வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதி

வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதி பற்றிய பொருள்

வெப்ப இயக்கவியல் செயல்முறை

வெப்பம் (Q) என்பது வெப்பநிலை வேறுபாட்டின் காரணமாக ஒரு பொருளில் இருந்து மற்றொரு பொருளுக்கு நகரும் ஆற்றலாகும். அமைப்பு மற்றும் சுற்றுச்சூழலைப் பொறுத்தவரையில், வெப்பநிலை வேறுபாட்டின் காரணமாக அமைப்பிலிருந்து சுற்றுச்சூழலுக்கு நகரும் ஆற்றல் அல்லது சுற்றுச்சூழலில் இருந்து அமைப்புக்கு நகரும் ஆற்றல் என வெப்பத்தைக் கூறலாம். அமைப்பின் வெப்பநிலை சுற்றுச்சூழல் வெப்பநிலையை விட அதிகமாக இருந்தால், வெப்பம் அமைப்பிலிருந்து சுற்றுச்சூழலுக்குப் பாயும். இதற்கு நேர்மாறாக, சுற்றுச்சூழல் வெப்பநிலை அமைப்பின் வெப்பநிலையை விட அதிகமாக இருந்தால், வெப்பம் சுற்றுச்சூழலில் இருந்து அமைப்புக்குப் பாயும்.

வெப்பம் (Q) என்பது வெப்பநிலை வேறுபாட்டின் காரணமாக ஏற்படும் ஆற்றல் பரிமாற்றத்துடன் தொடர்புடையது என்றால், கெர்ஜா (W) என்பது இயந்திர வழிமுறைகள் மூலம் நிகழும் ஆற்றல் பரிமாற்றத்தைக் குறிக்கிறது. எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு அமைப்பு சுற்றுச்சூழலின் மீது வேலை செய்தால், ஆற்றல் தானாகவே அந்த அமைப்பிலிருந்து சுற்றுச்சூழலுக்கு நகரும். இதற்கு நேர்மாறாக, சுற்றுச்சூழல் அந்த அமைப்பின் மீது வேலை செய்தால், ஆற்றல் சுற்றுச்சூழலிலிருந்து அந்த அமைப்புக்கு நகரும்.

ஒரு அமைப்புக்கும் அதன் சுற்றுப்புறத்திற்கும் இடையே வெப்பம் மற்றும் வேலையை உள்ளடக்கிய ஆற்றல் பரிமாற்றத்திற்கான ஒரு எளிய உதாரணம், சூடான நீராவி ஒரு பானை மூடியைத் தள்ளுவதாகும். வெப்பத்தின் இருப்பு, அந்த அமைப்பை (நீராவியை) பானை மூடியைத் தள்ளச் செய்கிறது (நீராவி சுற்றுச்சூழலில் வேலை செய்கிறது). இது, அமைப்புக்கும் அதன் சுற்றுப்புறத்திற்கும் இடையே நிகழும் ஆற்றல் பரிமாற்றத்தால் ஒரு அமைப்பின் நிலையில் ஏற்படும் மாற்றத்திற்கான ஒரு உதாரணம் ஆகும். இதுபோல இன்னும் பல உதாரணங்கள் உள்ளன. ஒரு அமைப்புக்கும் அதன் சுற்றுப்புறத்திற்கும் இடையே வெப்பம் மற்றும் வேலையை உள்ளடக்கிய ஆற்றல் பரிமாற்றத்தால் ஒரு அமைப்பின் நிலையில் ஏற்படும் மாற்றங்கள் வெப்ப இயக்கவியல் செயல்முறைகள் என்று அழைக்கப்படுகின்றன.

அக ஆற்றல் மற்றும் வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதி

உள் ஆற்றல் ஒரு அமைப்பின் ஆற்றல் (U) என்பது, அந்த அமைப்பில் உள்ள மூலக்கூறுகளின் அனைத்து இயக்க ஆற்றல்களின் கூட்டுத்தொகை மற்றும் அந்த மூலக்கூறுகளுக்கு இடையேயான இடைவினைகளால் எழும் அனைத்து நிலை ஆற்றல்களின் கூட்டுத்தொகை ஆகியவற்றின் கூட்டுத்தொகையாகும். சுற்றுப்புறத்திலிருந்து அமைப்புக்கு வெப்பம் பாய்ந்தால் (அமைப்பு ஆற்றலைப் பெற்றால்), அமைப்பில் உள்ள ஆற்றல் அதிகரிக்கும் என்று நாம் எதிர்பார்க்கிறோம்... இதற்கு நேர்மாறாக, அமைப்பு சுற்றுப்புறத்தின் மீது வேலை செய்தால் (அமைப்பு ஆற்றலை வெளியிட்டால்), அமைப்பில் உள்ள ஆற்றல் குறையும்.

எனவே, ஆற்றல் அழிவின்மைக் கொள்கையின் அடிப்படையில், அமைப்பில் ஏற்படும் ஆற்றல் மாற்றம் = அமைப்புக்குச் சேர்க்கப்பட்ட வெப்பம் (அமைப்பு ஆற்றலைப் பெறுகிறது) – அமைப்பால் செய்யப்பட்ட வேலை (அமைப்பு ஆற்றலை வெளியிடுகிறது) என்று முடிவு செய்யலாம். கணிதரீதியாக:

இந்தச் சமன்பாடு ஒரு மூடிய அமைப்புக்குப் பொருந்தும் (மூடிய அமைப்பு என்பது, அமைப்புக்கும் சுற்றுச்சூழலுக்கும் இடையில் மட்டுமே ஆற்றல் பரிமாற்றத்தை அனுமதிக்கும் ஒரு அமைப்பாகும்). ஒரு தனிமைப்படுத்தப்பட்ட மூடிய அமைப்பில், எந்த ஆற்றலும் உள்ளே நுழைவதோ வெளியேறுவதோ இல்லை. எனவே, அக ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றம் = 0.

பொருளின் அளவைச் சேர்ப்பதாலும் குறைப்பதாலும் அமைப்பில் ஏற்படும் ஆற்றல் மாற்றங்களை நாம் கணக்கில் எடுத்துக்கொண்டால், இந்தச் சமன்பாடு திறந்த அமைப்புகளுக்கும் பொருந்தும் (திறந்த அமைப்பு என்பது, அமைப்புக்கும் சுற்றுச்சூழலுக்கும் இடையில் பொருள் மற்றும் ஆற்றல் பரிமாற்றத்தை அனுமதிக்கும் ஒரு அமைப்பாகும்). வெப்பநிலை வேறுபாடுகளால் கடத்தப்படும் ஆற்றலாக வெப்பம் புரிந்துகொள்ளப்பட்ட பிறகு, பத்தொன்பதாம் நூற்றாண்டில் வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதி உருவாக்கப்பட்டது.

அக ஆற்றல் என்பது ஒரு அமைப்பின் நுண்ணிய நிலையை விவரிக்கும் ஒரு அளவாகும். ஒரு அமைப்பின் நுண்ணிய நிலையை விவரிக்கும் அளவை (அக ஆற்றல்) நேரடியாகக் கண்டறிய முடியாது. வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதிச் சமன்பாட்டில் நாம் பகுப்பாய்வு செய்வது அக ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றத்தை மட்டுமே. அமைப்புக்குச் சேர்க்கப்படும் ஆற்றல் மற்றும் வெப்பம், வேலை வடிவில் அமைப்பால் வெளியிடப்படும் ஆற்றல் ஆகியவற்றால் அக ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்களைக் கண்டறிய முடியும். இதற்கு மாறாக, பருநிலைகளை விவரிக்கும் அளவுகளை நேரடியாகக் கண்டறிய முடியும். பருநிலைகளை விவரிக்கும் அளவுகள் வெப்பநிலை (T), அழுத்தம் (p), கன அளவு (V), மற்றும் நிறை (m) அல்லது மோல்களின் எண்ணிக்கை (n) ஆகும். வெப்பமும் வேலையும் அமைப்புக்கும் அதன் சுற்றுப்புறத்திற்கும் இடையே நடைபெறும் ஆற்றல் பரிமாற்றச் செயல்பாட்டில் மட்டுமே ஈடுபடுகின்றன; அவை அமைப்பின் நிலையை விவரிக்கும் அளவுகள் அல்ல.

வெப்பம் (Q) மற்றும் வேலை (W) ஆகியவற்றிற்கான குறியீட்டு விதிகள்

வெப்பம் மற்றும் வேலைக்கான குறியீட்டு விதிகள் வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியுடன் ஒத்துப்போகின்றன. மேலே உள்ள சமன்பாட்டில் வெப்பம் (Q) என்பது அமைப்புக்குச் சேர்க்கப்பட்ட வெப்பத்தைக் குறிக்கிறது (Q நேர்மறையானது), அதே சமயம் வேலை (W) என்பது அமைப்பால் செய்யப்பட்ட வேலையைக் குறிக்கிறது (W நேர்மறையானது). அமைப்பிலிருந்து வெப்பம் வெளியேறினால், Q எதிர்மறையாக இருக்கும். இதற்கு நேர்மாறாக, அமைப்பின் மீது வேலை செய்யப்பட்டால், W எதிர்மறையாக இருக்கும்.

உதாரணக் கேள்வி 1:

ஒரு அமைப்புக்கு 2000 ஜூல் வெப்பம் சேர்க்கப்பட்டு, அந்த அமைப்பு 1000 ஜூல் வேலை செய்தால், அந்த அமைப்பின் அக ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றம் என்ன?

கலந்துரையாடல்

இந்த அமைப்பு 2000 ஜூல் கூடுதல் வெப்பத்தை (ஆற்றலை) பெறுகிறது. மேலும், இந்த அமைப்பு 1000 ஜூல் வேலையையும் (ஆற்றல் வெளியீடு) செய்கிறது. எனவே, அமைப்பின் ஆற்றல் மாற்றம் = 1000 ஜூல்.

உதாரணக் கேள்வி 2:

அமைப்பிலிருந்து 2000 ஜூல் வெப்பம் வெளியேறி, அந்த அமைப்பு 1000 ஜூல் வேலையைச் செய்தால், அமைப்பின் அக ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றம் என்ன?

கலந்துரையாடல்

அமைப்பிலிருந்து வெப்பம் வெளியேறினால், Q-வின் மதிப்பு எதிர்மறையாக இருக்கும்.

2000 ஜூல் வெப்பம் அமைப்பிலிருந்து வெளியேறுகிறது (அமைப்பு ஆற்றலை வெளியிடுகிறது). 1000 ஜூல் வேலையும் செய்யப்படுகிறது (அமைப்பு ஆற்றலை வெளியிடுகிறது). எனவே, அமைப்பில் உள்ள ஆற்றல் 3000 ஜூல் குறைகிறது.

உதாரணக் கேள்வி 3:

ஒரு அமைப்புக்கு 2000 ஜூல் வெப்பம் சேர்க்கப்பட்டு, அதன் மீது 1000 ஜூல் வேலை செய்யப்பட்டால், அந்த அமைப்பின் அக ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றம் என்ன?

கலந்துரையாடல்

அமைப்பின் மீது வேலை செய்யப்பட்டால், W எதிர்மறையாக இருக்கும்.

இந்த அமைப்பு 2000 ஜூல் கூடுதல் வெப்பத்தைப் பெறுகிறது (அமைப்பு ஆற்றலைப் பெறுகிறது), மேலும் அமைப்பின் மீது 1000 ஜூல் வேலை செய்யப்படுகிறது (அமைப்பு ஆற்றலைப் பெறுகிறது). இதனால், அமைப்பில் உள்ள ஆற்றல் 3000 ஜூல் அதிகரிக்கிறது.

முதலில்இந்தத் தலைப்பில் நாம் கோட்பாட்டு ரீதியாகப் பகுப்பாய்வு செய்யும் பெரும்பாலான அமைப்புகள் வாயுக்களாகும். வாயுக்களின் பருநிலை பண்புகளான வெப்பநிலை, அழுத்தம் மற்றும் கனஅளவு ஆகியவற்றைத் தீர்மானிப்பது எளிது என்பதால் நாம் வாயுக்களைப் பயன்படுத்துகிறோம். வாயுக்களைப் பகுப்பாய்வு செய்யும்போது, ​​நாம் அவற்றை இலட்சிய வாயுக்களாகவே கருதுகிறோம். இது பகுப்பாய்வை எளிதாக்குவதற்காக மட்டுமே. நாம் மெய் வாயுக்களைப் பயன்படுத்துவதில்லை, ஏனெனில் மெய் வாயுக்கள் பொதுவாக உயர் அழுத்தங்களில் இயல்புக்கு மாறாக நடந்துகொள்கின்றன.

இரண்டாவதுநாம் பகுப்பாய்வு செய்யும் அமைப்பு ஒரு இலட்சிய வாயுவாக இருந்தால், இலட்சிய வாயுவின் அக ஆற்றலுக்கும் அதன் வெப்பநிலைக்கும் உள்ள தொடர்பைக் கூறும் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தி அக ஆற்றலைக் கணக்கிடலாம்: U = 3/2 nRT (ஒற்றை அணு இலட்சிய வாயுவின் அக ஆற்றல் சமன்பாடு).

கனஅளவு மாற்றத்தின் போது அமைப்பால் செய்யப்படும் வேலை

மேலும் தொடர்வதற்கு முன், அமைப்பு அதன் சுற்றுப்புறங்களில் செய்யும் வேலையை முதலில் கருத்தில் கொள்வோம். அமைப்பால் செய்யப்படும் வேலையின் அளவைக் (W) கணக்கிட, ஒரு பிஸ்டனால் மூடப்பட்ட கொள்கலனில் உள்ள ஒரு நல்லியல்பு வாயுவைக் கருத்தில் கொள்வோம். பிஸ்டனை மேலும் கீழும் நகர்த்த முடியும். இந்த உருவம் இரு பரிமாணங்களுக்கு எளிமைப்படுத்தப்பட்டுள்ளது. இதை முப்பரிமாணமாகக் கருதுங்கள். கன அளவு = நீளம் x அகலம் x உயரம்.

ஒரு நல்லியல்பு வாயு, ஒரு கலனுக்குள் அமைந்துள்ள புள்ளிகளால் குறிக்கப்படுகிறது. கலனின் அடிப்பகுதி ஒரு உயர்-வெப்பநிலை பொருளுடன் தொடர்பில் உள்ளது (நெருப்பில் சூடாக்கப்பட்ட ஒரு பாத்திரத்தில் உள்ள நீரைப் போல). அந்த உயர்-வெப்பநிலை பொருள் படத்தில் சேர்க்கப்படவில்லை, அதை உங்கள் மனதில் கற்பனை செய்து கொள்ளுங்கள் 😉 கலனுக்குள் உள்ள நல்லியல்பு வாயுவே அமைப்பு (system) ஆகும், அதே சமயம் கலனின் அடிப்பகுதியுடன் தொடர்பில் உள்ள உயர்-வெப்பநிலை பொருள் உட்பட, கலனுக்கு வெளியே உள்ள மற்ற பொருள்கள் சூழல் (environment) ஆகும். சுற்றுப்புற வெப்பநிலை அமைப்பின் வெப்பநிலையை விட அதிகமாக இருப்பதால், வெப்பம் இயற்கையாகவே சூழலிலிருந்து அமைப்புக்கு பாய்கிறது. சூழலிலிருந்து ஆற்றல் சேர்க்கப்படுவதால், அமைப்பின் (நல்லியல்பு வாயுவின்) அக ஆற்றல் அதிகரிக்கிறது. ஒரு நல்லியல்பு வாயுவின் அக ஆற்றல் வெப்பநிலைக்கு நேர் விகிதத்தில் உள்ளது (U = 3/2 nRT), எனவே ஒரு நல்லியல்பு வாயுவின் அக ஆற்றல் அதிகரிக்கும்போது, ​​அந்த நல்லியல்பு வாயுவின் வெப்பநிலையும் அதிகரிக்கிறது. ஒரு நல்லியல்பு வாயுவின் வெப்பநிலை அதிகரிப்பதால், அந்த நல்லியல்பு வாயு விரிவடைந்து, பிஸ்டனை s என்ற தூரத்திற்குத் தள்ளுகிறது. பிஸ்டனை s என்ற தூரத்திற்குத் தள்ளும்போது, ​​அமைப்பு (நல்லியல்பு வாயு) சூழலின் (வெளிப்புறக் காற்று) மீது வேலை செய்கிறது.

ஆரம்பத்தில், அமைப்பின் அழுத்தம் அதிகமாகவும் (P1) அமைப்பின் கனஅளவு குறைவாகவும் (V1) இருக்கும். அழுத்தம், கனஅளவிற்கு நேர்மாறு விகிதத்தில் உள்ளது. சுற்றுப்புறத்திலிருந்து அமைப்புக்கு வெப்பம் பாய்ந்து, அந்த அமைப்பு சுற்றுப்புறத்தின் மீது வேலை செய்த பிறகு, அமைப்பின் கனஅளவு அதிகரித்து (V2) அமைப்பின் அழுத்தம் குறைகிறது (P2).

மேற்கண்ட செயல்பாட்டில் கணினியமைப்பு செய்த வேலையின் அளவு:

வேலை (W) = உந்து விசை (F) x இடப்பெயர்வு (s). உந்து விசை (F) = அழுத்தம் (P) x பிஸ்டனின் மேற்பரப்பு (A) என்பதால், வேலைக்கான சமன்பாட்டை பின்வருமாறு எழுதலாம்:

W = Fs ‐‐‐‐‐ F = PA

W = PAs ‐‐‐‐‐ As = V

W = PV

ஒரு அமைப்பால் செய்யப்படும் வேலையானது, கனஅளவில் ஏற்படும் மாற்றத்தின் போது நிகழ்கிறது என்பதைக் கவனத்தில் கொள்ள வேண்டியது அவசியம். எனவே, அமைப்பால் செய்யப்படும் மொத்த வேலையை, அழுத்தத்தில் ஏற்படும் மாற்றத்தை கனஅளவில் ஏற்படும் மாற்றத்தால் பெருக்குவதன் மூலம் பெறலாம். கணிதரீதியாக:

W = (இறுதி அழுத்தம் – ஆரம்ப அழுத்தம்)(இறுதி கனஅளவு – ஆரம்ப கனஅளவு)

W = (P₂ - பி₁(V)₂ - வி₁)

முதலில்மேற்கண்ட செயல்முறையில் அமைப்பின் கனஅளவில் ஏற்படும் மாற்றத்தை எளிதாகக் கண்டறியலாம். கலனின் கனஅளவைக் கணக்கிடுவதன் மூலம் அமைப்பின் ஆரம்ப மற்றும் இறுதி கனஅளவுகளைத் தீர்மானிக்க முடியும். எனவே, அமைப்பால் செய்யப்பட்ட வேலையின் அளவை (W) கணக்கிட, செயல்முறையின் போது அழுத்தம் எவ்வாறு மாறுகிறது என்பதை நாம் தெரிந்து கொள்ள வேண்டும்.

ஒரு அமைப்பின் கனஅளவு (V) மாறும்போது அதன் அழுத்தம் (p) ஒழுங்கற்ற முறையில் மாறினால், அந்த அமைப்பால் செய்யப்பட்ட வேலையின் அளவை நுண்கணிதத்தைப் பயன்படுத்தி கணக்கிடலாம். உங்களுக்கு நுண்கணிதம் பரிச்சயம் இல்லை என்றால், நீங்கள் பயன்படுத்தக்கூடிய மாற்று வழிகள் உள்ளன. முதலில், அழுத்தத்திற்கும் கனஅளவிற்கும் இடையிலான தொடர்பைக் காட்டும் ஒரு வரைபடத்தை வரைவோம். அமைப்பால் செய்யப்பட்ட வேலையின் அளவு = p-V வளைகோட்டிற்குக் கீழே உள்ள நிழலிடப்பட்ட பகுதி.

ஒழுங்கற்ற முறையில் நிகழும் அழுத்த மாற்றங்களுக்கான அழுத்தம் மற்றும் கனஅளவு வரைபடம்.

ஆரம்ப அமைப்பு அழுத்தம் = p₁ (உயர் அழுத்தம்) மற்றும் அமைப்பு கன அளவு = V₁ (சிறிய கன அளவு). அமைப்பு சுற்றுச்சூழலில் வேலை செய்த பிறகு, அமைப்பின் அழுத்தம் p ஆக மாறுகிறது.₂ (குறைந்த அழுத்தம்) மற்றும் அமைப்பின் கன அளவு V ஆக மாறுகிறது.₂ (பெரிய கன அளவு). அமைப்பால் செய்யப்பட்ட வேலையின் அளவு (W) = நிழலிடப்பட்ட பகுதி. இந்தச் செயல்முறையின் போது அமைப்பின் (நல்லியல்பு வாயு) அழுத்தம் ஒழுங்கற்ற முறையில் மாறுவதால், வளைகோட்டின் வடிவம் வளைந்துள்ளது.

ஒரு அமைப்பின் கனஅளவு (V) மாறும்போது அதன் அழுத்தம் (p) மாறாமல் இருந்தால், அந்த அமைப்பால் செய்யப்பட்ட வேலையின் அளவை எளிதாகக் கணக்கிடலாம். அமைப்பால் செய்யப்பட்ட வேலையின் அளவை ஒரு சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தி கணக்கிடலாம் அல்லது P-V வளைகோட்டிற்குக் கீழே உள்ள நிழலிடப்பட்ட பகுதியிலிருந்து கண்டறியலாம். இந்த நிலையில், மேலே உள்ள வேலைச் சமன்பாட்டைப் பின்வருமாறு மாற்றியமைக்கலாம்:

W = (P₂ - பி₁(V)₂ - வி₁)

அழுத்தம் (p) எப்போதும் மாறிலியாக இருப்பதால், P₂ = பி₁ = பி

W = P (V₂ - வி₁)

அழுத்தம் எப்போதும் மாறாமல் இருக்கும் ஒரு செயல்முறைக்கான அழுத்தம் மற்றும் கனஅளவு வரைபடம்:

ஆரம்பத்தில் அமைப்பின் கன அளவு = V₁ (சிறிய கன அளவு). அமைப்பு சுற்றுப்புறங்களில் வேலை செய்த பிறகு, அமைப்பின் கன அளவு V ஆக மாறுகிறது.₂ (பெரிய கன அளவு). அமைப்பின் அழுத்தம் எப்போதும் நிலையானது, அதாவது அது மாறாது. அமைப்பால் செய்யப்பட்ட வேலையின் அளவு (W) = நிழலிடப்பட்ட பகுதி.

இரண்டாவதாக, அமைப்பின் கன அளவு அதிகரித்தால், அந்த அமைப்பு சுற்றுப்புறத்தின் மீது வேலை செய்கிறது. இதற்கு நேர்மாறாக, அமைப்பின் கன அளவு குறைந்தால், சுற்றுப்புறம் அமைப்பின் மீது வேலை செய்கிறது. இந்தச் செயல்பாட்டின் போது அமைப்பின் கன அளவு மாறாமல் இருந்தால், அமைப்பால் சுற்றுப்புறத்தின் மீது வேலை செய்ய முடியாது, மேலும் சுற்றுப்புறத்தாலும் அமைப்பின் மீது வேலை செய்ய முடியாது. இந்த நிலையில், வேலை (W) = 0.