ऊष्मप्रवैगिकी –
ऊष्मप्रवैगिकी भौतिकी की एक शाखा है जो गर्मी , काम और तापमान से संबंधित है, और ऊर्जा, एन्ट्रापी और पदार्थ और विकिरण के भौतिक गुणों से उनका संबंध है। इन मात्राओं का व्यवहार ऊष्मप्रवैगिकी के चार नियमों द्वारा नियंत्रित होता है जो मापने योग्य मैक्रोस्कोपिक भौतिक मात्राओं का उपयोग करके एक मात्रात्मक विवरण देते हैं, लेकिन सांख्यिकीय यांत्रिकी द्वारा सूक्ष्म घटकों के संदर्भ में समझाया जा सकता है। ऊष्मप्रवैगिकी विज्ञान और विषयों की एक विस्तृत विविधता पर लागू होती हैइंजीनियरिंग, विशेष रूप से भौतिक रसायन विज्ञान, जैव रसायन, रसायन इंजीनियरिंग और मैकेनिकल इंजीनियरिंग, लेकिन मौसम विज्ञान जैसे अन्य जटिल क्षेत्रों में भी।
ऐतिहासिक रूप से, ऊष्मप्रवैगिकी शुरुआती भाप इंजनों की दक्षता बढ़ाने की इच्छा से विकसित हुई, विशेष रूप से फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी साडी कार्नोट (1824) के काम के माध्यम से, जो मानते थे कि इंजन दक्षता वह कुंजी थी जो फ्रांस को नेपोलियन युद्धों को जीतने में मदद कर सकती थी। स्कॉट्स-आयरिश भौतिक विज्ञानी लॉर्ड केल्विन 1854 में ऊष्मप्रवैगिकी की एक संक्षिप्त परिभाषा तैयार करने वाले पहले व्यक्ति थे जिसमें कहा गया था, “थर्मो-डायनामिक्स शरीर के सन्निहित भागों के बीच कार्य करने वाली शक्तियों के लिए गर्मी के संबंध का विषय है, और ताप का विद्युत एजेंसी से संबंध।“
जर्मन भौतिक विज्ञानी और गणितज्ञ रुडोल्फ क्लॉसियसकार्नोट के सिद्धांत को कार्नोट चक्र के रूप में जाना जाता है और इस तरह गर्मी के सिद्धांत को एक सच्चा और मजबूत आधार दिया। उनका सबसे महत्वपूर्ण पेपर, “ऑन द मूविंग फ़ोर्स ऑफ़ हीट”, 1850 में प्रकाशित हुआ, जिसने सबसे पहले थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम को बताया। 1865 में उन्होंने एंट्रॉपी की अवधारणा पेश की। 1870 में उन्होंने वायरल प्रमेय की शुरुआत की, जो गर्मी पर लागू होती है।
ऊष्मप्रवैगिकी का परिचय –
किसी भी ऊष्मप्रवैगिकी प्रणाली का विवरण ऊष्मप्रवैगिकी के चार नियमों को नियोजित करता है जो एक स्वयंसिद्ध आधार बनाते हैं। पहला कानून निर्दिष्ट करता है कि ऊर्जा को भौतिक प्रणालियों के बीच गर्मी के रूप में, काम के रूप में और पदार्थ के हस्तांतरण के साथ स्थानांतरित किया जा सकता है। दूसरा नियम एंट्रॉपी नामक मात्रा के अस्तित्व को परिभाषित करता है, जो दिशा का वर्णन करता है, थर्मोडायनामिक रूप से, कि एक प्रणाली विकसित हो सकती है और एक प्रणाली के क्रम की स्थिति को मापती है और इसका उपयोग उपयोगी कार्य को मापने के लिए किया जा सकता है जिसे निकाला जा सकता है सिस्टम से।
ऊष्मप्रवैगिकी में, वस्तुओं के बड़े समूहों के बीच परस्पर क्रियाओं का अध्ययन और वर्गीकरण किया जाता है। इसके केंद्र में थर्मोडायनामिक प्रणाली और उसके आसपास की अवधारणाएं हैं। एक प्रणाली कणों से बनी होती है, जिनकी औसत गति इसके गुणों को परिभाषित करती है, और वे गुण राज्य के समीकरणों के माध्यम से एक दूसरे से संबंधित होते हैं। गुणों को आंतरिक ऊर्जा और थर्मोडायनामिक क्षमता को व्यक्त करने के लिए जोड़ा जा सकता है, जो संतुलन और सहज प्रक्रियाओं के लिए शर्तों को निर्धारित करने के लए उपयोगी होते हैं।
ऊष्मप्रवैगिकी का इतिहास –
एक वैज्ञानिक विषय के रूप में ऊष्मप्रवैगिकी का इतिहास आमतौर पर ओटो वॉन गुएरिक के साथ शुरू होता है, जिन्होंने 1650 में दुनिया का पहला वैक्यूम पंप बनाया और डिजाइन किया और अपने मैगडेबर्ग गोलार्द्धों का उपयोग करके एक वैक्यूम का प्रदर्शन किया । अरस्तू के लंबे समय से चले आ रहे अनुमान का खंडन करने के लिए गुएरिक को एक निर्वात बनाने के लिए प्रेरित किया गया था कि ‘प्रकृति एक निर्वात को घृणा करती है’।
पहली थर्मोडायनामिक पाठ्यपुस्तक 1859 में विलियम रैनकिन द्वारा लिखी गई थी, जो मूल रूप से ग्लासगो विश्वविद्यालय में एक भौतिक विज्ञानी और एक सिविल और मैकेनिकल इंजीनियरिंग प्रोफेसर के रूप में प्रशिक्षित थे। ऊष्मप्रवैगिकी के पहले और दूसरे नियम 1850 के दशक में एक साथ उभरे, मुख्य रूप से विलियम रैंकिन, रुडोल्फ क्लॉसियस और विलियम थॉमसन (लॉर्ड केल्विन) के कार्यों से। जेम्स क्लर्क मैक्सवेल, लुडविग बोल्ट्जमैन, मैक्स प्लैंक, रुडोल्फ क्लॉसियस और जे. विलार्ड गिब्स जैसे भौतिकविदों द्वारा सांख्यिकीय ऊष्मप्रवैगिकी की नींव रखी गई थी ।
क्लॉज़ियस, जिन्होंने पहली बार 1850 में प्रकाशित अपने पेपर “ऑन द मूविंग फ़ोर्स ऑफ़ हीट” में दूसरे कानून के मूल विचारों को बताया , और इसे “ऊष्मप्रवैगिकी के संस्थापक पिताओं में से एक” कहा जाता है, ने अवधारणा पेश की 1865 में एंट्रॉपी की ।
1873-76 के वर्षों के दौरान अमेरिकी गणितीय भौतिक विज्ञानी जोशियाह विलार्ड गिब्स ने तीन पत्रों की एक श्रृंखला प्रकाशित की, जिनमें से सबसे प्रसिद्ध विषम पदार्थों के संतुलन पर है, जिसमें उन्होंने दिखाया कि कैसे रासायनिक प्रतिक्रियाओं सहित थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं का रेखांकन विश्लेषण किया जा सकता है।
ऊर्जा, एन्ट्रापी, आयतन, तापमान और थर्मोडायनामिक प्रणाली के दबाव का इस तरह से अध्ययन करके, कोई यह निर्धारित कर सकता है कि कोई प्रक्रिया सहज रूप से घटित होगी या नहीं। पियरे दुहेम भीउन्नीसवीं शताब्दी में रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी के बारे में लिखा। 20वीं शताब्दी की शुरुआत के दौरान, गिल्बर्ट एन. लुईस, मर्ले रैंडल, और ईए गुगेनहाइम जैसे रसायनज्ञों ने रासायनिक प्रक्रियाओं के विश्लेषण के लिए गिब्स के गणितीय तरीकों को लागू किया।
ऊष्मप्रवैगिकी की शाखाएँ –
ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों का अध्ययन कई संबंधित शाखाओं में विकसित हुआ है, प्रत्येक सैद्धांतिक या प्रयोगात्मक आधार के रूप में एक अलग मौलिक मॉडल का उपयोग कर रहा है, या अलग-अलग प्रकार के सिस्टम के सिद्धांतों को लागू कर रहा है।
· शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी –
शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी निकट-संतुलन पर ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों के राज्यों का वर्णन है, जो मैक्रोस्कोपिक, औसत दर्जे का गुणों का उपयोग करता है। इसका उपयोग ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों के आधार पर ऊर्जा, कार्य और ऊष्मा के आदान-प्रदान के मॉडल के लिए किया जाता है । क्वालिफायर क्लासिकल इस तथ्य को दर्शाता है कि यह विषय की समझ के पहले स्तर का प्रतिनिधित्व करता है क्योंकि यह 19वीं शताब्दी में विकसित हुआ था और मैक्रोस्कोपिक अनुभवजन्य (बड़े पैमाने पर, और मापने योग्य) मापदंडों के संदर्भ में एक प्रणाली के परिवर्तनों का वर्णन करता है।
· सांख्यिकीय यांत्रिकी –
सांख्यिकीय यांत्रिकी , जिसे सांख्यिकीय ऊष्मप्रवैगिकी के रूप में भी जाना जाता है, 19वीं सदी के अंत और 20वीं सदी की शुरुआत में परमाणु और आणविक सिद्धांतों के विकास के साथ उभरा, और व्यक्तिगत कणों या क्वांटम-यांत्रिक राज्यों के बीच सूक्ष्म बातचीत की व्याख्या के साथ शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी को पूरक बनाया। यह क्षेत्र व्यक्तिगत परमाणुओं और अणुओं के सूक्ष्म गुणों को मैक्रोस्कोपिक, सामग्री के थोक गुणों से संबंधित करता है जिसे मानव पैमाने पर देखा जा सकता है, जिससे शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी को सूक्ष्म स्तर पर सांख्यिकी, शास्त्रीय यांत्रिकी और क्वांटम सिद्धांत के प्राकृतिक परिणाम के रूप में समझा जा सकता है।
· रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी –
रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी रासायनिक प्रतिक्रियाओं के साथ या ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों की सीमाओं के भीतर राज्य के भौतिक परिवर्तन के साथ ऊर्जा के अंतर्संबंध का अध्ययन है । रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी का प्राथमिक उद्देश्य किसी दिए गए परिवर्तन की सहजता का निर्धारण करना है।
· संतुलन थर्मोडायनामिक्स –
संतुलन थर्मोडायनामिक्ससिस्टम या निकायों में पदार्थ और ऊर्जा के स्थानान्तरण का अध्ययन है, जो एजेंसियों द्वारा उनके परिवेश में, थर्मोडायनामिक संतुलन के एक राज्य से दूसरे में संचालित किया जा सकता है। ‘थर्मोडायनामिक संतुलन’ शब्द संतुलन की स्थिति को इंगित करता है, जिसमें सभी मैक्रोस्कोपिक प्रवाह शून्य होते हैं; सबसे सरल प्रणालियों या निकायों के मामले में, उनके गहन गुण सजातीय होते हैं, और उनके दबाव उनकी सीमाओं के लंबवत होते हैं। एक संतुलन स्थिति में सिस्टम के मैक्रोस्कोपिक रूप से अलग भागों के बीच कोई असंतुलित क्षमता या ड्राइविंग बल नहीं होते हैं।
· गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी –
गैर-संतुलन थर्मोडायनामिक्स थर्मोडायनामिक्स की एक शाखा है जो उन प्रणालियों से संबंधित है जो थर्मोडायनामिक संतुलन में नहीं हैं । प्रकृति में पाई जाने वाली अधिकांश प्रणालियाँ थर्मोडायनामिक संतुलन में नहीं हैं क्योंकि वे स्थिर अवस्था में नहीं हैं, और लगातार और निरंतर रूप से पदार्थ और ऊर्जा के प्रवाह के अधीन हैं और अन्य प्रणालियों से हैं। गैर-संतुलन प्रणालियों के उष्मागतिकीय अध्ययन के लिए साम्य ऊष्मप्रवैगिकी द्वारा निपटाए जाने की तुलना में अधिक सामान्य अवधारणाओं की आवश्यकता होती है। कई प्राकृतिक प्रणालियां आज भी वर्तमान में ज्ञात मैक्रोस्कोपिक थर्मोडायनामिक विधियों के दायरे से बाहर हैं।
ऊष्मप्रवैगिकी के नियम –
पहला कानून –
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम कहता है: पदार्थ के हस्तांतरण के बिना एक प्रक्रिया में, आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन , ∆U उष्मागतिकीय प्रणाली का उष्मा के रूप में प्राप्त ऊर्जा के बराबर है, Q थर्मोडायनामिक कार्य कम करें, W, सिस्टम द्वारा अपने परिवेश पर किया गया।
∆ U = Q – W
दूसरा कानून –
मैक्रोस्कोपिक ऊष्मप्रवैगिकी में, दूसरा नियम किसी भी वास्तविक उष्मागतिक प्रक्रिया पर लागू होने वाला एक बुनियादी अवलोकन है; सांख्यिकीय ऊष्मप्रवैगिकी में, दूसरे नियम को आणविक अराजकता का परिणाम माना जाता है।
तीसरा कानून –
ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम बताता है: जैसे ही एक प्रणाली का तापमान पूर्ण शून्य के करीब पहुंचता है, सभी प्रक्रियाएं बंद हो जाती हैं और सिस्टम की एन्ट्रापी एक न्यूनतम मूल्य तक पहुंच जाती है।
ऊष्मप्रवैगिकी का यह नियम एन्ट्रापी और तापमान के परम शून्य तक पहुँचने की असंभवता के संबंध में प्रकृति का एक सांख्यिकीय नियम है।
“सभी प्रणालियों की एन्ट्रापी और एक प्रणाली के सभी राज्य पूर्ण शून्य पर सबसे छोटे हैं,” या समकक्ष “किसी भी परिमित संख्या में प्रक्रियाओं द्वारा तापमान के पूर्ण शून्य तक पहुंचना असंभव है”।
पूर्ण शून्य, जिस पर सभी गतिविधि बंद हो जाएगी यदि इसे प्राप्त करना संभव था, -273.15 °C (डिग्री सेल्सियस), या -459.67 °F (डिग्री फ़ारेनहाइट), या 0 K (केल्विन), या 0° R (डिग्री रैंकिन ) है )
स्वयंसिद्ध ऊष्मप्रवैगिकी –
स्वयंसिद्ध ऊष्मप्रवैगिकी एक गणितीय अनुशासन है जिसका उद्देश्य कठोर स्वयंसिद्धों के संदर्भ में ऊष्मप्रवैगिकी का वर्णन करना है, उदाहरण के लिए ऊष्मप्रवैगिकी के परिचित कानूनों को व्यक्त करने के लिए गणितीय रूप से कठोर तरीका खोजना।
ऊष्मप्रवैगिकी के एक स्वयंसिद्ध सिद्धांत पर पहला प्रयास कॉन्स्टेंटिन कैराथियोडोरी का 1909 का काम थर्मोडायनामिक्स की नींव पर जांच था, जिसने Pfaffian सिस्टम और एडियाबेटिक एक्सेसिबिलिटी की अवधारणा का उपयोग किया था, एक धारणा जो खुद कैराथोडोरी द्वारा पेश की गई थी। इस सूत्रीकरण में ऊष्मा, एन्ट्रापी और तापमान जैसी थर्मोडायनामिक अवधारणाएं उन मात्राओं से प्राप्त होती हैं जो अधिक प्रत्यक्ष रूप से मापी जा सकती हैं। सिद्धांत जो बाद में आए, इस अर्थ में भिन्न थे कि उन्होंने थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं के बारे में धारणाएं बनाईंमनमाने प्रारंभिक और अंतिम राज्यों के साथ, केवल पड़ोसी राज्यों पर विचार करने के विरोध में।
अनुप्रयुक्त क्षेत्र –
· वायुमंडलीय ऊष्मप्रवैगिकी
· जैविक ऊष्मप्रवैगिकी
· ब्लैक होल ऊष्मप्रवैगिकी
· रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी
· शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी
· संतुलन थर्मोडायनामिक्स
· औद्योगिक पारिस्थितिकी (पुन: Exergy )
· अधिकतम एन्ट्रापी ऊष्मप्रवैगिकी
· गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी
· थर्मल और सांख्यिकीय भौतिकी का दर्शन
· मनोमिति
· क्वांटम थर्मोडायनामिक्स
· सांख्यिकीय ऊष्मप्रवैगिकी , यानी सांख्यिकीय यांत्रिकी
· थर्मोइकॉनॉमिक्स
· पॉलिमर रसायन
· अक्षय ऊर्जा ऊष्मप्रवैगिकी
By Chanchal Sailani | January 17, 2023, | Editor at Gurugrah_Blogs.
