ऊष्मप्रवैगिकी भौतिकी की एक शाखा है जो उन प्रक्रियाओं का अध्ययन करती है जिनके द्वारा ऊष्मा ऊर्जा रूप बदल सकती है। अक्सर आदर्श गैसों का विशेष रूप से अध्ययन किया जाता है, क्योंकि न केवल उन्हें समझना बहुत आसान होता है, बल्कि कई गैसों को आदर्श के रूप में अनुमानित किया जा सकता है।
एक विशेष थर्मोडायनामिक अवस्था को राज्य चर द्वारा परिभाषित किया जाता है। इनमें दबाव, आयतन और तापमान शामिल हैं। उन प्रक्रियाओं का अध्ययन करके जिनके द्वारा एक थर्मोडायनामिक प्रणाली एक राज्य से दूसरे राज्य में बदलती है, आप अंतर्निहित भौतिकी की गहरी समझ प्राप्त कर सकते हैं।
कई आदर्शीकृत थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं बताती हैं कि एक आदर्श गैस की अवस्थाएँ कैसे बदल सकती हैं। रुद्धोष्म प्रक्रम इन्हीं में से एक है।
राज्य चर, राज्य कार्य और प्रक्रिया कार्य
किसी एक समय में एक आदर्श गैस की स्थिति को दबाव, आयतन और तापमान के राज्य चर द्वारा वर्णित किया जा सकता है। ये तीन मात्राएँ गैस की वर्तमान स्थिति को निर्धारित करने के लिए पर्याप्त हैं और इस पर बिल्कुल भी निर्भर नहीं हैं कि गैस ने अपनी वर्तमान स्थिति कैसे प्राप्त की।
अन्य मात्राएँ, जैसे कि आंतरिक ऊर्जा और एन्ट्रापी, इन अवस्था चर के कार्य हैं। फिर, राज्य के कार्य इस बात पर निर्भर नहीं करते हैं कि सिस्टम अपनी विशेष स्थिति में कैसे आया। वे केवल उस स्थिति का वर्णन करने वाले चर पर निर्भर करते हैं जिसमें वह वर्तमान में है।
दूसरी ओर, प्रक्रिया कार्य, एक प्रक्रिया का वर्णन करते हैं। ऊष्मा और कार्य थर्मोडायनामिक प्रणाली में प्रक्रिया कार्य हैं। एक अवस्था से दूसरी अवस्था में परिवर्तन के दौरान ही ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है, जिस प्रकार कार्य केवल तभी किया जा सकता है जब सिस्टम राज्य बदलता है।
रुद्धोष्म प्रक्रिया क्या है?
रुद्धोष्म प्रक्रिया एक ऊष्मागतिकीय प्रक्रिया है जो सिस्टम और उसके वातावरण के बीच बिना किसी गर्मी हस्तांतरण के होती है। दूसरे शब्दों में, राज्य बदलता है, इस परिवर्तन के दौरान सिस्टम पर या उसके द्वारा काम किया जा सकता है, लेकिन कोई ऊष्मा ऊर्जा जोड़ी या हटाई नहीं जाती है।
चूंकि कोई भी भौतिक प्रक्रिया तुरंत नहीं हो सकती है और कोई भी प्रणाली वास्तव में पूरी तरह से अछूता नहीं हो सकती है, वास्तविकता में पूरी तरह से रुद्धोष्म स्थिति कभी हासिल नहीं की जा सकती। हालाँकि, इसका अनुमान लगाया जा सकता है, और इसका अध्ययन करके बहुत कुछ सीखा जा सकता है।
एक प्रक्रिया जितनी तेजी से होती है, वह रुद्धोष्म के करीब हो सकती है क्योंकि गर्मी के हस्तांतरण के लिए कम समय होगा।
रुद्धोष्म प्रक्रियाएं और ऊष्मागतिकी का पहला नियम Law
ऊष्मागतिकी का पहला नियम कहता है कि किसी निकाय की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन, निकाय में जोड़ी गई ऊष्मा और निकाय द्वारा किए गए कार्य के अंतर के बराबर होता है। समीकरण रूप में, यह है:
\ डेल्टा ई = क्यू-डब्ल्यू
कहा पेइआंतरिक ऊर्जा है,क्यूप्रणाली में जोड़ा गया ताप है औरवूसिस्टम द्वारा किया गया कार्य है।
चूँकि रुद्धोष्म प्रक्रम में ऊष्मा का आदान-प्रदान नहीं होता है, तो ऐसा होना चाहिए कि:
\डेल्टा ई=-डब्ल्यू
दूसरे शब्दों में, यदि ऊर्जा प्रणाली को छोड़ देती है, तो यह कार्य करने वाली प्रणाली का परिणाम है, और यदि ऊर्जा प्रणाली में प्रवेश करती है, तो यह सीधे सिस्टम पर किए गए कार्य से उत्पन्न होती है।
रुद्धोष्म विस्तार और संपीड़न
जब एक प्रणाली रुद्धोष्म रूप से फैलती है, तो आयतन बढ़ता है जबकि कोई ऊष्मा का आदान-प्रदान नहीं होता है। मात्रा में यह वृद्धि प्रणाली द्वारा पर्यावरण पर किए जा रहे कार्य का गठन करती है। इसलिए आंतरिक ऊर्जा कम होनी चाहिए। चूंकि आंतरिक ऊर्जा गैस के तापमान के सीधे आनुपातिक है, इसका मतलब है कि तापमान परिवर्तन नकारात्मक होगा (तापमान गिरता है)।
आदर्श गैस नियम से, आप दबाव के लिए निम्नलिखित व्यंजक प्राप्त कर सकते हैं:
पी=\frac{nRT}{वी}
कहा पेनहींमोल्स की संख्या है,आरआदर्श गैस स्थिरांक है,टीतापमान है औरवीमात्रा है।
रुद्धोष्म प्रसार के लिए तापमान नीचे जाता है जबकि आयतन बढ़ता है। इसका मतलब है कि दबाव भी कम होना चाहिए क्योंकि उपरोक्त अभिव्यक्ति में अंश कम होगा जबकि हर बढ़ेगा।
रुद्धोष्म संपीड़न में, विपरीत होता है। चूँकि आयतन में कमी पर्यावरण द्वारा सिस्टम पर किए जा रहे कार्य को इंगित करती है, यह होगा तापमान वृद्धि (उच्च अंतिम .) के अनुरूप आंतरिक ऊर्जा में सकारात्मक परिवर्तन प्राप्त करें तापमान)।
यदि तापमान बढ़ता है जबकि आयतन घटता है, तो दबाव भी बढ़ता है।
एक उदाहरण जो भौतिकी पाठ्यक्रमों में अक्सर दिखाई जाने वाली लगभग रुद्धोष्म प्रक्रिया को दर्शाता है, वह है फायर सिरिंज का संचालन। फायर सिरिंज में एक इंसुलेटेड ट्यूब होती है जो एक सिरे पर बंद होती है और दूसरे सिरे पर एक प्लंजर होता है। ट्यूब में हवा को संपीड़ित करने के लिए प्लंजर को नीचे धकेला जा सकता है।
यदि रुई या अन्य ज्वलनशील पदार्थ का एक छोटा टुकड़ा कमरे के तापमान पर ट्यूब में रखा जाता है, और फिर प्लंजर होता है बहुत तेजी से नीचे धकेल दिया जाता है, तो ट्यूब में गैस की स्थिति कम से कम गर्मी के बाहर से आदान-प्रदान के साथ बदल जाएगी। संपीड़न पर होने वाले ट्यूब में बढ़े हुए दबाव के कारण ट्यूब के अंदर का तापमान नाटकीय रूप से बढ़ जाता है, जिससे कपास का छोटा टुकड़ा जल जाता है।
पी-वी आरेख
एदबाव मात्रा(पी-वी) आरेख एक ग्राफ है जो थर्मोडायनामिक प्रणाली की स्थिति में परिवर्तन को दर्शाता है। ऐसे आरेख में, आयतन को पर प्लॉट किया जाता हैएक्स-अक्ष, और दबाव plot पर प्लॉट किया जाता हैआप-एक्सिस। एक राज्य एक द्वारा इंगित किया जाता है (एक्स, वाई) एक विशेष दबाव और आयतन के अनुरूप बिंदु। (नोट: आदर्श गैस नियम का उपयोग करके तापमान को दबाव और आयतन से निर्धारित किया जा सकता है)।
जैसे ही राज्य एक विशेष दबाव और आयतन से दूसरे दबाव और आयतन में बदलता है, आरेख पर एक वक्र खींचा जा सकता है जो दर्शाता है कि राज्य परिवर्तन कैसे हुआ। उदाहरण के लिए, एक समदाब रेखीय प्रक्रिया (जिसमें दबाव स्थिर रहता है) P-V आरेख पर एक क्षैतिज रेखा की तरह दिखाई देगी। प्रारंभिक और समाप्ति बिंदु को जोड़ने वाले अन्य वक्रों को खींचा जा सकता है, और इसके परिणामस्वरूप विभिन्न मात्रा में काम किया जा सकता है। यही कारण है कि आरेख पर पथ का आकार प्रासंगिक है।
एक रुद्धोष्म प्रक्रिया एक वक्र के रूप में दिखाई देती है जो संबंध का पालन करती है:
P \propto \frac{1}{V^c}
कहा पेसीविशिष्ट ऊष्मा का अनुपात है cपी/सीवी (सीपीनिरंतर दबाव के लिए गैस की विशिष्ट गर्मी है, औरसीवीस्थिर आयतन के लिए विशिष्ट ऊष्मा है)। एक आदर्श एकपरमाणुक गैस के लिए,सी= १.६६, और हवा के लिए, जो मुख्य रूप से एक द्विपरमाणुक गैस है,सी = 1.4
ऊष्मा इंजनों में रुद्धोष्म प्रक्रियाएं
हीट इंजन ऐसे इंजन होते हैं जो किसी प्रकार के पूर्ण चक्र के माध्यम से ऊष्मा ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। पी-वी आरेख पर, एक गर्मी-इंजन चक्र एक बंद लूप बनाएगा, जहां इंजन की स्थिति समाप्त हो जाएगी, लेकिन वहां पहुंचने की प्रक्रिया में काम कर रहा है।
कई प्रक्रियाएं केवल एक दिशा में काम करती हैं; हालांकि, प्रतिवर्ती प्रक्रियाएं भौतिकी के नियमों को तोड़े बिना समान रूप से आगे और पीछे समान रूप से काम करती हैं। रुद्धोष्म प्रक्रिया एक प्रकार की प्रतिवर्ती प्रक्रिया है। यह इसे गर्मी इंजन में विशेष रूप से उपयोगी बनाता है क्योंकि इसका मतलब है कि यह किसी भी ऊर्जा को अप्राप्य रूप में परिवर्तित नहीं करता है।
एक ऊष्मा इंजन में, इंजन द्वारा किया गया कुल कार्य चक्र के लूप के भीतर का क्षेत्र होता है।
अन्य थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं
अन्य लेखों में अधिक विस्तार से चर्चा की गई अन्य थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं में शामिल हैं:
आइसोबैरिक प्रक्रियाएं, जो लगातार दबाव में होती हैं। ये P-V आरेख पर क्षैतिज रेखाओं की तरह दिखाई देंगे। एक समदाब रेखीय प्रक्रिया में किया गया कार्य आयतन में परिवर्तन से गुणा किए गए स्थिर दाब मान के बराबर होता है।
आइसोकोरिक प्रक्रिया, जो स्थिर मात्रा में होती है। ये P-V आरेख पर लंबवत रेखाओं की तरह दिखते हैं। इस तथ्य के कारण कि इन प्रक्रियाओं के दौरान वॉल्यूम नहीं बदलता है, कोई काम नहीं किया जाता है।
इज़ोटेर्मल प्रक्रियाएं स्थिर तापमान पर होती हैं। रुद्धोष्म प्रक्रियाओं की तरह, ये प्रतिवर्ती हैं। हालांकि, एक प्रक्रिया के लिए पूरी तरह से समतापी होने के लिए, इसे एक निरंतर संतुलन बनाए रखना चाहिए, जो होगा इसका मतलब है कि यह एक रुद्धोष्म के लिए तात्कालिक आवश्यकता के विपरीत, असीम रूप से धीरे-धीरे घटित होगा प्रक्रिया।