ऊष्मागतिक अवस्था

ऊष्मप्रवैगिकी में, किसी प्रणाली की ऊष्मागतिक अवस्था किसी विशिष्ट समय पर उसकी स्थिति होती है; अर्थात्, उस अवस्था के चरों, प्राचल अवस्था या ऊष्मप्रवैगिकी चर एक बार किसी प्रणाली के लिए थर्मोडाइनेमिक चरों के मानों का ऐसा समुच्चय निर्दिष्ट हो जाने पर प्रणाली के सभी ऊष्मागतिक गुणों के मान अनन्य रूप से निर्धारित हो जाते हैं। सामान्यतः, डिफ़ॉल्ट रूप से, ऊष्मागतिक प्रणाली को ऊष्मागतिक संतुलन में से एक माना जाता है। इसका अर्थ यह है कि अवस्था एक विशिष्ट समय पर केवल व्यवस्था की स्थिति नहीं है,बल्कि यह कि अनिश्चित काल की लंबी अवधि में स्थिति समान, अपरिवर्तनीय है।

ऊष्मप्रवैगिकी आदर्शीकरण (विज्ञान का दर्शन) संरचना को स्थापित करता है जिसे परिभाषाओं और उत्तरसमुच्चयों की एक औपचारिक योजना द्वारा संक्षेप में प्रस्तुत किया जा सकता है। ऊष्मागतिक अवस्था योजना की मौलिक या आदिम वस्तुओं या धारणाओं में से हैं, जिनके लिए उनका अस्तित्व प्राथमिक और निश्चयात्मक है, बजाय अन्य अवधारणाओं से व्युत्पन्न या निर्माण किया जा रहा है।

एक ऊष्मागतिक प्रणाली केवल एक भौतिक प्रणाली नहीं है। बल्कि, सामान्य तौर पर, असीम रूप से कई अलग-अलग वैकल्पिक भौतिक प्रणालियों में एक दी गई ऊष्मागतिक प्रणाली सम्मिलित होती है, क्योंकि सामान्य तौर पर भौतिक प्रणाली में ऊष्मागतिक विवरण में वर्णित की तुलना में बहुत अधिक सूक्ष्म विशेषताएं होती हैं। ऊष्मागतिक प्रणाली एक मैक्रोस्कोपिक वस्तु है, जिसके सूक्ष्म विवरण को इसके ऊष्मागतिक विवरण में स्पष्ट रूप से नहीं माना जाता है। ऊष्मागतिक स्थिति को निर्दिष्ट करने के लिए आवश्यक अवस्था चर की संख्या प्रणाली पर निर्भर करती है, और हमेशा प्रयोग से पहले ज्ञात नहीं होती है; यह सामान्यतः प्रायोगिक साक्ष्य से पाया जाता है। संख्या हमेशा दो या अधिक होती है; सामान्यतः यह कुछ दर्जन से अधिक नहीं होता है। यद्यपि अवस्था चर की संख्या प्रयोग द्वारा तय की जाती है, फिर भी उनमें से किसका उपयोग किसी विशेष सुविधाजनक विवरण के लिए किया जाता है; दिए गए ऊष्मागतिक प्रणाली को अवस्था चर के सेट के कई अलग-अलग विकल्पों द्वारा वैकल्पिक रूप से पहचाना जा सकता है। पसंद सामान्यतः दीवारों और परिवेश के आधार पर किया जाता है जो ऊष्मागतिक प्रक्रियाओं के लिए प्रासंगिक होते हैं जिन्हें प्रणाली के लिए माना जाता है। उदाहरण के लिए, यदि प्रणाली के लिए गर्मी हस्तांतरण पर विचार करने का इरादा है, तो प्रणाली की एक दीवार गर्मी के लिए पारगम्य होनी चाहिए, और उस दीवार को प्रणाली को परिवेश में एक निकाय से जोड़ना चाहिए, जिसका एक निश्चित समय-अपरिवर्तनीय तापमान होना चाहिए.

साम्य ऊष्मागतिकी के लिए किसी तंत्र की ऊष्मागतिक अवस्था में उसकी अंतर्वस्तु आंतरिक ऊष्मागतिक साम्य में होती है, जिसमें सभी मात्राओं के शून्य प्रवाह, आंतरिक तथा व्यवस्था तथा परिवेश दोनों के बीच होते हैं। प्लांक के लिए, प्रणाली की ऊष्मागतिकीय अवस्था की प्राथमिक विशेषता जो एक एकल चरण (पदार्थ) के होते हैं, बाहरी रूप से आरोपित बल क्षेत्र के अभाव में, स्थानिक समरूपता है। गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी के लिए, पहचान की स्थिति चर के एक उपयुक्त सेट में कुछ मैक्रोस्कोपिक चर सम्मिलित हैं, उदाहरण के लिए तापमान की एक गैर-शून्य स्थानिक ढाल, जो ऊष्मागतिकी संतुलन से प्रस्थान का संकेत देती है। ऐसे गैर-संतुलन पहचान अवस्था चरों से पता चलता है कि प्रणाली के भीतर या प्रणाली और परिवेश के बीच कुछ गैर शून्य प्रवाह उत्पन्न हो सकता है।

अवस्था चर और अवस्था कार्य

ऊष्मागतिक प्रणाली की पहचान या विभिन्न प्रकार से वर्णन किया जा सकता है। अधिकांश प्रत्यक्ष रूप से, इसकी पहचान अवस्था चरों के एक उपयुक्त सेट द्वारा की जा सकती है। कम प्रत्यक्ष रूप से, इसका वर्णन मात्राओं के एक उपयुक्त सेट द्वारा किया जा सकता है जिसमें अवस्था चर और अवस्था कार्य सम्मिलित होते हैं।

किसी पदार्थ के किसी पिंड की ऊष्मागतिक अवस्था की प्राथमिक या मूल पहचान प्रत्यक्ष रूप से साधारण भौतिक राशियों द्वारा होती है। कुछ सरल प्रयोजनों के लिए, दिए गए रासायनिक संविधान के निकाय के लिए, इतनी मात्रा का पर्याप्त समुच्चय 'मात्रा और दबाव' है।

प्रत्यक्ष रूप से मापने योग्य साधारण भौतिक चरों के अलावा जो मूल रूप से किसी प्रणाली की एक ऊष्मागतिक अवस्था की पहचान करते हैं, प्रणाली को आगे की मात्रा में पहचाना जाता है जिसे अवस्था फलन, ऊष्मागतिकीय चर, अवस्था मात्राएँ, या अवस्था के फलन वे ऊष्मागतिक अवस्था से अद्वितीय रूप से निर्धारित होते हैं क्योंकि मूल अवस्था चरों द्वारा इसकी पहचान की गई है। ऐसे अनेक राजकीय कार्य हैं। उदाहरण हैं आंतरिक ऊर्जा, तापीय धारिता, हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा, गिब्स मुक्त ऊर्जा, ऊष्मागतिक तापमान, और एन्ट्रॉपी. किसी दिये हुए समूह के लिए, किसी दिये हुए रासायनिक संविधान के लिए, जब उसकी ऊष्मागतिकीय अवस्था को उसके दबाव और आयतन से पूरी तरह परिभाषित किया गया हो, तब उसका तापमान अद्वितीय रूप से निर्धारित होता है। ऊष्मागतिकीय तापमान एक विशिष्ट ऊष्मागतिक अवधारणा है, जबकि मूल प्रत्यक्ष नाप परिवर्ती अवस्था चर साधारण भौतिक माप द्वारा परिभाषित किये जाते हैं, ऊष्मागतिक अवधारणाओं के संदर्भ के बिना; इस कारण ऊष्मागतिक तापमान को एक फलन अवस्था के रूप में मानना सहायक होता है।

किसी ऊष्मागतिकीय प्रणाली की किसी दी हुई अंतिम ऊष्मागतिक अवस्था से किसी ऊष्मा गतिकीय प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है; सामान्यतः यह प्रणाली और परिवेश के बीच पदार्थ या ऊर्जा का स्थानांतरण होता है। किसी ऊष्मागतिकीय प्रक्रिया में, गमन के दौरान जो भी मध्यवर्ती स्थितियां हो सकती हैं, प्रत्येक ऊष्मागतिकीय अवस्था चर के मान में कुल संबंधित परिवर्तन केवल प्रारंभिक और अंतिम अवस्थाओं पर ही निर्भर करता है। एक आदर्शवादी निरंतर कार्य या अर्ध-स्थैतिक प्रक्रिया के लिए, इसका अर्थ है कि ऐसे चरों में अन्विति वृद्धि परिवर्तन सटीक अंतर हैं। एक साथ, प्रक्रिया भर में वृद्धि परिवर्तन, और प्रारंभिक और अंतिम अवस्थाों, पूरी तरह से आदर्शवादी प्रक्रिया को निर्धारित करते हैं।

सबसे अधिक उद्धृत सरल उदाहरण में, एक आदर्शपूर्ण गैस, ऊष्मागतिक चर निम्नलिखित चार में से कोई भी तीन चर होंगे: पदार्थ की मात्रा, दबाव, ऊष्मागतिक_तापमान और गैस की मात्रा। इस प्रकार, ऊष्मागतिक अवस्था एक त्रि-आयामी अवस्था स्थान पर होगा। शेष चर, साथ ही साथ अन्य मात्राएँ जैसे कि आंतरिक ऊर्जा और एन्ट्रापी, इन तीन चरों के अवस्था कार्यों के रूप में व्यक्त की जाएंगी। अवस्था कार्य कुछ सार्वभौमिक बाधाओं को पूरा करते हैंऊष्मप्रवैगिकी के नियम के नियमों में व्यक्त किए जाते हैं, और वे ठोस प्रणाली को बनाने वाली सामग्रियों की विशिष्टताओं पर निर्भर करते हैं।

ऊष्मागतिकीय अवस्थाओं के बीच संक्रमण को मॉडल करने के लिए विभिन्न ऊष्मागतिक आरेख विकसित किए गए हैं।

संतुलन अवस्था

प्रकृति में पाई जाने वाली भौतिक प्रणालियाँ व्यावहारिक रूप से हमेशा गतिशील और जटिल होती हैं, लेकिन कई मामलों में, मैक्रोस्कोपिक भौतिक प्रणालियाँ आदर्श स्थितियों के निकटता के आधार पर वर्णन करने योग्य होती हैं। ऐसी ही एक आदर्श स्थिति स्थिर संतुलन अवस्था की है। ऐसी अवस्था शास्त्रीय या संतुलन उष्मागतिकी की एक आदिम वस्तु है, जिसमें इसे ऊष्मप्रवैगिकीय अवस्था कहा जाता है। कई अवलोकनों के आधार पर, ऊष्मप्रवैगिकी यह मानती है कि सभी प्रणालियाँ जो बाहरी वातावरण से अलग हैं, विकसित होंगी ताकि अद्वितीय स्थिर संतुलन अवस्थाओं तक पहुँच सकें। विभिन्न भौतिक चरों के अनुरूप विभिन्न प्रकार के संतुलन हैं, और एक प्रणाली ऊष्मागतिक संतुलन तक पहुंचती है जब सभी प्रासंगिक प्रकार के संतुलन की शर्तें एक साथ संतुष्ट होती हैं। कुछ अलग प्रकार के संतुलन नीचे सूचीबद्ध हैं।

• तापीय संतुलन: जब पूरे प्रणाली में तापमान एक समान होता है, तो प्रणाली थर्मल संतुलन में होता है।
• यांत्रिक संतुलन: यदि किसी दी गई प्रणाली के भीतर हर बिंदु पर समय के साथ दाब में कोई परिवर्तन नहीं होता और पदार्थ की कोई गति नहीं होती तो तंत्र यांत्रिक संतुलन में होता है।
• चरण संतुलन: यह तब होता है जब प्रत्येक अलग-अलग चरण के लिए द्रव्यमान एक ऐसे मान तक पहुँच जाता है जो समय के साथ नहीं बदलता है।
• रासायनिक संतुलन: रासायनिक संतुलन में, एक प्रणाली की रासायनिक संरचना स्थिर हो जाती है और समय के साथ नहीं बदलती है।

संदर्भ

ग्रन्थसूची

• Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3.
• Cengel, Yunus; Michael A. Boels (2011). Thermodynamics An Engineering Approach. New York, NY: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-352932-5.
• Callen, H.B. (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (1st edition 1960) 2nd edition 1985, Wiley, New York, ISBN 0-471-86256-8.
• Carathéodory, C. (1909). "Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik" (PDF). Mathematische Annalen. 67 (3): 355–386. doi:10.1007/BF01450409. A translation may be found here. A mostly reliable translation is to be found at Kestin, J. (1976). The Second Law of Thermodynamics, Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA.
• Eu, B.C. (2002). Generalized Thermodynamics. The Thermodynamics of Irreversible Processes and Generalized Hydrodynamics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, ISBN 1-4020-0788-4.
• Jaynes, E.T. (1965). Gibbs vs. Boltzmann entropies, Am. J. Phys., 33: 391–398.
• Modell, Michael; Robert C. Reid (1974). Thermodynamics and Its Applications. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0-13-914861-2.
• Marsland, R. III, Brown, H.R., Valente, G. (2015). Time and irreversibility in axiomatic thermodynamics, Am. J. Phys., 83(7): 628–634.
• Planck, M., (1923/1927). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, third English edition, Longmans, Green and Co., London.
• Prigogine, I., Defay, R. (1950/1954). Chemical Thermodynamics, Longmans, Green & Co, London.
• Tisza, L. (1966). Generalized Thermodynamics, M.I.T. Press, Cambridge MA.
• Zemanksy, M.W., Dittman, R.H. (1937/1981). Heat and Thermodynamics. An Intermediate Textbook, sixth edition, McGraw-Hill Book Company, New York, ISNM 0-07-072808-9.

यह भी देखें

• उत्साहित अवस्था
• जमीनी अवस्था
• स्थिर अवस्था