थर्मोडायनामिक्स के नियम वैज्ञानिकों को थर्मोडायनामिक सिस्टम को समझने में मदद करते हैं। तीसरा नियम निरपेक्ष शून्य को परिभाषित करता है और यह समझाने में मदद करता है कि ब्रह्मांड की एन्ट्रापी, या विकार, एक स्थिर, गैर-शून्य मान की ओर बढ़ रहा है।
एक प्रणाली की एन्ट्रापी और ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम
एंट्रॉपी को अक्सर शब्दों में एक प्रणाली में विकार की मात्रा के माप के रूप में वर्णित किया जाता है। यह परिभाषा पहली बार 1877 में लुडविग बोल्ट्जमैन द्वारा प्रस्तावित की गई थी। उन्होंने गणितीय रूप से एन्ट्रापी को इस तरह परिभाषित किया:
एस = के \ एलएन {वाई}
इस समीकरण में,यूसिस्टम में माइक्रोस्टेट्स की संख्या है (या सिस्टम को ऑर्डर करने के तरीकों की संख्या),कबोल्ट्जमान स्थिरांक है (जो आदर्श गैस स्थिरांक को अवोगाद्रो स्थिरांक से विभाजित करके पाया जाता है: 1.380649 × 10−23 जम्मू/कश्मीर) औरएलएनप्राकृतिक लघुगणक है (आधार का लघुगणक)इ).
इस सूत्र के साथ प्रदर्शित दो बड़े विचार हैं:
- एन्ट्रापी को ऊष्मा के संदर्भ में माना जा सकता है, विशेष रूप से एक बंद प्रणाली में तापीय ऊर्जा की मात्रा के रूप में, जो उपयोगी कार्य करने के लिए उपलब्ध नहीं है।
- जितने अधिक माइक्रोस्टेट, या सिस्टम को ऑर्डर करने के तरीके, सिस्टम में उतनी ही अधिक एन्ट्रापी होती है।
इसके अतिरिक्त, सिस्टम के एन्ट्रॉपी में परिवर्तन के रूप में यह एक मैक्रोस्टेट से दूसरे में जाता है, इसे इस प्रकार वर्णित किया जा सकता है:
कहां हैटीतापमान है औरक्यूएक प्रतिवर्ती प्रक्रिया में गर्मी का आदान-प्रदान होता है क्योंकि सिस्टम दो राज्यों के बीच चलता है।
ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम कहता है कि ब्रह्मांड की कुल एन्ट्रापी या एक पृथक प्रणाली कभी कम नहीं होती है। ऊष्मप्रवैगिकी में, एक पृथक प्रणाली वह है जिसमें न तो गर्मी और न ही पदार्थ प्रणाली की सीमाओं में प्रवेश या बाहर निकल सकते हैं।
दूसरे शब्दों में, किसी भी पृथक प्रणाली (ब्रह्मांड सहित) में, एन्ट्रापी परिवर्तन हमेशा शून्य या सकारात्मक होता है। इसका अनिवार्य रूप से मतलब यह है कि यादृच्छिक प्रक्रियाएं क्रम से अधिक विकार की ओर ले जाती हैं।
एक महत्वपूर्ण जोर पर पड़ता हैप्रवृत्तउस विवरण का हिस्सा। यादृच्छिक प्रक्रियाएंसकता हैप्राकृतिक नियमों का उल्लंघन किए बिना अव्यवस्था की तुलना में अधिक व्यवस्था की ओर ले जाता है, लेकिन ऐसा होने की संभावना बहुत कम है।
आखिरकार, ब्रह्मांड के लिए एन्ट्रापी में परिवर्तन कुल मिलाकर शून्य के बराबर होगा। उस बिंदु पर, ब्रह्मांड एक ही गैर-तापमान पर तापीय ऊर्जा के रूप में सभी ऊर्जा के साथ, थर्मल संतुलन तक पहुंच गया होगा। इसे अक्सर ब्रह्मांड की ऊष्मा मृत्यु के रूप में जाना जाता है।
निरपेक्ष शून्य केल्विन
दुनिया भर में अधिकांश लोग तापमान की चर्चा डिग्री सेल्सियस में करते हैं, जबकि कुछ देश फारेनहाइट पैमाने का उपयोग करते हैं। हालांकि, हर जगह वैज्ञानिक, केल्विन को निरपेक्ष तापमान माप की अपनी मौलिक इकाई के रूप में उपयोग करते हैं।
यह पैमाना एक विशेष भौतिक आधार पर बनाया गया है: निरपेक्ष शून्य केल्विन वह तापमान है जिस पर सभी आणविक गति समाप्त हो जाती है। गर्मी के बाद सेहैसरलतम अर्थ में आणविक गति, कोई गति नहीं का मतलब कोई गर्मी नहीं है। नो हीट का मतलब शून्य केल्विन का तापमान है।
ध्यान दें कि यह हिमांक से भिन्न होता है, जैसे शून्य डिग्री सेल्सियस - बर्फ के अणुओं में अभी भी छोटी आंतरिक गतियाँ जुड़ी होती हैं, जिन्हें ऊष्मा भी कहा जाता है। ठोस, तरल और गैस के बीच चरण परिवर्तन, हालांकि, एन्ट्रापी में बड़े पैमाने पर बदलाव की संभावना के रूप में होते हैं किसी पदार्थ के विभिन्न आणविक संगठन, या माइक्रोस्टेट, अचानक और तेजी से या तो बढ़ जाते हैं या घट जाते हैं तापमान।
ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम
ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम कहता है कि जैसे ही तापमान एक प्रणाली में पूर्ण शून्य के करीब पहुंचता है, सिस्टम की निरपेक्ष एन्ट्रापी एक स्थिर मूल्य के करीब पहुंच जाती है। यह पिछले उदाहरण में सच था, जहां सिस्टम संपूर्ण ब्रह्मांड था। यह छोटे बंद सिस्टम के लिए भी सच है - बर्फ के एक ब्लॉक को ठंडा और ठंडा करने के लिए जारी रखने के लिए ठंडा तापमान इसके आंतरिक आणविक को धीमा कर देगा जब तक वे शारीरिक रूप से संभव कम से कम अव्यवस्थित स्थिति तक नहीं पहुंच जाते, जिसे एन्ट्रापी के निरंतर मूल्य का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है।
अधिकांश एन्ट्रापी गणना सिस्टम या सिस्टम की स्थिति के बीच एन्ट्रापी अंतर से निपटती है। ऊष्मप्रवैगिकी के इस तीसरे नियम में अंतर यह है कि यह केल्विन पैमाने पर मूल्यों के रूप में स्वयं एन्ट्रापी के अच्छी तरह से परिभाषित मूल्यों की ओर जाता है।
क्रिस्टलीय पदार्थ
पूरी तरह से स्थिर होने के लिए, अणुओं को भी अपनी सबसे स्थिर, व्यवस्थित क्रिस्टलीय व्यवस्था में होना चाहिए, यही कारण है कि पूर्ण शून्य भी पूर्ण क्रिस्टल से जुड़ा हुआ है। केवल एक माइक्रोस्टेट के साथ परमाणुओं की ऐसी जाली वास्तविकता में संभव नहीं है, लेकिन ये आदर्श अवधारणाएं थर्मोडायनामिक्स के तीसरे नियम और इसके परिणामों को रेखांकित करती हैं।
एक क्रिस्टल जो पूरी तरह से व्यवस्थित नहीं है, उसकी संरचना में कुछ अंतर्निहित विकार (एन्ट्रॉपी) होगा। क्योंकि एन्ट्रापी को ऊष्मीय ऊर्जा के रूप में भी वर्णित किया जा सकता है, इसका मतलब है कि इसमें कुछ ऊर्जा गर्मी के रूप में होगी - इसलिए, निश्चित रूप सेनहींपरम शून्य।
यद्यपि प्रकृति में पूर्ण क्रिस्टल मौजूद नहीं हैं, एक आणविक संगठन के रूप में एन्ट्रापी कैसे बदलता है, इसका विश्लेषण कई निष्कर्षों को प्रकट करता है:
- एक पदार्थ जितना अधिक जटिल होता है - C12एच22हे11 बनाम एच2 - जितनी अधिक एन्ट्रापी होनी चाहिए, उतनी ही जटिलता के साथ संभावित माइक्रोस्टेट्स की संख्या बढ़ जाती है।
- समान आणविक संरचनाओं वाले पदार्थों में समान एन्ट्रॉपी होते हैं।
- हाइड्रोजन बांड जैसे छोटे, कम ऊर्जावान परमाणुओं और अधिक दिशात्मक बंधनों वाली संरचनाएं होती हैंकम सेएन्ट्रापी क्योंकि उनके पास अधिक कठोर और व्यवस्थित संरचनाएं हैं।
ऊष्मप्रवैगिकी के तीसरे नियम के परिणाम
जबकि वैज्ञानिक कभी भी प्रयोगशाला सेटिंग्स में पूर्ण शून्य प्राप्त करने में सक्षम नहीं हुए हैं, वे हर समय करीब और करीब आते जाते हैं। यह समझ में आता है क्योंकि तीसरा कानून विभिन्न प्रणालियों के लिए एन्ट्रापी मूल्य की एक सीमा का सुझाव देता है, जिसे वे तापमान में गिरावट के रूप में देखते हैं।
सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि तीसरा नियम प्रकृति के एक महत्वपूर्ण सत्य का वर्णन करता है: किसी भी पदार्थ का तापमान निरपेक्ष शून्य से अधिक (इस प्रकार, किसी भी ज्ञात पदार्थ) में सकारात्मक मात्रा में एन्ट्रापी होना चाहिए। इसके अलावा, क्योंकि यह निरपेक्ष शून्य को एक संदर्भ बिंदु के रूप में परिभाषित करता है, हम किसी भी तापमान पर किसी भी पदार्थ की ऊर्जा की सापेक्ष मात्रा को मापने में सक्षम हैं।
यह अन्य थर्मोडायनामिक मापों से एक महत्वपूर्ण अंतर है, जैसे कि ऊर्जा या थैलेपी, जिसके लिए कोई पूर्ण संदर्भ बिंदु नहीं है। वे मूल्य अन्य मूल्यों के सापेक्ष ही समझ में आते हैं।
ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे और तीसरे नियमों को एक साथ रखने से यह निष्कर्ष निकलता है कि अंततः, जैसे ही ब्रह्मांड में सभी ऊर्जा गर्मी में बदल जाती है, यह एक स्थिर तापमान तक पहुंच जाएगी। ऊष्मीय संतुलन कहा जाता है, ब्रह्मांड की यह स्थिति अपरिवर्तनीय है, लेकिन एक तापमान परउच्चतरनिरपेक्ष शून्य की तुलना में।
तीसरा नियम ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के निहितार्थों का भी समर्थन करता है। यह नियम कहता है कि किसी निकाय की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन, निकाय में जोड़ी गई ऊष्मा और निकाय द्वारा किए गए कार्य के बीच के अंतर के बराबर होता है:
\ डेल्टा यू = क्यू-डब्ल्यू
कहा पेयूऊर्जा है, क्यूगर्मी है औरवूकाम है, सभी को आमतौर पर जूल, बीटस या कैलोरी में मापा जाता है)।
यह सूत्र दर्शाता है कि किसी निकाय में अधिक ऊष्मा का अर्थ है कि उसमें अधिक ऊर्जा होगी। बदले में इसका मतलब है कि अधिक एन्ट्रॉपी। निरपेक्ष शून्य पर एक पूर्ण क्रिस्टल के बारे में सोचें - गर्मी जोड़ने से कुछ आणविक गति का परिचय होता है, और संरचना अब पूरी तरह से व्यवस्थित नहीं है; इसमें कुछ एन्ट्रापी है।