ऊष्मप्रवैगिकी भौतिक विज्ञान की एक स्वतंत्र शाखा के रूप में 19वीं शताब्दी के पूर्वार्द्ध में उत्पन्न हुई। मशीनों का युग आ गया है। औद्योगिक क्रांति के लिए ऊष्मा इंजनों के संचालन से जुड़ी प्रक्रियाओं के अध्ययन और समझ की आवश्यकता थी। मशीन युग की शुरुआत में, अकेले आविष्कारक केवल अंतर्ज्ञान और "प्रहार विधि" का उपयोग कर सकते थे। खोजों और आविष्कारों के लिए कोई सार्वजनिक व्यवस्था नहीं थी, यह किसी को भी नहीं हो सकता था कि वे उपयोगी हो सकें। लेकिन जब थर्मल (और थोड़ी देर बाद, इलेक्ट्रिक) मशीनें उत्पादन का आधार बन गईं, तो स्थिति बदल गई। वैज्ञानिकों ने अंततः 19वीं शताब्दी के मध्य तक प्रचलित शब्दावली संबंधी भ्रम को धीरे-धीरे सुलझा लिया, यह तय करते हुए कि ऊर्जा को क्या कहा जाए, क्या बल, क्या आवेग।
ऊष्मप्रवैगिकी क्या अभिधारणा करती है
आइए सामान्य ज्ञान से शुरू करते हैं। शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी कई अभिधारणाओं (सिद्धांतों) पर आधारित है जिन्हें क्रमिक रूप से पूरे 19वीं शताब्दी में पेश किया गया था। यानी ये प्रावधान नहीं हैंउसके भीतर सिद्ध होता है। वे अनुभवजन्य डेटा के सामान्यीकरण के परिणामस्वरूप तैयार किए गए थे।
पहला कानून मैक्रोस्कोपिक सिस्टम (बड़ी संख्या में कणों से मिलकर) के व्यवहार के वर्णन के लिए ऊर्जा के संरक्षण के कानून का अनुप्रयोग है। संक्षेप में, इसे निम्नानुसार तैयार किया जा सकता है: एक पृथक थर्मोडायनामिक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा का भंडार हमेशा स्थिर रहता है।
ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का अर्थ यह निर्धारित करना है कि ऐसी प्रणालियों में प्रक्रियाएं किस दिशा में आगे बढ़ती हैं।
तीसरा नियम आपको एंट्रोपी जैसी मात्रा को सटीक रूप से निर्धारित करने की अनुमति देता है। इस पर अधिक विस्तार से विचार करें।
एन्ट्रॉपी की अवधारणा
थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम का सूत्रीकरण रुडोल्फ क्लॉसियस द्वारा 1850 में प्रस्तावित किया गया था: "कम गर्म शरीर से गर्मी को सहज रूप से गर्म शरीर में स्थानांतरित करना असंभव है।" उसी समय, क्लॉसियस ने साडी कार्नोट की योग्यता पर जोर दिया, जिन्होंने 1824 की शुरुआत में यह स्थापित किया कि ऊर्जा का अनुपात जिसे ताप इंजन के काम में परिवर्तित किया जा सकता है, केवल हीटर और रेफ्रिजरेटर के बीच तापमान अंतर पर निर्भर करता है।
ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के और विकास में, क्लॉसियस ने एन्ट्रापी की अवधारणा का परिचय दिया - ऊर्जा की मात्रा का एक उपाय जो अपरिवर्तनीय रूप से काम में रूपांतरण के लिए अनुपयुक्त रूप में बदल जाता है। क्लॉसियस ने इस मान को सूत्र dS=dQ/T द्वारा व्यक्त किया, जहाँ dS एन्ट्रापी में परिवर्तन को निर्धारित करता है। यहां:
dQ - हीट चेंज;
T - पूर्ण तापमान (केल्विन में मापा गया)।
एक सरल उदाहरण: इंजन के चलने के साथ अपनी कार के हुड को स्पर्श करें। वह स्पष्ट रूप से हैपर्यावरण की तुलना में गर्म। लेकिन कार के इंजन को रेडिएटर में हुड या पानी को गर्म करने के लिए नहीं बनाया गया है। गैसोलीन की रासायनिक ऊर्जा को तापीय ऊर्जा में और फिर यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करके, यह उपयोगी कार्य करता है - यह शाफ्ट को घुमाता है। लेकिन उत्पादित अधिकांश गर्मी बर्बाद हो जाती है, क्योंकि इससे कोई उपयोगी काम नहीं निकाला जा सकता है, और निकास पाइप से जो उड़ता है वह किसी भी तरह से गैसोलीन नहीं है। इस मामले में, थर्मल ऊर्जा खो जाती है, लेकिन गायब नहीं होती है, लेकिन विलुप्त हो जाती है (विलुप्त हो जाती है)। एक गर्म हुड, निश्चित रूप से ठंडा हो जाता है, और इंजन में सिलेंडर का प्रत्येक चक्र फिर से इसमें गर्मी जोड़ता है। इस प्रकार, सिस्टम थर्मोडायनामिक संतुलन तक पहुंच जाता है।
एंट्रॉपी की विशेषताएं
क्लॉसियस ने सूत्र डीएस 0 में थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के लिए सामान्य सिद्धांत प्राप्त किया। इसका भौतिक अर्थ एन्ट्रापी के "गैर-घटते" के रूप में परिभाषित किया जा सकता है: प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं में यह अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं में नहीं बदलता है यह बढ़ता है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि सभी वास्तविक प्रक्रियाएं अपरिवर्तनीय हैं। शब्द "गैर-घटता" केवल इस तथ्य को दर्शाता है कि घटना के विचार में सैद्धांतिक रूप से संभव आदर्श संस्करण भी शामिल है। यानी किसी भी स्वतःस्फूर्त प्रक्रिया में अनुपलब्ध ऊर्जा की मात्रा बढ़ जाती है।
पूर्ण शून्य तक पहुंचने की संभावना
मैक्स प्लैंक ने ऊष्मप्रवैगिकी के विकास में एक गंभीर योगदान दिया। दूसरे नियम की सांख्यिकीय व्याख्या पर काम करने के अलावा, उन्होंने ऊष्मप्रवैगिकी के तीसरे नियम को लागू करने में सक्रिय भाग लिया। पहला सूत्रीकरण वाल्टर नर्नस्ट का है और 1906 को संदर्भित करता है। नर्नस्ट का प्रमेय मानता हैनिरपेक्ष शून्य की ओर प्रवृत्त तापमान पर संतुलन प्रणाली का व्यवहार। थर्मोडायनामिक्स के पहले और दूसरे नियम यह पता लगाना असंभव बनाते हैं कि दी गई परिस्थितियों में एन्ट्रापी क्या होगी।
जब टी=0 के, ऊर्जा शून्य है, सिस्टम के कण अराजक थर्मल गति को रोकते हैं और एक आदेशित संरचना बनाते हैं, एक क्रिस्टल जिसमें थर्मोडायनामिक संभावना एक के बराबर होती है। इसका मतलब है कि एन्ट्रापी भी गायब हो जाती है (नीचे हम जानेंगे कि ऐसा क्यों होता है)। वास्तव में, यह कुछ समय पहले भी करता है, जिसका अर्थ है कि किसी भी थर्मोडायनामिक प्रणाली, किसी भी शरीर को पूर्ण शून्य तक ठंडा करना असंभव है। तापमान मनमाने ढंग से इस बिंदु पर पहुंच जाएगा, लेकिन उस तक नहीं पहुंच पाएगा।
Perpetuum मोबाइल: नहीं, भले ही आप वास्तव में करना चाहते हों
क्लॉसियस ने ऊष्मप्रवैगिकी के पहले और दूसरे नियमों को इस तरह से सामान्यीकृत और तैयार किया: किसी भी बंद प्रणाली की कुल ऊर्जा हमेशा स्थिर रहती है, और समय के साथ कुल एन्ट्रापी बढ़ जाती है।
इस कथन का पहला भाग पहली तरह की परपेचुअल मोशन मशीन पर प्रतिबंध लगाता है - एक ऐसा उपकरण जो बाहरी स्रोत से ऊर्जा के प्रवाह के बिना काम करता है। दूसरा भाग दूसरी तरह की सतत गति मशीन को भी मना करता है। ऐसी मशीन संरक्षण कानून का उल्लंघन किए बिना, एन्ट्रापी मुआवजे के बिना सिस्टम की ऊर्जा को काम में स्थानांतरित कर देगी। एक संतुलन प्रणाली से गर्मी को पंप करना संभव होगा, उदाहरण के लिए, तले हुए अंडे भूनना या पानी के अणुओं की तापीय गति की ऊर्जा के कारण स्टील डालना, इस प्रकार इसे ठंडा करना।
ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे और तीसरे नियम दूसरी तरह की एक सतत गति मशीन को मना करते हैं।
काश, कुदरत से कुछ नहीं मिलता, फ्री में ही नहीं, कमीशन भी देना पड़ता है।
गर्मी से मौत
विज्ञान में कुछ ऐसी अवधारणाएँ हैं जो न केवल आम जनता के बीच, बल्कि स्वयं वैज्ञानिकों के बीच भी इतनी अस्पष्ट भावनाएँ पैदा करती हैं, जितना कि एन्ट्रापी। भौतिकविदों, और सबसे पहले क्लॉसियस ने, लगभग तुरंत गैर-घटने के कानून को पहले पृथ्वी पर, और फिर पूरे ब्रह्मांड में (क्यों नहीं, क्योंकि इसे थर्मोडायनामिक प्रणाली भी माना जा सकता है)। नतीजतन, एक भौतिक मात्रा, कई तकनीकी अनुप्रयोगों में गणना का एक महत्वपूर्ण तत्व, किसी प्रकार की सार्वभौमिक बुराई के अवतार के रूप में माना जाने लगा जो एक उज्ज्वल और दयालु दुनिया को नष्ट कर देता है।
वैज्ञानिकों के बीच भी ऐसी राय है: चूंकि, थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के अनुसार, एन्ट्रापी अपरिवर्तनीय रूप से बढ़ती है, जल्दी या बाद में ब्रह्मांड की सारी ऊर्जा एक विसरित रूप में घट जाती है, और "गर्मी मृत्यु" आ जाएगी। इसमें खुश होने की क्या बात है? उदाहरण के लिए, क्लॉसियस अपने निष्कर्षों को प्रकाशित करने में कई वर्षों तक झिझकता रहा। बेशक, "गर्मी मौत" परिकल्पना ने तुरंत कई आपत्तियां पैदा कीं। इसके सही होने को लेकर अभी भी गंभीर संदेह हैं।
सॉर्टर डेमन
1867 में, गैसों के आणविक-गतिज सिद्धांत के लेखकों में से एक, जेम्स मैक्सवेल ने एक बहुत ही दृश्य (यद्यपि काल्पनिक) प्रयोग में थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के प्रतीत होने वाले विरोधाभास का प्रदर्शन किया। अनुभव को इस प्रकार संक्षेप में प्रस्तुत किया जा सकता है।
गैस वाला बर्तन हो। इसमें अणु बेतरतीब ढंग से चलते हैं, उनकी गति कई होती हैभिन्न होते हैं, लेकिन औसत गतिज ऊर्जा पूरे बर्तन में समान होती है। अब हम बर्तन को एक विभाजन के साथ दो अलग-अलग भागों में विभाजित करते हैं। बर्तन के दोनों हिस्सों में अणुओं का औसत वेग समान रहेगा। विभाजन को एक छोटे से दानव द्वारा संरक्षित किया जाता है जो तेज, "गर्म" अणुओं को एक हिस्से में प्रवेश करने की अनुमति देता है, और "ठंडे" अणुओं को दूसरे हिस्से में धीमा कर देता है। नतीजतन, गैस पहली छमाही में गर्म हो जाएगी और दूसरी छमाही में ठंडी हो जाएगी, यानी, सिस्टम थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति से तापमान संभावित अंतर की ओर बढ़ जाएगा, जिसका अर्थ है एन्ट्रापी में कमी।
समस्या यह है कि प्रयोग में सिस्टम इस परिवर्तन को स्वतःस्फूर्त रूप से नहीं करता है। यह बाहर से ऊर्जा प्राप्त करता है, जिसके कारण विभाजन खुलता और बंद होता है, या सिस्टम में अनिवार्य रूप से एक दानव शामिल होता है जो एक द्वारपाल के कर्तव्यों पर अपनी ऊर्जा खर्च करता है। दानव की एन्ट्रापी में वृद्धि उसकी गैस में कमी को कवर करने से कहीं अधिक होगी।
अनियमित अणु
एक गिलास पानी लें और उसे टेबल पर रख दें। गिलास देखना जरूरी नहीं है, बस थोड़ी देर बाद लौटकर उसमें पानी की स्थिति की जांच करने के लिए पर्याप्त है। हम देखेंगे कि इसकी संख्या में कमी आई है। अगर आप गिलास को ज्यादा देर तक छोड़ेंगे तो उसमें बिल्कुल भी पानी नहीं मिलेगा, क्योंकि यह सब वाष्पित हो जाएगा। प्रक्रिया की शुरुआत में, सभी पानी के अणु कांच की दीवारों द्वारा सीमित अंतरिक्ष के एक निश्चित क्षेत्र में थे। प्रयोग के अंत में, वे पूरे कमरे में बिखर गए। एक कमरे के आयतन में, अणुओं के पास बिना किसी के अपना स्थान बदलने का अधिक अवसर होता हैप्रणाली की स्थिति के लिए परिणाम। स्वास्थ्य लाभ के साथ पानी पीने के लिए हम उन्हें मिलाप वाले "सामूहिक" में इकट्ठा नहीं कर सकते हैं और उन्हें एक गिलास में वापस चला सकते हैं।
इसका मतलब है कि सिस्टम एक उच्च एन्ट्रॉपी अवस्था में विकसित हो गया है। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के आधार पर, एन्ट्रापी, या सिस्टम के कणों के फैलाव की प्रक्रिया (इस मामले में, पानी के अणु) अपरिवर्तनीय है। ऐसा क्यों है?
क्लॉसियस ने इस सवाल का जवाब नहीं दिया, और लुडविग बोल्ट्जमैन से पहले कोई और नहीं कर सकता था।
मैक्रो और माइक्रोस्टेट
1872 में इस वैज्ञानिक ने ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम की सांख्यिकीय व्याख्या को विज्ञान में पेश किया। आखिरकार, थर्मोडायनामिक्स से संबंधित मैक्रोस्कोपिक सिस्टम बड़ी संख्या में ऐसे तत्वों से बनते हैं जिनका व्यवहार सांख्यिकीय कानूनों का पालन करता है।
आइए पानी के अणुओं पर वापस आते हैं। कमरे के चारों ओर बेतरतीब ढंग से उड़ते हुए, वे अलग-अलग स्थिति ले सकते हैं, गति में कुछ अंतर हो सकते हैं (अणु लगातार एक दूसरे से और हवा में अन्य कणों से टकराते हैं)। अणुओं की एक प्रणाली की स्थिति के प्रत्येक प्रकार को माइक्रोस्टेट कहा जाता है, और इस तरह की एक बड़ी संख्या होती है। अधिकांश विकल्पों को लागू करते समय, सिस्टम का मैक्रोस्टेट किसी भी तरह से नहीं बदलेगा।
कुछ भी सीमा से बाहर नहीं है, लेकिन कुछ बहुत ही असंभव है
प्रसिद्ध संबंध एस=के एलएनडब्ल्यू संभावित तरीकों की संख्या को जोड़ता है जिसमें थर्मोडायनामिक सिस्टम (डब्ल्यू) के एक निश्चित मैक्रोस्टेट को इसकी एन्ट्रॉपी एस के साथ व्यक्त किया जा सकता है।W का मान ऊष्मागतिक प्रायिकता कहलाता है। इस सूत्र का अंतिम रूप मैक्स प्लैंक द्वारा दिया गया था। गुणांक k, एक अत्यंत छोटा मान (1.38×10−23 J/K) जो ऊर्जा और तापमान के बीच संबंध को दर्शाता है, प्लैंक ने उस वैज्ञानिक के सम्मान में बोल्ट्जमैन स्थिरांक कहा, जो था पहला थर्मोडायनामिक्स की दूसरी शुरुआत की सांख्यिकीय व्याख्या का प्रस्ताव करने के लिए।
यह स्पष्ट है कि W हमेशा एक प्राकृत संख्या 1, 2, 3, …N होता है (इसमें कोई भिन्न संख्या नहीं होती है)। तब लघुगणक W, और इसलिए एन्ट्रापी, ऋणात्मक नहीं हो सकता। सिस्टम के लिए एकमात्र संभव माइक्रोस्टेट के साथ, एन्ट्रॉपी शून्य के बराबर हो जाती है। यदि हम अपने गिलास में लौटते हैं, तो इस अभिधारणा को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है: पानी के अणु, कमरे के चारों ओर बेतरतीब ढंग से घूमते हुए, वापस गिलास में लौट आए। उसी समय, प्रत्येक ने अपने पथ को बिल्कुल दोहराया और गिलास में उसी स्थान पर ले लिया जिसमें वह प्रस्थान से पहले था। इस विकल्प के कार्यान्वयन को कुछ भी मना नहीं करता है, जिसमें एन्ट्रापी शून्य के बराबर है। बस इस तरह के गायब होने की छोटी संभावना के कार्यान्वयन की प्रतीक्षा करें, इसके लायक नहीं है। यह एक उदाहरण है जो केवल सैद्धांतिक रूप से किया जा सकता है।
घर में सब मिला-जुला है…
तो अणु अलग-अलग तरीकों से कमरे के चारों ओर बेतरतीब ढंग से उड़ रहे हैं। उनकी व्यवस्था में कोई नियमितता नहीं है, व्यवस्था में कोई व्यवस्था नहीं है, चाहे आप माइक्रोस्टेट के लिए विकल्प कैसे भी बदल लें, कोई भी समझदार संरचना का पता नहीं लगाया जा सकता है। काँच में भी ऐसा ही था, लेकिन स्थान सीमित होने के कारण अणुओं ने इतनी सक्रियता से अपनी स्थिति नहीं बदली।
व्यवस्था की सबसे अराजक, अव्यवस्थित स्थिति के रूप मेंसंभावित इसकी अधिकतम एन्ट्रापी से मेल खाती है। एक गिलास में पानी निचली एन्ट्रापी अवस्था का एक उदाहरण है। पूरे कमरे में समान रूप से वितरित अराजकता से इसमें संक्रमण लगभग असंभव है।
आइए हम सभी के लिए एक और समझने योग्य उदाहरण दें - घर में गंदगी साफ करना। हर चीज को उसकी जगह पर रखने के लिए हमें ऊर्जा भी खर्च करनी पड़ती है। इस कार्य की प्रक्रिया में हम गर्म हो जाते हैं (अर्थात हम जमते नहीं हैं)। यह पता चला है कि एन्ट्रापी उपयोगी हो सकती है। यह माजरा हैं। हम और भी अधिक कह सकते हैं: एन्ट्रापी, और इसके माध्यम से ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम (ऊर्जा के साथ) ब्रह्मांड को नियंत्रित करता है। आइए प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं पर एक और नज़र डालें। अगर कोई एन्ट्रापी नहीं होती तो दुनिया कैसी दिखती: कोई विकास नहीं, कोई आकाशगंगा, तारे, ग्रह नहीं। कोई जीवन नहीं…
"हीट डेथ" के बारे में थोड़ी और जानकारी। अच्छी खबर है। चूंकि, सांख्यिकीय सिद्धांत के अनुसार, "निषिद्ध" प्रक्रियाएं वास्तव में असंभव हैं, थर्मोडायनामिक रूप से संतुलन प्रणाली में उतार-चढ़ाव उत्पन्न होते हैं - ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का सहज उल्लंघन। वे मनमाने ढंग से बड़े हो सकते हैं। जब गुरुत्वाकर्षण को थर्मोडायनामिक प्रणाली में शामिल किया जाता है, तो कणों का वितरण अब एक समान नहीं होगा, और अधिकतम एन्ट्रापी की स्थिति तक नहीं पहुंच पाएगी। इसके अलावा, ब्रह्मांड अपरिवर्तनीय, स्थिर, स्थिर नहीं है। इसलिए, "हीट डेथ" के प्रश्न का निरूपण ही व्यर्थ है।
