இயற்பியலில் வெப்ப வேதியியல் விதிகள்

இயற்பியலில் வெப்ப வேதியியல் விதிகள்

வெப்ப வேதியியல் என்பது வேதி வினைகளுக்கும் (அல்லது ஒரு பொருளில் ஏற்படும் இயற்பியல் மாற்றங்களுக்கும்) அதனுடன் நிகழும் வெப்ப ஆற்றலுக்கும் (வெப்பம்) இடையேயான தொடர்பை ஆராயும் ஒரு அறிவியல் பிரிவாகும். இயற்பியலின் பின்னணியில், ஆற்றல், வெப்பம், வேலை மற்றும் பொருளின் நிலையில் ஏற்படும் மாற்றங்கள் ஆகிய கருத்துக்களுக்கு இடையே வெப்ப வேதியியல் ஒரு முக்கியமான பாலமாகச் செயல்படுகிறது. ஒரு வினை நிகழும்போது, ​​ஆற்றல் ஒருபோதும் தடயமின்றித் தோன்றுவதில்லை அல்லது மறைவதில்லை. ஆற்றல் வெறுமனே தன் வடிவத்தை மாற்றிக்கொள்கிறது: வேதி ஆற்றலிலிருந்து வெப்பமாகவோ அல்லது நேர்மாறாகவோ—வேதி மாற்றங்களை இயக்குவதற்காக வெப்பம் உறிஞ்சப்படுகிறது. இதை நிர்வகிக்கும் கோட்பாடுகள் வெப்ப வேதியியல் விதிகளில் சுருக்கமாகக் கூறப்பட்டுள்ளன, அவை வினை வெப்பங்களைக் கணக்கிடுவதற்கும், ஆற்றல் திறனுக்கும், மற்றும் தொழில்துறை அமைப்பு வடிவமைப்பிற்கும் கூட அடிப்படையாக அமைகின்றன.

அடிப்படைக் கருத்துகள் : அமைப்புகள், சூழல் மற்றும் வினை வெப்பம்

வெப்ப வேதியியலின் விதிகளைப் புரிந்துகொள்ள, முதலில் அமைப்பு மற்றும் சூழல் ஆகியவற்றின் வரையறைகளைப் புரிந்துகொள்ள வேண்டும். அமைப்பு என்பது நாம் ஆய்வு செய்யும் பிரபஞ்சத்தின் ஒரு பகுதியாகும் — எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு கலனில் வினைபுரியும் பொருட்கள். சூழலுக்கு வெளியே உள்ள அனைத்தும் சூழலாகும். ஒரு அமைப்புக்கும் அதன் சூழலுக்கும் இடையேயான ஆற்றல் பரிமாற்றம் பெரும்பாலும் வெப்ப வடிவில் நிகழ்கிறது.

வினை வெப்பம் பொதுவாக என்டால்பி மாற்றமாக வெளிப்படுத்தப்படுகிறது, இது ΔH எனக் குறிக்கப்படுகிறது. என்டால்பி என்பது ஒரு வெப்ப இயக்கவியல் அளவு ஆகும், இது மாறா அழுத்தத்தில் ஒரு அமைப்பின் "ஆற்றல் உள்ளடக்கத்தை" குறிக்கிறது, மேலும் பல வினைகள் வளிமண்டல அழுத்தத்தில் நடைபெறுவதால் இது மிகவும் பயனுள்ளதாக இருக்கிறது . பொதுவாக:

– அமைப்பு சுற்றுப்புறத்திற்கு வெப்பத்தை வெளியிட்டால், வினை வெப்ப உமிழ்வினையாகும் மற்றும் ΔH எதிர்மறையாக இருக்கும் (ΔH < 0). – அமைப்பு சுற்றுப்புறத்திலிருந்து வெப்பத்தை உறிஞ்சினால், வினை வெப்ப ஏற்புவினையாகும் மற்றும் ΔH நேர்மறையாக இருக்கும் (ΔH > 0).

வெப்ப உமிழ் வினைக்கு ஒரு எளிய எடுத்துக்காட்டு எரிபொருள் எரிதல் ஆகும், அதே சமயம் வெப்ப ஏற்பு வினைக்கு ஒரு எடுத்துக்காட்டு ஒளிச்சேர்க்கை செயல்முறை ஆகும் (இதற்கு சூரிய ஒளியிலிருந்து ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது).

வெப்ப வேதியியலின் அடித்தளமாக ஆற்றல் பாதுகாப்பு விதி

வெப்ப வேதியியலின் அனைத்து விதிகளுக்கும் பின்னால், இயற்பியலின் ஒரு மாபெரும் கொள்கை உள்ளது: அதுவே ஆற்றல் பாதுகாப்பு விதி. இதுவே வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியின் மையமாக முறையாக அமைகிறது. இந்த விதி, ஆற்றலை ஆக்கவும் முடியாது, அழிக்கவும் முடியாது, அதன் வடிவத்தை மட்டுமே மாற்ற முடியும் என்று கூறுகிறது. வெப்ப இயக்கவியல் குறியீட்டில், அக ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றம் (ΔU), வெப்பம் (Q) மற்றும் வேலை (W) ஆகியவற்றுடன் பின்வருமாறு தொடர்புடையது:

ΔU = Q − W

வேலையின் குறியீடும் வரையறையும் மரபுகளைப் பொறுத்து மாறுபடலாம், ஆனால் அடிப்படைக் கருத்து ஒன்றுதான்: ஒரு அமைப்பு வெப்பத்தைப் பெற்றால், அதன் அக ஆற்றல் அதிகரிக்க முனைகிறது; அந்த அமைப்பு சுற்றுப்புறத்தின் மீது வேலை செய்தால், அதன் அக ஆற்றல் குறைய முனைகிறது. பல வெப்பவேதியியல் நிகழ்வுகளில்—குறிப்பாக மாறா அழுத்தத்தில்—என்டால்பி (H) பெரும்பாலும் பயன்படுத்தப்படுகிறது, அதனால் மாறா அழுத்தத்தில் உள்ள வெப்பம் ΔH-க்குச் சமமாக இருக்கும்.

இந்த அடித்தளத்தின் அடிப்படையில், வெப்ப வேதியியல் வினைகளை வெறும் பொருள் மாற்றங்களாகக் கருதாமல், துல்லியமாகக் கணக்கிடக்கூடிய ஆற்றல் மாற்றங்களாகக் கருதுகிறது.

ஹெஸ்ஸின் விதி: வினை வெப்பம் பாதை சார்பற்றது

வெப்ப வேதியியலின் மிக முக்கியமான விதிகளில் ஒன்று ஹெஸ் விதி ஆகும். இந்த விதியின்படி, ஒரு வினையின் மொத்த என்டால்பி மாற்றம், வினையின் பாதையைச் சார்ந்து இல்லாமல், அதன் ஆரம்ப மற்றும் இறுதி நிலைகளை மட்டுமே சார்ந்துள்ளது. இதன் பொருள் என்னவென்றால், வினைபடுபொருள்களும் இறுதி விளைபொருள்களும் ஒன்றாக இருக்கும் பட்சத்தில், ஒரு வினை பல படிகளில் நிகழ முடியுமானால், உருவாகும் அல்லது உறிஞ்சப்படும் வெப்பத்தின் அளவு (ΔH), நேரடி வினையின் வெப்பத்திற்குச் சமமாக இருக்கும்.

கணிதரீதியாக, A → B என்ற வினையை பின்வருமாறு பிரிக்க முடிந்தால்:
– A → C (ΔH₁)
– C → B (ΔH₂)

ஆகவே:
ΔH மொத்தம் = ΔH₁ + ΔH₂

பல வினைகளின் வினை வெப்பத்தை நேரடியாக அளவிடுவது கடினம் என்பதால், ஹெஸ்ஸின் விதி பயனுள்ளதாக இருக்கிறது. தரவுகள் கிடைக்கப்பெறும் படிநிலைகளாக வினையைப் பிரிப்பதன் மூலம், நாம் ΔH-ஐ மறைமுகமாகக் கணக்கிடலாம். பயன்பாட்டு மற்றும் தொழில்துறை இயற்பியலில், அம்மோனியா உற்பத்தி, உலோகச் சுத்திகரிப்பு மற்றும் மின்கலங்களில் நிகழும் வினைகள் போன்ற வேதியியல் செயல்முறைகளின் ஆற்றல் தேவைகளைக் கணிக்க இந்த விதி உதவுகிறது.

லவாய்சியர்-லாப்லேஸ் விதி: எதிர் வினைகளின் ΔH எதிர் குறியீட்டைக் கொண்டிருக்கும்.

மற்றொரு முக்கியமான வெப்பவேதியியல் விதி லவாய்சியர்-லப்லாஸ் விதியாகும். இது, ஒரு செயல்முறையின் வினை வெப்பமானது, அதன் எதிர் வினையின் வெப்பத்திற்கு அளவில் சமமாகவும், குறியீட்டில் எதிராகவும் இருக்கும் என்று கூறுகிறது. வேறுவிதமாகக் கூறினால்:

எதிர்வினை ஏற்பட்டால்:
A → B-க்கு ΔH = x ஆகும்.

பின்னர் தலைகீழ் எதிர்வினை:
B → A-க்கு ΔH = −x.

இந்தக் கொள்கை எளிமையானதாகத் தோன்றினாலும், இது மிகவும் அடிப்படையானது. ஆற்றல் மாற்றங்கள் ஒரு நிலைச் சமச்சீரைப் பின்பற்றுகின்றன என்று இது வலியுறுத்துகிறது: A-இலிருந்து B-க்கு ஒரு குறிப்பிட்ட அளவு ஆற்றல் வெளியிடப்பட்டால், B-இலிருந்து A-க்குத் திரும்புவதற்கு அதே அளவு ஆற்றல் உறிஞ்சப்பட வேண்டும். வெப்ப இயந்திரங்கள், குளிர்பதன அமைப்புகள் மற்றும் மூலக்கூறுகளுக்குள் உள்ள பிணைப்பு ஆற்றல்களின் கணக்கீடுகள் உள்ளிட்ட ஆற்றல் சுழற்சிகளின் பகுப்பாய்வில் இந்தக் கொள்கை பயன்படுத்தப்படுகிறது.

உருவாதல் வெப்பம் மற்றும் எரிதல் வெப்பம்

வெப்பவேதியியல் கணக்கீடுகளை எளிதாக்குவதற்காக, விஞ்ஞானிகள் பல வகையான திட்ட வெப்ப ஆற்றல்களை வரையறுக்கின்றனர்:

1. திட்ட உருவாதல் வெப்பம் (ΔHf°)
திட்ட நிலைமைகளின் கீழ் (பொதுவாக 1 வளிமண்டல அழுத்தம் மற்றும் 25°C) ஒரு சேர்மத்தின் 1 மோல் அதன் தனிமங்களிலிருந்து உருவாகும்போது ஏற்படும் என்தால்பி மாற்றம் இதுவாகும். ஒரு வினையின் ΔH-ஐக் கணக்கிடுவதில் இந்த மதிப்பு ஒரு "அடிப்படைக் கூறாக" விளங்குகிறது.

2. திட்ட எரிதல் வெப்பம் (ΔHc°)
ஒரு பொருளின் 1 மோல் ஆக்ஸிஜனில் முழுமையாக எரிக்கப்படும்போது ஏற்படும் என்தால்பி மாற்றம் இதுவாகும். எரிதல் பொதுவாக வெப்ப உமிழ் வினையாகும், எனவே ΔHc° பொதுவாக எதிர்மறையாக இருக்கும்.

உருவாதல் வெப்ப ஆற்றல் தரவுகளைக் கொண்டு, வினையின் வெப்ப ஆற்றல் மாற்றத்தை பின்வரும் வழியில் கணக்கிடலாம்:

ΔHreaction = Σ(ΔHf° product) − Σ(ΔHf° reactant)

இந்த சூத்திரம், இயற்பியல் வேதியியல் மற்றும் வேதியியல் இயற்பியலில், குறிப்பாக ஏறக்குறைய திட்ட நிலைமைகளின் கீழ் நிகழும் வினைகளைப் பற்றி ஆய்வு செய்யும்போது, ​​மிக அடிக்கடி பயன்படுத்தப்படுகிறது.

வெப்ப அளவியல்: வினை வெப்பத்தை அளவிடுவது எப்படி

வெப்ப வேதியியலின் விதிகள் கோட்பாட்டு ரீதியானவை மட்டுமல்ல, அவற்றைச் சோதனை ரீதியாகவும் நிரூபிக்க முடியும். வினை வெப்பத்தை அளவிடுவதற்கான முதன்மை நுட்பம் கலோரிமெட்ரி ஆகும்; இது ஒரு கலோரிமீட்டரைப் பயன்படுத்தி வெப்பப் பரிமாற்றத்தை அளவிடுவதாகும்.

ஒரு எளிய வெப்ப அளவீட்டு சோதனையில் , ஒரு வினையினால் வெளியிடப்படும் அல்லது உறிஞ்சப்படும் வெப்பமானது, சுற்றியுள்ள நீர் அல்லது பிற பொருளின் வெப்பநிலையை மாற்றும். இதற்கான அடிப்படைத் தொடர்பு:

Q = mc ΔT

உடன்:
– Q = வெப்பம் (ஜூல்)
– m = நிறை (கிலோகிராம் அல்லது கிராம்)
– c = தன்வெப்பம் (J/kg·K அல்லது J/g·°C)
– ΔT = வெப்பநிலையில் ஏற்படும் மாற்றம்

பாம் கலோரிமீட்டரில், எரிதல் வினையானது ஒரு நிலையான கனஅளவைப் பராமரிக்கும் மூடிய கொள்கலனில் நடைபெறுகிறது. இது பெரும்பாலும் அக ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றத்துடன் (ΔU) தொடர்புடையது, ஆனால் தேவைப்பட்டால் இதனை ΔH ஆகவும் மாற்றிக்கொள்ளலாம்.

இயற்பியலிலும் நிஜ வாழ்க்கையிலும் அதன் பொருத்தம்

பயன்பாட்டு இயற்பியலில் வெப்ப வேதியியல் ஒரு பரந்த தாக்கத்தை ஏற்படுத்துகிறது. ஆற்றல் துறையில், இது எரிபொருள்களின் கலோரி மதிப்பைத் தீர்மானிக்க உதவுகிறது, இது மின் உற்பத்தி, வாகன இயந்திரங்கள் மற்றும் ஆற்றல் திறன் மதிப்பீடுகளுக்கு மிகவும் இன்றியமையாதது. பொருள் அறிவியலில் , சிமெண்ட், எஃகு அல்லது பீங்கான் தயாரிப்பில் சில வினைகளுக்கு ஏன் அதிக வெப்பநிலையும் அதிக அளவு ஆற்றலும் தேவைப்படுகின்றன என்பதை வெப்ப வேதியியல் விளக்குகிறது. சுற்றுச்சூழல் துறையில், எரிதல் வெப்பங்களைக் கணக்கிடுவது பசுமை இல்ல வாயு வெளியேற்றம் மற்றும் புவி வெப்பமயமாதலின் தாக்கத்தைக் குறைப்பதற்கான உத்திகளுக்குப் பொருத்தமானதாக உள்ளது.

உயிரியலிலும் கூட, வெப்ப வேதியியல் என்பது, அடிப்படையில் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட வெப்ப உமிழ் வேதி வினைகளான வளர்சிதை மாற்ற வினைகள் மூலம், உடல் எவ்வாறு உணவிலிருந்து ஆற்றலைப் பெறுகிறது என்பதை விளக்குகிறது.

மூடுகிறது

இயற்பியலில் உள்ள வெப்ப வேதியியல் விதிகள், வேதி வினைகளும் இயற்பியல் மாற்றங்களும் எப்போதும் அளவிடக்கூடிய ஆற்றல் மாற்றங்களுடன் தொடர்புடையவை என்று வலியுறுத்துகின்றன. ஆற்றல் பாதுகாப்பு விதி, ஹெஸ் விதி மற்றும் லாவாய்சியர்-லாப்லேஸ் விதி ஆகியவற்றின் அடிப்படையில், இயற்கை நிகழ்வுகளைப் புரிந்துகொள்வதற்கும் தொழில்துறை செயல்முறைகளை வடிவமைப்பதற்கும், வினை வெப்பங்களை நம்மால் கணக்கிட்டு முன்கணிக்க முடியும். வெப்ப வேதியியல் என்பது வெறும் சூத்திரங்களின் தொகுப்பு மட்டுமல்ல, அது பொருளில் ஏற்படும் ஒவ்வொரு மாற்றத்திற்கும் எப்போதும் ஒரு ஆற்றல் "செலவு" அல்லது "விளைவு" உண்டு என்பதை நிரூபிக்கும் ஒரு அறிவியல் கண்ணோட்டமாகும். இந்த விதிகளைப் புரிந்துகொள்வது என்பது, பிரபஞ்சத்தில் உள்ள பொருளுக்கும் ஆற்றலுக்கும் இடையிலான இடைவினையின் அடிப்படை அடித்தளங்களில் ஒன்றைப் புரிந்துகொள்வதாகும்.

நீங்கள் விரும்பினால், ஹெஸ் விதி அல்லது ΔHf° தரவைப் பயன்படுத்தி ΔH-ஐக் கணக்கிடுவதற்கான ஒரு உதாரணத்தை, அதற்கான படிகளுடன் என்னால் சேர்க்க முடியும்.