दहन और ज्वाला (Combustion and Flame)

1. दहन की रासायनिक प्रकृति एवं ईंधन-ऑक्सीजन संबंध

1.1 दहन (Combustion) की वैज्ञानिक परिभाषा एवं ऊष्मागतिक स्वरूप

दैनिक जीवन में हम ऊष्मा और प्रकाश उत्पन्न करने वाली अनेक घटनाओं को देखते हैं: भोजन पकाने के लिए रसोई गैस चूल्हे पर नीली लौ का जलना, सर्दियों में तापने हेतु लकड़ी या कोयले का जलना, मोमबत्ती का जलना अथवा दीपावली के अवसर पर फुलझड़ी और पटाखों का प्रज्वलन। यद्यपि ये घटनाएँ दृश्य रूप से भिन्न प्रतीत होती हैं, किंतु इन सभी का मूल वैज्ञानिक आधार एक ही है—ये सभी दहन (Combustion) के उदाहरण हैं।

• दहन की प्रामाणिक वैज्ञानिक परिभाषा: वह रासायनिक प्रक्रम जिसमें कोई पदार्थ ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके ऊष्मा (Heat) तथा प्रकाश (Light, या तो ज्वाला के रूप में अथवा चमक/दीप्ति के रूप में) उत्पन्न करता है, दहन (Combustion) कहलाता है।
• ऊष्मागतिक प्रकृति (ऊष्माक्षेपी ऑक्सीकरण अभिक्रिया): दहन अनिवार्य रूप से एक ऊष्माक्षेपी ऑक्सीकरण अभिक्रिया (Exothermic Oxidation Reaction) है। दहनशील पदार्थ (ईंधन) के अणुओं में संचित रासायनिक स्थितिज ऊर्जा, दहन के पश्चात बनने वाले उत्पादों (जैसे कार्बन डाइऑक्साइड, जलवाष्प) की रासायनिक ऊर्जा से कहीं अधिक होती है। यह अतिरिक्त रासायनिक ऊर्जा दहन के समय तीव्र ऊष्मीय ऊर्जा तथा विद्युत-चुंबकीय विकिरण (दृश्य प्रकाश) के रूप में वातावरण में विमुक्त होती है।
• दहन के प्रमुख रासायनिक उदाहरण:
  1. मैग्नीशियम के फीते का दहन: जब मैग्नीशियम के फीते (Ribbon) को हवा में जलाया जाता है, तो यह वायुमंडल की ऑक्सीजन से तीव्र अभिक्रिया करके चकाचौंध करने वाले श्वेत प्रकाश और अत्यधिक ऊष्मा के साथ जलता है तथा मैग्नीशियम ऑक्साइड ($MgO$) का सफेद चूर्ण बनाता है:

$$2\text{Mg}\text{ (ठोस)} + \text{O}_2\text{ (गैस)} \rightarrow 2\text{MgO}\text{ (ठोस)} + \text{ऊष्मा} + \text{तीव्र प्रकाश}$$

2. कोयले (कार्बन) का दहन: जब लकड़ी के कोयले (Charcoal) को वायु में सुलगाया जाता है, तो कार्बन ऑक्सीजन से क्रिया कर कार्बन डाइऑक्साइड बनाता है तथा भारी मात्रा में ऊष्मा उत्पन्न करता है:

$$\text{C}\text{ (ठोस)} + \text{O}_2\text{ (गैस)} \rightarrow \text{CO}_2\text{ (गैस)} + \text{ऊष्मीय ऊर्जा}$$

3. क्या भोजन का पाचन/श्वसन भी दहन है? (बिहार बोर्ड विशेष प्रश्न): हाँ, हमारे शरीर में होने वाली कोशिकीय श्वसन (Cellular Respiration) की क्रिया वास्तव में एक अत्यंत मंद और नियंत्रित जैव-रासायनिक दहन प्रक्रम है। हमारी कोशिकाओं में ग्लूकोज ($C_6H_{12}O_6$) रक्त द्वारा लाई गई ऑक्सीजन से क्रिया करके धीमी गति से जलता है, जिससे कार्बन डाइऑक्साइड, जल और जीवन के लिए अनिवार्य ऊर्जा (ATP अणुओं में) मुक्त होती है:

$$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} + \text{ऊर्जा (ATP)}$$

 किंतु यह भौतिक दहन की भाँति अनियंत्रित आग पैदा नहीं करता, बल्कि शरीर के सामान्य ताप (37°C) पर विभिन्न एंजाइमों की सहायता से धीरे-धीरे संपन्न होता है ताकि कोशिकाएँ नष्ट न हों।

1.2 दहनशील एवं अदहनशील पदार्थ (Combustible vs. Non-combustible Substances)

प्रकृति में उपस्थित सभी पदार्थों की ऊष्मा और ऑक्सीजन के प्रति प्रतिक्रिया भिन्न-भिन्न होती है। इस आधार पर पदार्थों को दो मुख्य वर्गों में वर्गीकृत किया जाता है:

1. दहनशील पदार्थ (Combustible Substances / ईंधन):
   • वैज्ञानिक परिभाषा: वे पदार्थ जो वायु या ऑक्सीजन की उपस्थिति में सरलता से जल उठते हैं तथा ऊष्मा और प्रकाश उत्पन्न करते हैं, दहनशील पदार्थ या ईंधन (Fuel) कहलाते हैं।
   • प्रमुख उदाहरण: सूखी लकड़ी, कोयला, चारकोल, मिट्टी का तेल (केरोसिन), पेट्रोल, डीजल, द्रवित पेट्रोलियम गैस (LPG), संपीडित प्राकृतिक गैस (CNG), मोम, कागज, सूखी घास, सूती कपड़ा तथा मैग्नीशियम।
2. अदहनशील पदार्थ (Non-combustible Substances):
   • वैज्ञानिक परिभाषा: वे पदार्थ जो वायु या ऑक्सीजन की उपस्थिति में अत्यधिक गर्म किए जाने पर भी आग नहीं पकड़ते और न ही जलते हैं, अदहनशील पदार्थ कहलाते हैं।
   • प्रमुख उदाहरण: लोहे की कीलें, काँच, पत्थर के टुकड़े, ग्रेनाइट चट्टान, मिट्टी, बालू (रेत - $SiO_2$), तांबे का तार, ईंट, सीमेंट तथा जल।

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दहनशील एवं अदहनशील पदार्थों की तुलनात्मक वैज्ञानिक सारणी
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तुलनात्मक बिंदु         दहनशील पदार्थ                    अदहनशील पदार्थ
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ऑक्सीजन से क्रिया       तीव्र ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया करता है रासायनिक रूप से निष्क्रिय/उदासीन रहता है
आग पकड़ने की क्षमता    प्रज्वलन ताप पर तुरंत जल उठता है   गर्म करने पर भी आग नहीं पकड़ता
ऊष्मा एवं प्रकाश       भारी मात्रा में उत्सर्जित करता है  ऊष्मा को केवल अवशोषित/चालन करता है
रासायनिक संघटन         कार्बनिक यौगिक/हाइड्रोकार्बन/धातु सिलिकेट, अकार्बनिक ऑक्साइड, स्थिर धातुएँ
प्रमुख उदाहरण            लकड़ी, पेट्रोल, LPG, कागज, मोम   काँच, लोहे की कील, पत्थर, रेत, जल
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1.3 दहन में ऑक्सीजन की अनिवार्यता: मोमबत्ती एवं चिमनी का ऐतिहासिक प्रयोग

वायु (विशेषकर इसमें उपस्थित लगभग 21% ऑक्सीजन गैस) दहन का अनिवार्य पोषक है। बिना ऑक्सीजन के दहन की कल्पना नहीं की जा सकती।

बिहार बोर्ड के पाठ्यक्रम में इस नियम को काँच की चिमनी एवं मोमबत्ती के त्रि-चरणीय प्रयोग द्वारा प्रमाणित किया गया है:

मोमबत्ती एवं चिमनी का प्रयोग:
स्थिति (क) [नीचे से वायु का प्रवेश]:
   [खुला शीर्ष]
   |        |  <-- काँच की चिमनी दो लकड़ी के गुटकों पर टिकी है
   | (लौ)   |      नीचे से ताजी वायु निरंतर प्रवेश करती है;
   |   [|]  |      मोमबत्ती बिना धुएँ के शांत जलती रहती है।
   ==[गुटका]==

स्थिति (ख) [निचला वायु मार्ग बंद]:
   [खुला शीर्ष]
   |        |  <-- चिमनी सीधे मेज पर रख दी जाती है
   | (कंपन) |      नीचे से वायु का प्रवेश रुक जाता है;
   |   [|]  |      लौ कंपकंपाती है और काला धुआँ उत्पन्न करती है।
   ===========

स्थिति (ग) [पूर्ण वायु अवरोध]:
   [काँच की प्लेट से ढकी]
   |        |  <-- चिमनी के ऊपर काँच की पट्टिका रख दी जाती है
   |   (X)  |      वायु की आपूर्ति पूर्णतः कट जाती है;
   |   [|]  |      कुछ ही सेकंड में लौ पूर्णतः बुझ जाती है।
   ===========

• प्रायोगिक प्रेक्षण एवं वैज्ञानिक निष्कर्ष:
  1. स्थिति (क) (चिमनी लकड़ी के गुटकों पर टिकी है): वायु चिमनी के नीचे से सरलता से प्रवेश करती है और संवहन धाराओं द्वारा ऊपर उठती है। मोमबत्ती की लौ बिना किसी रुकावट के शांत, स्थिर और धुआँरहित जलती रहती है क्योंकि वाष्पीकृत मोम को निरंतर ताजी ऑक्सीजन मिल रही है।
  2. स्थिति (ख) (गुटके हटाकर चिमनी सीधे मेज पर रखी है): अब चिमनी के नीचे से वायु का प्रवेश बंद हो जाता है। गर्म गैसें ऊपर से निकलती हैं जिससे ऊपर से भी ताजी वायु का प्रवेश बाधित होता है। ऑक्सीजन की कमी के कारण दहन अपूर्ण हो जाता है, लौ कंपकंपाने लगती है और अत्यधिक काला धुआँ (कालिमा) निकलता है।
  3. स्थिति (ग) (चिमनी के ऊपर काँच की प्लेट रख दी जाती है): चिमनी का ऊपरी मुँह भी बंद कर दिया जाता है। चिमनी के भीतर बची हुई थोड़ी सी ऑक्सीजन 2-3 सेकंड में जलकर समाप्त हो जाती है। जैसे ही ऑक्सीजन का स्तर शून्य होता है, मोमबत्ती की लौ तुरंत बुझ जाती है।
  • निष्कर्ष: यह प्रयोग निर्विवाद रूप से सिद्ध करता है कि दहन के लिए वायु (ऑक्सीजन) नितांत आवश्यक है।
• व्यावहारिक जीवन में अनुप्रयोग: कंबल लपेटने का नियम: यदि किसी व्यक्ति के कपड़ों में आग लग जाए, तो सुरक्षा नियमों के अनुसार उसे तुरंत एक मोटे ऊनी कंबल में लपेट दिया जाता है और जमीन पर लुढ़काया जाता है।
  • वैज्ञानिक कारण: मोटा कंबल जलते हुए कपड़ों के चारों ओर एक अवरोध बना देता है, जिससे बाहर की वायु (ऑक्सीजन) की आपूर्ति कट जाती है। ऑक्सीजन के अभाव में आग तुरंत बुझ जाती है और व्यक्ति गंभीर रूप से झुलसने से बच जाता है।

2. दहन का त्रिकोण, प्रज्वलन ताप एवं माचिस का रसायन

2.1 दहन का त्रिकोण (The Fire Triangle)

आग कोई स्वतंत्र तत्व नहीं है, बल्कि यह तीन भौतिक-रासायनिक घटकों के एक साथ उपस्थित होने पर उत्पन्न होने वाली अभिक्रिया है। अग्निशमन और दहन विज्ञान में इसे 'दहन का त्रिकोण' (Fire Triangle) कहा जाता है:

दहन के त्रिकोण की संरचना:
               /\
              /  \
             /    \
            / ऊष्मा \  <-- प्रज्वलन ताप तक गर्म होना अनिवार्य
           /        \
          /==========\
         /  वायु/O2   \  <-- दहन का पोषक (21% ऑक्सीजन)
        /              \
       /================\
      /    दहनशील ईंधन   \  <-- दहनशील पदार्थ (लकड़ी, गैस आदि)
     /--------------------\

• त्रिकोण के तीन अनिवार्य घटक:
  1. ईंधन (Fuel): कोई भी दहनशील पदार्थ जो जल सकता है।
  2. वायु / ऑक्सीजन (Supporter of Combustion): जो रासायनिक ऑक्सीकरण को संपन्न कराती है।
  3. ऊष्मा / प्रज्वलन ताप (Heat / Ignition Temperature): जो ईंधन के अणुओं को सक्रिय करने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा प्रदान करती है।
• अग्निशमन का मूल सिद्धांत: यदि इन तीनों घटकों में से किसी एक भी घटक को समाप्त कर दिया जाए (जैसे ईंधन हटा देना, हवा की आपूर्ति काट देना, या पानी डालकर ताप प्रज्वलन ताप से नीचे ले आना), तो आग तुरंत बुझ जाती है।

2.2 प्रज्वलन ताप (Ignition Temperature)

कोई भी दहनशील पदार्थ सामान्य कक्ष ताप पर अपने-आप जलना शुरू नहीं करता। लकड़ी का कुंदा या कागज का टुकड़ा हवा में वर्षों तक बिना जले रखा रह सकता है, यद्यपि उसके चारों ओर 21% ऑक्सीजन विद्यमान है। इसका कारण यह है कि उसे जलने के लिए आवश्यक प्रारंभिक ऊष्मा नहीं मिली होती।

• वैज्ञानिक परिभाषा: वह न्यूनतम तापमान जिस पर पहुँचने के बाद कोई दहनशील पदार्थ वायु में आग पकड़ लेता है और जलने लगता है, उस पदार्थ का प्रज्वलन ताप (Ignition Temperature) कहलाता है।
• विभिन्न पदार्थों के प्रज्वलन ताप में अंतर:
  • सूखा कागज: लगभग 230°C (माचिस की तीली से छूते ही तुरंत जल उठता है)।
  • मोटी लकड़ी: लगभग 300°C (माचिस की तीली से सीधे नहीं जलती; इसे प्रज्वलन ताप तक पहुँचाने के लिए पहले मिट्टी का तेल या कागज जलाना पड़ता है)।
  • मिट्टी का तेल (केरोसिन): कमरे के ताप पर नहीं जलता, किंतु हल्का सा गर्म करते ही इसका प्रज्वलन ताप आ जाता है और यह जल उठता है।
  • सफेद फास्फोरस: इसका प्रज्वलन ताप मात्र 30°C से 35°C होता है। अतः गर्मियों के दिनों में यह कमरे के तापमान पर ही स्वतः वायु में आग पकड़ लेता है; इसी कारण इसे जल के भीतर डुबोकर रखा जाता है!
• ज्वलनशील पदार्थ (Inflammable Substances):
  • परिभाषा: जिन दहनशील पदार्थों का प्रज्वलन ताप अत्यंत कम होता है और जो हल्की सी चिंगारी या छोटी सी लौ से भी अत्यंत सरलता से आग पकड़ लेते हैं, उन्हें ज्वलनशील पदार्थ कहते हैं।
  • प्रमुख उदाहरण: पेट्रोल, द्रवित पेट्रोलियम गैस (LPG), संपीडित प्राकृतिक गैस (CNG), अल्कोहल (स्पिरिट), ईथर और एसीटोन।
  • सुरक्षा निर्देश: इन पदार्थों को खुली आग या हीटर के पास कभी नहीं रखना चाहिए तथा इनके परिवहन टैंकरों पर 'अत्यंत ज्वलनशील' (Highly Inflammable) की वैधानिक चेतावनी अंकित होती है।

2.3 कागज के कप में जल उबालने का प्रयोग: चालन एवं प्रज्वलन सीमा

बिहार बोर्ड विज्ञान पाठ्यक्रम का यह एक अत्यंत प्रसिद्ध और ज्ञानवर्धक प्रयोग है जो प्रज्वलन ताप की अवधारणा को स्पष्ट करता है:

कागज के कप का प्रायोगिक प्रदर्शन:
[मोमबत्ती की लौ] ---> कप 'क' [खाली कागज का कप] ---> कुछ ही सेकंड में जलकर भस्म!
[मोमबत्ती की लौ] ---> कप 'ख' [आधा जल से भरा कप]  ---> जल उबलने लगा, कप नहीं जला!

• प्रक्रिया:
  1. कागज की दो एकसमान कटोरियाँ (कप 'क' और कप 'ख') बनाएँ।
  2. कप 'क' को खाली रहने दें तथा कप 'ख' में लगभग 50 मिलीलीटर ठंडा पानी भरें।
  3. दोनों कपों को मोमबत्ती की लौ पर एक साथ गर्म करें।
• प्रेक्षण:
  • खाली कप 'क' कुछ ही पलों में आग पकड़ लेता है और जलकर राख हो जाता है।
  • किंतु जल से भरा कप 'ख' नहीं जलता! आश्चर्यजनक रूप से कुछ मिनटों बाद कप के भीतर रखा पानी गर्म होकर खौलने (उबलने) लगता है, जबकि कागज का कप सुरक्षित बना रहता है।
• वैज्ञानिक कारण: कागज एक पतला पदार्थ है। जब मोमबत्ती से कप 'ख' को ऊष्मा दी जाती है, तो वह ऊष्मा चालन (Conduction) विधि द्वारा कागज से तुरंत भीतर भरे जल में स्थानांतरित हो जाती है। चूँकि जल की विशिष्ट ऊष्मा धारिता बहुत अधिक होती है, अतः जल सारी ऊष्मा को सोखता रहता है। जब तक कप में जल उपस्थित रहता है, तब तक कागज का तापमान उसके प्रज्वलन ताप (~230°C) तक पहुँच ही नहीं पाता (क्योंकि जल 100°C पर उबलकर वाष्प बनने लगता है और तापमान 100°C पर स्थिर हो जाता है)। प्रज्वलन ताप न पहुँच पाने के कारण कागज आग नहीं पकड़ सकता!

2.4 माचिस का इतिहास एवं आधुनिक दियासलाई का रसायन (Chemistry of Matchstick)

माचिस मानव इतिहास के महानतम रासायनिक आविष्कारों में से एक है:

• ऐतिहासिक विकास:
  • प्राचीन मिस्र में 3,000 वर्ष पूर्व चीड़ की लकड़ी के छोटे टुकड़ों पर पिघला हुआ गंधक (सल्फर) लगाकर आग जलाने के लिए प्रयुक्त किया जाता था।
  • लगभग 1827 में आधुनिक घर्षण माचिस का विकास हुआ। आरंभिक माचिसों में एंटीमनी ट्राइसल्फाइड, पोटैशियम क्लोरेट और सफेद फास्फोरस का लेप तीली के सिरे पर लगाया जाता था।
  • सफेद फास्फोरस का भयंकर खतरा: सफेद फास्फोरस अत्यंत विषैला होता था। माचिस कारखानों में काम करने वाले मजदूरों के जबड़े की हड्डियाँ गल जाती थीं (जिसे 'Phossy Jaw' रोग कहा जाता था)। अतः सुरक्षा की दृष्टि से अंतरराष्ट्रीय स्तर पर सफेद फास्फोरस के उपयोग को पूर्णतः प्रतिबंधित कर दिया गया।
• आधुनिक सुरक्षित दियासलाई (Safety Match): आजकल घरों में प्रयुक्त होने वाली सुरक्षित माचिस में रसायनों को दो अलग-अलग स्थानों पर सुरक्षित रूप से बाँट दिया गया है:

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आधुनिक सुरक्षित माचिस की रासायनिक संरचना
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स्थान / भाग              रासायनिक पदार्थ                    प्रज्वलन में वैज्ञानिक भूमिका
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माचिस की तीली का सिरा     1. एंटीमनी ट्राइसल्फाइड ($Sb_2S_3$)  दहनशील ईंधन जो निरंतर जलता है
(Match Head)             2. पोटैशियम क्लोरेट ($KClO_3$)       ऑक्सीकारक (ऑक्सीजन प्रदान करने वाला)
                         3. गोंद एवं काँच का महीन चूर्ण        बंधक एवं घर्षण बढ़ाने वाला
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माचिस की डिब्बी की रगड़ने 1. लाल फास्फोरस (Red Phosphorus)   सुरक्षित, अविषाक्त फास्फोरस
वाली खुरदरी सतह          2. काँच का महीन चूर्ण (Glass powder) सूक्ष्म घर्षण उत्पन्न करने हेतु
(Striking Surface)       3. गोंद का लेप                       पदार्थों को सतह पर चिपकाने हेतु
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• माचिस के जलने की चरणबद्ध रासायनिक क्रियाविधि:
  1. जब माचिस की तीली के सिरे को डिब्बी की खुरदरी सतह पर जोर से रगड़ा जाता है, तो घर्षण की ऊष्मा से डिब्बी पर लगा थोड़ा सा लाल फास्फोरस तुरंत सफेद फास्फोरस में परिवर्तित हो जाता है।
  2. यह सफेद फास्फोरस तीली के सिरे पर उपस्थित शक्तिशाली ऑक्सीकारक पोटैशियम क्लोरेट ($KClO_3$) से तुरंत रासायनिक क्रिया करता है।
  3. इस अभिक्रिया से क्षणिक रूप से अत्यधिक तीव्र ऊष्मा और चिंगारी उत्पन्न होती है।
  4. यह ऊष्मा तीली पर लगे मुख्य ईंधन एंटीमनी ट्राइसल्फाइड ($Sb_2S_3$) को उसके प्रज्वलन ताप तक पहुँचाकर जला देती है, और लकड़ी की तीली जल उठती है।

3. अग्निशमन की कार्यप्रणाली: जल की सीमाएं, कार्बन डाइऑक्साइड एवं रासायनिक झाग

3.1 आग पर नियंत्रण एवं अग्निशमन के आधारभूत सिद्धांत

जब किसी भवन, कारखाने या बस्ती में अनियंत्रित आग लग जाती है, तो अग्निशमन दल (Fire Brigade) वैज्ञानिक सिद्धांतों का प्रयोग करके आग पर काबू पाता है।

दहन के त्रिकोण को ध्यान में रखते हुए आग बुझाने के तीन मूलभूत उपाय हैं:

1. ईंधन को हटाना (दहनशील पदार्थ को अलग करना): व्यावहारिक रूप से जब किसी बहुमंजिला इमारत या गोदाम में भीषण आग लगी हो, तो पूरे भवन को हटाना असंभव होता है क्योंकि पूरी इमारत ही जल रही होती है।
2. ऑक्सीजन की आपूर्ति काटना: आग के चारों ओर अज्वलनशील गैस ($CO_2$), रेत, झाग या गीले कंबल का आवरण बनाकर बाहर की ताजी हवा का संपर्क तोड़ देना।
3. ईंधन के तापमान को उसके प्रज्वलन ताप से नीचे लाना: आग पर प्रचुर मात्रा में प्रशीतक (ठंडा करने वाले) पदार्थ जैसे जल का छिड़काव करना जिससे तापमान प्रज्वलन सीमा से नीचे गिर जाए।

3.2 परंपरागत अग्निशामक के रूप में जल (पानी) एवं इसके गंभीर खतरे

जल सबसे सस्ता, सुलभ और व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला अग्निशामक है।

• जल की अग्निशामक कार्यप्रणाली:

  • जल की विशिष्ट ऊष्मा धारिता ($4.184\text{ J/g}\cdot\text{K}$) और वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा ($2260\text{ kJ/kg}$) अत्यधिक उच्च होती है।
  • जब जलते हुए लकड़ी, कागज या कपड़ों पर पानी की तेज धार डाली जाती है, तो पानी भारी मात्रा में ऊष्मा सोख लेता है, जिससे जलते हुए पदार्थ का तापमान तेजी से उसके प्रज्वलन ताप से नीचे गिर जाता है।
  • साथ ही, गर्म होकर पानी भारी मात्रा में भाप (जलवाष्प) में बदलता है। यह भाप जलती हुई वस्तु को चारों ओर से घेर लेती है, जिससे बाहर की वायु (ऑक्सीजन) की आपूर्ति कट जाती है और आग बुझ जाती है।

• जल के उपयोग के दो अत्यंत घातक खतरे एवं सीमाएँ (बिहार बोर्ड परीक्षा विशेष): यद्यपि जल लकड़ी-कागज की आग (Class A) के लिए उत्तम है, किंतु निम्नलिखित दो परिस्थितियों में पानी का उपयोग सर्वथा वर्जित और प्राणघातक होता है:

  1. विद्युत उपकरणों में लगी आग (Electrical Fires):
     • पानी क्यों नहीं डालना चाहिए: नल का सामान्य जल अथवा कुएँ-तालाब का पानी शुद्ध आसुत जल नहीं होता; उसमें अनेक प्रकार के खनिज लवण और आयन घुले रहते हैं, जिसके कारण पानी विद्युत का उत्तम सुचालक होता है।
     • यदि जलती हुई बिजली की तारों, ट्रांसफार्मर, मोटर या टीवी पर पानी फेंका जाए, तो बिजली का करंट पानी की धार के माध्यम से सीधे आग बुझाने वाले व्यक्ति के शरीर में उतर आता है।
     • इससे व्यक्ति को भीषण बिजली का झटका (विद्युत आघात / Electrocution) लगता है, जिससे उसकी मौके पर ही मृत्यु हो सकती है। साथ ही शॉर्ट-सर्किट होकर आग और अधिक विकराल हो जाती है।
  2. पेट्रोल, डीजल एवं तेल में लगी आग (Oil & Petrol Fires):
     • पानी क्यों नहीं डालना चाहिए: पेट्रोल, डीजल, केरोसिन और खाद्य तेल जैसे हाइड्रोकार्बन द्रव अध्रुवीय होते हैं तथा उनका आपेक्षिक घनत्व लगभग 0.75 से 0.85 g/cm³ होता है, अर्थात वे पानी (1.00 g/cm³) से काफी हल्के होते हैं तथा पानी में अघुलनशील (अमिश्रणीय) होते हैं।
     • जब जलते हुए तेल या पेट्रोल पर पानी डाला जाता है, तो भारी पानी तुरंत पेंदे में नीचे बैठ जाता है।
     • जलता हुआ पेट्रोल पानी के ऊपर तैरने लगता है और बिना किसी बाधा के जलता रहता है।
     • सबसे खतरनाक बात यह है कि नीचे बहता हुआ पानी जब चारों ओर फैलता है, तो वह अपने ऊपर तैरते हुए जलते हुए पेट्रोल को भी पूरे कमरे और सड़क पर बहाकर ले जाता है, जिससे आग बुझने के बजाय और तेजी से पूरे इलाके में फैल जाती है!

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तेल की आग पर पानी डालने का घातक वैज्ञानिक परिणाम
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भौतिक सिद्धांत: घनत्व का अंतर + अमिश्रणीयता
   [ जलता हुआ पेट्रोल / तेल ]  <-- घनत्व ~0.8 g/cm3 (हल्का होने से ऊपर तैरता है, जलता रहता है)
   -------------------------
   [ नीचे बैठती पानी की परत ]  <-- घनत्व 1.0 g/cm3 (भारी होने से पेंदे में बैठता है, बहता है)
   =========================
परिणाम: जलता हुआ तेल बहते पानी के ऊपर तैरकर चारों ओर फैल जाता है और भयानक तबाही मचाता है!
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3.3 कार्बन डाइऑक्साइड ($CO_2$) अग्निशामक: आधुनिक अग्निशमन का सर्वोत्तम साधन

विद्युत उपकरणों तथा पेट्रोल/डीजल जैसे ज्वलनशील द्रवों में लगी आग को बुझाने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड ($CO_2$) सबसे उत्कृष्ट, सुरक्षित और प्रभावी अग्निशामक है।

• कार्बन डाइऑक्साइड की वैज्ञानिक कार्यप्रणाली:
  1. ऑक्सीजन अवरोधक चादर बनाना: कार्बन डाइऑक्साइड का अणुभार 44 होता है, जबकि वायु का औसत अणुभार लगभग 29 होता है। अतः $CO_2$ गैस वायु से लगभग डेढ़ गुना भारी होती है। सिलेंडर से छोड़े जाने पर यह आग के चारों ओर कंबल की भाँति भारी परत बना लेती है। भारी होने के कारण यह नीचे बैठकर जलते हुए ईंधन का ऑक्सीजन से संपर्क पूर्णतः काट देती है, जिससे आग तुरंत घुटकर बुझ जाती है।
  2. अत्यधिक शीतलन प्रभाव (Cooling Effect): सिलेंडर के भीतर $CO_2$ को अत्यंत उच्च दाब (लगभग 55-60 वायुमंडलीय दाब) पर द्रव रूप में भरा जाता है। जब इसे छोड़ा जाता है, तो यह वायुमंडल में आते ही तेजी से फैलती है (रुद्धोष्म प्रसार / Adiabatic Expansion)। तेजी से फैलने के कारण इसका तापमान अत्यधिक गिर जाता है और यह अत्यधिक ठंडी शुष्क बर्फ (-78.5°C) के कणों के रूप में निकलती है। यह ईंधन के तापमान को तेजी से उसके प्रज्वलन ताप से नीचे गिरा देती है।
  3. उपकरणों को कोई क्षति नहीं: पानी या रासायनिक चूर्ण की तरह $CO_2$ किसी मशीनरी, कंप्यूटर चिप्स या नाजुक तारों को गीला या गंदा नहीं करती; यह आग बुझाकर बिना कोई अवशेष छोड़े सीधे हवा में उड़ जाती है।

3.4 रासायनिक चूर्ण एवं सोडा-अम्ल अग्निशामक तंत्र

सिलेंडर गैस के अतिरिक्त, रासायनिक अभिक्रियाओं द्वारा भी आग के मुँह पर $CO_2$ उत्पन्न की जाती है:

• शुष्क रासायनिक चूर्ण (Dry Chemical Powder):
  • इन सिलेंडरों में सोडियम बाइकार्बोनेट ($\text{NaHCO}_3$, मीठा सोडा) अथवा पोटैशियम बाइकार्बोनेट ($\text{KHCO}_3$) का महीन सूखा चूर्ण भरा होता है।
  • जब इसे आग की लपटों पर छिड़का जाता है, तो आग की तीव्र ऊष्मा से यह चूर्ण तुरंत तापीय अपघटित होकर प्रचुर मात्रा में कार्बन डाइऑक्साइड गैस छोड़ता है:

$$2\text{NaHCO}_3 + \text{ऊष्मा} \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$$

• सोडा-अम्ल अग्निशामक (Soda-Acid Fire Extinguisher):
  • इसमें सोडियम बाइकार्बोनेट का घोल और तनु सल्फ्यूरिक अम्ल ($H_2SO_4$) की एक छोटी काँच की शीशी होती है।
  • घुंडी पर चोट मारने से शीशी टूट जाती है और अम्ल तथा सोडे में तीव्र अभिक्रिया होती है:

$$2\text{NaHCO}_3 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{H}_2\text{O} + 2\text{CO}_2\uparrow$$

• उत्पन्न $CO_2$ के अत्यधिक दबाव से जल और गैस का तीव्र फव्वारा निकलकर आग को बुझा देता है।

4. दहन के प्रकार: तीव्र दहन, स्वतः दहन एवं विस्फोट

4.1 दहन के प्रकारों का वैज्ञानिक वर्गीकरण

दहन की अभिक्रियाएँ ईंधन की प्रकृति, ताप, ऑक्सीजन की उपलब्धता तथा अभिक्रिया के वेग के आधार पर भिन्न-भिन्न रूप प्रकट करती हैं।

बिहार बोर्ड कक्षा 8 विज्ञान पाठ्यक्रम में दहन को मुख्य रूप से तीन प्रकारों में वर्गीकृत किया गया है:

1. तीव्र दहन (Rapid Combustion)
2. स्वतः दहन (Spontaneous Combustion)
3. विस्फोट (Explosion)

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दहन के तीनों प्रकारों का तुलनात्मक वैज्ञानिक विश्लेषण
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तुलनात्मक बिंदु         तीव्र दहन (Rapid)        स्वतः दहन (Spontaneous)  विस्फोट (Explosion)
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प्रारंभिक कारण          बाह्य लौ/चिंगारी चाहिए    बिना किसी बाह्य ऊष्मा के  ऊष्मा/दबाव/आघात से शुरू
अभिक्रिया की गति        अत्यंत तीव्र (कुछ सेकंड)  मंद संचय से तीव्र लपट    तात्कालिक (माइक्रोसेकंड)
ऊष्मा एवं प्रकाश       प्रचुर ऊष्मा व प्रकाश     प्रचुर ऊष्मा व प्रकाश    अत्यधिक ऊष्मा व तीव्र चमक
ध्वनि का उत्सर्जन       सामान्य सरसराहट की ध्वनि  प्रायः शांत/ध्वनिरहित     कानफोड़ू भीषण धमाका
गैसों का प्रसार        मध्यम दर से प्रसार        सामान्य प्रसार           अचानक विशाल आयतन में प्रसार
प्रमुख उदाहरण            गैस चूल्हा (LPG), तीली    सफेद फास्फोरस, कोयला खान पटाखे, डायनामाइट, बम
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4.2 तीव्र दहन (Rapid Combustion)

• वैज्ञानिक परिभाषा: वह दहन प्रक्रम जिसमें कोई दहनशील पदार्थ किसी बाह्य प्रज्वलन स्रोत (जैसे जलती हुई तीली या लाइटर की चिंगारी) के संपर्क में आते ही अत्यंत तेजी से जल उठता है तथा कम समय में भारी मात्रा में ऊष्मा और प्रकाश उत्पन्न करता है, तीव्र दहन कहलाता है।
• भौतिक-रासायनिक परिस्थितियाँ: तीव्र दहन में ईंधन पहले से ही गैसीय अथवा वाष्पशील अवस्था में होता है, जिससे उसके अणु वायु की ऑक्सीजन से तुरंत और निरंतर टकराकर शृंखला अभिक्रिया प्रारंभ कर देते हैं।
• दैनिक जीवन के प्रमुख उदाहरण:
  • रसोई गैस चूल्हा (LPG Stove): जब गैस चूल्हे की घुंडी (Knob) घुमाकर गैस लाइटर की एक छोटी सी चिंगारी दी जाती है, तो बर्नर से निकलने वाली ब्यूटेन गैस तुरंत आग पकड़कर एक स्थिर नीली लौ के साथ तेजी से जलने लगती है।
  • स्पिरिट लैंप एवं मोमबत्ती: वाष्पीकृत ईंधन लौ के संपर्क में आते ही तीव्रता से जलने लगता है।
  • कागज की पतली पट्टी या सूखी घास का जलना।

4.3 स्वतः दहन (Spontaneous Combustion)

• वैज्ञानिक परिभाषा: ऐसा दहन जिसमें कोई दहनशील पदार्थ बिना किसी प्रत्यक्ष बाह्य ऊष्मा, लौ या चिंगारी के अचानक लपटों के साथ जल उठता है, स्वतः दहन कहलाता है।
• स्वतः दहन की वैज्ञानिक क्रियाविधि (Self-Heating Mechanism): प्रश्न उठता है कि बिना किसी के आग लगाए कोई वस्तु स्वतः कैसे जल सकती है?
  1. कुछ पदार्थों में खुली हवा में रखने पर अत्यंत धीमी गति से आंतरिक ऑक्सीकरण (Slow Oxidation) अथवा सूक्ष्मजैविक अपघटन होता रहता है।
  2. यह मंद ऑक्सीकरण एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रम है, जिससे निरंतर थोड़ी-थोड़ी ऊष्मा उत्पन्न होती रहती है।
  3. यदि वह पदार्थ किसी बड़े ढेर, संकरे गोदाम या बंद स्थान में रखा हो (जैसे कोयले का चूर्ण, तेल से सने कपड़े, सूखी घास का विशाल ढेर), तो उत्पन्न ऊष्मा बाहर वायुमंडल में नहीं निकल पाती।
  4. अंदर फँसी हुई यह ऊष्मा धीरे-धीरे उस ढेर का आंतरिक तापमान बढ़ाती रहती है।
  5. जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, रासायनिक अभिक्रिया की गति और तेज हो जाती है, जिससे और अधिक ऊष्मा बनने लगती है।
  6. अंततः आंतरिक तापमान बढ़ते-बढ़ते उस पदार्थ के प्रज्वलन ताप (Ignition Temperature) तक पहुँच जाता है।
  7. प्रज्वलन ताप पहुँचते ही वह पदार्थ बिना किसी बाहरी माचिस के अचानक भीषण आग की लपटों के साथ धू-धू कर जल उठता है!
• स्वतः दहन के प्रमुख वास्तविक उदाहरण एवं आपदाएँ:
  1. सफेद फास्फोरस का स्वतः दहन: सफेद फास्फोरस का प्रज्वलन ताप अत्यंत कम (लगभग 35°C) होता है। यदि इसे हवा में खुला छोड़ दिया जाए, तो यह कमरे के तापमान पर ही स्वतः आग पकड़ लेता है और पीले-सफेद विषैले धुएँ के साथ जलने लगता है।
  2. कोयले की खानों में भीषण आग (Coal Mine Fires): बिहार और झारखंड के सीमावर्ती कोयला क्षेत्रों (जैसे झरिया, धनबाद) की भूमिगत कोयला खदानों में कोयले का बारीक चूर्ण हवा की ऑक्सीजन से मंद क्रिया करता रहता है। वेंटिलेशन कम होने पर वहाँ स्वतः दहन हो जाता है, जिससे खदानों में ऐसी भूमिगत आग लग जाती है जो दशकों तक भूमि के नीचे सुलगती रहती है।
  3. जंगलों में दावानल (Forest Fires): भीषण ग्रीष्म ऋतु में तेज धूप में सूखे पत्तों और टहनियों के स्वतः दहन अथवा तेज हवा में बाँसों के आपस में रगड़ने से उत्पन्न घर्षण की ऊष्मा से पूरे जंगल में भयानक आग लग जाती है।

4.4 विस्फोट (Explosion)

• वैज्ञानिक परिभाषा: वह अत्यधिक तीव्र और आकस्मिक दहन अभिक्रिया जो माइक्रोसेकंड के भीतर घटित होती है तथा जिसमें अत्यधिक ऊष्मा, तीव्र प्रकाश, एक साथ विशाल मात्रा में गैसों का विमोचन तथा कानफोड़ू भीषण ध्वनि (ध्वनि तरंग / Shockwave) उत्पन्न होती है, विस्फोट कहलाती है।
• विस्फोट की भौतिक क्रियाविधि:
  • विस्फोट में रासायनिक अभिक्रिया की दर इतनी प्रचंड होती है कि उत्पन्न होने वाली गैसों ($CO_2, N_2, CO, H_2O$) को सामान्य रूप से बाहर निकलने का समय नहीं मिलता।
  • एक छोटे से बंद आयतन के भीतर क्षण भर में सैकड़ों लीटर गैस बनने से हजारों वायुमंडलीय दाब उत्पन्न हो जाता है।
  • यह अत्यधिक संपीडित गैस ध्वनि की गति से भी तेज गति (Supersonic Speed) से बाहर फैलती है, जिससे एक विनाशकारी वायुमंडलीय आघात तरंग (Shockwave) उत्पन्न होती है। यह तरंग इमारतों को हिला देती है, खिड़कियों के शीशे तोड़ देती है और गगनभेदी धमाका करती है।
• प्रमुख उदाहरण:
  • दीपावली के पटाखे और आतिशबाजी: पटाखों में बारूद (पोटैशियम नाइट्रेट, गंधक और चारकोल का मिश्रण) कागज के मजबूत आवरण में कसकर भरा होता है। जब पलीते में आग लगाई जाती है या भारी दबाव/आघात पड़ता है, तो बारूद के तात्कालिक दहन से भीषण धमाका होता है।
  • खदानों में चट्टानें तोड़ने हेतु ब्लास्टिंग (Dynamite): खदानों में चट्टानों को तोड़ने के लिए डायनामाइट या अमोनियम नाइट्रेट का नियंत्रित विस्फोट कराया जाता है।

5. मोमबत्ती की ज्वाला की संरचना, वाष्पीकरण नियम एवं ऊष्मीय मान

5.1 ज्वाला (Flame) कैसे बनती है? वाष्पीकरण का सार्वभौमिक नियम

दैनिक जीवन में हम देखते हैं कि जब मोमबत्ती या मिट्टी के तेल की ढिबरी जलाई जाती है, तो एक सुंदर, चमकदार, लंबी लौ (ज्वाला) बनती है। किंतु जब हम सिगड़ी या अंगीठी में लकड़ी का कोयला (Charcoal) जलाते हैं, तो कोयला लाल अंगारे की तरह दहकता है, किंतु उसमें से कोई ज्वाला नहीं निकलती!

• ज्वाला निर्माण का मूलभूत वैज्ञानिक नियम: दहन के समय जो पदार्थ वाष्पीकृत होते हैं, वे ही केवल ज्वाला (लौ) का निर्माण करते हैं।
• वैज्ञानिक कारण एवं विश्लेषण:
  1. मोमबत्ती ज्वाला क्यों बनाती है: मोमबत्ती का मोम (पैराफिन वैक्स) ठोस हाइड्रोकार्बन है। जब बत्ती को जलाया जाता है, तो लौ की गर्मी से मोम पिघलकर द्रव बनता है। यह द्रव मोम सूती बत्ती के बारीक केशिका छिद्रों द्वारा केशिकत्व (Capillary Action) के कारण ऊपर चढ़ता है। बत्ती की नोक पर तीव्र गर्मी से यह द्रव मोम वाष्प (Vapour) में बदल जाता है। जब यह मोम की वाष्प हवा की ऑक्सीजन से मिलकर जलती है, तो एक दृश्यमान ज्वाला उत्पन्न होती है।
  2. मिट्टी का तेल ज्वाला क्यों बनाता है: लालटेन या स्टोव में मिट्टी का तेल बत्ती के माध्यम से ऊपर चढ़ता है, गर्म होकर वाष्पीकृत होता है और वाष्प के जलने से चमकदार लौ बनती है।
  3. कोयला ज्वाला क्यों नहीं बनाता: लकड़ी का कोयला (चारकोल) कार्बन का लगभग शुद्ध ठोस रूप है। इसका क्वथनांक अत्यधिक उच्च होता है और यह गर्म करने पर वाष्पीकृत नहीं होता। चूँकि इसमें से कोई गैस या वाष्प बाहर नहीं निकलती, इसलिए ऑक्सीजन सीधे कोयले की ठोस सतह पर टकराकर क्रिया करती है, जिससे कोयला केवल लाल होकर दहकता है (Incandescence) और बिना किसी लौ के केवल ऊष्मा छोड़ता है।

5.2 मोमबत्ती की ज्वाला के तीन संकेन्द्रीय क्षेत्र (Three Zones of Candle Flame)

मोमबत्ती की शांत जलती हुई ज्वाला कोई एकसमान आग का गोला नहीं है, बल्कि यह तीन स्पष्ट संकेन्द्रीय क्षेत्रों (परतों) में विभाजित होती है, जिनमें रंग, तापमान और रासायनिक स्थितियाँ भिन्न होती हैं:

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मोमबत्ती की ज्वाला के तीन प्रमुख क्षेत्रों का तुलनात्मक विश्लेषण
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क्षेत्र का नाम          दिखने वाला रंग     दहन की स्थिति        तापमान का स्तर
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1. सबसे बाहरी क्षेत्र    हल्का नीला         पूर्ण दहन             ज्वाला का सबसे गर्म भाग
   (अदीप्त/प्रकाशहीन)                     (प्रचुर ऑक्सीजन)     (~1400°C)
----------------------------------------------------------------------------------------
2. मध्य क्षेत्र          चमकदार पीला        अपूर्ण दहन            मध्यम गर्म भाग
   (दीप्त क्षेत्र)                        (सीमित ऑक्सीजन)      (~1000°C से 1200°C)
----------------------------------------------------------------------------------------
3. सबसे आंतरिक क्षेत्र   काला / गहरा अंधकार कोई दहन नहीं          सबसे कम गर्म (ठंडा भाग)
   (अंधकार क्षेत्र)                       (शून्य ऑक्सीजन, वाष्प) (~600°C से 800°C)
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मोमबत्ती की ज्वाला का नामांकित वैज्ञानिक आरेख:
             /\
            /  \
           / /\ \   <-- सबसे बाहरी क्षेत्र [नीला, पूर्ण दहन, सबसे गर्म भाग]
          / /  \ \
         / / /\ \ \  <-- मध्य क्षेत्र [चमकदार पीला, अपूर्ण दहन, अनजले चमकते कार्बन कण]
        / / /  \ \ \
       | | |(::)| | | <-- सबसे आंतरिक क्षेत्र [काला, बिना जली मोम की वाष्प, सबसे ठंडा]
       | | |[||]| | |
       ============
       [मोमबत्ती का मोम]

• तीनों क्षेत्रों का विस्तृत वैज्ञानिक विवरण:
  1. सबसे आंतरिक क्षेत्र (काला / अदीप्त क्षेत्र - Innermost Dark Zone):
     • स्थिति: यह क्षेत्र बत्ती को ठीक चारों ओर से घेरे रहता है।
     • रासायनिक स्थिति: इसमें बत्ती से उठने वाली बिना जली हुई ताजा मोम की वाष्प भरी होती है।
     • यह काला क्यों दिखता है: बाहर के क्षेत्र सारी ऑक्सीजन को पहले ही सोख लेते हैं, अतः यहाँ तक ऑक्सीजन बिल्कुल नहीं पहुँच पाती। ऑक्सीजन के अभाव में यहाँ कोई दहन नहीं होता।
     • तापमान: यह ज्वाला का सबसे कम गर्म (सबसे ठंडा) भाग होता है।
     • प्रायोगिक प्रमाण: यदि एक पतली काँच की नली का एक सिरा इस काले क्षेत्र में डाला जाए, तो नली के दूसरे सिरे से सफेद मोम की वाष्प बाहर निकलती है। उस सिरे पर जलती हुई तीली ले जाने पर वह वाष्प तुरंत जल उठती है, जिससे सिद्ध होता है कि इस क्षेत्र में बिना जली वाष्प उपस्थित है।
  2. मध्य क्षेत्र (दीप्त क्षेत्र - Middle Luminous Zone):
     • स्थिति: यह ज्वाला का सबसे बड़ा, बीच का पीला-नारंगी भाग होता है।
     • रासायनिक स्थिति: यहाँ वायु की ऑक्सीजन सीमित मात्रा में ही पहुँच पाती है, जिससे मोम की वाष्प का अपूर्ण दहन (Incomplete Combustion) होता है।
     • यह चमकदार पीला क्यों दिखता है: अपूर्ण दहन के कारण हाइड्रोकार्बन टूटकर सूक्ष्म तात्विक कार्बन कण (कालिमा) बनाते हैं। ये गर्म होकर अत्यधिक चमकने लगते हैं (Incandescence), जिससे तेज पीला प्रकाश निकलता है।
     • प्रायोगिक प्रमाण: यदि काँच की एक साफ ठंडी स्लाइड को इस पीले क्षेत्र में 10 सेकंड के लिए रखा जाए, तो काँच पर गोल काले रंग का कालिमा (अनजले कार्बन कणों) का छल्ला जम जाता है।
     • तापमान: यह भाग मध्यम गर्म होता है।
  3. सबसे बाहरी क्षेत्र (अदीप्त / नीला क्षेत्र - Outermost Non-luminous Zone):
     • स्थिति: यह ज्वाला के सबसे बाहर स्थित एक अत्यंत पतली, हल्के नीले रंग की बाहरी परत होती है।
     • रासायनिक स्थिति: यह क्षेत्र वायुमंडल की ताजी हवा के सीधे संपर्क में रहता है। प्रचुर ऑक्सीजन मिलने के कारण यहाँ मोम की वाष्प और कार्बन कणों का पूर्ण दहन (Complete Combustion) होता है और वे पूर्णतः $CO_2$ तथा जलवाष्प में बदल जाते हैं।
     • तापमान: यह ज्वाला का सबसे अधिक गर्म भाग (लगभग 1400°C) होता है।
• सुनार की फूँकनी का रहस्य (Goldsmith's Blowpipe): सोने और चाँदी के आभूषण बनाने वाले सुनार धातु की एक मुड़ी हुई नली (फूँकनी) से लौ के सबसे बाहरी नीले क्षेत्र को ही धातु पर क्यों फूँकते हैं?
  • वैज्ञानिक कारण: सोना (गलनांक 1064°C) और चाँदी (गलनांक 961°C) अत्यधिक उच्च ताप पर पिघलते हैं।
  • फूँकनी से हवा फूँकने पर अतिरिक्त ऑक्सीजन मिलती है और सुनार ज्वाला के सबसे बाहरी नीले क्षेत्र को धातु पर केंद्रित करता है। चूँकि यह सबसे बाहरी क्षेत्र पूर्ण दहन के कारण ज्वाला का सर्वोच्च गर्म भाग (1300°C–1400°C) होता है, अतः यह सोने-चाँदी को शीघ्रता से पिघलाकर जोड़ने (टांका लगाने) में सफल होता है।

5.3 ईंधन दक्षता एवं ऊष्मीय मान (Calorific Value of Fuel)

सभी ईंधनों के समान द्रव्यमान को जलाने पर बराबर मात्रा में ऊष्मा प्राप्त नहीं होती।

• ऊष्मीय मान की प्रामाणिक वैज्ञानिक परिभाषा: किसी ईंधन के $1\text{ किलोग्राम}$ ($1\text{ kg}$) के पूर्ण दहन से उत्पन्न होने वाली ऊष्मीय ऊर्जा की कुल मात्रा को उस ईंधन का ऊष्मीय मान (Calorific Value) कहते हैं।
• मात्रक (Unit): ऊष्मीय मान को किलोजूल प्रति किलोग्राम ($\text{kJ/kg}$) में मापा जाता है।
• गणितीय सूत्र:

$$\text{ऊष्मीय मान } (\text{kJ/kg}) = \frac{\text{उत्पन्न कुल ऊष्मा ऊर्जा (kJ)}}{\text{जलाए गए ईंधन का द्रव्यमान (kg)}}$$

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विभिन्न ईंधनों के मानक ऊष्मीय मान (बिहार बोर्ड पाठ्यपुस्तक आंकड़े)
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ईंधन का नाम              भौतिक अवस्था      ऊष्मीय मान (kJ/kg)       सापेक्ष दक्षता
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गोबर के उपले (कंडा)       ठोस जैवभार        6,000 - 8,000 kJ/kg      अत्यंत निम्न
लकड़ी                    ठोस जैवभार        17,000 - 22,000 kJ/kg    निम्न
कोयला                    ठोस जीवाश्म ईंधन   25,000 - 33,000 kJ/kg    मध्यम
बायोगैस                  गैसीय जैवभार      35,000 - 40,000 kJ/kg    मध्यम-उच्च
पेट्रोल                  द्रव जीवाश्म ईंधन  45,000 kJ/kg             उच्च
मिट्टी का तेल (केरोसिन)   द्रव जीवाश्म ईंधन  45,000 kJ/kg             उच्च
डीजल                     द्रव जीवाश्म ईंधन  45,000 kJ/kg             उच्च
मीथेन / CNG              गैसीय ईंधन        50,000 kJ/kg             अति उच्च
LPG (घरेलू रसोई गैस)     गैसीय ईंधन        55,000 kJ/kg             अति उच्च
हाइड्रोजन गैस ($H_2$)     गैसीय ईंधन        150,000 kJ/kg            सर्वोच्च (अद्वितीय)
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• ऊष्मीय मान का विश्लेषण:
  • गोबर के उपले एवं लकड़ी: इनका ऊष्मीय मान बहुत कम (6,000 से 22,000 kJ/kg) होता है क्योंकि इनमें नमी और राख बनाने वाले अकार्बनिक पदार्थ होते हैं। इनके जलने से भारी धुआँ और फेफड़ों को नुकसान पहुँचाने वाले कण निकलते हैं।
  • LPG एवं CNG: ये 50,000 से 55,000 kJ/kg ऊष्मा देने वाले अत्यंत स्वच्छ एवं उच्च-दक्षता वाले ईंधन हैं।
  • हाइड्रोजन गैस ($H_2$): इसका ऊष्मीय मान 150,000 kJ/kg है, जो पेट्रोल से भी तीन गुना से अधिक है! किंतु अत्यधिक विस्फोटक प्रकृति, कम प्रज्वलन ताप और कठिन भंडारण के कारण इसका उपयोग वर्तमान में केवल अंतरिक्ष रॉकेटों में प्रणोदक के रूप में ही सीमित है।

6. आदर्श ईंधन के लक्षण, ईंधन दहन के पर्यावरणीय दुष्प्रभाव एवं हरित ऊर्जा

6.1 एक अच्छे / आदर्श ईंधन के लक्षण (Characteristics of an Ideal Fuel)

ऊर्जा वैज्ञानिकों और पर्यावरणविदों के अनुसार किसी भी ईंधन की गुणवत्ता का मूल्यांकन निम्नलिखित वैज्ञानिक, आर्थिक और पर्यावरणीय मानदंडों के आधार पर किया जाता है:

• आदर्श ईंधन की प्रमुख विशेषताएँ:
  1. उच्च ऊष्मीय मान: इसका ऊष्मीय मान अधिक होना चाहिए, अर्थात प्रति किलोग्राम जलने पर यह प्रचुर मात्रा में ऊष्मा उत्पन्न करे।
  2. उचित / मध्यम प्रज्वलन ताप: इसका प्रज्वलन ताप न तो कमरे के ताप जितना कम होना चाहिए (ताकि भंडारण में स्वतः आग न लगे) और न ही बहुत अधिक होना चाहिए (ताकि इसे जलाने में कठिनाई न हो)।
  3. नियंत्रित एवं मध्यम दहन दर: यह एकसमान, नियंत्रित गति से जलना चाहिए; न तो बारूद की तरह एकदम भभककर फटे और न ही धीमी गति से सुलगता रहे।
  4. सुलभता एवं कम लागत: यह प्रकृति अथवा बाजार में आसानी से प्रचुर मात्रा में उपलब्ध होना चाहिए और सामान्य जनता के लिए सस्ता होना चाहिए।
  5. सुरक्षित भंडारण एवं सरल परिवहन: इसका परिवहन (पाइपों या सिलेंडरों द्वारा) आसान और सुरक्षित होना चाहिए तथा भंडारण में कोई खतरा न हो।
  6. प्रदूषणमुक्त एवं स्वच्छ दहन: जलने के बाद यह कोई हानिकारक विषैली गैसें ($CO, SO_2$), राख या अनजले कार्बन कण पीछे न छोड़े।
• वास्तविक स्थिति (कटु सत्य): व्यावहारिक रूप से कोई भी ईंधन पूर्णतः 100% आदर्श नहीं होता। लकड़ी और कोयला अत्यधिक धुआँ और राख छोड़ते हैं; पेट्रोल-डीजल वायु प्रदूषण करते हैं; हाइड्रोजन अत्यंत विस्फोटक है। घरेलू उपयोग में LPG तथा PNG/CNG आदर्श ईंधन के गुणों के सर्वाधिक निकट हैं।

6.2 ईंधनों के दहन से उत्पन्न होने वाले गंभीर पर्यावरणीय दुष्प्रभाव

जीवाश्म ईंधनों और जैवभार के अनियंत्रित दहन ने हमारी वायु, जल और पृथ्वी के संपूर्ण पर्यावरण को संकट में डाल दिया है:

ईंधन दहन से उत्पन्न पर्यावरणीय विनाश के मार्ग:
ईंधन का दहन
    ├── अपूर्ण दहन          --> अनजले कार्बन कण ($PM_{2.5}$) [दमा, श्वसन रोग, स्मॉग]
    │                     --> कार्बन मोनोऑक्साइड ($CO$) [कार्बोक्सीहीमोग्लोबिन से दम घुटने से मृत्यु]
    ├── पूर्ण ऑक्सीकरण      --> कार्बन डाइऑक्साइड ($CO_2$) [ग्रीनहाउस प्रभाव एवं भूमंडलीय तापन]
    └── गंधक व नाइट्रोजन   --> सल्फर डाइऑक्साइड ($SO_2$) ──┐
                            --> नाइट्रोजन के ऑक्साइड ($NO_x$)──┴─> अम्लीय वर्षा एवं संगमरमर का कैंसर

1. अनजले कार्बन कण एवं श्वसन रोग ($PM_{2.5}$ व $PM_{10}$):
   • लकड़ी, कोयले और डीजल जैसे कार्बनयुक्त ईंधनों के अपूर्ण दहन से हवा में अरबों अति-सूक्ष्म अनजले कार्बन कण तैरने लगते हैं।
   • ये सूक्ष्म विविक्त कण ($PM_{2.5}$) सांस के साथ फेफड़ों की गहराई में जाकर जम जाते हैं, जिससे दमा (Asthma), ब्रोंकाइटिस तथा फेफड़ों का कैंसर होता है।
   • बिहार के ग्रामीण इलाकों में मिट्टी के चूल्हों पर उपले और लकड़ी जलाने वाली महिलाएँ प्रतिदिन दर्जनों सिगरेट के बराबर विषैला धुआँ सांस में खींचती हैं।
2. कार्बन मोनोऑक्साइड ($CO$) की प्राणघातक विषाक्तता (अदृश्य हत्यारा):
   • जब बंद कमरों में ऑक्सीजन की सीमित मात्रा में कोयला या लकड़ी जलाई जाती है, तो अपूर्ण दहन से कार्बन मोनोऑक्साइड ($CO$) बनती है:

$$2\text{C} + \text{O}_2\text{ (सीमित)} \rightarrow 2\text{CO}$$

• यह रंगहीन और गंधहीन गैस रक्त के हीमोग्लोबिन से जुड़कर कार्बोक्सीहीमोग्लोबिन बना देती है, जिससे शरीर में ऑक्सीजन की आपूर्ति पूरी तरह ठप हो जाती है।
• बंद कमरे में जलती अंगीठी रखकर सोने वाले व्यक्ति की नींद में ही बिना किसी दर्द के दम घुटने (Hypoxia) से मृत्यु हो जाती है।

3. कार्बन डाइऑक्साइड ($CO_2$) और भूमंडलीय तापन (Global Warming):
   • किसी भी कार्बनिक ईंधन के पूर्ण दहन से $CO_2$ गैस निकलती है।
   • वायुमंडल में $CO_2$ की अत्यधिक सांद्रता पृथ्वी से लौटने वाली गर्मी को अंतरिक्ष में जाने से रोक लेती है, जिससे पृथ्वी का औसत तापमान बढ़ रहा है। इसे भूमंडलीय तापन (ग्लोबल वार्मिंग) कहते हैं। इसके कारण ध्रुवीय और हिमालयी ग्लेशियर तेजी से पिघल रहे हैं, समुद्र का जलस्तर बढ़ रहा है और बिहार में बाढ़-सूखे की अनिश्चितता बढ़ रही है।
4. सल्फर व नाइट्रोजन के ऑक्साइड तथा अम्लीय वर्षा (Acid Rain):
   • कोयला जलने से $SO_2$ तथा वाहनों के धुएँ से $NO_x$ गैसें निकलती हैं।
   • ये गैसें वर्षा के जल में घुलकर सल्फ्यूरिक अम्ल ($H_2SO_4$) और नाइट्रिक अम्ल ($HNO_3$) बनाती हैं।
   • यह अम्लीय वर्षा कृषि भूमि को बंजर बनाती है, जलीय जीवों को नष्ट करती है तथा संगमरमर की इमारतों को रासायनिक रूप से गलाकर 'संगमरमर का कैंसर' पैदा करती है (जैसे आगरा के ताजमहल का पीला पड़ना)।

6.3 स्वच्छ परिवहन की ओर कदम: बिहार में CNG क्रांति एवं हरित विकल्प

वाहनों के जानलेवा धुएँ से निपटने के लिए बिहार सरकार एवं राष्ट्रीय स्तर पर पटना, गया, मुजफ्फरपुर आदि शहरों में डीजल वाहनों को हटाकर संपीडित प्राकृतिक गैस (CNG) चालित ऑटो और बसों को अनिवार्य किया गया है:

• CNG बिना किसी धुएँ और कालिमा के जलती है।
• इसमें सल्फर न होने से अम्लीय वर्षा का खतरा नहीं होता और विषैली $CO$ नाममात्र निकलती है।
• साथ ही, ई-रिक्शा, इलेक्ट्रिक बसें, सौर ऊर्जा चालित कृषि पंप और ग्रामीण क्षेत्रों में गोबर-गैस (बायोगैस) संयंत्र स्वच्छ ऊर्जा के भावी आधार हैं।