ऊष्मप्रवैगिकी के नियम: परिभाषा, समीकरण और उदाहरण

परपेचुअल पंप कई परपेचुअल मोशन मशीनों में से एक है जिसे वर्षों से डिजाइन किया गया है, जिसका उद्देश्य निरंतर गति पैदा करना है, और अक्सर, परिणामस्वरूप, मुफ्त ऊर्जा। डिजाइन काफी सीधा है: पानी के पहिये के ऊपर उठे हुए प्लेटफॉर्म से पानी नीचे बहता है, जो गियर से जुड़ा होता है, जो बदले में एक पंप संचालित करता है जो सतह से पानी को ऊपर उठाए गए प्लेटफॉर्म तक खींचता है, जहां प्रक्रिया शुरू होती है फिर व।

जब आप पहली बार इस तरह के डिज़ाइन के बारे में सुनते हैं, तो आप सोच सकते हैं कि यह संभव है और एक अच्छा विचार भी। और उस समय के वैज्ञानिक सहमत थे, जब तक कि ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों की खोज नहीं की गई और एक झटके में सभी की सतत गति की आशाओं को धराशायी कर दिया।

ऊष्मप्रवैगिकी के नियम भौतिकी के कुछ सबसे महत्वपूर्ण नियम हैं। उनका उद्देश्य ऊर्जा का वर्णन करना है, जिसमें यह भी शामिल है कि इसे कैसे स्थानांतरित और संरक्षित किया जाता है, साथ ही इसकी महत्वपूर्ण अवधारणा भी शामिल हैएन्ट्रापीएक प्रणाली का, जो वह हिस्सा है जो सतत गति की सभी आशाओं को मारता है। यदि आप भौतिकी के छात्र हैं, या आप बस कई थर्मोडायनामिक्स को समझना चाहते हैं आपके चारों ओर होने वाली प्रक्रियाओं में, उष्मागतिकी के चार नियमों को सीखना एक महत्वपूर्ण कदम है आपकी यात्रा।

ऊष्मप्रवैगिकी भौतिकी की एक शाखा है जो अध्ययन करती हैऊष्मा ऊर्जा और आंतरिक ऊर्जा energyथर्मोडायनामिक सिस्टम में। ऊष्मा ऊर्जा ऊष्मा हस्तांतरण के माध्यम से पारित ऊर्जा है, और आंतरिक ऊर्जा को एक प्रणाली में सभी कणों के लिए गतिज ऊर्जा और संभावित ऊर्जा के योग के बारे में सोचा जा सकता है।

एक उपकरण के रूप में गतिज सिद्धांत का उपयोग करके - जो गतियों का अध्ययन करके पदार्थ के शरीर के गुणों की व्याख्या करता है इसके घटक कण - भौतिक विज्ञानी महत्वपूर्ण के बीच कई महत्वपूर्ण संबंधों को प्राप्त करने में सक्षम हैं मात्रा। बेशक, अरबों परमाणुओं की कुल ऊर्जा की गणना करना अव्यावहारिक होगा, उनकी प्रभावी यादृच्छिकता को देखते हुए सटीक गति, इसलिए संबंधों को प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रक्रियाएं सांख्यिकीय यांत्रिकी और इसी तरह के आसपास बनाई गई थीं दृष्टिकोण।

अनिवार्य रूप से, धारणाओं को सरल बनाने और बड़ी संख्या में अणुओं पर "औसत" व्यवहार पर ध्यान केंद्रित किया गया अरबों में से एक के लिए अंतहीन गणनाओं में फंसने के बिना, वैज्ञानिक पूरे सिस्टम का विश्लेषण करने के लिए उपकरण हैं परमाणुओं की।

ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों को समझने के लिए, आपको यह सुनिश्चित करने की आवश्यकता है कि आप कुछ सबसे महत्वपूर्ण शब्दों को समझते हैं।तापमानकिसी पदार्थ में प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा का एक माप है - यानी अणु कितना घूम रहा है (तरल या गैस में) या जगह में (ठोस में) कंपन कर रहा है। तापमान के लिए एसआई इकाई केल्विन है, जहां 0 केल्विन को "पूर्ण शून्य" के रूप में जाना जाता है, जो कि है सबसे ठंडा संभव तापमान (अन्य प्रणालियों में शून्य तापमान के विपरीत), जहां सभी आणविक गति बंद हो जाता है।

​आंतरिक ऊर्जाएक प्रणाली में अणुओं की कुल ऊर्जा है, जिसका अर्थ है उनकी गतिज ऊर्जा और संभावित ऊर्जा का योग। दो पदार्थों के बीच तापमान में अंतर गर्मी को प्रवाहित करने की अनुमति देता है, जो कितापीय ऊर्जाजो एक से दूसरे में ट्रांसफर होता है।थर्मोडायनामिक कार्ययांत्रिक कार्य है जो ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग करके किया जाता है, जैसे कि ऊष्मा इंजन (कभी-कभी कार्नो इंजन कहा जाता है)।

​एन्ट्रापीएक अवधारणा है जिसे शब्दों में स्पष्ट रूप से परिभाषित करना मुश्किल है, लेकिन गणितीय रूप से इसे बोल्ट्जमान स्थिरांक के रूप में परिभाषित किया गया है (क​ = 1.381 × 10⁻²³ म² किलो⁻¹ क⁻¹) सिस्टम में माइक्रोस्टेट्स की संख्या के प्राकृतिक लघुगणक से गुणा किया जाता है। शब्दों में, इसे अक्सर "विकार" के माप के रूप में संदर्भित किया जाता है, लेकिन इसे अधिक सटीक रूप से डिग्री के रूप में सोचा जा सकता है मैक्रोस्कोपिक में देखे जाने पर एक प्रणाली की स्थिति बड़ी संख्या में अन्य राज्यों से अप्रभेद्य होती है स्तर।

उदाहरण के लिए, एक उलझे हुए हेडफ़ोन के तार में बड़ी संख्या में विशिष्ट संभावित व्यवस्थाएँ होती हैं, लेकिन उनमें से अधिकांश ठीक दिखती हैं दूसरों की तरह "उलझन" के रूप में और इसलिए उस राज्य की तुलना में उच्च एन्ट्रॉपी है जहां तार बड़े करीने से बिना किसी उलझाव के कुंडलित होता है।

ऊष्मप्रवैगिकी के शून्य नियम को इसकी संख्या मिलती है क्योंकि पहले, दूसरे और तीसरे नियम सबसे प्रसिद्ध हैं और व्यापक रूप से पढ़ाया जाता है, हालांकि, यह उतना ही महत्वपूर्ण है जब थर्मोडायनामिक की बातचीत को समझने की बात आती है सिस्टम ज़ीरोथ कानून कहता है कि यदि थर्मल सिस्टम ए थर्मल सिस्टम बी के साथ थर्मल संतुलन में है, और सिस्टम बी सिस्टम सी के साथ थर्मल संतुलन में है, तो सिस्टम ए सिस्टम के साथ संतुलन में होना चाहिए सी।

यह याद रखना आसान है यदि आप इस बारे में सोचते हैं कि एक प्रणाली के दूसरे के साथ संतुलन में होने का क्या अर्थ है। गर्मी और तापमान के संदर्भ में सोचना: दो सिस्टम एक दूसरे के साथ संतुलन में होते हैं जब गर्मी इस तरह प्रवाहित होती है कि उन्हें एक ही तापमान पर, एक समान गर्म तापमान की तरह, उबलते पानी को ठंडे जग में डालने के बाद आपको कुछ समय मिलता है पानी।

जब वे संतुलन में होते हैं (यानी एक ही तापमान पर), या तो कोई गर्मी हस्तांतरण नहीं होता है या किसी अन्य प्रणाली से प्रवाह द्वारा गर्मी प्रवाह की कोई छोटी मात्रा जल्दी से रद्द कर दी जाती है।

इस बारे में सोचकर, यह समझ में आता है कि यदि आप इस स्थिति में तीसरी प्रणाली लाते हैं, तो यह ओर स्थानांतरित हो जाएगा दूसरी प्रणाली के साथ संतुलन, और यदि यह संतुलन में है, तो यह पहले के साथ संतुलन में भी होगा प्रणाली भी।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम कहता है कि एक प्रणाली के लिए आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन (∆ .)यू) सिस्टम को हस्तांतरित गर्मी के बराबर है (क्यू) सिस्टम द्वारा किए गए कार्य को घटाकर (वू). प्रतीकों में, यह है:

यह अनिवार्य रूप से ऊर्जा के संरक्षण के नियम का एक बयान है। यदि ऊष्मा को स्थानांतरित किया जाता है तो सिस्टम ऊर्जा प्राप्त करता है और यदि यह किसी अन्य सिस्टम पर काम करता है तो इसे खो देता है, और विपरीत परिस्थितियों में ऊर्जा प्रवाह उलट जाता है। यह याद रखना कि गर्मी ऊर्जा हस्तांतरण का एक रूप है, और कार्य यांत्रिक ऊर्जा का स्थानांतरण है, यह देखना आसान है कि यह कानून केवल ऊर्जा के संरक्षण को फिर से बताता है।

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम कहता है कि एक बंद प्रणाली (यानी एक पृथक प्रणाली) की कुल एन्ट्रापी कभी कम नहीं होती है, लेकिन यह बढ़ सकती है या (सैद्धांतिक रूप से) वही रह सकती है।

इसे अक्सर इस अर्थ के रूप में व्याख्यायित किया जाता है कि किसी भी पृथक प्रणाली का "विकार" समय के साथ बढ़ता है, लेकिन जैसा कि ऊपर चर्चा की गई है, यह अवधारणा को देखने का एक सख्त सटीक तरीका नहीं है, हालांकि यह मोटे तौर पर है सही। ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम अनिवार्य रूप से बताता है कि यादृच्छिक प्रक्रियाएं शब्द के सख्त गणितीय अर्थ में "विकार" की ओर ले जाती हैं।

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के बारे में गलत धारणा का एक अन्य सामान्य स्रोत "बंद" का अर्थ है प्रणाली।" इसे बाहरी दुनिया से अलग एक प्रणाली के रूप में माना जाना चाहिए, लेकिन इस अलगाव के बिना, एन्ट्रापीकर सकते हैंकमी। उदाहरण के लिए, अपने आप छोड़ दिया गया एक गन्दा बेडरूम कभी भी साफ नहीं होगा, लेकिन यहकर सकते हैंअगर कोई प्रवेश करता है और उस पर काम करता है (यानी इसे साफ करता है) तो कम-एन्ट्रॉपी अधिक संगठित स्थिति में स्विच करें।

ऊष्मप्रवैगिकी के तीसरे नियम में कहा गया है कि जैसे ही एक प्रणाली का तापमान पूर्ण शून्य के करीब पहुंच जाता है, सिस्टम की एन्ट्रापी एक स्थिर हो जाती है। दूसरे शब्दों में, दूसरा कानून इस संभावना को छोड़ देता है कि एक प्रणाली की एन्ट्रापी स्थिर रह सकती है, लेकिन तीसरा कानून स्पष्ट करता है कि यह केवल तब होता है जबपरम शून्य​.

तीसरा नियम यह भी बताता है कि (और कभी-कभी कहा जाता है) किसी भी सीमित संख्या में संचालन के साथ सिस्टम के तापमान को पूर्ण शून्य तक कम करना असंभव है। दूसरे शब्दों में, वास्तव में पूर्ण शून्य तक पहुंचना अनिवार्य रूप से असंभव है, हालांकि इसके बहुत करीब पहुंचना और सिस्टम के लिए एन्ट्रापी में वृद्धि को कम करना संभव है।

जब सिस्टम निरपेक्ष शून्य के बहुत करीब पहुंच जाते हैं, तो असामान्य व्यवहार का परिणाम हो सकता है। उदाहरण के लिए, निरपेक्ष शून्य के करीब, कई सामग्री विद्युत प्रवाह के प्रवाह के लिए सभी प्रतिरोध खो देती है, सुपरकंडक्टिविटी नामक स्थिति में स्थानांतरित हो जाती है। इसका कारण यह है कि धारा का प्रतिरोध के नाभिक की गति की यादृच्छिकता द्वारा निर्मित होता है कंडक्टर में परमाणु - निरपेक्ष शून्य के करीब, वे मुश्किल से चलते हैं, और इसलिए प्रतिरोध कम से कम होता है।

ऊष्मप्रवैगिकी के नियम और ऊर्जा के संरक्षण के नियम बताते हैं कि स्थायी गति मशीनें क्यों संभव नहीं हैं। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के अनुसार, जो भी डिजाइन आप चुन सकते हैं, उसके लिए प्रक्रिया में हमेशा कुछ "अपशिष्ट" ऊर्जा पैदा होगी: सिस्टम की एन्ट्रापी बढ़ जाएगी।

ऊर्जा संरक्षण के नियम से पता चलता है कि मशीन में कोई भी ऊर्जा कहीं से आनी चाहिए, और एन्ट्रापी की ओर झुकाव से पता चलता है कि मशीन एक रूप से दूसरे रूप में ऊर्जा को पूरी तरह से प्रसारित क्यों नहीं करती है।

परिचय से पानी के पहिये और पंप के उदाहरण का उपयोग करते हुए, पानी के पहिये में गतिमान भाग होने चाहिए (उदाहरण के लिए, धुरा और उसका .) पहिए से कनेक्शन, और गियर जो पंप को ऊर्जा संचारित करते हैं), और ये घर्षण पैदा करेंगे, कुछ ऊर्जा खो देंगे तपिश।

यह एक छोटी सी समस्या की तरह लग सकता है, लेकिन ऊर्जा उत्पादन में एक छोटी सी गिरावट के साथ भी, पंप प्राप्त करने में सक्षम नहीं होगासबपानी वापस ऊपर उठी हुई सतह पर आ जाता है, जिससे अगले प्रयास के लिए उपलब्ध ऊर्जा कम हो जाती है। फिर, अगली बार, और अधिक व्यर्थ ऊर्जा होगी और अधिक पानी पंप करने में असमर्थ होगा, इत्यादि। इसके अलावा, पंप के तंत्र से ऊर्जा की हानि भी होगी।

उष्मागतिकी के दूसरे नियम के बारे में सोचते समय, आप सोच सकते हैं: यदि एक पृथक की एन्ट्रापी प्रणाली बढ़ती है, यह कैसे संभव हो सकता है कि मनुष्य जैसी उच्च "आदेशित" प्रणाली आ गई हो? मेरा शरीर भोजन के रूप में अव्यवस्थित इनपुट को कैसे लेता है और इसे ध्यान से डिजाइन की गई कोशिकाओं और अंगों में बदल देता है? क्या ये बिंदु ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के विपरीत नहीं हैं?

ये तर्क दोनों एक ही गलती करते हैं: मनुष्य एक "बंद प्रणाली" नहीं है (अर्थात पृथक प्रणाली) दुनिया के सख्त अर्थ में क्योंकि आप बातचीत करते हैं और आसपास से ऊर्जा ले सकते हैं ब्रम्हांड।

जब पृथ्वी पर पहली बार जीवन का उदय हुआ, हालांकि मामला उच्च-एन्ट्रॉपी से निम्न-एन्ट्रॉपी अवस्था में बदल गया, सूर्य से प्रणाली में एक ऊर्जा इनपुट था, और यह ऊर्जा एक प्रणाली को कम एन्ट्रॉपी बनने में सक्षम बनाती है समय। ध्यान दें कि ऊष्मप्रवैगिकी में, "ब्रह्मांड" का अर्थ अक्सर पूरे ब्रह्मांडीय ब्रह्मांड के बजाय एक राज्य के आसपास के वातावरण से लिया जाता है।

मानव शरीर के उदाहरण के लिए कोशिकाओं, अंगों और यहां तक ​​कि अन्य मनुष्यों को बनाने की प्रक्रिया में क्रम का उत्तर है answer वही: आप बाहर से ऊर्जा लेते हैं, और यह आपको कुछ ऐसे काम करने में सक्षम बनाता है जो. के दूसरे नियम की अवहेलना करते प्रतीत होते हैं ऊष्मप्रवैगिकी।

यदि आप ऊर्जा के अन्य स्रोतों से पूरी तरह से कट गए हैं, और आपने अपने शरीर की सभी संचित ऊर्जा का उपयोग किया है, तो यह वास्तव में यह सच होगा कि आप कोशिकाओं का निर्माण नहीं कर सकते हैं या ऐसी कोई भी गतिविधि नहीं कर सकते हैं जो आपको बनाए रखती हैं कामकाज। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम की स्पष्ट अवज्ञा के बिना, आप मर जाएंगे।