තාප ගති විද්‍යාවේ පළමු නියමය

විස්තරය

තාප ගති විද්‍යාවේ ප්‍රථම නියමය එසේත් නැත්නම් තාප ගති විද්‍යාවේ පළමු නියමය () මූලිකවම කියා සිටින්නේ තාප ගතික පද්ධතිවල ශක්තිය ගබඩා කිරීම හෝ රඳවා ගැනීම සිදු කළ හැකි අතර එම අභ්‍යන්තර ශක්තිය සංස්ථිතික වේ. තාපය යනු වැඩි උෂ්ණත්ව ප්‍රභවයකින්, පද්ධතියකට ශක්තිය එකතු වන හෝ අඩු උෂ්ණත්ව ස්ථානයකට ශක්තිය හානිවන ක්‍රියාවලියකි. ඊට අමතරව පද්ධතියක් එහි ව‍ටපිටාව මත යාන්ත්‍රික කාර්යයක් සිදු කරන විට ශක්තිය හානි විය හැක. ප්‍රතිවිරුද්ධව එහි වටපිටාව මඟින් පද්ධතිය මත කාර්යය සිදු කරන විට එය ශක්තිය ලබා ගනී. පළමු නියමය කියා සිටින්නේ මෙම ශක්තිය සංස්ථිතික බවයි. අභ්‍යන්තර ශක්තියේ වෙනස්, තාපයෙන් එකතු වන ප්‍රමාණයෙන් වටපිටාව මත කාර්යය කිරීමෙන් හානිවන ප්‍රමාණය අඩු කිරීමෙන් ලැබේ. පළමු නියමය ගණිතමය වශයෙන් මෙසේ ප්‍රකාශ කළ හැක.

මෙහි dU යනු පද්ධතියේ අභ්‍යන්තර ශක්තියේ කුඩා වැඩි වීමකි. δQ පද්ධිතියට එකතු කරන කුඩා තාප ප්‍රමාණයක් වන අතර δW යනු පද්ධතිය මඟින් කරන කුඩා කාර්යය ප්‍රමාණයයි.
තාප හා කාර්යය පදවලට පෙර ඇති δ ඒවා අභ්‍යන්තර ශක්තියේ dU වෘද්ධියට වඩා වෙනස්ව අර්ථ නිරූපණය වන ශක්ති වෘද්ධි විස්තර දැක්වීමට යොදා ගනී. තාපය හා කාර්යය ශක්තිය එකතු කරන හෝ අඩු කරන ක්‍රියාවලි වන අතර අභ්‍යන්තර ශක්තිය U පද්ධතිය හා සම්බන්ධ අපේක්ෂිත ශක්ති ආකාරයකි. එම නිසා δQ සඳහා තාප ශක්තිය යන වදන මඟින් අදහස් කෙරෙන්නේ යම් ආකාරයක ශක්ති විශේෂයක් නොව “තාපනයේ ප්‍රතිඵලයක් ලෙස එකතු වූ ශක්ති ප්‍රමාණයයි” ඒ ආකාරයටම අය සඳහා කාර්යය ශක්තිය යන්නෙන් අදහස් කරන්නේ” කාර්යය කිරීමේ ප්‍රතිඵලයක් ලෙස හානි වූ ශක්ති ප්‍රමාණයයි” මෙම ප්‍රභේදනයේ වඩාත් වැදගත් ප්‍රතිඵලය වන්නේ තාප ගතික පද්ධතියක් දරා සිටින අභ්‍යන්තර ශක්ති ප්‍රමාණය පැහැදිලිව ප්‍රකාශ කළ හැකි වීමයි. නමුත් මෙමඟින් අයෙකුට සිසිල් වීමේ හා තාපවත් වීමේ ප්‍රතිඵලයක් ලෙස පද්ධති තුළට ගලා එන හා ගලා යන ශක්ති ප්‍රමාණය හෝ කාර්යය ප්‍රතිඵලය පද්ධතිය වන හෝ මඟින් කළ ද යන්න හෝ පැවසිය නොහැක.
තාපගති විද්‍යාවේ පළමු නියමයේ පළමු සවිස්තර ප්‍රකාශය 1850 දී රුඩොල්ෆ් ක්ලවුසියස් විසිනි. “ශක්තිය ලෙස හඳුන්වන එහි අවකලනය ස්ථිරතාපී ක්‍රියාවලියන් තුළදී අවට පරිසරය සමඟ හුවමාරු වන කාර්යයට සමාන වන E නම් තත්ව ශ්‍රිතයක් ඇත.”

ඉහත සූත්‍රකරණය ඉංජිනේරුවන්ගේ හා භෞතිකඥයන් විසින් වැඩි ඇල්මට ලක්වන බව අවධානයට ලක් කර ගන්න. රසානඥයන් දෙවන ආකාරය වඩාත් භාවිතා කරයි. එහිදී δw අර්ථ දක්වන්නේ පද්ධතිය මත කළ කාර්යය ලෙසය එම නිසා එහිදී ඉහත සමීකරණයේ කාර්ය පදයට ඉදිරියෙන් ධන ලකුණක් යොදනු ලැබේ. මෙම ලිපිය භාවිතා කරන්නේ ප්‍රථම අර්ථ දැක්වීමයි.
ගණිතමය සූත්‍රකරණය
පළමු නියමයේ ගණිතමය ප්‍රකාශනය දෙනු ලබන්නේ මඟිනි.
මෙහි dU යනු පද්ධතියේ අභ්‍යන්තර ශක්තියේ ඉතා කුඩා වැඩි වීමකි. δQ යනු පද්ධතියට එකතු කළ ඉතා කුඩා තාප ප්‍රමාණය වන අතර δw යනු පද්ධතිය මඟින් කරන ලද ඉතා කුඩා කාර්යය ප්‍රමාණයයි. ඉතා කුඩා තාපය හා කාර්යය සඳහා d වෙනුවට δ යන්න දී ඇත්තේ ගණිතමය ආකාරයේ දී ඒවා සපිරි අවකලන නොවන නිසාය. වෙනත් වචන වලින් ඒවා කිසිම පද්ධතියක තත්වයක විස්තර නොකරයි. සපිරි නොවන අවකලනයක අනුකලනය තාප ගතික පරාමිතීන්ගේ අවකාශයක් තුළින් ගත් විශේෂිත”මාර්ගයක්” මත රඳා පවතින අතර සපිරි අවකලනයක අනුකලනය ආරම්භක හා අවසාන තත්ව මත පමණක් රඳා පවතී. ආරම්භක හා අවසාන තත්ව එකම නම් සපිරි නොවන අවකලනයක අනුකලනය 0 හෝ 0 නොවිය හැකි නමුත් සපිරි අවකලනයක අනුකලනය සැමවිමට ශුන්‍ය වේ. තාපගතික පද්ධතියක් තත්ව අවකාශය තුළින් ගන්නා ලද පථයක් තාප ගතික ක්‍රියාවලියක් ලෙස හැඳින්වේ.
පළමු නියමයේ ප්‍රකාශනයක් සපිරි අවකලනය ආශ්‍රයෙන්, පද්ධතිය සිදු කළ කාර්යය එහි පීඩනය වරක් එහි පරිමාවේ ඉතා කුඩා වෙනසක් ලෙස ගනිමින් ලිවිය හැක. වෙනත් ආකාරයකින් δw = PdV මෙහි P පීඩනය V එහි පරිමාව වේ. ප්‍රතිවර්ත කළ හැකි ක්‍රියාවලියක් සඳහා පද්ධතියට එකතු කළ මුළු තාපය δQ = TdS ලෙස හැකි විය හැක. මෙහි T උෂ්ණත්වය හා S එන්ට්‍රොපිය වේ. ප්‍රතිවර්ත කළ හැකි ක්‍රියාවලියක් සඳහා ප්‍රථම නියමය මෙලෙස ප්‍රකාශ කළ හැක.

පද්ධතියේ වූ අංශු ගණන නියත විට අවශ්‍ය නොවන විට හා විවිධ වර්ගවලින් යුක්ත වන විට ප්‍රථම නියමය පහත පරිදි ලිවිය හැක.

මෙහි dNi යනු පද්ධතියට එකතු කළ i වර්ගයේ අංශු (කුඩා) ගණනයි. μi යනු i වර්ගයේ අංශු එකතු කළ විට පද්ධතියට එකතු වන ශක්ති ප්‍රමාණයයි. මෙහි දී අංශුවේ ශක්තිය පද්ධතියේ පරිමාව හා එන්ට්‍රොපිය වෙනස් නොවන ‍පරිදි වේ. μi යනු i වර්ගයේ අංශුවල රසායනික විභවය ලෙස හැඳින්වේ. දැන් සපිරි අවකලනය යොදාගෙන ප්‍රතිවර්ත කළ හැකි ක්‍රියාවලි සඳහා ප්‍රකාශනය වේ.

යාන්ත්‍ර විද්‍යාවෙන් වන වැදගත් අදහසක් වන්නේ අංශු මඟින් ලබා ගන්නා ශක්තිය, අංශුව මත යොදන බලයේ හා බලය යොදන අතරතුර අංශුවේ විස්ථාපනයේ ගුණිතයට සමාන වේ. දැන් තාපන වාදය නොමැතිව පළමු නියමය සලකන්න. dU = − PdV. P පීඩනය බලයක් ලෙස සැලකිය හැකි අතර (පීඩනයට ඇත්තේ ඒකක වර්ගඵල බලයේ ඒකකයි) dV යනු විස්ථාපනයයි. (දුර වරක් වර්ගඵලයෙහි ඒකක සමඟ) මෙම කාර්යය වදනට සම්බන්දව පීඩන වෙනස පරිමා හුවමාරුවකට අනුබල දෙන බවත් දෙකෙහි (කාර්යය) ගුණිතය ක්‍රියාවලියේ ප්‍රතිඵලයක් ලෙස හුවමාරු වූ ශක්ති ප්‍රමානය බවත් අපට පැවසිය හැක.
එම ආකාරයෙන්ම TdS වදන දෙස බැලීම ද ප්‍රයෝජනවත් වේ. මෙම තාප වදනට සම්බන්ධව උෂ්ණත්ව වෙනසක් එන්ට්‍රොපි හුවමාරුවකට අනුබල දෙන අතර දෙකෙහි (තාපය) ගුණිතය ක්‍රියාවලියේ ප්‍රතිඵලයක් ලෙස හුවමාරු වූ තාප ප්‍රමාණය වේ. මෙහි දී උෂ්ණත්වය “සාධාරිත” බලයක් ලෙස හැඳින්වෙන අතර (සත්‍ය යාන්ත්‍රික බලයක් මෙන් නොව) එන්ට්‍රොපිය සාධාරිත විස්ථාපනයකි. සමානවම, පද්ධිතයක අංශු කාණ්ඩ අතර රසායනික විභවයේ වෙනසක් අංශු හුවමාරුවට අනුබල දෙන අතර අනුරූප ගුණිතය ක්‍රියාවලියේ ප්‍රතිඵලයක් ලෙස හුවමාරු වූ ශක්තියට සමාන ‍වේ. උදාහරණයක් ලෙස කලාප දෙකකින් සමන්විත පද්ධතියක් සලකන්න. ද්‍රව ජලය හා ජල වාෂ්ප එහි ද්‍රවයෙන් එලියට ජල අණු යවන වාෂ්පීකරණයේ සාධාරිත බලයක් ඇති අතර වාෂ්ප අණු වාෂ්පයෙන් පිටතට යවන ඝනීභවණයේ සාධාරිත බලයක් ද ඇත. මෙම බල දෙක ‍(හෝ රසායනික විභවය) සමාන වූ විට පමණක් සමතුලිතතාව ඇති වන අතර ශුද්ධ හුවමාරුව ශුන්‍යයක් වේ.
සාධාරිත බල විස්ථාපන යුගලයක් සාදන තාප ගතික පරාමිතීන් දෙක “ප්‍රතිබද්ධ විචල්‍යයක්” ලෙස හැඳින්වේ. වඩාත් සුපුරුදු යුගල වන්නේ පීඩනය - පරිමාව හා උෂ්ණත්වය - එන්ට්‍රොපියයි.
තාප ගතික ක්‍රියාවලි වර්ග
තාප ගතික විචල්‍යයන්ගේ අවකාශය හරහා වූ පථ නිරන්තරයෙන් නිශ්චිත තාප ගතික විචල්‍ය නියත දරා සිටීමෙන් විශේෂ වේ. මෙම ක්‍රියාවලි යුගල බවට කාණ්ඩ ගත කිරිම ප්‍රයෝජනවත් වේ. එහි එක් එක් විචල්‍ය දරා සිටින නියතය වන්නේ ප්‍රතිබද්ධ යුග‍ලයේ එක් සාමාජිකයෙකි.
පීඩන - පරිමා ප්‍රතිබද්ධ යුගල සලකනු ලබන්නේ කාර්යය කිරීමේ ප්‍රතිඵලයක් ලෙස යාන්ත්‍රික හෝ ගතික ශක්තිය හුවමාරු වීමත් සමඟය.
· සම (නියත) පීඩන ක්‍රියාවලියක් සිදු වන්නේ නියත පීඩනයේ දීය. උදාහරණයක් ලෙස සිලින්ඩරයක් තුළ වූ චලනය කළ හැකි පිස්ටනයක් දැක්විය හැක. එම නිසා සිලින්ඩරය තුළ වූ පීඩනය, එය වායු ගෝලයෙන් වෙන් කොට තිබුණත් වායු ගෝලයේ පීඩනයට වේ. වෙනත් වචනවලත් පද්ධතිය චලනය විය හැකි සීමාවකින් නියත පීඩන සංචිතයකට ගතිකව සම්බන්ධිත වේ.
· සම (නියත) පරිමා ක්‍රියාවලියක් යනු පරිමාව නියතව තබා ගන්නා එකකි. එමඟින් අදහස් කෙරෙන්නේ පද්ධතිය මඟින් සිදු කළ කාර්යය ශුන්‍ය වන බවයි. එනම් ද්විමාන සරල පද්ධතියක් සඳහා බාහිරව පද්ධතියට සම්ප්‍රේශණය වූ ඕනෑම තාප ශක්තියක් අභ්‍යන්තර ශක්තිය ලෙස අවශෝෂණය කර ගනී. නියත පීඩන ක්‍රියාවලියක් සමහුමිතික ක්‍රියාවලියක් ලෙස ද හඳුන්වනු ලැබේ. උදාහරණයක් ලෙස ගින්නකට දමන ලද සංවෘත වාතය පමණක් අඩංගු මින් එකක් සැලකිය හැක. බඳුන ප්‍රසාරණය නොවන අතර එකම වෙනස වන්නේ වායුව අභ්‍යන්තර ශක්තිය ලබා ගැනීමයි. උෂ්ණත්වයේ හා පීඩනයේ වැඩිවීමක් එය නිරීක්ෂණය වේ. ගණිතමය වශයෙන්, δQ = dU පද්ධතිය දෘඩ මායිමකින්, පරිසරයෙන් ගතිකව පරිවරණය කර ඇතැයි අපට පැවසිය හැක. උෂ්ණත්ව -එන්ට්‍රොපි ප්‍රතිබද්ධ යුගලය සලකනු ලබන්නේ තාපනයේ ප්‍රතිඵලයක් ලෙස තාප ශක්ති හුවමාරුවත් සමඟය.
· සමෝෂ්ණ ක්‍රියාවලියක් සිදු වන්නේ නියත උෂ්ණත්වයේ දීය. විශාල නියත උෂ්ණත්ව තටාකයක ගිලී ඇති පද්ධතියක් උදාහරණ ලෙස ගත හැක. පද්ධතිය මඟින් සිදු කරන ඕනෑම කාර්ය ශක්තිය තටාකයට හානි වන මුත් එහි උෂ්ණත්වය නියතයක්ව පවතිනු ඇත. වෙනත් ආකාරයකින් පද්ධතිය නියත උෂ්ණත්ව සංචිතයකට තාප සන්නායක සීමාවකින් තාපජ ලෙස ස්පර්ශව ඇත.
· සම එන්ට්‍රොපික ක්‍රියාවලියක් යනු නියත එන්ට්‍රොපියක දී සිදු වන ක්‍රියාවලියකි. ප්‍රතිවර්ත කළ හැකි ක්‍රියාවලියක දී මෙය ස්ථිර තාපී (පහත බලන්න) ක්‍රියාවලියකට සමාන වේ. පද්ධතියට තවමත් එහි උපරිම සමතුලිත අගයට ළඟා ‍නොවූ එන්ට්‍රොපියක් ඇත්නම් එන්ට්‍රොපියේ එම අගය පවත්වා ගැනීමට සිසිලන ක්‍රියාවලියක් අවශ්‍ය විය හැක.
· ස්ථිර තාපී ක්‍රියාවලියක් යනු තාපනයෙන් හෝ සිසිලනයෙන් පද්ධතියෙන් ශක්තිය එකතු හෝ ඉවත් නොවන ක්‍රියාවලියකි. ප්‍රතිවර්ත කළ හැකි ක්‍රියාවලියක් සඳහා මෙය සම එන්ට්‍රොපික ක්‍රියාවලියකට සමාන වේ. පද්ධතිය එහි වටපිටාවෙන් තාපජව පරිවරණය කර ඇති යැයි හා එහි මායිම තාප පරිවාරකයක් යැයි පැවසිය හැක. පද්ධතියට එහි උපරිම සමතුලිත අගයට ළඟා නොවූ ‍එන්ට්‍රොපියක් ඇත්නම් පද්ධතිය තාපජව පරිවරණය කර තිබුණත් එන්ට්‍රොපිය ඉහල නඟිනු ඇත.

ඉහත සියල්ලක්ම නිසැකයෙන්ම උපකල්පනය කර ඇත්තේ මායිම් ද අංශු සඳහා අපාරගම්‍ය බවයි. අපට දෘඩ හා තාපජව පරිවරණය වූ සීමා දෙකම උපකල්පනය කළ හැක. නමුත් ඒවා අංශු එකකට හෝ කිහිපයකට පාරගම්‍ය වේ. ඒ අනුව (රසායනික විභවය) – (අංශු සංඛ්‍යාව) ප්‍රතිබද්ධ යුගල සඳහා ද ඒ හා සමාන සංකල්පයක් ඇත.
ආශ්‍රිත

* Laws of thermodynamics
* Perpetual motion
* Microstate (statistical mechanics) – includes microscopic definitions of internal energy, heat and work
* Entropy production
* Relativistic heat conduction
සටහන්
මූලාශ්