ऊष्मागतिक तंत्र

ऊर्जा और पदार्थ के आदान-प्रदान में विलगित, बंद और खुले ऊष्मप्रवैगिकी निकायों के गुण।

एक ऊष्मप्रवैगिकी निकाय पदार्थ और/या विकिरण का एक पिंड है, जो परिभाषित पारगम्यताओं वाली ऐसी दीवारों द्वारा अंतरिक्ष में सीमित है, जो इसे अपने परिवेश से अलग करती हैं। परिवेश में अन्य ऊष्मप्रवैगिकी निकाय, या भौतिक निकाय सम्मिलित हो सकते हैं जो ऊष्मप्रवैगिकी निकाय नहीं हैं। ऊष्मप्रवैगिकी निकाय की एक दीवार विशुद्ध रूप से काल्पनिक हो सकती है, जब इसे सभी पदार्थों, सभी विकिरणों और सभी बलों के लिए 'पारगम्य' के रूप में वर्णित किया जाता है। ऊष्मप्रवैगिकी अवस्था चरों के कई अलग-अलग समूहों द्वारा ऊष्मप्रवैगिकी निकाय की एक स्थिति को कई अलग-अलग विधियों से पूर्णतः वर्णित किया जा सकता है।

विलगित, बंद और खुले ऊष्मप्रवैगिकी निकायों के बीच एक ऐसा अंतर है, जिसका उपयोग व्यापक रूप से किया जाता है।

एक विलगित ऊष्मप्रवैगिकी निकाय में ऐसी दीवारें होती हैं जो ऊष्मा के लिए गैर-प्रवाहकीय होती हैं और ऐसे सभी विकिरणों को पूर्णतः प्रतिबिंबित करती हैं, जो दृढ़ और स्थिर होती हैं, एवं जो सभी प्रकार के पदार्थों और बलों के लिए अभेद्य होती हैं। (कुछ लेखक यहाँ प्रयुक्त 'विलगित' शब्द के स्थान पर 'बंद' शब्द का प्रयोग करते हैं।)

एक बंद ऊष्मप्रवैगिकी निकाय ऐसी दीवारों द्वारा सीमित होता है जो पदार्थ के लिए अभेद्य होती हैं, लेकिन, ऊष्मप्रवैगिकी संचालन द्वारा वैकल्पिक रूप से ऊष्मा के लिए पारगम्य ('पारतानीय' के रूप में वर्णित) या अभेद्य ('रुद्धोष्म') बनाई जा सकती हैं, और जिन्हें ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रियाओं (ऊष्मप्रवैगिकी संचालनों द्वारा प्रारंभ और समाप्त की गईं) के लिए, वैकल्पिक रूप से निकाय की सामग्री में आंतरिक घर्षण के साथ निकाय के आयतन परिवर्तन या विक्षोभ के साथ स्थानांतरित होने की अनुमति दी या नहीं दी जा सकती है, जैसा कि जूल के ऊष्मा के यांत्रिक समकक्ष के मूल प्रदर्शन में होता है, और जो वैकल्पिक रूप से असमतल या सहज बनाई जा सकती हैं, जो इसकी सतह पर घर्षण द्वारा निकाय को गर्म होने की अनुमति देती या नहीं देती हैं।

एक खुले ऊष्मप्रवैगिकी निकाय में कम से कम एक दीवार होती है जो इसे किसी अन्य ऊष्मप्रवैगिकी निकाय से अलग करती है, जिसे इस उद्देश्य के लिए खुले निकाय के परिवेश के भाग के रूप में गिना जाता है, यह दीवार कम से कम एक रासायनिक पदार्थ के साथ-साथ विकिरण के लिए पारगम्य होती है; ऐसी दीवार तब स्वयं में तापमान अंतर को नहीं बनाए रखती है, जब खुला निकाय ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था में होता है।

एक ऊष्मप्रवैगिकी निकाय ऊष्मप्रवैगिकी संचालन नामक बाह्य हस्तक्षेपों के अधीन होता है; ये निकाय की दीवारों या इसके परिवेश को बदल देते हैं; जिसके परिणामस्वरूप, निकाय ऊष्मप्रवैगिकी के सिद्धांतों के अनुसार क्षणिक ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रियाओं से गुजरता है। इस प्रकार के संचालन और प्रक्रियाएँ निकाय की ऊष्मप्रवैगिकी स्थिति में परिवर्तन को प्रभावित करती हैं।

जब इसकी सामग्री के गहन अवस्था चर अंतरिक्ष में भिन्न होते हैं, तो एक ऊष्मप्रवैगिकी निकाय को एक दूसरे के साथ कई निकायों के रूप में माना जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक एक अलग ऊष्मप्रवैगिकी निकाय है।

एक ऊष्मप्रवैगिकी निकाय में बर्फ, तरल जल और जल वाष्प, पारस्परिक ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था में, किसी दीवार से पारस्परिक रूप से अविभाजित जैसी कई अवस्थाएँ सम्मिलित हो सकती हैं; या यह समांगी हो सकता है। ऐसे निकायों को 'सरल' माना जा सकता है।

एक 'संयुक्त' ऊष्मप्रवैगिकी निकाय में कई सरल ऊष्मप्रवैगिकी उप-निकाय सम्मिलित हो सकते हैं, जो पारस्परिक रूप से निश्चित संबंधित पारगम्यता की एक या कई दीवारों से अलग होते हैं। प्रारंभिक रूप से ऊष्मप्रवैगिक साम्यावस्था की स्थिति में पृथक, फिर कुछ अंतर-उप-निकाय दीवार पारगम्यता में वृद्धि के ऊष्मप्रवैगिकी संचालन से प्रभावित इस प्रकार के एक संयुक्त निकाय पर विचार करना प्रायः सुविधाजनक होता है, जिससे ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था की एक अंतिम नई स्थिति उत्पन्न हो सके। इस विचार का उपयोग और संभवतः प्रस्तुतिकरण कैराथोडोरी द्वारा किया गया था। प्रारंभिक रूप से ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था की स्थिति में विलगित एक संयुक्त निकाय में, ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रिया दीवार पारगम्यता में कमी से प्रभावित नहीं होती है, न ही इसकी ऊष्मप्रवैगिकी अवस्था में परिवर्तन होता है। यह अंतर ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम को व्यक्त करता है। यह दर्शाता है कि एन्ट्रॉपी में वृद्धि, माइक्रोस्टेट्स की पहुँच में वृद्धि के कारण ऊर्जा के प्रसार में वृद्धि को मापती है।

साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी में, एक ऊष्मप्रवैगिकी निकाय की स्थिति ऊष्मागतिक साम्यावस्था की स्थिति है, जो एक गैर-साम्यावस्था स्थिति के विपरीत है।

एक निकाय की दीवारों की पारगम्यता के अनुसार, इसके और इसके परिवेश के बीच ऊर्जा और पदार्थ का स्थानांतरण होता है, जो समय के साथ तब तक अपरिवर्तित माना जाता है, जब तक ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था की स्थिति प्राप्त नहीं हो जाती। साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी में मानी जाने वाली एकमात्र अवस्था साम्यावस्था है। चिरसम्मत ऊष्मप्रवैगिकी में (क) साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी; (ख) निकाय की अवस्थाओं के स्थान पर प्रक्रियाओं के चक्रीय अनुक्रमों के संदर्भ में माना जाने वाला निकाय सम्मिलित हैं; इस विषय के वैचारिक विकास में ये ऐतिहासिक रूप से महत्वपूर्ण थे। अभियांत्रिकी में स्थिर प्रवाह द्वारा वर्णित स्थिर सतत प्रक्रियाओं के संदर्भ में माने जाने वाले निकाय महत्वपूर्ण होते हैं।

ऊष्मप्रवैगिकी निकाय की अवस्थाओं को परिभाषित करने वाली ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था का अस्तित्व, ऊष्मप्रवैगिकी का आवश्यक, विशेष और सबसे मौलिक आधार है, हालाँकि यह केवल गिने जाने वाले नियम के रूप में संभवतः ही कभी उद्धृत किया जाता है। बेलीन के अनुसार, ऊष्मप्रवैगिकी के शून्यवें नियम का सामान्य रूप से पूर्वाभ्यास किया गया कथन इस मौलिक अभिगृहीत का परिणाम है।^[5] वास्तव में, व्यावहारिक रूप से प्रकृति में कुछ भी पूर्ण ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था में नहीं है, लेकिन ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था का अभिगृहीत प्रायः सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक दोनों रूप से बहुत उपयोगी आदर्शीकरण या सन्निकटन प्रदान करता है; इसके प्रयोग व्यावहारिक ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था के परिदृश्य प्रदान कर सकते हैं।

साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी में अवस्था चरों में प्रवाह सम्मिलित नहीं हैं क्योंकि परिभाषा के अनुसार ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था की स्थिति में सभी प्रवाहों का मान शून्य होता है। साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रियाओं में प्रवाह सम्मिलित हो सकते हैं, लेकिन जब तक ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रिया या संचालन पूरा होता है, तब तक निकाय को उसके ऊष्मप्रवैगिकी अवस्था में लाना बंद कर देना चाहिए। गैर-साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी अपने अवस्था चरों को ऐसे गैर-शून्य प्रवाहों को सम्मिलित करने की अनुमति देती है, जो द्रव्यमान या ऊर्जा के स्थानान्तरण या एक निकाय और उसके परिवेश के बीच एन्ट्रॉपी का वर्णन करते हैं।

वर्ष 1824 में सैडी कार्नो ने ऊष्मप्रवैगिकी निकाय का वर्णन अध्ययन के तहत किसी भी ऊष्मा इंजन के कार्यकारी पदार्थ (जैसे वाष्प की मात्रा) के रूप में किया।

अवलोकन

ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था, द्रव्यमान या ऊर्जा के प्रवाह की अनुपस्थिति की विशेषता है। साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी भौतिकी में एक विषय के रूप में, आंतरिक ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था की अवस्थाओं में पदार्थ और ऊर्जा के स्थूल पिंडों पर विचार करती है। यह ऊष्मप्रवैगिक प्रक्रियाओं की अवधारणा का उपयोग करती है, जिसके द्वारा पिंड एक साम्यावस्था से दूसरे में इनके बीच पदार्थ और ऊर्जा के स्थानान्तरण से गुजरते हैं। ऊष्मप्रवैगिकी के विशेष संदर्भ में पदार्थ और ऊर्जा के निकायों को संदर्भित करने के लिए 'ऊष्मप्रवैगिकी निकाय' शब्द का उपयोग किया जाता है। निकायों के बीच संभावित साम्यावस्थाएँ पिंडों को पृथक करने वाली दीवारों के भौतिक गुणों द्वारा निर्धारित की जाती हैं। सामान्य रूप से साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी, समय को नहीं मापती है। साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी एक अपेक्षाकृत सरल और सुस्थापित विषय है। इसका एक कारण एक सुपरिभाषित भौतिक मात्रा का अस्तित्व है जिसे 'पिंड की एन्ट्रॉपी' कहा जाता है।

भौतिकी में एक विषय के रूप में गैर-साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी, ऐसे पदार्थ और ऊर्जा के निकायों पर विचार करती है जो आंतरिक ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था में नहीं होते हैं, लेकिन सामान्यतः ऐसी स्थानांतरण की प्रक्रियाओं में भाग लेते हैं जो ऐसी मात्राओं के संदर्भ में विवरण की अनुमति देने के लिए अत्यधिक धीमी हैं, जो ऊष्मप्रवैगिकी अवस्था चरों से गहनता से संबंधित हैं। यह पदार्थ और ऊर्जा के प्रवाह की उपस्थिति की विशेषता है। इस विषय के लिए, जिन निकायों पर अधिकांश विचार किया जाता है, उनमें ऐसी सहज स्थानिक विषमताएँ होती हैं, जिससे तापमान प्रवणता जैसी स्थानिक प्रवणताएँ सुपरिभाषित हों। इस प्रकार गैर-साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी निकायों का वर्णन एक क्षेत्र सिद्धांत है, जो साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी के सिद्धांत से अधिक जटिल है। गैर-साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी एक स्थापित रचना के स्थान पर एक बढ़ता हुआ विषय है। सामान्यतः गैर-साम्यावस्था समस्याओं के लिए यथार्थ परिभाषित एंट्रॉपी की खोज करना संभव नहीं है। कई गैर-साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी समस्याओं के लिए, 'एन्ट्रॉपी उत्पादन की समय दर' नामक लगभग परिभाषित मात्रा अत्यधिक उपयोगी है। गैर-साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी अधिकतर वर्तमान लेख के परिक्षेत्र से बाहर है।

अभियांत्रिकी में एक अन्य प्रकार के ऊष्मप्रवैगिकी निकाय पर विचार किया जाता है। यह एक प्रवाह प्रक्रिया में भाग लेता है। इसका क्षेत्र उस संदर्भ में है जो अनुमानित है, कई स्थितियों जैसे साम्यावस्था ऊष्मप्रवैगिकी अवधारणाओं में व्यवहार में पर्याप्त है। यह अधिकतर वर्तमान लेख के परिक्षेत्र से बाहर है, और प्रवाह प्रक्रिया जैसे अन्य लेखों में निर्धारित किया गया है।

इतिहास

सैडी कार्नो, ऊष्मप्रवैगिकी निकाय की अवधारणा का निर्माण करने वाले पहले फ्रांसीसी भौतिक वैज्ञानिक थे, जिनके वर्ष 1824 के रिफ्लेक्शंस ऑन द मोटिव पावर ऑफ फायर ने अध्ययन किया कि जिसे उन्होंने ऊष्मा प्रयुक्त होने पर निकाय की कार्य करने की क्षमता के संबंध में कार्यकारी पदार्थ (उदाहरण के लिए, भाप इंजनों में सामान्यतः जल वाष्प का एक पिंड) कहा। कार्यकारी पदार्थ को ऊष्मा हौज (एक वाष्पित्र), शीतल हौज (शीतल जल की एक धारा), या एक पिस्टन (जिस पर कार्य करने वाला पिंड उस पर धक्का देकर कार्य कर सकता है) के संपर्क में रखा जा सकता है। वर्ष 1850 में, जर्मन भौतिक वैज्ञानिक रुडोल्फ क्लॉसियस ने इस चित्र को परिवेश की अवधारणा को सम्मिलित करने के लिए सामान्यीकृत किया, और निकाय को "कार्यकारी निकाय" के रूप में संदर्भित करना प्रारंभ किया। अपने वर्ष 1850 के पेपर ऑन द मोटिव पावर ऑफ़ हीट में, क्लॉज़ियस ने लिखा:

"आयतन के प्रत्येक परिवर्तन के साथ (कार्यकारी निकाय के लिए) एक निश्चित मात्रा में कार्य को गैस द्वारा या उस पर किया जाना चाहिए, क्योंकि इसके विस्तार से यह बाह्य दाब पर नियंत्रण स्थापित कर लेता है, और इसका संपीडन केवल बाह्य दाब के प्रयास से ही लाया जा सकता है। गैस या उस पर किए गए इस अतिरिक्त कार्य के लिए, हमारे सिद्धांत द्वारा, ऊष्मा की आनुपातिक अतिरिक्त खपत या उत्पादन होनी चाहिए, और गैस "परिवेशी माध्यम" को उतनी ही मात्रा में ऊष्मा नहीं प्रदान कर सकती, जितनी इसे प्राप्त होती है।

कार्नो ऊष्मा इंजन लेख कार्नो द्वारा अपने आदर्श इंजन की चर्चा में उपयोग किए गए मूल पिस्टन-और-सिलेंडर आरेख को दर्शाता है; नीचे, हम कार्नो इंजन को देखते हैं जैसा कि इसे विशिष्ट रूप से वर्तमान उपयोग में प्रतिरूपित किया गया है:

कार्नो इंजन आरेख (आधुनिक) - जहाँ ऊष्मा उच्च तापमान T_H भट्टी से "कार्यकारी पिंड" (कार्यकारी पदार्थ) के तरल पदार्थ के माध्यम से और शीतल सिंक T_C में प्रवाहित होती है, इस प्रकार कार्यकारी पदार्थ को संकुचन और विस्तार चक्र के माध्यम से परिवेशी यांत्रिक कार्य W करने के लिए प्रेरित किया जाता है।

दिखाए गए चित्र में, वर्ष 1850 में क्लॉसियस द्वारा प्रस्तुत किया गया एक शब्द, "कार्यकारी पिंड" (निकाय), कोई भी तरल पदार्थ या वाष्प पिंड हो सकता है, जिसके माध्यम से कार्य उत्पन्न करने के लिए ऊष्मा Q को प्रस्तुत या प्रेषित किया जा सकता है। वर्ष 1824 में, सैडी कार्नो ने अपने प्रसिद्ध पेपर रिफ्लेक्शंस ऑन द मोटिव पावर ऑफ फायर, में अभिग्रहित किया कि द्रव पिंड, जल-वाष्प, एल्कोहल की वाष्प, पारा की वाष्प, एक स्थायी गैस, या वायु आदि जैसा कोई भी ऐसा पदार्थ हो सकता है, जो विस्तार करने में सक्षम हो। हालाँकि, इन प्रारंभिक वर्षों में, इंजन कई विन्यासों में आए, जिनमें सामान्यतः Q_H की आपूर्ति एक वाष्पित्र द्वारा की जाती थी, जिसमें जल का क्वथन एक भट्टी पर किया जाता था; Q_C, सामान्यतः इंजन के एक अलग भाग पर स्थित संघनित्र के रूप में शीतल प्रवाहित जल की एक धारा थी। आउटपुट कार्य W पिस्टन का संचलन था क्योंकि यह एक क्रैंक-भुजा को घुमाता था, जो सामान्यतः बाढ़ वाली नमक की खदानों से जल निकालने के लिए एक पुली बन जाता था। कार्नो ने कार्य को "ऊँचाई तक उठे हुए भार" के रूप में परिभाषित किया है।

साम्यावस्था में निकाय

ऊष्मागतिक साम्यावस्था पर, परिभाषा के अनुसार एक निकाय के गुण समय में अपरिवर्तित होते हैं। साम्यावस्था वाले निकाय साम्यावस्था में न होने वाले निकायों की तुलना में अधिक सरल और समझने में आसान होते हैं। कुछ स्थितियों में, ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रिया का विश्लेषण करते समय यह माना जा सकता है कि प्रक्रिया में प्रत्येक माध्यमिक अवस्था साम्यावस्था में है। यह विश्लेषण को काफी सरल बनाता है।

विलगित निकायों में यह निरंतर देखा गया है कि जैसे-जैसे समय व्यतीत होता है, आंतरिक पुनर्व्यवस्थाएँ क्षीण होती जाती है और स्थिर स्थितियाँ आती जाती हैं। दाब और ताप बराबर हो जाते हैं, और पदार्थ स्वयं को एक या कुछ अपेक्षाकृत समांगी चरणों में व्यवस्थित करता है। एक निकाय ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था की स्थिति में माना जाता है, जिसमें परिवर्तन की सभी प्रक्रियाएँ व्यावहारिक रूप से पूर्ण हो चुकी होती हैं। साम्यावस्था में एक निकाय के ऊष्मप्रवैगिकी गुण समय में अपरिवर्तित होते हैं। साम्यावस्था निकाय की अवस्थाओं को गैर-साम्यावस्था अवस्थाओं की तुलना में नियतात्मक तरीके से वर्णित करना बहुत आसान है।

किसी प्रक्रिया के उत्क्रमणीय होने के लिए, प्रक्रिया का प्रत्येक चरण उत्क्रमणीय होना चाहिए। उत्क्रमणीय होने की प्रक्रिया में एक चरण के लिए, निकाय को पूरे चरण में साम्यावस्था में होना चाहिए। इस आदर्श को व्यवहार में पूर्ण नहीं किया जा सकता है क्योंकि व्यवस्था को साम्यावस्था से विचलित किए बिना कोई कदम नहीं उठाया जा सकता है, लेकिन इसमें धीरे-धीरे परिवर्तन करके आदर्श तक पहुँचा जा सकता है।

दीवारें

स्थानांतरणों के अनुमत प्रकार

दीवारों के प्रकार द्वारा

दीवार का प्रकार	स्थानांतरण का प्रकार
	पदार्थ	कार्य	ऊष्मा
पदार्थ के लिए पारगम्य	Y	N	N
ऊर्जा के लिए पारगम्य लेकिन पदार्थ के लिए अभेद्य	N	Y	Y
रुद्धोष्म	N	Y	N
गतिशील और पदार्थ के लिए अभेद्य	N	N	Y
विलगित	N	N	N

एक निकाय ऐसी दीवारों से घिरा होता है जो इसे परिबद्ध करती हैं और इसे अपने परिवेश से जोड़ती है। प्रायः एक दीवार किसी प्रकार के पदार्थ या ऊर्जा द्वारा मार्ग को प्रतिबंधित करती है, जिससे संयोजन अप्रत्यक्ष हो जाता है। कभी-कभी एक दीवार एक काल्पनिक द्वि-विमीय बंद सतह से अधिक नहीं होती है जिसके माध्यम से परिवेश से संबंध प्रत्यक्ष होता है।

एक दीवार स्थिर (उदाहरण के लिए एक स्थिर आयतन प्रतिघातक) या गतिशील (जैसे एक पिस्टन) हो सकती है। उदाहरण के लिए, प्रत्यागामी इंजन में, एक स्थिर दीवार का अर्थ है कि पिस्टन अपनी स्थिति पर बंद है; फिर, एक स्थिर आयतन प्रक्रिया हो सकती है। उसी इंजन में, एक पिस्टन को खोलकर अंदर और बाहर जाने की अनुमति दी जा सकती है। आदर्श रूप से, एक दीवार को रुद्धोष्म, पारतानीय, अभेद्य, पारगम्य या अर्ध-पारगम्य घोषित किया जा सकता है। ऐसे आदर्श गुणों वाली दीवारें प्रदान करने वाली वास्तविक भौतिक सामग्रियाँ सदैव आसानी से उपलब्ध नहीं होती हैं।

निकाय को या तो वास्तविक या काल्पनिक दीवारों या सीमाओं द्वारा सीमांकित किया जाता है, जिसके आर-पार संरक्षित (जैसे पदार्थ और ऊर्जा) या असंरक्षित (जैसे एन्ट्रॉपी) मात्राएँ निकाय के अन्दर और बाहर जा सकती हैं। ऊष्मप्रवैगिकी निकाय के बाहर के स्थान को परिवेश, आशय या पर्यावरण के रूप में जाना जाता है। दीवारों के गुण यह निर्धारित करते हैं कि क्या स्थानान्तरण हो सकता है। एक मात्रा के स्थानान्तरण की अनुमति प्रदान करने वाली एक दीवार को इसके लिए पारगम्य कहा जाता है, और एक ऊष्मप्रवैगिकी निकाय को इसकी कई दीवारों की पारगम्यता द्वारा वर्गीकृत किया जाता है। निकाय और परिवेश के बीच स्थानांतरण ऊष्मा के चालन या परिवेश में एक विद्युत क्षेत्र जैसे लंबी दूरी के बलों जैसे संपर्क द्वारा उत्पन्न हो सकता है।

सभी स्थानान्तरणों को अवरुद्ध करने वाली दीवारों वाले एक निकाय को विलगित कहा जाता है। यह एक आदर्श अवधारणा है, क्योंकि व्यवहार में उदाहरण के लिए गुरुत्वाकर्षण बल द्वारा, कुछ स्थानांतरण सदैव संभव होते हैं। यह ऊष्मप्रवैगिकी का एक अभिगृहीत है कि एक विलगित निकाय अंततः आंतरिक ऊष्मप्रवैगिक साम्यावस्था तक पहुँचता है, जब इसकी स्थिति समय के साथ परिवर्तित नहीं होती है।

एक बंद निकाय की दीवारें ऊष्मा और कार्य के रूप में ऊर्जा के स्थानान्तरण की अनुमति तो देती हैं, लेकिन इसके और इसके आसपास के बीच पदार्थ की अनुमति नहीं देती हैं। एक खुले निकाय की दीवारें पदार्थ और ऊर्जा दोनों के स्थानान्तरण की अनुमति देती हैं। शब्दों की परिभाषा की यह योजना समान रूप से उपयोग नहीं की जाती है, हालाँकि यह कुछ उद्देश्यों के लिए सुविधाजनक होती है। विशेष रूप से, कुछ लेखक 'बंद निकाय' का प्रयोग करते हैं, जिसके लिए यहाँ 'विलगित निकाय' का प्रयोग किया गया है।

जो कुछ भी सीमा से गुजरता है और निकाय की सामग्री में परिवर्तन को प्रभावित करता है, उसे उचित संतुलन समीकरण में सम्मिलित किया जाना चाहिए। आयतन, वर्ष 1900 में परिभाषित मैक्स प्लैंक जैसे एक एकल परमाणु अनुनादी ऊर्जा के आसपास का क्षेत्र हो सकता है; यह वर्ष 1824 में परिभाषित सैडी कार्नोट जैसे भाप इंजन में वाष्प या वायु का एक पिंड हो सकता है। यह क्वांटम ऊष्मप्रवैगिकी में परिकल्पना के समान सिर्फ एक न्यूक्लाइड (अर्थात क्वार्कों का एक निकाय) भी हो सकता है।

परिवेश

See also: पर्यावरण (निकाय)

एक निकाय, ब्रह्मांड का वह हिस्सा है जो अध्ययन के अधीन है, जबकि परिवेश ब्रह्मांड का शेष भाग है जो निकाय की सीमाओं के बाहर स्थित है। इसे वातावरण या भण्डार के रूप में भी जाना जाता है। निकाय के प्रकार के आधार पर, यह द्रव्यमान, ऊर्जा (ऊष्मा और कार्य सहित), संवेग, विद्युत आवेश या अन्य संरक्षित गुणों का विनिमय करके निकाय के साथ अंतःक्रिया कर सकता है। इन अंतःक्रियाओं को छोड़कर, निकाय के विश्लेषण में पर्यावरण की उपेक्षा की जाती है।

बंद निकाय

Main article: बंद निकाय § ऊष्मप्रवैगिकी में

एक बंद निकाय में, निकाय की सीमाओं के अंदर या बाहर कोई द्रव्यमान स्थानांतरित नहीं किया जा सकता है। निकाय में पदार्थ सदैव समान मात्रा में होते हैं, लेकिन (संवेदनशील) ऊष्मा और (सीमा) कार्य का आदान-प्रदान निकाय की सम्पूर्ण सीमा पर किया जा सकता है। किसी निकाय के ऊष्मा, कार्य या दोनों का आदान-प्रदान इसकी सीमा के गुणों पर निर्भर करता है।

• रुद्धोष्म सीमा - किसी भी ताप विनिमय की अनुमति प्रदान नहीं करती है: तापीयतः विलगित निकाय
• दृढ़ सीमा - कार्य के आदान-प्रदान की अनुमति प्रदान नहीं करती है: यांत्रिकतः विलगित निकाय

इसका उदाहरण एक सिलेंडर में एक पिस्टन द्वारा द्रव को संपीडित करना है। बंद निकाय का एक और उदाहरण एक बम कैलोरीमापी है, जो कि एक विशिष्ट अभिक्रिया के दहन की ऊष्मा को मापने में उपयोग किया जाने वाला एक स्थिर-आयतन कैलोरीमापी का एक प्रकार है। विद्युत ऊर्जा इलेक्ट्रोड के बीच एक चिंगारी उत्पन्न करने के लिए सीमा के चारों ओर यात्रा करती है और दहन प्रारंभ करती है। दहन के बाद सम्पूर्ण सीमा पर ऊष्मा का स्थानांतरण होता है लेकिन किसी भी प्रकार से द्रव्यमान का स्थानांतरण नहीं होता है।

बंद निकाय के लिए, ऊर्जा स्थानान्तरण के लिए ऊष्मप्रवैगिकी का प्रथम नियम यह कह सकता है:

$\Delta U=Q-W$

जहाँ $U$ निकाय की आंतरिक ऊर्जा को, $Q$ निकाय में जोड़ी गई ऊष्मा को और $W$ निकाय द्वारा कृत कार्य को दर्शाता है। बंद निकायों में अतिसूक्ष्म परिवर्तनों के लिए प्रथम नियम यह कह सकता है:

$\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W.$

यदि कार्य, दाब $P$ पर $\mathrm {d} V$ आयतन विस्तार के कारण है तब:

$\delta W=P\mathrm {d} V.$

एक अर्ध-उत्क्रमणीय ऊष्मा स्थानान्तरण के लिए, ऊष्मप्रवैगिकी का द्वितीय नियम इस प्रकार है:

$\delta Q=T\mathrm {d} S$

जहाँ $T$ ऊष्मप्रवैगिकी ताप को और $S$ निकाय की एन्ट्रॉपी को दर्शाता है। इन संबंधों के साथ आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की गणना करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मौलिक ऊष्मप्रवैगिकी संबंध को इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

$\mathrm {d} U=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V.$

केवल एक ही प्रकार के कणों (परमाणु या अणु) वाले सरल निकाय के लिए, एक बंद निकाय में कणों की संख्या स्थिर होती है। रासायनिक अभिक्रिया से गुजरने वाले निकायों के लिए, सभी प्रकार के अणु अभिक्रिया प्रक्रिया द्वारा उत्पन्न और नष्ट हो सकते हैं। इस स्थिति में तथ्य, निकाय बंद है, यह कहते हुए व्यक्त किया जाता है कि प्रत्येक मौलिक परमाणु की कुल संख्या संरक्षित है, यद्यपि यह किसी भी प्रकार के अणु का हिस्सा हो। गणितीय रूप से:

$\sum _{j=1}^{m}a_{ij}N_{j}=b_{i}^{0}$

जहाँ $N_{j}$, $j$-प्रकार के अणुओं की संख्या को, $a_{ij}$, अणु $j$ में तत्व $i$ के परमाणुओं की संख्या को, और $b_{i}^{0}$, निकाय में तत्व $i$ के परमाणुओं की कुल संख्या को दर्शाती है, जो कि स्थिर रहती है, क्योंकि निकाय बंद है। निकाय में प्रत्येक तत्व के लिए एक ऐसा समीकरण होता है।

विलगित निकाय

Main article: विलगित निकाय

विलगित निकाय एक बंद निकाय की तुलना में अधिक प्रतिबंधात्मक है क्योंकि यह अपने परिवेश के साथ किसी भी प्रकार से अंतःक्रिया नहीं करता है। निकाय के भीतर द्रव्यमान और ऊर्जा स्थिर रहती है, और सीमा पर कोई ऊर्जा या द्रव्यमान स्थानांतरण नहीं होता है। एक विलगित निकाय में जैसे-जैसे समय व्यतीत होता है, निकाय में आंतरिक अंतर बराबर हो जाते हैं और दाब एवं ताप बराबर हो जाते हैं, जैसा कि घनत्व अंतर करता है। एक ऐसा निकाय ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था की स्थिति में होता है, जिसमें सभी समान प्रक्रियाएँ व्यावहारिक रूप से पूर्ण हो चुकी होती हैं।

वास्तव में विलगित भौतिक निकाय वास्तविकता में (संभवतः संपूर्ण ब्रह्मांड को छोड़कर) अस्तित्व में नहीं हैं, क्योंकि, उदाहरण के लिए, द्रव्यमानों और द्रव्यमान वाले निकाय के बीच सदैव गुरुत्वाकर्षण होता है। हालाँकि, वास्तविक निकाय परिमित (संभवतः बहुत लंबे) समय के लिए लगभग एक विलगित निकाय के रूप में व्यवहार कर सकते हैं। एक विलगित निकाय की अवधारणा एक उपयोगी मॉडल के रूप में कार्य कर सकती है जो वास्तविक विश्व की कई स्थितियों को अनुमानित करती है। यह कुछ प्राकृतिक घटनाओं के गणितीय मॉडल के निर्माण में उपयोग किया जाने वाला एक स्वीकार्य आदर्शीकरण है।

ऊष्मप्रवैगिकी के द्वितीय नियम में एन्ट्रॉपी वृद्धि के सिद्धांत को सत्य सिद्ध करने के प्रयास में, बोल्ट्जमैन के एच-प्रमेय ने ऐसी समीकरणों का उपयोग किया, जिसमें यह माना गया कि एक निकाय (उदाहरण के लिए, एक गैस) को विलगित कर दिया गया था। स्वतंत्रता की सभी यांत्रिक कोटियों को दीवारों को केवल दर्पण सीमा स्थितियों के रूप में मानते हुए निर्दिष्ट किया जा सकता है। यह अनिवार्य रूप से लोश्मिट के विरोधाभास का कारण बना। हालाँकि, यदि परिवेशी, पृष्ठभूमि ऊष्मीय विकिरण के यादृच्छिक प्रभाव के साथ वास्तविक दीवारों के अणुओं के प्रसंभाव्य व्यवहार पर विचार किया जाता है, तो आणविक अव्यवस्था की बोल्टज़मैन की धारणा को उचित ठहराया जा सकता है।

विलगित निकायों के लिए ऊष्मप्रवैगिकी का द्वितीय नियम यह बताता है कि एक विलगित निकाय (साम्यावस्था में नहीं) की एन्ट्रॉपी साम्यावस्था पर अधिकतम मान तक पहुँचते हुए समय के साथ बढ़ती है। समग्र रूप से, एक विलगित निकाय में आंतरिक ऊर्जा स्थिर होती है और एन्ट्रॉपी कभी कम नहीं हो सकती। एक बंद निकाय की एंट्रॉपी कम हो सकती है, जब उदाहरण के लिए, निकाय से ऊष्मा अलग की जाती है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि विलगित निकाय बंद निकायों के समतुल्य नहीं हैं। बंद निकाय परिवेश के साथ पदार्थ का विनिमय नहीं कर सकते हैं, लेकिन ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकते हैं। विलगित निकाय अपने परिवेश के साथ न तो पदार्थ का और न ही ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकते हैं, और जैसे कि ये केवल सैद्धांतिक हैं और वास्तविकता (संभवतः, संपूर्ण ब्रह्मांड को छोड़कर) में उपस्थित नहीं हैं।

यह ध्यान देने योग्य है कि ऊष्मप्रवैगिकी परिचर्चाओं में प्रायः 'बंद निकाय' का उपयोग किया जाता है, जब 'विलगित निकाय' सही होता है - अर्थात् एक धारणा है कि ऊर्जा निकाय में न तो प्रवेश करती है और न ही निकाय से अलग होती है।

पदार्थ का चयनात्मक स्थानांतरण

किसी ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रिया के लिए, निकाय की दीवारों और परिवेश के यथार्थ भौतिक गुण महत्वपूर्ण होते हैं, क्योंकि ये संभावित प्रक्रियाओं को निर्धारित करते हैं।

एक खुले निकाय में एक या एक से अधिक दीवारें होती हैं जो पदार्थ के स्थानान्तरण की अनुमति देती हैं। खुले निकाय की आंतरिक ऊर्जा को ध्यान में रखते हुए, इसके लिए ऊष्मा और कार्य के अतिरिक्त ऊर्जा स्थानान्तरण पदों की आवश्यकता होती है। यह रासायनिक विभव के विचार की ओर भी अग्रसर करता है।

केवल एक शुद्ध पदार्थ के लिए चयनित रूप से पारगम्य एक दीवार, परिवेश में उस शुद्ध पदार्थ के हौज के साथ निकाय को विसरणशील संपर्क में रख सकती है। फिर एक ऐसी प्रक्रिया संभव है जिसमें उस शुद्ध पदार्थ को निकाय और परिवेश के बीच स्थानांतरित किया जाता है। साथ ही, सम्पूर्ण दीवार में उस पदार्थ के सापेक्ष एक संपर्क साम्यावस्था संभव है। उपयुक्त ऊष्मागतिक संचालनों द्वारा, शुद्ध पदार्थ हौज को एक बंद निकाय के रूप में लिया जा सकता है। इसकी आंतरिक ऊर्जा और एन्ट्रॉपी को इसके ताप, दाब और मोल संख्या के फलनों के रूप में परिभाषित किया जा सकता है।

एक ऊष्मप्रवैगिकी संचालन, उस पदार्थ के लिए संपर्क साम्यावस्था दीवार के अतिरिक्त सभी निकाय दीवारों को अभेद्य बना सकता है। यह उस पदार्थ के लिए परिवेश की एक संदर्भ स्थिति के संबंध में एक गहन अवस्था चर की परिभाषा की अनुमति देता है। गहन चर को रासायनिक विभव कहा जाता है; इसे घटक पदार्थ i के लिए सामान्यतः μ_i द्वारा निरूपित किया जाता है। संबंधित व्यापक चर, निकाय में घटक पदार्थ के मोलों की संख्या N_i हो सकते हैं।

किसी पदार्थ के लिए पारगम्य दीवार पर संपर्क साम्यावस्था के लिए, पदार्थ का रासायनिक विभव दीवार के दोनों ओर समान होना चाहिए। यह ऊष्मप्रवैगिकी साम्यावस्था की प्रकृति का एक हिस्सा है, और इसे ऊष्मप्रवैगिकी के शून्य नियम से संबंधित माना जा सकता है।

खुला निकाय

एक खुले निकाय में, निकाय और परिवेश के बीच ऊर्जा और पदार्थ का विनिमय होता है। एक खुले बीकर में अभिकारकों की उपस्थिति खुले निकाय का एक उदाहरण है। यहाँ बीकर और अभिकारकों को घेरने वाली एक काल्पनिक सतह सीमा है। इसे बंद नाम दिया गया है, यदि सीमाएँ पदार्थ के लिए अभेद्य हैं, लेकिन ऊष्मा के रूप में ऊर्जा के पारगमन की अनुमति प्रदान करती हैं, और ऊष्मा एवं पदार्थों का विनिमय नहीं होने पर इसे विलगित कर दिया जाता है। खुला निकाय साम्यावस्था में उपस्थित नहीं हो सकता है। ऊष्मप्रवैगिकी निकाय के साम्यावस्था से विचलन का वर्णन करने के लिए ऊपर वर्णित रचक चरों के अतिरिक्त, आंतरिक चरों $\xi _{1},\xi _{2},\ldots$ का एक समूह प्रस्तुत किया गया है, इन चरों को आंतरिक चर कहा जाता है। साम्यावस्था को स्थिर माना जाता है और निकाय की गैर-साम्यावस्था की मापों के रूप में आंतरिक चर का मुख्य गुण अदृश्य होने की प्रवृत्ति है; अदृश्यता के स्थानीय नियम को प्रत्येक आंतरिक चर के लिए निम्न विश्रांति समीकरण के रूप में लिखा जा सकता है

${\frac {d\xi _{i}}{dt}}=-{\frac {1}{\tau _{i}}}\,\left(\xi _{i}-\xi _{i}^{(0)}\right),\quad i=1,\,2,\ldots ,$

(1)

जहाँ $\tau _{i}=\tau _{i}(T,x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})$ संबंधित चरों का विश्रांति काल है। प्रारंभिक मान $\xi _{i}^{0}$ को शून्य के बराबर लेना सुविधाजनक होता है।

इल्या प्रोगोगिन द्वारा खुले गैर-साम्यावस्था निकायों की ऊष्मप्रवैगिकी में विशिष्ट योगदान दिया गया था, जिन्होंने रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करने वाले पदार्थों की एक निकाय की जाँच की थी। इस स्थिति में आंतरिक चर रासायनिक प्रतिक्रियाओं की अपूर्णता की माप के रूप में प्रतीत होते हैं, जो कि इस तथ्य की माप है कि रासायनिक प्रतिक्रियाओं के साथ लिया गया निकाय साम्यावस्था से कितना बाहर है। इस सिद्धांत को निकाय की संरचना, तापमान के ढाल, पदार्थों की सांद्रता में अंतर और ऐसे अन्य साम्यावस्था से विचलनों पर विचार करने के लिए सभी रासायनिक प्रतिक्रियाओं की पूर्णता की कोटि के आंतरिक चर होने के लिए कुछ भी न कहने के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है।

$T=const$ और $p=const$ पर गिब्स मुक्त ऊर्जा $G$ और एन्ट्रॉपी $S$ की वृद्धि को निम्न रूप में परिभाषित किया गया हैː

$dG=\sum _{j}\,\Xi _{j}\,\Delta \xi _{j}+\sum _{\alpha }\,\mu _{\alpha }\,\Delta N_{\alpha },$

(2)

$T\,dS=\Delta Q-\sum _{j}\,\Xi _{j}\,\Delta \xi _{j}+\sum _{\alpha =1}^{k}\,\eta _{\alpha }\,\Delta N_{\alpha }.$

(3)

ऊष्मीय ऊर्जा $\Delta Q_{\alpha }$ और कणों की एक धारा दोनों के आदान-प्रदान के कारण निकाय की स्थिर अवस्थाएँ अस्तित्व में हैं। समीकरणों में अंतिम पदों का योग पदार्थों के कणों की धारा के साथ निकाय में आने वाली कुल ऊर्जा को दर्शाता है, $\Delta N_{\alpha }$ जो धनात्मक या ऋणात्मक हो सकता है; राशि $\mu _{\alpha }$, पदार्थ $\alpha$ का रासायनिक विभव है। समीकरणों (2) और (3) में मध्य पद, आंतरिक चरों $\xi _{j}$ की विश्रांति के कारण ऊर्जा अपव्यय (एन्ट्रॉपी उत्पादन) को दर्शाते हैं, जबकि $\Xi _{j}$ ऊष्मप्रवैगिकी बल हैं।

खुले निकाय के लिए यह दृष्टिकोण सजीव वस्तुओं की वृद्धि और विकास को ऊष्मागतिक शब्दों में वर्णित करने की अनुमति प्रदान करता है।

यह भी देखें

• गतिशील निकाय
• ऊर्जा निकाय
• विलगित निकाय
• यांत्रिक निकाय
• भौतिक निकाय
• क्वांटम निकाय
• ऊष्मप्रवैगिकी चक्र
• ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रिया
• द्वि-अवस्था क्वांटम निकाय

स्रोत

• Abbott, M.M.; van Hess, H.G. (1989). रासायनिक अनुप्रयोगों के साथ ऊष्मप्रवैगिकी (2nd ed.). McGraw Hill.
• हर्बर्ट कैलन|कैलन, एच.बी. (1960/1985)। ऊष्मप्रवैगिकी्स एंड एन इंट्रोडक्शन टू थर्मोस्टैटिस्टिक्स, (पहला संस्करण 1960) दूसरा संस्करण 1985, विली, न्यूयॉर्क, ISBN 0-471-86256-8.
• Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl (2008). भौतिकी के मूल तत्व (8th ed.). Wiley.
• Moran, Michael J.; Shapiro, Howard N. (2008). इंजीनियरिंग ऊष्मप्रवैगिकी के मूल तत्व (6th ed.). Wiley.

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