ऊष्मप्रवैगिकी: परिभाषा, कानून और समीकरण

कई लोगों के लिए, थर्मोडायनामिक्स भौतिकी की कुछ डरावनी शाखा की तरह लगता है जिसे केवल स्मार्ट लोग ही समझ सकते हैं। लेकिन कुछ बुनियादी ज्ञान और थोड़े से काम से कोई भी इस अध्ययन के क्षेत्र को समझ सकता है।

ऊष्मप्रवैगिकी भौतिकी की एक शाखा है जो ऊष्मा ऊर्जा के हस्तांतरण के कारण भौतिक प्रणालियों में होने वाली गतिविधियों की पड़ताल करती है। सैडी कार्नोट से लेकर रुडोल्फ क्लॉसियस और जेम्स क्लर्क मैक्सवेल से लेकर मैक्स प्लैंक तक सभी भौतिकविदों का इसके विकास में हाथ रहा है।

शब्द "ऊष्मप्रवैगिकी" ग्रीक मूल से आया है थरमस, अर्थ गर्म या गर्म, और गतिशील, जिसका अर्थ शक्तिशाली है, हालांकि बाद में मूल की व्याख्याएं क्रिया और गति के अर्थ को इसके लिए जिम्मेदार ठहराती हैं। संक्षेप में, ऊष्मागतिकी गति में ऊष्मा ऊर्जा का अध्ययन है।

ऊष्मप्रवैगिकी इस बात से संबंधित है कि कैसे ऊष्मा ऊर्जा उत्पन्न की जा सकती है और इसे यांत्रिक ऊर्जा जैसे ऊर्जा के विभिन्न रूपों में परिवर्तित किया जा सकता है। यह भौतिक प्रणालियों में क्रम और अव्यवस्था की धारणा के साथ-साथ विभिन्न प्रक्रियाओं की ऊर्जा दक्षता की भी पड़ताल करता है।

ऊष्मप्रवैगिकी का गहन अध्ययन भी काफी हद तक निर्भर करता है सांख्यिकीय यांत्रिकी गतिज सिद्धांत आदि को समझने के लिए। मूल विचार यह है कि थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं को एक प्रणाली के सभी छोटे अणु क्या कर रहे हैं, के संदर्भ में समझा जा सकता है।

हालाँकि, समस्या यह है कि प्रत्येक अणु की व्यक्तिगत क्रिया का निरीक्षण और हिसाब करना असंभव है, इसलिए इसके बजाय सांख्यिकीय विधियों को लागू किया जाता है, और बड़ी सटीकता के लिए।

ऊष्मप्रवैगिकी से संबंधित कुछ मूलभूत कार्य 1600 के दशक की शुरुआत में विकसित किए गए थे। रॉबर्ट बॉयल द्वारा विकसित बॉयल के नियम ने दबाव और आयतन के बीच संबंध को निर्धारित किया, जो अंततः चार्ल्स के नियम और गे-लुसाक के नियम के साथ संयुक्त होने पर आदर्श गैस कानून का कारण बना।

यह 1798 तक नहीं था कि काउंट रमफोर्ड (उर्फ सर बेंजामिन थॉम्पसन) द्वारा गर्मी को ऊर्जा के रूप में समझा गया था। उन्होंने देखा कि उत्पन्न गर्मी एक उबाऊ उपकरण को चालू करने में किए गए कार्य के समानुपाती होती है।

१८०० के दशक की शुरुआत में, फ्रांसीसी सैन्य इंजीनियर साडी कार्नोट ने में काफी मात्रा में काम किया था एक ऊष्मा इंजन चक्र की अवधारणा को विकसित करना, साथ ही एक उष्मागतिकी में उत्क्रमणीयता का विचार प्रक्रिया। (कुछ प्रक्रियाएं समय के साथ-साथ आगे की ओर भी काम करती हैं; उन प्रक्रियाओं को प्रतिवर्ती कहा जाता है। कई अन्य प्रक्रियाएं केवल एक दिशा में काम करती हैं।)

कार्नोट के कार्य से भाप इंजन का विकास हुआ।

बाद में, रुडोल्फ क्लॉसियस ने ऊष्मागतिकी के पहले और दूसरे नियम तैयार किए, जिनका वर्णन इस लेख में बाद में किया गया है। ऊष्मप्रवैगिकी का क्षेत्र 1800 के दशक में तेजी से विकसित हुआ क्योंकि इंजीनियरों ने भाप इंजनों को अधिक कुशल बनाने के लिए काम किया।

थर्मोडायनामिक गुणों और मात्राओं में निम्नलिखित शामिल हैं:

• तपिश, जो विभिन्न तापमानों पर वस्तुओं के बीच स्थानांतरित ऊर्जा है।
• तापमान, जो किसी पदार्थ में प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा का माप है।
• आंतरिक ऊर्जा, जो अणुओं की एक प्रणाली में आणविक गतिज ऊर्जा और संभावित ऊर्जा का योग है।
• दबाव, जो एक पदार्थ रखने वाले कंटेनर पर प्रति इकाई क्षेत्र बल का एक माप है।
• आयतन वह त्रि-आयामी स्थान है जो एक पदार्थ लेता है।
• सूक्ष्म वे अवस्थाएँ हैं जिनमें व्यक्तिगत अणु होते हैं।
• मैक्रोस्टेट्स वे बड़े राज्य हैं जिनमें अणुओं का संग्रह होता है।
• एन्ट्रापी एक पदार्थ में विकार का एक उपाय है। इसे गणितीय रूप से माइक्रोस्टेट के संदर्भ में, या समकक्ष रूप से, गर्मी और तापमान में परिवर्तन के संदर्भ में परिभाषित किया गया है।

ऊष्मप्रवैगिकी के अध्ययन में कई अलग-अलग वैज्ञानिक शब्दों का उपयोग किया जाता है। अपनी स्वयं की जाँच-पड़ताल को सरल बनाने के लिए, यहाँ आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले शब्दों की परिभाषाओं की एक सूची दी गई है:

• थर्मल संतुलन या थर्मोडायनामिक संतुलन: एक ऐसी अवस्था जिसमें एक बंद प्रणाली के सभी भाग समान तापमान पर होते हैं।
• निरपेक्ष शून्य केल्विन: केल्विन तापमान की SI इकाई है। इस पैमाने पर न्यूनतम मान शून्य या निरपेक्ष शून्य है। यह सबसे ठंडा संभव तापमान है।
• थर्मोडायनामिक प्रणाली: कोई भी बंद प्रणाली जिसमें थर्मल ऊर्जा की बातचीत और आदान-प्रदान होता है।
• पृथक सिस्टम: एक प्रणाली जो इसके बाहर किसी भी चीज़ से ऊर्जा का आदान-प्रदान नहीं कर सकती है।
• ऊष्मीय ऊर्जा या तापीय ऊर्जा: ऊर्जा के कई अलग-अलग रूप हैं; उनमें से तापीय ऊर्जा है, जो एक प्रणाली में अणुओं की गतिज गति से जुड़ी ऊर्जा है।
• गिब्स मुक्त ऊर्जा: एक थर्मोडायनामिक क्षमता जिसका उपयोग किसी सिस्टम में प्रतिवर्ती कार्य की अधिकतम मात्रा निर्धारित करने के लिए किया जाता है।
• विशिष्ट गर्मी की क्षमता: किसी पदार्थ के इकाई द्रव्यमान के तापमान को 1 डिग्री बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा। यह पदार्थ के प्रकार पर निर्भर करता है और यह एक संख्या है जिसे आमतौर पर तालिकाओं में देखा जाता है।
• आदर्श गैस: गैसों का एक सरलीकृत मॉडल जो मानक तापमान और दबाव पर अधिकांश गैसों पर लागू होता है। यह माना जाता है कि गैस के अणु स्वयं पूरी तरह से लोचदार टकराव में टकराते हैं। यह भी माना जाता है कि अणु एक दूसरे से काफी दूर हैं कि उन्हें बिंदु द्रव्यमान की तरह माना जा सकता है।

तीन मुख्य हैं ऊष्मप्रवैगिकी के नियम (जिसे पहला नियम, दूसरा नियम और तीसरा नियम कहा जाता है) लेकिन एक शून्य नियम भी है। इन कानूनों का वर्णन इस प्रकार है:

ऊष्मप्रवैगिकी का शून्य नियम शायद सबसे सहज ज्ञान युक्त है। यह बताता है कि यदि पदार्थ A, पदार्थ B के साथ तापीय संतुलन में है, और पदार्थ B तापीय में है पदार्थ सी के साथ संतुलन, तो यह इस प्रकार है कि पदार्थ ए थर्मल संतुलन में होना चाहिए पदार्थ सी.

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम मूल रूप से ऊर्जा के संरक्षण के नियम का एक बयान है। यह बताता है कि एक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन प्रणाली में स्थानांतरित गर्मी ऊर्जा और इसके आसपास के सिस्टम द्वारा किए गए कार्य के बीच के अंतर के बराबर है।

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम, कभी-कभी कानून के रूप में संदर्भित किया जाता है जो समय के एक तीर को दर्शाता है - कहता है कि एक बंद प्रणाली में कुल एन्ट्रापी केवल स्थिर रह सकती है या समय के आगे बढ़ने पर बढ़ सकती है। एन्ट्रापी को एक प्रणाली के विकार के माप के रूप में शिथिल रूप से माना जा सकता है, और इस कानून को सोचा जा सकता है शिथिल रूप से यह कहते हुए कि "चीजें एक साथ मिलती हैं जितना अधिक आप उन्हें हिलाते हैं, इसके विपरीत" मिश्रण रहित।"

ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम बताता है कि सिस्टम की एन्ट्रॉपी एक स्थिर मान के करीब पहुंचती है क्योंकि सिस्टम का तापमान परम शून्य के करीब पहुंच जाता है। चूंकि परम शून्य पर, कोई आणविक गति नहीं होती है, इसलिए यह समझ में आता है कि उस बिंदु पर एन्ट्रापी नहीं बदलेगी।

थर्मोडायनामिक्स सांख्यिकीय यांत्रिकी का उपयोग करता है। यह भौतिकी की एक शाखा है जो शास्त्रीय और क्वांटम भौतिकी दोनों पर सांख्यिकी लागू करती है।

सांख्यिकीय यांत्रिकी वैज्ञानिकों को सूक्ष्म मात्राओं की तुलना में मैक्रोस्कोपिक मात्राओं के साथ अधिक सरल तरीके से काम करने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, तापमान पर विचार करें। इसे किसी पदार्थ में प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया गया है।

क्या होगा यदि इसके बजाय आपको प्रत्येक अणु की वास्तविक गतिज ऊर्जा निर्धारित करने की आवश्यकता हो, और उससे अधिक, अणुओं के बीच प्रत्येक टकराव का ट्रैक रखें? कोई प्रगति करना लगभग असंभव होगा। इसके बजाय, सांख्यिकीय तकनीकों का उपयोग किया जाता है जो किसी सामग्री के बड़े गुणों के रूप में तापमान, गर्मी क्षमता आदि को समझने की अनुमति देते हैं।

ये गुण सामग्री के भीतर चल रहे औसत व्यवहार का वर्णन करते हैं। दबाव और एन्ट्रापी जैसी मात्राओं के बारे में भी यही सच है।

ए इंजन गर्म करें एक थर्मोडायनामिक प्रणाली है जो ऊष्मा ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करती है। भाप इंजन ऊष्मा इंजन का एक उदाहरण है। वे एक पिस्टन को स्थानांतरित करने के लिए उच्च दबाव का उपयोग करके काम करते हैं।

हीट इंजन किसी प्रकार के पूर्ण चक्र पर काम करते हैं। उनके पास किसी प्रकार का ऊष्मा स्रोत होता है, जिसे आमतौर पर ऊष्मा स्नान कहा जाता है, जो उन्हें ऊष्मा ऊर्जा लेने की अनुमति देता है। वह ऊष्मा ऊर्जा तब सिस्टम के भीतर किसी प्रकार के थर्मोडायनामिक परिवर्तन का कारण बनती है, जैसे कि दबाव बढ़ाना या गैस का विस्तार करना।

जब कोई गैस फैलती है, तो वह पर्यावरण पर काम करती है। कभी-कभी ऐसा लगता है कि एक इंजन में पिस्टन हिलने लगता है। एक चक्र के अंत में, सिस्टम को उसके शुरुआती बिंदु पर वापस लाने के लिए एक ठंडे स्नान का उपयोग किया जाता है।

ऊष्मा इंजन ऊष्मा ऊर्जा लेते हैं, इसका उपयोग उपयोगी कार्य करने के लिए करते हैं और फिर प्रक्रिया के दौरान पर्यावरण को कुछ ऊष्मा ऊर्जा देते हैं या खो देते हैं। दक्षता एक ऊष्मा इंजन के शुद्ध ताप इनपुट के लिए उपयोगी कार्य आउटपुट के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है।

आश्चर्य नहीं कि वैज्ञानिक और इंजीनियर चाहते हैं कि उनके ताप इंजन यथासंभव कुशल हों - ऊष्मा ऊर्जा इनपुट की अधिकतम मात्रा को उपयोगी कार्य में परिवर्तित करें। आप सोच सकते हैं कि सबसे कुशल ऊष्मा इंजन 100 प्रतिशत कुशल हो सकता है, लेकिन यह गलत है।

वास्तव में, ऊष्मा इंजन की अधिकतम दक्षता की एक सीमा होती है। दक्षता न केवल के प्रकार पर निर्भर करती है प्रक्रियाओं चक्र में, तब भी जब सर्वोत्तम संभव हो प्रक्रियाओं (वे जो प्रतिवर्ती हैं) का उपयोग किया जाता है, सबसे कुशल ऊष्मा इंजन हो सकता है जो ऊष्मा स्नान और ठंडे स्नान के बीच तापमान में सापेक्ष अंतर पर निर्भर करता है।

इस अधिकतम दक्षता को कार्नोट दक्षता कहा जाता है, और यह a. की दक्षता है कार्नोट चक्र, जो एक ऊष्मा इंजन चक्र है जो पूरी तरह से प्रतिवर्ती से बना है प्रक्रियाओं.

ऊष्मप्रवैगिकी के कई अनुप्रयोग हैं प्रक्रियाओं रोजमर्रा की जिंदगी में देखा। उदाहरण के लिए, अपना रेफ्रिजरेटर लें। एक रेफ्रिजरेटर थर्मोडायनामिक चक्र से संचालित होता है।

सबसे पहले एक कंप्रेसर रेफ्रिजरेंट वाष्प को संपीड़ित करता है, जो दबाव में वृद्धि का कारण बनता है और इसे आपके रेफ्रिजरेटर के बाहरी हिस्से में स्थित कॉइल में आगे की ओर धकेलता है। यदि आप इन कुंडलियों को महसूस करते हैं, तो वे स्पर्श से गर्म महसूस करेंगे।

आसपास की हवा उन्हें ठंडा कर देती है, और गर्म गैस वापस तरल में बदल जाती है। यह तरल उच्च दबाव में ठंडा हो जाता है क्योंकि यह फ्रिज के अंदर कॉइल में बहता है, गर्मी को अवशोषित करता है और हवा को ठंडा करता है। एक बार पर्याप्त गर्म हो जाने पर, यह फिर से गैस में वाष्पित हो जाता है और वापस कंप्रेसर में चला जाता है, और चक्र दोहराता है।

हीट पंप, जो आपके घर को गर्म और ठंडा कर सकते हैं, समान सिद्धांतों पर काम करते हैं।