வெப்ப இயக்கவியல்

வெப்ப இயக்கவியல் (Thermodynamics) என்பது வெப்பம், அதன் தன்மை, வெப்ப ஆற்றலுக்குப் பிற ஆற்றல் வடிவங்களுடான தொடர்பு போன்ற விடயங்களை ஆயும் இயல். இயற்பியலின் ஒரு கிளைத் துறையான இது, இயற்பியல் முறைமைகளில், வெப்பநிலை, அழுத்தம், கனவளவு ஆகியவற்றில் ஏற்படும் மாற்றங்களின் விளைவுகளை ஆய்வு செய்கிறது. மேற்படி விளைவுகளைப் பெருநோக்கு (macroscopic) அடிப்படையில் துகள்களின் மொத்த இயக்கங்களையும், புள்ளியியல் முறைகளைப் பயன்படுத்தி இது ஆய்வு செய்கின்றது. அண்ணளவாக, வெப்பம் என்பது மாறுநிலையில் உள்ள ஆற்றல் ஆகும். எனவே வெப்ப இயக்கவியலின் பிழிவானது, ஆற்றலின் இயக்கம் பற்றியும், அவ்வாற்றல் எவ்வாறு இயக்கத்தை ஏற்படுத்துகிறது என்பது பற்றியும் ஆய்வு செய்தல் ஆகும். இத்துறையை தெறுமத்தினவியல் என்றும் தமிழில் குறிப்பிடலாம் எனச் சிலர் பரிந்துரை செய்கின்றனர்.

தொடக்கத்தில் இத்துறையானது நீராவி எஞ்சினின் பயனுறு திறனை (efficiency) மேம்படுத்துவதற்காகவே உருவாக்கி வளர்க்கப்பட்டது.

அமைப்பு

வெப்ப இயக்கவியலில் ஆய்வுக்காக எடுத்துக் கொள்ளப்பட்ட அண்டத்தின் ஒரு குறிப்பிட்ட பகுதியை அமைப்பு (system) என்கிறோம். அமைப்பைச் சுற்றி இருக்கும் ஏனைய அனைத்தும் சுற்றுப்புறமாகும் (surrounding). அமைப்பும் சுற்றுப்புறமும் சேர்ந்த தொகுப்புக்கு அண்டம் (Universe) என்று பெயர். அமைப்பை அதன் தன்மையைப் பொறுத்து மூன்று வகைகளாகப் பிரிக்கலாம்.

திறந்த அமைப்பானது (open system) நிறையையும் ஆற்றலையும் தன்னுள் செல்ல அனுமதிக்கக் கூடியதாகும். உதாரணம்: காற்று அழுத்தி (compressor), சுழலி (turbine)
மூடிய அமைப்பு (closed system) என்பது ஆற்றலை மட்டுமே அனுமதிக்கும். நிறையை அனுமதிக்காது. உதாரணம்: அழுத்த சமையற்கலன் (pressure cooker)
தனித்த அமைப்பு (isolated system) நிறை மற்றும் ஆற்றல் இரண்டையுமே தன்னுள் செல்ல அனுமதிக்காது.

அமைப்பின் வகைகளை எளிய உதாரணங்கள் வாயிலாக விளக்கலாம். நாம் மூடப்படாத பாத்திரத்தில் சமைக்கும் போது நீராவி (steam) கலனை விட்டு வெளியேறும். வெளியேறும் நீராவி வெப்ப ஆற்றலைக் கொண்டிருக்கும். இது திறந்த அமைப்பாகும். நாம் அன்றாட வாழ்க்கையில் காணும் அமைப்புகள் திறந்த அமைப்புகள் ஆகும். அழுத்த சமையற் கலனில் உணவு சமைக்கும் போது கலனை விட்டு நீராவி வெளியேறாது. ஆனால் வெப்பம் கலனுக்குள் செல்கிறது. இது மூடிய அமைப்பைக் குறிக்கிறது. சமைத்த பின் பொருளை வெப்பக் குடுவைக்குள் (Thermo flask) வைக்கும் போது நிறை மற்றும் ஆற்றல் இரண்டுமே வெளியேறுவது இல்லை. இது தனித்தஅமைப்பு ஆகும். ஆனால், தனித்த அமைப்பானது கருத்தளவில் மட்டுமே கூறப்படுகிறது. வெப்பக் குடுவையில் சிறிதளவாயினும் வெப்பப் பெயர்ச்சி நிகழும். புரிதலை எளிதாக்குவதற்கு இந்த எடுத்துக்காட்டுகள் கொடுக்கப்பட்டு உள்ளன.

அமைப்பை அதன் சுற்றுப் புறத்தில் இருந்து பிரிப்பது எல்லை எனப்படும். எல்லை உண்மையானதாகவோ, கற்பனையாகவோ, நிலையானதாகவோ அல்லது நகரக் கூடியதாகவோ இருக்கலாம்.

அமைப்பின் பண்புகள்

அமைப்பின் குணாதிசயங்களை அதன் பண்புகள் (properties) என்கிறோம். அழுத்தம்(pressure), வெப்பநிலை(temperature), கன அளவு(volume), நிறை(mass), பாகுநிலை(viscosity), வெப்பக் கடத்துதிறன்(thermal conductivity), மின்கடத்துதிறன்(electrical conductivity) என்பன சில பண்புகளாகும். அமைப்பின் பண்புகளை இரு வகைகளாகப் பிரிக்கலாம். நிறையைச் சார்ந்திராத பண்புகள் பொருண்மை சாராப் பண்புகள் அல்லது அகப் பண்புகள் (intensive properties) எனவும், நிறை மற்றும் அளவைச் சார்ந்துள்ள பண்புகள் பொருண்மைசார் பண்புகள் அல்லது புறப் பண்புகள் (extensive properties) எனவும் அழைக்கப்படுகின்றன. வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்தம் முதலியவை நிறையைச் சார்ந்து மாறுவது இல்லை. இவை அகப் பண்புகளுக்கு உதாரணங்களாகும். மேலும் இவற்றை பாகங்களாகப் பிரிக்க இயலாது. நிறை மற்றும் கனஅளவு போன்றவை அமைப்பின் அளவைச் சார்ந்து இருப்பவை. இவற்றை பாகங்களாகப் பிரிக்க முடியும். இவை புறப் பண்புகள் ஆகும்.

வெப்ப இயக்கவியலின் பூஜ்ய விதி

ஒன்றுக்கொன்று வெவ்வேறான மூன்று அமைப்புகளில் மூன்றாவது அமைப்பானது முதல் மற்றும் இரண்டாவது அமைப்புகளுடன் தனித்தனியே வெப்பச் சமநிலையில் இருந்தால், முதல் மற்றும் இரணடாவது அமைப்புகளும் தங்களுக்குள் வெப்பச் சமநிலையில் இருக்கும். வெப்பநிலை என்னும் கருத்து வெளிவரக் காரணமாக இருந்தது இந்த வெப்ப இயக்கவியலின் பூஜ்ய விதி ஆகும்.

வெப்ப இயக்கவியல் முதல் விதி

வெப்ப இயக்கவியல் முதல் விதியின்படி ஆற்றலானது ஒரு வகையிலிருந்து மற்றொரு வகையாக மாறக்கூடியது மற்றும் எந்த ஒரு செயல்முறையிலும் ஆற்றலை ஆக்கவோ அல்லது அழிக்கவோ இயலாது. வெப்ப இயக்கவியல் முதல் விதியானது ஒவ்வொரு செயல்முறையின் போதும் நிகழும் வெவ்வேறு ஆற்றல் மாற்றங்களைப் பற்றிக் கூறுகிறது. ஆனால், அத்தகைய ஆற்றல் மாற்றங்கள் பற்றி விளக்குவதில்லை. ஒரு செயல் முறை நிகழும் திசையானது தன்னிச்சையானதா அல்லது தன்னிச்சையற்றதா என்பதைப் பற்றிய கருத்தையும் வெப்ப இயக்கவியல் முதல் விதி கூறவில்லை.

வெப்ப இயக்கவியல் இரண்டாம் விதி

கெல்வின் பிளாங்க் கூற்று

ஒரு முழுமையான சுற்றில் ஒரு பொருளிலிருந்து வெப்பத்தை உறிஞ்சி, அத்தகைய அமைப்பில் எத்தகைய சிறு மாற்றத்தையும் எற்படுத்தமால், முழுவதுமாக வேலையாக மாற்றக் கூடிய இயந்திரத்தை வடிவமைக்க இயலாது.

கிளாசியஸ் கூற்று

ஏத்தகைய வேலையும் செய்யாமல் வெப்பத்தை குளிர்ந்த பொருளிலிருந்து சூடான பொருளுக்கு மாற்றுவது இயலாது .
என்ட்ரோபியை அதிகரிக்கூடிய செயல்முறையானது தன்னிச்சையனதாகும்.இக்கூற்று என்ட்ரோபி கூற்று எனப்படும். என்ட்ரோபி என்பது ஒழுங்கற்ற தன்மையை குறிக்கிறது.ஒர் இயந்திரத்தின் திறன் எப்பொழுதும் 100% அடையாது.
எந்த ஒர் இயந்திரத்தின் திறன் என்பது வெளிப்படுத்திய ஆற்றலுக்கும், உறிஞ்சப்பட்ட ஆற்றலுக்கும் உள்ள விகிதத்தின் மதிப்பாகும். எனவே 100% திறனை ஒரு பொதும் அடைய இயலாது.

என்ட்ரோபி மாற்றம்

வெப்ப இயக்கவியல் இரண்டாம் விதியால் அறிமுகப்படுத்தப்பட்ட என்ரோபி சார்பு என்பது உமிழப்படும் வெப்பத்ததிற்கும் (வ) செயல்முறையின் வெப்ப நிலைக்கும் உள்ள விகிதமாகும்.

'இயற்கை செயல்முறை' என்பது தன்னிச்சை செயல்முறையாகும் இவை தாமாகவே நடைபெறுகின்றன.அண்டத்தின் என்ட்ரோபி மாற்றமானது பூச்சியமாகவோ அல்லது எதிர்க்குறியையோ பெற்றிருக்கும் போது, அமைப்பானது தன்னிச்சையற்ற செயல்முறையில் இயங்கும்.

ஒரு வேதிவினையில், வினைவிளை பொருள்களின் மூலக்கூறுகளின் எண்ணிக்கையானது வினைபடு பொருள்களின் மூலக்கூறுகளின் எண்ணிக்கையை விட அதிகமாக இருக்கும் போது என்ட்ரோபி அதிகரிக்கிறது.

(1) ஒரு திண்மம் நீர்மமாதல் , ஒரு நீர்மம் ஆவியாதல் மற்றும் ஒரு திண்மம் ஆவியாதல் ஆகிய நிலைமை மாற்ற இயற்பியல் செயல்முறைகளின் போது என்ட்ரோபி அதிகரிக்கிறது.

என்ட்ரோபி என்பது ஓர் அமைப்பில் நிகழும் நுண்ணிய ஒழுங்கற்றத் தன்மையையும், தன்னிச்சை செயல்முறையையும் குறிக்கிறது.

டிரவுட்டன் விதி:

(1) ஹைட்ரஜன் மற்றும் ஹீலியம் போன்ற குறைந்த கொதிநிலை கொண்ட நீர்மங்கள்.இவற்றின் கொதிநிலை 0மு-ஐ விட மிகச் சிறிதளவே உயர்ந்திருக்கும். (2) நீர் மற்றும் ஆல்கஹால் போன்ற முனைவுற்ற சேர்மங்கள் ஹைட்ரஜன் பிணைப்பை கொண்டிருப்பதால் அதிகபட்ச ஆவியாதல் மதிப்பையும் பெற்றுள்ளன.

என்ட்ரோபியின் சிறப்பியல்புகள்:

(1) என்ட்ரோபி ஆனது வெப்ப இயக்கவியல் இரண்டாம் விதியிலிருந்து வெப்ப இயக்கவியல் நிலைச்சார்பாக வருவிக்கப்பட்டுள்ளது.

(2)ஒரு குறிப்பிட்ட செயல்முறையில் நிகழும் அமைப்பின் என்ட்ரோபி மாற்றம் என்பது மாறாத வெப்பநிலையில் நிகழும் வெப்ப மாற்றத்திற்கும் அமைப்பின் வெப்பநிலைக்கும் இடையேயான விகிதமாகும்.

(3) ஒரு தன்னிச்சை செயல்முறையின் போது ஒழுங்கற்றத்தன்மை அல்லது என்ரோபி அதிகரிக்கிறது. எனவே என்ரோபியானது ஒருஅமைப்பின் ஒழுங்கற்றத்தன்மை அல்லது மூலக்கூறுகளின் ஒழுங்கற்ற அமைப்பு ஆகியவற்றை அளவிடும் பண்பாகும். ஒரு மீளா செயல்முறையின்போது அண்டத்தின் என்ரோபி அதிகரிக்கிறது. (4) அண்டத்தின் ஆற்றல் மாறாமல் இருந்தாலும் ,அண்டத்தின் என்ரோபி அதிகப்பட்ச அளவை நோக்கி உயர்ந்துக் கொண்டே இருக்கிறது. (5) ஒரு தன்னிச்சை செயல்முறையில் மாறாத வெப்பநிலையில் ,நேர்குரியைப் பெற்றுள்ளது(ள,0)

ஒரு சமநிலை செயல்முறையில் ஆனது பூஜ்ஜியமாகும். ஒரு தன்னிச்சையற்ற செயல்முறையில் எதிர்க்குறியைப் பெற்றுள்ளது.

இவற்றையும் பார்க்கவும்