पानी 100°C पर ही क्यों उबलता है? सेल्सियस ने तापमान की दुनिया को कैसे बदल दिया, जानिए पूरा विज्ञान

Celsius Scale Explained: हम बचपन से पढ़ते आए हैं कि पानी 0 डिग्री सेल्सियस पर जमता है और 100 डिग्री सेल्सियस पर उबलता है। थर्मामीटर पर तापमान बढ़ता हुआ दिखता है और पानी के मामले में 0 से 100 तक पहुंचते-पहुंचते वह बर्फ से भाप बन जाता है। इतना सामान्य तथ्य है कि शायद ही कभी किसी के मन में यह सवाल आता है कि आखिर पानी के जमने के लिए 0 और उबलने के लिए 100 ही क्यों चुना गया? क्या प्रकृति ने पानी के लिए ये दो संख्याएं तय की थीं? या किसी वैज्ञानिक ने सुविधा के लिए ऐसा कर दिया?

असल कहानी इससे कहीं ज्यादा दिलचस्प है।

100 डिग्री सेल्सियस पानी की कोई ऐसी प्राकृतिक सीमा नहीं है जिसे ब्रह्मांड ने तय किया हो। यह इंसानों द्वारा बनाई गई तापमान मापने की एक व्यवस्था का हिस्सा है। और जिस वैज्ञानिक के नाम पर आज यह पैमाना जाना जाता है, स्वीडन के खगोलशास्त्री एंडर्स सेल्सियस ने जब 1742 में अपना तापमान पैमाना बनाया था, तब उसमें पानी का जमाव बिंदु 100 डिग्री और उबलने का बिंदु 0 डिग्री था। यानी आज जिस पैमाने को हम सेल्सियस कहते हैं, वह मूल रूप से उलटा था।

फिर यह उलटकर आज वाला 0 से 100 कैसे बना? और सबसे बड़ा सवाल ये कि पानी को ही तापमान मापने का आधार क्यों चुना गया?

तापमान को मापने की जरूरत आखिर पड़ी क्यों?

आज तापमान हमारे जीवन के हर हिस्से में मौजूद है। मौसम की जानकारी हो, शरीर का बुखार हो, खाना पकाना हो, औद्योगिक मशीनें हों या किसी रॉकेट का इंजन - हर जगह तापमान को संख्याओं में व्यक्त करना पड़ता है।

लेकिन कई सौ साल पहले किसी के पास यह बताने का कोई विश्वसनीय तरीका नहीं था कि एक जगह दूसरी जगह से कितनी गर्म है।

लोग गर्म और ठंडे का अनुभव तो कर सकते थे, लेकिन अनुभव को संख्या में बदलना मुश्किल था। किसी व्यक्ति को कोई कमरा बहुत ठंडा लग सकता था, जबकि दूसरे को वही कमरा सामान्य लग सकता था। विज्ञान को ऐसी भाषा चाहिए थी जिसमें दो अलग-अलग लोग, दो अलग-अलग जगहों पर, एक ही तापमान को एक ही संख्या में दर्ज कर सकें।

यहीं से तापमान मापने की कहानी शुरू होती है।

17वीं सदी में तापमान मापने वाले शुरुआती उपकरण विकसित होने लगे। गैलीलियो गैलिली से जुड़े थर्मोस्कोप ने गर्मी और ठंडक में बदलाव दिखाने का रास्ता खोला, लेकिन उसमें आज के थर्मामीटर जैसी मानकीकृत संख्या नहीं थी। अलग-अलग उपकरण अलग-अलग परिणाम देते थे और तापमान के लिए कोई सार्वभौमिक पैमाना मौजूद नहीं था।

किसी ने बर्फ को आधार बनाया, किसी ने शरीर का तापमान, किसी ने नमक-पानी का मिश्रण। समस्या यह थी कि हर वैज्ञानिक अपने हिसाब से पैमाना बना रहा था।

इसका मतलब था कि एक वैज्ञानिक के थर्मामीटर पर 20 डिग्री का मतलब दूसरे वैज्ञानिक के थर्मामीटर पर 20 डिग्री जरूरी नहीं था।

विज्ञान को एक ऐसी चीज की जरूरत थी जो आसानी से उपलब्ध हो, बार-बार उसी अवस्था में मिले और जिसके आधार पर पूरी दुनिया तापमान की एक समान भाषा बोल सके।

पानी इस काम के लिए बेहद उपयोगी साबित हुआ।

पानी ही क्यों चुना गया?

पानी धरती पर सबसे आसानी से मिलने वाले पदार्थों में से एक है। उससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि सामान्य परिस्थितियों में पानी की दो अवस्थाएं बेहद आसानी से पहचानी जा सकती हैं - बर्फ और उबलता हुआ पानी।

बर्फ पिघल रही हो तो एक निश्चित तापमान के आसपास तापमान स्थिर रहता है। इसी तरह सामान्य वायुदाब में पानी उबलते समय एक निश्चित तापमान के आसपास रहता है। इसलिए वैज्ञानिकों को दो स्पष्ट संदर्भ बिंदु मिल गए। एक तरफ पानी का जमना या बर्फ का पिघलना और दूसरी तरफ पानी का उबलना। इन दोनों के बीच की दूरी को बराबर हिस्सों में बांटा जा सकता था।

यही विचार बाद में “सेंटीग्रेड” पैमाने की पहचान बना। “सेंटीग्रेड” का अर्थ ही है सौ भागों में बांटा गया।

स्वीडन के वैज्ञानिक एंडर्स सेल्सियस ने 1742 में इसी विचार को व्यवस्थित रूप दिया। उप्साला विश्वविद्यालय के अनुसार, सेल्सियस ने अलग-अलग थर्मामीटरों और तापमान पैमानों की तुलना की और उन्हें पर्याप्त विश्वसनीय नहीं पाया। इसके बाद उन्होंने पानी के जमने और उबलने के बिंदुओं को आधार बनाकर अपना पैमाना तैयार किया और दोनों के बीच के अंतर को 100 हिस्सों में बांटा।

सेल्सियस ने 100°C को उबलने का बिंदु बनाया ही नहीं था

आज हम जिस पैमाने का इस्तेमाल करते हैं उसमें पानी का जमाव बिंदु 0°C और उबलने का बिंदु 100°C है।लेकिन एंडर्स सेल्सियस की मूल व्यवस्था में इसका उल्टा था। उनके पैमाने पर पानी के उबलने का बिंदु 0 डिग्री था और जमने का बिंदु 100 डिग्री।

यानी जैसे-जैसे तापमान घटता, संख्या बढ़ती जाती।

1742 में सेल्सियस ने अपना पैमाना प्रस्तुत किया था। उनके प्रयोगों में एक महत्वपूर्ण बात यह भी थी कि उन्होंने समझा कि पानी का उबलने का तापमान वायुदाब पर निर्भर करता है। उन्होंने अलग-अलग ऊंचाइयों पर माप किए और इस बात पर ध्यान दिया कि ऊंचाई बदलने के साथ वायुदाब बदलता है और पानी के उबलने का तापमान भी बदलता है। यह अपने समय के लिए बेहद महत्वपूर्ण वैज्ञानिक सावधानी थी। आज हम जानते हैं कि पानी हमेशा 100°C पर नहीं उबलता।

समुद्र तल के आसपास सामान्य वायुदाब में पानी का सामान्य बोइलिंग पॉइंट लगभग 100°C होता है। लेकिन पहाड़ों पर वायुदाब कम होने के कारण पानी इससे कम तापमान पर उबल सकता है। इसी तरह दबाव बढ़ाने पर पानी का बोइलिंग पॉइंट (क्वथनांक) बढ़ जाता है।

इसलिए पानी 100°C पर उबलता है कहना पूरी तरह सही नहीं है। सही बात यह है कि सामान्य वायुदाब पर पानी का बोइलिंग पॉइंट लगभग 100°C होता है।

अंतरराष्ट्रीय मापन विज्ञान में सामान्य बोइलिंग पॉइंट का मान लगभग 99.974°C दिया जाता है, क्योंकि वास्तविक शुद्ध पानी और आधुनिक परिभाषाओं में छोटी-सी वैज्ञानिक बारीकियां मौजूद हैं।

फिर 100 ही क्यों? 80 या 50 क्यों नहीं?

यहां एक बेहद सरल गणित काम करता है।

मान लीजिए पानी के जमने और उबलने के बीच के तापमान अंतर को 100 बराबर हिस्सों में बांट दिया जाए। तब प्रत्येक हिस्सा एक डिग्री होगा। इससे पानी के जमने का बिंदु और उबलने का बिंदु दो सुविधाजनक संदर्भ बन गए और उनके बीच 100 समान अंतराल मिल गए।

यही कारण है कि इस पैमाने को लंबे समय तक “सेंटीग्रेड” कहा गया।

इसमें कोई प्राकृतिक नियम नहीं था कि पानी के दो बिंदुओं के बीच ठीक 100 डिग्री ही होनी चाहिए। वैज्ञानिकों ने एक सुविधाजनक मापन पद्धति चुनी थी।

ठीक वैसे ही जैसे एक मीटर को 100 सेंटीमीटर में बांटते हैं। प्रकृति ने यह नहीं कहा कि एक मीटर में 100 सेंटीमीटर होंगे। यह मनुष्य द्वारा चुना गया मापन विभाजन है। लेकिन यह चुनाव इतना सुविधाजनक था कि दुनिया में तेजी से लोकप्रिय हो गया।

सेल्सियस की उलटी स्केल सीधी किसने की?

सेल्सियस की मृत्यु 1744 में हुई। इसके बाद पानी के जमने को 0 और उबलने को 100 मानने वाली उलटी व्यवस्था सामने आई। स्वीडिश वनस्पतिशास्त्री कार्ल लिनियस से इसे लोकप्रिय बनाने का श्रेय अक्सर जोड़ा जाता है। 1745 में लिनियस द्वारा इस्तेमाल किए गए थर्मामीटर में जमने का बिंदु 0 और उबलने का बिंदु 100 था। लेकिन इतिहास में इसका श्रेय केवल लिनियस तक सीमित नहीं है। फ्रांसीसी वैज्ञानिक जीन-पियरे क्रिस्तिन ने भी लगभग इसी समय 0 को पानी के जमने और 100 को पानी के उबलने का बिंदु मानने वाला पैमाना प्रस्तुत किया था। इसलिए आज की व्यवस्था को सीधे केवल एक व्यक्ति के “उलट देने” का परिणाम कहना इतिहास को बहुत सरल बना देना होगा।

धीरे-धीरे 0°C पर पानी का जमना और 100°C पर पानी का उबलना वाली व्यवस्था प्रचलित हो गई।

तो फिर इसका नाम सेंटीग्रेड क्यों था?

काफी समय तक इस पैमाने को “सेंटीग्रेड” कहा जाता था। शब्द का संबंध लैटिन के “centum” यानी सौ और “gradus” यानी कदम या डिग्री से है। इसका अर्थ मोटे तौर पर सौ बराबर भागों वाला पैमाना था।

बाद में 1948 में अंतरराष्ट्रीय स्तर पर “degree Celsius” नाम को अपनाया गया। अंतरराष्ट्रीय मापन व्यवस्था के इतिहास में यह नाम परिवर्तन दर्ज है। इसलिए आज हम “100 सेंटीग्रेड” कहने के बजाय “100 डिग्री सेल्सियस” कहते हैं।

लेकिन क्या 0°C वास्तव में पानी का असली जमाव बिंदु है?

यहां भी विज्ञान हमारी रोजमर्रा की भाषा से थोड़ा अलग है। हम स्कूल में कहते हैं कि पानी 0°C पर जमता है। सामान्य परिस्थितियों में यह उपयोगी और सही कथन है। लेकिन अत्यंत शुद्ध पानी कुछ परिस्थितियों में 0°C से नीचे भी तरल रह सकता है। इसे अतिशीतलन कहा जाता है। इसी तरह पानी का जमना और उबलना केवल तापमान पर निर्भर नहीं करता। दबाव भी महत्वपूर्ण है।

यानी तापमान का कोई भी संदर्भ बिंदु तभी वैज्ञानिक रूप से उपयोगी है जब यह बताया जाए कि उसे किस परिस्थिति में मापा गया है। यही वजह है कि आधुनिक विज्ञान ने तापमान की परिभाषा को धीरे-धीरे और अधिक सटीक बनाया।

आज 100°C की परिभाषा क्या है?

आज तापमान की मूल अंतरराष्ट्रीय इकाई “केल्विन” है, न कि डिग्री सेल्सियस। आधुनिक अंतरराष्ट्रीय इकाई व्यवस्था में केल्विन को बोल्ट्जमैन नियतांक के निश्चित मान के जरिए परिभाषित किया गया है। यानी तापमान की वैज्ञानिक परिभाषा अब केवल पानी के जमने और उबलने पर निर्भर नहीं है।

दिलचस्प बात यह है कि कभी पानी के त्रिक बिंदु यानी ऐसी अवस्था जिसमें पानी ठोस, द्रव और गैस तीनों रूपों में संतुलन में रह सकता है, को तापमान मापन की बेहद महत्वपूर्ण आधार अवस्था बनाया गया था। 1954 में अंतरराष्ट्रीय स्तर पर पानी के त्रिक बिंदु को 273.16 केल्विन का निश्चित तापमान दिया गया था।

बाद में 1967 में केल्विन की परिभाषा को इसी आधार पर औपचारिक रूप दिया गया।

लेकिन 2018 में अंतरराष्ट्रीय इकाई व्यवस्था में फिर बड़ा बदलाव हुआ और केल्विन को बोल्ट्जमैन नियतांक के निश्चित संख्यात्मक मान के आधार पर परिभाषित कर दिया गया। इससे तापमान की इकाई को पानी जैसे किसी खास पदार्थ के नमूने पर निर्भर रहने की जरूरत नहीं रही। फिर भी हमारे रोजमर्रा के जीवन में 0°C और 100°C की दुनिया कायम है।

इसका मतलब क्या हुआ?

इस पूरी कहानी का सबसे दिलचस्प हिस्सा यह है कि 100°C प्रकृति द्वारा तय की गई कोई जादुई संख्या नहीं है।

पानी का उबलना एक भौतिक घटना है। उसका तापमान दबाव जैसी परिस्थितियों पर निर्भर करता है। मनुष्य ने उस घटना को मापने के लिए एक संदर्भ चुना और पानी के जमने तथा उबलने के बीच के अंतर को 100 बराबर हिस्सों में बांट दिया।

एंडर्स सेल्सियस ने 1742 में जो पैमाना प्रस्तावित किया था उसमें 0 डिग्री पानी के उबलने और 100 डिग्री उसके जमने का बिंदु था। बाद में पैमाना उलटा हुआ और वही व्यवस्था आधुनिक दुनिया में 0°C से 100°C तक पहुंची।

आज जब हम कहते हैं कि “पानी 100 डिग्री पर उबलता है”, तो वास्तव में हम विज्ञान, इतिहास और मानव सुविधा के करीब तीन सौ साल पुराने समझौते का इस्तेमाल कर रहे होते हैं।

हम गर्मी को देख नहीं सकते। ठंड को हाथ में पकड़ नहीं सकते। लेकिन पानी के जमने और उबलने जैसी प्राकृतिक घटनाओं को आधार बनाकर इंसान ने अदृश्य तापमान को संख्याओं की ऐसी भाषा में बदल दिया जिसे दुनिया का लगभग हर वैज्ञानिक समझ सकता है।

यानी 100°C सिर्फ पानी का तापमान नहीं है।

यह उस दौर की याद है जब इंसान ने पहली बार गर्मी और ठंडक के अनुभव को एक साझा वैज्ञानिक भाषा में बदलना शुरू किया था।