வெப்ப இயக்கவியல் நிகழ்வுகள் (THERMODYNAMIC PROCESSES):
வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வு (Isothermal process):
இந்நிகழ்வில் வெப்பநிலை ஓர் மாறா மதிப்பினைப் பெற்றிருக்கும். ஆனால் வெப்ப இயக்கவியல் அமைப்பின் அழுத்தமும், பருமனும் மாற்றமடையும்.
நாமறிந்தபடி நல்லியல்பு வாயுச்சமன்பாடு
PV = µRT
இந்நிகழ்வில் T ஓர் மாறிலி. எனவே வெப்பநிலை மாறா நிகழ்விற்கான நிலைச்சமன்பாடு
இந்த சமன்பாடு நமக்கு உணர்த்துவது
வாயு ஒரு சமநிலை நிலையிலிருந்து (P1, V1) மற்றொரு சமநிலை நிலைக்குச் (P2, V2,) செல்லும் போது பின்வரும் தொடர்பு பொருந்தும் என்பதே.
இங்கு PV = மாறிலி. எனவே P, ஆனது Vயுடன் எதிர் விகிதத்தொடர்பைப் பெற்றுள்ளது. அதாவது (P∝1/V ) இதிலிருந்து PV வரைபடம் ஓர் அதிபரவளையம் (hyperbola) என அறியலாம்.
மாறா வெப்பநிலையில் வரையப்படும் அழுத்தம் - பருமன் வரைபடத்தை வெப்பநிலை மாறா வரைபடம் (isotherm) என்றே அழைக்கலாம்.
மீமெது வெப்பநிலை மாறா விரிவு மற்றும் மீமெது வெப்பநிலை மாறா அமுக்கம் இவற்றிற்கான PV வரைபடங்கள் படம் 8.25 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன.
நாம் அறிந்தபடி நல்லியல்பு வாயு ஒன்றின் அக ஆற்றல் அவ்வாயுவின் வெப்பநிலையை மட்டுமே சார்ந்துள்ளது.
எனவே, ஒரு வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வில் அக ஆற்றலும் ஓர் மாறிலியாகும் ஏனெனில் வெப்பநிலை இங்கு மாறாமல் உள்ளது. எனவே, dU அல்லது ∆U = 0. வெப்பநிலை மாறா நிகழ்விற்கான வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதி பின்வருமாறு எழுதப்படுகிறது.
சமன்பாடு (8.30) இல் இருந்து வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வில் வாயுவிற்குக் கொடுக்கப்படும் வெப்பம் புற வேலைக்கு மட்டுமே பயன்படுகிறது என்பதை நமக்கு உணர்த்துகிறது. அமைப்பு ஒன்றினுள் வெப்பம் பாயும்போது அவ்வமைப்பின் வெப்பநிலை எப்போதும் உயரும் என்ற தவறான புரிதல் உள்ளது. வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வில் இது உண்மையல்ல. வெப்பநிலை மாறா அமுக்கம் ஏற்படும் போது உருளையின் உள்ளே பிஸ்டன் தள்ளப்படுகிறது இது அக ஆற்றலை அதிகரிக்கும். ஆனால் இந்த அக ஆற்றல் அதிகரிப்பு வெப்பத்தொடர்பினால் அமைப்பிற்கு வெளியே சென்று விடுகிறது. இது படம் 8.26 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.
எடுத்துக்காட்டுகள்:
1. தண்ணீரை வெப்பப்படுத்தும் போது, அதன் கொதிநிலையில் தண்ணீருக்கு எவ்வளவு வெப்பத்தை அளித்தாலும் தண்ணீர் முழுவதுமாக நீராவியாக மாறும் வரை அதன் வெப்பநிலை உயருவதில்லை. இதேபோன்று உறைநிலையில் உள்ள பனிக்கட்டி உருகி தண்ணீராக மாறும் போதும் பனிக்கட்டிக்கு வெப்பத்தைக் கொடுத்தாலும் அதன் வெப்பநிலை உயருவதில்லை.
2. நமது உடலின் அனைத்து வளர்சிதை மாற்றங்களும் ஒரு மாறா வெப்பநிலையிலேயே (37°C) நடைபெறுகின்றன.
வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வில் செய்யப்பட்ட வேலை :
நல்லியல்பு வாயு ஒன்றினைக் கருதுக. மாறா வெப்பநிலையில், மீமெது நிகழ்வில் (Pi,Vi) என்ற தொடக்க நிலையிலிருந்து (Pf,Vf) என்ற இறுதிநிலைக்கு அதனை விரிவடைய அனுமதிக்கவும் இந்நிகழ்வில் வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலையை நாம் பின்வருமாறு கணக்கிடலாம். சமன்பாடு (8.17) இல் இருந்து வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை,
இந்நிகழ்வு மீமெது நிகழ்வாக உள்ளதால் ஒவ்வொரு நிலையிலும் வாயுவானது சூழலுடன் சமநிலையில் இருக்கும். இங்கு வாயு நல்லியல்பு வாயுவாகவும் ஒவ்வொரு நிலையிலும் சூழலுடன் சமநிலையில் உள்ளதாலும் நல்லியல்பு வாயுச் சமன்பாட்டை இங்கு நாம் பயன்படுத்தி அழுத்தத்தை பருமன் மற்றும் வெப்பநிலையின் சார்பாக எழுதலாம்.
சமன்பாடு (8.32) ஐ சமன்பாடு (8.31) இல் பிரதியிடும் போது
சமன்பாடு (8.33) இல் தொகையீட்டிற்கு வெளியே வைத்திருக்கக்காரணம் வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வு முழுமைக்கும் இது மாறிலியாகும்.
சமன்பாடு (8.33) ஐ தொகைப்படுத்தும்போது
இங்கு ஏற்பட்ட பருமன் விரிவு ஓர் வெப்பநிலை மாறா விரிவாகும்
மேலும் Vf /Vi >1, என்பதால் ln(Vf /Vi) > 0 ஆகும்.
எனவே, வெப்பநிலை மாறா விரிவில் வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை நேர்க்குறி ஆகும்.
சமன்பாடு (8.34)வெப்பநிலை மாறா அமுக்கத்திற்கும் பொருந்தும். ஆனால் வெப்பநிலை மாறா அமுக்கத்தில் Vf/Vi < 1. எனவே ln(Vf/Vi) <0
எனவே, வெப்பநிலை மாறா அமுக்கத்தில் வாயுவின்மீது செய்யப்பட்ட வேலை எதிர்க்குறி ஆகும். PV வரைபடத்தில், வெப்பநிலைமாறா விரிவின் போது வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை வரைபடத்திற்குக் கீழே உள்ள பரப்பிற்குச் சமம் என்பது படம் 8.27(a) இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.
இதேபோன்று வெப்பநிலை மாறா அமுக்கத்தில் PV வரைப்படத்திற்குக் கீழே உள்ள பரப்பு வாயுவின் மீது செய்யப்பட்ட வேலைக்குச் சமமாகும். இது எதிர்குறியில் குறிப்பிடப்படும். இது படம் 8.27 (b)இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.
குறிப்பு
வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வில் செய்யப்பட்ட வேலையைக் கணக்கிடும்போது, நிகழ்வு ஒரு மீமெது நிகழ்வு என நாம் கருதினோம். இது ஒரு மீமெது நிகழ்வாக இல்லையெனில் நிலைச் சமன்பாடு P = µ RT/V யை சமன்பாடு (8.31) இல் பிரதியிட இயலாது. ஏனெனில் நல்லியல்பு வாயு விதி சமநிலையற்ற நிகழ்வுகளுக்குப் பொருந்தாது. ஆனால் சமன்பாடு (8.34) மீமெதுவாக நிகழாத வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வுகளுக்கும் பொருந்தும். ஏனெனில் அழுத்தம் மற்றும் பருமன் போன்ற நிலைமாறிகள் நல்லியல்பு வாயுவின்தொடக்கமற்றும் இறுதிநிலைகளை மட்டுமே சார்ந்திருக்கும், இறுதிநிலையை அடைந்த வழிமுறையை சார்ந்திருக்காது. சமன்பாடு (8.31) ஐ தொகைப்படுத்துவதற்கு மட்டுமே நாம் மீமெது நிகழ்வாக கருதினோம்.
எடுத்துக்காட்டு 8.16
300K வெப்பநிலையிலுள்ள 0.5 மோல் வாயு ஒன்று தொடக்கப்பருமன் 2 L இல் இருந்து இறுதிப்பருமன் 6L க்கு வெப்பநிலைமாறா நிகழ்வில் விரிவடைகிறது எனில், பின்வருவனவற்றைக் காண்க.
a. வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை?
b. வாயுவிற்குக் கொடுக்கப்பட்ட வெப்பத்தின் அளவு?
c. வாயுவின் இறுதி அழுத்தம்?
(வாயுமாறிலி, R = 8.31Jmol-1K-1)
தீர்வு
a. நாம் அறிந்தபடி வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை ஓர் வெப்பநிலை மாறா விரிவாகும்.
இங்கு µ = 0.5
W = 1.369 kJ
இங்கு வேலை நேர்க்குறியில் உள்ளதைக் கவனிக்க வேண்டும். ஏனெனில் வாயுவால் வேலை செய்யப்பட்டுள்ளது.
b. வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதிப்படி, வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வில் அமைப்பிற்குக் கொடுக்கப்படும் வெப்பம் வேலை செய்வதற்குப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
எனவே, Q = W = 1.369 kJ
இங்கு Q வும் நேர்க்குறியாகும். ஏனெனில் வெப்பம் அமைப்பிற்குள் செல்கிறது.
c. வெப்பநிலை மாறா நிகழ்விற்கு
எடுத்துக்காட்டு 8.17:
கீழே காட்டப்பட்டுள்ள PV வரைப்படம் வெவ்வேறு வெப்பநிலைகளில் நடைபெறும் இரண்டு வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வுகளைக் குறிக்கின்றன. இரண்டு வெப்பநிலைகளில் உயர்ந்த வெப்பநிலை எது என்பதைக் கண்டறிக.
தீர்வு :
உயர் வெப்பநிலை வளை கோட்டைக் காண்பதற்கு படத்தில் காட்டியுள்ளவாறு x அச்சுக்கு இணையாக கிடைத்தளக் கோட்டினை வரைய வேண்டும். இது மாறா அழுத்ததிற்கான கோடு ஆகும்.
மாறா, அழுத்தக் கோட்டினை வெட்டும் செங்குத்துக் கோடுகளுக்கான பருமன்கள் V1 மற்றும் V2 ஆகியவை, ஒரே அழுத்தத்தில் உள்ள பருமன்களைக் குறிக்கின்றன.
மாறா அழுத்தத்தில் அதிக பருமனுள்ள வாயுவில் வெப்பநிலையும் அதிகமாக இருக்கும். படத்திலிருந்து V1 > V2 எனவே, T1 > T2 என அறியலாம். பொதுவாக வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வுகளில் வெப்பநிலை குறைவாக உள்ள வளைகோடுகள் ஆதிப்புள்ளிக்கு அருகே அமையும்.