அழுத்தத்திற்கும் வெப்பநிலைக்கும் இடையிலான தொடர்பு

அழுத்தத்திற்கும் வெப்பநிலைக்கும் இடையிலான தொடர்பு

அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலை ஆகிய இரண்டும் நெருங்கிய தொடர்புடைய இரண்டு இயற்பியல் அளவுகள் ஆகும், குறிப்பாக வாயுக்களைப் பற்றி நாம் விவாதிக்கும்போது. அன்றாட வாழ்வில், நீண்ட நேரம் பயன்படுத்திய பிறகு 'கடினமாக' உணரும் வாகன டயர்கள், சூடுபடுத்தக் கூடாத ஏரோசால் கலன்கள், மற்றும் சமையல் செயல்முறையை வேகப்படுத்தும் பிரஷர் குக்கர்கள் போன்றவற்றில் இவ்விரண்டிற்கும் இடையிலான தொடர்பைக் காணலாம். இது எளிமையாகத் தோன்றினாலும், அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலைக்கு இடையிலான தொடர்பு, வாயுக்களின் இயக்கவியல் கோட்பாடு மற்றும் வெப்ப இயக்கவியல் விதிகளில் ஒரு வலுவான அறிவியல் அடிப்படையைக் கொண்டுள்ளது. இந்தக் கட்டுரை, அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலை எவ்வாறு ஒன்றையொன்று பாதிக்கின்றன, அதை விளக்கும் சூத்திரங்கள் மற்றும் அதன் பயன்பாட்டு எடுத்துக்காட்டுகள் பற்றி விவாதிக்கிறது.

அடிப்படைக் கருத்துகளைப் புரிந்துகொள்ளுதல் : அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலை

அழுத்தம் என்பது ஓரலகு பரப்பிற்கான விசை என வரையறுக்கப்படுகிறது. வாயுக்களைப் பொறுத்தவரை, வாயு மூலக்கூறுகள் சீரற்ற முறையில் நகர்ந்து கலனின் சுவர்களுடன் மோதுவதால் அழுத்தம் ஏற்படுகிறது. இந்த மோதல்கள் எவ்வளவு அடிக்கடி மற்றும் தீவிரமாக நிகழ்கின்றனவோ, அந்த அளவிற்கு அழுத்தம் அதிகமாக இருக்கும். அழுத்தத்தின் SI அலகு பாஸ்கல் (Pa) ஆகும், ஆனால் நடைமுறையில், அட்மாஸ்பியர் (atm), பார் அல்லது mmHg போன்றவை பெரும்பாலும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

வெப்பநிலை என்பது ஒரு பொருளை உருவாக்கும் துகள்களின் சராசரி இயக்க ஆற்றலின் அளவீடு ஆகும். வெப்பநிலை அதிகரிக்கும்போது, ​​துகள்கள் வேகமாக நகரும்; வெப்பநிலை குறையும்போது, ​​அவற்றின் இயக்கம் மெதுவாகும். வெப்பநிலையின் SI அலகு கெல்வின் (K) ஆகும், இருப்பினும் அன்றாட வாழ்வில் டிகிரி செல்சியஸ் (°C) பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. இலட்சிய வாயுக்களைக் கணக்கிடுவதில் கெல்வின் மிகவும் முக்கியமானது, ஏனெனில் இந்த அளவுகோல் தனிச்சூனியத்தில் (0 K) தொடங்குகிறது; இது துகள்களின் இயக்க ஆற்றல் இலட்சிய ரீதியாக குறைந்தபட்ச அளவில் இருக்கும் புள்ளியாகும்.

மேலே உள்ள இரண்டு வரையறைகளையும் நாம் இணைத்தால், அழுத்தத்திற்கும் வெப்பநிலைக்கும் இடையிலான தொடர்பு தெளிவாகிறது: வெப்பநிலை துகள்கள் எவ்வளவு வேகமாக நகர்கின்றன என்பதைத் தீர்மானிக்கிறது, அதே சமயம் அழுத்தம் என்பது கொள்கலனின் சுவர்களில் துகள்கள் மோதும் தாக்கங்களைச் சார்ந்துள்ளது. துகள்கள் வேகமாக நகரும்போது (வெப்பநிலை அதிகரிக்கும்போது), மோதல்கள் அடிக்கடி மற்றும் வலுவாக நிகழ்கின்றன, எனவே அழுத்தம் அதிகரிக்க முனைகிறது — நிச்சயமாக, கன அளவு மாறாமல் இருக்கும் பட்சத்தில்.

இயக்கவியல் கோட்பாடு: வெப்பநிலை அதிகரிக்கும்போது அழுத்தம் ஏன் அதிகரிக்கிறது?

வாயுக்களின் இயக்கவியல் கோட்பாட்டின்படி, வாயுக்கள் என்பவை சீரற்ற முறையில் நகர்ந்து ஒன்றோடு ஒன்று மோதிக்கொள்ளும் துகள்களைக் கொண்டிருக்கின்றன. அதிக வெப்பநிலையில், துகள்களின் சராசரி இயக்க ஆற்றல் அதிகரிக்கிறது. இதன் விளைவாக:

1. மோதல் நிகழ்வெண் அதிகரிக்கிறது: துகள்கள் கலனுக்குள் உள்ள வெளியில் வேகமாகப் பயணிப்பதால், அவை சுவர்களில் அடிக்கடி மோதுகின்றன.
2. மோதல் உந்தம் அதிகமாக இருக்கும்: துகள் வேகமாகச் செல்லும்போது, ​​அது தெறிக்கும்போது அதன் உந்தத்தில் ஏற்படும் மாற்றமும் அதிகமாக இருக்கும்.
3. மொத்த அழுத்தம் அதிகரிக்கிறது: ஏனெனில், கொள்கலனின் சுவர்களில் துகள்கள் மோதுவதால் உருவாகும் திரண்ட விசையின் விளைவாகவே அழுத்தம் ஏற்படுகிறது.

இந்தக் கண்ணோட்டத்தில், அழுத்தத்திற்கும் வெப்பநிலைக்கும் இடையிலான தொடர்பு என்பது வெறும் ஒரு சூத்திரம் மட்டுமல்ல, அது துகள்களின் நுண்ணிய இயக்கத்தின் நேரடி விளைவாகும்.

கே-லுசாக் விதி: அழுத்தம் வெப்பநிலைக்கு நேர் விகிதத்தில் இருக்கும் (மாறாத கனஅளவு)

மாறாத கன அளவு கொண்ட ஒரு மூடிய கொள்கலனில் (எ.கா. வாயு உருளை அல்லது ஏரோசல் கேன்) உள்ள வாயுவிற்கு, அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலைக்கு இடையேயான தொடர்பு கே-லுசாக் விதியால் வெளிப்படுத்தப்படுகிறது:

\[
\frac{P}{T} = மாறிலி
\]

அல்லது இரண்டு நிலைகளின் வடிவத்தில்:

\[
\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}
\]

இங்கு \(P\) என்பது அழுத்தம் மற்றும் \(T\) என்பது கெல்வின் அளவிலான வெப்பநிலை ஆகும். ஒரு வாயுவின் கனஅளவும் மோல்களின் எண்ணிக்கையும் மாறாமல் இருக்கும் பட்சத்தில், அதன் அழுத்தம் தனி வெப்பநிலைக்கு நேர் விகிதத்தில் இருக்கும் என்று இந்த விதி கூறுகிறது. அதாவது, வெப்பநிலை (கெல்வினில்) இரு மடங்கானால், அழுத்தமும் இரு மடங்காகும்.

ஒரு எளிய உதாரணம்: வாயுவைக் கொண்ட ஒரு குழாய் 300 K வெப்பநிலையிலும் 1 atm அழுத்தத்திலும் இருந்து, அதன் வெப்பநிலை 360 K ஆக உயர்ந்தால், அழுத்தம் பின்வருமாறு மாறும்:

\[
P_2 = P_1 \times \frac{T_2}{T_1} = 1 \times \frac{360}{300} = 1{,}2 \text{ atm}
\]

இந்த 20% அதிகரிப்பு சிறியதாகத் தோன்றலாம், ஆனால் சில சூழ்நிலைகளில் இது ஆபத்தானதாக இருக்கக்கூடும், குறிப்பாக அந்த சிலிண்டர் உயர் அழுத்தத்தைத் தாங்கும் வகையில் வடிவமைக்கப்படவில்லை என்றால்.

நல்லியல்பு வாயு விதி: P, V, மற்றும் T ஆகியவற்றின் ஒட்டுமொத்த தொடர்பு

அழுத்தத்திற்கும் வெப்பநிலைக்கும் இடையிலான தொடர்பை இன்னும் முழுமையாகப் புரிந்துகொள்ள, நாம் நல்லியல்பு வாயுச் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்துகிறோம்:

\[
பிவி = என்ஆர்டி
\]

உடன்:
– \(P\) = அழுத்தம்
– \(V\) = கன அளவு
– \(n\) = வாயுவின் மோல்களின் எண்ணிக்கை
– \(R\) = நல்லியல்பு வாயு மாறிலி
– \(T\) = தனி வெப்பநிலை (K)

\(n\) மற்றும் \(V\) ஆகியவை நிலையானவை எனில்:

\[
P ≤ T
\]

இது கே-லுசாக் விதியை அடிப்படையாகக் கொண்டது. இருப்பினும், கனஅளவு மாறினால், அழுத்தத்திற்கும் வெப்பநிலைக்கும் இடையிலான தொடர்பு மாறக்கூடும் என்பதை நல்லியல்பு வாயுக்களும் காட்டுகின்றன . எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு மீள் தன்மை கொண்ட பலூனில், வெப்பநிலை அதிகரிக்கும்போது, ​​பலூன் விரிவடையலாம் (கனஅளவு அதிகரிக்கலாம்), எனவே ஒரு திடமான கொள்கலனில் அதிகரிப்பது போல அழுத்தம் எப்போதும் அதிகமாக அதிகரிப்பதில்லை.

கன அளவின் பங்கு: ஏன் எல்லா அமைப்புகளும் ஒரே மாதிரியான அழுத்த அதிகரிப்பை அனுபவிப்பதில்லை?

நிஜ உலகில், பல கொள்கலன்கள் முற்றிலும் திடமானவையாக இருப்பதில்லை. ஒரு வாயுவைச் சூடாக்கும்போது, ​​இரண்டு சாத்தியமான விளைவுகள் ஏற்படுகின்றன:

1. நிலையான கொள்ளளவு (கடினமான கொள்கலன்): அழுத்தம் கணிசமாக அதிகரிக்கிறது.
2. கன அளவு அதிகரிப்பு (நெகிழ்வான கொள்கலன்): வெப்பமூட்டலின் சில “விளைவுகள்” கன அளவு அதிகரிப்புகளாக மாறுகின்றன, எனவே அழுத்தம் சிறிதளவு அதிகரிக்கலாம், அப்படியே இருக்கலாம், அல்லது அதிகரிக்கலாம், ஆனால் கன அளவு மாறாமல் இருக்கும் நேர்வில் ஏற்படும் அதிகரிப்பைப் போல அவ்வளவு அதிகமாக இருக்காது.

இதற்கு ஒரு உதாரணம் வெப்பக் காற்று பலூன். பலூனுக்குள் இருக்கும் காற்று சூடாக்கப்படுவதால், அதன் அடர்த்தி குறைந்து, பலூன் விரிவடைந்து, மிதப்புத்தன்மை அதிகரிக்கிறது. பலூனின் அடிப்பகுதி திறந்திருப்பதால் (அல்லது அழுத்தம் கணிசமாக அதிகரிப்பதைத் தடுக்கும் ஒரு பொறிமுறையைக் கொண்டிருப்பதால்), பலூனுக்குள் இருக்கும் அழுத்தம் வளிமண்டல அழுத்தத்தை நெருங்க முனைகிறது . எனவே, சூடாக்குதல் என்பது அழுத்தத்தை கணிசமாக அதிகரிப்பதை விட, முதன்மையாக கனஅளவு மற்றும் அடர்த்தியையே பாதிக்கிறது.

அன்றாட வாழ்வில் பயன்பாட்டிற்கான எடுத்துக்காட்டுகள்

1. வாகன டயர்கள்
நீண்ட பயணத்திற்குப் பிறகு டயர் அழுத்தம் அதிகரிக்கலாம். டயருக்கும் சாலைக்கும் இடையேயான உராய்வும், டயரின் வடிவ மாற்றமும் வெப்பத்தை உருவாக்கி, டயருக்குள் இருக்கும் காற்றின் வெப்பநிலையை உயர்த்துகின்றன. டயரின் கன அளவு ஒப்பீட்டளவில் நிலையானதாக இருப்பதால் (அது சிறிதளவு ஏற்ற இறக்கம் கண்டாலும்), இறுதியில் அழுத்தம் அதிகரிக்கிறது. இதனால்தான், டயர்கள் 'குளிர்ச்சியாக' இருக்கும்போது டயர் அழுத்த அளவீடுகளை எடுப்பது மிகவும் உகந்தது.

2. ஏரோசல் கேன்கள்
ஏரோசால் கேன்களில் அழுத்தப்பட்ட வாயுக்களும் திரவங்களும் உள்ளன. அவற்றைச் சூடுபடுத்தும்போது, ​​வாயுவின் வெப்பநிலை உயர்ந்து அழுத்தம் அதிகரிக்கிறது. கேன் இறுக்கமாகவும் காற்றுப்புகாதவாறும் மூடப்பட்டிருப்பதால், அதன் கன அளவு ஏறக்குறைய மாறாமல் உள்ளது. இது, அழுத்தம் திடீரென அதிகரிக்க வழிவகுக்கிறது. இதனால்தான் "எரிக்க வேண்டாம்" அல்லது "சூடான இடங்களில் சேமிக்க வேண்டாம்" போன்ற எச்சரிக்கைகள் அடிக்கடி பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

3. பிரஷர் குக்கர்
பிரஷர் குக்கர்கள், பாத்திரத்தினுள் உள்ள நீரின் ஆவி அழுத்தத்தை அதிகரிப்பதன் மூலம் செயல்படுகின்றன. அழுத்தம் அதிகரிக்கும்போது, ​​நீரின் கொதிநிலையும் அதிகரிக்கிறது. இதனால், நீர் வேகமாக ஆவியாகாமல், 100°C-க்கும் அதிகமான வெப்பநிலையில் உணவைச் சமைக்க முடிகிறது. இங்கு, அழுத்தம்-வெப்பநிலைத் தொடர்பானது வெறும் இலட்சிய வாயுக்களுடன் மட்டுமல்லாமல், நிலைச் சமநிலையுடனும் (திரவ நீர் மற்றும் நீராவி) தொடர்புடையது. ஆனால், பொதுவான கொள்கை மாறாமல் உள்ளது: அழுத்தப்பட்ட அமைப்புகள் அதிக இயக்க வெப்பநிலைகளை அனுமதிக்கின்றன.

4. குளிரூட்டும் மற்றும் ஏசி அமைப்புகள்
குளிர்பதன சுழற்சியில், குளிர்பதனப் பொருள் அமுக்கத்திற்கும் விரிவாக்கத்திற்கும் உள்ளாகிறது. அமுக்கப்படும்போது, ​​அதன் அழுத்தம் அதிகரித்து, பொதுவாக அதன் வெப்பநிலையும் அதிகரிக்கிறது. பின்னர், குளிர்பதனப் பொருள் சுற்றுச்சூழலுக்கு வெப்பத்தை வெளியிட்டு, ஒரு நிலை மாற்றத்திற்கு உள்ளாகிறது. ஒரு குளிர்பதனப் பொருளில் உள்ள அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலைக்கு இடையிலான தொடர்பு, அமைப்பின் செயல்திறன் மற்றும் பாதுகாப்பிற்கு மிகவும் இன்றியமையாதது.

உண்மையான நிலைமைகள்: இலட்சிய வாயுவிலிருந்து விலகல்கள்

கே-லுசாக்கின் விதியும் நல்லியல்பு வாயுச் சமன்பாடும், மூலக்கூறுகளுக்கு இடையேயான இடைவினைகளைப் புறக்கணிக்கக்கூடிய குறைந்த அழுத்தங்களிலும் ஒப்பீட்டளவில் அதிக வெப்பநிலைகளிலும் மிகவும் துல்லியமாக இருக்கும். அதிக அழுத்தங்கள் அல்லது குறைந்த வெப்பநிலைகளில், உண்மையான வாயுக்கள் பின்வரும் காரணங்களால் விலகக்கூடும்:
– மூலக்கூறுகளுக்கு இடையேயான ஈர்ப்பு விசைகள்,
– புறக்கணிக்க முடியாத மூலக்கூறு அளவு,
– ஒடுக்கம் தெவிட்டிய நிலையை நெருங்குவதற்கான சாத்தியம்.

இந்த நிலைமைகளின் கீழ், அழுத்தத்திற்கும் வெப்பநிலைக்கும் இடையிலான தொடர்பு நீடிக்கிறது, ஆனால் இந்த சூத்திரத்திற்கு ஒரு உண்மையான வாயு மாதிரி (எ.கா., வான் டெர் வால்ஸ் சமன்பாடு) அல்லது அனுபவத் தரவுகள் தேவைப்படுகின்றன.

முடிவுரை

அழுத்தத்திற்கும் வெப்பநிலைக்கும் இடையிலான தொடர்பு, இயற்பியல் மற்றும் பொறியியலில் ஒரு முக்கியக் கருத்தாகும். நுண்ணிய அளவில், வெப்பநிலை வாயுத் துகள்கள் நகரும் வேகத்தைத் தீர்மானிக்கிறது, அதே சமயம் அழுத்தம் என்பது கலனின் சுவர்களில் துகள்கள் மோதுவதால் ஏற்படுகிறது. கே-லுசாக் விதியின்படி, மாறாத கன அளவு கொண்ட ஒரு கலனில், அழுத்தம் தனி வெப்பநிலைக்கு நேர் விகிதத்தில் இருக்கும். நல்லியல்பு வாயுச் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தும்போது, ​​இந்தத் தொடர்பு வாயுவின் கன அளவு மற்றும் அளவையும் சார்ந்துள்ளது என்பதை நாம் காண்கிறோம். இதன் பயன்பாடுகள் வாகன டயர்கள் மற்றும் ஏரோசோல்கள் முதல் பிரஷர் குக்கர்கள் மற்றும் குளிரூட்டும் அமைப்புகள் வரை பரந்து விரிந்துள்ளன. அழுத்தத்திற்கும் வெப்பநிலைக்கும் இடையிலான தொடர்பைப் புரிந்துகொள்வது, இயற்பியல் அளவுகளைக் கணக்கிட உதவுவது மட்டுமல்லாமல், பல அன்றாடத் தொழில்நுட்பங்களின் பாதுகாப்பையும் செயல்திறனையும் மேம்படுத்துகிறது.