ऊर्जा और एन्ट्रापी के बीच संबंधों का अध्ययन तकनीकी थर्मोडायनामिक्स का अध्ययन है। इसमें सिद्धांतों का एक पूरा सेट शामिल है जो मापने योग्य मैक्रोस्कोपिक गुणों (तापमान, दबाव और आयतन) को ऊर्जा और कार्य करने की क्षमता से संबंधित करता है।
परिचय
ऊष्मा और तापमान की अवधारणा तकनीकी थर्मोडायनामिक्स के लिए सबसे मौलिक हैं। इसे तापमान और उसके परिवर्तनों पर निर्भर सभी परिघटनाओं का विज्ञान कहा जा सकता है। सांख्यिकीय भौतिकी में, जिसका अब यह एक हिस्सा है, यह उन महान सिद्धांतों में से एक है जिस पर पदार्थ की वर्तमान समझ आधारित है। एक थर्मोडायनामिक प्रणाली को एक निश्चित द्रव्यमान और पहचान के पदार्थ की मात्रा के रूप में परिभाषित किया जाता है। इसके बाहर की हर चीज वह वातावरण है जिससे वह सीमाओं से अलग होता है। तकनीकी ऊष्मप्रवैगिकी के अनुप्रयोगों में निर्माण शामिल हैं जैसे:
- एयर कंडीशनर और रेफ्रिजरेटर;
- ऑटोमोटिव इंजन में टर्बोचार्जर और सुपरचार्जर;
- बिजली संयंत्रों में भाप टरबाइन;
- प्रतिक्रियाशीलविमान के इंजन।
गर्मी और तापमान
प्रत्येक व्यक्ति को तापमान की अवधारणा का सहज ज्ञान होता है। शरीर गर्म है या ठंडा, यह इस बात पर निर्भर करता है कि उसका तापमान अधिक है या कम। लेकिन सटीक परिभाषा अधिक कठिन है। शास्त्रीय तकनीकी ऊष्मप्रवैगिकी में, शरीर के पूर्ण तापमान को परिभाषित किया गया था। इससे केल्विन पैमाने का निर्माण हुआ। सभी निकायों के लिए न्यूनतम तापमान शून्य केल्विन (-273, 15 डिग्री सेल्सियस) है। यह निरपेक्ष शून्य है, जिसकी अवधारणा पहली बार 1702 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी गिलाउम अमोन्टन के कारण सामने आई थी।
गर्मी को परिभाषित करना कठिन है। तकनीकी थर्मोडायनामिक्स इसे सिस्टम से बाहरी वातावरण में ऊर्जा के यादृच्छिक हस्तांतरण के रूप में व्याख्या करता है। यह गतिमान अणुओं की गतिज ऊर्जा से मेल खाती है और यादृच्छिक प्रभावों (ब्राउनियन गति) के अधीन होती है। संचरित ऊर्जा को सूक्ष्म स्तर पर अव्यवस्थित कहा जाता है, व्यवस्थित के विपरीत, स्थूल स्तर पर कार्य के माध्यम से किया जाता है।
पदार्थ की स्थिति
पदार्थ की अवस्था उस प्रकार की भौतिक संरचना का वर्णन है जो कोई पदार्थ प्रदर्शित करता है। इसमें ऐसे गुण होते हैं जो वर्णन करते हैं कि कोई सामग्री अपनी संरचना को कैसे बनाए रखती है। पदार्थ की पाँच अवस्थाएँ होती हैं:
- गैस;
- तरल;
- ठोस शरीर;
- प्लाज्मा;
- सुपरफ्लुइड (सबसे दुर्लभ)।
कई पदार्थ गैस, द्रव और ठोस अवस्थाओं के बीच गति कर सकते हैं। प्लाज्मा पदार्थ की एक विशेष अवस्था हैबिजली की तरह।
ताप क्षमता
हीट क्षमता (सी) गर्मी में परिवर्तन का अनुपात है (ΔQ, जहां ग्रीक वर्ण डेल्टा मात्रा के लिए खड़ा है) तापमान में परिवर्तन (ΔT):
सी=Δ क्यू / Δ टी.
वह आसानी से दिखाती है कि पदार्थ को कितनी आसानी से गर्म किया जाता है। एक अच्छे थर्मल कंडक्टर की कैपेसिटेंस रेटिंग कम होती है। उच्च ताप क्षमता के साथ मजबूत गर्मी इन्सुलेटर।
शब्दावली
हर विज्ञान की अपनी अनूठी शब्दावली होती है। तकनीकी ऊष्मप्रवैगिकी की बुनियादी अवधारणाओं में शामिल हैं:
- हीट ट्रांसफर दो पदार्थों के बीच तापमान का पारस्परिक आदान-प्रदान है।
- सूक्ष्म दृष्टिकोण - प्रत्येक परमाणु और अणु (क्वांटम यांत्रिकी) के व्यवहार का अध्ययन।
- मैक्रोस्कोपिक दृष्टिकोण - कई कणों के सामान्य व्यवहार का अवलोकन।
- ऊष्मप्रवैगिकी प्रणाली अनुसंधान के लिए चुने गए अंतरिक्ष में पदार्थ या क्षेत्र की मात्रा है।
- पर्यावरण - सभी बाहरी सिस्टम।
- चालन - एक गर्म ठोस पिंड के माध्यम से गर्मी स्थानांतरित की जाती है।
- संवहन - गर्म कण दूसरे पदार्थ में गर्मी लौटाते हैं।
- विकिरण - गर्मी विद्युत चुम्बकीय तरंगों के माध्यम से प्रेषित होती है, जैसे सूर्य से।
- एंट्रॉपी - थर्मोडायनामिक्स में एक भौतिक मात्रा है जिसका उपयोग एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया को चिह्नित करने के लिए किया जाता है।
विज्ञान के बारे में अधिक जानकारी
भौतिकी के एक अलग अनुशासन के रूप में थर्मोडायनामिक्स की व्याख्या पूरी तरह से सही नहीं है। यह लगभग हर चीज को प्रभावित करता हैक्षेत्र। काम करने के लिए आंतरिक ऊर्जा का उपयोग करने की प्रणाली की क्षमता के बिना, भौतिकविदों के पास अध्ययन करने के लिए कुछ भी नहीं होगा। ऊष्मप्रवैगिकी के कुछ बहुत उपयोगी क्षेत्र भी हैं:
- हीट इंजीनियरिंग। यह ऊर्जा हस्तांतरण की दो संभावनाओं का अध्ययन करता है: काम और गर्मी। मशीन के काम कर रहे पदार्थ में ऊर्जा हस्तांतरण के आकलन के साथ संबद्ध।
- क्रायोफिजिक्स (क्रायोजेनिक्स) - कम तापमान का विज्ञान। पृथ्वी के सबसे ठंडे क्षेत्र में भी अनुभव की गई परिस्थितियों में पदार्थों के भौतिक गुणों की पड़ताल करता है। इसका एक उदाहरण सुपरफ्लुइड्स का अध्ययन है।
- हाइड्रोडायनामिक्स तरल पदार्थों के भौतिक गुणों का अध्ययन है।
- उच्च दबाव के भौतिकी। द्रव गतिकी से संबंधित अत्यंत उच्च दाब प्रणालियों में पदार्थों के भौतिक गुणों की पड़ताल करता है।
- मौसम विज्ञान वातावरण का वैज्ञानिक अध्ययन है जो मौसम प्रक्रियाओं और पूर्वानुमान पर केंद्रित है।
- प्लाज्मा भौतिकी - प्लाज्मा अवस्था में पदार्थ का अध्ययन।
शून्य कानून
तकनीकी थर्मोडायनामिक्स का विषय और विधि कानूनों के रूप में लिखित प्रयोगात्मक अवलोकन हैं। ऊष्मप्रवैगिकी के शून्य नियम में कहा गया है कि जब दो निकायों का तापमान एक तिहाई के साथ समान होता है, तो वे बदले में एक दूसरे के साथ समान तापमान रखते हैं। उदाहरण के लिए: तांबे के एक ब्लॉक को थर्मामीटर के संपर्क में तब तक लाया जाता है जब तक कि तापमान बराबर न हो जाए। फिर इसे हटा दिया जाता है। तांबे के दूसरे ब्लॉक को उसी थर्मामीटर के संपर्क में लाया जाता है। यदि पारे के स्तर में कोई परिवर्तन नहीं होता है, तो हम कह सकते हैं कि दोनों ब्लॉक में हैंथर्मामीटर के साथ तापीय संतुलन।
पहला कानून
यह कानून कहता है कि जैसे-जैसे सिस्टम में राज्य परिवर्तन होता है, ऊर्जा या तो गर्मी या काम के रूप में सीमा पार कर सकती है। उनमें से प्रत्येक सकारात्मक या नकारात्मक हो सकता है। एक प्रणाली का शुद्ध ऊर्जा परिवर्तन हमेशा उस शुद्ध ऊर्जा के बराबर होता है जो प्रणाली की सीमा को पार करती है। उत्तरार्द्ध आंतरिक, गतिज या संभावित हो सकता है।
दूसरा कानून
इसका उपयोग उस दिशा को निर्धारित करने के लिए किया जाता है जिसमें एक विशेष थर्मल प्रक्रिया हो सकती है। ऊष्मप्रवैगिकी के इस नियम में कहा गया है कि एक ऐसा उपकरण बनाना असंभव है जो एक चक्र में काम करता हो और कम तापमान वाले शरीर से गर्मी को गर्म शरीर में स्थानांतरित करने के अलावा कोई प्रभाव पैदा नहीं करता हो। इसे कभी-कभी एन्ट्रापी का नियम कहा जाता है क्योंकि यह इस महत्वपूर्ण संपत्ति का परिचय देता है। एंट्रॉपी को एक माप के रूप में माना जा सकता है कि एक प्रणाली संतुलन या विकार के कितने करीब है।
थर्मल प्रक्रिया
सिस्टम एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया से गुजरता है जब इसमें किसी प्रकार का ऊर्जा परिवर्तन होता है, जो आमतौर पर दबाव, आयतन, तापमान के परिवर्तन से जुड़ा होता है। विशेष गुणों के साथ कई विशिष्ट प्रकार हैं:
- एडियाबेटिक - सिस्टम में कोई हीट एक्सचेंज नहीं;
- आइसोकोरिक - आयतन में कोई परिवर्तन नहीं;
- आइसोबैरिक - दबाव में कोई बदलाव नहीं;
- समतापीय - तापमान में कोई परिवर्तन नहीं।
प्रतिवर्तीता
एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया वह होती है, जो होने के बाद हो सकती हैरद्द। यह न तो सिस्टम में और न ही पर्यावरण में कोई बदलाव छोड़ता है। प्रतिवर्ती होने के लिए, सिस्टम संतुलन में होना चाहिए। ऐसे कारक हैं जो प्रक्रिया को अपरिवर्तनीय बनाते हैं। उदाहरण के लिए, घर्षण और भगोड़ा विस्तार।
आवेदन
आधुनिक मानव जाति के जीवन के कई पहलू हीट इंजीनियरिंग की नींव पर बने हैं। इनमें शामिल हैं:
- सभी वाहन (कार, मोटरसाइकिल, गाड़ियां, जहाज, विमान, आदि) थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम और कार्नोट चक्र के आधार पर काम करते हैं। वे गैसोलीन या डीजल इंजन का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन कानून वही रहता है।
- हवा और गैस कम्प्रेसर, ब्लोअर, पंखे विभिन्न थर्मोडायनामिक चक्रों पर काम करते हैं।
- वाष्पीकरण, कंडेनसर, रेडिएटर, कूलर, हीटर में हीट एक्सचेंज का उपयोग किया जाता है।
- रेफ्रिजरेटर, फ्रीजर, औद्योगिक रेफ्रिजरेशन सिस्टम, सभी प्रकार के एयर कंडीशनिंग सिस्टम और हीट पंप दूसरे नियम के अनुसार काम करते हैं।
तकनीकी थर्मोडायनामिक्स में विभिन्न प्रकार के बिजली संयंत्रों का अध्ययन भी शामिल है: थर्मल, परमाणु, जलविद्युत, अक्षय ऊर्जा स्रोतों (जैसे सौर, पवन, भूतापीय), ज्वार, लहरें और अन्य पर आधारित।
