ஆற்றல் காப்பு

ஆற்றல் காப்பு அல்லது ஆற்றல் அழியாமை (Conservation of energy) என்பது இயற்பியலில் ஆற்றல் அழியாமை (காப்பு) விதியின்படி, தரப்பட்ட மேற்கோள் சட்டகத்தில், தனித்துபிரிந்த தொகுதியொன்றின் மொத்த ஆற்றல் கால அடைவில் மாறாதது என்பதுடன் அதன் வடிவத்தை மாற்றலாமேயன்றி, ஆற்றலைப் புதிதாக உருவாக்கவோ அழிக்கவோ முடியாது என்பதைச் சொல்கிறது. எடுத்துக்காட்டாக, உராய்வு இயக்க ஆற்றலை வெப்ப ஆற்றலாக மாற்றுகிறது. வெப்ப இயக்கவியலில், அதன் முதல் விதி, வெப்ப இயக்கவியல் தொகுதிகளில் ஆற்றல் காப்புப் பற்றிய கூற்றாக அமைகின்றது. இது ஆற்றல் காப்புப் பற்றிய முழுமையான நோக்கு ஆகும். சுருக்கமாக ஆற்றல் அழியாமை விதி பின்வருமாறு கூறுகின்றது:

• ஆற்றல் உருவாக்கப்படவோ அழிக்கப்படவோ முடியாதது,
• அதனை ஒரு வடிவத்தில் இருந்து இன்னொரு வடிவத்துக்கு மாற்றவோ அல்லது ஒரு பொருளிலிருந்து இன்னொரு பொருளுக்கு மாற்றவோ மட்டுமே முடியும்,
• மொத்த ஆற்றல் அளவு மாறாதது.

ஒரு வடிவத்திலிருந்து இன்னொரு வடிவத்துக்கு ஆற்றல் மாற்றப்படும்போது வேலை (வெப்ப இயக்கவியல்) செய்யப்படுகின்றது. அதாவது அங்கு விசை தொழிற்படும். எடுத்துகாட்டாக, உயரத்திலிருக்கும் ஒரு பந்தில் நிலையாற்றல் பொதிந்திருக்கும். அது கீழே விழும் போது அப்பந்தில் தாக்கும் விசைகள் காரணமாக அதில் காணப்பட்ட நிலையாற்றல் வேறு வடிவங்களுக்கு மாற்றமடைகின்றது. பந்து விழும்போது தாக்கும் புவியீர்ப்பு விசையால் நிலையாற்றல் இயக்க ஆற்றலாக மாற்றமடைகின்றது. பந்து விழும் போது தாக்கும் வளித்தடையால் நிலையாற்றல் வெப்ப ஆற்றலாக மாறுகின்றது.மேலும், வேதி ஆற்றல், இயக்க ஆற்றல் வடிவத்துக்கு வெடிமருந்துக் குச்சி வெடிக்கும்போது மாறுகிறது. நுட்பமாக, ஆற்றல் அழியாமையைக் கருக்காக நோயெதர் தேற்றம் வழியாக நிறுவலாம். இது தொடர்ச்சியான சார்பின் நேரடியான காலப் பெயர்ச்சி சீரொருமையால் விளைகிறது எனலாம்.

மேற்கூறிய எடுத்துக்காட்டுகளின் ஆற்றல் காப்புக் கருத்தைப் பின்வருமாறு சுருக்கமாக எடுத்துரைக்கலாம்.

தொடக்க நிலையாற்றல் = இறுதி நிலையாற்றல் + தாக்கிய விசைகளால் செய்யப்பட்ட வேலை

தொடக்க நிலையாற்றல் = இறுதி நிலையாற்றல் + புவியீர்ப்பால் செய்யப்பட்ட வேலை + வளித்தடையால் செய்யப்பட்ட வேலை

தொடக்க நிலையாற்றல் = இறுதி நிலையாற்றல் + இயக்க ஆற்றல் + வெப்ப ஆற்றல்

மேற்கூறியது போன்று உலகில் நடைபெறும் அனைத்து மாற்றங்களும் ஆற்றல் காப்புக்குக் கட்டுப்பட்டே நடைபெறுகின்றது.

ஆற்றல் அழியாமை விதியின்படி, முதல்வகை நிலைதிற இயக்க எந்திரம் நிலவ இயலாது. வெளியில் இருந்து ஆற்றல் தரும் வாயில் ஏதும் இல்லாமல், எந்தவொரு அமைப்பும் சூழலுக்கு வரம்பிலாத ஆற்றலை வழங்கமுடியாது. காலப் பெயர்ச்சி சீரொருமையற்ற இயக்கச் சமன்பாடுகளுக்கு, ஆற்றல் அழியாமை விதியை வரையறுக்க முடியாது. எடுத்துகாட்டு பொதுச் சார்பியலின் வளைந்த காலவெளிகளை உள்ளடக்கும் இந்நிலை, செறிநிலைப் பொருண்ம இயற்பியலில் வரும் காலப் படிகங்களுக்கும் பொருந்தும்.

வரலாறு

கோட்பிரீட் லைப்னிட்ஸ்

மிலேதெசுவின் தெலேசு காலத்தில் இருந்தே, அதாவதுகி.மு 550 இல் இருந்தே பண்டைய மெய்யியலாளர்கள் அனைத்துப் பொருள்களும் ஆக்கப்படும் அடிப்படையான பண்டம் அழியாதது எனும் காட்சித் தெறிப்புகளைக் கொண்டிருந்தனர். என்றாலும், அது இன்று கருதப்படும் பொருண்மை-ஆற்றலை ஒத்ததுவல்ல. (எடுத்துகாட்டாக, தெலேசு இதை நீராகக் கருதினார்). எம்பிடாக்கிள்சு (கி.மு 490–430) தனது பொது அமைப்பில், அனைத்தும் நான்கு வேர்நிலைக் கூறுகளால், அதாவது நிலம், நீர், வளி, தீ ஆகியவற்றால் ஆகியதாகவும் எதுவும் உருவாவதும் அழிவதும் இல்லை எனவும் மாறாக, இவை தொடர்ந்து மீளமைவுக்கு உள்ளாகின்றன எனவும் கூறினார்.

நிலைதிற இயக்கம் இயலாதது எனும் அடிப்படையைக் கொண்டு, 1605 இல் சைமன் சுட்டீவினசு நிலையியலில் பல கணக்குகளுக்குத் தீர்வு கண்டார்.

கலீலியோ 1638 இல் "குறுக்கிட்ட தனி ஊசல்" உட்பட பல சூழ்நிலைமைகளுக்கான தீர்வுகளைப் பகுப்பாய்வு செய்து அவற்றின் முடிவுகளை வெளியிட்டார். இவற்றைத் தற்கால அறிவியல் மொழியில் நிலையாற்றலை அல்லது பொதிவு ஆற்றலை இயங்காற்றலாகவும் எதிர்மாறாகவும் ஆற்றல் அழியாமல் மாற்றும் சூழல்களைப் பற்றியனவாகும். ஒரு தளத்தில் ஒரு பொருள் எழும் தொலைவு அப்பொருளை எந்த உயரத்தில் இருந்து விழுந்த்தோ அதற்குச் சம்ம் ஆகும் என்பதைத் தெளவாகச் சுட்டிக் காட்டினார். இந்நோக்கீட்டைப் பயன்படுத்தி அவர் உறழ்மை எனும் எண்ணக்கருவை உய்த்துணர்ந்தார். இந்த நோக்கீட்டின் குறிப்பிட்த் தகுந்த கூறுபாடு உராய்வில்லாத தளத்தில் ஒரு பொருள் எழும் தொலைவு தளப் பரப்பின் வடிவத்தைச் சார்ந்தமைவதில்லை என்பதாகும்.

கிறித்தியான் ஐகன்சு 1669 இல் தன் மொத்தல் விதிகளை வெளியிட்டார். மொத்தலுக்கு முன்பும் பின்பும் மாறாத அளவுகளாக அவற்றின் நேரியல் உந்தங்களின் கூட்டுத்தொகையையும் அவற்றின் இயக்க ஆற்றல்களின் கூட்டுத்தொகையையும் குறிப்பிட்டார். என்றாலும், அப்போது மீளுமை மொத்தல்களுக்கும் மீளுமையற்ற மொத்தல்களுக்கும் இடையில் உள்ள வேறுபாடு புரியப்படாமல் இருந்தது. ஆகவே பின்னர் வந்த ஆய்வாளர்களுக்கிடையில் இவ்விருவகையில் எந்த அளவுகள் மேலும் அடிப்படையாக அழியாதவை எனும் விவாதத்தை உருவாக்கியது. இவர் தனது Horologium Oscillatorium எனும் நூலில், இயங்கும் பொருளின் எழும் உயரத்தைப் பற்றி தெளிவான கூற்றை வெளியிட்டு, இந்த எண்ணக்கருவை நிலைதிற இயக்கம் என்பதே இயலாத ஒன்று எனும் அடிக்கோளுடன் இணைத்தார். தனி ஊசல் பற்றிய அய்கன்சின் ஆய்வு ஒற்றை நெறிமுறையைச் சார்ந்தது: அது எடைமிகு பொருள் தனது ஈர்ப்பு மையத்தைத் தானே தூக்க முடியாது என்பதேயாகும்.

இயக்க ஆற்றல் நேரளவினது, ஆனால்,நேரியல் உந்தமோ நெறிய அளவினது, எனவே முன்னதே எளிதாக்கணக்கிடவல்லது எனும் உண்மையைக் கவனத்தில் கொள்ள கோட்பிரீட் லைப்னிட்ஸ் தவறவில்லை. இவர்தான் முதலில், 1676–1689 இடையிலான கால அளவில் இயக்க ஆற்றலுக்கான கணித வாய்பாட்டை உருவாக்கினார். அய்கன்சின் மொத்தல் ஆய்வைப் பயன்படுத்தி, இலைப்னிழ்சு பல பொருண்மைகள் அமைந்த பல இயக்க அமைப்புகளில், பொருண்மைகள் ஊடாட்டம் நிகழ்த்தாதவரை, v_i விரைவு உள்ள ஒவ்வொரு m_i பொருண்மைக்கும்,

$\sum _{i}m_{i}v_{i}^{2}$

அழியாமல் இருத்தலைக் கவனித்துள்ளார். இதை இவர் அந்த அமைப்புகளின் உயிர்விசை என அழைத்தார். இந்த நெறிமுறை, உராய்வில்லாத சூழல்களிலியக்க ஆற்றலின் தோராயமான அழியாமைக்கான துல்லியமான உருவகிப்புக்கான கூற்றாகும். அக்காலத்தில், நியூட்டனைப் போன்ற பல இயற்பியலாளர்கள், உராய்வமைந்த அமைப்புகளிலும், உந்த வரையறையின்படி, உந்த அழியாமல் இருப்பதை அறிந்திருந்தனர்: அதாவது,

$\,\!\sum _{i}m_{i}v_{i}$

அழியாது அமைந்தது. பின்னர், மீளுமை மொத்தல் அமைந்த சரியான நிலைமைகளில், இருவகை அளவுகளுமே ஒருங்கே அழியாமல் இருத்தல் நிறுவப்பட்டது.

விசை, உந்தம் ஆகிய கருத்துப்படிமங்களை ஒருங்கிணைத்து உருவாக்கிய இயற்கை நெறிமுறைகளின் கணித மெய்யியல் எனும் நூலை 1687 இல் ஐசக் நியூட்டன் வெளியிட்டார். என்றாலும், ஆய்வாளர்கள் இந்நூலின் நெறிமுறைகள் புள்ளிப் பொருண்மைகளுக்குப் பொருந்துமே ஒழிய, விறைத்த பொருள்களுக்கும் பாய்மப் பொருள்களுக்கும் போதுமானவையல்ல என்பதை விரைவிலேயே உணரலாயினர். மேலும் சில கூடுதல் நெறிமுறைகளின் தேவையை தெளிவாக அறியலாயினர்.

டேனியல் பெர்னூலி

உயிர் விசையின் அழியாமை விதி தந்தையும் மகனுமாகிய யோகான் பெர்னூலியாலும் டேனியல் பெர்னூலியாலும் கேள்விக்குறியாக்கப்பட்டது. முன்னவர் 1715 இல் நிலையியலில் பயன்படுத்தப்பட்ட மெய்நிகர் வேலையின் பொதுமைப்படுத்திய நெறிமுறையை வெளியிட்டார். பின்னவர் பிறகு, 1738 இல் வெளியிட்ட நீரியங்கியல் நூலை மெய்நிகர் வேலை நெறிமுறை எனும் ஒரே அழியாமை நெறிமுறையைச் சார்ந்து உருவாக்கி வெளியிட்டார். ஓடும் நீரின் உயிர்விசை இழப்பை ஆய்வு செய்த டேனியல், பெர்னவுலி நெறிமுறையினைப் புதிதாக உருவாக்கினார். இந்த இழப்பு, மாறும் நீரியங்கியல் அழுத்தத்துக்கு நேர்விகிதத்தில் அமைந்தது என இவர் நிறுவினார். டேனியல் மேலும் நீரியல் எந்திரங்களுக்கான வேலை, திறமை எனும் புதுக் கருத்தின்ங்களையும் உருவாக்கினார். இவரே வளிமங்களின் இயங்கியல் கோட்பாட்டையும் வழங்கினார். அதில் இவர் வளிம மூலக்கூறுகளின் இயங்கியல் ஆற்றலை வளிம வெப்பநிலையோடும் உறவுபடுத்தினார்.

வெப்ப இயங்கியலின் முதலாம் விதி

முதன்மைக் கட்டுரை: முதலாம் வெப்ப இயங்கியல் விதி

மூடிய தொகுதி ஒன்றுக்கு (பொருளின் பரிமாற்றத்தை ஏற்காது; ஆற்றல், வேலைப் பரிமாற்றத்தை ஏற்கும்) வெப்ப இயங்கியலின் முதலாம் விதியைப் பின்வருமாறு சுருக்கமாக விவரிக்கலாம்:

$\delta Q=\mathrm {d} U+\delta W$, அல்லது $\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W,$

இங்கு மூடிய தொகுதி ஒன்றுக்குள் வழங்கப்படும் அல்லது தொகுதியிலிருந்து எடுக்கப்படும் ஆற்றல் ($\delta Q$) அதன் உள்ளார்ந்த வெப்ப ஆற்றல் ($\mathrm {d} U$) உடனும், அது செய்யும் வேலை ($\delta W$) உடனும் தொடர்புபடுகின்றது என்பதை விளக்குகின்றது.

மேலும் காண்க

• ஆற்றல் தரம்
• ஆற்றல் உருமாற்றம்
• வெப்ப இயங்கியலின் விதிகள்
• ஆற்றலியல் நெறிமுறைகள்

நூல்தொகை

புத்தியல் உரைகள்

• Goldstein, Martin, and Inge F., (1993). The Refrigerator and the Universe. Harvard Univ. Press. A gentle introduction.
• Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Thermal Physics (2nd ed.). W. H. Freeman Company. பன்னாட்டுத் தரப்புத்தக எண் 0-7167-1088-9.
• Nolan, Peter J. (1996). Fundamentals of College Physics, 2nd ed. William C. Brown Publishers.
• Oxtoby & Nachtrieb (1996). Principles of Modern Chemistry, 3rd ed. Saunders College Publishing.
• Papineau, D. (2002). Thinking about Consciousness. Oxford: Oxford University Press.
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks/Cole. பன்னாட்டுத் தரப்புத்தக எண் 0-534-40842-7.
• Stenger, Victor J. (2000). Timeless Reality. Prometheus Books. Especially chpt. 12. Nontechnical.
• Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics (5th ed.). W. H. Freeman. பன்னாட்டுத் தரப்புத்தக எண் 0-7167-0809-4.
• Lanczos, Cornelius (1970). The Variational Principles of Mechanics. Toronto: University of Toronto Press. பன்னாட்டுத் தரப்புத்தக எண் 0-8020-1743-6.

எண்ணக்கருக்களின் வரலாறு

• Brown, T.M. (1965). "Resource letter EEC-1 on the evolution of energy concepts from Galileo to Helmholtz". American Journal of Physics 33 (10): 759–765. doi:10.1119/1.1970980. Bibcode: 1965AmJPh..33..759B. https://archive.org/details/sim_american-journal-of-physics_1965-10_33_10/page/759. 
• Cardwell, D.S.L. (1971). From Watt to Clausius: The Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age. London: Heinemann. பன்னாட்டுத் தரப்புத்தக எண் 0-435-54150-1.
• Guillen, M. (1999). Five Equations That Changed the World. New York: Abacus. பன்னாட்டுத் தரப்புத்தக எண் 0-349-11064-6.
• Hiebert, E.N. (1981). Historical Roots of the Principle of Conservation of Energy. Madison, Wis.: Ayer Co Pub. பன்னாட்டுத் தரப்புத்தக எண் 0-405-13880-6.
• Kuhn, T.S. (1957) "Energy conservation as an example of simultaneous discovery", in M. Clagett (ed.) Critical Problems in the History of Science pp.321–56
• Sarton, G.; Joule, J. P.; Carnot, Sadi (1929). "The discovery of the law of conservation of energy". Isis 13: 18–49. doi:10.1086/346430. https://archive.org/details/sim_isis_1929-1930_13_1/page/18. 
• Smith, C. (1998). The Science of Energy: Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. London: Heinemann. பன்னாட்டுத் தரப்புத்தக எண் 0-485-11431-3.
• Mach, E. (1872). History and Root of the Principles of the Conservation of Energy. Open Court Pub. Co., Illinois.
• Poincaré, H. (1905). Science and Hypothesis. Walter Scott Publishing Co. Ltd; Dover reprint, 1952. பன்னாட்டுத் தரப்புத்தக எண் 0-486-60221-4., Chapter 8, "Energy and Thermo-dynamics"

வெளி இணைப்புகள்

• MISN-0-158 The First Law of Thermodynamics (PDF file) by Jerzy Borysowicz for Project PHYSNET.