उन्हाळ्यात मातीच्या माठातील पाणी खूप थंड होऊन बर्फ बनू शकेल का?

उन्हाळा सुरु झालाय. पाणी साठवण्यासाठी मातीचे माठ विक्रीस आलेत ते अनेकांनी विकत घेतले असतील, तर इतर अनेक जणांनी मागच्या वर्षी उन्हाळ्यानंतर पोटमाळ्यावर ठेऊन दिलेले माठ वापरायला काढले असतील. आजकाल घरोघरी फ्रीज आहेत. पण माठातल्या नैसर्गिकरित्या थंड झालेल्या पाण्याची गोडी वेगळीच. गमतीचा भाग असा कि फ्रीजमध्ये थंडावा निर्माण करण्यासाठी उर्जा लागते (इलेक्ट्रिसिटी) पण हेच या मातीच्या माठात मात्र कोणतीही उर्जा खर्च न करता अगदी फुकटात पाणी थंडगार करून मिळते. असे काय असते बुवा या माठात? उन्हाळ्यात मातीच्या माठातील पाणी थंड का राहते? तसा हा जुनाच प्रश्न आहे. आपल्यापैकी अनेकांना शाळेत असताना याचे उत्तर अभ्यासलेले आठवतही असेल. एक ठराविक साच्यातले उत्तर असायचे. "मातीच्या सछीद्र भांड्यातून झिरपत बाहेर आलेल्या पाण्याच्या थेंबांच्या बाष्पीभवनासाठी या भांड्यातील पाण्यातून उर्जा घेतली जाते. त्यामुळे भांड्यातील पाणी थंड होत जाते". आठवते हे उत्तर? माध्यम कोणतेही असो. इंग्रजी असो वा मराठी. उत्तर मात्र तेच. शाळा कोलेजात असताना मी जेंव्हा जेंव्हा हे उत्तर वाचले होते तेंव्हा तेंव्हा माझ्या मनात अनेक प्रश्न उपस्थित झाले होते:

१. बाहेरच्या वातावरणात इतकी उष्णता उपलब्ध असताना या झिरपत आलेल्या पाण्याच्या थेंबांना बाष्पीभवनासाठी माठातल्या पाण्यातून उर्जा घेण्याची गरज का भासावी?
२. उन्हाळ्यात शेतात झाडाखाली ठेवलेल्या माठातील पाणी घरात ठेवलेल्या माठातील पाण्याहून अधिक थंड होते. ते का?
३. पाणी ठराविक प्रमाणातच का थंड होते? अजून अजून अजून थंड होत जाऊन अखेर त्याचे बर्फ का बनत नाही?
४. बाहेर जितके उष्ण वातावरण असेल तितके आतले पाणी अधिक थंड होत जाते. असेच जर घडत असेल तर यामागे जे काही मुलभूत तत्व दडले आहे ते शोधून काढून त्याचा पुरेपूर वापर करून, "उष्णता देऊन पाण्याचा बर्फ करता येईल" असे एखादे उपकरण वजा भांडे का बनवता येऊ नये?

माझ्याच काय किंबहुना अनेकांच्या मनात हे व अशासारखे प्रश्न आले असतीलच. त्यातल्या त्यात पहिल्या प्रश्नाने तर डोके अगदी भंडावून सोडले होते. आणि शेवटच्या प्रश्नातील कल्पना तर भन्नाटच होती. या तंत्रावर आधारित बनवलेल्या विशिष्ट अशा भांड्यात/उपकरणात पाणी भरायचे. ते चुलीवर/गॅसवर ठेवायचे. उष्णता द्यायची. कि पाच मिनिटात झाला बर्फ तयार. आहे ना भन्नाट? पण महाशय, असे भांडे आजवर तरी कोणी बनवलेले नाही. म्हणजे उन्हाळ्यातल्या उष्म्याने भलेही माठातील पाणी थंड होत असले तरी त्याच तत्वाचा उपयोग करून पाणी चुलीवर ठेऊन त्याचा बर्फ बनवणे हि गोष्ट इतक्या थेटपणे साधता येण्याजोगी नक्कीच नसणार.

शाळेत असताना त्या काळात फार फार मर्यादित माहितीस्त्रोत उपलब्ध होते. त्याद्वारे या प्रश्नांची समाधानकारक उत्तरे कधीच मिळाली नाही. पण आजच्या इन्टरनेट युगाला धन्यवाद द्यावे तितके थोडेच. या विषयावर वेगवेगळे फोरम्स, ब्लॉग्स तसेच विकिपीडिया, युट्युब सारख्या वेबसाईट्सवर विविधअंगांनी विश्लेषण करणारे जे विवेचन उपलब्ध आहे ते वाचून माठातले पाणी थंड होण्याची हि प्रक्रिया अणुरेणूंच्या पातळीवर नक्की कशी घडते हे मी समजून घेतले व वरील प्रश्नांची वैज्ञानिकदृष्ट्या तर्कसंगत आणि समाधानकारक उत्तरे मिळवली. तीच इथे आपल्यासमोर मांडत आहे.

पदार्थाचे तापमान आणि त्याची अवस्था या गोष्टी अणुरेणूंच्या पातळीवर नक्की काय असतात?
प्रत्येक पदार्थाच्या मूलकणांत(अणू/रेणू) आकर्षणाचे बंध असतात. या बंधांची ताकद किती आहे त्यानुसार त्या पदार्थाची अवस्था अवलंबून असते. जसे कि घनपदार्थातील मूलकणांत हे बंध मजबूत असतात तर वायूच्या बाबतीत ते फार क्षीण असतात. या आकर्षणाच्या बंधांबरोबरच हे मूलकण सदोदित हालचालसुद्धा करत असतात (Brownian motion). एकमेकांवर आदळत असतात.

पदार्थ उष्ण होतो (किंवा तापमान वाढते) तेंव्हा या कणांची उर्जा वाढते. ते अधिक वेगाने हालचाल करू लागतात आणि त्याचमुळे त्यांच्यातील बंधसुद्धा कमकुवत होतात. मूलकणांतील बंध कमकुवत झाल्याने पदार्थाची अवस्था बदलते. उष्णतेमुळे घनपदार्थाचे द्रव किंवा वायूत रुपांतर होते, तसेच द्रवपदार्थाचे वायूत रुपांतर होते. उदाहरणार्थ, उष्णतेमुळे बर्फाचे पाणी होते आणि पाण्याची वाफ होते इत्यादी. (याच्या अधिक तपशिलात जायला नको कारण हा मोठा आणि वेगळा विषय आहे. पण आपल्या विषयासंदर्भात इतके समजणे पुरेसे आहे)

पाणी नेहमी खोलीच्या तापमानापेक्षा थंड का असते?
आपण नेहमी अनुभवतो कि आपण राहत असलेल्या खोलीतील सर्व वस्तूंचे तापमान जवळजवळ सारखेच असते. पण याच खोलीत जर पाणी ठेवले असेल (बादलीत, तांब्यात वा पेल्यात) तर ते मात्र खोलीतल्या सर्वसाधारण तापमानापेक्षा थोडे थंडच असते. असे का बरे होत असेल? पाणी नेहमीच आजूबाजूच्या तापमानापेक्षा थंड का असते? याचे कारण वरच्या परिच्छेदात दडले आहे. पाण्याचे मूलकण (रेणू) एकमेकांवर आदळत राहतात. जे रेणू बादली, तांब्या वा पेल्याच्या बाजूला धडकतात ते त्या बाजूच्या धातूच्या कणांना धडकून पुन्हा मागे येतात. अशा रीतीने पाण्यातली उर्जा (तापमान) पाण्यातच राहते.

पण जे रेणू वरती पाण्याच्या पृष्ठभागावर असतात त्यांचे काय? पाण्याच्या पृष्ठभागावर असलेल्या रेणूंना आजूबाजूला व खाली असलेल्या इतर रेणूंचे बंध ओढून धरत असतात. यालाच पाण्याचा पृष्ठभाग तणाव (Surface Tension) असे म्हटले जाते. पण काही रेणूंमध्ये हे बंध तोडण्याइतकी उर्जा असते. असे रेणू पाण्याच्या पृष्ठभागावरील हवेला जेंव्हा धडकतात त्यातले बरेचसे हे बंधन तोडून हवेमध्येच मिसळून जातात. खोलीतली हवा कोरडी असेल तर त्यात पाण्याच्या रेणूंसाठी भरपूर जागासुद्धा उपलब्ध असते. मग असे उसळी मारणारे पाण्याचे रेणू तिथे सहज सामावून जातात. असे उर्जा असलेले रेणू एकदा पाण्याबाहेर निघून गेले कि मागे उरतात ते कमी उर्जा (हालचाल) असलेले रेणू. पण एकमेकांतील बंधांपुढे त्या क्षीण उर्जेचा निभाव लागत नाही व हे रेणू पाण्यातच राहतात. अशा रीतीने पाण्याचे तापमान (म्हणजेच पाण्यातील रेणूंच्या ठायी असलेली उर्जा) खोलीच्या तापमानापेक्षा थोडे कमी होऊन स्थिर होते. यालाच इंग्लिशमध्ये Evaporation Cooling असा शब्दप्रयोग आहे. हेच पाणी जेंव्हा आपण आपल्या अंगावर ओततो तेंव्हा त्वचेवर त्याचा पातळ थर तयार होतो. जाडी पातळ असल्याने रेणूंमधील बंध अजून क्षीण होतात आणि त्वचेच्या मूलकणांच्या उर्जेमुळे (साध्या शब्दांत 'त्वचेची उष्णता') पाण्याचे सर्व रेणू भराभर हवेत मिसळून जातात (बाष्पीभवन). त्वचेतील उष्णतेचा असा ऱ्हास झाल्याने आपल्याला थंड वाटते. निसर्ग हेच तत्व आपल्या शरीरात सुद्धा वापरतो आणि आपले शरीर थंड ठेवतो. उन्हाळ्यात घाम येतो त्याचे कारण हेच आहे. या घामाच्या पाण्याच्या रेणूंचे बाष्पीभवन होते व आपल्याला थंड वाटते.

काही द्रवपदार्थांमध्ये हे रेणूंमधले बंध अजून क्षीण असतात. उदाहरणार्थ अ‍ॅसिटोन, स्पिरीट इत्यादी. असे पदार्थ जेंव्हा उघडे ठेवले जातात तेंव्हा हि क्रिया अजून जलद गतीने होते आणि भांड्यातील सर्व द्रव भरभर उडून जाऊन अखेर भांडे थंडगार होते.

मातीच्या भांड्यात ठेवलेले पाणी अजून थंड का होते?
इतके सगळे मुलभूत ज्ञान मिळाल्यानंतर आता येऊ मूळ प्रश्नाकडे. मातीच्या भांड्यात पाणी अजून थंड का होते?

हातात हात घालून ग्रुपने जेंव्हा तुम्ही जत्रेतील गर्दीत वाट काढत घुसता तेंव्हा गर्दीमुळे आपसूकच सर्वांचे एकमेकांना पकडलेले हात सुटतात. अगदी तसेच इथे घडते. इथे गंमत अशी होते कि भांड्याच्या मातीच्या रेणूंमधून वाट काढत पाण्याचे उर्जायुक्त रेणू जेंव्हा बाहेर येतात तेंव्हा त्यांच्यातील बंध आपसूकच कमी होतात. आणि वर सांगितल्याप्रमाणे बाहेर असलेल्या कोरड्या हवेत हे रेणू पट्कन मिसळून जातात (कारण बंध खूप क्षीण झालेले असतात). उर्जा असलेले रेणू असे निघून गेल्याने भांड्यातील पाण्याची उर्जा (उष्णता) कमी होते. पाणी थंड होते. हि क्रिया वारंवार घडत राहते. सर्वाधिक हालचाल करणारे उर्जा असलेले पाण्याचे रेणू जसजसे बाहेर जात राहतात, तसतशी पाण्यातली उर्जा (उष्णता) कमी कमी होत जाते. पाणी थंड होते. एका क्षणी पाण्यातील रेणूंची उर्जा इतकी कमी होते कि ते मातीच्या कणांमधून वाट काढत बाहेर येऊ शकत नाहीत. तिथे तापमान स्थिर होते. पाणी त्याहून जास्त थंड होऊ शकत नाही.

म्हणजे अधिक उर्जा असलेले पाण्याचे रेणू बाहेर काढायचे आणि त्यांचे बाहेरच्या बाहेर बाष्पीभवन करून टाकायचे, कि पाण्यात फक्त कमी उर्जेचे रेणू राहतील म्हणजेच पाणी थंड होईल. असे ते तंत्र आहे. असेच असेल तर मग यासाठी मातीचेच भांडे कशाला हवे हा प्रश्न तुमच्या मनात येईल. अगदी बरोबर आहे. आपल्यापैकी अनेकांनी उन्हाळ्याच्या दिवसांत काही मोठ्या वाहनांना बाहेर समोरच्या बाजूला अडकवलेल्या पाण्याने भरलेल्या कापडी पिशव्या पाहिल्या असतील. त्यांना Desert water bag किंवा Canvas water bag असे म्हणतात.

या पिशव्यांमध्ये हिच क्रिया घडते. पण वाहनाच्या वेगामुळे हवा प्रचंड वेगाने या पिशवीला धडकत राहते आणि बाहेर आलेले पाण्याच्या थेंबांचे त्वरेने बाष्पीभवन होते. त्यामुळे आतील पाणी वेगाने थंड होत जाते.

हुश्श्य! सगळे तत्व कळले तर एकदाचे. आता आपल्याला पडलेल्या प्रश्नांची उत्तरे आपणच देऊ.

प्रश्न १. बाहेरच्या वातावरणात इतकी उष्णता उपलब्ध असताना या झिरपत आलेल्या पाण्याच्या थेंबांना बाष्पीभवनासाठी माठातल्या पाण्यातून उर्जा घेण्याची गरज का भासावी?
उत्तर: माठातल्या पाण्यातील उर्जा पाण्याच्या रेणूंना बाहेर ढकलण्यासाठी वापरली जाते. प्रत्यक्ष बाष्पीभवन बाहेरची हवा किती कोरडी आहे व तिचे तापमान काय आहे यावर अवलंबून असते. म्हणूनच थंड व दमट हवेत माठातील पाणी थंड होऊ शकत नाही.

प्रश्न २. उन्हाळ्यात शेतात झाडाखाली ठेवलेल्या माठातील पाणी घरात ठेवलेल्या माठातील पाण्याहून अधिक थंड होते. ते का?
उत्तर: घरात वाहती हवा नसते. त्यामुळे माठाबाहेरच्या थेंबांचे बाष्पीभवन झाले कि माठाभोवताली आर्द्र हवेचा थर जमतो. खोलीतल्या मंद हलणाऱ्या हवेने हा थर लवकर हलत नाही. परिणामी बाष्पीभवनाचा वेग कमी होतो. हेच उन्हाळ्यात शेतात झाडाखाली कोरड्याठाक हवेचा झोत सतत वाहत असतो. अशा हवेत माठ असेल तर माठाबाहेर येणाऱ्या पाण्याच्या थेंबांचे वेगाने बाष्पीभवन होते व त्यामुळे माठातील पाणी अधिक थंड होते.

प्रश्न ३. पाणी ठराविक प्रमाणातच का थंड होते? अजून अजून अजून थंड होत जाऊन अखेर त्याचे बर्फ का बनत नाही?
उत्तर: याचे उत्तर वरील चर्चेच्या ओघात येऊन गेले आहे. पाण्याच्या रेणूंच्या ठाई असलेल्या गतीज ऊर्जेमुळे हे कण माठाबाहेर येतात. त्यामुळे आतील पाण्याची एकूण उर्जापातळी कमी होते. पाणी थंड होते. असे वारंवार घडते. एका क्षणी पाण्यातील रेणूंची उर्जा इतकी कमी होते कि ते मातीच्या कणांमधून वाट काढत बाहेर येऊ शकत नाहीत. तिथे तापमान स्थिर होते. पाणी त्याहून जास्त थंड होऊ शकत नाही. याशिवाय काही प्रमाणात उष्णता उर्जा बाहेरील वातावरणातून भांड्यात जाते. हे सुद्धा त्यामागचे एक कारण आहे. खोलीत शून्याला थोडेफार जवळपास तापमान असेल आणि हवेत अजिबात आर्द्रता नसेल तर माठातल्या पाण्याचे बर्फ होऊ शकते.

प्रश्न ४. बाहेर जितके उष्ण वातावरण असेल तितके आतले पाणी अधिक थंड होत जाते. असेच जर घडत असेल तर यामागे जे काही मुलभूत तत्व दडले आहे ते शोधून काढून त्याचा पुरेपूर वापर करून, "उष्णता देऊन पाण्याचा बर्फ करता येईल" असे एखादे उपकरण वजा भांडे का बनवता येऊ नये?
उत्तर: याचे उत्तर वरील दीर्घ चर्चेतून कळण्यासारखे आहे. त्यामुळे हे वाचकांवर सोपवतो

(लेखात वापरलेली सर्व प्रकाशचित्रे अंतरजालावरून साभार)

संदर्भ:
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_motion
2. https://www.new-learn.info/packages/clear/thermal/buildings/passive_syst...
3. https://physics.stackexchange.com/questions/256189/will-water-cool-faste...
4. https://physics.stackexchange.com/questions/64716/how-does-an-earthen-po...
5. https://www.quora.com/How-does-the-water-kept-in-an-earthen-pot-become-c...
6. https://physics.stackexchange.com/questions/97959/how-does-a-canvas-wate...