पाणी तापवल्यावर त्याचे वाफेत रूपांतर होते आणि पाण्याच्या मानाने त्या वाफेत प्रचंड प्रमाणात ऊर्जा असते हे सर्वांनाच ठाऊक असते. पूर्वीपासून एवढे सामान्यज्ञान माणसाला असणार आणि त्या ऊर्जेचा उपयोग करून घेण्याचे अनेक प्रयत्नसुद्धा झाले असतील. त्यातल्या सुमारे दोन हजार वर्षांपूर्वी केलेल्या प्रयत्नांविषयीची थोडी तपशीलवार माहिती आज उपलब्ध आहे.

आता इजिप्तमध्ये असलेल्या, पण त्या काळातल्या रोमन साम्राज्यातल्या अलेक्झान्ड्रिया या गावी हिरो नावाचा हुशार माणूस राहात होता. आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे त्याने एका गोलाकार पात्राला दोन वक्र नळ्या बसवल्या. त्या भांड्यात वाफ तयार केली किंवा नळांवाटे सोडली की, ती वाफ जेट इंजिनाप्रमाणे त्या पात्राला ढकलून वक्र नलिकांमधून बाहेर पडत असे आणि त्यामुळे भोवरा फिरवल्याप्रमाणे ते पात्र गोल फिरायचे. त्याला औलिपाइल (Aeolipile) किंवा हिरोचे इंजिन असे म्हणतात. त्याला आताच्या टर्बाईनचा पूर्वज असे म्हणता येईल. वाफेचा उपयोग करून एक प्रकारचे चक्र फिरवण्याचा हा पहिला प्रयत्न होता, पण त्या चाकाला काही जोडले गेले नसावे. हे इंजिन त्याने फक्त एक खेळणे किंवा मनोरंजन करण्यासाठी बनवले होते की त्याचा कांही व्यावहारिक उपयोग केला जात असेल याबद्दल कांही सांगता येणार नाही.

त्यानंतर पुढील सोळा सतरा शतके इतक्या दीर्घ काळात निरनिराळ्या लोकांनी वाफेचा उपयोग करून घ्यायचे प्रयत्न करून पाहिले पण त्यात क्रांतिकारक असा नवा शोध लागला नसावा. सतराव्या शतकात झालेल्या इतर शास्त्रीय संशोधनामधून बरीच नवी माहिती उपलब्ध झाली. वातावरणामधील हवेला दाब असतो तसेच निर्वात पोकळी असू शकते हे टॉरिसेलीने दाखवून दिले. वायुरूप किंवा द्रवरूप पदार्थावर दिलेला दाब सर्व दिशांना समान पसरतो असा शोध पास्कलने लावला. वायुरूप पदार्थांचे आकारमान आणि दाब हे व्यस्त प्रमाणात असतात असे बॉइलने सांगितले. अशा प्रकारचे प्रयोग करण्यासाठी लागणारी उपकरणे तयार केली जाऊ लागली.  वाफ हा एक वायुरूप पदार्थ असल्यामुळे वाफेवरील संशोधनालाही चालना मिळाली 

डेनिस पॅपिन हा फ्रेंच शास्त्रज्ञ वाफेच्या गुणधर्मांवर संशोधन करीत होता. त्याने कांही काळ इंग्लिश शास्त्रज्ञ रॉबर्ट बॉइल याच्याबरोबर काम करून वायुरूप पदार्थांच्या गुणधर्मांचा अभ्यास केला होता. बंद पात्रामध्ये पाणी तापवून त्याला उकळी आणल्यावर पाण्यापासून वाफ तयार होते, पण तिचे आकारमान पाण्याच्या अनेकपट असते. वाफेला हवाबंद भांड्यात कोंडून ठेवल्यामुळे तिचा दाब वाढत जातो. जसजसा दाब वाढत जातो तसतसे त्या पात्रामधील पाण्याचे आणि वाफेचे तापमानही वाढत जाते. त्या जास्त तापमानावर त्यात ठेवलेले पदार्थ लवकर शिजतात. पण तो दाब प्रमाणाबाहेर गेला तर आत कोंडलेली वाफ त्या पात्राला फोडून बाहेर निघते. असा स्फोट होऊ नये यासाठी वाफेचा दाब ठराविक मर्यादेपर्यंत वाढताच आपोआप उघडणारी एक खास सुरक्षा झडप (सेफ्टी व्हॉल्व्ह) पॅपिनने तयार केली. ही सगळी योजना करून पॅपिनने इसवी सन १६७९ मध्ये जगातला सर्वात पहिला प्रेशर कुकर तयार केला. त्याला त्याने प्रेशर डायजेस्टर असे नांव दिले होते.

सतराव्या शतकात युरोपमध्ये कोळशाच्या आणि इतरही मोठ्या खाणी सुरू झाल्या. त्या खाणींमध्ये पाणी भरत असे आणि कामगारांना काम करता यावे यासाठी ते पाणी उपसून बाहेर काढून टाकणे आवश्यक होते. कामगारांनी बादल्या भरून ते बाहेर काढण्याऐवजी एकाद्या यंत्राच्या सहाय्याने उपसून टाकण्यासाठी प्रयत्न सुरू झाले. अनेक सन १६९८ मध्ये थॉमस सॅव्हरी या इंजिनियरने अशा प्रकारचा पहिला पंप तयार केला. सॅव्हरीने त्याला स्टीम इंजिन असे नांव दिले होते. तो वर दिलेल्या चित्रात दाखवला आहे. 

त्याच्या इंजिनात एका चेंबरला एका बाजूने पाण्याची वाफ तयार करणारा बाष्पक (बॉयलर) जोडला होता आणि खालच्या बाजूला जोडलेल्या एका नळाने तो चेंबर खाणीमधील पाण्याला जोडला होता. आधी तो चेंबर वाफेने भरून बॉयलरच्या बाजूची तोटी बंद करायची. त्या चेंबरला थंड केले तर त्यातील वाफेचे पाण्यात रूपांतर होते. पण पाण्याचे आकारमान वाफेच्या मानाने फारच कमी असल्यामुळे त्यात निर्वात पोकळी (व्हॅक्यूम) तयार होते आणि खाणीमधील हवेच्या दाबामुळे खालचे पाणी त्या चेंबरमध्ये चढते. त्यानंतर खाणीला जोडलेल्या नळाची झडप बंद केली की ते पाणी चेंबरमध्येच राहते. बॉयलरकडची तोटी उघडून त्या पाण्यावर वाफेचा जोर दिला की ते पाणी तिसऱ्या एका नळामधून वर चढून बाहेर पडत असे. अर्थातच हा पंप सतत चालत राहणारा नव्हता. चेंबरमध्ये वाफ सोडणे आणि बंद करणे, तोट्या उघडणे आणि बंद करणे वगैरे कामे आलटून पालटून करावी लागत असत. त्यामधून प्रत्येक वेळी थोडे पाणी उपसले जात असे. चित्रामध्ये अशा प्रकारच्या दोन पंपांची जोडी दाखवली आहे. त्यांचा चतुराईने उपयोग करून दुप्पट पाणी उपसणे शक्य होते. त्यापूर्वी तयार केले गेलेले हातपंप, रहाटगाडगी, मोट वगैरेंसाठी माणसाच्या किंवा जनावरांच्या शक्तीचा उपयोग केला जात असे, पण त्याऐवजी वाफेच्या शक्तीवर पाणी खेचणारे हे पहिले यंत्र होते. वाफेच्या शक्तीचा अशा प्रकारचा उपयोगच यात पहिल्यांदा केला गेला. त्याच काळात युरोपमधील इतर कांही शास्त्रज्ञ आणि इंजिनियर अशा प्रयत्नात होते, पण सॅव्हरीचा प्रयत्न अधिक यशस्वी झाल्यामुळे हे श्रेय त्याला मिळाले. 

सॅव्हरीच्या इंजिनामध्ये बॉयलर आणि चेंबर ही पात्रे, त्यांना जोडणारे नळ आणि झडपा होत्या, त्यात फिरणारे चाक किंवा मागेपुढे सरकणारा दट्ट्या यासारखा मुव्हिंग पार्ट म्हणता येईल असा भाग नव्हता. अशा भागांनी युक्त असे वाफेचे इंजिन कसे तयार झाले हे पुढील भागात पाहू.

-आनंद घारे

[email protected]

अमेरिकन नेता आणि शास्त्रज्ञ बेंजामिन फ्रँकलिन