வாகை மாற்றங்கள் (phase changes) - 4

இருபுனைக் கட்டகங்களை (two component systems) விரிவாகப் பார்ப்பதற்கு முன், செறிவு (concentration) என்பது எப்படி அளக்கப் படுகிறது. வாகைவிதி (phase rule) இருபுனைக் கட்டகங்களை எப்படிக் கட்டுப் படுத்துகிறது என்று இந்தப் பகுதியிற் பார்ப்போம்.

பொதிகளைப் பொருட்களாய் (substance) அறிவது அறிவியலில் ஒரு முறை. இம்முறையில் ஆயும் பொருட்களைப் பகுத்துக் கொண்டே போனால் சிறியது, குறுகியது, நுணுகியது, நொசிந்தது என்று முடிவின்றிப் போய்க்கொண்டிருக்கும். ஒரு கரிமப் பொருளைப் பகுத்துக்கொண்டு போனால் கடைசி வரை கரிமமே இருப்பதாய் இம்முறை கொள்ளும். இது தொடக்க காலக் கணுத்த அறிவியலில் (continuum science) பயன்படுத்திய முறை. இந்த முறை தான் கணுத்த மாகனவியல் (continuum mechanics), விளவ மாகனவியல் (fluid mechanics), தெறுமத் துனைவியல் (thermodynamics) போன்ற துறைகளில் பொதுவாய்க் கையாளப் படுகிறது.

இன்னொரு முறை 1900 க்கு அப்புறம் வந்தது, இதிற் பொதிகளை குறிப்பிட்ட அளவு பகுத்த பின்னால் கணுத்தம் (continuity) என்பது போய்விடும். அதற்கும் கீழே அணுக்கூட்டங்கள், மூலக்கூறுச் சட்டக்கூடுகள் (molecular lattices) என்று அமைத்து அணுக்களாய், மூலக்கூறுகளாய் பொருளை அறிய முற்படுவார்கள். அணுக்களுக்கும் மூலக்கூறுகளுக்கும் இடையில் நுணுகிய அளவில் வெற்றிடம் இருக்கிறது என்றும் கொள்ளுவார்கள். அணுக்கள், மூலக்கூறுகளுக்கு நடுவில் அணுயீர்ப்பு விசைகள் (atomic attractive forces), அணு விலக்கு விசைகள் (atomic repulsion forces) என்று முற்றிலும் புதிய புலத்திற்குள் பூதியல் நுழைந்துவிடும். இந்தப் பூதியலை மூலக்கூற்றுப் பூதியல் (molecular physics), அணுப் பூதியல் (atomic physics)என்று அழைப்பார்கள்.

ஒளி (light), மின்னி (electron), முன்னி (proton), நொதுமி (neutron) போன்றவற்றை அலையுருவாய் (wave form) அறிவதும் துகட்கற்றையாய் (quantum)அறிவதும் எப்படிப் பூதியலில் வெவ்வேறு வழிகளோ, அதே போல பொதிகளைப் பொருட்களாய் (substances) அறிவதும், மூலக்கூறுகளாய் (molecules)அறிவதும் வெவ்வேறு வழி முறைகள். ஒன்று இன்னொன்றைக் காட்டிலும் உயர்த்தி மற்றது தாழ்த்தி, என்று சொல்ல முடியாது. இரண்டிற்குமே வெவ்வேறு பயன்பாடுகள் உண்டு.

மூலக்கூற்று முறைக்கும் பொதிகளைப் பொருட்களாய்ப் பார்க்கும் கணுத்த முறைக்கும் தொடர்பு வேண்டுமெனில் ”வெம்மை”யையே காட்டாய்ச் சொல்ல முடியும். கணுத்தமுறையில் வெம்மை என்பது சூட்டுப் (hotness) பெருணையோடு (primitive) தொடர்புடையது. கடைசிவரைக்கும் இந்தத் தொடர்பை மறுக்கவே மாட்டோம். ஆனால் அணுப் பூதியலில், குறிப்பாக புள்ளி மாகனவியலில் (statistical mechanics) வெம்மை என்பது மூலக்கூறுகளின் சலனாற்றலைப் (kinetic energy) வெளிப்படுத்தும் ஒரு கூறு. மூலக்கூறுகளின் சலனாற்றல் கூடக் கூட அவற்றின் வெம்மை கூடுவதாய் அந்தப் பார்வையிற் கூறுவார்கள். இருவகைப் பார்வைக்கும் அறிவியலில் இடம் உண்டு. ஒன்றை இன்னொன்றாய்ச் சிந்தை பெயர்ப்பதும் உண்டு. இரு பார்வையும் ஒன்றையொன்று ஊடுறுவதும் உண்டு. அப்படியோர் ஊடாட்டத்தை இனிப் பார்ப்போம்.

எடை, வெள்ளம் போன்ற வியற் குணங்களைப் பேசிய நாம் இன்னொரு வியற் குணத்தை விட்டுவிட்டோம். அது எண்ணுதலைப் பொறுத்தது. ஒரு பொருளின் இருப்பு எவ்வளவு?” என்று கேட்டால் சட்டென்று கணுத்த முறையில் எடையைச் சொல்லலாம், வெள்ளத்தைச் சொல்லலாம். கூடவே அணு முறையைக் கொணர்ந்து ”எத்தனை மூலக்கூறுகள் அப்பொருளில் உள்ளன?” என்றுஞ் சொல்லலாம். பொதுவாய், பொருட்களை விவரிக்கும் போது 6.02214179 * 10^23 மூலக்கூறுகளை ஒருக்கிய தொகுதியாய் பொருளின் எடை, வெள்ளம் போன்றவற்றைப் பொருத்திப் பார்க்க வேண்டும். 6.02214179*10^23 மூலக்கூறுகளின் தொகுதியை மூலகம் (mole) என்று சொல்லுவார்கள்.

1 மூலகம் கரியணுக்கள் என்றால் அதில் 6.02214179*10^23 கரியணுக்கள் இருக்கின்றன என்று பொருள். இதன் எடை 12 கிராம். இருக்கும். இதே போல 6.02214179*10^23 கரியிரு அஃகுதை (carbon-di-oxide) மூலக்கூறுகள் சேர்ந்தால் அதை 1 மூலகம் கரியிரு அஃகுதை என்று சொல்லுவார்கள். அதன் எடை 44. கிராம் இருக்கும். இதே போல 1 மூலகம் நீர் (18.015 கிராம்), 1 மூலகம் வெறியம் - alcohol(46.07 கிராம்), என்று வெவ்வேறு பொதிகளின் தொகுதியை அடையாளம் காட்ட முடியும். இப்படி மதிப்பிடும் மூலகத்தின் எடையை மூலக்கூற்று எடை (molecular weight) என்று சொல்லுவார்கள். கரிமவணுவின் அணுவெடை (atomic weight)12 கிராம்/மூலம் ஆகும்.

எடை, வெள்ளம் ஆகியவற்றைக் காட்டிலும் பொருளளவைக் குறிக்க வேதியியலில் மூலகத்தையே அதிகமாகப் பயன்படுத்துவார்கள். காட்டாகக் கீழேயுள்ள சமன்பாடு,

2 H2 + O2 → 2 H2O

இரு மூலகம் ஈரகத்தோடு (Hydrogen) ஒரு மூலகம் அஃககம் (oxygen) வினைந்து இரு மூலகம் நீரை உருவாக்கியதைக் கூறும். சமன்பாட்டின் இரு பக்கத்திலும் உள்ள வினைப்புகளும் (reactants) விளைப்புகளும் (products) மூலகத்தாலேயே அளக்கப் படுகின்றன. கொடுக்கப்பட்ட பொருளில் எத்தனை அணுக்கள், அயனிகள் (ions) இருக்கின்றன என்று மூலக அளவு சொல்லுகிறது.

ஒரு கரைசலின் செறிவு (concentration) அதன் மூலகையாற் (molarity) சொல்லப் படுகிறது. [ஒரு லிட்டர் கரைசலில் எத்தனை கரைபொருள் மூலகம் அடங்கியிருக்கிறது? - என்பது மூலகையாகும்]

மூலகையைப் போல் அமையும் இன்னொரு செறிவு மூலதை (molality) என்று சொல்லப் படுகிறது. [ஒரு லிட்டர் கரைப்பியில் - solvent (நினைவு வைத்துக் கொள்ளூங்கள், இங்கு வருவது கரைசல் - solution - அல்ல, கரைப்பி - solvent) எத்தனை மூலகம் கரைபொருள் - solute - அடங்கியிருக்கிறது? - என்பது மூலதையாகும்]

இன்னுமோர் வகையாய், மூலகச் செறிவு, மூலகப் பகுவத்தாலும் (mole fraction) சொல்லப் படுவதுண்டு. [எத்தனை மூலகம் கரைபொருள், எத்தனை மூலகம் கரைப்பி என்று கணக்கிட்டு இரண்டையும் கூட்டினால் எத்தனை மூலகம் கரைசல் என்பது வெளிப்படும். மூலகத்தில் அளவிட்ட கரைபொருளை மூலகத்தில் அளவிட்ட கரைசலால் வகுத்தால் மூலகப் பகுவம் கிடைக்கும்.]

மூலகப் பகுவம் என்பது புழக்கத்திற்கு எளிதான அலகாகும். எந்தக் கரைசலையும் (solution), கலவையையும் (mixture), கூட்டுப் பொருளையும் (compound) அதில் எத்தனை புனைகள் இருந்தாலும் மூலகப் பகுவத்தாற் செறிவைக் குறிக்க முடியும்.

இப்பொழுது வெறியமும், நீரும் கலந்த கலவை இருக்கிறதென்று வையுங்கள். இந்தக் கலவைக்கு எடை, வெள்ளம், மூலகம் என்று வியற்குணங்களிற் செறிவை வரையறுக்க முடியும். இது போக அழுத்தம், வெம்மை, வெள்ளம் போன்ற வரையறுப்புகளும் சேர்ந்து கொள்ளும். இந்த வரையறுப்புகளை வேறிகள் (variables) என்று சொல்லுவோம்.

ஒரு கரைசலை வரையறுக்க குறைந்த அளவு எத்தனை வேறிகள் தேவை என்பது ஒரே பொழுதில் எத்தனை வாகைகள் அருகருகில் அடுத்தாற்போல் இருக்கின்றன என்பதைப் பொறுத்தது. முந்திய பதிவில் வாகை விதியைப் பற்றிப் பேசினோமே, நினைவிருக்கிறதா? அந்த வாகை விதியின் படி ஒரு கரைசலில் 2 புனைகள் இருந்தால், ஒற்றை வாகையில் 3 வேறிகளை பந்தப் படா வகையில் நாம் உகந்தெடுக்க முடியும். அவற்றில் பெரும்பாலும்
அழுத்தம், வெம்மை ஆகியவற்றோடு செறிவு என்ற ஒன்றைத் தேர்ந்தெடுப்போம்.

இதே இருபுனைக் கட்டகத்தில் இரண்டு வாகைகள் ஒரே பொழுது இருந்தால், 2 வேறிகளைத்தான் பந்தப்படா வகையிற் தேர்ந்தெடுக்க முடியும்.

மூன்று வாகைகள் இருந்தால் இன்னும் ஆழ்ந்த கட்டுப்பாடு வந்து விடும். ஒரு வேறியைத் தான் பந்தப்படா வகையில் உகந்தெடுக்க முடியும்.

முடிவில் 4 வாகைகள் சேந்திருந்தால், எந்த வேறியையும் நாம் தேர்ந்தெடுக்க முடியாது ஒரு வேறாப் புள்ளி (invariant point) தானாகவே வந்து சேரும்.

ஆக இருபுனைக் கட்டகத்தின் வாகைப் படத்தின் (phase diagram) எந்தப் புள்ளியிலும் மாகமாய்ப் (maximum) பார்த்தால் 4 வாகைகள் வரை இருக்க முடியும். அவற்றின் இயலுமைகளை இனிப் பார்ப்போம்.

1. ஓர் ஆவி, இரு நீர்மம், ஒரு திண்மம் - இதுவோர் இயலுமை.
2. ஓர் ஆவி, ஒரு நீர்மம், இரு திண்மங்கள் - இது இன்னோர் இயலுமை,

3. ஓர் ஆவி, மூன்று திண்மம் - இது மூன்றாவது இயலுமை;

4. ஒரு நீர்மம், மூன்று திண்மம் - இது நாலாவது இயலுமை

5. இரண்டு நீர்மம், இரண்டு திண்மம் - இது ஐந்தாவது இயலுமை.

6. மூன்று நீர்மம், ஒரு திண்மம் - இது ஆறாவது இயலுமை

இத்தனை பலக்குமைகளையும் காட்டி இருபுனைக் கட்டகங்கள் அமையலாம். 4 வாகை கொண்ட வேறாப் புள்ளிகளுக்கு அருகில் ஒரு பரிமானச் சுருவைகள் (one dimensional curves), இரு பரிமானப் பரப்புகள் (two dimensional surfaces) என்று பல்வேறு இயலுமைகள் வியக்கத் தக்க வகையில் விரியும். அவற்றை அடுத்தடுத்த பகுதிகளில் விரிவாகப் பார்ப்போம்.

அன்புடன்,
இராம.கி.