📚 கற்றல் முதன்மை க.பொ.த. (சா/த) க.பொ.த. (உ/த) பிற 🌐 English உள்நுழைய
பாடங்கள் · அலகு 5 · வெப்ப இரசாயனத்தின் அடிப்படைப் பதங்கள்

வெப்ப இரசாயனத்தின் அடிப்படைப் பதங்கள்

முழுமையான பார்வை — ஏன் இந்த அடிப்படைப் பதங்கள்?

அலகு 5 சக்தியியலில் (Energetics) சக்தி வெப்ப வடிவில் மாற்றமடைவது பற்றியும், அதன் பங்களிப்பு பற்றியும் கற்கப்படுகின்றது. ஏறக்குறைய எல்லா இரசாயனத் தாக்கங்களும் வெப்பத்தை உறிஞ்சுகின்றன அல்லது வெளிவிடுகின்றன. ஒரு தாக்கத்தின்போது நிகழும் வெப்பமாற்றம் பற்றிய கற்கையே வெப்ப இரசாயனம் (thermochemistry) எனப்படுகின்றது.

இந்த வெப்பமாற்றங்களை அளவிடுவதற்கு முன், அவற்றை விபரிக்கப் பயன்படும் சில அடிப்படைப் பதங்களை முதலில் வரையறுத்து விளங்கிக் கொள்வது அவசியமாகும். இப்பாடத்தில் தொகுதி, சூழல், எல்லை, தொகுதிகளின் வகைகள், தொகுதியின் இயல்புகள், தொகுதியின் நிலை, வெப்ப உள்ளுறை, வெப்பம் ஆகிய பதங்கள் NIE பாடநூலின் வரைவிலக்கணங்களுடன் கற்பிக்கப்படுகின்றன.

1. தொகுதி, சூழல், எல்லை (system, surroundings and boundary)

லாவோசியரின் பனிக் கலோரிமீட்டர்
Lavoisier's ice calorimeter
Wikipedia → · CC

பேரண்டத்திலிருந்து கற்பதற்காகப் பிரித்தெடுக்கப்பட்ட சடப்பொருளின் (matter) ஒரு பகுதியே தொகுதி (system) என வரையறுக்கப்படுகின்றது. எளிதாகச் சொன்னால், கற்றலுக்கு உட்படுத்தப்பட்ட பொருளே தொகுதியாகும். உதாரணமாக ஒரு குடுவையினுள் உள்ள இரசாயனக் கலவை ஒரு தொகுதியாக அமையக்கூடும்.

கற்றலுக்காகத் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட தொகுதியின் பகுதி அல்லாதனவும், அத்தொகுதியுடன் இடைத்தாக்கம் (interaction) அடையக்கூடியனவும் சூழல் (surroundings) எனப்படுகின்றன. அதாவது தொகுதிக்கு வெளிப்புறமாக உள்ள யாவும் சூழலாகும். தொகுதியையும் சூழலையும் வேறாக்கும் விளிம்பு எல்லை (boundary) எனப்படுகின்றது; உதாரணமாக ஒரு குடுவையின் சுவர் ஒரு எல்லையாகச் செயற்படுகின்றது.

System, Surroundings & Boundary Surroundings — everything outside the system SYSTEM the part being studied Boundary = the wall separating system from surroundings Three types of system Open system matter ✔ energy ✔ both cross the boundary e.g. open beaker Closed system matter ✘ energy ✔ only energy crosses e.g. sealed bottle Isolated system matter ✘ energy ✘ nothing crosses e.g. sealed vacuum flask

Yellow arrows = energy crossing the boundary; green arrows = matter crossing.

2. தொகுதிகளின் வகைகள் (open, closed and isolated systems)

தொகுதிக்கும் சூழலுக்கும் இடையில் என்ன பரிமாற்றமாகின்றது என்பதன் அடிப்படையில் தொகுதிகள் மூன்று வகைப்படுகின்றன. எல்லையினூடாக சக்தியும் சடப்பொருளும் கடக்க முடியுமா என்பதைப் பொறுத்தே இவ்வகைப்பாடு அமைகின்றது.

தொகுதி வகைசடப்பொருள் கடக்குமா?சக்தி கடக்குமா?உதாரணம்
திறந்த தொகுதி (open system)ஆம்ஆம்உப்பு நீர்க் கரைசலைக் கொண்ட திறந்த போத்தல்
மூடிய தொகுதி (closed system)இல்லைஆம்அடைக்கப்பட்ட போத்தலினுள் ஆவியுடன் சமநிலையில் உள்ள திரவம்
தனிமைப்படுத்திய தொகுதி (isolated system)இல்லைஇல்லைமூடி அடைக்கப்பட்ட வெப்பக் குடுவையிலுள்ள மாதிரி

ஒரு தொகுதி சக்தியையும் சடப்பொருளையும் சூழலுடன் பரிமாற்றுமாயின் அது திறந்த தொகுதி ஆகும்; இங்கு சடப்பொருளும் வெப்பமும் தொகுதிக்குள் வரவோ வெளியேறவோ முடியும். எல்லையினூடாக சக்தியை மட்டும் பரிமாற்ற அனுமதிக்கும், ஆனால் சடப்பொருள் பரிமாற்றத்தை அனுமதிக்காத தொகுதியே மூடிய தொகுதி ஆகும். சக்தியையும் சடப்பொருளையும் சூழலுடன் எவ்விதத்திலும் பரிமாற்றாத தொகுதி தனிமைப்படுத்திய தொகுதி எனப்படுகின்றது; வெப்பக் குடுவையின் சுவர்கள் காவலிப் (insulating) பதார்த்தங்களால் ஆக்கப்பட்டிருப்பதால் அது இவ்வகைக்கு நல்ல உதாரணமாகும்.

ஒரு தொகுதியிலுள்ள சடப்பொருள்கள் அனைத்தும் ஒரே பெளதிக நிலையில் இருந்தால் அது ஏகவினத் தொகுதி (homogeneous system); உதாரணமாக வாயுக்களின் கலவை. உள்ளடக்கங்கள் வெவ்வேறு பெளதிக நிலைகளில் இருந்தால் அது பல்லினத் தொகுதி (heterogeneous system); உதாரணமாக ஒரு திண்மமும் வாயுவும் தொடுகையில் இருத்தல்.

3. தொகுதியொன்றின் இயல்புகள் (properties of a system)

ஒரு தொகுதியின் அளவிடக்கூடிய பெரும்பார்வைக்குரிய (macroscopic) இயல்புகள் இரு வகைப்படுகின்றன. ஒரு தொகுதியின் திணிவில் அல்லது பருமனில் தங்கியுள்ள இயல்புகள் விரிவியல்புகள் (extensive properties) எனப்படுகின்றன; உதாரணமாக கனவளவு, மூல்களின் எண்ணிக்கை, திணிவு, சக்தி, அகச்சக்தி (internal energy) என்பன. ஒரு தொகுதி பல சிறு பகுதிகளாகப் பிரிக்கப்பட்டால், மொத்த விரிவியல்பு அந்தச் சிறு பகுதிகளின் விரிவியல்புகளின் கூட்டுத்தொகைக்குச் சமமாகும்.

ஒரு தொகுதியின் திணிவிலோ பருமனிலோ தங்கியிராத இயல்புகள் செறிவியல்புகள் (intensive properties) எனப்படுகின்றன; உதாரணமாக வெப்பநிலை, அடர்த்தி, அமுக்கம், ஒளிமுறிவுச் சுட்டி, கொதிநிலை, உறைநிலை என்பன. ஒரு விரிவியல்பு ஒரு அலகிற்கு — ஒரு மூலிற்கு அல்லது ஒரு கிராமிற்கு — கூறப்படும்போது அது செறிவியல்பாக மாறுகின்றது. உதாரணமாக திணிவும் வெப்பக் கொள்ளளவும் விரிவியல்புகள்; ஆனால் அடர்த்தியும் தன்வெப்பக் கொள்ளளவும் (specific heat capacity) செறிவியல்புகள் ஆகும்.

எளிய சோதனை: தொகுதியை இரண்டாகப் பகுத்தால் இயல்பின் பெறுமானம் பாதியாகக் குறையுமா? குறைந்தால் அது விரிவியல்பு (திணிவு போல). மாறாமல் இருந்தால் அது செறிவியல்பு (வெப்பநிலை போல) — ஒரு தேக்கரண்டி கொதிநீரும் ஒரு பெருங்கெண்டி கொதிநீரும் ஒரே 100 °C ஆகவே இருக்கும்.

Extensive vs Intensive Properties Halve the system — does the value change? whole system 100 g 80 °C halve one half Extensive — value HALVES mass 100 g → 50 g volume, moles, energy, H depends on amount of matter Intensive — value UNCHANGED temperature 80 °C → 80 °C density, pressure, b.p., f.p. independent of amount mass 100 g mass 50 g temp 80 °C temp 80 °C

விரிவியல்புகள் திணிவுடன் மாறுகின்றன; செறிவியல்புகள் மாறுவதில்லை.

4. ஒரு தொகுதியின் நிலை (state of a system)

ஒரு தொகுதியின் அளவிடக்கூடிய பெரும்பார்வைக்குரிய இயல்புகளின் குறித்த பெறுமானங்கள் தெரிந்திருந்தால், அத்தொகுதி எப்பெளதிக நிலையில் உள்ளது என்பதைத் துல்லியமாகக் கூறலாம். எனவே ஒரு தொகுதியின் நிலை (state) என்பது அதன் குறித்த அளவிடக்கூடிய இயல்புகளால் வரையறுக்கப்படுகின்றது. தொகுதி சூழலுடன் எவ்வித இடைத்தாக்கத்திற்கும் உட்படுமுன் இருந்த நிலை தொடக்கநிலை (initial state); இடைத்தாக்கம் முடிந்தபின் இருக்கும் நிலை முடிவுநிலை (final state) ஆகும்.

அமுக்கம் (P), கனவளவு (V), வெப்பநிலை (T), மூல்களின் அளவு (n) போன்ற, தொகுதியின் நிலையை விபரிக்கப் பயன்படும் மாறிகள் நிலைத் தொழிற்பாடுகள் (state functions) எனப்படுகின்றன. ஒரு நிலைத் தொழிற்பாட்டின் பெறுமான மாற்றம் தொகுதியின் தொடக்க, முடிவு நிலைகளில் மட்டுமே தங்கியுள்ளது; அந்த மாற்றம் எவ்வாறு, எந்தப் பாதையினூடாக நிகழ்ந்தது என்பதில் தங்கியிருப்பதில்லை. இதற்கு மாறாக, மாற்றம் நிகழ்ந்த பாதையில் தங்கியுள்ள கணியங்கள் பாதைத் தொழிற்பாடுகள் (path functions) எனப்படுகின்றன; உறிஞ்சப்பட்ட வெப்பமும் (q) செய்யப்பட்ட வேலையும் (w) பாதைத் தொழிற்பாடுகளுக்கு உதாரணங்களாகும்.

ஒப்புமை: ஒரு மலை ஏற்றத்தில் இரு கிராமங்களுக்கு இடையிலான உயரவேறுபாடு நிலைத் தொழிற்பாடு போன்றது — எந்தப் பாதையில் ஏறினாலும் அது மாறாது. ஆனால் நீங்கள் நடந்த தூரம் பாதைத் தொழிற்பாடு போன்றது — எடுத்த பாதையில் அது தங்கியுள்ளது. வெப்ப உள்ளுறை ஒரு நிலைத் தொழிற்பாடு; வெப்பமும் வேலையும் பாதைத் தொழிற்பாடுகள்.

State Function vs Path Function — the hill analogy initial state altitude 200 m final state altitude 800 m short steep route long winding route Δaltitude = 600 m STATE function: rise in altitude = +600 m (same on both routes) PATH function: distance walked differs

ΔH (உயரவேறுபாடு போன்றது) பாதையில் தங்கியிராது; வெப்பமும் வேலையும் (நடந்த தூரம் போன்றவை) தங்கியுள்ளன.

5. வெப்ப உள்ளுறை (enthalpy, H)

கார்னோ வெப்ப இயந்திரம் — மாறா அமுக்கம்
Carnot heat engine (constant pressure)
Wikipedia → · CC

பெரும்பாலான பெளதிக மாற்றங்களும் இரசாயன மாற்றங்களும் மாறா அமுக்க (constant pressure) நிபந்தனைகளில் நடைபெறுகின்றன. ஆய்வுகூடத்தில் தாக்கங்கள் சூழலுக்குத் திறந்த குடுவைகளிலும் பரிசோதனைக் குழாய்களிலும் நடாத்தப்படும்போது, அங்கு தொழிற்படும் அமுக்கம் அண்ணளவாக ஒரு வளிமண்டல அமுக்கமாக இருக்கின்றது. இத்தகைய மாறா அமுக்கச் செயன்முறைகளில் தொகுதிக்கு உள்ளேயும் வெளியேயும் ஏற்படும் வெப்பப் பாய்ச்சலைக் கணியப்படுத்த இரசாயனவியலாளர் வெப்ப உள்ளுறை அல்லது என்தல்பி (enthalpy) என்னும் இயல்பைப் பயன்படுத்துகின்றனர்; இது H என்னும் குறியீட்டால் குறிக்கப்படுகின்றது.

வெப்ப உள்ளுறை ஒரு விரிவியல்பாகும்; இதன் பருமன் பதார்த்தத்தின் அளவில் தங்கியுள்ளது. ஒரு பதார்த்தத்தின் வெப்ப உள்ளுறையின் முழுமையான பெறுமானத்தைக் கணிப்பது சாத்தியமற்றது. எனவே நாம் உண்மையில் அளப்பது வெப்ப உள்ளுறை மாற்றமே (ΔH). ஒரு தாக்கத்தின் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றம், விளைவுகளின் வெப்ப உள்ளுறைக்கும் தாக்கிகளின் வெப்ப உள்ளுறைக்கும் இடையிலான வேறுபாடாகும்.

ΔH = H(விளைவுகள்) − H(தாக்கிகள்)

மாறா அமுக்கத்தில் : உறிஞ்சப்படும் அல்லது வெளிவிடப்படும் வெப்பம் qp = ΔH

மாறா அமுக்கத்தில் ஒரு செயன்முறையில் பரிமாறப்படும் வெப்பம், அந்தச் செயன்முறையின் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றத்திற்குச் சமமாகும். இதனாலேயே மாறா அமுக்கத்தில் வெப்பத்தை அளப்பதன் மூலம் ΔH ஐ நேரடியாகத் துணிய முடிகின்றது — வெப்ப உள்ளுறை வெப்ப இரசாயனத்தின் மையக் கருத்தாக அமைவதற்கான காரணம் இதுவே.

6. வெப்பம் (heat, q)

புறவெப்பத் தாக்கம் — வெடிப்பு
Exothermic reaction — explosion
Wikipedia → · CC

வேறுபட்ட வெப்பநிலைகளில் உள்ள இரு பொருட்களுக்கு இடையில் வெப்பநிலை வேறுபாட்டின் காரணமாக நிகழும் சக்தியின் இடமாற்றமே வெப்பம் (heat) எனப்படுகின்றது; இது q என்னும் குறியீட்டால் குறிக்கப்படுகின்றது. பொதுவாக வெப்பம் சூடான பொருளிலிருந்து குளிரான பொருளுக்கே பாய்கின்றது. வெப்பம் என்பது தொகுதியில் சேமிக்கப்படும் ஒரு பண்பல்ல; அது இடமாற்றப்படும்போது மட்டுமே வெளிப்படும் ஒரு சக்தி வடிவமாகும்.

வெப்ப மாற்றத்தைக் குறிப்பிடுவதற்கு ஒரு குறியீட்டு வழக்கம் (sign convention) பின்பற்றப்படுகின்றது. அகவெப்பச் (endothermic) செயன்முறையின்போது தொகுதி சூழலிலிருந்து வெப்பத்தை உறிஞ்சுகின்றது; உறிஞ்சப்பட்ட வெப்பத்தின் அளவு q நேர்ப் பெறுமானம் (positive) உடையது. புறவெப்பச் (exothermic) செயன்முறையின்போது தொகுதி சூழலுக்கு வெப்பத்தை வெளிவிடுகின்றது; வெளிவிடப்பட்ட வெப்பத்தின் அளவு q மறைப் பெறுமானம் (negative) உடையது.

தொகுதியின் பார்வையில் சிந்திக்க: தொகுதிக்குள் வெப்பம் வந்தால் q நேரானது (அகவெப்பம், எ.கா. அமோனியம் குளோரைட்டை நீரில் கரைத்தல்). தொகுதியிலிருந்து வெப்பம் வெளியேறினால் q மறையானது (புறவெப்பம், எ.கா. எல்லாத் தகனத் தாக்கங்களும்). மாறா அமுக்கத்தில் qp = ΔH ஆதலால், அகவெப்பத் தாக்கங்களுக்கு ΔH நேரானது; புறவெப்பத் தாக்கங்களுக்கு ΔH மறையானது.

📝 தேர்வாளர் குறிப்பு
  • மூடிய தொகுதிக்கும் தனிமைப்படுத்திய தொகுதிக்கும் இடையிலான வேறுபாட்டைக் குழப்பிக் கொள்ள வேண்டாம் — இரண்டிலும் சடப்பொருள் கடப்பதில்லை, ஆனால் சக்தி மூடிய தொகுதியில் கடக்கும்; தனிமைப்படுத்திய தொகுதியில் கடக்காது.
  • "ஏன் இது நிலைத் தொழிற்பாடு?" என வினவப்பட்டால், அதன் மாற்றம் தொடக்க, முடிவு நிலைகளில் மட்டுமே தங்கியுள்ளது, பாதையில் தங்கியிருப்பதில்லை எனத் தெளிவாக எழுதுங்கள். வெப்பமும் (q) வேலையும் (w) நிலைத் தொழிற்பாடுகள் அல்ல.
  • qp = ΔH என்னும் தொடர்பு மாறா அமுக்கத்தில் மட்டுமே செல்லுபடியாகும் — விடையில் இந்த நிபந்தனையை எப்போதும் குறிப்பிடுங்கள்.
  • குறியீட்டு வழக்கம்: அகவெப்பம் → q நேர், ΔH நேர்; புறவெப்பம் → q மறை, ΔH மறை. தொகுதியின் பார்வையிலிருந்து சிந்தித்தால் குறி தவறாது.
🌐 விளக்க படம் / Explanatory Diagram
Thermodynamics basics
வெப்பவியக்கவியல் அடிப்படைகள்
Thermodynamics basics
Credit: Wikimedia Commons  · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →

📝 பயிற்சி வினாக்கள்

பகுதி I — பல்தேர்வு வினாக்கள்

  1. வெப்பமுமிழ் (exothermic) வினையில் ΔH:

    1. நேர்
    2. எதிர்
    3. பூச்சியம்
    4. மாறும்
    5. ∞
    விடை
    (2) — வெப்பம் வெளியேற்றம் → ΔH எதிர்.

  2. வெப்பங்கொள் (endothermic) வினையில் சூழல்:

    1. சூடாகும்
    2. குளிரும்
    3. மாறாது
    4. வண்டலாகும்
    5. எரியும்
    விடை
    (2) — வினை வெப்பத்தை உறிஞ்சும் → சூழல் குளிரும்.

  3. தொகுதி (system) + சூழல் (surroundings) =

    1. வினைபடுபொருள்
    2. பிரபஞ்சம்
    3. வினையூக்கி
    4. விளைபொருள்
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — தொகுதி + சூழல் = பிரபஞ்சம்.

  4. ஆற்றல் மாறாமை விதியின்படி (1ம் விதி) ஆற்றல்:

    1. உருவாக்கப்படும்
    2. அழிக்கப்படும்
    3. மாற்றப்படும், மொத்தம் மாறாது
    4. பூச்சியம்
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (3) — ஆற்றல் உருவாக்கப்படவோ அழிக்கப்படவோ முடியாது, மாற்றமே.

  5. வெப்பமுமிழ் வினைக்கு உதாரணம்:

    1. ஒளித்தொகுப்பு
    2. எரிப்பு (combustion)
    3. அமோனியம் குளோரைடு கரைதல்
    4. நீர் ஆவியாதல்
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — எரிப்பு வெப்பம் வெளியேற்றும் (ΔH எதிர்).

  6. வினையில் வெப்ப உள்ளடக்கத்தின் மாற்றம் (heat at constant P):

    1. உள்ளக ஆற்றல் ΔU
    2. என்தால்பி மாற்றம் ΔH
    3. என்ட்ரோபி ΔS
    4. கிப்ஸ் ΔG
    5. வேலை w
    விடை
    (2) — மாறா அழுத்தத்தில் வெப்ப மாற்றம் = ΔH.

பகுதி II — கட்டமைப்பு வினா

• வெப்பமுமிழ் மற்றும் வெப்பங்கொள் வினைகளை ΔH அடையாளம் மற்றும் ஆற்றல் வரிபடத்துடன் ஒப்பிடுக.

மாதிரி விடை
வெப்பமுமிழ்: ΔH<0, விளைபொருள் ஆற்றல் தாழ்வு, வெப்பம் வெளியேற்றம். வெப்பங்கொள்: ΔH>0, விளைபொருள் ஆற்றல் உயர்வு, வெப்பம் உறிஞ்சல்.

• தொகுதி, சூழல், என்தால்பி மாற்றம் ΔH ஆகியவற்றை வரையறுக்க.

மாதிரி விடை
தொகுதி = ஆராயப்படும் பகுதி; சூழல் = ஏனைய அனைத்தும்; ΔH = மாறா அழுத்தத்தில் வெப்ப உள்ளடக்க மாற்றம்.

கட்டுரை வினா

• வெப்ப இயக்கவியல் அடிப்படை — தொகுதி/சூழல், 1ம் விதி, வெப்பமுமிழ்/வெப்பங்கொள், என்தால்பியை விளக்குக.

விடை வரைவு
வரைவு: தொகுதி+சூழல்=பிரபஞ்சம்; ஆற்றல் மாறாமை; வெப்பமுமிழ் ΔH<0/வெப்பங்கொள் ΔH>0; ΔH=மாறா P வெப்ப மாற்றம்; ஆற்றல் வரிபடம்.
← அலகு 5