அறிவியல் விதிகளில் முக்கியமானஒன்று வெப்ப-இயக்கவியல் விதிகள் (Laws of Thermo dynamics). இந்த உலகிலுள்ள அனைத்தும் ஆற்றலாலேயே இயங்குகின்றன. இந்த ஆற்றல் எவ்வாறு நகர்கிறது, வடிவத்தை மாற்றிக்கொள்கிறது என்பதைப் புரிந்துகொள்வதற்கு இந்த விதிகள் உதவுகின்றன.
எடுத்துக்காட்டாக, இன்றைய கார் இயங்கும் விதத்தை எடுத்துக்கொள்வோம். முதலில் பெட்ரோல் எரிக்கப்பட்டு வெப்பம் உருவாகிறது. இந்த வெப்பம் காரிலுள்ள பாகங்களை இயக்குவதன் மூலம் சக்கரங்களைச் சுழற்றுகிறது. இதன்மூலம் சாலையில் கார் பயணிக்கிறது.
இங்கே பெட்ரோலில் உள்ள வேதி ஆற்றல் வெப்ப ஆற்றலாக மாறி, வெப்ப ஆற்றல் இயந்திர ஆற்றலாக மாறி, காரின் இயக்க ஆற்றலாக முடிவடைகிறது. இதில் ஆற்றல் எவ்வாறு வடிவம் மாறுகிறது என்பதை வெப்ப இயக்கவியல் விதிகள் மூலம் புரிந்துகொள்ளலாம்.
18ஆம் நூற்றாண்டில் நீராவி இயந்திரங்கள் பயன்பாட்டுக்கு வந்து, அவற்றின் முக்கியத்துவம் அதிகரித்தது. குறிப்பாக பிரிட்டன் சுரங்கங்களில் இருந்து நீரை வெளியேற்றுவதில் தொடங்கி, தொழிற்சாலைகளுக்கு மின்சாரம் வழங்கவும், கப்பல், ரயில் போன்றவற்றை இயக்கவும் நீராவி இயந்திரங்கள் தேவைப்பட்டன.
ஆனால் தொடக்கக்கால நீராவி இயந்திரங்கள் திறனற்றவையாக இருந்தன. அதிக நிலக்கரியைப் பயன்படுத்தினாலும் குறைந்த வேலையையே அவற்றிலிருந்து பெற முடிந்தது. காரணம், நீராவி இயந்திரத்தில் உருவாகும் வெப்பத்தின் ஒரு பகுதி வேலைக்குப் பயன்படாமல் வீணானது.
இதையடுத்து வெப்பம் வீணாகாத அளவுக்கு இயந்திரங்களின் திறனை எப்படி அதிகரிப்பது என்று பலர் ஆராயத் தொடங்கினர். இதுவே வெப்ப-இயக்கவியல் தோன்றக் காரணமாக அமைந்தது.
17ஆம் நூற்றாண்டில் ராபர்ட் பாயில் உள்ளிட்டோர் வாயுக்களை ஆராய்ந்த போது அழுத்தம் (Pressure), கனஅளவு (Volume), வெப்பநிலை (Temperature) ஆகியவற்றுக்கு இடையே தொடர்பு இருப்பதைக் கண்டறிந்தனர். இதனைத் தொடர்ந்து வெப்பம் என்றால் என்ன என்கிற கேள்வி உருவானது.
18ஆம் நூற்றாண்டில் அறிவியலாளர்கள் கலோரிக் கோட்பாடை (caloric theory) நம்பினர். இந்தக் கோட்பாட்டின்படி வெப்பம் என்பது கண்ணுக்குத் தெரியாத திரவம் போன்ற பொருள்.
அதனை கலோரிக் என்று அழைத்தனர். இந்த வெப்பம் சூடான பொருள்களில் இருந்து குளிரான பொருள்களுக்கு நகர்கிறது என்று நம்பினர். இது ஓரளவு ஏற்றுக்கொள்ளக் கூடியதாகவே இருந்தாலும், முழுமையானதாக இல்லை.
இந்த நேரத்தில்தான் பிரான்ஸைச் சேர்ந்த ராணுவப் பொறியாளரான சாடி கார்னோ, ஒரு வேலையைச் செய்ய இயந்திரத்துக்கு எவ்வளவு வெப்பம் தேவைப்படுகிறது என்கிற கேள்வியையும், நீராவிக்குப் பதில் வெப்பம் தரும் வேறு பொருளைப் பயன்படுத்த முடியுமா என்கிற கேள்வியையும் முன்வைத்தார்.
மேலும் வெப்பமாக்குதல், குளிர்வித்தல், விரிவடைதல், சுருங்குதல் ஆகியவற்றைச் சுழற்சியாகச் செய்வதன் மூலம் ஓர் இயந்திரத்திலிருந்து அதிகப்படியான வேலையைப் பெறமுடியும் என்பதையும், ஆனால் வெப்பத்தை முழுமையாக வேலையாக மாற்ற முடியாது என்பதையும் கண்டறிந்தார்.
இதன்பின் வந்த எமில் கிளாப்பீரான் எனும் பொறியாளர், கார்னோவின் கருத்துக்குக் கணித வடிவம் கொடுத்தார். இதன்மூலம் வெப்ப-இயக்கவியல் எனும் கொள்கை, நீராவி இயந்திரம் பற்றிய ஆராய்ச்சியில் இருந்து பொதுவான அறிவியல் கொள்கையாக மாறத் தொடங்கியது.
1842இல் ஜுலியஸ் ராபர்ட் வான் மேயர் வெப்பமும் இயந்திர வேலையும் ஆற்றல் என்பதன் வெவ்வேறு வடிவங்களே என்றார். அப்படிப் பார்க்கும்போது ஆற்றல் என்பது ஒரு வடிவத்தில் இருந்து இன்னொன்றாக மாறும். ஆனால் அதை அழிக்க முடியாது என்றார். இதுதான் வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியாகப் பரிணமித்தது.
ஜெர்மன் அறிவியலாளரான ஹெல்ம்ஹோல்ட்ஸ் வெப்பம், இயந்திர ஆற்றல், ஒளி, மின்சாரம், வேதியாற்றல் அனைத்தும் ஒன்றிலிருந்து இன்னொரு வடிவமாக மாறுகின்றன என்பதை நிரூபித்து முதல்விதியை வலுப்படுத்தினார். இதையடுத்து வெப்பம் என்பது திரவம் போன்ற ஒன்று என்கிற கருத்து மாறி, ஆற்றல் பரிமாற்றத்தின் ஒரு வடிவம்தான் வெப்பம் என்கிற புரிதல் வந்தது.
ஆனால், முதல் விதியில் சில விடுபடல்கள் இருந்தன. குறிப்பாக, ஆற்றல் வடிவம் மாறும்போது ஏன் குறிப்பிட்ட திசையில் மட்டுமே மாறுகிறது என்கிற கேள்வி எழுந்தது. எடுத்துக்காட்டாக, நாம் ஒரு குடுவையில் தேநீரை வைக்கும்போது அதிலுள்ள வெப்பம் சுற்றுப்புறத்திலுள்ள காற்றில் வெளியேறி தேநீர் குளிர்கிறது.
ஆனால், அதே குளிர்ந்த தேநீர் ஏன் சுற்றுப்புறத்தில் உள்ள வெப்பத்தை உறிஞ்சி சூடாகவில்லை எனும் கேள்வி வந்தது. இது இரண்டாவது விதிக்கு இட்டுச்சென்றது. இதனை ருடால்ஃப் கிளாசியஸ், கெல்வின் என்கிற இரு ஆய்வாளர்கள் தனித்தனியாகக் கண்டறிந்தனர்.
இதன்படி, வெப்பம் என்பது இயற்கையாகச் சூடான பொருளில் இருந்து குளிர்ந்த பொருளுக்குப் பயணிக்கும். இதனாலேயே இயந்திரத்தை இயக்கும்போது பெரும்பாலான வெப்பம் வேலையாக மாறினாலும், கொஞ்சம் வெப்பம் குளிர்ந்த பொருளுக்குச் செல்வதால் வீணாகிறது என்றனர்.
இதனைச் சீர்குலைவு அல்லது என்ட்ரோபி (Entropy) எனும் சொல்லைப் பயன்படுத்தி விளக்கினார் கிளாசியஸ். அதாவது இயற்கையில் தன்னிச்சையாக நடக்கும் எந்த நிகழ்விலும் என்ட்ரோபி எப்போதும் அதிகரிக்கும். எந்த ஓர் இயற்கையான நிகழ்விலும் என்ட்ரோபி குறையாது.
இதுவே வெப்ப இயக்கவியலின் இரண்டாவது விதி. எடுத்துக்காட்டாக, சூடான பொருளிலிருந்து குளிர்ந்த பொருளுக்கு வெப்பம் செல்வது இயற்கையான நிகழ்வு.
இதில் என்ட்ரோபி அதிகரிக்கிறது. குளிர்ந்த பொருளிலிருந்து சூடான பொருளுக்கு வெப்பம் இயற்கையாகச் செல்லாது. ஏனென்றால் இந்த நிகழ்வில் என்ட்ரோபி குறையும். என்ட்ரோபி குறையும் எந்த ஒரு நிகழ்வும் இயற்கையிலேயே தன்னிச்சையாக நடக்காது.
இதற்கடுத்ததாக வால்டர் நெர்ன்ஸ்ட் உள்ளிட்ட சில ஆய்வாளர்கள் திரவம், வாயு ஆகியவற்றின் பண்புகளை ஆராய்ந்து, வாயுவும் திரவமும் ஒரே பொருளின் வெவ்வேறு நிலை என்கிற புரிதலுக்கு வந்தனர். அவற்றுக்கு இடையேயான தொடர்பை, வேதிவினையை வைத்தும், வெப்பத்தை வைத்தும் விளக்க முயன்றனர்.
இதன் விளைவாக ஓர் அமைப்பு தனிச்சுழி வெப்ப நிலையை (273.15 °C) நெருங்கும்போது அதன் என்ட்ரோபி அல்லது சீர்குலைவு பூஜ்ஜியம் ஆகிறது என்பதைக் கண்டறிந்து, அதனை மூன்றாம் விதியாக்கினர்.
இதேபோல் பூஜ்ஜிய விதி என்பதும் பின்னாளில் உருவாக்கப்பட்டது. இதன்படி இரண்டு பொருள்கள் மூன்றாவது ஒரு பொருளுடன் வெப்பச்சமநிலையில் இருந்தால், முதல் இரண்டு பொருள்களும் வெப்பச்சமநிலையில் இருக்கின்றன என்பதைக் குறிப்பதுதான் இந்த விதி.
எடுத்துக்காட்டாக, நீங்கள் 60 டிகிரி சூடான தேநீரில் சிறிய கரண்டியை வைக்கிறீர்கள். சிறிது நேரத்தில் கரண்டியின் வெப்பமும் 60 டிகிரியை எட்டிவிடும்.
இப்போது சுடுதண்ணீரில் அதே கரண்டியை வைக்க, அதன் வெப்பம் மாறாமல் இருந்தால் அந்தச் சுடுதண்ணீரும் 60 டிகிரியில் இருக்கிறது எனப் புரிந்துகொள்ளலாம்.
இதுதான் வெப்ப இயக்கவியலின் பூஜ்ஜிய விதி. இவ்வாறு வெப்ப-இயக்கவியலின் நான்கு விதிகளும் இயந்திரங்கள், வேதிவினைகள் இயங்கும் புரிதலைத் தருகின்றன.
காலநிலையும் ஒருவித ஆற்றல் பரிமாற்றம்தான் என்பதால், காலநிலை அறிவியலைப் புரிந்துகொள்ளவும் அவசியமாகின்றன.
இதையெல்லாம்விட நாம் வாழும் அண்டமே ஆற்றலினால்தான் இயங்குகிறது என்பதால் நட்சத்திரங்கள், கருந்துளைகள், கோள்கள் ஆகியவற்றின் இயக்கத்தைப் புரிந்துகொள்ளவும் உதவுகின்றன. இவ்வாறு நீராவி இயந்திரத்திலிருந்து தோன்றிய விதிகள், இன்றைக்கு அண்டத்தைப் புரிந்துகொள்ளும் கருவியாகவும் இருக்கின்றன.
(திருப்புமுனையைக் காண்போம்)
- tnmaran25@gmail.com
