काँच का बर्तन कमज़ोर होने से नहीं चटका। वह चटका क्योंकि उसके भीतर और बाहर का आकार पर मतभेद हो गया

चार नाकामियाँ, जो देखने में अलग-अलग हैं। गरम ओवन से निकला बोरोसिलिकेट का बर्तन नल के नीचे रखते ही आर-पार चटक जाता है। छत की टाइलें मई की दोपहर सुनाई देने वाली आवाज़ के साथ उखड़ जाती हैं। जो सोल्डर जोड़ तीन साल बख़ूबी धारा ढोता रहा, वह खुल जाता है। और दाँत में बख़ूबी बैठी भराई के किनारे दाग़ पड़ने लगते हैं और वह रिसने लगती है।

इनमें से कोई भी आम अर्थ में मज़बूती की समस्या नहीं है। किसी पर ज़रूरत से ज़्यादा भार नहीं पड़ा। हर मामले में दो चीज़ें अलग-अलग मात्रा में अपना आकार बदलना चाहती थीं, और किसी एक को झुकना पड़ा।

फैलना अपने आप में पूरी तरह हानिरहित है। खुला छोड़ा गया स्टील का सरिया बस लंबा हो जाता है। चीज़ें तोड़ता है फैलने को रोकना — और वह रुकावट जितना प्रतिबल पैदा करती है, ज़्यादातर लोगों की सहज-बुद्धि उसे मानने को तैयार नहीं होती।

हर चीज़ फैलती है, और आँकड़े सोच से ज़्यादा अलग हैं

किसी ठोस को गरम कीजिए और उसके परमाणु ज़्यादा आयाम से कंपन करते हैं, औसतन ज़रा और दूर बैठते हैं। प्रति डिग्री यह भिन्नात्मक आकार-बदलाव ही ऊष्मीय प्रसार गुणांक है, जो आम तौर पर प्रति केल्विन दस लाख के हिस्सों में बताया जाता है।

आम मटेरियलों में इसका फैलाव ही सारी मुसीबत की जड़ है:

• फ़्यूज़्ड सिलिका क़रीब 0.5, बोरोसिलिकेट काँच क़रीब 3, आम सोडा-लाइम काँच क़रीब 9
• कंक्रीट क़रीब 10, स्टील क़रीब 12, ताँबा क़रीब 17, ऐलुमिनियम क़रीब 23
• ज़्यादातर पॉलिमर 50 से 200 के बीच — किसी धातु से पाँच से बीस गुना
• इन्वार, एक निकल-लोहे की मिश्रधातु, क़रीब 1.2

इससे दो बातें तुरंत निकलती हैं। प्लास्टिक उन धातुओं के मुक़ाबले ज़बरदस्त हिलते हैं जिनसे वे आम तौर पर कसे होते हैं। और काँच अपनी बनावट के हिसाब से बहुत बड़ी परास में फैला है — इसीलिए रसोई के काँच की क़िस्म का चुनाव विज्ञापन नहीं है।

पूरी कहानी रुकावट की है

यहाँ वह समीकरण है जो सारा काम करता है, शब्दों में। बँधे हुए पुर्ज़े में पैदा होने वाला प्रतिबल मोटे तौर पर उसके कड़ेपन गुणा उसके प्रसार गुणांक गुणा तापमान-परिवर्तन होता है।

इसमें आँकड़े भर दीजिए और नतीजा चौंकाने वाला है। पूरी तरह बँधा स्टील का सदस्य सिर्फ़ 30 °C गरम होने पर क़रीब सत्तर मेगापास्कल के दायरे का प्रतिबल पैदा कर देता है — यानी आम संरचनात्मक स्टील की पराभव सामर्थ्य का अच्छा-ख़ासा हिस्सा, और वह भी एक गरम दोपहर के अलावा किसी चीज़ से नहीं। कोई भार नहीं लगाया गया। कोई उस पर खड़ा नहीं हुआ।

इसीलिए ऊष्मीय असर संरचनात्मक डिज़ाइन में कोई छोटा सुधार नहीं, मुख्य भार-स्थिति है — और इसीलिए मानक जवाब ज़्यादा मज़बूत मटेरियल नहीं, हिलने की जगह देना है: पुलों और इमारतों में एक्सपैंशन जोड़, लंबी पाइप लाइनों में एक्सपैंशन लूप, सरकने वाले बेयरिंग, रेल की पटरियों के बीच गैप, और टाइलिंग तथा क्लैडिंग में मूवमेंट जोड़। इनमें से हर गैप इसलिए है कि हिलने से रोकना उसे जगह देने से महँगा पड़ता।

तापमान का बदलाव अपने आप किसी चीज़ पर प्रतिबल नहीं डालता। तापमान का बदलाव जमा रुकावट डालता है — और वह रुकावट आम तौर पर कोई इंजीनियर ही जोड़ता है; यानी ऊष्मीय विफलताएँ बहुत बार मटेरियल की नहीं, डिज़ाइन की विफलताएँ होती हैं।

ऊष्मीय आघात, और मोटा काँच बुरा क्यों है

मुसीबत में पड़ने के लिए किसी पुर्ज़े को दो अलग मटेरियल की ज़रूरत नहीं। एक ही टुकड़ा काफ़ी है — बशर्ते वह पूरा एक ही तापमान पर न हो।

गरम काँच का बर्तन लीजिए और उसकी सतह अचानक ठंडी कर दीजिए। सतह सिकुड़ना चाहती है; भीतर का हिस्सा, जो अभी गरम है, उसके साथ सिकुड़ने को तैयार नहीं — इसलिए सतह खिंची हुई थाम ली जाती है। काँच भंगुर है और उसके पास उस खिंचाव को उतारने का कोई पराभव-तंत्र नहीं — इसलिए, जैसा भंगुर मज़बूती वाले हमारे लेख ने बताया था, वह खिंचाव सबसे बुरे सतही दोष को ढूँढ़ लेता है और वहीं से दरार दौड़ पड़ती है।

दो नतीजे, और दूसरा लोगों को चौंकाता है।

कम प्रसार वाला काँच कहीं बेहतर झेलता है। बोरोसिलिकेट का प्रसार गुणांक सोडा-लाइम काँच का क़रीब एक-तिहाई है, इसलिए उतना ही तापमान-अंतर क़रीब एक-तिहाई प्रतिबल बनाता है। प्रयोगशाला के काँच और ओवन के बर्तन बोरोसिलिकेट के होने की पूरी वजह यही है — और इसीलिए फ़्यूज़्ड सिलिका, जो इससे भी दस गुना नीचे है, लाल गरम करके पानी में बुझाई जा सकती है।

मोटा काँच पतले से बुरा है। यह ग़लत लगता है, क्योंकि मोटा सुनने में मज़बूत लगता है। पर ऊष्मीय आघात सतह और भीतर के तापमान के अंतर से चलता है, और मोटे टुकड़े को बराबर होने में ज़्यादा समय लगता है — इसलिए उसमें कहीं बड़ा भीतरी ढलान बना रहता है। पतला बोरोसिलिकेट बीकर वह सब झेल जाता है जो भारी गिलास को तोड़ देगा। मज़बूती और ऊष्मीय आघात-प्रतिरोध अलग गुण हैं, और यहाँ वे उलटी दिशाओं में खींचते हैं।

वह संयोग जिस पर पूरी निर्मित दुनिया टिकी है

अब एक तथ्य जिस पर ठहरना चाहिए, क्योंकि वह क़रीब-क़रीब किस्मत है।

स्टील प्रति केल्विन क़रीब 12 दस-लाखवें हिस्से से फैलता है। कंक्रीट क़रीब 10 से। ये आँकड़े इतने पास हैं कि भारतीय गर्मी के दिन में गरम होती प्रबलित कंक्रीट की बीम एक ही पिंड की तरह फैलती है, और स्टील-कंक्रीट सतह पर बहुत मामूली प्रतिबल बनता है।

अगर इनमें दोगुने का फ़र्क़ होता — जैसा स्टील और ऐलुमिनियम में है, या स्टील और पॉलिमर में — तो प्रबलित कंक्रीट जैसी हम जानते हैं वैसी चलती ही नहीं। हर मौसमी चक्र सरियों को मैट्रिक्स से ढीला करता जाता, और वह कंपोज़िट धीरे-धीरे ख़ुद को अलग कर लेता। पूरा निर्मित परिवेश दो ऐसे मटेरियलों के क़रीबी मेल पर टिका है जो बिलकुल अलग वजहों से चुने गए थे।

यह मेल पूरा नहीं है, और जहाँ बचा हुआ फ़र्क़ मायने रखता है वहाँ वह ठीक वैसे ही दिखता है जैसा अनुमान लगाया जाए: सतहों पर, जोड़ों पर, और पतले कवर में — जो उन कई वजहों में एक है कि कवर की मोटाई और जोड़ों की दूरी अंदाज़े पर नहीं छोड़ी जाती, और जो दरारों से नमी घुसने के बाद प्रबलन के संक्षारण की समस्या को और बढ़ा देता है।

भारतीय गर्मियाँ इमारतों पर भारी क्यों पड़ती हैं

ऊष्मीय हलचल तापमान के झूले के अनुपात में चलती है, और भारत बड़े झूले देता है — कई जगहों पर रोज़ का पच्चीस-तीस डिग्री का अंतर, उसके ऊपर मौसमी बदलाव, और उसके ऊपर सीधी धूप में गहरी सतहें जो साठ-सत्तर डिग्री तक पहुँच जाती हैं जबकि नीचे का छाया वाला ढाँचा कहीं ठंडा रहता है।

दिखने वाले नतीजे यहाँ इमारत संभालने वाले किसी को भी जाने-पहचाने लगेंगे। छत और अग्रभाग की टाइलें उखड़ना — अक्सर आवाज़ के साथ — क्योंकि टाइल, चिपकाने वाला पदार्थ और नीचे का आधार सब अलग-अलग हिलते हैं और मूवमेंट जोड़ रखे ही नहीं गए। प्लास्टर में दरारें ठीक वहाँ उभरना जहाँ दो मटेरियल मिलते हैं — और विभेदी हलचल की दरार बननी भी ठीक वहीं चाहिए। धातु की छत का चरमराना शाम को ठंडी होते वक़्त, जब वह अपने फ़िक्सिंग पर सरकती है। और लंबी पाइप लाइनें जो किसी कड़े एंकर पर झुक जाती या फट जाती हैं।

इनमें से क़रीब-क़रीब कोई भी ज़्यादा मज़बूत टाइल या बेहतर चिपकाने वाले पदार्थ से ठीक नहीं होता। ये मूवमेंट जोड़ से, सरकने देने वाली फ़िक्सिंग से, और बहुत अलग प्रसार वाले दो मटेरियलों को लंबे अटूट हिस्से में कसकर न जोड़ने से ठीक होते हैं।

उपकरण बार-बार चालू-बंद करना उसे चलता छोड़ देने से बुरा क्यों है

इस समस्या का इलेक्ट्रॉनिक्स वाला रूप जुड़े हुए हार्डवेयर की सबसे बड़ी घिसावट-विफलता है, और उससे सचमुच उलटी लगने वाली सलाह निकलती है।

कोई सरफ़ेस-माउंट पुर्ज़ा सर्किट बोर्ड पर बैठा है, और उसे सोल्डर जोड़ता है। पुर्ज़े का शरीर — सिरैमिक या सिलिकॉन आधारित — शायद प्रति केल्विन 3 से 7 दस-लाखवें हिस्से से फैलता है। बोर्ड काँच-रेशे और इपॉक्सी का कंपोज़िट है, जो तल-दिशा में शायद 14 से 18 से फैलता है। बीच का सोल्डर जोड़ ही वह इकलौती चीज़ है जो यह फ़र्क़ सोख सकती है।

हर बार जब उपकरण चालू होकर गरम होता है और बंद होकर ठंडा, उस जोड़ पर खिंचाव पड़ता है। खिंचाव छोटा है, पर वह दोहराता है — और सोल्डर रेंगता तथा थकता है। पर्याप्त चक्रों के बाद दरार शुरू होकर बढ़ती है, और आख़िर में जोड़ खुल जाता है, आम तौर पर पहले रुक-रुक कर। यही ऊष्मीय चक्रण श्रांति है — और इसीलिए विश्वसनीयता इंजीनियर बहुत सारे उपकरणों के लिए चलने के घंटे नहीं, बिजली के चक्र गिनते हैं; इसीलिए बड़े पैकेजों के नीचे अंडरफ़िल गोंद लगाई जाती है ताकि खिंचाव बँट जाए; और इसीलिए बड़े सिरैमिक पुर्ज़े सबसे कमज़ोर कड़ी होते हैं।

व्यावहारिक उलटाव असली है: जो उपकरण लगातार चलता है वह अक्सर उसी जैसे उपकरण से ज़्यादा चलता है जिसे बार-बार चालू-बंद किया जाता है, क्योंकि लगातार चलने वाले पर कहीं कम ऊष्मीय चक्र जमा होते हैं। यही तर्क बल्बों के बारे में पुरानी बात और औद्योगिक मशीनों के पीछे भी है, और इलेक्ट्रॉनिक्स पर पूरी ताक़त से लागू होता है।

जब दो मटेरियल को हमेशा के लिए जोड़ना ही हो

कभी-कभी हिलने की जगह दी ही नहीं जा सकती, और तब एक ही रास्ता बचता है — प्रसार को मिला देना।

काँच-धातु सील इसका शास्त्रीय उदाहरण है। कोई वायुरुद्ध विद्युत फ़ीडथ्रू — किसी वैक्यूम ट्यूब, सेंसर, दाब ट्रांसड्यूसर या बैटरी टर्मिनल में — को काँच और धातु का ऐसा जोड़ चाहिए जिसमें कोई रिसाव-रास्ता न हो, हमेशा के लिए, बार-बार के तापमान चक्रों के बाद भी। इसमें कोई भी धातु नहीं चलेगी, क्योंकि सील करने के तापमान से ठंडा होते वक़्त दोनों अलग हो जाएँगे या काँच चटक जाएगा।

इसलिए ख़ास इसी समस्या के लिए एक मिश्रधातु गढ़ी गई। कोवार, यानी लोहा-निकल-कोबाल्ट की मिश्रधातु, असल में इसीलिए मौजूद है कि उसका प्रसार-वक्र चौड़ी परास में बोरोसिलिकेट काँच के साथ-साथ चलता है। यह ऐसा मटेरियल है जिसके होने की पूरी वजह एक ऊष्मीय प्रसार गुणांक है — और किसी धातु के लिए यह असामान्य तथा सिखाने वाली बात है।

इन्वार दूसरा मशहूर मामला है, जिसका प्रसार गुणांक असामान्य रूप से कम है — एक चुंबकीय असर की वजह से, जो संयोग से सामान्य ऊष्मीय प्रसार का ज़्यादातर हिस्सा काट देता है। वह वहाँ लगता है जहाँ नाप बदलना ही नहीं चाहिए: सटीक उपकरण, सर्वेक्षण की टेप, और द्रवित-गैस वाले जहाज़ों की झिल्लियाँ, जहाँ माल −160 °C पर है और आम स्टील अस्वीकार्य रूप से सिकुड़ जाता।

और जिस पुर्ज़े की चर्चा यह साइट पहले कर चुकी है — कैटेलिटिक कन्वर्टर का सब्सट्रेट — आम तौर पर कॉर्डिएराइट होता है, जो बड़े हिस्से में इसीलिए चुना जाता है कि उसका ऊष्मीय प्रसार बहुत कम है; और यही उस पतली दीवार वाली हनीकॉम को ठंडी शुरुआत के एक मिनट के भीतर परिवेश से कई सौ डिग्री तक गरम होना, हज़ारों बार, झेलने देता है।

वह मटेरियल जो गरम करने पर सिकुड़ता है

यहाँ नैनोमटेरियल का योगदान इस कैटलॉग के कुछ दूसरे विषयों से कम है, और उसमें एक सचमुच अजीब चीज़ शामिल है।

कुछ मटेरियल में ऋणात्मक ऊष्मीय प्रसार होता है — वे गरम करने पर सिकुड़ते हैं। सबसे जाना-पहचाना है ज़र्कोनियम टंगस्टेट, एक मेटल ऑक्साइड, जिसका ढाँचा गरम होने पर अपने जुड़े बहुफलकों को इस तरह घुमा देता है कि पूरी संरचना भीतर की ओर खिंच आती है। यह किसी आख़िरी दशमलव की बारीकी नहीं; असर ख़ासा है और चौड़ी तापमान-परास में चलता है।

इससे वह प्रसार साधने के लिए भराव के रूप में काम का हो जाता है: किसी मैट्रिक्स में ऋणात्मक या बहुत कम प्रसार वाला पाउडर मिलाइए और कंपोज़िट का कुल गुणांक शून्य की ओर, या जिस चीज़ से उसे जुड़ना है उसके मेल की ओर, साधा जा सकता है। यह इलेक्ट्रॉनिक्स पैकेजिंग और सटीक प्रकाशिकी में असली रणनीति है, जहाँ किसी आधार से मेल बैठना किसी भी निरपेक्ष मान से ज़्यादा मायने रखता है।

ईमानदार सीमाएँ कहने लायक़ हैं। कंपोज़िट के प्रसार के मिश्रण-नियम अनुमान हैं, नियम नहीं — क्योंकि दोनों प्रावस्थाएँ भीतर से एक-दूसरे को बाँधती हैं। प्रसार गुणांक ख़ुद तापमान के साथ बदलते हैं, इसलिए 25 °C पर सावधानी से मिलाया गया कंपोज़िट 150 °C पर बेमेल हो सकता है — और इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए ठीक वही परास मायने रखती है। और इस कैटलॉग में हर जगह की तरह, भराव अपना गुण तभी देता है जब वह सचमुच फैला हो, गुच्छों में न हो।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

आगे तक चलने वाला विचार यह है कि प्रतिबल के लिए भार ज़रूरी नहीं है। रुकावट जमा तापमान-बदलाव काफ़ी है, और वह जो प्रतिबल पैदा करता है वह डिज़ाइन भार-स्थिति की किसी भी चीज़ से आगे निकल सकता है। जो छात्र सहज रूप से अपनी जाँच-सूची में "और जब यह गरम होगा, बँधा हुआ, तब क्या?" जोड़ लेता है, वह विफलताओं की एक पूरी श्रेणी पकड़ लेता है जो किसी स्थैतिक विश्लेषण में नहीं दिखती।

दूसरा विचार है मिलता हुआ प्रसार एक चयन-कसौटी के रूप में। नए लोग मटेरियल मज़बूती, कड़ेपन, संक्षारण-प्रतिरोध और क़ीमत पर चुनते हैं। अनुभवी डिज़ाइनर, जब दो मटेरियल हमेशा के लिए जोड़ने हों, प्रसार गुणांक पहले देखते हैं — क्योंकि बेमेल बाद में ठीक नहीं होता; उसे या तो जगह देनी पड़ती है या उसके इर्द-गिर्द डिज़ाइन करना पड़ता है। कोवार इसका सबूत है कि उद्योग एक आँकड़े के लिए कहाँ तक जा सकता है।

खुले सवाल व्यावहारिक हैं। सोल्डर जोड़ की ऊष्मीय श्रांति की उम्र का अनुमान आज भी अर्ध-प्रयोगसिद्ध है, और एक पैकेज ज्यामिति पर अंशांकित मॉडल दूसरी पर ठीक नहीं बैठते। किसी एक बिंदु के बजाय चौड़ी तापमान-परास में प्रसार मिलाना सचमुच कठिन है और कई सटीक उपयोगों की बाध्यकारी अड़चन है। ऋणात्मक प्रसार वाले मटेरियल ज़्यादातर भंगुर ऑक्साइड हैं जिनकी अपनी प्रसंस्करण समस्याएँ हैं, जो उनके इस्तेमाल की जगह सीमित करती हैं। और ख़ास भारतीय निर्माण के लिए, टाइलिंग तथा क्लैडिंग में मूवमेंट जोड़ का चलन अक्सर उस तापमान-परास से कम है जितनी यहाँ सचमुच है — यानी यह मटेरियल से ज़्यादा कारीगरी और विनिर्देश की समस्या है।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

काँच का बर्तन पानी में रखते ही क्यों चटक गया?

ऊष्मीय आघात। सतह ठंडी होकर सिकुड़ने लगी जबकि भीतर का हिस्सा अभी गरम था और उसके साथ सिकुड़ नहीं रहा था — इससे सतह खिंचाव में आ गई, और भंगुर मटेरियल खिंचाव में अपने सबसे बुरे सतही दोष से टूटते हैं। बोरोसिलिकेट इसे आम काँच से क़रीब तीन गुना बेहतर झेलता है क्योंकि उसका प्रसार गुणांक क़रीब एक-तिहाई है, और पतला काँच मोटे से बेहतर झेलता है क्योंकि उसका तापमान जल्दी बराबर हो जाता है।

छत या अग्रभाग की टाइलें आवाज़ के साथ क्यों उखड़ जाती हैं?

क्योंकि टाइल, चिपकाने वाला पदार्थ और नीचे की कंक्रीट अलग-अलग मात्रा में फैलते हैं, और अगर मूवमेंट जोड़ नहीं रखे गए तो जमा होता प्रतिबल कहीं जा ही नहीं सकता — जब तक जुड़ाव अचानक टूट न जाए। यह ख़राब टाइल नहीं, डिज़ाइन में छूटी बात है; इलाज है ठीक दूरी पर मूवमेंट जोड़, उस काम के लिए रेटेड लचीला चिपकाने वाला पदार्थ, और सीधी धूप में टाइल का बहुत बड़ा अटूट हिस्सा न बनाना।

खाना पकाने के लिए बोरोसिलिकेट का बर्तन ख़रीदना वाजिब है?

जहाँ तापमान अचानक बदलता हो, वहाँ हाँ। उसका कम प्रसार गुणांक किसी दिए तापमान-अंतर पर क़रीब एक-तिहाई प्रतिबल बनाता है, जो रसोई में बड़ा हाशिया है। वह अविनाशी नहीं है — मोटा बोरोसिलिकेट का बर्तन गरम ओवन से निकालकर ठंडी गीली सतह पर रखने पर टूट सकता है — और यांत्रिक चोट के सामने वह आम काँच से ज़्यादा मज़बूत नहीं, जो बिलकुल अलग गुण है।

तीन साल बख़ूबी चलने के बाद सोल्डर जोड़ क्यों टूट गया?

लगभग तय है कि ऊष्मीय चक्रण श्रांति। हर बार चालू-बंद होने पर जोड़ पर हल्का खिंचाव पड़ता है, क्योंकि पुर्ज़ा और बोर्ड अलग-अलग मात्रा में फैलते हैं, और सोल्डर रेंगता तथा नुक़सान जमा करता जाता है। हज़ारों चक्रों के बाद दरार जोड़ के आर-पार बढ़ जाती है। इसीलिए बिजली के चक्र गिनना घंटे गिनने से बेहतर अनुमान देता है, और इसीलिए लगातार चलता उपकरण अक्सर उसी जैसे रोज़ चालू-बंद होने वाले उपकरण से ज़्यादा चलता है।

पुलों और रेल की पटरियों में गैप क्यों होते हैं?

क्योंकि विकल्प ज़बरदस्त प्रतिबल है। बँधा हुआ स्टील का सदस्य तीस डिग्री गरम होने पर सिर्फ़ तापमान से ही अपनी पराभव सामर्थ्य के अच्छे-ख़ासे हिस्से के बराबर प्रतिबल बना देता है, और पुल की लंबाई पर बिना रोकी हलचल सेंटीमीटरों में होती। एक्सपैंशन जोड़, सरकने वाले बेयरिंग और रेल के गैप इसीलिए हैं कि वह हलचल बिना नुक़सान हो जाए — और लगातार वेल्ड की गई रेल, जहाँ गैप हटा दिए जाते हैं, उसे जान-बूझकर पहले से तनाव देकर और ठीक-ठीक बाँधकर बिछाना पड़ता है, क्योंकि उस हलचल को बस अनदेखा नहीं किया जा सकता।