थर्मोडायनामिक ऑपरेशन
थर्मोडायनामिक ऑपरेशन एक बाहरी रूप से लगाया गया हेरफेर है जो थर्मोडायनामिक प्रणाली को प्रभावित करता है। परिवर्तन या तो थर्मोडायनामिक सिस्टम और उसके परिवेश के बीच संबंध या दीवार में हो सकता है, या परिवेश में कुछ चर के मूल्य में हो सकता है जो सिस्टम की एक दीवार के संपर्क में है जो उस चर से संबंधित व्यापक मात्रा के हस्तांतरण की अनुमति देता है।[1][2][3][4] ऊष्मप्रवैगिकी में यह माना जाता है कि ऑपरेशन किसी भी प्रासंगिक सूक्ष्म सूचना की अज्ञानता में किया जाता है।
थर्मोडायनामिक ऑपरेशन के लिए एक स्वतंत्र बाहरी एजेंसी से योगदान की आवश्यकता होती है, जो सिस्टम के निष्क्रिय गुणों से नहीं आती है। शायद थर्मोडायनामिक ऑपरेशन और थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के बीच अंतर की पहली अभिव्यक्ति केल्विन के थर्मोडायनामिक्स के दूसरे कानून के बयान में है: यह असंभव है, निर्जीव सामग्री एजेंसी के माध्यम से, पदार्थ के किसी भी हिस्से से यांत्रिक प्रभाव प्राप्त करने के लिए इसे नीचे ठंडा करके आसपास की वस्तुओं का तापमान। निर्जीव सामग्री एजेंसी के माध्यम से घटित होने वाली घटनाओं का एक क्रम एक चेतन एजेंसी, या कम से कम एक स्वतंत्र बाहरी एजेंसी द्वारा कार्रवाई की आवश्यकता होगी। ऐसी एजेंसी कुछ थर्मोडायनामिक ऑपरेशन लगा सकती है। उदाहरण के लिए, वे ऑपरेशन एक ऊष्मा पम्प बना सकते हैं, जो निश्चित रूप से दूसरे नियम का पालन करेगा। मैक्सवेल का दानव एक अत्यंत आदर्श और स्वाभाविक रूप से अवास्तविक प्रकार का थर्मोडायनामिक ऑपरेशन करता है।[5] एक अन्य आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला शब्द जो थर्मोडायनामिक ऑपरेशन को इंगित करता है, 'बाधाओं का परिवर्तन' है, उदाहरण के लिए दो अलग-अलग डिब्बों के बीच की दीवार को हटाने का जिक्र है।
थर्मोडायनामिक ऑपरेशन के लिए एक सामान्य भाषा अभिव्यक्ति एडवर्ड ए गुगेनहाइम द्वारा उपयोग की जाती है: निकायों के साथ छेड़छाड़।[6]
थर्मोडायनामिक ऑपरेशन और थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के बीच का अंतर
एक विशिष्ट थर्मोडायनामिक ऑपरेशन एक पिस्टन की स्थिति में बाह्य रूप से लगाया गया परिवर्तन है, ताकि ब्याज की प्रणाली की मात्रा में परिवर्तन किया जा सके। एक अन्य थर्मोडायनामिक ऑपरेशन प्रारंभिक रूप से अलग करने वाली दीवार को हटाना है, एक हेरफेर जो दो प्रणालियों को एक अविभाजित प्रणाली में जोड़ता है। एक विशिष्ट थर्मोडायनामिक प्रक्रिया में एक पुनर्वितरण होता है जो एक प्रणाली और उसके आसपास के बीच एक पूर्व अभेद्य लेकिन नई अर्ध-पारगम्य दीवार के बीच एक संरक्षित मात्रा को फैलाता है।[7] अधिक आम तौर पर, एक प्रक्रिया को कुछ मात्रा के हस्तांतरण के रूप में माना जा सकता है जो कि एक संरक्षित मात्रा के अनुरूप प्रणाली के एक व्यापक राज्य चर के परिवर्तन से परिभाषित होता है, ताकि एक हस्तांतरण संतुलन समीकरण लिखा जा सके।[8] उफिंक के अनुसार, ... थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं सिस्टम पर बाहरी हस्तक्षेप के बाद ही होती हैं (जैसे: विभाजन को हटाना, हीट बाथ के साथ थर्मल संपर्क स्थापित करना, पिस्टन को धक्का देना आदि)। वे एक मुक्त प्रणाली के स्वायत्त व्यवहार के अनुरूप नहीं हैं।[9] उदाहरण के लिए, ब्याज की एक बंद प्रणाली के लिए, आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन (प्रणाली का एक व्यापक राज्य चर) गर्मी के रूप में ऊर्जा के हस्तांतरण के कारण हो सकता है। ऊष्मप्रवैगिकी में, गर्मी प्रणाली का एक व्यापक राज्य चर नहीं है। हालाँकि, हस्तांतरित ऊष्मा की मात्रा को एडियाबेटिक कार्य की मात्रा द्वारा परिभाषित किया जाता है जो आंतरिक ऊर्जा के समान परिवर्तन को ऊष्मा हस्तांतरण के रूप में उत्पन्न करेगा; ऊष्मा के रूप में स्थानांतरित ऊर्जा संरक्षित मात्रा है।
इतिहास के मामले में, उन्नीसवीं शताब्दी के खातों में थर्मोडायनामिक ऑपरेशन और थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के बीच का अंतर इन शब्दों में नहीं पाया जाता है। उदाहरण के लिए, केल्विन ने थर्मोडायनामिक ऑपरेशन की बात की, जब उनका मतलब था कि वर्तमान शब्दावली थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के बाद थर्मोडायनामिक ऑपरेशन कहती है।[10] फिर से, प्लैंक ने आमतौर पर एक प्रक्रिया के बारे में बात की जब हमारी वर्तमान शब्दावली थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के बाद थर्मोडायनामिक ऑपरेशन की बात करेगी।[11][12]
===प्लैंक की प्राकृतिक प्रक्रियाएं मैक्सवेल के दानव === के कार्यों के विपरीत थीं
प्लैंक ने माना कि सभी प्राकृतिक प्रक्रियाएं (अर्थात्, वर्तमान शब्दावली में, थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के बाद एक थर्मोडायनामिक ऑपरेशन) अपरिवर्तनीय हैं और एंट्रॉपी योग की वृद्धि के अर्थ में आगे बढ़ती हैं।[13] इन शब्दों में, यह उष्मागतिक संक्रियाओं द्वारा होगा कि, यदि वह मौजूद हो सकता है, तो मैक्सवेल का दानव अप्राकृतिक मामलों का संचालन करेगा, जिसमें उष्मागतिकीय संतुलन से दूर अर्थ में संक्रमण शामिल है। वे एक बिंदु तक भौतिक रूप से सैद्धांतिक रूप से बोधगम्य हैं, लेकिन प्लैंक के अर्थ में प्राकृतिक प्रक्रियाएं नहीं हैं। इसका कारण यह है कि मैक्सवेल के दानव के प्रयासों के लिए आवश्यक सूक्ष्म सूचनाओं के पूर्ण अज्ञान में सामान्य थर्मोडायनामिक संचालन किए जाते हैं।
थर्मोडायनामिक संचालन के उदाहरण
थर्मोडायनामिक चक्र
एक थर्मोडायनामिक चक्र का निर्माण चरणों या चरणों के अनुक्रम के रूप में किया जाता है। प्रत्येक चरण में थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के बाद एक थर्मोडायनामिक ऑपरेशन होता है। उदाहरण के लिए, एक कार्नाट ताप इंजन के एक चक्र के प्रारंभिक थर्मोडायनामिक ऑपरेशन को एक ज्ञात उच्च तापमान पर, एक ही तापमान (गर्म जलाशय) पर एक थर्मल जलाशय के संपर्क में, कार्य निकाय की सेटिंग के रूप में लिया जा सकता है। दीवार केवल गर्मी के लिए पारगम्य है, जबकि यह कार्य जलाशय के साथ यांत्रिक संपर्क में रहती है। इस थर्मोडायनामिक ऑपरेशन के बाद एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया होती है, जिसमें कार्य निकाय का विस्तार इतना धीमा होता है कि प्रभावी रूप से प्रतिवर्ती हो जाता है, जबकि आंतरिक ऊर्जा को गर्म जलाशय से कार्यशील निकाय तक और कार्य निकाय से कार्य के रूप में स्थानांतरित किया जाता है। कार्य जलाशय। सैद्धांतिक रूप से, प्रक्रिया अंततः समाप्त हो जाती है, और यह चरण समाप्त होता है। इंजन तब एक अन्य थर्मोडायनामिक ऑपरेशन के अधीन होता है, और चक्र दूसरे चरण में आगे बढ़ता है। चक्र तब पूरा होता है जब कार्य निकाय के थर्मोडायनामिक चर (थर्मोडायनामिक अवस्था) अपने प्रारंभिक मूल्यों पर लौट आते हैं।
वर्चुअल थर्मोडायनामिक ऑपरेशन
एक रेफ़्रिजरेटर काम करने वाले पदार्थ को उत्तरोत्तर चरणों से गुजारता है, कुल मिलाकर एक चक्र बनता है। यह काम करने वाले पदार्थ के एक स्थिर शरीर के चारों ओर अलग-अलग दीवारों को स्थानांतरित करने या बदलने के द्वारा नहीं लाया जा सकता है, बल्कि अपरिवर्तित अपरिवर्तनीय दीवारों के चक्रीय उत्तराधिकार के संपर्क में आने के लिए काम करने वाले पदार्थ के शरीर को स्थानांतरित करके किया जा सकता है। प्रभाव वस्तुतः थर्मोडायनामिक संचालन का एक चक्र है। काम करने वाले पदार्थ की बल्क गति की गतिज ऊर्जा डिवाइस की एक महत्वपूर्ण विशेषता नहीं है, और काम करने वाले पदार्थ को व्यावहारिक रूप से आराम के रूप में माना जा सकता है।
सिस्टम की संरचना
ऊष्मप्रवैगिकी में तर्क की कई श्रृंखलाओं के लिए, दो प्रणालियों के एक में संयोजन के बारे में सोचना सुविधाजनक है। यह कल्पना की जाती है कि दो प्रणालियाँ, अपने परिवेश से अलग होकर, पास-पास हैं और (दृष्टिकोण में बदलाव के द्वारा) एक नई, समग्र प्रणाली का गठन करने के रूप में माना जाता है। इसके नए समग्र परिवेश के बीच समग्र प्रणाली की कल्पना की गई है। यह दो उप-प्रणालियों के बीच और समग्र प्रणाली और इसके समग्र परिवेश के बीच बातचीत की संभावना को स्थापित करता है, उदाहरण के लिए एक विशेष प्रकार की पारगम्यता वाली दीवार के माध्यम से संपर्क की अनुमति देकर। इस वैचारिक उपकरण को मुख्य रूप से कैराथोडोरी के काम में ऊष्मप्रवैगिकी में पेश किया गया था, और तब से इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता रहा है।[2][3][14][15][16][17]
व्यापक चरों की योगात्मकता
यदि थर्मोडायनामिक ऑपरेशन पूरी तरह से दीवारों को हटाने वाला है, तो रचना प्रणाली के व्यापक राज्य चर घटक प्रणालियों के संबंधित योग हैं। इसे व्यापक चरों की योगात्मकता कहा जाता है।
सिस्टम का स्केलिंग
बाहरी बलों की अनुपस्थिति में, आंतरिक थर्मोडायनामिक संतुलन की अपनी स्थिति में, एकल चरण वाली थर्मोडायनामिक प्रणाली सजातीय है।[18] इसका मतलब यह है कि सिस्टम के किसी भी क्षेत्र की सामग्री को सिस्टम के किसी भी सर्वांगसम और समानांतर क्षेत्र की सामग्री के साथ इंटरचेंज किया जा सकता है, और इसका प्रभाव सिस्टम को थर्मोडायनामिक रूप से अपरिवर्तित छोड़ना है। स्केलिंग का थर्मोडायनामिक ऑपरेशन एक नई सजातीय प्रणाली का निर्माण है जिसका आकार पुराने आकार का गुणक है, और जिसके गहन और व्यापक गुणों में समान मूल्य हैं। परंपरागत रूप से आकार को सिस्टम के द्रव्यमान द्वारा बताया जाता है, लेकिन कभी-कभी इसे एंट्रोपी या आयतन द्वारा बताया जाता है।[19][20][21][22] किसी दिए गए सिस्टम के लिए Φ, वास्तविक संख्या द्वारा स्केल किया गया λ एक नया प्राप्त करने के लिए λΦ, एक राज्य समारोह, X(.), ऐसा है कि X(λΦ) = λ X(Φ), गहन और व्यापक गुण कहा जाता है। इस तरह के एक समारोह X को डिग्री 1 का एक सजातीय कार्य कहा जाता है। यहां दो अलग-अलग अवधारणाओं का उल्लेख किया गया है, समान नाम साझा करना: (ए) स्केलिंग फ़ंक्शन में डिग्री -1 समरूपता की गणितीय अवधारणा; और (बी) प्रणाली की स्थानिक एकरूपता की भौतिक अवधारणा। ऐसा होता है कि दोनों यहां सहमत हैं, लेकिन ऐसा इसलिए नहीं है क्योंकि वे तात्विक हैं। यह ऊष्मप्रवैगिकी का एक आकस्मिक तथ्य है।
सिस्टम का विभाजन और पुनर्रचना
यदि दो प्रणालियाँ, Sa और Sb , समान गहन चर हैं, दीवार हटाने का एक थर्मोडायनामिक ऑपरेशन उन्हें एक सिस्टम में बना सकता है, S, समान गहन चर के साथ। यदि, उदाहरण के लिए, उनकी आंतरिक ऊर्जा अनुपात में है λ:(1−λ), फिर रचित प्रणाली, S, के अनुपात में आंतरिक ऊर्जा है 1:λ सिस्टम के लिए Sa. व्युत्क्रम थर्मोडायनामिक ऑपरेशन द्वारा, सिस्टम S को स्पष्ट तरीके से दो सबसिस्टम में विभाजित किया जा सकता है। हमेशा की तरह, ये थर्मोडायनामिक ऑपरेशन सिस्टम के सूक्ष्म राज्यों की पूरी अज्ञानता में आयोजित किए जाते हैं। अधिक विशेष रूप से, यह मैक्रोस्कोपिक ऊष्मप्रवैगिकी की विशेषता है कि संभाव्यता गायब हो जाती है, कि विभाजन ऑपरेशन एक पल में होता है जब सिस्टम S पोंकारे पुनरावृत्ति प्रमेय | पोंकारे पुनरावृत्ति तर्क द्वारा परिकल्पित चरम क्षणिक सूक्ष्म अवस्था के प्रकार में है। इस तरह के विभाजन और पुनर्रचना व्यापक चर के ऊपर परिभाषित योगात्मकता के अनुरूप है।
कानूनों के विवरण
ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों के बयानों में थर्मोडायनामिक संचालन दिखाई देते हैं। ज़ीरोथ कानून के लिए, थर्मल कनेक्टिंग और डिस्कनेक्टिंग सिस्टम के संचालन पर विचार किया जाता है। दूसरे नियम के लिए, कुछ कथन प्रारंभिक रूप से दो असंबद्ध प्रणालियों को जोड़ने के एक संक्रिया पर विचार करते हैं। तीसरे नियम के लिए, एक कथन यह है कि उष्मागतिक संक्रियाओं का कोई परिमित क्रम किसी प्रणाली को पूर्ण शून्य तापमान तक नहीं ला सकता है।
संदर्भ
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