Sunday, June 26, 2016

නව උර්දවපාතන තාප එන්ජිමක් A sublimation heat engine

යම් ශක්තියක් යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට හරවන විවිධ විවිධ එන්ජින් ගැන දැනුම නවතාක්ෂනය ඇසුරු කරන බොහෝ දෙනාට තිබේ යයි මම සිතමි. ඝණයක් වාෂ්ප කිරීමේදී සිදුවන උර්දවපාතන කියාවලිය මගින් තාප එන්ජිමක් ක්‍රියාත්මක කිරීම පිළිබඳව සංකල්පයක් ආදර්ශනය කිරීම නේචර් කොමියුනිකෂන් සඟරාවේ (Open access)  ලිපියක (G. G. Wells et al., A sublimation heat engine, Nat. Commun. 2015, 6390.) වාර්තා කර තිබුණි. ඇත්තෙන්ම එම එන්ජින් සංකල්පය නවතම එකක් ඊට වුවද ඔවුන් යොදාගෙන තිබුනේ ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය (leidenfrost effect) යන 1756 දී  J. G. Leidenfrost විසින් වාර්තා කල පැරණි සොයාගැනීමකි. ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණයට වසර 240 කට ආසන්න කාලපරාසයක් තුල එතරම් සැලකිල්ලක් ලැබී නොතිබුන අතර 2007 දී පමණ ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය මගින් ජනන කරන ලද ප්‍රති-නෙළුම් ආචරණයක් (anti-lotus effect) මගින් නැනෝව්‍යුහ සංස්ලේෂණය ආදර්ශනය කර පේනවන ලදී. ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය වෙත ජ්‍යාත්‍යන්තර පර්යේෂණ ප්‍රජාවේ අවධානය යොමුවීමට ඇරඹුණේ මේ කාලයේ යයි මම සිතමි. මෙම ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය යොදාගෙන වායු ගෝලීය පීඩන තත්වයන් යටතේදී තුනී-නැනෝ-පටල තැන්පත් කිරීම ඇරඹු කියෝතෝ විශ්වවිද්‍යාලයේ පර්යේෂක උප කණ්ඩායම් සමග මම අතීතයේදී වැඩ කලෙමි. ඉහත කී ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය වෙත මගේ අවදානය යොමුවීමට ආසන්නතම හේතුව එයයි. අප මුලින්ම මෙම ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය ගැන වීඩියෝවක් නරඹමු.


1.  වීඩියෝව ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය ජලය යොදාගෙන ආදර්ශනය කිරීම.


1.  රූපය ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය ඇතිවන අකාරය විස්තර කෙරෙන රූපමය නිරූපණයක්.

වීඩියෝවේ දැක්වෙන ආකාරයට අඩු උෂ්ණත්වයක පවතින රත්වූ පෘෂ්ඨයකට සිසිල් ජලය වැක්කිරීමෙදී වන්නේ ජලය රත්වී වාෂ්ප වී සිදී යාමයි. නමුත් (ජලයේ තාපාංකයට  සාපේක්ෂව) අධික උෂ්ණත්වයකට රත් වූ පෘෂ්ඨයකට සිසිල් ජලය වක්කරන විට සිදුවන්නේ නෙළුම් කොලයක් මත සිදුවන ආකාරයට ජලය ගෝලීය හැඩති බින්දු වශයෙන් පැවතීමයි. ඊට හේතුව වන්නේ 1 රූපයේ දැක්වෙන ආකාරයට රත් වූ පෘෂ්ඨය සහ ජල බින්දුව අතර ඇතිවන වාෂ්ප ස්ථරය මත ජල බින්දුව රැදී සිටීමයි. මෙම වාෂ්ප ස්ථරය  මගින් ජල බින්දුව සහ රත්වූ පෘෂ්ඨය ස්පර්ශ වීම වලක්වන අතර එමගින් තාප සන්නයනය හීන වී ජල බින්දුව සිදී යාමද ප්‍රමාද කරයි. එමෙන්ම එකී අවස්ථාවේදී ඉහත කී ජල බින්දුව සුපිරි ජලභීතික පෘෂ්ඨයක් මත දී හැසිරෙන ආකාරයට හැසිරෙන අතර සම්පූර්ණයෙන්ම පාහේ ඝර්ශනයකින් තොරව රත්වූ  පෘෂ්ඨය මත ගමන් කරයි. උදුන මත තරමක් රත්කරන ලද ලෝහ බඳුනකට ජලය ස්වල්පයක් ඉසීමෙන් ඔබට නිවසේදී ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් බින්දු අත් හදා බැලීම කල හැකිය. ජලයට පමණක් නොව නයිට්‍රජන්, ඇමෝනියා වැනි ද්‍රව වලටද මෙම සංසිද්ධිය වලංගු වේ. කෙසේ වෙතත් පහසුවෙන් ගිනිගන්නා සුළු (ඔක්සිහාරක) ද්‍රවයන් මෙසේ යොදා ගැනීමට උත්සහ කිරීම අනතුරු දායක වේ.

1. රූපයේ දැක්වෙන ආකාරයට රත්වූ සුමට ලෝහ පෘෂ්ඨයකට ජලය වැටුන විට ජල බින්දුවට යටින් සෑදෙන ජලවාෂ්ප ස්ථරයේ අඩංගු වාෂ්ප සෑම දිශාවකින්ම පිටවී යන බැවින් ජල බින්දුව අහඹු ලෙස ගමන් කරයි. මෙම ජල වාෂ්ප එකම දිශාවකින් පිට වීමට සැලසීම උර්දවපාතන තාප එන්ජිමේ මුලධර්මයයි. මෙහිදී වාෂ්ප පිටවීම එක් දිශාවකට යොමු කිරීම සදහා දැති සහිත රැචට්ටු සහිත පෘෂ්ඨයක් භාවිත කෙරේ (2 රූපය). මෙහිදී වාෂ්ප ස්තරය මත පිහිටි ජල බින්දුවද වාෂ්ප ගමන් කරන දිශාවට ඇදී යාම සිදුවී. එය ඇත්තෙන්ම ගලායන දිය පහරක් මත පාවෙන රබර් බෝලයක් ජලය සමගම පහලට ඇදීයාම වැනි ක්‍රියාවකි.


2.  වීඩියෝව ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් උෂ්ණත්ව පාලකය ජලය යොදාගෙන ආදර්ශනය කිරීම.


2.  රූපය ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය මගින් ජල බින්දු එක දිශාවකට ගමන් කරවීම විස්තර කෙරෙන රූපමය නිරූපනයක්

මෙසේ, ජල බින්දු ගලා යාම මගින් ක්‍රියාත්මක වන උෂ්ණත්ව පාලකයක් (2. වීඩියෝව) බාත් විශ්විද්‍යාලයේ පර්යේෂක ආචාර්ය තකශිමා විසින් ඉදිරිපත් කරන ලදී. එම උෂ්ණත්ව පාලකය ක්‍රියාත්මක වීමට විදුලිය අවශ්‍ය නොවෙන අතර ජලය ගලායාම පාලනය මගින් ඇතිකරන ඍණ ප්‍රතිපෝෂණය මගින් උෂ්ණත්ව පාලකය ක්‍රියාත්මක වේ. ආචාර්ය තකශිමා වරක් මේ ගැන අදහස් දක්වමින් මෙවැනි උෂ්ණත්ව පාලකයකින් න්‍යෂ්ඨික බලාගාරයක උෂ්ණත්වය පාලනය කල හැකි නම් විදුලි බලය නොමැති වීමෙන් වියහැකි ෆුකුෂිමා බලාගාර අනතුර වැනි බරපතල අනතුරු වලක්වා ගත හැකි බවයි.


3.  වීඩියෝව උර්දවපාතන තාප එන්ජිම මගින් විදුලිය නිපදවීම වියලි අයිස් යොදාගෙන ආදර්ශනය කිරීම.

උර්දවපාතන තාප එන්ජිම සදහා වෘත්තාකාරව නිර්මාණය කරන ලද රැචට්ටු සහිත පෘෂ්ඨයක් යොදාගැනේ. එම පෘෂ්ඨය මගින් වාෂ්ප පිටවීම කෙන්ද්රාපසාරීව සිදු වන ලෙස යොමු කිරීම මගින් භ්රමණය වීමක් ඇති කිරීමෙන් ඉහත කි වාෂ්ප එන්ජිම ක්‍රියාත්මක වේ. කෙසේ වෙතත්, ජල බින්දු වල එම චලනය ප්‍රයෝජනවත් යාන්ත්‍රික ශක්තියක් ලෙස යොදාගැනීමට අපහසුය. එසේ ප්‍රයෝජනවත් යාන්ත්‍රික ශක්තියක් ඇති කරගැනීමට නම් කරකැවෙන කොටස් ඝන ද්‍රව්‍ය විය යුතුය. උර්දවපාතනය ලෙස හදුන්වන, ඝනයක් කෙලින්ම වායුවක් බවට පත්වීමේ ක්‍රියාවලිය මෙම එන්ජිමේ නිර්මාණයට වැදගත් වෙන්නේ මේ හේතුවෙනි. සුපිරිඅවධි තරල ගැන මීට පෙර ලිපියක දී සඳ වියමන් බ්ලොග් පිටුව ලියන්නිය මතු කල වියලි අයිස් (dry ice) හෙවත් මිදුන කාබන් ඩයොක්සයිඩ් මෙකී කාරණයට ඉතාම ගැලපෙන ද්‍රව්‍යයකි. වෘත්තාකාරව නිර්මාණය කරන ලද රැචට්ටු සහිත පෘෂ්ඨයක් මත වෘත්තාකාර වියලි අයිස් තැටියක් තැබීම මගින් උර්දවපාතන තා එන්ජිම ආදර්ශනය කරපෙන්වන අවස්ථාවක් 3 වීඩියෝවේ දැක්වේ.

(මගේ) නිගමනය
නේචර් කොමියුනිකේෂන් සඟරාවේ පළවූ මෙම පර්යේෂණය අපට නිවසේදී වුවද අත්හදා බැලිය හැකි තරමේ සරල එකකි. නව සොයාගැනීම් සහ නිර්මාණ වලට තාක්ෂණික බාධාවන් සෑම විටම එරෙහි නොවේ. උත්සාහය සහ නිර්මාණශීලිත්වය ඇතිනම් අපට තිබෙන පහසුකම් වලින් ලොවට වැඩදායක ඉහල පෙලේ නව නිර්මාණ සිදු කල හැකිය. මේ ඊට හොඳම උදාහරණයකි.