मानव सभ्यता की सबसे बड़ी उपलब्धियों में से एक है, तापमान मापन

सर्दियाँ शुरू होते ही, रामपुर का तापमान, नाटकीय रूप से गिर जाता है! लेकिन क्या आप जानते हैं कि, तापमान को क्यों और कैसे मापा जाता है। मौसम के पूर्वानुमान से लेकर औद्योगिक प्रक्रियाओं तक, कई क्षेत्रों में, तापमान का माप ज़रूरी होता है। तापमान को मापने के लिए आमतौर पर सेल्सियस (Celcius (°C)), फ़ारेनहाइट (Fahrenheit (°F)), और केल्विन (Kelvin (K)) जैसी इकाइयों का उपयोग किया जाता है।

तापमान मापने के लिए थर्मामीटर सबसे सामान्य उपकरण होते हैं। ये उपकरण पारा या अल्कोहल जैसे तरल पदार्थों के विस्तार के सिद्धांत पर काम करते हैं। इसके अलावा, कुछ थर्मामीटर विद्युत प्रतिरोध में होने वाले बदलाव को मापने की तकनीक का उपयोग करते हैं। आज के इस लेख में, हम तापमान और इसे मापने के लिए उपयुक्त विभिन्न पैमानों पर चर्चा करेंगे। इसमें हम सेल्सियस, फ़ारेनहाइट, और केल्विन पैमाने को विस्तार से समझेंगे। इसके बाद, हम परम शून्य,का अध्ययन करेंगे जो कि सबसे कम संभव तापमान है। अंत में, हम यह देखेंगे कि तापमान मापने की तकनीकों में किस तरह प्रगति हुई है। इसमें आधुनिक सेंसरों और अधिक सटीक माप उपकरणों पर विशेष ध्यान दिया जाएगा।

आइए, शुरुआत में, तापमान और इसे मापने के लिए उपयोगी विभिन्न पैमानों के बारे में जानते हैं:

तापमान को मापने के लिए, "थर्मामीटर" नामक उपकरण का उपयोग किया जाता है। यह शब्द ग्रीक के “थर्मोस" (गर्म) और “मेट्रोन" (माप) शब्दों से लिया गया है। तापमान का मतलब किसी पदार्थ के अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा को मापना होता है। सामान्य मानव शरीर का तापमान 98.6°F के करीब होता है।

1714 में, डैनियल गेब्रियल फ़ारेनहाइट (Daniel Gabriel Fahrenheit) ने पारा-आधारित थर्मामीटर का आविष्कार किया। फ़ारेनहाइट पोलिश मूल के डच वैज्ञानिक और उपकरण निर्माता थे। पारा, जो एक तरल धातु है, तापमान के बदलाव के साथ फैलता और सिकुड़ता है। फ़ारेनहाइट ने पारे को एक बंद ट्यूब में भरा और उस पर अंकित पैमाने से तापमान में बदलाव को मापा। उन्होंने अपने थर्मामीटर का डिज़ाइन डेनिश वैज्ञानिक ओले रोमर (Ole Rømer) के अल्कोहल-आधारित थर्मामीटर से लिया। रोमर ने शून्य बिंदु उस तापमान पर तय किया जहाँ नमकीन पानी जमता है और 60 बिंदु पानी के उबलने के तापमान पर।

फ़ारेनहाइट का थर्मामीटर, रोमर के थर्मामीटर से अधिक सटीक था। उन्होंने "अत्यधिक ठंडा" और "अत्यधिक गर्म" के बीच के बिंदुओं को और बारीकी से विभाजित किया। 
उनके पैमाने में चार मुख्य बिंदु थे: 
- 0°F (नमकीन पानी के जमने  का तापमान), 
- 30°F (साधारण पानी का हिमांक), 
- 90°F (मानव शरीर का तापमान), 
- 240°F (पानी का क्वथनांक)

स्वीडिश खगोलशास्त्री एंडर्स सेल्सियस (Anders Celsius) को वैज्ञानिक आधार पर अंतरराष्ट्रीय तापमान पैमाने की परिभाषा देने का श्रेय दिया जाता है। उन्होंने ऑरोरा बोरेलिस (उत्तरी रोशनी) और पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के बीच संबंध की खोज की। इसके अलावा, उन्होंने सितारों की चमक मापने की विधि भी विकसित की।

1744 में सेल्सियस की मृत्यु के बाद, स्वीडिश टैक्सोनोमिस्ट (Taxonomist), कार्ल लिनिअस (Carl Linnaeus) ने उनके पैमाने में बदलाव का सुझाव दिया। उन्होंने प्रस्ताव रखा कि 0°C पानी के जमने का बिंदु और 100°C पानी के उबलने का बिंदु होना चाहिए। यह पैमाना नकारात्मक संख्याओं को भी शामिल करता है। शुरू में इसे "सेंटीग्रेड" कहा गया, क्योंकि पानी के जमने और उबलने के बीच 100 डिग्री होते हैं। 1948 में, इसे वैज्ञानिक सम्मेलन में "सेल्सियस" नाम दिया गया।

1848 में, ब्रिटिश वैज्ञानिक विलियम थॉमसन (लॉर्ड केल्विन)[ William Thomson (Lord Kelvin)] ने एक निरपेक्ष तापमान पैमाना प्रस्तावित किया। यह पैमाना पदार्थों के गुणों, जैसे बर्फ़ या पानी, पर निर्भर नहीं करता। उन्होंने कहा कि तापमान की एक सीमा होती है, जिसे -273.15°C या 0 K (केल्विन) कहा जाता है। इसे "निरपेक्ष शून्य" कहा गया। केल्विन पैमाने में पानी 273.15 K (0°C) पर जमता है और 373.15 K (100°C) पर उबलता है।
आइए, आप पूर्ण शून्य के बारे में जानते हैं:

वैज्ञानिक दृष्टिकोण से, पूर्ण शून्य वह न्यूनतम तापमान है जो सैद्धांतिक रूप से संभव है। यह इतना कम तापमान है कि वहाँ तक पहुँचना असंभव है। वैज्ञानिक शोधों में इस तापमान के करीब पहुँचना संभव हुआ है, लेकिन पूर्ण शून्य तक पहुँच पाना अभी भी असंभव है। यह सवाल उठता है कि अगर हम वहाँ नहीं पहुँच सकते, तो हमें कैसे पता है कि यह मौजूद है?

इस रहस्य का पहला सुराग गैसों के फैलने और सिकुड़ने से मिला। हम जानते हैं कि गर्म हवा ऊपर उठती है और ठंडी हवा नीचे गिरती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि गर्म होने पर हवा फैलती है और ठंडी हवा के मुकाबले कम घनी हो जाती है। यह प्रक्रिया उसी तरह काम करती है जैसे पानी पर लकड़ी का तैरना, क्योंकि लकड़ी का घनत्व पानी से कम होता है। दूसरी ओर, ठंडी हवा सिकुड़ती है और अधिक घनी हो जाती है, जिसके कारण वह नीचे चली जाती है।

अब कल्पना करें कि हमने एक निश्चित मात्रा में हवा ली और इसे बहुत ठंडा कर दिया। अब सवाल यह उठता है, यह हवा कितनी सिकुड़ सकती है? 

जब वैज्ञानिकों ने पहली बार गर्म और ठंडी गैसों का अध्ययन किया, तो उनके पास आधुनिक शीतलन तकनीकें उपलब्ध नहीं थीं। उन्होंने अपनी क्षमताओं के अनुसार तापमान को मापा और उन डेटा को एक ग्राफ़ पर प्लॉट किया। इस अध्ययन में पाया गया कि गैस का आयतन, स्थिर दबाव की स्थिति में, तापमान के साथ घटता है। ग्राफ़ में यह एक सीधी रेखा बनाता है। जैसे-जैसे तापमान घटता है, गैस का आयतन भी छोटा होता जाता है। जब इस रेखा को और नीचे बढ़ाया गया, तो पाया गया कि एक बिंदु पर गैस का आयतन शून्य हो जाएगा। यह बिंदु लगभग -273 डिग्री सेल्सियस (-460 डिग्री फ़ारेनहाइट) पर स्थित था। इसी तापमान को परम शून्य (Absolute zero) कहा गया और यह केल्विन और रैंकिन तापमान पैमाने का आधार बना।

हालांकि, अब हम जानते हैं कि, गैसें वास्तव में पूर्ण शून्य पर शून्य आयतन तक सिकुड़ती नहीं हैं। इससे पहले ही वे तरल अवस्था में बदल जाती हैं। फिर भी, क्रायोजेनिक्स (Cryogenics) के क्षेत्र में पूर्ण शून्य की अवधारणा बेहद महत्वपूर्ण है।

एक  दिलचस्प तथ्य, यह है कि,  परम शून्य से अधिक ठंडा कुछ भी नहीं हो सकता। लेकिन कुछ विशेष भौतिक प्रणालियाँ ऐसी हैं जिन्हें नकारात्मक परम तापमान कहा जाता है। आश्चर्यजनक रूप से, ये प्रणालियाँ सकारात्मक तापमान वाली प्रणालियों से भी अधिक गर्म हो सकती हैं।

पारंपरिक तापमान सेंसर की कई सीमाएं होती हैं। ये सेंसर कठोर, जटिल और बदलते वातावरण में तापमान को मापने में कठिनाई महसूस करते हैं। इनके लिए सूक्ष्म तापमान डेटा प्राप्त करना भी चुनौतीपूर्ण होता है। इन समस्याओं को हल करने के लिए उन्नत तापमान सेंसर विकसित किए गए हैं। इनमें ऑप्टिकल तापमान सेंसर,  फ़ाइबर ऑप्टिक तापमान सेंसर, ध्वनिक तापमान सेंसर और माइक्रो व नैनो तापमान सेंसर शामिल हैं। 

आइए इन सेंसर की विशिष्ट विशेषताओं और उपयोगों को समझते हैं।

ऑप्टिकल तापमान सेंसर (Optical temperature sensor): ऑप्टिकल तापमान सेंसर स्टीफ़न -बोल्टज़मैन (Stefan–Boltzmann law) और प्लैंक के विकिरण नियमों (Planck's law) पर आधारित होते हैं। ये नियम, गर्मी के ऑप्टिकल प्रभावों का उपयोग करके तापमान मापने में मदद करते हैं। इस तकनीक की एक बड़ी विशेषता है कि यह बिना किसी संपर्क के तापमान माप सकती है। इस वजह से, उच्च तापमान वाली वस्तुओं के सतह तापमान को मापना संभव हो जाता है। इन सेंसर का उपयोग औद्योगिक उत्पादन और खाद्य प्रसंस्करण जैसे क्षेत्रों में व्यापक रूप से किया जाता है।

 इंफ़्रारेड थर्मल इमेजिंग (Infrared thermal imaging): ऑप्टिकल तापमान सेंसरों में,  इंफ़्रारेड थर्मल इमेज़र सबसे आम उपकरण है।   इंफ़्रारेड, थर्मल विकिरण (Thermal radiation) के सिद्धांत पर काम करता है और तापमान क्षेत्रों का निर्माण करता है। इसमें माइक्रो-इलेक्ट्रो-मैकेनिकल सिस्टम (MEMS) तकनीक का उपयोग होता है।   इंफ़्रारेड विकिरण ऊर्जा को  फ़्रंट -एंड डिटेक्टर द्वारा तापमान ग्रेडिएंट में बदला जाता है। फिर थर्मोपाइल इन ग्रेडिएंट को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करता है। इसके बाद, इन संकेतों को डिजिटल रूप में रूपांतरित किया जाता है और तापमान के बादलों के रूप में डिस्प्ले पर दिखाया जाता है। यह तकनीक सतह के तापमान को वास्तविक समय में मापने का तेज़ और प्रभावी तरीका प्रदान करती है। यह असमान तापमान वितरण और सुपरहीटेड सतहों की निगरानी के लिए आदर्श है।

लेज़र तापमान सेंसर (Laser infrared sensor) : लेज़र तापमान सेंसर इन्फ्रारेड थर्मोग्राफ़ी से भिन्न होता है। यह एक सक्रिय मापने की तकनीक है। यह सेंसर लेज़र बीम के माध्यम से सतह पर उत्सर्जित ऊर्जा को मापता है। फिर यह परावर्तित या बिखरी हुई ऊर्जा के आधार पर तापमान की गणना करता है। चूंकि लेज़र सक्रिय रूप से उत्सर्जित और मापा जाता है, यह लंबी दूरी पर तापमान मापने में सक्षम है। इसके अलावा, यह पर्यावरणीय विकिरण के प्रभाव से बचाव करता है।

ध्वनिक तापमान सेंसर (Acoustic temperature sensor) : ध्वनिक तापमान सेंसर, ध्वनि तरंगों की गति और आवृत्ति में होने वाले परिवर्तनों का उपयोग  करता है । यह  सेंसर मापता है कि, माध्यम के तापमान में बदलाव से ध्वनि तरंगों की गति और प्रसार कैसे प्रभावित होते हैं। माध्यम का तापमान ,जैसे-जैसे बदलता है, ध्वनि तरंगों की गति और आवृत्ति में भी बदलाव होता है। सेंसर इन परिवर्तनों को मापकर तापमान की गणना करता है। ध्वनिक तापमान सेंसर, जटिल संरचनाओं की स्वास्थ्य निगरानी के लिए उपयोग किए जाते हैं।

संदर्भ 

https://tinyurl.com/2chamlpy

https://tinyurl.com/yyukyblt

https://tinyurl.com/yzqeoxbn

मुख्य चित्र: 38.7 °C (101.7 °F) तापमान दर्शाने वाले एक मेडिकल/क्लीनिकल थर्मामीटर (Wikimedia)