தெறுமத்துனவியல் (thermodyanamics) - 1

1. பெருணைகள் (Primitives)

அடிப்படைப் பூதியலும் (basic physics), படிவுற்ற வேதியலுங் (applied chemistry) சார்ந்த தெறுமத்துனவியலைச் (thermodynamics) சமனியரும் (>சாமான்யர்) புரிந்து கொள்ளும்படி இங்கே தமிழிற் சொல்ல முயல்கிறேன். இப்பாடத்தின் ஊடுவரும் கலைச்சொற்களைக் கண்டு மயங்க வேண்டாம்; தேவை கருதிச் சொல்லவேண்டியுள்ளது. தமிழிற் படிக்க விழைவிருந்தால் இவை விளங்கும்.

ஆங்கிலத்தில் heat, hotness, chill, cold, warm, mild hot, very hot, boil, temperature, caloric, thermal எனப் பல்வேறு விதமாய் வெம்மையைச் சொல்கிறாரே? தமிழிலும் தனிச்சொற்கள் வேண்டாமா? இதே சொற்களைத் தமிழிற் சொல்கையில் கொஞ்சங்கூடத் துல்லியமின்றி, வெப்பம், குளிரென ஓரிரு சொற்களைப் புழங்கி மற்றவற்றிற்கு அடைச் சொற்கள் (adjectives) பெய்து எத்தனை நாட்கள் நாம் ஒப்பேற்றுவது? நம்மூர் அறிவியற் சிந்தனை குறைப்பட்டதற்கு இது போல் நுணூக்கமான கலைச்சொற்கள் இல்லாததும் ஒரு காரணம். ஒரு பாடத்தை புரிந்துகொள்ள எப்போதும் ஒப்பேற்றல் வேலை என்பது உதவாது. ஒவ்வொரு சிந்தனைக்கும் ஒரு வரையறை, ஓர் ஏரணம், அதிலிருந்து அடுத்த செங்கல், கொஞ்சங் காரை, அடுத்த வரிசையென அறிவியற் கோபுரம் மெதுமெதுவாய் எழுந்து வரவேண்டும். 

இக்காலத் தமிழிளைஞரின் சிக்கலே அவரின் தமிழ்ச் சொற்றொகுதி குறைந்து போனதே. ஏதோ கால மாற்றத்தால், தமிழரிற் பலர் எங்கணும் ஆங்கிலம் பேசி வாழ்க்கை நடத்துவதால், தமிழறிவு இக்காலத்திற் குறைந்து போனது. தாம் அறிந்த 2000, 3000 தமிழ்ச் சொற்களை மட்டும் வைத்து, தமிழோடு ஆங்கிலம் கலக்கிறார். குறை தம்மிடமிருக்க, "தமிழில் அது முடியாது, இது முடியாது” என்றுஞ் சிலர் கதைக்கிறார். இற்றை இளைஞரிடம் நான் வேண்டுவது ஒன்றே ஒன்று தான். "நிறையத் தமிழ் படியுங்கள்; தமிழ்ச் சொல் தொகுதியைக் கூட்டிக் கொள்ளுங்கள்." மேற்கூறிய ஆங்கிலச் சொற்களுக்கு இணையான தமிழ்க் கலைச்சொற்களை கீழே கூறுவேன். இதன் தொடர்ச்சியாய் நீங்கள் எழுத எண்ணின், என் பரிந்துரைகளை மட்டுமே பயிலுந் தேவையில்லை. உங்களுக்குச் சரியெனப் பட்டதைக் கவலின்றிப் பயிலுங்கள். நானறிந்த வரை, இது நீச்சல் போன்றதே. முதலில் நீரிற் குதியுங்கள். பின் எல்லாமே சரியாகும். கலைச் சொற்களில் எப்போதும் வலுவானதே வெல்லும். குமுகாயத்தில் 1 கருத்திற்கு 4 சொற்களை வெவ்வெறானவர் பரிந்துரைப்பின், எது பரந்து பட்டதோ, எது ஆழ்பொருள் கொண்டதோ, எது பல்வேறு பயன்பாட்டுக்கும் பொருந்திவரக் கூடியதோ, அது, நடைமுறையில் நிலைக்கும். 

தெறுமத்துனவியலில் நானிங்கு சொல்லித் தரும் வரலாற்று முறை சற்று வேறுபட்டது. இக்காலப் பூதியல் (physics), வெப்பம்(heat) என்பதைப் பெருணைப் (=புராணா, primitive) பொருளாய்க் கொள்ளும். சூடாக இருந்தது எனும்போது தமிழில்வரும் சூடும் (hotness) பெருணைப் பொருளே. இந்த இரு பெருணைகளும் ஒன்றிற்கொன்று தொடர்புற்றவை. சூடேற்றல் = to heat. சூடு என்பது உணரப் படுவது. சூட்டிற்கு வெவ்வேறு தகைகளுண்டு. (=தகுதி=quality). பட்டறிவால் உணரும் வெவ்வேறு சூடுகளைக் குறிக்க எம்மொழியிலும் வெறுஞ் சொற்கள் போதும். உறைந்து கிடக்கும் (உறைதல் = to freeze) பனிப் புள்ளிக்கும் மேலே, சில்லிட்டிருப்பது (chill) ஒருவகைச் சூடு; அதற்கும் மேல் குளிர்ந்திருப்பது (cold) இன்னொரு சூடு; இன்னும் மேலே வெதுப்பான (warm) சூடு; இன்னும் மேலே போனால் இளஞ்சூடு (mild hot); அதற்கும் மேலே போனால் கடுஞ்சூடு (very hot); இன்னும் பேரதிகம் போனால்,  கொதி (boiling)சூடு. இப்படி ஒவ்வொரு சூட்டையும் வெவ்வேறு சொற்களில் நாம் உணர்த்துகிறோம். இச்சொற்கள் உறவானவை (relative).  

மாந்தர் தம் மேனியில் தெரியும் சூட்டுக்களை வெவ்வேறாய் உணர்வார். ஒருவர் உணர்ந்தது போல் இன்னொருவர் உணரார். எனக்குக் குளிர் எனில் உங்களுக்கு அது வெதுப்பாகலாம். உங்களுக்கு வெதுப்பெனில் இன்னொருவருக்கு இளஞ்சூடாகலாம். இது, இச்சூடென யாரும் உறுதி சொல்லார். தெளிவாய்ப் புரிய வைக்கவும் முடிவதில்லை. மொத்தத்தில் சொற்களால் சூட்டை உணர்த்துவது இயலாததாகிறது. மாறாக, எல்லோரும் ஒப்பிய ஒரு சூட்டை அடிப்படையாக்கி, அதை ஓர் உரியலெண்ணோடு (real number) பொருத்தி, மற்ற சூட்டுகளையும் வேறு உரியலெண்களோடு பொருத்தினால் சூடுணர்த்த முடியுமெனப் பட்டறிவு சொல்கிறது. அப்படி அமையும் எண்களையே வெம்மை (temperature) என்கிறோம். ”சூட்டுக்” கொத்தின் (set) ஒவ்வொரு சூட்டிற்கும் ஓர் உரியலெண்னைப் பொருத்தும் முகப்பையே (map) வெம்மை (temperature) என்பர்.

அடிப்படை வெம்மை பனிப் புள்ளியாகவோ (ice point) கொதிப் புள்ளியாகவோ (boiling point) இருக்கலாம். வெம்மை முகப்பும் (temperature map), ஒரே முகப்பாக இருக்க வேண்டியதில்லை. நூற்றுக் கணக்கான முகப்புக்களை நாம் உருவாக்கலாம். ஒவ்வொரு முகப்பும் ஓர் அளவுகோலை உருவாக்கும். செண்டிகிரேடு அளவுகோல், ஒருவித முகப்பு. இதில் பனிப் புள்ளி என்பது, சுழி (zero) எண் எனறு கொள்ளப்படும். வாரன்ஃகீட் அளவுகோல் என்பது இன்னொரு முகப்பு. இதில் பனிப்புள்ளி என்பது 32 என்று சொல்லப்படும். கெல்வின் முகப்பு இன்னுமோர் அளவுகோல். இதில் பனிப்புள்ளி 273.16. நம்மிற் பலரும் hotness என்பதைத் தெரிந்து கொள்ளாது temperature க்குத் தாவுகிறோம். 

எண்ணுதியாய் (=quantity) அன்றி temperature ஐக் குறிக்க முடியாது. வெம்மையோடு சேர்ந்தது வெப்பம். ஒரு பொதியைச் (body) சூடேற்றும்போது நாம் தருவது வெப்பம் (caloric). மாந்தர் பட்டுத் தெரிந்து கொண்ட ஆற்றல் (energy) வகைகளில் வெப்பமும் ஒன்று. இது, கனலி (calory) எனும் அலகால் அளக்கப் படுகிறது. வெப்புறுத்தும் போது ஒரு வளிமம் (gas) அல்லது நீர்மம் (liquid) விரியும் (expand); கூடவே அதன் வெம்மையும் கூடும். இதுவரை சொன்ன வினைகளை வெப்பவினை, சூட்டுவினை என்று மட்டுஞ் சொல்லாது தெறும வினை என்றுஞ் சொல்வர். தெறுமம் என்பது தமிழே.

இனி நம்மைச் சுற்றியுள்ள இயற்கையின் கூத்தைப் பார்ப்போம். வெகு தொலைவிற்கும் அப்பால், [சிம்லாவிற்கும் மேல்] இமையத்திலோடும் ஆறு பசந்தம் (>வசந்தம்), கோடை, இலையுதிர்க் காலங்களில் நீராகவே இருப்பினும், குளிர்காலத்தில், வெம்மையைப் (hotness/ temperature) பொறுத்து, உறைந்து விடலாம். இதற்கு மாறாய் நம்மூர் ஆறோ, கோடையில் ஆவியாகி, ஒன்றுந் தங்காது, முற்றிலும் வறண்டு போகலாம். கடலைச் சேரும் 2 ஆறுகளிலும் இருப்பது என்னவோ நீர் தான்; ஆனால், ஒன்று வெம்மைக் குறைவால் உறைகிறது; இன்னொன்று வெம்மைக் கூடுதலால் ஆவியாகிறது. வெம்மை போல் நீரின் மேலுள்ள அழுத்தமும் நீர்ப்பொருளை விதவிதமாய் ஆட்டிப் படைக்கும். நீர்ப்படிவின் மேலுள்ள அழுத்தம் குறையக்குறைய, நீர் ஆவி யாகும். அழுத்தங் கூடக்கூட, நீர் ஆவியாகும் இயலுமை குறையும். 

நம்மைச் சுற்றிய காற்றழுத்தத்தை ஊதுமக் கோள அழுத்தம் (atmospheric pressure) என்று சூழறிவியலில் (environmental science) சொல்வார். (இனிவரும் இடங்களில் கோளக் கருத்து உள்ளிருப்பினும் அச்சொல் தவிர்த்தே பயனுறுத்துவோம்) மாந்த முயற்சியில் ஊதும அழுத்தத்தை விடப் பன்மடங்கு அழுத்தங்களையும் ஏற்படுத்தலாம். அதன் மூலம் புதுப் புது இயல்விளைவுகளை ஏற்படுத்தலாம். பொதுவாக, வெம்மை உணருமளவுக்கு, மாந்தர் அழுத்தத்தை உணர்வதில்லை. அதையுணரச் சற்று நேரம் பிடிக்கும். அனற்புயவு நிலையங்களிலுள்ள (thermal power stations) உயரழுத்தக் கொதிகலன்களில் (high pressure boilers) நீரானது நாம் அன்றாடங் காண்பது போல் 100 பாகை செல்சியசில் ஆவியாவதில்லை. அதற்கும் மேலான வெம்மையில் ஆவியாகிறது. 

தான்பெறும் சூடு/குளிருக்கு ஏற்ப, அழுத்தத்திற்கு ஏற்ப, நீர் ஓரிடத்தில் உறையும், இன்னோரிடம் ஆவியாகும். உறைந்ததைப் பனிக்கட்டி என்றும், ஆவியை நீராவி என்றும் சொல்கிறோம்.  நீர்ப் பொருள் ஒன்றே எனினும், நீரின் வெம்மை, சுற்றியுள்ள அழுத்தம் ஆகியவற்றைப் பொறுத்து, நீரானது பனிக் கட்டித் திண்மமாகவோ, அல்லது நீர்மமாகவோ, இன்னுஞ் சற்று மாறி நீராவி யாகவோ மாறுகிறது. திண்மம் (solid), நீர்மம் (liquid), ஆவி (vapour) போன்ற உருக்களை (forms) அறிவியலில் வாகை (phase) என்பார். [வாய்ப்பது வாய்கு> வாகு; வாகின் வழி வந்த சொல் வாகை.] வெம்மை, அழுத்தம் ஆகியவற்றால் வெவ்வேறு வாகைகளாய் நீர் உருமாறுவதையே வாகை மாற்றம் (phase change) என்பார். தெறுமத்துனவியலில் வாகை மாற்றம் என்பது முகன்மையானது.  

ஒரு குவளை நிறைய (25 பாகை செல்சியசு வெம்மை) நீர் எடுத்துக் கொள்ளுங்கள். நெருப்பாலோ, மின்னாலோ, அல்லது வேறு வகையாலோ, நீர்க் குவளையைச் சூடுபடுத்தச் சூடுபடுத்த, நீரின் வெம்மை கூடும். இப்படிக் கூடுவதை, தெறுமமானி (thermometer) மூலம் கவனிக்கலாம். வெப்பு வினையின் போது, ஒரு குறிப்பிட்ட வெம்மை வரை, (கூடவே ஆவி எழுந்தாலும்,) நீர் நீர்மமாகவே இருக்கும். குறிப்பிட்டுச் சொன்னால், 85 பாகை செல்சியசு வரை, நீர் நீராகவே கொந்தளித்துக் குமிழிட்டு, ஆவி அவ்வளவு ஏற்படாது, வெம்மை மட்டும் ஏறும். ஆனால், வெம்மை 90, 95 பாகையை அடைகையில், ”சடபுட” என நீர் குமிழிடுவது அதிகரிக்கும். 100 பாகையில், வெடித்துக் ”கன்னாப் பின்னா” என வியக்கும் வகையில், நீர்ப்படிவிலிருந்து நீராவி தொடர்ந்து எழும். இந்நிலையில், வெப்பத்தை எவ்வளவு கூட்டினும், தெறும மானியில் வெம்மை ஏறாது, குவளையில் ஆவியாகல் மட்டும் நடக்கும். பொதுவாக, ஒரு குறிப்பிட்ட அழுத்தத்தில், கொதிப்பு நிகழ்ந்தால், கொதிநிலை வெம்மை (boiling temperature) மாறாது, சிச்சிறிதாய் நீர்ம வாகையின் அளவு குறைந்து நீராவி வாகை கூடும், அல்லது குவளையில் இருந்து வெளிப்படும். 

இச்சூடேற்றும் வினையானது, இப்போது கண்ணாடிச் சுவர் பொருத்திய, மூடியுள்ள, குடுவையில் நடப்பதாய் வையுங்கள். வெப்பத்தைக் கூட்டக் கூட்ட நீர்மட்டத்திற்கு மேலுள்ள காற்று வெளியேறி, குடுவைக்குள் நீர்மட்டத்திற்கு மேல் நீராவி மட்டுமே பரந்திருக்கும். வெப்பம் இன்னும் அதிகரிக்கையில், குடுவையின் மேலிருந்து நீராவி தொடர்ந்தெழுந்து குழாய் வழி வெளியேறும். இப்போது வெளியேற்றுக் குழாயில் ஓர் ஆதமாற்று வாவியைப் (automatic valve) பொருத்தி, குடுவையில் பேணும் அழுத்தத்திற்கு ஏற்ப, ஆவியை வெளியே விடலாம். இந்நிலையில் குடுவை அழுத்தத்தை, ஓர் ஊதும அழுத்தத்திற்கே, கட்டுப் படுத்தினால், நீர் 100 பாகை செல்சியசில் கொதித்து ஆவியாகும். மாறாக 3 மடங்கு ஊதும அழுத்தத்தில் கட்டுப்படுத்தினால், கொதிப்பு 134 பாகையில் ஏற்படும். இதற்கும் மாறாக, 0.76 மடங்கு ஊதும அழுத்தத்தில் கட்டுப் படுத்தினால், கொதிப்பு 92.1 பாகையில் ஏற்படும். 

இப்படி ஒவ்வோர் அழுத்தத்திற்கும் ஒரு குறிப்பிட வெம்மையில் நீர் கொதிப்பதை கொதிநிலைச் சுருவை (boiling point curve) என்று பூதியலில் சொல்வார். இதே கருத்தை வேறு மாதிரிச் சொல்ல வேண்டுமெனில், ஒவ்வொரு வெம்மைக்கும் ஓர் ஆவியழுத்தம் (vapour pressure) உண்டெனலாம். அவ்வகையில் கொதிநிலைச் சுருவையை, ஆவியழுத்தச் சுருவை (vapour pressure curve) என்பார். ஆவியழுத்தம் என்பது ஒவ்வொரு வெம்மைக்கும், இணையான அழுத்தமாகும். இவ்வாவியழுத்தத்தைச் சோதனைகள் மூலமாயும், பின் பல்வேறு தேற்றுக்களை (theories) வைத்துச் செய்யும் கணிப்பின் (computation) மூலமாயும், நாம் துல்லியமாக மதிப்பிட முடியும். எந்தவொரு பொருளுக்கும் ஆவியழுத்தம் காணுவதும், அவற்றைப் பட்டியலிடுவதும் (table), தேற்ற முடிவுகளின் (theoretical conclusions) படி கணிப்பதும், படிவுற்ற வேதியலில் (applied chemistry) நெடுநாள் நடக்கும் பணி. 

பொதுவாக நீர்ப்படிவின் மேலுள்ள அழுத்தம், ஆவியழுத்தத்திற்கு மேலும், கீழுமாய் இருக்கலாம். இதைச் சரியாய்ப் புரிந்துகொள்ள, முன்சொன்ன 92.1 பாகை செல்சியசு நீரை எண்ணிப் பார்க்கலாம். இந்நீரின் மேலிலுள்ள மொத்த அழுத்தம் (total pressure) 0.76 மடங்கு ஊதும அழுத்தத்திற்கும் மேலிருக்குமானால் நீர் ஆவியாகாது [ஊதும அழுத்தத்தை அடிப்படை அலகாகக் கொள்கையில் அதை “பார்” அலகில் சொல்வார். அதாவது மொத்த அழுத்தம் 0.76 பார்]. மாறாக, மொத்த அழுத்தம் 0.76 பாருக்கும் கீழ்வருமெனில், நீர் ஆவியாக மாறும். இப்படி நீரின் ஆவியாகுந் தன்மையைக் கட்டுப்படுத்த வேண்டின், நீரின் மேலுள்ள மொத்த அழுத்தம், அதன் வெம்மையை வைத்துக் கணித்த ஆவியழுத்தத்தை விடக் கூட இருக்கவேண்டும்.

நீர் போன்ற ஒவ்வோர் இயற்பொருளையும் அறிவியலில் ஒரு பொதி (body) என்பார். ஒவ்வொரு பொதிக்கும் அதன் மேலுள்ள அழுத்தம், அதன் வெம்மை என்ற இரண்டோடு இன்னும் ஒரு தகை (quality) உண்டு. இனி அதைப் பார்ப்போம். ஓர் ஆவி அல்லது நீர்மத்தைச் (liquid) சூடாக்குகையில் அது விரிகிறது (expand); கூடவே அதன் வெம்மையும் (temperature) கூடுகிறது. ஆவியைப் போலுள்ள இன்னொரு தோற்றத்தை வளிமமென (gas) அறிவியலில் சொல்வார். ஆவியும் வளிமமும் ஒன்றுபோற் தெரிந்தாலும் இரண்டும் நுணுகிய முறையில் சற்று வேறானவை. சென்ற பகுதியில் நான் ஆவி பற்றியே பேசினேன்; வளிமத்தை விரிவாக இனிமேல் பேசுவேன். இப்போதைக்குத் தற்காலிகமாக ஆவியையும் வளிமத்தையும் ஒன்று போல் எண்ணுவதில் தவறில்லை. வளிமம் அல்லது நீர்மத்தைப் பாய்மம் அல்லது விளவம் (fluid) என்ற பொதுச் சொல்லாலுங் குறிப்பார். விரிய விரிய ஒரு விளவம் வெளி(space)யை நிறைக்கிறது. வெளியை நிறைத்தலால் ”வெள்ளுகிறது” என்கிறோம். 

வெள்ளும் அகற்சிக்கு வெள்ளம் (volume) என்று பெயர். ஆற்று நீர் பெருகி அகன்றோடுவதை வெள்ளமாய் ஓடுகிறது என்கிறோம் அல்லவா? அதே போல் நிறைந்து கிடக்கும் வீராணம் ஏரியை விரிந்த நீர் என்போம். விரிந்ததென்ற கருத்தும் வெள்ளமென்ற கருத்தும் ஒரே பொருட்பாட்டைக் குறிக்கின்றன. வெள்ளமென்ற சொல் அகலும் தன்மையைக் குறிக்கிறது. அது ஓடுகிறதா, நிலைத்து நிற்கிறதா என்பது அடுத்துப் பார்க்க வேண்டிய குறிப்பு; முதன்மைக் குறிப்பல்ல. வெள்ளப் பெருக்கு (volumetric increase) காலத் தொடர்ச்சியாக ஏற்பட்டால் அதைப் பாய்ச்சல் அல்லது விளவு (flow) என்பார். [வெள்ளத்திற்கும் விளவிற்குமான வேறுபாட்டைப் பலரும் உணர்வதில்லை. அறிவியலில் ஆழம்போக வேண்டுமெனில் இரண்டிற்கும் சரியான வேறுபாட்டை உணர வேண்டும்.) 

வெள்ளத்திற்குப் பருமன் என்ற சொல்லையும் சிலர் பயனாக்குவர். அச்சொல் முப்பரிமான அளவில் வெள்ளத்திற்குச் சமமாயிருக்கும். மற்ற பரிமானங்களில் சற்று குழப்பம் ஏற்படும்.] நீர்மம் குறித்தெழுந்த ”வெள்ளத்தைப்” பொதுமைப்படுத்தி மற்ற 2 வாகை உருவிலும் நீர்ப் பொருளோடு பொருத்தி "வெளியை (space) நிறைப்பது வெள்ளம்" எனப் பொதுமையாய்ச் சொல்வது அறிவியற் பழக்கம். எந்தவொரு பொதிக்கும் (body) வெம்மை, அழுத்தம் போக அதன் வெள்ளமும் முகன்மையான செய்தி. 

வெம்மை, அழுத்தம், வெள்ளம் போக நாலாவது இயலுமையும் இயற் பொருள்களுக்கு உண்டு. அது எடை (weight) எனப்படும். ஒரு பொதியை எடுத்து வெம்மையை அளக்கிறோம். 42 பாகை என்று காட்டுகிறது. இப்பொழுது அதே பொதியை இரண்டாக வெட்டி, அல்லது பிரித்து வெம்மையை அளந்தால் 2 பகுதியிலும் வெம்மை 42 பாகை என்றே காட்டும். அதே போல் அழுத்தத்தை அளந்தாலும் 2 பகுதிகளும், முன்னிருந்த அழுத்தத்தையே காட்டும். இதுபோல் ஒரு பொதியை எத்தனை முறை சிறு சிறு பங்குகளாய் ஆக்கினும், அப் பங்குகளின் வெம்மை, அழுத்தம் போன்றவை ஒரே அளவைக் காட்டும். ஆனால் வெள்ளம், எடை போன்றவை அப்படி இருப்பதில்லை. இரண்டாய்ப் பிளந்தபின், வெள்ளமும், எடையும் ஓவ்வொரு பாதியிலும் பாதிப் பாதியே உள்ளன. நாலாய்ப் பிளந்தால் ஒவ்வொரு பகுதியில் நாலிலொரு பங்கு வெள்ளத்தையும், நாலிலொரு பங்கு எடையையும் காட்டுகின்றன. சுருக்கமாகச் சொன்னால், வெம்மை, அழுத்தம் போன்றவை உள்ளார்ந்த குணங்கள் (intensive properties)/ வெள்ளம், எடை போன்றவை வியல்ந்த குணங்கள் (extensive properties). 2 வகைக் குணங்களையும் வெவ்வேறு முறையில் கையாள வேண்டும். 

அன்புடன்,

இராம.கி.