ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम: परिभाषा, समीकरण और उदाहरण

समुद्र तट पर रेत का महल दिन ढलते ही धीरे-धीरे उखड़ जाता है। लेकिन कोई व्यक्ति जो उल्टा देखता है - रेत अनायास महल के आकार में कूद जाती है - वह कहेगा कि वे एक रिकॉर्डिंग देख रहे होंगे, वास्तविकता नहीं। इसी तरह, एक गिलास आइस्ड टी जिसमें क्यूब्स समय के साथ पिघलते हैं, हमारी अपेक्षाओं से मेल खाते हैं, लेकिन एक गिलास तरल नहीं जिसमें बर्फ के टुकड़े अनायास बनते हैं।

इसका कारण यह है कि कुछ प्राकृतिक प्रक्रियाएं समय के साथ आगे बढ़ने के लिए समझ में आती हैं लेकिन समय में पीछे नहीं होती हैं, थर्मोडायनामिक्स के दूसरे कानून के साथ होती हैं। यह महत्वपूर्ण नियम ब्रह्मांड का एकमात्र भौतिक विवरण है जो समय पर निर्भर करता है कि एक विशेष दिशा है, जिसमें हम केवल आगे बढ़ सकते हैं।

इसके विपरीत, न्यूटन के नियम या किनेमेटिक्स समीकरण, दोनों वस्तुओं की गति का वर्णन करने के लिए उपयोग किए जाते हैं, कार्य समान रूप से अच्छी तरह से क्या एक भौतिक विज्ञानी फ़ुटबॉल के चाप का विश्लेषण करने का निर्णय लेता है क्योंकि यह आगे बढ़ता है या उलटना। यही कारण है कि ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम को कभी-कभी "समय का तीर" भी कहा जाता है।

सांख्यिकीय यांत्रिकी भौतिकी की वह शाखा है जो सूक्ष्म-पैमाने के व्यवहार से संबंधित है, जैसे कि. की गति एक बंद कमरे में हवा के अणु, बाद के मैक्रोस्कोपिक अवलोकनों के लिए, जैसे कि कमरे का समग्र तापमान। दूसरे शब्दों में, एक मानव जो असंख्य अदृश्य स्वतःस्फूर्त प्रक्रियाओं को प्रत्यक्ष रूप से देख सकता है, जो एक साथ इसे घटित करती हैं, को जोड़ना।

एक माइक्रोस्टेट एक बंद थर्मोडायनामिक प्रणाली में सभी अणुओं की एक संभावित व्यवस्था और ऊर्जा वितरण है। उदाहरण के लिए, एक माइक्रोस्टेट हॉट चॉकलेट के थर्मस के अंदर प्रत्येक चीनी और पानी के अणु की स्थिति और गतिज ऊर्जा का वर्णन कर सकता है।

दूसरी ओर, एक मैक्रोस्टेट, एक प्रणाली के सभी संभावित माइक्रोस्टेट्स का सेट है: थर्मस के अंदर चीनी और पानी के अणुओं को व्यवस्थित करने के सभी संभावित तरीके। जिस तरह से एक भौतिक विज्ञानी मैक्रोस्टेट का वर्णन करता है वह तापमान, दबाव और आयतन जैसे चर का उपयोग करके होता है।

यह आवश्यक है क्योंकि किसी दिए गए मैक्रोस्टेट में संभावित माइक्रोस्टेट्स की संख्या निपटने के लिए बहुत बड़ी है। 30 डिग्री सेल्सियस पर एक कमरा एक उपयोगी माप है, हालांकि यह जानने के लिए कि यह 30 डिग्री है, कमरे में प्रत्येक वायु अणु के विशिष्ट गुणों को प्रकट नहीं करता है।

हालांकि मैक्रोस्टेट्स आमतौर पर थर्मोडायनामिक्स के बारे में बात करते समय, माइक्रोस्टेट्स को समझने के लिए उपयोग किए जाते हैं प्रासंगिक है क्योंकि वे उन अंतर्निहित भौतिक तंत्रों का वर्णन करते हैं जो उन्हें बड़े की ओर ले जाते हैं माप।

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।

ऊष्मप्रवैगिकी के संदर्भ में, इसे अधिक विशेष रूप से एक बंद प्रणाली में तापीय ऊर्जा की मात्रा के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो उपयोगी कार्य करने के लिए उपलब्ध नहीं है।

उपयोगी ऊर्जा का तापीय ऊर्जा में परिवर्तन एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया है। इस वजह से, यह इस प्रकार है कि एक बंद प्रणाली में एन्ट्रापी की कुल मात्रा - संपूर्ण ब्रह्मांड सहित - केवलबढ़ना​.

यह अवधारणा बताती है कि एंट्रॉपी उस दिशा से कैसे संबंधित है जो समय प्रवाहित होती है। यदि भौतिक विज्ञानी एक बंद प्रणाली के कई स्नैपशॉट लेने में सक्षम थे, तो डेटा के साथ कितना एन्ट्रापी था प्रत्येक में, वे उन्हें "समय के तीर" के बाद समय क्रम में रख सकते हैं - कम से अधिक की ओर जा रहे हैं एन्ट्रापी

अधिक तकनीकी प्राप्त करने के लिए, गणितीय रूप से, एक प्रणाली की एन्ट्रापी को निम्नलिखित सूत्र द्वारा परिभाषित किया जाता है, जिसे बोल्ट्जमैन ने भी पेश किया था:

कहां हैयूसिस्टम में माइक्रोस्टेट्स की संख्या है (सिस्टम को ऑर्डर करने के तरीकों की संख्या),कबोल्ट्ज़मान स्थिरांक है (आदर्श गैस स्थिरांक को अवोगाद्रो स्थिरांक से विभाजित करके पाया जाता है: १.३८०६४९ × १०⁻²³ जम्मू/कश्मीर) औरएलएनप्राकृतिक लघुगणक है (आधार का लघुगणक)इ​).

इस फॉर्मूले का मुख्य उपाय यह दिखाना है कि जैसे-जैसे माइक्रोस्टेट्स की संख्या, या सिस्टम को ऑर्डर करने के तरीके बढ़ते हैं, वैसे-वैसे इसकी एन्ट्रापी भी बढ़ती है।

एक मैक्रोस्टेट से दूसरे में जाने पर सिस्टम की एन्ट्रॉपी में परिवर्तन को मैक्रोस्टेट चर गर्मी और समय के संदर्भ में वर्णित किया जा सकता है:

कहां हैटीतापमान है औरक्यूएक प्रतिवर्ती प्रक्रिया में गर्मी हस्तांतरण 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 थर्मोडायनामिक 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 से अधिक व्यवस्था की ओर ले जाना; ऐसा होने की संभावना बहुत कम है।

उदाहरण के लिए, उन सभी माइक्रोस्टेट्स में जिनमें कार्डों का एक बेतरतीब ढंग से फेरबदल किया गया डेक समाप्त हो सकता है - 8.066 × 10⁶⁷ - उन विकल्पों में से केवल एक ही मूल पैकेज में उनके ऑर्डर के बराबर है। इतोसकता हैहोता है, लेकिन संभावनाएं बहुत कम होती हैं। कुल मिलाकर, सब कुछ स्वाभाविक रूप से अव्यवस्था की ओर जाता है।

एंट्रोपी को एक प्रणाली की अव्यवस्था या यादृच्छिकता के माप के रूप में माना जा सकता है। ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम कहता है कि यह हमेशा वही रहता है या बढ़ता है, लेकिन कभी घटता नहीं है। यह सांख्यिकीय यांत्रिकी का प्रत्यक्ष परिणाम है, क्योंकि विवरण अत्यंत दुर्लभ उदाहरण पर निर्भर नहीं करता है जहां ताश के पत्तों का एक डेक सही क्रम में फेरबदल करता है, लेकिन अव्यवस्था में वृद्धि के लिए एक प्रणाली की समग्र प्रवृत्ति पर।

इस अवधारणा के बारे में सोचने का एक सरल तरीका यह है कि वस्तुओं के दो सेटों को मिलाने से पहले उन्हें मिलाने की तुलना में अधिक समय और प्रयास लगता है। किसी बच्चे के माता-पिता को सत्यापित करने के लिए कहें; इसे साफ करने की तुलना में बड़ी गड़बड़ी करना आसान है!

वास्तविक दुनिया में बहुत से अन्य अवलोकन हमारे लिए एक तरह से "समझ में आते हैं" लेकिन दूसरे नहीं क्योंकि वे थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम का पालन करते हैं:

• उच्च तापमान पर वस्तुओं से कम तापमान पर वस्तुओं में गर्मी प्रवाहित होती है, न कि दूसरी तरफ चारों ओर (बर्फ के टुकड़े पिघल जाते हैं और टेबल पर बची हुई गर्म कॉफी धीरे-धीरे ठंडी हो जाती है जब तक कि यह कमरे से मेल नहीं खाती .) तापमान)।
• परित्यक्त इमारतें धीरे-धीरे उखड़ जाती हैं और खुद का पुनर्निर्माण नहीं करती हैं।
• खेल के मैदान के साथ लुढ़कती एक गेंद धीमी हो जाती है और अंततः रुक जाती है, क्योंकि घर्षण इसकी गतिज ऊर्जा को अनुपयोगी तापीय ऊर्जा में बदल देता है।
  

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम समय के तीर की अवधारणा का औपचारिक रूप से वर्णन करने का एक और तरीका है: समय के साथ आगे बढ़ते हुए, ब्रह्मांड का एन्ट्रापी परिवर्तन नकारात्मक नहीं हो सकता।

यदि आदेश केवल लगातार बढ़ रहा है, तो दुनिया भर में देखने से क्रमबद्ध स्थितियों के बहुत सारे उदाहरण क्यों सामने आते हैं?

जबकि एंट्रोपीकुल मिलाकरहमेशा बढ़ रहा है, स्थानीयकम हो जाती हैएन्ट्रापी में बड़े सिस्टम की जेब के भीतर संभव है। उदाहरण के लिए, मानव शरीर एक बहुत ही व्यवस्थित, व्यवस्थित प्रणाली है - यह एक गन्दा सूप को उत्कृष्ट हड्डियों और अन्य जटिल संरचनाओं में भी बदल देता है। हालांकि, ऐसा करने के लिए, शरीर ऊर्जा लेता है और अपशिष्ट पैदा करता है क्योंकि यह अपने परिवेश के साथ बातचीत करता है। इसलिए, भले ही यह सब करने वाला व्यक्ति खाने/शरीर के अंगों के निर्माण/अपशिष्ट चक्र के अंत में अपने शरीर के भीतर कम एन्ट्रॉपी का अनुभव कर सकता है,प्रणाली की कुल एन्ट्रापी- शरीर और उसके चारों ओर सब कुछ - स्थिरबढ़ती है​.

इसी तरह, एक प्रेरित बच्चा अपने कमरे को साफ करने में सक्षम हो सकता है, लेकिन उन्होंने इस दौरान ऊर्जा को गर्मी में बदल दिया प्रक्रिया (अपने स्वयं के पसीने और वस्तुओं के बीच घर्षण से उत्पन्न गर्मी के बारे में सोचें) चारों तरफ)। उन्होंने संभवत: बहुत सारे अराजक कूड़ेदान भी फेंके, संभवतः इस प्रक्रिया में टुकड़े टुकड़े हो गए। फिर से, ज़िप कोड में एन्ट्रापी समग्र रूप से बढ़ जाती है, भले ही वह कमरा स्पिक और स्पैन समाप्त हो।

बड़े पैमाने पर, ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम अंतिम भविष्यवाणी करता हैगर्मी से मौतब्रह्माण्ड का। आग की लपटों में मरने वाले ब्रह्मांड के साथ भ्रमित होने की नहीं, वाक्यांश अधिक सटीक रूप से इस विचार को संदर्भित करता है कि अंततः सभी उपयोगी ऊर्जा को तापीय ऊर्जा, या ऊष्मा में परिवर्तित किया जाएगा, क्योंकि अपरिवर्तनीय प्रक्रिया लगभग हर समय लगभग हर जगह हो रही है। इसके अलावा, यह सारी गर्मी अंततः एक स्थिर तापमान, या थर्मल संतुलन तक पहुंच जाएगी, क्योंकि इसके अलावा और कुछ नहीं होगा।

ब्रह्मांड की गर्मी से मृत्यु के बारे में एक आम गलत धारणा यह है कि यह उस समय का प्रतिनिधित्व करता है जब ब्रह्मांड में कोई ऊर्जा नहीं बची है। यह वह मामला नहीं है! बल्कि, यह उस समय का वर्णन करता है जब सभी उपयोगी ऊर्जा को तापीय ऊर्जा में बदल दिया गया है जो सभी तक पहुंच गई है एक ही तापमान, आधा गर्म और आधा ठंडा पानी से भरे स्विमिंग पूल की तरह, फिर सब से बाहर छोड़ दिया दोपहर।

परिचयात्मक थर्मोडायनामिक्स में दूसरा कानून सबसे गर्म (या कम से कम सबसे अधिक जोर दिया गया) हो सकता है, लेकिन जैसा कि नाम से ही स्पष्ट है, यह केवल एक ही नहीं है। अन्य पर साइट पर अन्य लेखों में अधिक विस्तार से चर्चा की गई है, लेकिन यहां उनकी एक संक्षिप्त रूपरेखा दी गई है:

​ऊष्मप्रवैगिकी का शून्य नियम।इसलिए नाम दिया गया क्योंकि यह ऊष्मप्रवैगिकी के अन्य नियमों के अंतर्गत आता है, ज़ीरोथ कानून अनिवार्य रूप से वर्णन करता है कि तापमान क्या है। इसमें कहा गया है कि जब दो प्रणालियाँ एक तीसरी प्रणाली के साथ तापीय संतुलन में हों, तो वे आवश्यक रूप से एक दूसरे के साथ तापीय संतुलन में भी होनी चाहिए। दूसरे शब्दों में, तीनों प्रणालियों का तापमान समान होना चाहिए। जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने इस कानून के मुख्य परिणाम को "सभी गर्मी एक ही तरह की है" के रूप में वर्णित किया।

​ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम।यह नियम ऊर्जा के संरक्षण को ऊष्मागतिकी पर लागू करता है। यह बताता है कि एक प्रणाली के लिए आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन प्रणाली में जोड़े गए गर्मी और सिस्टम द्वारा किए गए कार्य के बीच के अंतर के बराबर है:

कहा पेयूऊर्जा है,क्यूगर्मी है औरवूकाम है, सभी को आम तौर पर जूल में मापा जाता है (हालांकि कभी-कभी बीटस या कैलोरी में)।

​ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम।यह कानून परिभाषित करता हैपरम शून्यएन्ट्रापी के संदर्भ में। यह बताता है कि एक पूर्ण क्रिस्टल में शून्य एन्ट्रॉपी होती है जब उसका तापमान पूर्ण शून्य या 0 केल्विन होता है। क्रिस्टल को पूरी तरह से व्यवस्थित किया जाना चाहिए अन्यथा इसकी संरचना में कुछ अंतर्निहित विकार (एन्ट्रॉपी) होगा। इस तापमान पर, क्रिस्टल के अणुओं में कोई गति नहीं होती है (जिसे तापीय ऊर्जा या एन्ट्रापी भी माना जाएगा)।

ध्यान दें कि जब ब्रह्मांड ऊष्मीय संतुलन की अपनी अंतिम अवस्था तक पहुँच जाता है - इसकी ऊष्मा मृत्यु - यह एक तापमान पर पहुँच जाता हैउच्चतरनिरपेक्ष शून्य की तुलना में।