நிலை மாற்றங்கள்: வெப்பமாக்கல் வளைவுகள், ஆவி அழுத்தம், நிலை வரைபடங்கள்

உருகும்போதும் கொதிக்கும்போதும் வெப்பநிலை ஏன் நின்றுவிடுகிறது

ஒரு பனிக்கட்டியைச் சீரான வேகத்தில் சூடாக்கி அதன் வெப்பநிலையைப் பதிவு செய்தால், வெப்பமாக்கல் வளைவு கிடைக்கிறது. வெப்பநிலை ஏறுகிறது, பனிக்கட்டி உருகும்போது 0 °C-இல் நிற்கிறது, மீண்டும் ஏறுகிறது, பின்னர் நீர் கொதிக்கும்போது 100 °C-இல் நிற்கிறது. தட்டையான பகுதிகளில், ஆற்றல் மூலக்கூறுகளை வேகமாக நகரச் செய்வதற்கு அல்ல, அவற்றின் மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான கவர்ச்சிகளுக்கு எதிராக அவற்றைப் பிரிப்பதற்குச் செல்கிறது; எனவே நிலை மாற்றம் முடியும்வரை வெப்பநிலை மாறுவதில்லை.

இரண்டு வகைப் பகுதிகளுக்கும் இரண்டு வெவ்வேறு சமன்பாடுகள் தேவை. ஒரே நிலைக்குள், q = m × c × ΔT; இங்கு c தன்வெப்ப ஏற்புத்திறன். மாறா வெப்பநிலையில் நிலை மாற்றத்தின்போது, q = n × ΔH; இங்கு ΔH உருகல் அல்லது ஆவியாதலின் மோலார் என்தால்பி. உருகுதல், ஆவியாதல், பதங்கமாதல் ஆகியவை வெப்பம் உட்கவர்பவை. உறைதல், ஆவி ஒடுங்குதல், படிதல் ஆகியவை அதே அளவு ஆற்றலை வெளியிடுகின்றன; எனவே அவற்றின் ΔH மதிப்புகள் எதிர்க் குறி கொண்டவை.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு: பனிக்கட்டியை நீராவி வரை சூடாக்குதல்

−15.0 °C-இல் உள்ள 40.0 g பனிக்கட்டியை 100.0 °C-இல் உள்ள நீராவியாக மாற்ற எவ்வளவு வெப்பம் தேவை? தரவு: பனிக்கட்டிக்கு 2.093 J/(g·°C), திரவ நீருக்கு 4.184 J/(g·°C) தன்வெப்ப ஏற்புத்திறன்கள் (OpenStax அட்டவணை 5.1); 0 °C-இல் ΔHfus = 6.01 kJ/mol, 100 °C-இல் ΔHvap = 40.67 kJ/mol (OpenStax பிரிவு 10.3). நீரின் அளவு n = 40.0 g ÷ 18.015 g/mol = 2.220 mol.

படி 1, பனிக்கட்டியைச் சூடாக்குதல்: 40.0 × 2.093 × 15.0 = 1256 J, அதாவது 1.26 kJ. படி 2, அதை உருக்குதல்: 2.220 mol × 6.01 kJ/mol = 13.3 kJ. படி 3, திரவத்தை 0 °C-இலிருந்து 100 °C-க்குச் சூடாக்குதல்: 40.0 × 4.184 × 100.0 = 16 736 J, அதாவது 16.7 kJ. படி 4, அதைக் கொதிக்க வைத்தல்: 2.220 mol × 40.67 kJ/mol = 90.3 kJ. மொத்தம்: 1.26 + 13.3 + 16.7 + 90.3 = 122 kJ, மூன்று குறிப்பிடத்தக்க இலக்கங்களுக்கு.

மொத்தத்தில் ஏறத்தாழ 74 சதவீதம் கொதித்தலுக்குச் செல்கிறது; இது திரவத்தை 100 டிகிரி சூடாக்கத் தேவையான வெப்பத்தின் ஐந்து மடங்குக்கும் மேல். கொதித்தல் நிகழும் வெப்பநிலையில் உள்ள ΔHvap மதிப்பைப் பயன்படுத்துங்கள். 25 °C-இல் நீரின் ΔHvap 44.01 kJ/mol; அந்த எண்ணை இங்கு பயன்படுத்தினால் படி 4 ஏறத்தாழ 8 சதவீதம் மிகைப்படுத்தப்படும்.

ஆவி அழுத்தமும் க்ளாசியஸ்–கிளாப்பெய்ரான் சமன்பாடும்

மூடிய கலனில், ஆவி ஒடுங்கும் வேகம் ஆவியாதல் வேகத்துக்குச் சமமாகும்வரை திரவம் ஆவியாகிறது. அந்த நிலையில் உள்ள ஆவியின் அழுத்தமே ஆவி அழுத்தம்; அது வெப்பநிலையுடன் செங்குத்தாக உயர்கிறது. ஒரு திரவத்தின் ஆவி அழுத்தம் அதற்கு மேல் உள்ள அழுத்தத்துக்குச் சமமாகும்போது அது கொதிக்கிறது; எனவே இயல்புக் கொதிநிலை என்பது ஆவி அழுத்தம் 1 atm-ஐ அடையும் வெப்பநிலை.

க்ளாசியஸ்–கிளாப்பெய்ரான் சமன்பாட்டின் இரு-புள்ளி வடிவம் இரண்டு ஆவி அழுத்தங்களை ஆவியாதல் என்தால்பியுடன் இணைக்கிறது: ln(P₂/P₁) = (ΔHvap/R)(1/T₁ − 1/T₂); இங்கு R = 8.314 J/(mol·K), வெப்பநிலைகள் கெல்வினில். வரம்பு முழுவதும் ΔHvap மாறாதது என்று அது அனுமானிக்கிறது; எனவே மிதமான வெப்பநிலை இடைவெளிகளில் அது சிறப்பாகச் செயல்படுகிறது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 1. OpenStax அட்டவணை 9.2 நீரின் ஆவி அழுத்தத்தை 20 °C-இல் 17.5 torr எனவும் 60 °C-இல் 149.4 torr எனவும் தருகிறது. ln(149.4/17.5) = 2.144, மற்றும் 1/293.15 K − 1/333.15 K = 4.096 × 10⁻⁴ K⁻¹. ΔHvap = (8.314 × 2.144) ÷ 4.096 × 10⁻⁴ = 4.35 × 10⁴ J/mol, அதாவது 43.5 kJ/mol. இது 20 °C முதல் 60 °C வரையிலான சராசரி. எதிர்பார்த்தபடியே, இது 25 °C (44.01), 100 °C (40.67) மதிப்புகளுக்கு இடையில் உள்ளது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 2. காற்றழுத்தம் 0.800 atm ஆக இருக்கும்போது நீர் எந்த வெப்பநிலையில் கொதிக்கும்? 1.000 atm-இல் 373.15 K என்ற இயல்புக் கொதிநிலையிலிருந்து தொடங்கி, ΔHvap = 40.67 kJ/mol பயன்படுத்துங்கள். 1/T₂ = 1/373.15 − (8.314/40 670) × ln(0.800) = 2.7255 × 10⁻³ K⁻¹; எனவே T₂ = 366.9 K, அதாவது 93.8 °C. சரிபார்ப்பாக, 0.800 atm என்பது 608 torr; அட்டவணை 9.2-இல் 90 °C, 95 °C ஆகியவற்றுக்கு இடையே இடைச்செருகல் செய்தாலும் 93.8 °C கிடைக்கிறது.

நிலை வரைபடத்தின் பகுதிகள், கோடுகள், புள்ளிகளைப் படித்தல்

நிலை வரைபடம் அழுத்தத்தை வெப்பநிலைக்கு எதிராக வரைந்து, ஒவ்வொரு நிபந்தனைத் தொகுப்பிலும் எந்த நிலை நிலைப்புடையது என்பதைக் காட்டுகிறது. ஒவ்வொரு பகுதியும் ஒரு நிலை. ஒவ்வொரு கோடும் இரண்டு நிலைகள் சமநிலையில் உடனிருக்கும் நிபந்தனைகளின் தொகுப்பு: உருகல் வளைவின் வழியே திண்மமும் திரவமும், ஆவி அழுத்த வளைவின் வழியே திரவமும் வாயுவும், பதங்கமாதல் வளைவின் வழியே திண்மமும் வாயுவும்.

மூன்று கோடுகளும் முப்புள்ளியில் சந்திக்கின்றன; திண்மம், திரவம், வாயு மூன்றும் உடனிருக்கும் ஒரே வெப்பநிலையும் அழுத்தமும் அதுவே. ஆவி அழுத்த வளைவு மாறுநிலைப் புள்ளியில் முடிகிறது. மாறுநிலை வெப்பநிலைக்கு மேல், எவ்வளவு அழுத்தம் கொடுத்தாலும் வாயு திரவமாவதில்லை; பொருள் திரவம், வாயு ஆகியவற்றுக்கு இடைப்பட்ட பண்புகள் கொண்ட மீமாறுநிலைப் பாய்மமாகிறது.

வரைபடத்தைப் பயன்படுத்த, தொடக்க நிபந்தனைகளைக் கண்டறிந்து, கணக்கு விவரிக்கும் பாதையில் நகருங்கள். மாறா அழுத்தத்தில் சூடாக்குதல் இடமிருந்து வலமாகச் செல்லும் கிடைக்கோடு; அது கடக்கும் ஒவ்வோர் எல்லையும் ஒரு நிலை மாற்றம். மாறா வெப்பநிலையில் அழுத்துதல் மேல்நோக்கி நகரும் செங்குத்துக் கோடு. முப்புள்ளி அழுத்தத்துக்குக் கீழே வரையப்பட்ட கிடைக்கோடு பதங்கமாதல் வளைவை மட்டுமே கடக்கிறது; எனவே திண்மம் நேரடியாக வாயுவாக மாறுகிறது.

நீரின் பின்னோக்கிச் சாயும் உருகல் கோடும் உலர் பனிக்கட்டியின் உயர் முப்புள்ளியும்

நீரின் முப்புள்ளி 0.01 °C, 0.0061 bar-இல் உள்ளது (NIST Chemistry WebBook); இது ஏறத்தாழ 0.0060 atm. அதன் மாறுநிலைப் புள்ளி 374 °C, 218 atm-இல் உள்ளது (OpenStax பிரிவு 10.4). வழக்கத்துக்கு மாறாக, அதன் திண்ம–திரவக் கோடு சற்று இடப்புறம் சாய்கிறது: அழுத்தத்தை உயர்த்துவது உருகுநிலையைச் சிறிது குறைக்கிறது, ஏனெனில் பனிக்கட்டி திரவ நீரை விட அடர்த்தி குறைந்தது, அழுத்தம் அடர்த்தியான நிலைக்குச் சாதகமாக உள்ளது. பெரும்பாலான பொருட்களுக்கு எதிர்ச் சாய்வு உள்ளது.

கார்பன் டையாக்சைடின் முப்புள்ளி 216.58 K (−56.57 °C), 5.185 bar-இல் உள்ளது; இது 5.12 atm (NIST Chemistry WebBook). அந்த அழுத்தம் 1 atm-க்கு மேல் என்பதால், திறந்த காற்றில் திரவ CO₂ இருக்க முடியாது. 1 atm-இல், திண்ம CO₂ (உலர் பனிக்கட்டி) உருகுவதற்குப் பதிலாகப் பதங்கமாகிறது. அதன் மாறுநிலைப் புள்ளி, 31.0 °C, 73.8 bar, போதுமான அளவு தாழ்ந்தது; எனவே மீமாறுநிலை CO₂ தொழில்துறையில் கரைப்பானாகப் பயன்படுகிறது, எடுத்துக்காட்டாகக் காபிக் கொட்டைகளிலிருந்து காஃபினை நீக்க.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 3. முப்புள்ளியிலிருந்தும் பதங்கமாதல் என்தால்பி ΔHsub = 26.1 kJ/mol-இலிருந்தும் (NIST WebBook, 207 K-க்கு அருகில் அளவிடப்பட்டது) தொடங்கி, 1 atm-இல் (1.01325 bar) உலர் பனிக்கட்டி பதங்கமாகும் வெப்பநிலையை மதிப்பிடுங்கள். க்ளாசியஸ்–கிளாப்பெய்ரான் சமன்பாடு திரவ–வாயுக் கோட்டுக்குச் செயல்படுவது போலவே திண்ம–வாயுக் கோட்டுக்கும் செயல்படுகிறது. ln(1.01325/5.185) = −1.633. 1/T₂ = 1/216.58 − (8.314/26 100) × (−1.633) = 5.137 × 10⁻³ K⁻¹; எனவே T₂ = 194.7 K, அதாவது −78.5 °C. இது LibreTexts குறிப்பிடும் −78.5 °C என்ற இயல்புப் பதங்கமாதல் வெப்பநிலையுடன் பொருந்துகிறது.

நிலை மாற்றக் கணக்கீட்டுத் தவறுகள்

பெரும்பாலான பிழைகள் வெப்பமாக்கல் வளைவின் இரண்டு வகைப் பகுதிகளைக் கலப்பதாலோ க்ளாசியஸ்–கிளாப்பெய்ரான் சமன்பாட்டில் அலகுத் தவறுகளாலோ வருகின்றன. எதையும் கணக்கிடும் முன் வெப்பமாக்கல் வளைவை வரைந்து ஒவ்வொரு பகுதியையும் குறியிடுங்கள்.

• நிலை மாற்றப் படியை விட்டுவிடுதல், அல்லது ΔT பூஜ்யமாக உள்ள சமதளப் பகுதியில் q = mcΔT-ஐப் பயன்படுத்துதல்.
• பனிக்கட்டிக்கோ நீராவிக்கோ திரவ நீரின் தன்வெப்ப ஏற்புத்திறனைப் பயன்படுத்துதல். ஒவ்வொரு நிலைக்கும் அதற்கே உரிய மதிப்பு உண்டு.
• படிகளைக் கூட்டும்போது ஜூல்களையும் கிலோஜூல்களையும் கலத்தல். கூட்டும் முன் அனைத்தையும் ஒரே அலகுக்கு மாற்றுங்கள்.
• மோலார் வெப்ப ஏற்புத்திறன்களைச் சீராகப் பயன்படுத்தாவிட்டால், ΔH-ஐ மோல்களுக்குப் பதிலாக கிராம்களால் பெருக்குதல், அல்லது c-ஐ கிராம்களுக்குப் பதிலாக மோல்களால் பெருக்குதல்.
• க்ளாசியஸ்–கிளாப்பெய்ரான் சமன்பாட்டில் செல்சியஸ் வெப்பநிலைகளைப் பயன்படுத்துதல். சமன்பாடு 1/T-ஐப் பயன்படுத்துவதால் கெல்வின் மட்டுமே செயல்படும்.
• ΔH ஜூல்களில் இருக்கும்போது R = 0.08206 L·atm/(mol·K) பயன்படுத்துதல். ΔH J/mol-இல் இருந்தால், R 8.314 J/(mol·K) ஆக இருக்க வேண்டும்.
• CO₂-க்குப் பெரும்பாலும் இருப்பதுபோல், மடக்கை அளவில் உள்ள நிலை வரைபடத்தின் அழுத்த அச்சை நேரியல் அளவாகப் படித்தல்.