தெறுமத்துனவியல் (thermodyanamics) - 3

 3. செறிவுகள் (concentrations) 

இருபுனைக் கட்டகங்களை (two component systems) விரிவாகப் பார்ப்பதற்கு முன்னால், செறிவு (concentration) எப்படி அளக்கப்படுகிறது. என்றும், வாகை விதி (phase rule) இருபுனைக் கட்டகங்களை எப்படிக் கட்டுப்படுத்துகிறது என்றும் இப்பகுதியிற் பார்ப்போம்.

பொதிகளைப் பொருள்களாய் (substance) அறிவது அறிவியலில் ஒருமுறை. இம்முறையில் ஆயும் பொருள்களைப் பகுத்துக் கொண்டே போனால் சிறியது, குறுகியது, நுணுகியது, நொசிந்தது என்று அது முடிவின்றிப் போய்க் கொண்டிருக்கும். ஒரு கரிமப் பொருளைப் பகுத்துக் கொண்டு போனால் கடைசி வரை அது கரிமமாய் இருப்பதாய் இம்முறை கொள்ளும். இது தொடக்க காலக் கணுத்த அறிவியலில் (continuum science) பயன்படுத்திய முறை. இம்முறை தான் கணுத்த மாகனவியல் (continuum mechanics), விளவ மாகனவியல் (fluid mechanics), தெறுமத் துனவியல் (thermodynamics) போன்ற துறைகளில் பொதுவாய்க் கையாளப் படுகிறது.  

இன்னொரு முறை 1900 க்கு அப்புறம் வந்தது, இதிற் பொதிகளை குறிப்பிட்ட அளவு பகுத்த பின்னால்  கணுத்தம் (continuity) என்பது இல்லாது போய்விடும். அதற்கும் கீழே அணுக் கூட்டங்கள், மூலக்கூறுச் சட்டக் கூடுகள் (molecular lattices) என்றமைத்து அணுக்களாய், மூலக்கூறுகளாய் பொருளை அறிய முற்படுவார். அணுக்களுக்கும் மூலக்கூறுகளுக்கும் இடையே நுணுகிய அளவில் வெற்றிடம் இருக்கிறதென்றும் அத்துறையில் கொள்வார். அணுக்கள், மூலக் கூறுகளுக்கு நடுவில் அணுயீர்ப்பு விசைகள் (atomic attractive forces), அணுவிலக்கு விசைகள் (atomic repulsion forces) என முற்றிலும் புதுப்புலத்துள் பூதியல் நுழைந்துவிடும். 

இப்பூதியலை மூலக்கூற்றுப் பூதியல் (molecular physics), அணுப் பூதியல் (atomic physics) என்றழைப்பார். ஒளி (light), மின்னி (electron), முன்னி (proton), நொதுமி (neutron) போன்றவற்றை அலையுருவாய் (wave form) அறிவதும் துகட் கற்றையாய் (quantum) மூலக்கூறுகளாய் (molecules) அறிவதும் எப்படிப் பூதியலில் ஒரு வழியோ, அது போல் பொதிகளைப் பொருட்களாய் (substances) அறிவதும் ஒரு வழிமுறை தான். இதில் முன்னது உயர்த்தி, பின்னது தாழ்த்தியெனச் சொல்ல முடியாது. இரண்டிற்கும் வெவ்வேறு பயன்பாடுகளுண்டு. 

மூலக்கூற்று முறைக்கும் பொதிகளைப் பொருட்களாய்ப் பார்க்கும் கணுத்த முறைக்கும் தொடர்பு வேண்டுமெனில் ”வெம்மை”யையே காட்டாய்ச் சொல்ல முடியும். கணுத்த முறையில் வெம்மை என்பது சூட்டுப் (hotness) பெருணையோடு (primitive) தொடர்புடையது. கடைசி வரைக்கும் இத் தொடர்பை மறுக்க மாட்டோம். ஆனால் அணுப் பூதியலில், குறிப்பாகப் புள்ளி மாகனவியலில் (statistical mechanics) வெம்மை என்பது மூலக்கூறுகளின் சலனாற்றலைப் (kinetic energy) வெளிப்படுத்தும் கூறென்பார். மூலக்கூறுகளின் சலன ஆற்றல் கூடக் கூட அவற்றின் வெம்மை கூடுவதாய் அப்பார்வையிற் கூறுவர். 2 வகைப் பார்வைக்கும் அறிவியலில் இடமுண்டு. ஒன்றை இன்னொன்றாய்ச் சிந்தை பெயர்ப்பதும், 2 பார்வையும் ஒன்றையொன்று ஊடுறுவதும் உண்டு. அப்படியோர் ஊடாட்டத்தை இனிப் பார்ப்போம்.

எடை, வெள்ளம் போல் வியற்குணங்களைப் பேசிய நாம், எண்ணுதலைப் பொருத்தும் இன்னொரு வியற்குணத்தை விட்டுவிட்டோம். ”ஒரு பொருளின் இருப்பு எவ்வளவு?” என்று கேட்டால் சட்டெனக் கணுத்த முறையில் எடையைச் சொல்லலாம், வெள்ளத்தைச் சொல்லலாம். கூடவே அணு முறையைக் கொணர்ந்துவந்து ”எத்தனை மூலக்கூறுகள் அப்பொருளில் உள்ளன?” என்றுஞ் சொல்லலாம். பொதுவாய், பொருட்களை விவரிக்கையில் 6.02214179*10^23 மூலக்கூறுகளை ஒருக்கிய (= ஒன்றுசேர்த்த) தொகுதியாய் எடை, வெள்ளம் போன்றவற்றோடு பொருத்திப் பார்க்கவேண்டும். 6.02214179*10^23 மூலக் கூற்றுத் தொகுதியை ஒரு மூலகம் (mole) என்று வேதியலார் சொல்வார். 

1 மூலகம் கரியணுக்கள் எனில் 6.02214179*10^23 கரியணுக்கள் அதிலுள்ளன என்று பொருள். இதன் எடை 12 கிராம். இருக்கும். இதே போல் 6.02214179*10^23 கரியிரு அஃகுதை (carbon-di-oxide) மூலக்கூறுகள் சேர்ந்தால் 1 மூலகம் கரியிரு அஃகுதை என்பார். அதன் எடை 44. கிராம் இருக்கும். இதேபோல் 1 மூலகம் நீர் (18.015 கிராம்), 1 மூலகம் வெறியம் - alcohol (46.07 கிராம்), என்று வெவ்வேறு பொதிகளின் தொகுதியை, எண்ணிக்கையை, அடையாளங் காட்ட முடியும். இப்படி மதிப்பிடும் மூலகத்தின் எடையை மூலக்கூற்று எடை (molecular weight) என்பார். கரிம அணுவின் அணுவெடை (atomic weight) 12 கிராம்/மூலம் ஆகும். எடை, வெள்ளம் ஆகியவற்றை விட பொருள் அளவையைக் குறிக்க வேதியியலில் மூலகத்தையே அதிகமாகப் பயன்படுத்துவார். காட்டாகக் கீழேயுள்ள சமன்பாட்டில்,

2 H2 + O2 → 2 H2O

இரு மூலகம் ஈரகத்தோடு (Hydrogen) ஒரு மூலகம் அஃககம் (oxygen) வினைபுரிந்து 2 மூலகம் நீரை உருவாக்கியதைக் கூறும். இச்சமன்பாட்டின் 2 பக்கத்திலுமுள்ள வினைப்புகளும் (reactants) விளைப்புகளும் (products) மூலகத்தாலேயே அளக்கப் படுகின்றன. கொடுக்கப்பட்ட பொருளில் எத்தனை அணுக்கள் அல்லது ஏகனிகள் (ions) இருக்கின்றன என்று மூலக அளவு சொல்கிறது. அதே போல் ஒரு கரைசலின் செறிவும் (concentration) அதன் மூலகையாற் (molarity) சொல்லப் படும். [ஒரு லிட்டர் கரைசலில் எத்தனை கரைபொருள் மூலகம் அடங்கியுள்ளது? - என்பது மூலகையாகும்] மூலகையைப் போல் அமையும் இன்னொரு செறிவு மூலதை (molality) எனப்படும். [ஒரு லிட்டர் கரைப்பியில் - solvent (நினைவு வைத்துக்கொள்ளூங்கள், இங்கு வருவது கரைசல்- solution- அல்ல, கரைப்பி - solvent) எத்தனை மூலகம் கரைபொருள்- solute - அடங்கியுள்ளது?- என்பது மூலதையாகும்] 

இன்னுமோர் வகையாய், மூலகச்செறிவைச் சொல்லமுடியும். இதை  மூலகப் பகுவம் (mole fraction) என்பார். [எத்தனை மூலகம் கரைபொருள், எத்தனை மூலகம் கரைப்பி என்று கணக்கிட்டு 2 ஐயும் கூட்டினால் எத்தனை மூலகம் கரைசலென்பது வெளிப்படும். மூலகத்தில் அளவிட்ட கரைபொருளை மூலகத்தில் அளவிட்ட கரைசலால் வகுத்தால் மூலகப் பகுவம் என்பது கிடைக்கும்.] மூலகப் பகுவம் என்பது புழக்கத்திற்கு எளிதான அலகாகும். எந்தக் கரைசலையும் (solution), கலவையையும் (mixture), கூட்டுப் பொருளையும் (compound) அதில் எத்தனை புனைகள் (components) இருப்பினும் மூலகப் பகுவத்தாற் செறிவைக் குறிக்கமுடியும். 

இப்போது வெறியமும், நீரும் கலந்த ஒரு கலவை இருக்கிறதென்று வையுங்கள். இக்கலவைக்கு எடை, வெள்ளம், மூலகம் என வியற்குணங்களிற் செறிவை வரையறுக்க முடியும். இதுபோக அழுத்தம், வெம்மை, வெள்ளம் போன்ற வரையறுப்புகளும் சேர்ந்து கொள்ளும். இவ்வரையறுப்புகளை வேறிகள் (variables) என்று சொல்வார். ஒரு கரைசலை வரையறுக்க குறைந்த அளவு எத்தனை வேறிகள் தேவை என்பது ஒரே பொழுதில் எத்தனை வாகைகள் அருகருகில் அடுத்தாற்போல் இருக்கின்றன என்பதைப் பொறுத்தது. முந்திய பகுதியில் வாகை விதி பற்றிப் பேசினோமே, உங்க்ளுக்கு நினைவு வருகிறதா? 

அவ் வாகை விதியின் படி ஒரு கரைசலில் 2 புனைகள் இருந்தால், ஒற்றை வாகையில் 3 வேறிகளை பந்தப்படா வகையில் உகந்தெடுக்க முடியும். பெரும்பாலும் அழுத்தம், வெம்மை ஆகியவற்றோடு செறிவு என்ற ஒன்றைத் தேர்ந்தெடுப்போம். இதே இருபுனைக் கட்டகத்தில் 2 வாகைகள் ஒரே பொழுது இருந்தால், 2 வேறிகளை பந்தப்படா வகையிற் தேர்ந்தெடுக்க முடியும். 3 வாகைகளிருந்தால் இன்னும் ஆழ்ந்த கட்டுப்பாடு வந்துவிடும். ஒரு வேறியைத் தான் பந்தப்படா வகையில் உகந்தெடுக்க முடியும். முடிவில் 4 வாகைகள் சேர்ந்திருந்தால், எந்த வேறியையும் நாம் தேர்ந்தெடுக்க முடியாது. அது ஒரு வேறாப் புள்ளியாய் (invariant point) தானாக வந்து சேரும். ஆக 2 புனைக் 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. இரு நீர்மம், இரு 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, இரு பரிமானப் பரப்புகள் என்று பல்வேறு இயலுமைகள் வியக்கத் தக்க வகையில் விரியும். 

அன்புடன்,

இராம.கி.