શું પ્રવાહી નાઇટ્રોજનમાં હાથ નાખવો સલામત છે? લીડેનફ્રોસ્ટ અસરના રહસ્યો

આ બ્લોગ પોસ્ટમાં, પ્રવાહી નાઇટ્રોજનમાં થોડા સમય માટે હાથ નાખવો શા માટે યોગ્ય છે અને લીડેનફ્રોસ્ટ અસર તેને કેવી રીતે સમજાવે છે તે શીખો. વિજ્ઞાન પાછળની આ રસપ્રદ ઘટનાનું અન્વેષણ કરવા માટે અમારી સાથે જોડાઓ!

ફિલ્મ ટર્મિનેટર 2 માં, એક દ્રશ્ય છે જ્યાં T-1000, એક સુપર-સ્ટ્રોંગ સાયબોર્ગ જે બંદૂકો, તોપો, ફ્લેમથ્રોઅર્સ અને અન્ય ઘણા હથિયારોથી માર ખાઈ શકે છે, તેને પ્રવાહી નાઇટ્રોજનમાં થીજી જાય છે અને પછી ટર્મિનેટર દ્વારા એક જ મુક્કાથી તેને સ્મિતરીન પર ફૂંકવામાં આવે છે. આ દ્રશ્ય ઘણા લોકો માટે યાદગાર છે એટલું જ નહીં, પરંતુ તે ક્રાયોજેનિક પદાર્થોની શક્તિનું એક મહાન દ્રશ્ય પ્રતિનિધિત્વ પણ છે. પ્રવાહી નાઇટ્રોજનનો વૈજ્ઞાનિક અને ઔદ્યોગિક ઉપયોગોની વિશાળ શ્રેણી છે, અને તે વિવિધ પ્રયોગો અને સંગ્રહ કામગીરી માટે અનિવાર્ય છે, ખાસ કરીને ખૂબ જ ઓછા તાપમાને.
નાઈટ્રોજન ગેસ માઈનસ 196 ડીગ્રી ફેરનહીટ પર ઉકળે છે, તેથી પ્રવાહી નાઈટ્રોજન એક શક્તિશાળી ક્રાયોજેનિક પદાર્થ છે જે માઈનસ 196 ડીગ્રી ફેરનહીટ કરતા ઠંડો હોય છે અને મોટાભાગની સામગ્રીને ત્વરિતમાં સ્થિર કરી શકે છે. વાસ્તવમાં, સુપરકન્ડક્ટરનો અભ્યાસ કરતી વખતે અથવા લાંબા સમય સુધી જૈવિક નમૂનાઓનો સંગ્રહ કરતી વખતે પ્રવાહી નાઇટ્રોજન પ્રયોગશાળામાં આવશ્યક ભૂમિકા ભજવે છે. આ શક્તિશાળી ઠંડક ક્ષમતાને કારણે, પ્રવાહી નાઇટ્રોજનનો ઉપયોગ ક્રાયોજેનિક પ્રયોગોમાં, અમુક પ્રક્રિયાઓમાં જરૂરી તાપમાનને નિયંત્રિત કરવા અને યાંત્રિક ભાગોને સંકોચવા માટે પણ થાય છે.
તો જ્યારે તમે તમારા હાથને પ્રવાહી નાઇટ્રોજનમાં નાખો છો અને બહાર કાઢો છો ત્યારે શું થાય છે? જો તમે તેને બે સેકન્ડથી વધુ સમય માટે કરો છો, તો અલબત્ત... તે તમારી કલ્પના મુજબ જ કરશે. પરંતુ જો તમે તેને ફક્ત એક સેકન્ડ માટે અંદર અને બહાર કાઢો છો, તો તમારો હાથ સંપૂર્ણપણે ઠીક થઈ જશે. તેવી જ રીતે, સૂકા બરફ, એક સામાન્ય રેફ્રિજન્ટ, તમારી જીભ પર થોડા સમય માટે રાખી શકાય છે અને પછી કોઈ નુકસાન વિના દૂર કરી શકાય છે. આ ક્રાયોજેનિક પદાર્થો સાથે ટૂંકા સંપર્ક શા માટે યોગ્ય છે?
ટૂંકો જવાબ એ છે કે તે લીડેનફ્રોસ્ટ અસરને કારણે છે. જ્યારે કોઈ પ્રવાહી એવી વસ્તુના સંપર્કમાં આવે છે જેનું તાપમાન તેના ઉત્કલન બિંદુ કરતા નોંધપાત્ર રીતે વધારે હોય છે, ત્યારે પદાર્થના સંપર્કમાં રહેલા પ્રવાહીની સપાટી જ ક્ષણિક રીતે બાષ્પીભવન થાય છે, જે બાષ્પ ફિલ્મ બનાવે છે. જ્યારે બાષ્પ ફિલ્મ બને છે, ત્યારે બે વસ્તુઓ વચ્ચે ગરમીનું સ્થાનાંતરણ ખોરવાય છે. આ બાષ્પ ફિલ્મ, જેને કુદરતી રીતે બનતી ઇન્સ્યુલેટીંગ દિવાલ તરીકે વિચારી શકાય છે, તેનો સમયગાળો ખૂબ જ ટૂંકો હોય છે, એટલે કે તે ફક્ત થોડા સમય માટે ગરમીના સ્થાનાંતરણને અવરોધે છે અને પછી અદૃશ્ય થઈ જાય છે. આ જ કારણ છે કે તમારા હાથને પ્રવાહી નાઇટ્રોજનમાં એક સેકન્ડ માટે ચોંટાડવો અને પછી તેને દૂર કરવો ઠીક છે, અને શા માટે તમારી જીભને સૂકા બરફમાં એક સેકન્ડ માટે ચોંટાડવો અને પછી તેને દૂર કરવી ઠીક છે.
લીડેનફ્રોસ્ટ અસર અન્ય સામાન્ય ઘટનાઓમાં પણ જોવા મળે છે. ઉદાહરણ તરીકે, તમે જોયું હશે કે જ્યારે તમે ગરમ તપેલીમાં પાણીનું ટીપું નાખો છો, ત્યારે તે બાષ્પીભવન થાય તે પહેલાં તપેલીની સપાટી પર નાચે છે અને ફરે છે. આ લીડેનફ્રોસ્ટ અસરને કારણે છે. જ્યારે તપેલીની સપાટી પાણીના ઉત્કલન બિંદુ કરતા ઘણા ઊંચા તાપમાને પહોંચે છે, ત્યારે ટીપું તરત જ બાષ્પીભવન થઈ જાય છે, જે હવાના સ્તર જેવી પાતળી ફિલ્મ બનાવે છે જેના કારણે ટીપું સપાટી પરથી ઉછળી જાય છે. લીડેનફ્રોસ્ટ અસર એ એક ઘટના છે જે આપણે દરરોજ જોઈએ છીએ, પરંતુ તે કેવી રીતે કાર્ય કરે છે તે સમજવું એ વિજ્ઞાનનો એક રસપ્રદ ભાગ છે.
તો બાષ્પ ફિલ્મ શા માટે બને છે અને ગરમીના સ્થાનાંતરણને અટકાવે છે? કારણ પર પહોંચતા પહેલા, ચાલો ગરમીના સ્થાનાંતરણની ત્રણ રીતો પર એક નજર કરીએ: વહન, સંવહન અને કિરણોત્સર્ગ. વહન એ "માધ્યમ" દ્વારા ગરમીનું સ્થાનાંતરણ છે, જે તે પદાર્થ છે જે ગરમીનું વહન કરે છે; સંવહન એ માધ્યમ સાથે ગરમીનું સ્થાનાંતરણ છે; અને કિરણોત્સર્ગ એ માધ્યમ સાથે અથવા વગર, ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગો દ્વારા ઉચ્ચ તાપમાનથી નીચા તાપમાનમાં ગરમીનું સીધું સ્થાનાંતરણ છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે ધાતુની એક બાજુ ગરમ થાય છે, ત્યારે બીજી બાજુ પણ ગરમ થાય છે, જે વહનની ઘટના છે; જ્યારે ગરમ પાણી અને ઠંડુ પાણી મિશ્રિત થાય છે, ત્યારે પાણી ગરમ થઈ જાય છે, જે સંવહનની ઘટના છે; અને જ્યારે સૂર્ય દ્વારા ઉત્સર્જિત ગરમી ઊર્જા પૃથ્વી પર પહોંચે છે, ત્યારે તે કિરણોત્સર્ગની ઘટના છે. જો કે, વાસ્તવિક ગરમીનું સ્થાનાંતરણ મોટે ભાગે વહન, સંવહન અને કિરણોત્સર્ગનું મિશ્રણ છે, તેથી જો ગરમીના સ્થાનાંતરણ માટે માત્ર એક જ પરિબળ જવાબદાર હોય, તો ગરમીના સ્થાનાંતરણની અસરકારકતા ઘટશે. ઉપરાંત, વહન એ સામાન્ય રીતે સૌથી મોટું ગરમી સ્થાનાંતરણ છે, ત્યારબાદ સંવહન અને પછી કિરણોત્સર્ગ આવે છે.
હવે, ચાલો ઉપરોક્ત પ્રશ્નનો જવાબ આપીએ બે પદાર્થો વચ્ચેનો તફાવત અને તેમની વચ્ચે વરાળ ફિલ્મ સાથે. સૌ પ્રથમ, બંને કિસ્સાઓમાં, રેડિયેશનની અસર નોંધપાત્ર નથી અને તેને અવગણી શકાય છે. પ્રથમ, જ્યારે બાષ્પ ફિલ્મની રચના થતી નથી, ત્યારે બે પદાર્થો વચ્ચેનું હીટ ટ્રાન્સફર વહન અને સંવહનનું મિશ્રણ છે. મોટાભાગની વાસ્તવિક દુનિયાની પરિસ્થિતિઓમાં આવું થાય છે, જેમ કે તમારા હાથને ઉકળતા પાણીમાં ચોંટાડવો અથવા તમારા ખુલ્લા હાથથી સ્નોબોલ રોલ કરવો, જ્યાં બે વસ્તુઓ વચ્ચે તાપમાનનો તફાવત બહુ મોટો નથી. જો કે, જ્યારે બાષ્પ ફિલ્મ બને છે, ત્યારે બે વસ્તુઓ વચ્ચે ગરમીનું ટ્રાન્સફર માત્ર સંવહન દ્વારા જ થઈ શકે છે. ઉપર સૂચવ્યા મુજબ, જ્યારે તમે તમારા હાથ અથવા જીભને પ્રવાહી નાઇટ્રોજન અથવા સૂકા બરફમાં મૂકો છો, ત્યારે આ સ્થિતિ છે, જ્યાં બે વસ્તુઓ વચ્ચે તાપમાનનો તફાવત ઘણો મોટો છે. તેથી, મૂળમાં જે વહન અને સંવહનનું મિશ્રણ હતું, એકવાર વરાળની ફિલ્મ બની જાય, તો હીટ ટ્રાન્સફર માત્ર સંવહન દ્વારા થાય છે, તેથી ટ્રાન્સફર કરાયેલી ગરમીનું પ્રમાણ ઓછું છે.
સારાંશ માટે, લીડેનફ્રોસ્ટ અસર એ એક એવી ઘટના છે જેમાં જ્યારે કોઈ પ્રવાહી તેના ઉત્કલન બિંદુ કરતા નોંધપાત્ર રીતે ઊંચા તાપમાને પદાર્થના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે પદાર્થના સંપર્કમાં રહેલા પ્રવાહીની માત્ર સપાટી જ ક્ષણભરમાં બાષ્પીભવન કરીને વરાળ ફિલ્મ બનાવે છે, જે અસ્થાયી રૂપે હીટ ટ્રાન્સફર ઘટાડે છે. એ નોંધવું અગત્યનું છે કે આ ઘટના માત્ર પ્રવાહી અને પદાર્થ વચ્ચે જ થાય છે જેનું તાપમાન પ્રવાહીના ઉત્કલન બિંદુ કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઉપર જણાવ્યા મુજબ, તમારા હાથને પ્રવાહી નાઇટ્રોજનમાં અથવા સૂકા બરફમાં તમારી જીભને ચોંટાડવાથી ટૂંકા ગાળા માટે સલામત છે કારણ કે તમારા હાથનું તાપમાન પ્રવાહી નાઇટ્રોજન અથવા સૂકા બરફના ઉત્કલન બિંદુ કરતાં ઘણું વધારે છે, તેથી તમારા હાથ અથવા જીભની સપાટી પર વરાળની ફિલ્મ બને છે, જે ક્ષણભરમાં ગરમીનું ટ્રાન્સફર બંધ કરે છે, પરંતુ તમારા હાથને ઉકળતા પાણીમાં ચોંટાડવું ક્યારેય સલામત નથી કારણ કે તમારા હાથનું તાપમાન પાણીના ઉત્કલન બિંદુ કરતા ઘણું ઓછું છે! અલબત્ત, પ્રવાહી નાઇટ્રોજન અને શુષ્ક બરફના કિસ્સામાં પણ, આ ઘટના લાંબો સમય ટકી શકતી નથી, તેથી તેને ચકાસવા માટે વાસ્તવમાં આવું કરવા માટે એટલા અવિચારી ન બનો.
તમે ધારો છો તેના કરતાં આપણી આસપાસ વધુ અસાધારણ ઘટનાઓ છે જેને સરળ વૈજ્ઞાનિક સિદ્ધાંતો દ્વારા સમજાવી શકાય છે. અમે ફક્ત ધ્યાન આપતા નથી અને તેના વિશે વિચારતા નથી. વિજ્ઞાન સર્વત્ર છે: આપણે જે હવામાં શ્વાસ લઈએ છીએ, આપણા મંડપ પર ઉગતા છોડમાં, રામેન નૂડલ્સના વાસણમાં આપણે ઉકાળીએ છીએ. ઉદાહરણ તરીકે, ભૌતિકશાસ્ત્ર સમજાવી શકે છે કે જ્યારે તમે ઠંડા શિયાળાના દિવસે શેરીમાં ચાલતા હોવ અને ગરમ રૂમમાં આવો ત્યારે તમારા ચશ્મા શા માટે ધુમ્મસ થઈ જાય છે. તે ઘરની અંદર અને બહારના તાપમાનના તફાવતને કારણે તમારા ચશ્માના ઠંડા લેન્સ પર હવામાં પાણીની વરાળને કારણે થાય છે, જે આપણે દરરોજ અનુભવીએ છીએ તે કુદરતી ઘટનાનું બીજું ઉદાહરણ છે. તે સમજવું રસપ્રદ અને અર્થપૂર્ણ છે કે આપણે આપણા રોજિંદા જીવનમાં જે નાની વસ્તુઓનો સામનો કરીએ છીએ તેમાં ખરેખર અદ્ભુત વૈજ્ઞાનિક સિદ્ધાંતો છે.