நெடுவினாக்கள் மற்றும் பதில்கள்

வெப்பமும் வெப்ப இயக்கவியலும் (இயற்பியல்)

நெடுவினாக்கள் 

1. வெப்பம் மற்றும் வேலையின் உட்பொருளை தகுந்த எடுத்துக்காட்டுகளுடன் விளக்குக. 

• வெப்பத்தின் உட்கருத்து:

i) குறைந்த வெப்பநிலையிலுள்ள பொருளின் மீது, அதிக வெப்ப நிலையிலுள்ள பொருளை வைத்தால், அதிக வெப்பநிலையுள்ள பொருளிலிருந்து குறைந்த வெப்ப நிலையிலுள்ள பொருளுக்கு தன்னிச்சையாக ஆற்றல் பரிமாற்றம் ஏற்படும். இவ்வாற்றலை 'வெப்ப ஆற்றல்’ அல்லது 'வெப்பம்' எனலாம். வெப்பம் ஒரு அளவாகும்.

iii) எ.கா. - குவளையில் உள்ள தேநீரை வெப்பப்படுத்துவதால் அடுப்பிலிருந்து வெப்பத்தைப் பெறுகிறது. தேநீரை இறக்கி வைத்தவுடன் அது முன்பிருந்ததைவிட அதிக அக ஆற்றலைப் பெற்றிருக்கும். வெப்பம் என்பது உயர் வெப்பநிலையிலுள்ள பொருளிலிருந்து குறைந்த வெப்ப நிலையிலுள்ள பொருளுக்கு ஆற்றல் செல்வதைக் குறிக்கிறது.

● வேலையின் உட்கருத்து: 

i) அமைப்பு ஒன்றின் மீது வேலை செய்யப்படும் போது சில நேரங்களில் அமைப்பின் வெப்பநிலை உயரும் அல்லது சிலநேரங்களில் அதே நிலையில் நீடிக்கும். வேலை ஒரு பரிமாற்ற செயலாகும். எனவே இப்பொருள் அதிக வேலையைப் பெற்றுள்ளது அல்லது குறைந்த வேலையைப் பெற்றுள்ளது எனக் கூற இயலாது. 

ii) அமைப்பு சூழலின் மீது ஒரு வேலையைச் செய்து அச்சூழலுக்கு ஆற்றலை மாற்றம் செய்யும் அல்லது சூழல், அமைப்பின் மீது ஒரு வேலையை செய்து, அந்த அமைப்பிற்கு ஆற்றலை மாற்றம் செய்யும். 

iii) எ.கா. - உங்கள் இரண்டு உள்ளங்கைகளையும் ஒன்றுடன் ஒன்று தேய்க்கும் போது, அவற்றின் வெப்பநிலை உயரும். ஏனெனில் உள்ளங்கைகளின் மீது ஒரு வேலை செய்யப்படுகிறது. செய்யப்பட்ட வேலையினாலேயே வெப்பநிலையானது உயர்ந்துள்ளது. தற்போது உள்ளங்கைகளை கன்னத்தின் மீது வைக்கும்போது, கன்னத்தின் வெப்பநிலை உயரும். உள்ளங்கைகளின் வெப்பநிலையானது கன்னத்தின் வெப்பநிலையை விட அதிகம். இதிலிருந்து உள்ளங்கைகளின் வெப்பநிலை உயர்ந்தது செய்யப்பட்ட வேலையினால் மேலும் கன்னத்தின் வெப்பநிலை உயர்ந்தது உள்ளங்கைகளிலிருந்து கன்னத்திற்கு வெப்பம் பரிமாற்றப்பட்டதால்தான்.

2. நல்லியல்பு வாயு விதியை விவரி. 

• பாயில் விதி (P α 1/V) மற்றும் சார்லஸ் விதியிலிருந்து (VαT) PV = CT என அறியலாம். நேர்க்குறி மாறிலி C கொள் கலனிலுள்ள துகள்களின் எண்ணிக்கைக்கு நேர்விகிதத்தில் இருக்கும். 

• ஒத்த பருமன் V, அழுத்தம் P மற்றும் வெப்பநிலை T கொண்ட ஒரே வகையான வாயுவால் இவ்விரண்டு கொள்கலன்களும் நிரப்பப்பட்டு உள்ளன. 

• இரண்டு கொள்கலன்களிலும் உள்ள வாயு மேலே குறிப்பிட்டுள்ள PV = CT என்ற சமன்பாட்டின்படி செயல்படும். 

• இவ்விரண்டு தனித்தனியான கொள்கலனையும் ஒரே அமைப்பாகக் கருதினால் அவ்வாயுவின் அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலை ஒரே மதிப்பினைப் பெறும் ஆனால் பருமனும் மற்றும் வெப்பநிலை துகள்களின் எண்ணிக்கையும் இரண்டு மடங்காகும். 

• வாயுவின் பருமன் 2V மற்றும் துகள்களின் எண்ணிக்கை 2C. எனவே நல்லியல்பு வாயுச் சமன்பாடு = P(2V)/T = 2C  இதில் நேர்குறி மாறிலி C கண்டிப்பாக வாயுவிலுள்ள துகள்களின் எண்ணிக்கையை சார்ந்திருக்கும். இதன் பரிமாணம்  PV/T = JK-1. இங்கு C-யானது துகள்களின் எண்ணிக்கையின் (N) K மடங்கு ஆகும். (போல்ட்ஸ்மேன் மாறிலி K - 1.381 × 10-23 JK-1)

• எனவே நல்லியல்பு வாயுச்சமன்பாடு PV = NkT ஆகும். வாயு ஒன்று - மோல்கள் கொண்ட துகள்களைப் பெற்றிருந்தால், அவ்வாயுவிலுள்ள மொத்தத் துகள்களின் எண்ணிக்கை N = μNA ஆகும். 

• இதில் NA என்பது அவகாட்ரோ எண் (6.023 × 1023 mol-1) ஆகும். N-ன் மதிப்பை பிரதியிட்டால் PV = μNAkT எனக் கிடைக்கும். இங்கு NAk = R என்பது பொது வாயுமாறிலி. இதன் மதிப்பு 8.314J/mol.k. 

• μ மோல் கொண்ட நல்லியல்பு வாயு ஒன்றின் வாயு சமன்பாடு, PV = μRT ஆகும். இது நல்லியல்பு வாயுவின் நிலைச்சமன்பாடு எனப்படும். 

• இச்சமன்பாடானது சமநிலையிலுள்ள வெப்ப இயக்கவியல் அமைப்பு ஒன்றின் அழுத்தம், பருமன் மற்றும் வெப்பநிலையை ஒன்றுடன் ஒன்று தொடர்புபடுத்துகிறது. 

3. வெப்ப விரிவைப்பற்றி விவாதித்து எழுதவும். 

• வெப்பநிலை மாற்றத்தினால் பொருள்களின் வடிவம், பரப்பு மற்றும் பருமனில் ஏற்படும் மாற்றமே வெப்ப விரிவு எனப்படும். 

• பொருள்களின் திட, திரவ, வாயு என மூன்று நிலைகளும் வெப்பப்படுத்தும் போது விரிவடையும். 

• திடப்பொருளொன்றை வெப்பப்படுத்தும் போது அதன் அணுக்கள் அவற்றின் சமநிலைப் புள்ளியைப் பொருத்து வேகமாக அதிர்வடைகின்றன. (எ.கா.) இரயில் வண்டிகளின் இருப்புப்பாதைகளில் சில இடங்களில் சிறிய இடைவெளி விடப்பட்டிருக்கும். வெப்பநிலை மாற்றங்களின் போது எளிதாக விரிவடையவும், சுருங்கவும் ஏற்ற வகையில் அமைக்கப்பட்டிருக்கும். 

• திரவங்களின் மூலக்கூறிடை விசை, திடப்பொருள்களின் மூலக்கூறிடை விசையை விடக் குறைவாக இருக்கும். எனவே அவை திடப்பொருள்களை விட அதிகமாக விரிவடையும். (எ.கா.) பாதரச வெப்பநிலைமானியானது இப்பண்பின் அடிப்படையில் செயல்படுகிறது. 

• வாயு மூலக்கூறுகளைப் பொருத்தவரை மூலக்கூறிடைவிசை கிட்டத்தட்ட புறக்கணிக்கும் அளவிலேயே இருக்கும். எனவே திடப்பொருள்களைவிட மிக அதிகமாக விரிவடையும். 

(எ.கா.) சூடான காற்று அடைக்கப்பட்ட பலூன்களில் உள்ள காற்று மூலக்கூறுகளை வெப்பப்படுத்தும்போது அவை விரிவடைந்து அதிக இடத்தை அடைத்துக்கொள்ளும்.

• நீளத்தில் ஏற்படும் விரிவு நீள்விரிவு எனவும், பரப்பில் ஏற்படும் விரிவு பரப்பு விரிவு எனவும், பருமனில் ஏற்படும் விரிவு பரும விரிவு எனவும் அழைக்கப்படும்.

• நீள் விரிவு: 

i) திடப்பொருள்களில், ∆T என்ற சிறு வெப்பநிலை மாற்றத்தால் நீளத்தில் ஏற்படும் சிறு மாற்றம் (∆T/Lo) ஆனது ∆T க்கு நேர்தகவில் இருக்கும்

 ii) αL = (∆L/Lo∆T)

iii) αL - நீள் விரிவுக்குணகம், ∆L நீளத்தில் ஏற்படும் மாற்றம், L - தொடக்க நீளம், ∆T - வெப்பநிலையில் ஏற்பட்ட மாற்றம் 

• பரப்புவிரிவு: 

i) ∆T என்ற சிறிய வெப்பநிலைமாற்றத்தால் பொருளின் பரப்பில் ஏற்படும் பரப்புத்திரிபு (∆A/Ao) ஆனது ∆Tக்கு நேர்விகிதத்தில் இருக்கும்.

ii) αA = (∆A/Ao∆T)

iii) αA - பரப்பு விரிவுக்குணகம், ∆A - பரப்பில் ஏற்படும் மாற்றம், Ao - தொடக்க பரப்பு, ΔT - வெப்பநிலையில் ஏற்பட்ட மாற்றம். 

• பருமவிரிவு: 

i) ∆T என்ற சிறிய வெப்பநிலைமாற்றத்தால் பொருளின் பருமனில் ஏற்படும் பருமத்திரிபு (∆V/Vo) ஆனது ∆T க்கு நேர்விகிதத்தில் இருக்கும்.

ii) αV = (∆V/Vo∆T)

iii) αV - பரும விரிவுக்குணகம், ∆V - பருமனில் ஏற்படும் மாற்றம், Vo - தொடக்கப்பருமன், ∆T - வெப்பநிலையில் ஏற்பட்ட மாற்றம்.

• திடப்பொருளின் நீள் விரிவு, பரப்பு மற்றும் பரும விரிவுக் குணகங்களின் அலகு °C அல்லது K-1.

4. தண்ணீரின் முரண்பட்ட விரிவைப்பற்றி விவரி. நீர்வாழ் உயிரினங்களுக்கு அதனால் ஏற்படும் நன்மை என்ன? 

• சாதாரண வெப்பநிலைகளில் திரவங்களை வெப்பப்படுத்தும்போது விரிவடையும் மற்றும் குளிர்விக்கும் போது சுருங்கும். நீரானது இதற்கு முரணான ஒரு பண்பைப் பெற்றுள்ளது. 

• 0°C முதல் 4°C வரை வெப்பப்படுத்தும்போது தண்ணீர் சுருங்குகிறது. 

• தண்ணீரை அறை வெப்பநிலையிலிருந்து குளிர்விக்கும் போது 4°C வெப்பநிலையை அடையும்வரை அதன் பருமன் குறையும். 

• 4°C வெப்பநிலைக்குக் கீழே அதனைக் குளிர்விக்கும்போது அதன் பருமன் அதிகரிக்கும். அதன் அடர்த்தி குறையும். அதாவது 4°C வெப்பநிலையில் நீர் பெரும அடர்த்தியைப் பெறும். நீரின் இத்தன்மையே நீரின் முரண்பட்ட விரிவு என அழைக்கப்படுகிறது.

• குளிர் நாடுகளில், குளிர்காலத்தின் போது ஏரிகளின் மேற்பரப்பு வெப்பநிலை அதன் அடிப்புற வெப்பநிலையை விட குறைந்து காணப்படும். 

• திட நீரின் அடர்த்தி சாதாரண நீரின் அடர்த்தியை விடக் குறைவு. 4°C வெப்பநிலைக்கும் கீழே உறைந்த நீர் (பனிக்கட்டி) சாதாரண நீரின் மேலே மிதந்து ஏரிகளின் மேற்பரப்பிற்கு வரும். இது நீரின் முரண்பட்ட விரிவாகும். 

• ஏரி மற்றும் குளங்களின் மேற்பரப்பு உறைந்து பனிக்கட்டிகளால் மூடப்பட்டிருப்பினும், அடியில் . உள்ள நீர் உறையாமல் இருந்து நீர்வாழ் உயிரினங்களைக் காக்கும். 

5. வெப்ப அளவீட்டியலை விளக்கி அதன் அடிப்படையில் ஒன்றுடன் ஒன்று கலந்துள்ள இரண்டு வெப்ப இயக்க அமைப்புகளின் இறுதி வெப்ப நிலைக்கானச் சமன்பாட்டை வருவி. 

• வெப்ப இயக்கவியல் அமைப்பு ஒன்றினை வெப்பப்படுத்தும்போது, அமைப்பிலிருந்து வெளிப்படும் வெப்பத்தை அல்லது அவ்வமைப்பினால் உட்க வரப்படும் வெப்பத்தை அளக்கும் ஒரு செயலே வெப்ப அளவீட்டியல் ஆகும்.

• உயர் வெப்பநிலையிலுள்ள (T1) மாதிரி பொருள் ஒன்றினை, அறை வெப்பநிலையில் (T2) வெப்பமானியில் உள்ள நீரில் மூழ்க வைக்க வேண்டும். 

• சிறிது நேரத்திற்குப் பின்னர் நீர் மற்றும் வெப்பமானி இரண்டும் Tf என்ற இறுதி வெப்பநிலையை அடையும். 

• வெப்பமானி காப்பிடப்பட்டுள்ளதால், உயர் வெப்பநிலை மாதிரி பொருள் இழந்த வெப்பமும், குறைந்த வெப்பநிலை நீர் ஏற்றுக்கொண்ட வெப்பமும் சமமாகும். 

Q ஏற்பு = - Q இழப்பு. வெப்ப இழப்பு எதிர்க்குறியிலும், வெப்ப ஏற்பு நேர்க்குறியிலும் குறிக்கப்பட்டுள்ளன.

• தன் வெப்ப ஏற்புத்திறன் வரையறையிலிருந்து 

Q ஏற்பு = m2s2 (Tf - T2) 

Q இழப்பு = m1s1 (Tf - T1) 

S2 மற்றும் S1 என்பன நீர் மற்றும் மாதிரிப் பொருளின் தன்வெப்ப ஏற்புத்திறன் ஆகும். 

• எனவே

m2s2(Tf −T2) = m1s1 (Tf – T1)

m2s2Tf − m2s2T2 = - m1s1Tf + m1s1T1

m2s2Tf + m1s1Tf = m2s2T2 + m1s1T1

இறுதி வெப்பநிலை Tf = [ m1s1T1 + m2s2T2 ] / [ m1s1 + m2s2 ] ஆகும்.

6. வெப்பம் பரவும் வெவ்வேறு வழிமுறைகளை விரிவாக விளக்குக. 

• வெப்பம் ஒருவகை பரிமாற்ற ஆற்றலாகும். வெப்பநிலை வேறுபாட்டின் காரணமாக ஒரு பொருளிலிருந்து மற்றொரு பொருளுக்கு மாற்றப்படும். அவை வெப்பக்கடத்தல், வெப்ப சலனம் மற்றும் வெப்பக்கதிர்வீச்சு ஆகும். 

i) வெப்பக்கடத்தல்: 

• வெப்பநிலை வேறுபாட்டின் காரணமாக பொருள்களுக்கிடையே நேரடியாக வெப்பமாற்றம் ஏற்படும் நிகழ்ச்சிக்கு 'வெப்பக்கடத்தல்' என்று பெயர். 

• இரண்டு பொருள்களை ஒன்றுடன் ஒன்று தொட்டுக்கொண்டிருக்குமாறு வைக்கும்போது உயர் வெப்பநிலையிலுள்ள பொருளிலிருந்து குறைந்த வெப்பநிலையிலுள்ள பொருளுக்கு வெப்பம் மாற்றப்படுகிறது.

• வெப்பத்தை எளிதாகத் தன் வழியே கடந்துபோக அனுமதிக்கும் பொருள்களுக்கு 'வெப்பக்கடத்திகள்' என்று பெயர். வெப்பத்தைக் கடத்தும் திறனுக்கு 'வெப்பக்கடத்துத் திறன்' என்று பெயர். 

• வெப்பக்கடத்துத்திறன் பொருளின் தன்மையை சார்ந்தது. (எ.கா.) வெள்ளி மற்றும் அலுமினியம் போன்ற சமையல் பாத்திரங்கள் அதிக வெப்பக்கடத்துத்திறனை பெற்றுள்ளன. 

ii) வெப்பச்சலனம்: 

• திரவங்கள் மற்றும் வாயுக்கள் போன்ற பாய்மங்களில் உள்ள மூலக்கூறுகளின் நகர்வினால் வெப்ப ஆற்றல் மாற்றப்படும் நிகழ்வு வெப்பச் சலனம் ஆகும். 

• மூலக்கூறுகள் எவ்வித கட்டுபாடின்றி ஒரு இடத்திலிருந்து மற்றொரு இடத்திற்கு நகர்கின்றன. இது இயற்கையாகவோ அல்லது புறவிசை காரணமாகவோ ஏற்படலாம். 

• எ.கா. சமையல் பாத்திரத்தில் கொதிக்கும் தண்ணீர் மூலக்கூறுகள் மேலும் கீழும் நகர்வதை வெப்பச்சலன ஓட்டம் என்று அழைக்கிறோம். 

• காற்று மூலக்கூறுகளின் தொடர் சூழற்சியே வெப்பச் சலன ஓட்டம் என அழைக்கப்படுகிறது. 

iii) வெப்பக்கதிர் வீச்சு: 

• ஒரு பொருளிலிருந்து மற்றொரு பொருளுக்கு மின்காந்த அலைகளினால் வெப்பம் பரவும் நிகழ்வு வெப்பக்கதிர்வீச்சு ஆகும்.  

எ.கா. சூரியனிலிருந்து வரும் சூரியக் கதிர்வீச்சு ஆற்றல், அறை சூடேற்றியிலிருந்து வரும் வெப்பக்கதிர்வீச்சு. 

7. நியூட்டன் குளிர்வு விதியை விரிவாக விளக்குக.  

• நியூட்டனின் குளிர்வு விதியின்படி பொருளொன்றின் வெப்ப இழப்பு வீதம், அப்பொருளுக்கும் சூழலுக்கும் உள்ள வெப்பநிலை வேறுபாட்டிற்கு நேர்விகிதத்தில் இருக்கும்.

dQ/dT α – (T-TS)

நேரத்தை பொருத்து வெப்பம் தொடர்ந்து குறைந்து கொண்டே செல்வதை எதிர்குறி காட்டுகிறது. T - பொருளின் வெப்பநிலை TS- சூழலின் வெப்பநிலை. 

• வரைபடத்திலிருந்து தொடக்கத்தில் குளிர்வு வீதம் அதிகமாகவும் பின்னர் வெப்பநிலை குறையக் குறைய குறைவாக உள்ளது.

• m நிறையும், s தன்வெப்ப ஏற்புத்திறனும் உள்ள பொருளொன்றைக் கருது. அதன் வெப்பநிலை T மேலும் சுழலின் வெப்பநிலை TS எனில் dt என்ற சிறிய நேர இடைவெளியில் ஏற்பட்ட வெப்பநிலைக்குறைவு dT எனில் வெப்ப இழப்பின் அளவு, 

dQ = msdT          ----------------- (1)

இருபுறமும் dt ஆல் வகுக்க 

dQ / dt = msdT / dt             ------------- (2)

• நியூட்டனின் குளிர்வு விதியிலிருந்து

dQ/dt ∝ − (T−TS)

dQ/dt ∝ − (T−TS)              ------------- (3)

இங்கு a என்பது நேர்க்குறி மாறிலி 

• சமன்பாடு (2) மற்றும் (3) இல் இருந்து

 − a (T − Ts) = ms (dt/ dt)

dt / (T−TST) = − (a/ ms) dt  

• இருபுறமும் தொகைப்படுத்துக,

ʃ∞0 [dt / (T - Ts)] = −ʃt0 (a/ms) dt

In (T − Ts) = − (a/ms)t + b1

• இருபுறமும் அடுக்குக் குறியீடு எடுத்தால்,

T =  Ts+ b2e–(a / ms) t . (b1 −  மாறிலி)

(b2 = eb1 மாறிலி)

8. வியன் விதியை விளக்கி, நமது கண்களால் ஏன் கண்ணுறு ஒளியை மட்டும் பார்க்க முடிகிறது என்பதற்கான விளக்கத்தைத் தருக. 

• வியனின் விதிப்படி ஒரு கரும்பொருள் கதிர்வீச்சினால் உமிழப்படும் பெருமச்செறிவு கொண்ட. அலை நீளம் (λm) அக்கரும்பொருளின் கெல்வின் வெப்பநிலைக்கு (T) எதிர்விகிதத்தில் இருக்கும். வியன் மாறிலி இதன் மதிப்பு)

              ………….. 1

(b -வியன் மாறிலி. இதன் மதிப்பு 2.898 × 10-3 mk)

• பொருளின் கெல்வின் வெப்பநிலை உயரும்போது பெருமச்செறிவு அலைநீளம் (λm) மின்காந்த நிறமாலையின் குறைந்த அலைநீளத்தை (பெரும அதிர்வெண்) நோக்கி இடப்பெயர்ச்சி அடையும். 

• வரைபடத்திலிருந்து பெருமச்செறிவு அலைநீளம் λm கெல்வின் வெப்பநிலைக்கு எதிர்விகிதத்தில் இருக்கும். இவ்வளைகோடு 'கரும்பொருள் கதிர்வீச்சு வளைகோடு’ ஆகும். 

வியன் விதியும் நமது பார்வையும்:

• சூரியனை கிட்டத்தட்ட ஒரு கரும்பொருளாகக் கருதினால் O k வெப்பநிலைக்கு மேல் உள்ள எந்த ஒரு பொருளும் கதிர்வீச்சை உமிழும். எனவே சூரியனும் கதிர்வீச்சை உமிழும். மேலும் அதன் பரப்பு வெப்பநிலை கிட்டத்தட்ட 5700K. இம்மதிப்பை சமன்பாடு (1) ல் பிரதியிட, 

λm = b / T = 2.858×10-3 / 5700 = 508 nm

இது பெருமச் செறிவிற்கான – அலைநீளம் ஆகும். 

• சூரியனின் பரப்பு வெப்பநிலை தோராயமாக 5700 K என உள்ளதால் அதற்கான கதிர்வீச்சு நிறமாலை நெடுக்கம் 400 nm முதல் 700 nm வரை காணப்படும். இது மின்காந்த நிறமாலையின் கண்ணுரு பகுதியாகும். 

• மனித இனம் இந்தக் கதிர்வீச்சை உட்கவர்ந்து தான் பரிமாண வளர்ச்சி அடைந்தது. எனவே மனிதக்கண்கள் சூரிய நிறமாலையில் உள்ள கண்ணுரு பகுதியை மட்டுமே உணர முடியும். அகச்சிவப்பு பகுதியையோ அல்லது X-கதிர் நிறமாலையையோ உணர முடியாது.  

• நமக்கு அருகிலுள்ள சீரியஸ் (வெப்பநிலை-9940k) என்ற விண்மீன். அருகிலுள்ள கோளில் மனித இனம் தோன்றி இருந்தால் அவர்களின் கண்கள் மின்காந்த நிறமாலையிலுள்ள புற ஊதாக் கதிர்களை உணர முடியும்.

9. கீழ்க்கண்டவற்றை விவாதிக்க. 

a) வெப்பச் சமநிலை 

b) இயந்திரவியல் சமநிலை 

c) வேதிச்சமநிலை 

d) வெப்ப இயக்கச்சமநிலை 

a) வெப்பச்சமநிலை 

• இரு அமைப்புகள் ஒன்றுக்கொன்று வெப்பச்சமநிலையில் உள்ளது எனில் அவ்விரண்டு அமைப்புகளும் ஒரே வெப்பநிலையில் இருக்க வேண்டும். நேரத்தை பொருத்து மாறாமல் இருக்க வேண்டும்.

• (எ.கா) அறை ஒன்றில் சூடான தேநீர் கோப்பையை வைத்தால் தேநீரிலிருந்து வெப்பம் சூழலுக்குக் கடத்தப்படும். சிறிது நேரத்தில் தேநீர் வெப்பநிலையானது சூழலின் வெப்பநிலையுடன் சமமாக இருக்கும். தேநீரிலிருந்து சூழலுக்கோ, சூழலிலிருந்து தேநீருக்கோ வெப்பப்பரிமாற்றமானது அதன்பிறகு நடைபெறாது. தேநீரும், சூழலும் வெப்பச்சமநிலையை அடைந்ததைக் காட்டுகிறது.

b) இயந்திரவியல் சமநிலை 

• வாயு அடைத்து வைக்கப்பட்ட பிஸ்டன் உள்ள கொள்கலனை கருதுக. 

• அப்பிஸ்டனின் மீது நிறை ஒன்றை வைக்கும் போது கீழ்நோக்கிய புவியீர்ப்பு விசையின் காரணமாக பிஸ்டன் கீழ்நோக்கி நகர்ந்து சில ஏற்ற இறக்கத்திற்கு பிறகு நிற்கும். பிஸ்டன் ஒரு புதிய இடத்தை அடையும். 

• வாயுவின் மேல்நோக்கிய விசை, கீழ்நோக்கிய புவிஈர்ப்பு விசையை சமன் செய்யும். இதனை எந்திரவியல் சமநிலையில் உள்ளது எனக் கூறலாம். 

• அமைப்பு ஒன்று எந்திரவியல் சமநிலையில் உள்ளது எனில் எவ்விதமான சமன் செய்யப்படாத விசையும் வெப்ப இயக்கவியல் அமைப்பின் மீது செயல்படக்கூடாது. 

c) வேதிச்சமநிலை

• ஒன்றுடன் ஒன்று தொடர்பிலுள்ள இரண்டு வெப்ப இயக்கவியல் அமைப்புகளுக்கிடையே எவ்வித தொகுபயன் வேதிவினையும் நடைபெறவில்லை எனில் அவ்விரு அமைப்புகளும் வேதிச்சமநிலையில் உள்ளது எனலாம்.

d) வெப்ப இயக்கச்சமநிலை 

• வெப்ப இயக்கவியல் சமநிலையில் உள்ள இரண்டு அமைப்புகள் ஒன்றுக்கொன்று வெப்ப, எந்திரவியல் மற்றும் வேதிச் சமநிலையில் இருக்க வேண்டும், 

• வெப்ப இயக்கவியல் சமநிலையில் மீப்பெரு மாறிகளான அழுத்தம் (P), பருமன் (V) மற்றும் வெப்பநிலை (T) ஆகியவை ஒரு நிலையான மதிப்பினைப் பெற்றிருக்க வேண்டும். 

• காலத்தைப் பொருத்து மாறாமல் இருக்க வேண்டும்.

10. வெப்பத்தின் இயந்திரச் சமானத்தை விவாதிக்கும் ஜூலின் ஆய்வை விவரி. 

• பொருளொன்றின் வெப்பநிலையை அதனை வெப்பப்படுத்துவதன் மூலம் உயர்த்தலாம் அல்லது அப்பொருளின் மீது வேலை செய்வதன் மூலம் உயர்த்தலாம். 

• ஜேம்ஸ் ஜூல் அறிஞர் இயந்திர ஆற்றலை அக ஆற்றலாகவும், அக ஆற்றலை இயந்திர ஆற்றலாகவும் மாற்றினார். 

• படத்திலுள்ளவாறு இரண்டு நிறைகள் கயிறு ஒன்றின் வழியே துடுப்பு சக்கரத்துடன் இணைக்கப்பட்டுள்ளன. 

• புவியீர்ப்பு விசையால் இரண்டு நிறைகளும் h தூரத்திற்கு கீழே வரும்போது 2mgh அளவு நிலை ஆற்றலை இரண்டு நிறைகளும் இழக்கின்றன. 

• நிறைகள் கீழே வரும்போது நீரினுள் உள்ள துடுப்பு சக்கரம் சுற்றும். எனவே துடுப்பு சக்கரத்திற்கும், நீருக்கும் இடையே ஓர் உராய்வு விசைத்தோன்றும்.

• இது நீரின் வெப்பநிலையை உயர்த்தும். இங்கு ஈர்ப்புநிலை ஆற்றல் நீரின் அக ஆற்றலாக மாற்றமடைவதை இது உணர்த்துகிறது.

• புவியீர்ப்பு விசையால் செய்யப்பட்ட வேலையினால் நீரின் வெப்ப நிலை உயர்ந்துள்ளது. 

• வெப்பத்தை கொடுப்பதால் ஏற்படும் அதே விளைவை இயந்திரத்தைக் கொண்டு செய்யப்படும் வேலையினால் ஏற்படுத்த முடியும் என ஜூல் நிருபித்தார். 

• 1 கிராம் நிறையுடைய நீரின் வெப்பநிலையை 1°C உயர்த்த 4.186 J ஆற்றல் தேவைப்படும். 

• பழங்காலங்களில் வெப்பமானது கலோரி என்ற அலகால் அளக்கப்பட்டது. 

1cal = 4.186 J 

இதற்கு ஜூலின் வெப்ப இயந்திரவியல் சமானம் என்று பெயர்.

11. வெப்ப இயக்க அமைப்பின் பருமன் மாறும் போது செய்யப்பட்ட வேலைக்கானச் சமன்பாட்டைப் பெறுக. 

• நகரும் பிஸ்டனைக் கொண்ட வாயு நிரப்பப்பட்ட உருளையில் மீமெது நிகழ்வின் அடிப்படையில் வாயு விரிவடைந்து பிஸ்டனை dx தொலைவு மெதுவாகத் தள்ளுகிறது. 

• ஒவ்வொரு கணத்திலும் அழுத்தம், வெப்பநிலை மற்றும் அக ஆற்றல் ஆகியவை ஒரு குறிப்பிட்ட மதிப்பினைப் பெற்றிருக்கும்.

• வாயுவால் பிஸ்டன் மீது செய்யப்பட்ட சிறிய வேலை  

dW = Fdx                   ……….. (1) 

வாயுவால் பிஸ்டனின் மீது செலுத்தப்பட்ட விசை F = PA. இங்கு A என்பது பிஸ்டனின் பரப்பையும், P என்பது வாயு பிஸ்டனின் மீது செலுத்தும் அழுத்தத்தையும் குறிக்கிறது. 

• சமன்பாடு (1) லிருந்து, 

dW = PA dx                ……. (2) 

Adx = dV (வாயு விரிவினால் ஏற்பட்ட பருமன் மாறுபாடு 

• வாயு விரிவடைந்ததால் செய்யப்பட்ட சிறிய வேலை 

dW = PdV       ………. (3)

(dV - நேர்குறி ஆகும்) 

வாயுவின் பருமன் Vi லிருந்து Vf வரை அதிகரிப்பதால் செய்யப்பட்ட வேலை

W = VfʃVi PdV         ………… (4)

(அமைப்பின் மீது வேலை செய்யப்பட்டிருப்பின் W எதிர்குறி மதிப்பைப் பெறும்) 

• சமன்பாடு (3)-ல் அழுத்தம் P தொகைக் குறியீட்டிற்கு உள்ளே அமைவதிலிருந்து, அமைப்பு வேலை செய்யும் போது அழுத்தம் மாறிலியாக உள்ளதைக் காட்டுகிறது. 

• தொகையீட்டு மதிப்பினைக் காண நிலைச் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தி அழுத்தத்தை பருமன் மற்றும் வெப்பநிலையின் சார்பாகக் குறிப்பிட வேண்டும்.

12. நல்லியல்பு வாய ஒன்றிற்கான மேயர் தொடர்பைப் பெறுக.

• μ மோல் அளவுடைய நல்லியல்பு வாயு கொள்கலன் ஒன்றில் அடைத்து வைக்கப்பட்டுள்ளது. 

• வாயுவின் பருமன் (V), அழுத்தம் (P), வெப்பநிலை (T) என்க. மாறாபருமனில் வாயுவின் வெப்பநிலை dT அளவு உயர்த்தப்படுகிறது. இங்கு வாயுவால் எந்த வேலையும் செய்யப்படவில்லை. 

• அமைப்பிற்குக் கொடுக்கப்பட்ட வெப்பம் அக ஆற்றலை மட்டுமே அதிகரிக்கும் அக ஆற்றலில் ஏற்பட்ட மாற்றம் dU ஆகும். 

• CV என்பது பருமன் மாறா மோலார் தன்வெப்ப ஏற்புத்திறன் எனில், 

dU = μCv dT           ……… (1)

• மாறா அழுத்தத்தில் வாயுவை வெப்பப்படுத்தும்போது, அவ்வாயுவின் வெப்பநிலை, உயர்வு dT எனவும், அமைப்பிற்குக் கொடுக்கப்பட்ட வெப்பத்தின் அளவு 'Q' எனவும், இந்நிகழ்வினால் பருமனில் ஏற்பட்ட மாற்றம் 'dV' எனவும் கொண்டால், 

'Q' = μCP dT          ………. (2)

செய்யப்பட்ட வேலை 

W = PdV  …………. (3) 

• வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதிப்படி, 

Q = dU + W            ….. (4)

• சமன்பாடு (1), (2), (3) ஐ (4) -ல் பிரதியிட, 

 μCP dT = μCv dT + PdV               ……. (5)

எனக் கிடைக்கும் 

• μ மோல் நல்லியல்பு வாயுவிற்கு நிலைச்சமன்பாட்டை பின்வருமாறு எழுதலாம். 

PV = μRT ⇒ PdV + VdP = μRdT             ……. (6)

இங்கு அழுத்தம் மாறாது எனவே dP = 0

PdV = μRdT 

⸫ CPdT = CVdT + RdT 

⸫ CP = Cv + R (or)

CP - CV = R (இது மேயர் தொடர்பாகும்) 

• மாறா அழுத்தத்தில் நல்லியல்பு வாயுவின் மோலார் தன்வெப்ப ஏற்புத்திறன் பருமன் மாறா மோலார் தன் வெப்ப ஏற்புத்திறன் மற்றும் R ஆகியவற்றின் கூடுதலுக்கு சமமாகும். 

அழுத்தம் மாறா மோலார் தன்வெப்ப ஏற்புத்திறன் (CP), பருமன் மாறா மோலார் தன் வெப்ப ஏற்புத்திறனை விட (CV) எப்போதும் அதிகம். 

13. வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வை விரிவாக விளக்குக. 

• வெப்பநிலை மாறாநிகழ்வில் வெப்பநிலை மாறா மதிப்பினைப் பெற்றும், வெப்ப இயக்கவியல் அமைப்பின் அழுத்தமும், பருமனும் மாற்றமடையும். 

• நல்லியல்பு வாயுச்சமன்பாடு PV = μRT (T - மாறிலி) 

வெப்ப நிலை மாறா நிகழ்விற்கான நிலைச்சமன்பாடு 

PV = மாறிலி ………..(1)

• வாயு ஒரு சமநிலை நிலையிலிருந்து (P1, V1) மற்றொரு சமநிலை நிலைக்குச் (P2, V2) செல்லும் போது, 

P1V1= P2V2        ……..(2)

இதில் (PV = மாறிலி). P ஆனது V-யுடன் எதிர்விகிதத் தொடர்பைப் பெற்றுள்ளது. 

அதாவது (P α 1/V) எனவே PV வரைபடம் ஓர் அதிபரவளையம் ஆகும். 

• மாறா வெப்பநிலையில் வரையப்படும் அழுத்தம் - பருமன் வரைபடத்தை வெப்பநிலை மாறா வரைபடம் என்றே அழைக்கலாம். 

• நல்லியல்பு வாயு ஒன்றின் அக ஆற்றல் அவ்வாயுவின் வெப்பநிலையை மட்டுமே சார்ந்துள்ளது. இந்நிகழ்வில் அக ஆற்றல் ஓர் மாறிலியாகும். ஏனெனில் வெப்பநிலை மாறாமல் உள்ளது. dU அல்லது ∆U = 0 

• வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வில் வாயுவிற்குக் கொடுக்கப்படும் வெப்பம் புறவேலைக்கு மட்டுமே பயன்படுகிறது. 

Q = W          ………. (3)

• அமைப்பு ஒன்றினுள் வெப்பம் பாயும்போது அவ்வமைப்பின் வெப்பநிலை எப்போதும் உயரும் என்பது தவறு. வெப்பநிலை மாறா அமுக்கம் ஏற்படும் போது உருளையின் உள்ளே பிஸ்டன் தள்ளப்படுகிறது. இது அக ஆற்றலை அதிகரிக்கும். இந்த ஆற்றலானது வெப்பத் தொடர்பினால் அமைப்பிற்கு வெளியே சென்று விடுகிறது.

1. தண்ணீரை வெப்பப்படுத்தும்போது, அதன் கொதிநிலையில் தண்ணீருக்கு எவ்வளவு வெப்பத்தை அளித்தாலும் தண்ணீர் முழுவதுமாக நீராவியாக மாறும் வரை அதன் வெப்பநிலை உயருவதில்லை. 

2. உறைநிலையிலுள்ள பனிக்கட்டி உருகி தண்ணீராக மாறும்போதும் பனிக்கட்டிக்கு வெப்பத்தைக் கொடுத்தாலும் அதன் வெப்பநிலை உயருவதில்லை. 

3. நமது உடலின் அனைத்து வளர்சிதை மாற்றங்களும் ஒருமாறா வெப்பநிலையிலேயே (37°C) நடைபெறுகின்றன.

14. வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வில் செய்யப்பட்ட வேலைக்கான சமன்பாட்டைப் பெறுக. 

• வெப்பநிலை மாறா மீமெது நிகழ்வில் நல்லியல்பு வாயு ஒன்று (Pi, Vi) என்ற தொடக்க நிலையிலிருந்து (Pf, Vf) என்ற இறுதி நிலைக்கு விரிவடைகிறது எனில் வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை,

W = VfʃVf pdV       ------------(1)

• இந்நிகழ்வு மீமெது நிகழ்வாக உள்ளதால் ஒவ்வொரு நிலையிலும் வாயுவானது (நல்லியல்பு வாய சூழலுடன் சமநிலையில் இருப்பதால், அழுத்தத்தை பருமன் மற்றும் வெப்பநிலையின் சார்பாக எழுதலாம். 

P = μRT / V              ----------- (2)

• சமன்பாடு (2) ஐ சமன்பாடு (1) இல் பிரதியிடும் போது,

 ----------- (3)

தொகையீட்டிற்கு வெளியே இருப்பதால் T ஓர் மாறிலியாகும். (நிகழ்வு முழுமைக்கும்) 

• சமன்பாடு (3)-ஐ தொகைப்படுத்தும் போது, 

W = μRT in (Vf / Vi)            ----------------- (4)

வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வில் செய்யப்பட்ட வேலை 

• இங்கு ஏற்பட்ட பருமன் விரிவு ஓர் வெப்பநிலை மாறா விரிவாகும். மேலும் Vf/Vi > 1, எனவே ln [Vf/Vi] > 0 ஆகும். 

இங்கு வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை நேர்க்குறி ஆகும். 

• வெப்பநிலை மாறா அமுக்கத்தில் [Vf/Vi] < 1, எனவே ln[Vf/Vi] < 0 ஆகும்.

• PV வரைபடத்தில் வெப்ப நிலை மாறா விரிவின்போது வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை வரைபடத்திற்குக் கீழே உள்ள பரப்பிற்கு சமம். 

• PV வரைபடத்தில் வெப்பநிலைமாறா அமுக்கத்தில் வரைபடத்திற்குக் கீழே உள்ள பரப்பு வாயுவின் மீது செய்யப்பட்ட வேலைக்குச் சமம் ஆகும். (இது எதிர்குறி ஆகும்.)

15. வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வைப் பற்றி விரிவாக விவாதிக்கவும். 

• வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வில் எவ்விதமான வெப்பமும் அமைப்பிற்கு உள்ளேயோ அல்லது அமைப்பிலிருந்து வெளியேவோ செல்லாது (Q = 0). வாயு தன்னுடைய அக ஆற்றலைப் பயன்படுத்தி விரிவடையும் அல்லது வெளிப்புற வேலையினால் வாயு அமுக்கமடையும். இந்நிகழ்வில் அழுத்தம் (P), பருமன் (V), வெப்பநிலை (T) இவற்றில் மாற்றம் ஏற்படலாம். 

• வாயு அதன் அக ஆற்றலைப் பயன்படுத்தி வேலை செய்யும் அல்லது வாயுவின் மீது வேலை செய்யப்பட்டு அதன் அக ஆற்றலைப் பயன்படுத்தி அல்லது வாயுவின் மீது வேலை செய்யப்பட்டு அதன் அக ஆற்றல் அதிகரிக்கும். ∆U = W

• வெப்பப் பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வுகள்: 

i) அமைப்பு வெப்ப ஆற்றலை சூழலுக்குக் கடத்தாதவாறும் அல்லது சூழலிலிருந்து எவ்விதமான வெப்ப ஆற்றலும் அமைப்பிற்குள் செல்லாதவாறும் அமைப்பினை வெப்பக்காப்பு செய்ய வேண்டும். (எ.கா.) வெப்பக்காப்பு செய்யப்பட்ட உருளையில் உள்ள வாயு வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா முறையில் அமுக்கப்படுகிறது அல்லது வெப்பப்பரிமாற்றம் இல்லா முறையில் விரிவடைகிறது.

ii) எவ்வித வெப்பக்காப்பும் அற்ற நிலையில் சூழலுக்கு வெப்பத்தைக் கடத்த இயலாதவாறு மிகக்குறுகிய நேரத்தில் மிக வேகமாக நிகழ்வு ஏற்பட்டால் அதுவும் ஒரு வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வு. 

(எ.கா) டயர் வெடிக்கும்போது சூழலுக்கு வெப்பத்தைக் கடத்த நேரமின்றி டயருக்கு உள்ளே உள்ள காற்று மிக வேகமாக விரிவடையும்.

• வெப்பப் பரிமாற்றமில்லா நிகழ்விற்கான நிலைச் சமன்பாடு 

PVγ = மாறிலி, ……… (1)

(γ = வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா அடுக்குக்குறி.   

γ = CP/CV)

வாயு ஒரு சமநிலையிலிருந்து (PiVi) மற்றொரு சமநிலைக்கு (PfVf) வெப்பப் பரிமாற்றமில்லா முறையில் செல்லும்போது PiViγ = PfVfγ என்ற நிபந்தனைக்கு உட்படும். 

• வெப்பநிலைமாறா மற்றும் வெப்பப்பரிமாற்ற நிகழ்வின் PV வரைபடம் கிட்டத்தட்ட ஒரே மாதிரியாக இருந்தாலும், அவற்றின் வளை கோடுகள் வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வில் சற்று செங்குத்தாக காணப்படும். 

• நல்லியல்பு வாயு சமன்பாட்டிலிருந்து (P = μRT/V) சமன்பாடு (1) ல் பிரதியிட, 

• வாயு ஒன்று தொடக்கத்திலிருந்து இறு சம நிலைக்கு வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா முறையில் செல்லும்போது, 

Ti Vi γ−1 = Tf Vf γ−1     …….. (3)

T & P பொருத்து எழுத, T γP1- γ = மாறிலி

16. வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வில் செய்யப்பட்ட வேலைக்கான சமன்பாட்டைப் பெறுக.

• முழுமையாக வெப்பக்காப்புச் செய்யப்பட்ட சுவர், அடிப்பரப்பு கொண்ட உருளையினுள் உள்ள μ மோல் நல்லியல்பு வாய்வு ஒன்று கருதுக. A குறுக்கு வெட்டுப்பரப்பு கொண்ட உராய்வற்ற வெப்பக்காப்புப் பெற்ற பிஸ்டன் உருளையில் பொருத்தப்பட்டுள்ளது. 

• வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா முறையில் அமைப்பு (Pi, Vi, Ti) என்ற தொடக்க நிலையிலிருந்து (Pf, Vf, Tf) இறுதிநிலையை அடையும் போது செய்யப்பட்ட வேலை W.

W = VfʃViPdV        ……….(1)

• வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா இந்நிகழ்வு ஒரு மீமெது நிகழ்வு எனக்கருதினால், ஒவ்வொரு நிலையிலும் நல்லியல்பு வாயு விதி பொருந்தும். வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வின் நிலைச்சமன்பாடு,

 PVγ = மாறிலி (அ) P = மாறிலி / Vγ

• இம்மதிப்பை சமன்பாடு (1)-ல் பிரதியிட,

• நல்லியல்பு வாயு விதியிலிருந்து PfVf = μRTf மற்றும் PiVi = μRTi சமன்பாடு (2) ல் இம் மதிப்பை பிரதியிட, 

a) Ti > Tf (வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வில் வாயு குளிர்ச்சியடையும்) வெப்பப் பரிமாற்றமில்லா விரிவில் வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை Wadia ஒரு நேர்க்குறி மதிப்பு ஆகும். 

• Ti < Tf வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா அமுக்கத்தில் வாயுவின் வெப்பநிலை உயரும்) வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா அமுக்கத்தில் வாயுவின் மீது வேலை செய்யப்படும் Wadia ஒரு எதிர்குறி மதிப்பு ஆகும். 

• வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா நிகழ்விற்கான வளைகோடு, வெப்பநிலை மாறா வளைகோட்டை விட செங்குத்தாக இருக்கும். ஏனெனில் எப்போதும் γ > 1 ஆகும். 

17. அழுத்தம் மாறா நிகழ்வினை விவரித்து, அந்நிகழ்வில் செய்யப்பட்ட வேலைக்கான சமன்பாட்டைப் பெறுக. 

• அழுத்தம் மாறா நிகழ்வில், மாறாத அழுத்தத்தில் ஏற்படும் ஒரு வெப்ப் இயக்கவியல் நிகழ்வாகும். அழுத்தம் - மாறிலி மற்றும் வெப்பநிலை, பருமன் மற்றும் அக ஆற்றல் மாறிலிகள் அல்ல. 

• நல்லியல்பு வாயு விதியிலிருந்து, 

• வெப்பநிலை பருமனுக்கு நேர்த்தகவில் இருக்கும். 

V α T (அழுத்தம் மாறா நிகழ்வு) . ……….. (2)

இந்நிகழ்வில் V - T வரைப்படம் ஆதிப்புள்ளி வழியேச் செல்லும் ஓர் நேர்க்கோடாகும்.

• வாயு ஒன்று (Vi, Ti) என்ற நிலையிலிருந்து (Vf, Tf) என்ற நிலைக்கு மாறா அழுத்தத்தில் செல்லும்போது, 

Tf / Vf = Ti / Vi …………………… (3)

(எ.கா) வீட்டு சமையலறையில், திறந்த பாத்திரத்தில் உணவினை சமைக்கும்போது அதன் மேலே உள்ள அழுத்தம் எப்போதும் வளிமண்டல அழுத்தத்திற்கு சமமாகும். 

• அழுத்தம் மாறா நிகழ்விற்கான PV வரைபடம் பரும் அச்சுக்கு இணையாகச் செல்லும் ஓர் கிடைத்தளக்கோடாகும். 

• அழுத்தம் மாறா நிகழ்வில் செய்யப்பட்ட வேலை:

வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை

∆ V - பருமனில் ஏற்பட்ட மாற்றத்தைக் குறிக்கிறது. 

i) ∆V எதிர்க்குறி எனில் W எதிர்க்குறியாக அமைந்து வாயுவின் மீது வேலை செய்யப்படுகிறது. 

ii) ∆V நேர்க்குறி எனில் W நேர்குறியாக அமைந்து வாயுவால் வேலை செய்யப்படுகிறது. 

• சமன்பாடு (3) லிருந்து, 

18. பருமன் மாறா நிகழ்வினை விவரி. 

• அமைப்பின் பருமனை மாறா மதிப்பாகக் கொண்டு செய்யப்படும் வெப்ப இயக்கவியல் நிகழ்வு பருமன் மாறா நிகழ்வு என்று அழைக்கப்படும். இதில் அழுத்தம் (P), வெப்பநிலை (T), அக ஆற்றல் (U) தொடர்ந்து மாற்றமடையும். 

• இந்நிகழ்விற்கான PV வரைபடம் அழுத்த அச்சுக்கு இணையாக வரையப்படும் ஒரு இணைகோடாகும். 

• இந்நிகழ்வின் நிலைச்சமன்பாடு

வெப்பநிலைக்கு நேர்த்தகவில் இருக்கும்.

• இந்நிகழ்விற்கான PT வரைபடம் ஆதிப்புள்ளி வழியேச் செல்லும் ஓர் நேர்க்கோடாகும். (PiTi) என்ற தொடக்கப் புள்ளியிலிருந்து வாயு (Pf, Tf) என்ற இறுதிப்புள்ளிக்கு மாறாப் பருமனில் செல்லும்போது,

∆V = 0 எனவே. W = 0 எனவே வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியானது 

∆U = Q .............(3) 

• அமைப்பிற்கு கொடுக்கப்படும் வெப்பம் அக ஆற்றலை மட்டுமே அதிகரிக்கும் அதனால் வெப்பநிலையானது உயர்ந்து அழுத்தமும் அதிகரிக்கும் 

• அமைப்பு ஒன்று மாறா பருமனில் தனது வெப்பத்தை வெப்பம் கடத்தும் சுவரின் மூலமாக சூழலுக்குக் கொடுத்தால், அமைப்பின் அக ஆற்றல் குறையும். மேலும் வெப்பநிலையானது குறைந்து அழுத்தம் குறையும். 

• எடுத்துக்காட்டு

மூடப்பட்ட பாத்திரத்தில் உணவு சமைக்கப் படும்போது அதன் மூடி நீராவியினால் சிறிது மேல் நோக்கித் தள்ளப்படும். மூடியை மூடிய பின்பு பருமன் ஒரு மாறா மதிப்பினைப் பெறும். வெப்பம் தொடர்ந்து அளிக்கப்படும் போது அழுத்தம் அதிகரித்து நீராவி மேல் நோக்கி சென்று மூடியை மேல்நோக்கி தள்ளும்.

19. வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியின் வரம்புகள் யாவை? 

• வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியானது, வெப்பம் மற்றும் வேலை இவை ஒன்றிலிருந்து மற்றொன்றாக மாற்றமடையும் தன்மையை விளக்கியுள்ளது. ஆனால் மாற்றமடையும் திசையினை விளக்கவில்லை.

• எடுத்துக்காட்டாக,

⇒ சூடான பொருளுடன், குளிர்ந்த பொருளொன்றை வெப்பத்தொடர்பில் வைக்கும் போது வெப்பம் எப்போதும் சூடானப் பொருளிலிருந்து குளிர்ந்த பொருளுக்குப் பாயும், அதற்கு எதிர்திசையில் பாயாது. 

⇒ வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதிப்படி வெப்பமானது சூடானப் பொருளிலிருந்து குளிர்ந்த பொருளுக்கோ அல்லது குளிர்ந்த பொருளிலிருந்து சூடான பொருளுக்கோ பாயும்.

⇒ இயற்கையாகவே வெப்பம் எப்போதும் உயர்வெப்ப நிலையிலிருந்து குறைந்த வெப்பநிலைக் குத்தான் பாயும். 

⇒ கார்களில் உள்ள பிரேக்குகளை அமுக்கும்போது ஏற்படும் உராய்வினால் கார் நின்று விடுகிறது. 

⇒ உராய்வுக்கு எதிராக செய்யப்படும் வேலை வெப்பமாக மாற்றமடையும். ஆனால் இவ்வெப்பம் காரின் இயக்க ஆற்றலாக மீண்டும் மாற்றமடைவதில்லை. 

⇒ எனவே வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியானது பெரும்பான்மையான இயற்கை நிகழ்வுகளை விளக்கப் போதுமானதாக இல்லை. 

20. வெப்ப இயந்திரத்தை விளக்கி அதன் பயனுறு திறனுக்கானக் கோவையைப் பெறுக. 

• வெப்பத்தை உள்ளீடாகப் பெற்று, சுழற்சி நிகழ்வை மேற்கொள்வதன் மூலம் அவ்வெப்பத்தை வேலையாக மாற்றும் ஒரு கருவியே "வெப்ப இயந்திரம்” ஆகும். வெப்ப இயந்திரம் மூன்று பகுதிகளாக உள்ளது. 

i) வெப்ப மூலம்: இயந்திரத்திற்கு வெப்பத்தை அளிக்கும். இதனை எப்போதும் உயர்நிலையிலேயே (TH) வைத்திருக்க வேண்டும்.

ii) செயல்படுபொருள்: 

வாயு அல்லது தண்ணீர் போன்ற பொருள் ஆகும். இவை வெப்பத்தை வேலையாக மாற்றும். எடுத்துக்காட்டாக – இரயில் வண்டிகளை இயக்கும் நீராவி இயந்திரமாகும். 

iii) வெப்ப ஏற்பி: 

வெப்ப இயந்திரம் வேலை செய்தபின் சிறிதளவு வெப்பத்தை (Q1) வெப்ப ஏற்பிக்கு கொடுக்கும். இதனை எப்போதும் தாழ்வெப்ப நிலையிலேயே (T1) வைத்திருக்க வேண்டும். 

எ.கா. தானியங்கி இயந்திரங்களில் அறை வெப்பநிலையிலுள்ள சுற்றுபுறச்சூழலானது வெப்ப ஏற்பியாக செயல்படுகிறது. 

• வெப்ப இயந்திரத்தின் பயனுறுத்திறன்: ஒரு சுழற்சி நிகழ்வில் செய்யப்பட்ட வேலைக்கும் (வெளியீடு) ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்ட வெப்பத்திற்கும் (உள்ளீடு உள்ள விகிதமாகும். 

• செயல்படு பொருளொன்று வெப்ப மூலத்திலிருந்து QH அலகு வெப்பத்தைப் பெற்று W அலகு வேலை செய்தபின், அது வெப்ப ஏற்பிக்கு அளித்த வெப்பம் QL அலகு உள்ளீடு வெப்பம் = செய்யப்பட்ட வேலை + வெளியேற்றப்பட்ட வெப்பம் 

QH = W + QL அல்லது W = QH - QL

• வெப்ப இயந்திரத்தின் பயனுறுதிறன்

• QL < QH என்பதால் பயனுறுதிறன் எப்போதும் 1ஐ விடக் குறைவாகவே இருக்கும். ஏற்கப்பட்ட வெப்பமானது முழுமையாக வேலையாக மாற்றமடையவில்லை.

21. கார்னோ வெப்ப இயந்திரத்தைப் பற்றி விரிவாக விளக்கு.  

• இரண்டு வெப்பநிலைகளுக்கிடையே சுழற்சி நிகழ்வாக, செயல்படும் மீள் நிகழ்வு இயந்திரம் கார்னோ இயந்திரமாகும். இதன் முக்கிய நான்கு பாகங்கள் பின்வருமாறு அமைந்துள்ளன. 

i) வெப்பம் மூலம்: மாறா உயர்வெப்ப நிலையில் உள்ள வெப்ப மூலமாகும். இதிலிருந்து வெப்ப நிலை மாறாமல் எவ்வளவு வெப்பத்தையும் பெறமுடியும். 

ii) வெப்பம் ஏற்பி: மாறாத குறைந்த வெப்பநிலையில் உள்ள ஒரு பொருள் ஆகும். இது எவ்வளவு வெப்பத்தையும் ஏற்றுக் கொள்ளும். 

iii) வெப்பக்காப்பு மேடை: முழுமையான வெப்பக்காப்பு பொருளினால் இம்மேடை செய்யப்பட்டிருக்கும். இம்மேடை வழியே வெப்பம் கடத்தப்படாது. 

iv) செயல்படும் பொருள்: முழுமையான வெப்பம் கடத்தாத சுவர்களையும் முழுமையான வெப்பம் கடத்தும் அடிப்பாகத்தையும் கொண்டுள்ள உருளையில் அடைத்து வைக்கப்பட்டுள்ள நல்லியல்பு வாயுவாகும். வெப்பக்கடத்தா மற்றும் உராய்வற்ற பிஸ்டன் ஒன்று உருளையுடன் பொருத்தப்பட்டுள்ளது. 

கார்னோ சுற்று : 

• கார்னோ சுற்றி செயல்படு பொருள் நான்கு தொடர்ச்சியான மீள் நிகழ்வுகளை சுழற்சி முறையில் நிகழ்த்துகிறது. 

• செயல்படு பொருளின் தொடக்க அழுத்தம் மற்றும் பருமனை Pi, Vi என்க. 

நிகழ்வு A - B (Pi, Vi, TH) முதல் (Pi, Vi, TH) வரையிலான மீமெது வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வு: 

• உருளை வெப்ப மூலத்தின் மீது வைக்கப்படுகிறது. வெப்ப மூலத்திலிருந்து உருளையின் அடிப்பரப்பின் வழியே செயல்படுபொருளுக்கு பாய்கிறது. இது ஒரு வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வாகும். 

எனவே செயல்படு பொருளில் அக ஆற்றல் எவ்வித மாற்றமும் ஏற்படாது, பெறப்பட்ட வெப்பத்தினால் வாயுவின் பருமன் அதிகரிக்கும். பிஸ்டனை மிக மெதுவாக மேலே வருவதற்கு அனுமதிக்க வேண்டும்.

• வாயுவின் பருமன் V1, லிருந்து V2 க்கு அதிகரிக்கும். அதன் அழுத்தம் P1 லிருந்து P2 க்கு குறையும் போது வாயுவினால் செய்யப்பட்ட வேலை W என்க. இது P – V வரைபடத்தில் A B பாதையாக குறிக்கப்பட்டுள்ளது. 

• வாயுவினால் செய்யப்பட்ட வேலை

• இந்நிகழ்வு மீமெது நிகழ்வாக உள்ளதால் நல்லியல்பு வாயு அதன் இறுதி நிலையை அடையும் வரை வெப்பமூலத்துடன் சமநிலையில் இருக்கும். 

வெப்பநிலை மாறா விரிவினால் செய்யப்பட்ட வேலை WA→B = μRT ln (V2/V1) = AB 

நிகழ்வு B → C (P2, V2, TH) முதல் (P3, V3, TL) வரையிலான மீமெது வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா விரிவு: 

• உருளை வெப்பக்கடத்தா மேடை மீது வைக்கப்படுகிறது. பிஸ்டனை மேல் நோக்கி நகர அனுமதிக்க வேண்டும். வாயு வெப்ப பரிமாற்றமில்லா முறையில் விரிவடைதால் அதன் பருமன் V2 லிருந்து V3 க்கும் அதிகரிக்கும். அதன் அழுத்தம் P2 லிருந்து P3 க்குக் குறையும் வெப்பநிலை T1 ஆகும். 

• PV வரைபடத்தில் இந்த வெப்பப் பரிமாற்றமில்லா விரிவு BC வளைகோடாக காட்டப்பட்டுள்ளது. இந்த வெப்பப் பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வு மீமெது நிகழ்வாக நடைபெற்றதால் நல்லியல்பு வாயு இந்நிகழ்வு முழுவதும் சமநிலையில் இருக்கும். மேலும் இது ஒரு மீள் நிகழ்வு என்பதையும் காட்டுகிறது.

• வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா விரிவினால் வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை

நிகழ்வு C → D (P3, V3, TL) முதல் (P4, V4, T1) வரையிலான மீமெது வெப்பநிலை மாறா அமுக்கம்: 

• உருளை வெப்ப ஏற்பியின் மீது வைக்கப்படுகிறது. வாயுவின் அழுத்தம் P4 மற்றும் அதன் பருமன் V4 ஐ அடையும் வரை வாயு வெப்ப நிலை மாறா அமுக்கத்திற்கு உட்படுகிறது. 

• PV வரைபடத்தில் CD வளைகோட்டினால் குறிப்பிடப்பட்டுள்ளது.

• இங்கு V3 ஆனது V4 ஐ விட அதிகம் எனவே தான் செய்யப்பட்ட வேலை எதிர்க்குறியில் உள்ளது. இங்கு வாயுவின் மீது வேலை செய்யப்பட்டது. 

நிகழ்வுD → A (P4, V4, TL) முதல் (P1, V1, TH) வரையிலான மீமெது வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா அமுக்கம்: 

• உருளை வெப்பம் கடத்தா மேடை மீது மீண்டும் வைக்கப்படுகிறது. வாயு தனது தொடக்க நிலைகளான அழுத்தம் P1 பருமன் V1 மற்றும் வெப்பநிலை TH ஐ அடையும் வரை வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா அமுக்கத்திற்கு உட்படுகிறது.

• வாயுவின் மீது செய்யப்பட்ட வேலை எதிர்க்குறியாகும். 

• செயல்படு பொருளின் மீது ஒரு முழு சுற்றில் செய்யப்பட்ட தொகுபயன் வேலை W என்க. 

ஃ W = வாயுவால் செய்யப்பட்ட வேலை - வாயுவின் மீது செய்யப்பட்ட வேலை

= WA→B + WB→C - WC→D - WD→A 

இங்கு WB→C = WD→A

W = WA→B - WC→D 

முழு சுற்றுக்கு கார்னோ இயந்திரத்தால் செய்யப்பட்ட தொகுபயன்       வேலை; 

 W = WA→B - WC→D 

• ஒரு முழு சுற்றுக்கு செயல்படுபொருளால் செய்யப்பட்ட தொகுபயன் வேலை PV வரைபடத்தில் உள்ள ABCD என்ற மூடப்பட்ட வளைகோட்டினால் சூழப்பட்ட பரப்பிற்குச் சமம். 

• செயல்படுபொருளின் (நல்லியல்பு வாயுவின்) அக ஆற்றல் மாறுபாடு சுழி ஆகும்.

22. கார்னோ வெப்ப இயந்திரத்தின் பயனுறுத் திறனுக்கான கோவையைப் பெறுக. 

• ஒரு முழு சுற்றுக்கு செயல்படு பொருளினால் (நல்லியல்பு வாய) செய்யப்பட்ட வேலைக்கும், வெப்ப மூலத்திலிருந்து பெறப்பட்ட வெப்பத்தின் அளவுக்கும் உள்ள விகிதம் "கார்னோ வெப்ப இயந்திரத்தின்” பயனுறுத்திறன் ஆகும்

• வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியிலிருந்து, 

• வெப்பநிலை மாறா நிகழ்வின் நிபந்தனையை பயன்படுத்தும்போது, 

இங்கு வெப்ப ஏற்பிக்கு வெளியேற்றிய வெப்பத்தின் எண்ணளவிற்கு மட்டுமே முக்கியத்துவம் அளிக்கப்படுவதால் QL-ல் எதிர்க்குறியால் குறிப்பிடவில்லை. 

• வெப்பப்பரிமாற்றமில்லா நிகழ்வின் நிபந்தனையை பயன்படுத்தும் போது, 

THV2γ-1 = TLV3 γ-1

THV1γ-1 = TLV4 γ-1

மேற்காண் சமன்பாடுகளை வகுக்கும்போது, 

(V2 / V1) γ−1 = (V3 / V4 ) γ−1

இதிலிருந்து V2/V1 = V3/V4         ………. (5)

• சமன்பாடு (4)ஐ (5) இல் பிரதியிடும்போது

QL/QH = TL/TH  ………. (6)

• எனவே பயனுறுத்திரன் η = 1 − TL/TH ………. (7)

குறிப்பு: TL மற்றும் TH இவ்விரண்டும் கெல்வின் அலகில் மட்டுமே குறிக்கப்படுகின்றன.

23. வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதியை என்ட்ரோபியின் அடிப்படையில் விரிவாக விளக்குக.

• QH/TH = QL/TL என்பதிலிருந்து Q/T என்ற அளவு என்ட்ரோபி ஆகும். வெப்ப இயக்கவியல் அமைப்பின் மிக முக்கியப்பண்புகளில் ஒன்று என்ட்ரோபி ஆகும். இது ஒரு நிலை மாறி ஆகும்.

• QH/TH என்பது வெப்ப மூலத்திலிருந்து கார்னோ இயந்திரம் பெற்றுக்கொண்ட என்ட்ரோபி, QL/TL என்பது கார்னோ இயந்திரம் வெப்ப ஏற்பிக்கு வெளியேற்றிய என்ட்ரோபி. 

• ஒரு மீள் நிகழ்வு இயந்திரத்திற்கு இவ்விரண்டு என்ட்ரோபிகளும் சமமாகும். ஒரு முழு சுற்றுக்கு கார்னோ இயந்திரத்தின் என்ட்ரோபி மாற்றம் சுழி ஆகும்.

• டீசல் மற்றும் பெட்ரோல் இயந்திரங்கள் மீள் நிகழ்வு இயந்திரங்கள் அல்ல. அவை  QL/TL > QH/TH என்ற சமன்பாட்டை நிறைவு செய்கின்றன. 

• வெப்பமானது சூடான பொருளிலிருந்து குளிர்ந்த பொருளுக்கு பாயும்போது என்ட்ரோபி உயரும். வெப்பம் குளிர்ந்த பொருளிலிருந்து சூடான பொருளுக்கு பாயும் போது என்ட்ரோபி குறையும். இது வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதிக்கு எதிரானது. 

• என்ட்ரோபியை ஒரு அமைப்பில் இருக்கும். ஒழுங்கற்றத் தன்மையின் அளவீடு எனலாம். அனைத்து இயற்கை நிகழ்வுகள் நடைபெறும்பொழுதும் ஒழுங்கற்றத்தன்மை எப்போதும் உயர்ந்து கொண்டே செல்லும். 

• வாயு கண்ணாடி குடுவையில் இருக்கும்வரை அதன் என்ட்ரோபி குறைவு, அதே வாயு அறை முழுவதும் பரவிய பின்னர் அதன் என்ட்ரோபி அதிகம். வாயு மூலக்கூறுகள் குடுவைக்கு மீண்டும் வந்தால் என்ட்ரோபி குறையும். வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாம் விதியின்படி இந்த நிகழ்வு சாத்தியமல்ல. 

• பேனா மை தண்ணீ ரில் பரவியதுடன் அதன் என்ட்ரோபி அதிகரிக்கும். பரவிய பேனா மை மூலக்கூறுகள் மீண்டும் ஒன்றிணைந்து மைத்துளியை உருவாக்காது. அனைத்து மீளா நிகழ்வுகளிலும் என்ட்ரோபி உயரும் வண்ணம் இயற்கை நிகழ்வுகள் நடை பெறுகின்றன.

24. குளிர்பதனப்பெட்டி ஒன்றின் செயல்பாட்டை உரிய விளக்கங்களுடன் விரிவாக விவாதிக்கவும். 

• எதிர்திசையில் செயல்படும் ஒரு கார்னோ இயந்திரமே குளிர்சாதனப் பெட்டியாகும். 

• செயல்படுபொருள் TL என்ற குறைந்த வெப்பநிலையிலுள்ள குளிர்பொருளிலிருந்து (வெப்ப ஏற்பி) QL அளவு வெப்பத்தை பெற்று கொள்கிறது. 

• அமுக்கியினால் செயல்படு பொருளின் மீது W என்ற குறிப்பிட்ட அளவு வேலை செய்யப்பட்டு, QH அளவு வெப்பத்தை வெப்ப மூலத்திற்கு செயல்படு பொருள் வெளியேற்றுகிறது. அதாவது TH வெப்ப நிலையிலுள்ள சூழலுக்கு வெளியேற்றுகிறது. 

• குளிர்சாதனப்பெட்டிக்கு பக்கத்தில் நிற்கும் போது வெதுவெதுப்பான காற்றினை உணரலாம். 

• வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியிலிருந்து, 

QL + W = QH …................(1)  

முடிவாக குளிர்சாதனப்பெட்டி மேலும் குளிர்ச்சி அடைகிறது. சூழல் (சமையலறை) அல்லது (வளிமண்டலம்) வெப்பமடைகிறது.

• செயல்திறன் குணகம்: குளிர்சாதனப் பெட்டியின் செயல்திறனை அளவிடுவது செயல்திறன் குணகமாகும். (COP)

குளிர்பொருளிலிருந்து பெறப்பட்ட வெப்பத்திற்கு (வெப்ப ஏற்பி) அமுக்கியினால் செய்யப்பட்ட புற வேலைக்கும் (W) உள்ள தகவு செயல்திறன் வரையறுக்கப்படுகிறது .

• சமன்பாடு (1) லிருந்து,

•

• இதிலிருந்து

i) COP அதிகமாக இருந்தால் குளிர்சாதனப்பெட்டி சிறப்பாக இயங்கும். ஒரு நல்ல குளிர்சாதனப் பெட்டி (COP) கிட்டத்தட்ட 5 முதல் 6 வரை இருக்கும்.

ii) குளிர்சாதனப் பெட்டியின் குளிரூட்டும் பகுதியின் வெப்பநிலைக்கும், சூழலின் வெப்பநிலைக்கும் உள்ள வேறுபாடு குறைவாக இருந்தால், குளிர்சாதனப் பெட்டியின் COP அதிகமாக இருக்கும்.

iii) குளிர்சாதனப் பெட்டியில் புறவேலை செய்யப்பட்டு, குளிர்ச்சியான பொருளிலிருந்து வெப்பம் எடுக்கப்பட்டு வெப்பமான பொருளுக்குக் கொடுக்கப்படுகிறது. புறவேலை இல்லாமல் வெப்ப ஆற்றலானது குளிர்ச்சியான பொருளிலிருந்து வெப்பமான பொருளுக்கு பாயாது. இது வெப்ப அல்ல . ஏனெனில் வெப்பம் சுற்றுப்புறத்திலுள்ள காற்றுக்குக் கொடுக்கப்படுகிறது. மொத்த என்ட்ரோபி (குளிர்சாதனப்பெட்டி சூழல்) எப்போதும் + உயரும்.