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)
Lavoisier's ice calorimeter
Wikipedia → · CC
பேரண்டத்திலிருந்து கற்பதற்காகப் பிரித்தெடுக்கப்பட்ட சடப்பொருளின் (matter) ஒரு பகுதியே தொகுதி (system) என வரையறுக்கப்படுகின்றது. எளிதாகச் சொன்னால், கற்றலுக்கு உட்படுத்தப்பட்ட பொருளே தொகுதியாகும். எடுத்துக்காட்டாக, 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; எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு குடுவையின் சுவர் ஒரு எல்லையாகச் செயற்படுகின்றது.
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 வகை | சடப்பொருள் கடக்குமா? | சக்தி கடக்குமா? | எடுத்துக்காட்டு |
|---|---|---|---|
| திறந்த தொகுதி (open system) | ஆம் | ஆம் | உப்பு நீர்க் கரைசலைக் கொண்ட திறந்த போத்தல் |
| மூடிய தொகுதி (closed system) | இல்லை | ஆம் | அடைக்கப்பட்ட போத்தலினுள் ஆவியுடன் சமநிலையில் உள்ள திரவம் |
| தனிமைப்படுத்திய தொகுதி (isolated system) | இல்லை | இல்லை | மூடி 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 எடுத்துக்காட்டாகும்.
ஒரு தொகுதியிலுள்ள சடப்பொருள்கள் அனைத்தும் ஒரே பெளதிக நிலையில் இருந்தால் அது ஏகவினத் தொகுதி (homogeneous system); எடுத்துக்காட்டாக, வாயுக்களின் கலவை. உள்ளடக்கங்கள் வெவ்வேறு பெளதிக நிலைகளில் இருந்தால் அது பல்லினத் தொகுதி (heterogeneous system); எடுத்துக்காட்டாக, 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; எடுத்துக்காட்டாக, 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; எடுத்துக்காட்டாக, வெப்பநிலை, அடர்த்தி, அமுக்கம், ஒளிமுறிவுச் சுட்டி, கொதிநிலை, உறைநிலை என்பன. ஒரு விரிவியல்பு ஒரு அலகிற்கு (ஒரு மூலிற்கு அல்லது ஒரு கிராமிற்கு) கூறப்படும்போது அது செறிவியல்பாக மாறுகின்றது. எடுத்துக்காட்டாக, 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 வாளி கொதிநீரும் ஒரே 100 °C ஆகவே இருக்கும்.
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 எடுத்துக்காட்டுகளாகும்.
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.
ΔH (உயரவேறுபாடு போன்றது) பாதையில் தங்கியிராது; வெப்பமும் வேலையும் (நடந்த தூரம் போன்றவை) தங்கியுள்ளன.
5. வெப்ப உள்ளுறை (enthalpy, H)
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.
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)
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.
- 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: அகவெப்பத்தில் q உம் ΔH உம் நேராகும்; புறவெப்பத்தில் இரண்டும் மறையாகும். தொகுதியின் பார்வையிலிருந்து சிந்தித்தால் குறி தவறாது.
Thermodynamics basics
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →