ऊष्मप्रवैगिकी भौतिकी की एक महत्वपूर्ण शाखा है। हम सुरक्षित रूप से कह सकते हैं कि इसकी उपलब्धियों ने तकनीकी युग का उदय किया है और पिछले 300 वर्षों में मानव इतिहास के पाठ्यक्रम को काफी हद तक निर्धारित किया है। लेख थर्मोडायनामिक्स के पहले, दूसरे और तीसरे नियमों और व्यवहार में उनके आवेदन पर चर्चा करता है।
ऊष्मप्रवैगिकी क्या है?
ऊष्मप्रवैगिकी के नियम बनाने से पहले, आइए जानें कि भौतिकी का यह खंड क्या करता है।
शब्द "ऊष्मप्रवैगिकी" ग्रीक मूल का है और इसका अर्थ है "गर्मी के कारण गति"। अर्थात्, भौतिकी की यह शाखा किसी भी प्रक्रिया के अध्ययन में लगी हुई है, जिसके परिणामस्वरूप तापीय ऊर्जा यांत्रिक गति में परिवर्तित हो जाती है और इसके विपरीत।
ऊष्मप्रवैगिकी के मूल नियम 19वीं शताब्दी के मध्य में तैयार किए गए थे। "आंदोलन और गर्मी" का विज्ञान पूरे सिस्टम के व्यवहार को समग्र रूप से मानता है, इसके मैक्रोस्कोपिक मापदंडों - तापमान, दबाव और आयतन में परिवर्तन का अध्ययन करता है, और इसकी सूक्ष्म संरचना पर ध्यान नहीं देता है। इसके अलावा, उनमें से पहला कानून बनाने में एक मौलिक भूमिका निभाता हैभौतिकी में ऊष्मप्रवैगिकी। यह ध्यान देने योग्य है कि वे केवल प्रायोगिक अवलोकनों से प्राप्त हुए हैं।
ऊष्मप्रवैगिकी प्रणाली की अवधारणा
इसका अर्थ है परमाणुओं, अणुओं या अन्य तत्वों का कोई समूह जिसे समग्र माना जाता है। तथाकथित थर्मोडायनामिक प्रणाली के लिए सभी तीन कानून तैयार किए गए हैं। उदाहरण हैं: पृथ्वी का वायुमंडल, कोई भी जीवित जीव, आंतरिक दहन इंजन में गैस का मिश्रण, आदि।
ऊष्मप्रवैगिकी में सभी प्रणालियां तीन प्रकारों में से एक हैं:
- खुला। वे पर्यावरण के साथ गर्मी और पदार्थ दोनों का आदान-प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, यदि बर्तन में खुली आग पर खाना पकाया जाता है, तो यह एक खुली व्यवस्था का एक ज्वलंत उदाहरण है, क्योंकि बर्तन बाहरी वातावरण (अग्नि) से ऊर्जा प्राप्त करता है, जबकि यह स्वयं ऊर्जा को गर्मी के रूप में विकीर्ण करता है, और उसमें से पानी भी वाष्पित हो जाता है (चयापचय)।
- बंद। ऐसी प्रणालियों में पर्यावरण के साथ पदार्थ का आदान-प्रदान नहीं होता है, हालांकि ऊर्जा का आदान-प्रदान होता है। पिछले मामले पर लौटते हुए: यदि आप केतली को ढक्कन से ढकते हैं, तो आप एक बंद प्रणाली प्राप्त कर सकते हैं।
- पृथक। यह एक प्रकार का थर्मोडायनामिक सिस्टम है जो आसपास के स्थान के साथ पदार्थ या ऊर्जा का आदान-प्रदान नहीं करता है। एक उदाहरण गर्म चाय वाला थर्मस होगा।
ऊष्मप्रवैगिकी तापमान
इस अवधारणा का अर्थ है आसपास के पिंडों को बनाने वाले कणों की गतिज ऊर्जा, जो गति को दर्शाती हैकणों की यादृच्छिक गति। यह जितना बड़ा होता है, तापमान उतना ही अधिक होता है। तदनुसार, हम निकाय की गतिज ऊर्जा को कम करके इसे ठंडा करते हैं।
इस अवधारणा का अर्थ है आसपास के पिंडों को बनाने वाले कणों की गतिज ऊर्जा, जो कणों की अराजक गति की गति को दर्शाती है। यह जितना बड़ा होता है, तापमान उतना ही अधिक होता है। तदनुसार, हम निकाय की गतिज ऊर्जा को कम करके इसे ठंडा करते हैं।
थर्मोडायनामिक तापमान को केल्विन में एसआई (इकाइयों की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली) में व्यक्त किया जाता है (ब्रिटिश वैज्ञानिक विलियम केल्विन के सम्मान में, जिन्होंने पहले इस पैमाने का प्रस्ताव रखा था)। तापमान की परिभाषा के बिना ऊष्मागतिकी के पहले, दूसरे और तीसरे नियम को समझना असंभव है।
केल्विन पैमाने पर एक डिग्री का विभाजन भी एक डिग्री सेल्सियस के अनुरूप होता है। इन इकाइयों के बीच रूपांतरण सूत्र के अनुसार किया जाता है: TK =TC + 273, 15, जहां TK और TC - केल्विन में तापमान और डिग्री सेल्सियस क्रमशः।
केल्विन पैमाने की ख़ासियत यह है कि इसमें ऋणात्मक मान नहीं होते हैं। इसमें शून्य (TC=-273, 15 oC) उस स्थिति से मेल खाता है जब सिस्टम के कणों की तापीय गति पूरी तरह से अनुपस्थित होती है, वे "जमे हुए" प्रतीत होते हैं।
ऊर्जा का संरक्षण और ऊष्मागतिकी का पहला नियम
1824 में, एक फ्रांसीसी इंजीनियर और भौतिक विज्ञानी निकोलस लियोनार्ड साडी कार्नोट ने एक साहसिक सुझाव दिया जिससे न केवल भौतिकी का विकास हुआ, बल्कि प्रौद्योगिकी के सुधार में भी एक बड़ा कदम बन गया। उसकाइस प्रकार तैयार किया जा सकता है: "ऊर्जा को बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता है, इसे केवल एक राज्य से दूसरे राज्य में स्थानांतरित किया जा सकता है।"
वास्तव में, साडी कार्नोट का वाक्यांश ऊर्जा के संरक्षण के नियम को दर्शाता है, जिसने थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम का आधार बनाया: "जब भी कोई सिस्टम बाहर से ऊर्जा प्राप्त करता है, तो वह इसे अन्य रूपों में परिवर्तित करता है, जिसका मुख्य जो थर्मल और मैकेनिकल हैं।"
पहले नियम का गणितीय सूत्र इस प्रकार लिखा गया है:
क्यू=Δयू + ए, यहाँ Q पर्यावरण द्वारा प्रणाली को हस्तांतरित ऊष्मा की मात्रा है, ΔU इस प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन है, A पूर्ण यांत्रिक कार्य है।
रुद्धोष्म प्रक्रियाएं
उनका एक अच्छा उदाहरण पर्वत ढलानों के साथ वायु द्रव्यमान की गति है। इस तरह के द्रव्यमान विशाल (किलोमीटर या अधिक) होते हैं, और हवा एक उत्कृष्ट गर्मी इन्सुलेटर है। विख्यात गुण हमें वायु द्रव्यमान के साथ किसी भी प्रक्रिया पर विचार करने की अनुमति देते हैं जो थोड़े समय के भीतर एडियाबेटिक के रूप में होती है। जब वायु किसी पर्वतीय ढाल से ऊपर उठती है, तो उसका दाब कम हो जाता है, वह फैल जाती है, अर्थात् वह यांत्रिक कार्य करती है, और परिणामस्वरूप, वह ठंडी हो जाती है। इसके विपरीत, वायु द्रव्यमान के नीचे की ओर गति के साथ-साथ इसमें दबाव में वृद्धि होती है, यह संकुचित हो जाता है और इसके कारण बहुत गर्म हो जाता है।
ऊष्मप्रवैगिकी के नियम का अनुप्रयोग, जिस पर पिछले उपशीर्षक में चर्चा की गई थी, एक रुद्धोष्म प्रक्रिया के उदाहरण का उपयोग करके सबसे आसानी से प्रदर्शित किया जाता है।
परिभाषा के अनुसार, इसके परिणामस्वरूप ऊर्जा का आदान-प्रदान नहीं होता हैपर्यावरण, अर्थात्, उपरोक्त समीकरण में, Q=0। यह निम्नलिखित अभिव्यक्ति की ओर जाता है: ΔU=-A। यहां माइनस साइन का मतलब है कि सिस्टम अपनी आंतरिक ऊर्जा को कम करके यांत्रिक कार्य करता है। यह याद रखना चाहिए कि आंतरिक ऊर्जा सीधे सिस्टम के तापमान पर निर्भर है।
ऊष्मीय प्रक्रियाओं की दिशा
यह मुद्दा उष्मागतिकी के दूसरे नियम से संबंधित है। निश्चित रूप से सभी ने देखा कि यदि आप दो वस्तुओं को अलग-अलग तापमान के साथ संपर्क में लाते हैं, तो ठंडा हमेशा गर्म रहेगा, और गर्म ठंडा हो जाएगा। ध्यान दें कि ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के ढांचे के भीतर रिवर्स प्रक्रिया हो सकती है, लेकिन इसे व्यवहार में कभी भी लागू नहीं किया जाता है।
इस प्रक्रिया (और ब्रह्मांड में सभी ज्ञात प्रक्रियाओं) की अपरिवर्तनीयता का कारण सिस्टम का अधिक संभावित स्थिति में संक्रमण है। अलग-अलग तापमान के दो निकायों के संपर्क के साथ माना उदाहरण में, सबसे संभावित राज्य वह होगा जिसमें सिस्टम के सभी कणों की गतिज ऊर्जा समान होगी।
ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम निम्नानुसार तैयार किया जा सकता है: "गर्मी को कभी भी ठंडे शरीर से गर्म शरीर में स्वचालित रूप से स्थानांतरित नहीं किया जा सकता है।" यदि हम विकार के माप के रूप में एन्ट्रापी की अवधारणा का परिचय देते हैं, तो इसे इस प्रकार दर्शाया जा सकता है: "कोई भी थर्मोडायनामिक प्रक्रिया एन्ट्रापी में वृद्धि के साथ आगे बढ़ती है"।
हीट इंजन
इस शब्द को एक प्रणाली के रूप में समझा जाता है, जो इसे बाहरी ऊर्जा की आपूर्ति के कारण यांत्रिक कार्य कर सकती है। प्रथमऊष्मा इंजन भाप के इंजन थे और 17वीं शताब्दी के अंत में इनका आविष्कार किया गया था।
ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम उनकी प्रभावशीलता को निर्धारित करने में निर्णायक भूमिका निभाता है। साडी कार्नोट ने यह भी स्थापित किया कि इस उपकरण की अधिकतम दक्षता है: क्षमता=(T2 - T1)/T2, यहाँ T2 और T1 हीटर और रेफ्रिजरेटर के तापमान हैं। यांत्रिक कार्य केवल तभी किया जा सकता है जब गर्म शरीर से ठंडे शरीर में गर्मी का प्रवाह होता है, और इस प्रवाह को 100% उपयोगी ऊर्जा में परिवर्तित नहीं किया जा सकता है।
नीचे दिया गया आंकड़ा एक ऊष्मा इंजन के संचालन के सिद्धांत को दर्शाता है (Qabs - मशीन को गर्मी हस्तांतरित, Qced - गर्मी की कमी, डब्ल्यू - उपयोगी कार्य, पी और वी - पिस्टन में गैस का दबाव और मात्रा)।
निरपेक्ष शून्य और नर्नस्ट की अभिधारणा
आखिरकार, आइए ऊष्मागतिकी के तीसरे नियम पर विचार करें। इसे नर्नस्ट अभिधारणा भी कहा जाता है (जर्मन भौतिक विज्ञानी का नाम जिसने इसे पहली बार 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में तैयार किया था)। कानून कहता है: "पूर्ण शून्य तक सीमित प्रक्रियाओं के साथ नहीं पहुंचा जा सकता है।" यही है, किसी भी तरह से किसी पदार्थ के अणुओं और परमाणुओं को पूरी तरह से "फ्रीज" करना असंभव है। इसका कारण पर्यावरण के साथ लगातार विद्यमान ताप विनिमय है।
ऊष्मप्रवैगिकी के तीसरे नियम से निकाला गया एक उपयोगी निष्कर्ष यह है कि जैसे-जैसे निरपेक्ष शून्य की ओर बढ़ता है, एन्ट्रापी घटती जाती है। इसका मतलब है कि सिस्टम खुद को व्यवस्थित करने के लिए जाता है। यह तथ्य कर सकते हैंउदाहरण के लिए, ठंडा होने पर पैरामैग्नेट को फेरोमैग्नेटिक अवस्था में स्थानांतरित करने के लिए उपयोग करें।
यह ध्यान रखना दिलचस्प है कि अब तक का सबसे कम तापमान 5·10−10 K (2003, MIT प्रयोगशाला, यूएसए) तक पहुंच गया है।
