1913 ஆம் ஆண்டின் ஒரு யோசனை, தொழில்துறையின் வழக்கமான திரவ சமன்பாடுகள் ஏன் வேலை செய்கின்றன என்பதை விளக்கக்கூடும்

நூற்றாண்டு பழைய இயற்பியல் விலகல், தொழில்துறையின் மிகப் பயனுள்ள கருவிகளில் ஒன்றை மேலும் கூர்மைப்படுத்தக்கூடும்

பல தசாப்தங்களாக, வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்தம் மாறும் போது திரவங்கள் எப்படி நடந்து கொள்கின்றன என்பதை மதிப்பிட, பொறியாளர்கள் cubic equations of state எனப்படும் சூத்திரக் குடும்பத்தை நம்பி வந்துள்ளனர். இந்தக் கணக்குகள் இரசாயன ஆலைகள், குளிரூட்டும் அமைப்புகள், இயற்கை எரிவாயு செயலாக்கம், மற்றும் அளவு, கட்ட நிலை நடத்தை, செயல்பாட்டு நிலைகள் ஆகியவற்றைத் தவறாக கணிப்பது உண்மையான செலவுகளை ஏற்படுத்தக்கூடிய தொழில்துறை வடிவமைப்புகளின் நீண்ட பட்டியலின் அடிப்படையில் உள்ளன. இந்த சூத்திரங்களை குறிப்பாக நீடித்ததாக ஆக்கியது, அவை பெரிய அளவில் பயன்படுத்த போதுமான எளிமையானவை என்பதும், அதே நேரத்தில் பல நிஜ உலக பயன்பாடுகளுக்கு போதுமான துல்லியத்தைக் கொண்டிருப்பதும் ஆகும்.

விசித்திரமான விஷயம் என்னவென்றால், அவற்றின் மிகப் பரிச்சயமான கணித அம்சங்களில் ஒன்றுக்கு இதுவரை முழுமையாக திருப்திகரமான முதல்-கோட்பாட்டு விளக்கம் இல்லை. Soave-Redlich-Kwong, Peng-Robinson, மற்றும் Patel-Teja போன்ற பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் சமன்பாடுகள், அணுக்களுக்கிடையிலான ஈர்ப்பு விசைகளை பிரதிநிதிக்கின்ற பகுதியை மறுவடிவமைக்க ஒரு குறிப்பிட்ட quadratic form-ஐ ஏற்றுக்கொண்டு செயல்திறனை மேம்படுத்தின. அந்த அமைப்பு வேலை செய்தது. தொழில் அதை தொடர்ந்து பயன்படுத்தியது. ஆனால் அது ஏன் இவ்வளவு தொடர்ந்து வேலை செய்தது என்பது திறந்த கேள்வியாகவே இருந்தது.

இப்போது Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology-யின் ஆராய்ச்சியாளர்கள், பதில் இயற்பியலின் மிகவும் பழமையான ஒரு பகுதிக்குள் இருக்கலாம் என்று வாதிடுகின்றனர். Chemical Engineering Science இதழில் வெளியிடப்பட்ட பணியில், Dr. Jai-Yeop Lee அந்த அமைப்பை 1913-இல் டச்சு இயற்பியலாளர் Hugo Tetrode முன்வைத்த ஒரு கருத்துக்குத் திரும்பப் பெற்றுச் சென்றார்; அவர் திரவங்களை வெறுமனே சுதந்திரமாக நகரும் துகள்களாக அல்ல, அதிர்வுறும் oscillator-களின் தொகுப்புகளாக விவரித்தார். அந்த கட்டமைப்பை மீண்டும் பரிசீலித்து, ஒரு புதிய அளபுருவை அறிமுகப்படுத்துவதன் மூலம், இந்த ஆய்வு இரசாயன பொறியியல் பெரும்பாலும் முயற்சி-தவறுகளின் மூலம் ஏற்றுக்கொண்ட ஒரு கணிதப் பழக்கத்திற்கு இயற்பியல் காரணத்தை முன்வைக்கிறது.

க்யூபிக் சமன்பாடுகள் ஏன் இவ்வளவு முக்கியம்

State equations என்பது அப்ஸ்டிராக்ட் ஆர்வப்பொருள்கள் அல்ல. வெப்பநிலையும் அழுத்தமும் மாறும்போது ஒரு பொருளின் அளவு எப்படி பதிலளிக்கிறது என்பதை மதிப்பிடப் பயன்படும் மைய முன்னறிவிப்பு கருவிகள் அவை. நடைமுறையில், அவை distillation columns வடிவமைத்தல், refrigeration cycles-ஐ மேம்படுத்தல், மற்றும் natural-gas handling systems-ஐ திட்டமிடுதல் ஆகியவற்றிற்கு அத்தியாவசியமாகின்றன. மிகக் கரடுமுரடான model, மோசமான operating windows அல்லது திறனற்ற equipment-க்கு வழிவகுக்கலாம். மிக மிக சிக்கலான model, பரவலான engineering பயன்பாட்டிற்கு நடைமுறைக்கு ஒவ்வாததாக மாறலாம்.

இந்த முரண்பட்ட தேவைகளுக்கு இடையில் சமநிலை அமைத்ததால் cubic equations தங்கள் இடத்தைப் பெற்றன. கணித ரீதியாக அவை கையாள எளிதானவை; அதே சமயம் பொறியாளர்கள் கவலைப்படும் பல திரவங்களை விவரிக்கும் அளவிற்கு நெகிழ்வானவையும் கூட. காலப்போக்கில், பல மாற்றுவடிவங்கள் தொழில்துறையில் நிலையானவையாகின. இருப்பினும், அவற்றின் பகிர்ந்த quadratic structure-ன் வெற்றி விளக்கமானதைவிட அனுபவ அடிப்படையிலானதாகவே இருந்தது. இந்த வடிவம் முடிவுகளை மேம்படுத்தியது என்பதை பொறியாளர்கள் அறிந்திருந்தனர்; ஆனால் இயற்கை அதைப் இவ்வளவு நன்றாக ஏன் ஏற்றுக்கொண்டது என்பது தெரியவில்லை.

அந்த இடைவெளி முக்கியமானது, ஏனெனில் விளக்கம் பெரும்பாலும் மேம்பாட்டிற்கான பாலமாக இருக்கும். ஒரு model, physics-இல் மேலும் தெளிவாக வேரூன்றியிருக்கும் போது, அதைச் செம்மைப்படுத்த, புதிய பொருட்களுக்குத் தளர்த்த, மற்றும் அது எங்கு தோல்வியடையலாம் என்பதைப் புரிந்துகொள்ள ஆராய்ச்சியாளர்களுக்கு உறுதியான அடிப்படை கிடைக்கிறது.

Tetrode-ன் கவனிக்கப்படாத முன்மொழிவை மீண்டும் நோக்குதல்

Lee-யின் ஆய்வு, திரவ நடத்தை அதிர்வுறும் oscillators ஆக molecules-ஐக் கருதுவதன் மூலம் புரிந்துகொள்ளலாம் என்ற Tetrode-ன் 20ஆம் நூற்றாண்டின் தொடக்க முன்மொழிவை மையமாகக் கொண்டுள்ளது. புதிய கட்டுரை அந்த அதிர்வு திருத்தத்தை d என அடையாளப்படுத்தப்பட்ட ஒரு அளபுரு மூலம் இணைக்கிறது. அறிக்கை செய்யப்பட்ட பகுப்பாய்வின்படி, இந்த சேர்க்கை செயல்திறனைச் சிறிது மாற்றுவதோடு நிற்கவில்லை. cubic equations-இல் உள்ள பரிச்சயமான quadratic structure உண்மையில் சீரற்றது அல்ல என்பதைக் காட்டவும் அது உதவுகிறது.

இந்த வடிவம் ஒரே நேரத்தில் மூன்று தேவைகளை பூர்த்தி செய்யும் குறைந்தபட்ச தீர்வாக உருவாகிறது என்று ஆய்வு வாதிடுகிறது. முதலில், குறைந்த அடர்த்தியில் equation ideal-gas law-க்கு சரியாக குறைய வேண்டும். இரண்டாவது, அது cubic equation ஆகத் தீர்க்கக்கூடியதாக இருக்க வேண்டும்; இதுவே அந்த model class-ஐ இவ்வளவு பயனுள்ளதாக ஆக்கிய நடைமுறை எளிமையைப் பாதுகாக்கிறது. மூன்றாவது, critical point அருகில் திரவம் மற்றும் வாயு என்ற வேறுபாடு மறைந்துவிடும் நிலையில், ஒவ்வொரு பொருளின் critical compressibility-யையும் மீளஉருவாக்கும் அளவுக்கு அது நெகிழ்வாக இருக்க வேண்டும்.

அந்த வகையில் பார்க்கும்போது, quadratic structure என்பது வரலாற்று வசதிமட்டுமல்ல. அது இயற்பியல் நம்பகத்தன்மை, கணிதத் தீர்க்கக்கூடுமான்மை, மற்றும் பொருள்-சார்ந்த நெகிழ்வுத்தன்மை ஆகியவற்றுக்கிடையிலான சுருக்கமான சமரசமாகிறது.

புதிய அளபுரு எதைப் பிடிக்கிறது போலத் தெரிகிறது

d என்ற அளபுரு, தொடர்பு வலிமையின் கண்காணிப்பாளராக அறிமுகப்படுத்தப்படுகிறது. மூலப் பொருளில், அதன் அளவுக்கேற்ப சரிசெய்யப்பட்ட பருமன் weakly interacting argon-இலிருந்து strongly hydrogen-bonded water வரை உயர்கிறது. இதனால் அந்த அளபுரு வெறும் fitting device ஆக இல்லாமல், இயற்பியல் ரீதியாக விளக்கக்கூடிய பங்கைக் கொள்கிறது. இந்த விளக்கம் விரிவான சோதனைகளில் உறுதிப்பட்டால், வெவ்வேறு பொருட்களுக்கு state equation-இல் ஏன் வேறுபட்ட நடத்தை தேவைப்படுகிறது என்பதை பொறியாளர்களும் thermodynamics ஆராய்ச்சியாளர்களும் இன்னும் உடனடியாகப் புரிந்துகொள்ள உதவும்.

அத்தகைய interpretability முக்கியமானது. பல engineering models, தரவுடன் எவ்வளவு பொருந்துகின்றன என்பதற்கே değil, அவற்றின் மாற்றக்கூடிய பகுதிகள் அடையாளம் காணக்கூடிய இயற்பியல் விளைவுகளுடன் தொடர்புடையவையா என்பதற்கும் மதிப்பிடப்படுகின்றன. தொடர்பு வலிமையுடன் இணைக்கப்பட்ட ஒரு அளபுரு, மிக வேறுபட்ட intermolecular நடத்தை கொண்ட திரவங்களை ஒப்பிடுவதற்கு மேலும் வெளிப்படையான அடித்தளத்தை வழங்குகிறது.

Benchmark முடிவுகள், இது வெறும் கோட்பாட்டல்ல, நடைமுறை நன்மையும் தருகிறது எனக் காட்டுகின்றன

புதிய பணியின் கவர்ச்சி என்னவென்றால், அது கோட்பாட்டிலேயே நின்றுவிடவில்லை. மூல உரையில் மேற்கோள் காட்டப்பட்ட benchmark-இல், model 76 திரவங்களில் fully predictive mode-இல் saturated-liquid volume-க்கான மிகக் குறைந்த mean error-ஐ வழங்கியது; விலகல் 4.0% ஆக இருந்தது. இதனால் அது எல்லா thermodynamic modeling பிரச்சினைகளையும் தீர்த்துவிட்டது என்று அர்த்தமல்ல; ஆனால் பொறியாளர்கள் மதிக்கும் compact structure-ஐ காக்கும்போதே இந்த அணுகுமுறை துல்லியத்தை மேம்படுத்தக்கூடும் என்பதை அது சுட்டிக்காட்டுகிறது.

இந்த வேறுபாடு முக்கியம், ஏனெனில் தொழில்துறை model-களின் வரலாறு, பயன்பாடுகளை இழந்து பெற்ற இயற்பியல் நேர்த்தி கொண்ட முறைகளால் நிரம்பியுள்ளது. ஒரு model cubic-ஆகவே இருந்து, பரவலான engineering பயன்பாட்டையும் தக்கவைத்துக்கொண்டு, அதே நேரத்தில் பிழையை குறைக்குமானால், அது வெறும் கருத்தியல் மறுவிளக்கம் மட்டுமல்லாது, மிகச் சுவாரசியமானதாக இருக்கும்.

இது ஒரு பரந்த முறைப்பாட்டையும் சுட்டிக்காட்டுகிறது: முதிர்ந்த தொழில்நுட்ப துறைகளில் முன்னேற்றம் என்பது முற்றிலும் புதிய கட்டமைப்பை கண்டுபிடிப்பதைவிட, பரிச்சயமான approximation ஏன் வேலை செய்கிறது என்பதை விளக்கி, பின்னர் அதை உள்ளிருந்து இறுக்கமாக்குவதிலிருந்து அதிகமாக வரலாம். அந்த அர்த்தத்தில், இந்த ஆய்வு ஒரே நேரத்தில் எச்சரிக்கையுடனும் பேராசையுடனும் உள்ளது. தொழில்துறைக்கு பயனுள்ள கட்டமைப்பை இடத்தில் வைத்துக்கொண்டே, அதன் அடித்தளங்களை மறுகட்டமைக்க முயல்கிறது.

இது பொறியியல் ஆராய்ச்சிக்கு என்ன பொருள் கொண்டிருக்கலாம்

உடனடி முக்கியத்துவம் கருத்துத் தெளிவுதான். Quadratic attraction-term structure-ஐ வரலாற்றுச் 성공த்தால் மட்டுமே அல்லாமல், இயற்பியல்-ஊக்கமுள்ள correction-இலிருந்து பெற முடிந்தால், துறைக்கு அதன் மிகவும் பொதுவான கருவிகளில் ஒன்றைப் பற்றிய தெளிவான கதை கிடைக்கும். இது கல்வி, model development, மற்றும் இந்த equations எப்போது பயன்படுத்தப்பட வேண்டும் என்பதிலான நம்பிக்கையை பாதிக்கலாம்.

நீண்டகால முக்கியத்துவம் முறையியல் சார்ந்தது. சிறப்பாக அடிப்படையாக்கப்பட்ட cubic state equation, process engineering மற்றும் energy systems உட்பட, சிறிய பிழைக் குறைப்புகளும் பெரிய அளவில் முக்கியமான துறைகளில் fluid-property prediction-ஐ மேம்படுத்த உதவும். பல நிறுவல்களில் அவை equipment sizing, energy consumption, மற்றும் operating margins-ஐ பாதிக்கும் போது, சிறிய முன்னறிவிப்பு முன்னேற்றங்கள்கூட சேர்க்கையாக பெரிதாகும்.

இந்த வேலை, புறக்கணிக்கப்பட்ட அறிவியல் எண்ணங்களுக்குத் திரும்பிச் செல்வதின் மதிப்பையும் வலியுறுத்துகிறது. இங்கு Tetrode-ன் முன்மொழிவு வெறும் வரலாற்றுக் குறிப்பு மட்டுமல்ல; அது ஒரு நவீன engineering standard-ஐ மறுவிளக்கத் தொடங்கும் புள்ளியாக மாறியது. புதுமையை நோக்கி சாய்ந்திருக்கும் ஆராய்ச்சி சூழலில், நடைமுறையாளர்கள் நீண்ட காலத்திற்கு முன் கேள்வி கேட்பதை நிறுத்திய முன்கூட்டிய கருதுகோள்களுக்குள்ளேயே சில சமயம் விடையில்லா கேள்விகள் வெளிப்படையாக மறைந்திருப்பதை இது நினைவூட்டுகிறது.

இப்போதைக்கு, தலைப்புச் சுருக்கம் கட்டுப்பட்டதும் குறிப்பிடத்தக்கதுமாக உள்ளது: இரசாயன மற்றும் பெட்ரோலியத் தொழில்கள் அரை நூற்றாண்டுக்கும் மேலாக நம்பி வந்த ஒரு கட்டமைப்புக்கு, இறுதியாகத் தெளிவான இயற்பியல் நியாயப்படுத்தல் கிடைக்கக்கூடும்; அந்த விளக்கத்துடன் இணைக்கப்பட்ட திருத்தப்பட்ட model குறைந்தபட்சம் ஒரு முக்கிய benchmark-இல் முன்னறிவிப்பு செயல்திறனை மேம்படுத்துவது போலத் தெரிகிறது. நம்பகமான approximation-களின் மீது கட்டப்பட்ட துறைக்கு, இது அர்த்தமுள்ள முன்னேற்றம்.

இந்தக் கட்டுரை Phys.org செய்தியை அடிப்படையாகக் கொண்டது. மூலக் கட்டுரையைப் படிக்கவும்.