අධ්‍යනයේ පහසුව උදෙසා පරිපූර්ණ වායු යන සංකල්පය ගොඩනැඟුව ද එදිනෙදා හමුවන තාත්වික වායුවලට අණු අතර ආකර්ෂණ බල පැවතීම වැනි කරුණු හේතුවෙන් ඒවා පරිපූර්ණ වායු හැසිරීමෙන් අපගමනය වේ.
මේ හේතුවෙන් ජේ. ඩී. වැන් ඩ’ වාල්ස් විසින් පරිපූර්ණ වායු සමීකරණය වැඩිදියුණු කොට තාත්වික වායු සඳහා යෙදිය හැකි සමීකරණයක් ගොඩනඟා ඇති අතර එය වැන් ඩ’ වාල්ස් සමීකරණය ලෙස හැඳින්වේ.
තාත්වික වායු වලට ගැලපෙන පරිදි පරිපූර්ණ වායු සමීකරණය සංශෝධනය
දෙන ලද උෂ්ණත්වයකක දී පරිපූර්ණ වායු අණු මවුල 1ක් සඳහා PV=RT ලෙස හෝ වෙනත් ආකාරයකින් PV/RT=1 ලෙස ලිවිය හැකිය. තාත්වික වායුවක් සැලකූවිට එය ඇත්ත වශයෙන්ම පරිපූර්ණ හැසිරීමෙන් තරමක් දුරට හෝ අපගමනය වේ. PV/RT=Z යන්න සම්පීඩ්‍යතා සාධකය (සංගුණකය) ලෙස හඳුන්වන අතර, මේ අපගමනය මැනීමට යොදා ගනු ලැබේ. නිදසුනක් ලෙස පරිපූර්ණ වායු මවුලයක් සැලකූ විට නියත උෂ්ණත්වයේ දී පීඩනය සමඟ විචලනය x අක්ෂයට සමාන්තර සරල රේඛාවක් වේ. PV නියතයක් වන අතර (බොයිල් නියමය) P ට එදිරියෙන් Z හි ප්‍රස්තාරය සියලු පීඩන සඳහා සරල රේඛාවක් වේ. පහත රූපයෙන් විවිධ වායු සඳහා ප්‍රස්ථාරය (a) මගින් ද විවිධ උෂ්ණත්ව වලදී එක් වායුවක් සඳහා ප්‍රස්ථාරය(b) මගින් ද පෙන්නුම් කෙරේ. (a) රූපය තුළ වූ කුඩා රූපයෙන් තාත්වික හා පරිපූර්ණ වායුවක් සඳහා බොයිල් නියම චක්‍ර පෙන්නුම් කෙරේ.
(a) රූපයේ දක්වා ඇති ප්‍රස්ථාරයට අනුව නියත උෂ්ණත්වයක දී තාත්වික වායුවක් සඳහා P ට එදිරියෙන් PV/RT (P ට එදිරියෙන් Z) අතර ප්‍රස්ථාරය x අක්ෂයට (පීඩනය) සමාන්තර සරල රේඛාවක් නොවන බව පෙනේ. එනම් පරිපූර්ණ හැසිරීමෙන් සැලකිය යුතු අපගමනයක් පවතී. විවිධ වර්ගයේ තාත්වික වායු සඳහා ප්‍රස්තාර වර්ග දෙකක් ලැබී ඇත. හයිඩ්‍රජන් සහ හීලියම් සඳහා පීඩනය වැඩිවන විට Z අගය වැඩි වී ඇත. දෙවන වර්ගයේ ප්‍රස්තාර දැකිය හැක්කේ කාබන් මොනොක්සයිඩ්(CO) සහ මීතේන්(CH4) වායුව සඳහා වේ. මේ ප්‍රස්තාර වල දී පළමුව පරිපූර්ණ තත්ත්වයෙන් සෘණ අපගමනයක් පෙන්වන අතර Z අගය පීඩනය වැඩි වීමත් සමග අඩුවී වායුවට ආවේණික අවම අපගමන අවස්ථාවකට ලක්වී ඇත. ඊට පසුව එය නැවත වැඩි වීමට පටන්ගෙන පරිපූර්ණ වායු රේඛාව කපමින් එක දිගටම වැඩිවී ධන අපගමනයක් පෙන්වයි. සියලු තත්ත්ව යටතේ දී තාත්වික වායු සම්පූර්ණයෙන්ම පරිපූර්ණ වායු සමීකරණය නොපිළිපදින බව මෙම නිරීක්ෂණ මගින් අනාවරණය වේ
(a) රූපය තුළ ඇඳ ඇති කුඩා රූපයේ දැක්වෙන පීඩනය සහ පරිමාව අතර වක්‍රය මගින් ද පරිපූර්ණ තත්ත්වයෙන් අපගමනය වීම අවබෝධ කරගත හැකිය. එම චක්‍රය මගින් තාත්වික වායුවක් සඳහා පීඩනය සහ පරිමා දත්ත සෛද්ධාන්තිකව ගණනය කරන ලද අගයන් සමග සංසන්දනය කර ඇත. එය බොයිල් නියමයට අදාළ වක්‍රය පරිපූර්ණ වායුවක් සඳහා වන අතර තාත්වික වායු පරිපූර්ණ හැසිරීම දක්වයි නම් එම වක්‍ර දෙක එකිනෙකට සමපාත විය යුතු වේ. ඉතා ඉහළ පීඩනවලදී මනින ලද පරිමාව, ගණනය කරන ලද පරිමාව ට වඩා වැඩි බව ද, අඩු පීඩන වල දී මනින ලද සහ ගණනය කරන ලද පරිමා එකිනෙකට සමීප වන බව ද මින් පැහැදිලි වේ. අඩු පීඩන තත්ත්ව පරිපූර්ණ හැසිරීමට ආධාර වන බවත් මින් පැහැදිලි වේ. වායුව අන්තර්ගතවී ඇති පරිමාව ඉතා විශාල නම් බදුනේ පරිමාව සමග සසඳන විට වායු අණු වල පරිමාව නොසලකා හැරිය හැකිය. එවිට වායු පරිපූර්ණ හැසිරීමක් පෙන්වයි. නැතහොත් පීඩනය ඉතා අඩු වන විට තාත්වික වායු හැසිරීම පරිපූර්ණ තත්ත්වයට බෙහෙවින් ළඟාවන අතර උෂ්ණත්වය හා වායු ස්වභාවය මත රඳා පවතී.
වැඩි පීඩනයක දී වායු අණු අවකාශයක් තුළ තෙරපෙමින් එක්රැස් වූ විට ඒවායේ පරිමිත තරම නිසා ඇතිවන අන්තර් අණුක ආකර්ෂණ සහ විකර්ෂණ බල මගින්ද තාත්වික වායුවක මේ හැසිරීම එනම් z අගය 1 වඩා කුඩා වීම (Z< 1) තවදුරටත් පැහැදිලි කළ හැකිය. අඩුපීඩන වල දී නමුත් තවමත් පරිපූර්ණව හැසිරීම පෙන්වීමට වඩා ඉහළ පීඩන වල දී අන්තර් අණුක ආකර්ෂණ බල හේතුවෙන් මවුලික පරිමාව අඩු වන අතර සම්පීඩ්‍යතා සාධකය 1 වඩා අඩු (Z< 1) වෙයි. ප්‍රමාණවත් තරම් වැඩි පීඩන වල දී අණු එකිනෙකට ලං වන නිසා වායු අණුවල පරිමාව, ඒවා ලක්ෂ ස්කන්ධ ලෙස හැසිරෙන තත්වයට සාපේක්ෂව ඉහළ වේ. ඉහළ උෂ්ණත්ව වලදී ( (b) රූපය ) අන්තර්අණුක ආකර්ෂණ බල අඩුවී PV ගුණිතය වැඩිවීමෙන් Z හි අගය 1 වඩා වැඩි වේ. කෙසේ වුවද ඉහල උෂ්ණත්ව වලදී පරිපූර්ණ තත්ත්වයට තරමක් හෝ ළං වන බැවින් පරිපූර්ණ රේඛාවෙන් අපගමනය වන ප්‍රමාණය අඩු වෙයි. එමනිසා තාත්වික වායුවක් පරිපූර්ණ හැසිරීම පෙන්වීම සඳහා වඩාත් සුදුසු තත්ත්ව වන්නේ ඉතා අඩු පීඩන සහ ඉහළ උෂ්ණත්ව වේ.
තාත්වික වායු වල මෙම හැසිරීම පරිපූර්ණ වායු සමීකරණය සමග සංසන්දනය කළ විට, දෙන ලද උෂ්ණත්වයක දී හා පීඩනයක දී මේ මවුලික පරිමාව හි විචලනය සහ සම්පීඩ්‍යතා සාධකය (Z) අතර සම්බන්ධතාවය අවබෝධ කරගත හැකිය.
තාත්වික වායුවක මවුල 1 ක පරිමාව Vතාත්වික ලෙස ද පරිපූර්ණ වායුවක පරිමාව Vපරිපූර්ණ ලෙසද උපකල්පනය කළ විට පහත ලෙස ලිවිය හැක.
\mathrm Z\;=\;\frac{\mathrm{PV}\text{තාත්වික}}{\mathrm{RT}}\;\text{ලෙස ලිවිය හැකිය.}
වායුව එම තත්ත්ව යටතේ දී ම පරිපූර්ණව හැසිරෙන්නේ නම්,
\left(\mathrm P+\frac{\mathrm a}{\mathrm V^2}\right)\;(\mathrm V–\mathrm b)=\mathrm{RT}
මෙය පළමු සමීකරණයේ ආදේශයෙන්
\mathrm Z=\frac{{\mathrm V}_\text{තාත්වික}}{{\mathrm V}_\text{පරිපූර්ණ}}
මේ අනුව සම්පීඩ්‍යතා සාධකය යනු දෙන ලද උෂ්ණත්වයක දී සහ පීඩනයක දී වායු සත්‍ය මවුලික පරිමාවත්, එය පරිපූර්ණ ලෙස හැසිරෙන්නේ නම් එහි මවුලික පරිමාවත් අතර අනුපාතය බව පෙනේ. මේ වර්ගයේ පරීක්ෂණ වලට අනුව සියලුම තත්ත්ව යටතේ දී තාත්වික වායු බොයිල් නියමය, චාල්ස් නියමය සහ ඇවගාඩ්‍රෝ නියමය සම්පූර්ණයෙන්ම නොපිළිපදින බව සොයාගෙන ඇත.
එම නිසා වායු පරිපූර්ණව හැසිරීමෙන් අපගමනය වන්නේ ඇයි දැයි යන්න කුමන තත්ත්ව යටතේ දී ද වායු පරිපූර්ණ තත්ත්වයෙන් අපගමන වේද යන්නත් අවබෝධ කරගත යුතුය. මේ සඳහා චාලක අණුක වාදයේ උපකල්පන යොදාගත හැකිය. එනම් වායු අණු අතර ආකර්ෂණ බල නොපවතින බවත් වායුව අන්තර්ගත බඳුනේ පරිමාව සමග සසඳන කල වායු අණු වල පරිමාව නොගිණිය හැකි තරම් කුඩා බවත් උපකල්පනය කරන ලදී.
වායු අණු අතර ආකර්ෂණ බල නොපවතින්නේ නම් වායුවක් කිසිදා ද්‍රව කළ නොහැකිය. එසේ වුවත් සිසිල් කළ විට සහ සම්පීඩනය කළ විට වායු ද්‍රව කළ හැකිය. වායු සිසිල් කළ විට හා සම්පීඩනය කළ විට වායු අණු එකිනෙකට ලං වී ද්‍රව බවට පත් වෙයි. වායු අණුක පරිමාව නොගිණිය හැකි තරම් නම් එවිට තාත්වික වායුවක් සඳහා වන පීඩනය එදිරියෙන් හා පරිමාව අතර ප්‍රස්ථාරය පරිපූර්ණ වායුවක් සඳහා වන ප්‍රස්ථාරය සමඟ සමපාත විය යුතුය. නමුත් එසේ සිදු නොවන නිසාත් තාත්වික වායු පරිපූර්ණ තත්ත්වයෙන් අපගමනය වේ.
වැන්ඩ’ වාල්ස් සමීකරණය
වායුවක පීඩනයක් ඇතිවන්නේ වායු අණු බඳුනේ බිත්තිය සමඟ ගැටීම මඟිනි. තාත්වික වායුවල අන්තර් අණුක ආකර්ෂණ බල හේතු කොටගෙන වායු අණු බිත්තිවල ගැටීමට ඇති හැකියාව අඩුවී යයි.
එනිසා තාත්ත්වික වායු පරිපූර්ණ වායූන්ට වඩා අඩු පීඩනයක් පෙන්වයි. මේ නිසා එම අඩුවන අගය හානි පූර්ණය කර සමීකරණයට එකතු කළ යුතුය. මෙහිදී යොදන ශෝධනය වායු ප්‍රමාණයෙහි වර්ගයට අනුලෝමව ද, බඳුනේ පරිමාවේ වර්ගයට ප්‍රතිලෝමව ද සමානුපාතික වේ. එබැවින් යොදන හානි පූර්ණය \frac{an^2}{V^2} ලෙස දක්වන අතර a යනු නියතයකි. එය ආකර්ෂණ බලවල අගයට සම්බන්ධයක් දක්වන අතර උෂ්ණත්වයෙන් හා පීඩනයෙන් ස්වායක්ත වේ.
\therefore\;{\mathrm P}_\text{පරිපූර්ණ}\;=\;{\mathrm P}_\text{තාත්වික}\;+\;\frac{\mathrm{an}^2}{\mathrm V^2}
තාත්වික වායුවල වායු අණුවලට පරිමාවක් පවතින නිසා එම වායුන්ට බඳුන තුළ හැසිරිය හැකි පරිමාව පරිපූර්ණ වායූන්ට සාපේක්ෂව අඩු අගයක් ගනී. එනම් තාත්වික වායුවලට හැසිරිය හැකි පරිමාව වනුයේ බඳුනේ පරිමාවෙන් වායු අණුවල පරිමාව අඩු කළ පසු ඉතිරිවන පරිමාවයි. එනිසා තාත්වික වායු සඳහා සමීකරණය සැකසීමේ දී හැසිරිය හැකි සඵල පරිමාව ගත යුතුය. එනිසා එය පහත පරිදි ගනු ලබයි.
(\;\mathrm V\;–\;\mathrm{nb}\;)
V යනු බඳුනේ පරිමාව වන අතර n යනු අඩංගු වායු මවුල ගණනයි. b නියතයක් වන අතර අණුවක පරිමාව ලෙස සලකයි. මෙම සංශෝධන සහිතව ගොඩනඟන සමීකරණය පහත පරිදි වන අතර එය වැන් ඩ’ වාල්ස් සමීකරණය යි.
\left(P+\frac{an^2}{V^2}\right)\;(V–nb)\;=\;nRT
a සහ b වැන් ඩ’ වාල්ස් නියත ලෙස හඳුන්වන අතර ඉහත සමීකරණය තාත්වික වායු මවුල 1ක් සඳහා සැලකූ විට පහත පරිදි වේ.
\left(P+\frac a{V^2}\right)\;(V–b)=RT
අවධි උෂ්ණත්වය සහ වායු ද්‍රව කිරීම
වායුවක් ඉහළ පීඩනවලට ලක් කිරීමෙන් සහ පහළ උෂ්ණත්වවලට ලක් කිරීමෙන් ද්‍රව බවට පත්කළ හැකිය. කෙසේනමුත් එක්තරා සීමාකාරී උෂ්ණත්වයකට වඩා වැඩි උෂ්ණත්ව වලදී පීඩනය කොතෙක් වැඩි කළද වායුව ද්‍රව කරගැනීමට නොහැකිය. එම සීමාකාරී උෂ්ණත්වය අදාල වායුවේ අවධි උෂ්ණත්වය ලෙස හඳුන්වයි. අවධි උෂ්ණත්වයේදී වාෂ්පය ද්‍රව කිරීමට අවශ්‍ය පීඩනය අවධි පීඩනය නම් වේ.
