வாகை மாற்றங்கள் (phase changes) - 3

வாகை மாற்றங்கள் (phase changes) - 1

வாகை மாற்றங்கள் (phase changes) - 2

மேலே குறிப்பிட்டுள்ள இரண்டு பதிவுகளில் உள்ளார்ந்த குணங்களையும் (intensive properties), வியல்ந்த குணங்களையும் (extensive properties) வேறுபடுத்திக் கண்டோம். ஒரு குறிப்பிட்ட பொதியின் எடை 1 கிலோ, அதன் வெள்ளம் 1.2 இலிட்டராய் இருப்பதாகக் கொள்ளுங்கள். அதே பொதியை இரண்டு கிலோ எடையெடுத்தால், வெள்ளம் 2*1.2 = 2.4 லிட்டராய்த் தானே இருக்கும்? ஒரே வகைப் பொதியின் பல்வேறு மடங்கு எடைகளுக்கு, அந்தந்த மடங்கு வெள்ளங்கள் அமைவதன் பொருள் என்ன? வியற் குணங்கள் நேர் மேனியில் (direct ratio) உறவு கொண்டுள்ளன என்று தானே பொருள்?

இந் நேர்மேனியின் விளைவாய், ஒரு குறிப்பிட்ட வியற் குணத்தை அடிப்படையாய்க் கொண்டு, மற்ற வியற்குணங்களின் வகுதங்களைக் (ratios) கணக்குப் போட்டால், நமக்கு வெவ்வேறு உள்ளார் குண(க)ங்கள் (factors) வந்து சேருகின்றன. 

காட்டாக, ஒரு குறிப்பிட்ட எடையை அடியாய்க் கொண்டு, வெள்ளத்தை அவ்வெடையால் வகுத்தால் விதப்பு வெள்ளம் (specific volume) என்பது கிடைக்கும். பூதியலில் (physics) விதப்பு வெள்ளம் என்பது ஓர் உள்ளார் குணம் (intensive property) என்பார். விதப்பு வெள்ளத்தின் மறுதலை (opposite)யான திணிவும் (இதை அடர்த்தி என்றும் சொல்வதுண்டு.) ஓர் உள்ளார் குணமே.

பொதுவாய் எந்தப் பொதியின் அழுத்தம் (pressure), வெம்மை (temperature), விதப்பு வெள்ளம் (specific volume) (அல்லது திணிவு) ஆகிய மூன்றிற்கிடையில் ஓர் இடைவிடா உறவு இருக்கும். [ஆவி வாகையில் இது எளிதாய் வெளிப்படும்.] இவ்வுறவு இடைவிட்ட (discontinuous) இடங்களில், வாகை மாற்றங்கள் நடைபெறும். இன்னும் சற்று விவரமாய்ப் பார்ப்போம்.

பொதுவாய் நீர்மம், ஆவி இரண்டிற்கிடையில் மட்டும் வாகை மாற்றம் நடைபெறுவதில்லை. பனிக்கட்டிக்கும் நீராவிக்கும் இடையே கூட வாகை மாற்றம் நடைபெறும். காட்டாகப் ஒரு பனிக்கட்டி 10 பாகை வாரன்ஃகீட்டில் இருக்கிறதென்று வையுங்கள். இதை 32 பாகைக்கும் கீழே மெதுவாய்ச் சூடேற்றினால், மீச்சிறிதளவு பனிக்கட்டி நேரடியாக நீர்மம் ஆகாமலே ஆவியாகி எழும். 

இப்படிப் பனிக்கட்டி எனுந் திண்மத்தில் (solid) இருந்து நேரடி ஆவி எழுவதை ஆவெழுமம் என்று சொல்வார். [இதைத் தான் sublimation என்று ஆங்கிலத்திற் சொல்கிறோம். இப்படி ஆவியாகும் திண்மத்தோடு இன்னொரு பொதி சேர்ந்த கலவைக் கட்டியைப் தூய்மைப் படுத்துவதற்கு sublimation மூலம் திண்மத்தைத் தனியே பிரித்து ஆவியாக்கி ஆவியை வேறு இடத்திற் குளிர வைத்து கலவைக் கட்டியைப் பத(ங்க)ப்படுத்துவார். (சித்த மருத்துவத்தில் இது ஓரோ வழி நடப்பதுண்டு.) எங்களுக்கெல்லாம் பள்ளியிற் பதங்கமாதல் என்ற சொல்லால் இம்மாற்றத்தைச் சொல்லி வந்தார்].

குறிப்பிட்ட கலவைப் பொதி (mixed body) பதங்கப் படுவதால் அதையொட்டிப் பதங்கமாதல் என்ற அருஞ்சொல் முன்னே ஆளப்பட்டு வந்தது. உண்மையில் இச் சொல் குறிப்பிட்ட இரண்டாம் பொதிக்கே சரியாய் இருக்கும். ஆவியாகும் பொதிக்குச் சரிவராது. 

உண்மையில் என்ன நடக்கிறது? அந்தக் கலவைப் பொதி பதங்கமாகிறது ஆவியாகும் திண்மம் பதங்கமாவதில்லை. அது ஓரிடத்தில் ஆவியாகி இன்னோரிடத்தில் மீண்டும் குளிர்ந்து திண்மம் ஆகிவிடும். இப்படித் திண்மத்தில் இருந்து ஆவியெழுவதை திண்மாவெழுமம் என்பதே சரியாக இருக்கும்.

இதுவரை நீர்மம், ஆவி இரண்டிற்குமிடையே வாகை மாற்றம், திண்மம், ஆவி இரண்டிற்குமிடையே வாகை மாற்றம் என்று 2 மாற்றங்களைப் பார்த்தோம். இவை போகத் திண்மம், நீர்மம் ஆகிய இரண்டிற்குமிடையே நடைபெறும் வாகை மாற்றமும் உண்டு. அதை உருகுதல் (fusion) என்பார். பனிக்கட்டி நீராக மாறும் உருகு புள்ளி (fusion point) செல்சியசு பாகையில் 0 பாகை என்று சொல்லப் பெறும். உருகு புள்ளிகளின் தொகுதியாய் உருகுச் சுருவை (fusion curve) என்பது அமையும்.

உருகுச் சுருவை என்பது பொதிவான சரிவு (positive slope) கொண்டிருப்பதே பெரும்பாலான பொதிகளின் தோற்றம். காட்டாக, கரியிரு அஃகுதையின் (carbob-di-oxide) உருகுச் சுருவை பொதிவான சரிவே காட்டும். அதாவது அழுத்தம் கூடக் கூட உருகு புள்ளியும் கூடும். 

ஒரு சில விந்தையான பொதிகள் (நீர் ஒரு விந்தையான பொதி) நொகையான சரிவு (negative slope) காட்டும். அதாவது அழுத்தம் கூடினால் உருகு புள்ளி குறையும். இரண்டிற்கும் பொதுவாய், உருகுச் சுருவை முற்றிலும் நேரான குத்துக் கோடாய் (vertical line) அமைவதும் உண்டு. அதாவது எவ்வளவு தான் அழுத்தத்தைக் கூட்டினாலும் உருகு புள்ளி மாறுவதேயில்லை.

பொதுவாய் எந்த ஒற்றைக் கட்டகத்திற்கும் - singulary system - (ஒற்றைப் பொதிக்கும்) குறைந்தது மூன்று வாகை மாற்றங்கள் உண்டு. அவை:

திண்மம் - நீர்மம் இவற்றிடையே உருகுதல்,
திண்மம் - ஆவி இவற்றிடையே திண்மாவெழுதல்
நீர்மம் - ஆவி இவற்றிடையே ஆவியாதல்

இவையெல்லாவற்றிலும் மாற்றம் நடக்கும் நேரத்தில் 2 வாகைகள் சேர்ந்து இருக்கின்றன. அப்படிச் சேர்ந்திருக்கையில் அழுத்தத்திற்கும் வெம்மைக்கும், இடையே ஓர் உறவு ஏற்படும். காட்டாக 92.1 செல்சியசில் 0.76 பார் அழுத்தம் இருந்தால் நீர்மம், ஆவி என 2 வாகைகள் குடுவையில் இருக்கும். அதற்கு மேல் அழுத்தம் கூடின் ஆவியெலாம் நீர்மமாகிவிடும். இதேபோல் வெம்மை குறையின் ஆவியெல்லாம் நீர்மம் ஆகிவிடும். இந்த வெம்மைக்கு இவ்வழுத்தம் என்று இருந்தாற்றான் ஒரே பொழுதில் 2 வாகைகள் இருக்க முடியும்.

அதாவது 2 வாகைகள் இருக்க வேண்டுமானால் பந்தப் படாத வகையில் (independent manner) நம்மால் அழுத்தம், வெம்மை, விதப்பு வெள்ளம் ஆகிய மூன்றில் ஒன்றை மட்டுமே உகந்தெடுக்க முடியும். மற்ற இரண்டும் முற் சொன்ன உறவால் தீர்மானிக்கப் பட்டு விடும். ஓர் குறிப்பட்ட அழுத்தத்தை (0.76 பார்) தேர்ந்தெடுத்து விட்டால் 2 வாகைகள் இருக்க வேண்டிய கட்டாயத்தில் வெம்மையையும், விதப்பு வெள்ளத்தையும் தேர்ந்தெடுக்க முடியாது கட்டகமே அதைத் தீர்மானித்துக் கொள்ளும்.

இதே போல ஒற்றை வாகை (வெறும் ஆவி என்று வைத்துக் கொள்ளுங்களேன்) இருக்கும் பொழுதுகளில் பந்தப் படாத வகையில் நம்மால் இரண்டு வேறிகளை (variables) மட்டுமே உகந்தெடுக்க முடியும். மூன்றாவது வேறி கட்டகத்தாலேயே தீர்மானிக்கப் பட்டுவிடும். காட்டாக அழுத்தத்தையும், வெம்மையும் நம் விருப்பம் போல் தேர்ந்தெடுத்தால் விதப்பு வெள்ளம் என்பது அதன் விளைவாற் தீர்மானிக்கப்பட்டு விடும்.

இப்பொழுது ஒரு பொதி, மூன்று வாகைகள் சேர்ந்து இருக்க முடியுமா? - என்று கேட்டால், முடியும் என்றே சொல்ல வேண்டியுள்ளது. ஆனால் எதையும் பந்தப் படா வகையில் நாம் உகந்தெடுக்க முடியாது. அப்படி 3 வாகைகள் சேர்ந்து அமையும் புள்ளியை மூவாகைப் புள்ளி (triple point) என்று சொல்வார். மூவாகைப் புள்ளி என்பது வேறிக்கொள்ள முடியாத புள்ளி (invariant point) என்றும் சொல்லப் பெறும்.



மேலே ஒரு கிடையச்சை (horizontal axis) வெம்மையாகவும், ஒரு குத்தச்சை (vertical axis) அழுத்தமாகவும் கொண்டு சென்ற 3 பதிவுகளிற் பார்த்தவற்றை வரைபடமாகக் (graph) காட்டியுள்ளேன். இதை இருபரிமான வாகைப் படம் (phase diagram) என்று சொல்வதுண்டு. 

இதில் திண்மாவெழுமம், ஆவியாதல், உருகுதல் என்ற 3 உம் சுருவைகளாகக் காட்சியளிக்கின்றன. திண்மாவெழுதற் சுருவை 0 வெம்மை, 0 அழுத்தத்திற் தொடங்கி மூவாகைப் புள்ளி வரை இருக்கிறது. அந்த இடத்தில் உருகற் சுருவை (முற்றிலும்) குத்துக் கோடாய் எழுந்து நிற்கிறது. ஆவியழுத்தச் சுருவை என்பது மூவாகைப் புள்ளியிற் தொடங்கி கிடுகுப் புள்ளி (critical point) வரை வருகிறது.

கிடுகுப் புள்ளியில் நீர்மத்தின் விதப்பு வெள்ளமும், ஆவியின் விதப்பு வெள்ளமும் ஒன்றாகி ஆவிக்கும் நீர்மத்திற்கும் மாறுபாடு சொல்ல முடியாத வகையில் இரண்டும் ஒன்றாகி விளவம் (fluid) ஆகிவிடுகின்றன. 

இப்படி உருவாகும் விளவத்தை ஆவியென்றுஞ் சொல்லமாட்டார், நீர்மம் என்றுஞ் சொல்ல மாட்டார்; வளிமம் (gas) என்று சொல்வார். பொதுவாக கிடுகுப் புள்ளிக்கு மேலுள்ள வளிம நிலையை கிடுகு மேலுச்ச வாகை (super-critical phase) என்றுஞ் சொல்வதுண்டு. நீரின் கிடுகுப் புள்ளி 647.096 கெல்வின், 220.64 பார், 356 கிலோ/மீ^3 ஆக அமையும்.

இன்னும் கொஞ்சம் ஆழப் போவோருக்கு உதவியாக அழுத்தம், வெம்மை, விதப்பு வெள்ளம் ஆகியவற்றாலான முப்பரி வரைபடத்தை இணைத்துள்ளேன். இந்த முப்பரிமான வரைபடம் வாகைப் படம் என்றும் சொல்லப்பெறும்.



இதுவரை ஒற்றைப்புனையால் (single component) ஆன கட்டகத்தை மட்டுமே பார்த்தோம். இனி இரட்டைப் புனைகளால் (two components) அமைந்த கட்டகங்கள், 3 புனைகளால் (three components) அமைந்த கட்டகங்கள், அதற்கு மேலும் அமைந்த கட்டகங்கள் ஆகியவற்றைப் பார்க்கப் போகிறோம். 

பல்வேறு புனைகளால் அமைந்த கட்டகங்களை இணைக்கும் ஓர் விதியைப் படிவுற்ற வேதியலிற் (applied chemisatry) வாகை விதி (phase rule) என்று சொல்வார்.

எந்தக் கட்டகத்திலும், எத்தனை புனைகள் உள்ளனவோ அதோடு இரண்டைக் கூட்டி ஒரே சமயத்தில் உள்ள வாகைகளைக் கழித்தால் எத்தனை வேறிகளை நம் உகப்பிற்குத் தகுந்தாற்போல் தேர்ந்தெடுக்கலாம் என்பதைக் கணித்துக் கூறும் விதி இதுவாகும். இப்படித் தேர்ந்தெடுக்கும் வேறிகளை பந்தப்படா பரியைகள் (intependent freedoms) என்று சொல்வதுண்டு

பந்தப்படாப் பரியைகள் = புனைகள் + 2 - வாகைகள்

F = C + 2 - P

ஒரு புனை, ஒரு வாகையிருந்தால் 2 பரியைகள் நாம் உகந்தெடுக்க முடியும். மூன்றாவது வேறி தானாகவே மதிப்புக் கொண்டு வந்துசேரும். நாம் ஒன்றும் கட்டுப் படுத்த முடியாது.

ஒரு புனை, 2 வாகையிருந்தால், 1 பரியையை நாம் உகந்தெடுக்க முடியும். மற்ற இரண்டு வேறிகளும் தானாக மதிப்புக் கொண்டு வந்து சேரும். நாம் அவற்றைக் கட்டுப் படுத்த முடியாது.

ஒரு புனை, 3 வாகையிருந்தால், 1 பரியையும் நாம் உகந்தெடுக்க முடியாது. ஒரே புள்ளியாய் மூன்று வேறிகளும் தானாக மதிப்புக் கொண்டு வந்து சேரும். எவற்றையும் நாம் கட்டுப் படுத்த முடியாது.
.
இனி அடுத்த பதிவில் 2 புனைகள் சேரும் கட்டகத்தைப் பார்ப்போம்.

அன்புடன்,
இராம.கி.