ऊर्जा रूपांतरण

ऊर्जा म्हणजे कुठल्याही पदार्थात असलेली कार्य करण्याची क्षमता. याचे एकक ‘ज्युल’ असे आहे.

विक्रमादित्याने आपला हट्ट सोडला नाही.. या वाक्याने सुरुवात होणाऱ्या विक्रम आणि वेताळाच्या गोष्टी आपल्यापैकी अनेकांनी वाचल्या असतीलच. त्याचप्रमाणे मनुष्यानेही आपले काम कमीतकमी श्रमात करण्याचा हट्ट सोडला नाही, असेच म्हणावे लागते. सुलभ यंत्रांचा वापर करून त्याने आपल्या हालचाली, कामे सोपी कशी होतील हे पाहिले. त्याचबरोबर चाक, आस यांना गियर लावून आपल्या हालचालींचा वेग वाढवला. तसेच चाकाच्या आसाला बैल, घोडा असे प्राणी जुंपून आपले श्रम परस्पर कोणी इतर प्राणी करतील, अशीही व्यवस्था केली. याच ध्यासातून त्याने उपलब्ध ऊर्जा कशी वापरता येईल याचाही विचार आणि विकास सुरू केला.
ऊर्जा म्हणजे कुठल्याही पदार्थात असलेली कार्य करण्याची क्षमता. याचे एकक ‘ज्युल’ असे आहे. ऊर्जा म्हणजे कार्य करण्याची क्षमता असल्याने कार्य आणि ऊर्जा यांचे एकक सारखेच आहे. ऊर्जा विविध स्वरूपांत आपल्या आसपास असते. उदा. औष्णिक, रासायनिक, विद्युत, चुंबकीय, इ. आणि या उर्जेचे एका स्वरूपातून दुसऱ्या स्वरूपात रूपांतर होत असते.

उदाहरणार्थ –
रासायनिक – यांत्रिकी (इंधनावर चालणारी वाहने)
प्रकाश – रासायनिक (प्रकाशचित्रण करणारी फिल्म)
रासायनिक – विद्युत (विद्युतघट)
विद्युत – औष्णिक (पाणी तापवणारा गिझर)
औष्णिक – यांत्रिकी (रेल्वे इंजिन)
आपण आपल्या आसपास असणाऱ्या असंख्य प्रक्रियांमध्ये, उपकरणांमध्ये ही रूपांतरे पाहत असतो. ऊर्जा रूपांतरित होताना घडणाऱ्या प्रक्रियेचे एक प्रातिनिधिक उदाहरण चित्र क्र. 1 मध्ये दिले आहे.
बहुतेक वेळा रूपांतरण होताना 100% ऊर्जा रूपांतरित होत नसते. ही वाया जाणारी ऊर्जा अनेक वेळा उष्णतेच्या स्वरूपात बाहेर पडते. उदा. विजेच्या दिव्यात विद्युत उर्जेचे प्रकाश उर्जेत रूपांतर होताना दिवा गरम होतो, तर ध्वनिवर्धकात ध्वनी उर्जेचे विद्युत चुंबकीय उर्जेत रूपांतर होताना ध्वनिवर्धकही गरम होतो. ऊर्जा रूपांतरणाचे असे अनेक आविष्कार आपण पाहत असताना एक महत्त्वाचे रूपांतरण मानवी इतिहासाला कलाटणी देणारे ठरले. ते म्हणजे रासायनिक उर्जेचे औष्णिक उर्जेत आणि औष्णिक उर्जेचे यांत्रिकी उर्जेत होणारे रूपांतर. आणि याचा सर्व परिचित आविष्कार म्हणजे इंजिन. इंजिन या शब्दाची व्याख्याच मुळी ‘कुठल्याही एका स्वरूपातील उर्जेचे यांत्रिकी उर्जेत रूपांतर करणारे यंत्र’ अशीच केली जाते. अन्नातील रासायनिक ऊर्जा वापरून हालचाली करणारे आपले शरीर हे एक इंजिनच आहे. इ. स. पूर्व काळापासून पाण्याची ऊर्जा वापरून पाणचक्क्या काम करीत आहेत. ती एका प्रकारची इंजिनेच होती.
इ. स. पहिल्या शतकात योलीपील (Aeolipile) नावाने ओळखल्या जाणाऱ्या, वाफेवर वर्तुळाकार गती निर्माण करणाऱ्या इंजिनाचा उल्लेख सापडतो. ‘हिरो द अ‍ॅलक्झांद्रा’ याने हा शोध लावल्याचे मानले जाते. त्याचे कल्पनाचित्र चित्र क्र. 2 मध्ये दाखवले आहे.
हे आद्य बाह्य ज्वलन यंत्र (External Combustion Engine-ECE) मानले जाते. चित्रात दाखवल्याप्रमाणे, अग्नीवर ठेवलेल्या पसरट भांडय़ातील पाण्याची वाफ झाकणावरील नळ्यांमार्फत वर अडकवलेल्या बंद गोलाकार भांडय़ात जाते. वाफेवरील दाब वाढल्यावर, या भांडय़ाला 1800 कोनात विरुद्ध दिशेला असलेल्या दोन नलिकांमधून ही वाफ बाहेर पडते आणि दोन विरुद्ध दिशेने कार्य करणारी बले त्या भांडय़ाला अक्षाभोवती फिरवतात. बाह्य ज्वलन इंजिने तेव्हापासून कालानुरूप बदलत गेली आहेत. बाह्य ज्वलन इंजिनात मूळ रासायनिक ऊर्जा असलेला पदार्थ जाळून त्याच्यामुळे तयार होणाऱ्या उष्णतेचा वापर करून यांत्रिकी हालचाल केली जाते. इ.स 1698 मध्ये थॉमस सॅव्हारेने 1 ँस्र् क्षमतेचे वाफेवर चालणारे, पहिले प्रत्यक्ष काम करणारे इंजिन तयार करून त्याचे स्वमित्वाधिकार मिळवले. या इंजिनात वाफेमुळे निर्वात पोकळी तयार करून खाणीतील पाणी ओढले जात असे. कुठलेही चलन होणारे भाग नसलेल्या या इंजिनावर काम करून पुढे इ. स 1712 च्या सुमारास थॉमस न्युकोमेन याने hp क्षमतेचे, वाफेच्या शक्तीवर यांत्रिक काम करणारे इंजिन तयार केले. हे इंजिन वाफेची शक्ती एकत्र करून यांत्रिकी कार्य करीत असे. न्युकोमेन इंजिनावर इ.स 1762 ते 1775 मध्ये काम करून जेम्स वॅट आणि त्याचा जोडीदार मॅथ्यु बोल्टेन यांनी वाफेवर चालणारे इंजिन तयार केले. ज्यात अखंडित वर्तुळाकार यांत्रिकी चलन मिळू शकत होते. या इंजिनामुळे औद्योगिक क्रांती गतिमान झाली. याच इंजिनाचा वापर करून पुढे रेल्वेची चाके पळायला लागली.
चित्र क्र. 3 मध्ये रेल्वे इंजिनाचे संकल्पनाचित्र दाखवले आहे. त्यात दाखवल्याप्रमाणे कोळसा जाळून त्यातील रासायनिक ऊर्जेचे रूपांतर औष्णिक ऊर्जेत केले जाते. ही उष्णता पाण्याला देऊन त्याची वाफ केली जाते. वाफेवर दाब वाढवून, त्या दाबामुळे दट्टय़ाची यांत्रिकी हालचाल करून यांत्रिकी ऊर्जा निर्माण केली जाते आणि या ऊर्जेमुळे पुढील चाकांची यंत्रणा कार्य करू लागते.
ही यंत्रे, जिथे जिथे यांत्रिकी चलन हवे आहे, अशा वेगवेगळ्या यंत्रांच्या चलनासाठी वापरली जाऊ लागली. याचा आकार कमी करण्यासाठी आणि कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी तंत्रज्ञ काम करतच होते आणि त्यातूनच अंतर्गत ज्वलन इंजिने (Internal Combustion Engine- ICE) शोधली गेली. चित्र क्र. 4 मध्ये यातील मूलभूत फरक दिसतो. बाह्य ज्वलन यंत्रात इंधन जाळून एकीकडे उष्णता तयार करून, दुसरीकडे यांत्रिक चलन मिळवले जाते. तर अंतर्गत ज्वलन यंत्रात इंधन ज्वलन आणि यांत्रिकी चलन एकाच ठिकाणी होत असते. यामुळे ICE इंजिनांचा आकार लहान झाला. उष्णता हस्तांतरण होत नसल्याने त्या प्रक्रियेत होणारे नुकसान टळले ECEमध्ये इंधन जाळून तयार होणारी उष्णता पाण्याला हस्तांतरित केली जाते), आणि त्यामुळे अर्थातच इंजिनाची कार्यक्षमता वाढली. आता बाह्य ज्वलन इंजिने प्रामुख्याने मोठय़ा प्रमाणात उष्णता आवश्यक असलेल्या विद्युत प्रकल्पात वापरली जातात, तर अंतर्गत ज्वलन इंजिने जगभर पसरलेल्या स्वयंचलित वाहन उद्योगाचा प्राण बनली आहेत. त्यातही पुढे इंधनाबरहुकूम तसेच कार्यपद्धतीमधील फरकानुसार वेगळ्या रचनेची इंजिने तयार
झाली. त्यांची माहिती घेऊ पुढच्या भागात.