिक अणूंच्या संयोगातून रेणू (मॉलेक्यूल्स) बनतात. या नव्या संयुगाचे (काम्पाउंड्सचे) आणि त्याच्या रेणूंचे गुणधर्म सर्वस्वी वेगळे असतात. मी शाळेत शिकत असतांना मॉलेक्यूलला अणु आणि अॅटमला परमाणु असे म्हणत असत. आता त्या ऐवजी अनुक्रमे रेणू आणि अणु अशी नावे प्रचारात आली आहेत. गोंधळ टाळण्यासाठी इंग्रजी नावे कंसात दिली आहेत.

जेंव्हा कोळसा जळतो त्या वेळी त्याचा म्हणजे कार्बन या मूलद्रव्याचा प्राणवायू (ऑक्सीजन)शी संयोग होतो आणि कर्बद्विप्राणिल (कार्बन डायॉक्साइड) वायू तयार होतो आणि त्याबरोबर ऊष्णता बाहेर पडते. या रासायनिक क्रियेमधून निर्माण होणारी ऊर्जा कोठून येते? असा प्रश्न पूर्वी अनुत्तरित होता. संशोधन, विचार आणि संवाद यामधून त्याचे उत्तर मिळाले ते साधारणपणे असे आहे. जेंव्हा दोन कमावत्या व्यक्ती एकत्र राहू लागतात, तेंव्हा त्यांचे काही आवश्यक खर्च समाईकपणे भागवले जातात आणि त्यामुळे पूर्वी त्यावर खर्च होत असलेले त्यांचे काही पैसे शिल्लक राहतात. त्याप्रमाणे जेंव्हा दोन वेगवेगळे अणु (अॅटम) किंवा रेणू (मॉलेक्यूल्स) अस्तित्वात असतात तेंव्हा त्यांना त्यांच्या अस्तित्वासाठी काही ऊर्जा आवश्यक असते. पण ते एकत्र आले की त्या नव्या संयुगाच्या अस्तित्वासाठी आवश्यक असलेली ऊर्जेची गरज कमी होते आणि ही उरलेली जास्तीची ऊर्जा ऊष्णतेच्या स्वरूपात त्या नव्या रेणूला (मॉलेक्यूलला) मिळते. वर दिलेल्या उदाहरणात कार्बन आणि प्राणवायू यांच्या अणूंना स्वतंत्रपणे राहण्यासाठी एकंदर जेवढी ऊर्जा लागते त्यापेक्षा कर्बद्विप्राणिलच्या रेणूला कमी ऊर्जेची गरज असते, त्यामुळे उरलेली ऊर्जा त्याला मिळते आणि तापवते. अर्थातच ही ऊर्जा आधीपासूनच कार्बन आणि ऑक्सीजन या पदार्थांमध्येच सुप्त रूपाने (केमिकल पोटेन्शियल एनर्जी) वास करत असते, ज्वलनाच्या रासायनिक क्रियेमुळे आपल्याला जाणवेल अशा ऊष्णतेच्या स्वरूपात ती बाहेर पडते. अग्नीमधून मिळणारी ऊर्जा कोठून आली या प्रश्नाला मिळालेल्या या उत्तराबरोबर ऊष्णता निर्माण करणा-या असंख्य रासायनिक प्रक्रियांचे (एक्झोथर्मिक रिअॅक्शन्सचे) गूढ उलगडले.

. . . . . . . . . . . . (क्रमशः)