9वी विज्ञान प्रकरण 1: आपल्या सभोवतालचे द्रव्य

स्पष्टीकरण: पाठ्यपुस्तकातील व्याख्येनुसार, “जे पदार्थ जागा व्यापतात व त्यांना वस्तुमान (mass) असते, त्यांना द्रव्य (matter) म्हणतात.”

दिलेल्या यादीतील ‘प्रेम, गंध, तिरस्कार, विचार, थंडी, सुगंध/सुवास’ या मानवी भावना किंवा केवळ जाणीव आहेत; त्यांना वस्तुमान नसते आणि ते जागा व्यापत नाहीत.

उत्तर: खालील पदार्थ ‘द्रव्य’ आहेत:

1. द्रव्याचे कण सतत हालचाल करत असतात, म्हणजेच त्यांच्यात गतिज ऊर्जा (Kinetic Energy) असते.

2. तापमानाच्या वाढीबरोबर कणांची गतिज ऊर्जा वाढते आणि ते अधिक वेगाने हालचाल करतात.

3. गरमागरम अन्नाचे तापमान जास्त असल्याने त्यातून बाहेर पडणाऱ्या सुवासाच्या कणांची गती तीव्र असते आणि हवेतील कणांमध्ये त्यांचे ‘विसरण’ (Diffusion) अतिशय जलद गतीने होते. त्यामुळे त्याचा वास अनेक मीटर अंतरावर सेकंदात पोहोचतो.

4. याउलट, थंडगार अन्नाचे तापमान कमी असल्याने कणांची गतिज ऊर्जा आणि विसरण वेग कमी असतो, त्यामुळे त्याचा वास घेण्यासाठी आपल्याला त्याच्या जवळ जावे लागते.

उत्तर: येथे पाण्याचे खालील गुणधर्म दिसून येतात:

1. द्रव्यकणांच्या दरम्यान मोकळी जागा असते: पाण्याच्या कणांमध्ये पुरेशी मोकळी जागा असते.

2. कणांमधील आकर्षण बल आणि अंतर: द्रव अवस्थेत कणांचे एकमेकांमधील अंतर स्थायूंच्या तुलनेत अधिक असते आणि त्यांच्यातील आकर्षण बल मध्यम (कमी) असते. त्यामुळे बाह्य बल लावले असता पाण्याचे कण सहजपणे वेगळे होतात (पाणी कापले जाते) आणि पाणबुड्याला पुढे जाता येते.

उत्तर: द्रव्याच्या कणांची प्रमुख तीन वैशिष्ट्ये खालीलप्रमाणे आहेत:

1. द्रव्यकणांच्या दरम्यान मोकळी जागा असते: द्रव्याचे कण एकमेकांनाेटून नसून त्यांच्यात अंतर असते.

2. द्रव्यकणांची सतत हालचाल होत असते: कणांमध्ये गतिज ऊर्जा असते आणि ते कधीच स्थिर नसतात.

3. द्रव्याचे कण एकमेकांना आकर्षून घेतात: कणांच्या दरम्यान परस्पराकर्षण बल कार्य करते, ज्यामुळे ते एकत्र बांधले जातात.

स्पष्टीकरण: वायूंची घनता सर्वात कमी असते, द्रवांची त्यापेक्षा जास्त आणि स्थायूंची घनता सर्वात जास्त असते. ‘कापूस’ हा स्थायू असला तरी त्याच्या कणांमध्ये भरपूर हवा अडकलेली असते, त्यामुळे त्याची घनता पाण्यापेक्षा कमी असते. ‘मध’ हा पाण्यापेक्षा अधिक घन द्रव आहे.

1. ताठरपणा (Rigidity): बाह्य बल लावले असता पदार्थाचा आपला मूळ आकार अबाधित (कायम) राखण्याचा जो कल असतो, त्याला ताठरपणा म्हणतात. बाह्य बलामुळे स्थायू मोडू शकतात पण आपला आकार सहज बदलत नाहीत, म्हणून स्थायू ताठर (दृढ) असतात.

2. संपीडनता (Compressibility): बाह्य दाब देऊन पदार्थाचे आकारमान कमी होण्याच्या गुणधर्माला संपीडनता म्हणतात. स्थायू आणि द्रव बहुतांशी असंपीड्य असतात, तर वायू खूप जास्त संपीड्य असतात.

3. प्रवाहीपणा (Fluidity): बाह्य बल किंवा उताराच्या दिशेने सहजपणे वाहण्याच्या आणि आपला आकार बदलण्याच्या गुणधर्माला प्रवाहीपणा म्हणतात. द्रव आणि वायू हे प्रवाही पदार्थ आहेत.

4. सिलिंडरमध्ये वायू भरणे: वायूंच्या खूप अधिक संपीडन क्षमतेमुळे, खूप जास्त प्रमाणातील (आकारमानाचा) वायू उच्च दाब देऊन छोट्याशा सिलिंडरमध्ये संपीडित करून भरला जातो. यामुळे त्यांची वाहतूक करणे सोयीचे होते (उदा. स्वयंपाकाचा LPG किंवा वाहनांचा CNG).

5. आकार (Shape): पदार्थाच्या स्पष्ट सीमांमुळे त्याला प्राप्त होणारे बाह्य स्वरूप. स्थायू मधील प्रबळ आकर्षण बलामुळे त्यांना निश्चित आकार असतो; द्रव व वायूंना निश्चित आकार नसतो.

6. गतिजन्य ऊर्जा (Kinetic Energy): पदार्थातील कणांच्या सतत होणाऱ्या हालचालीमुळे त्यांच्यात जी ऊर्जा असते, त्याला गतिज ऊर्जा म्हणतात. तापमान वाढल्यास कणांची गती आणि गतिज ऊर्जा वाढते.

7. घनता (Density): पदार्थाच्या प्रति एकक आकारमानाच्या वस्तुमानाला घनता म्हणतात. (घनता = वस्तुमान / आकारमान). स्थायूंची घनता सर्वात जास्त तर वायूंची घनता सर्वात कमी असते.

(a) वायू अवस्थेत कणांमधील आकर्षण बल अगदीच नगण्य असते आणि कणांची हालचाल सर्व दिशांना अतिशय वेगाने व मुक्तपणे होत असते. त्यामुळे वायूचे कण उपलब्ध असलेली संपूर्ण जागा व्यापतात आणि भांड्यात पूर्णपणे भरून जातात.

(b) वायू स्थितीत कणांची हालचाल खूप वेगाने आणि सैरावैरा होत असते. या मुक्त हालचालीमुळे वायूचे कण एकमेकांवर तसेच ज्या भांड्यात ते साठवले आहेत, त्या भांड्याच्या भिंतींवर सतत आदळतात. भांड्याच्या भिंतींवर कणांनी प्रति एकक क्षेत्रफळावर दिलेल्या या बलामुळे वायूचा दाब निर्माण होतो.

(c) लाकडी टेबलाला निश्चित आकार, स्पष्ट सीमा आणि निश्चित आकारमान असते. बाह्य बल लावले असता तो आपला आकार बदलत नाही (तो दृढ/ताठर असतो). हे सर्व गुणधर्म स्थायूचे असल्याने लाकडी टेबलाला स्थायू म्हणतात.

(d) हवेतील कणांच्या दरम्यान भरपूर मोकळी जागा असते आणि त्यांच्यातील आकर्षण बल अगदीच कमी असते, त्यामुळे आपण हवेत सहज हात फिरवू शकतो. याउलट, लाकडाचा ओंडका हा दृढ स्थायू असून त्याच्या कणांमध्ये मोकळी जागा नसते आणि आकर्षण बल अत्यंत प्रबळ असते. हे प्रबळ बल तोडून कण वेगळे करण्यासाठी प्रचंड बाह्य बलाची गरज असते, जे केवळ कराटेतज्ञच आपल्या फटकाऱ्याने देऊ शकतो.

उत्तर: सामान्यपणे स्थायूंची घनता द्रवांपेक्षा जास्त असते. परंतु पाणी जेव्हा थंड होऊन त्याचा बर्फ (स्थायू) बनतो, तेव्हा त्याच्या कणांची विशिष्ट पिंजऱ्यासारखी रचना तयार होते.

या रचनेमुळे बर्फाच्या कणांच्या दरम्यान पाण्यापेक्षा अधिक मोकळी जागा राहते. परिणामी, पाण्याचे बर्फात रूपांतर होताना त्याचे वस्तुमान तेच राहते परंतु त्याचे ‘आकारमान’ (Volume) वाढते.

सूत्रानुसार (घनता = वस्तुमान / आकारमान), आकारमान वाढल्यामुळे बर्फाची घनता ही पाण्याच्या घनतेपेक्षा कमी होते. कमी घनतेचे पदार्थ जास्त घनतेच्या द्रवावर तरंगतात, म्हणूनच बर्फ पाण्यावर तरंगतो.

सूत्र: सेल्सियस तापमान (°C) = केल्विन तापमान (K) – 273

a) 300 K = 300 – 273 = 27 °C

b) 573 K = 573 – 273 = 300 °C

a) 250 °C तापमानाला: पाण्याची भौतिक अवस्था वायू अवस्था (पाण्याची वाफ) असते. (कारण पाण्याचा उत्कलन बिंदू 100 °C आहे, त्यापेक्षा जास्त तापमानाला पाणी पूर्णपणे वाफेच्या स्वरूपात असते).

b) 100 °C तापमानाला: या तापमानाला पाणी उकळत असते. त्यामुळे येथे पाणी द्रव अवस्था आणि वायू अवस्था (वाफ) या दोन्ही अवस्थांमध्ये एकत्रितपणे अस्तित्वात असते.

1. जेव्हा एखाद्या पदार्थाचे अवस्थांतर होत असते (उदा. बर्फाचे पाण्यात किंवा पाण्याचे वाफेत रूपांतर), तेव्हा आपण पुरवलेली उष्णता ऊर्जा पदार्थाचे तापमान वाढवण्यासाठी वापरली जात नाही.

2. या उष्णता ऊर्जेचा उपयोग पदार्थाच्या कणांमधील आकर्षण बलावर मात करून अवस्था बदल घडवून आणण्यासाठी केला जातो.

3. ही उष्णता ऊर्जा पदार्थाकडून शोषली जाते आणि ती पदार्थात गुप्त स्वरूपात राहते. यालाच ‘अप्रकट उष्णता’ (Latent Heat) म्हणतात. म्हणूनच संपूर्ण अवस्थांतर होईपर्यंत पदार्थाचे तापमान स्थिर राहते.

उत्तर: वातावरणातील वायूचे द्रवीकरण करण्यासाठी खालील पद्धत वापरतात:

दाब वाढवल्यामुळे वायूचे कण एकमेकांच्या खूप जवळ येतात आणि तापमान कमी केल्यामुळे त्यांची गतिज ऊर्जा कमी होते, ज्यामुळे कणांमधील आकर्षण बल वाढून वायूचे द्रवरूपात रूपांतर होते.

1. कोरड्या आणि गरम दिवशी हवेचे तापमान जास्त असते आणि हवेतील दमटपणा म्हणजेच ‘आर्द्रता’ (Humidity) खूप कमी असते.

2. तापमानातील वाढ आणि आर्द्रतेतील घट या दोन्ही घटकांमुळे पाण्याच्या बाष्पीभवनाचा (Evaporation) वेग प्रचंड वाढतो.

3. बाष्पीभवन होत असताना पाण्याचे कण सभोवतालच्या गरम हवेतून मोठ्या प्रमाणावर उष्णता ऊर्जा शोषून घेतात. हवेतील उष्णता शोषली गेल्यामुळे कूलरमधून येणारी हवा अधिक थंड होते आणि छान थंडावा मिळतो.

1. मातीच्या मडक्याला असंख्य सूक्ष्म छिद्रे असतात. या छिद्रांमधून मडक्यातील पाणी सतत थोडे थोडे बाहेर (बाह्य पृष्ठभागावर) झिरपत असते.

2. उन्हाळ्यात या पाण्याचे सतत बाष्पीभवन होत असते. बाष्पीभवन होण्यासाठी लागणारी अप्रकट उष्णता ऊर्जा हे पाण्याचे कण मडक्याकडून आणि मडक्यातील पाण्याकडून शोषून घेतात.

3. पाण्यातील उष्णता ऊर्जा गमावली गेल्यामुळे उन्हाळ्यात मडक्यातील पाणी थंड होते.

उत्तर: अॅसिटोन (नेल पॉलिश रिमूव्हर), पेट्रोल किंवा परफ्यूम हे अतिशय बाष्पनशील द्रव आहेत.

जेव्हा आपण ते हाताच्या तळव्यावर ओततो, तेव्हा त्यातील कण आपल्या तळव्यातून आणि आसपासच्या हवेतून उष्णता ऊर्जा शोषून घेतात आणि त्यांचे अतिशय वेगाने बाष्पीभवन होते. तळव्याची उष्णता कमी झाल्यामुळे आपल्याला तळव्यावर थंड वाटते.

1. बाष्पीभवनाचा वेग हा द्रवाचा हवेत उघडा असणाऱ्या पृष्ठभागाच्या क्षेत्रफळावर अवलंबून असतो.

2. कपाच्या तोंडापेक्षा बशीचा (Saucer) पृष्ठभाग अधिक रुंद व मोठा असतो.

3. पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ वाढल्यामुळे बशीतील चहाचे किंवा दुधाचे बाष्पीभवन अतिशय जलद गतीने होते. बाष्पीभवनामुळे चहातील उष्णता वेगाने बाहेर पडते आणि चहा लवकर थंड होतो, त्यामुळे तो जलद पिणे शक्य होते.

उत्तर: उन्हाळ्यात सफेद (पांढरे) सुती (Cotton) कपडे वापरावेत.

1. उन्हाळ्यात शरीराचे तापमान नियंत्रित ठेवण्यासाठी आपल्याला भरपूर घाम येतो. सुती कपडे हा घाम उत्तम प्रकारे शोषून घेतात.

2. शोषलेला घाम सुती कपड्यांमुळे बाहेरील हवेच्या संपर्कात येतो आणि त्याचे सुलभतेने बाष्पीभवन होते. बाष्पीभवनाच्या अप्रकट ऊर्जेइतकी उष्णता आपल्या शरीराकडून शोषली गेल्याने आपले शरीर थंड राहते. तसेच सफेद रंग सूर्याची उष्णता परावर्तित करतो.