थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम ऊर्जा के संरक्षण का नियम है जो थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं पर लागू होता है: ऊर्जा कहीं गायब नहीं होती है और किसी भी चीज़ से उत्पन्न नहीं होती है, बल्कि केवल एक प्रकार से दूसरे प्रकार में समान मात्रा में गुजरती है। इसका एक उदाहरण ऊष्मा का स्थानांतरण होगा (थर्मल ऊर्जा)यांत्रिक ऊर्जा में, और इसके विपरीत।

यदि स्थिर दबाव पर तापमान T पर आयतन V (m 3) रखने वाली M किलोग्राम गैस में ऊष्मा dQ की एक निश्चित मात्रा जोड़ी जाती है, तो परिणामस्वरूप गैस का तापमान dT और आयतन dV बढ़ जाएगा। तापमान में वृद्धि आणविक गति dK की गतिज ऊर्जा में वृद्धि से जुड़ी है।
आयतन में वृद्धि के साथ अणुओं के बीच की दूरी में वृद्धि होती है और, परिणामस्वरूप, कमी होती है संभावित ऊर्जाउनके बीच डीएच इंटरैक्शन। इसके अलावा, अपनी मात्रा बढ़ाकर, गैस बाहरी ताकतों पर काबू पाने के लिए डीए का काम करती है।
यदि, संकेतित प्रक्रियाओं के अलावा, कार्यशील द्रव में कोई अन्य प्रक्रिया नहीं होती है, तो, ऊर्जा संरक्षण के नियम के आधार पर, हम लिख सकते हैं:

डीक्यू = डीके + डीएच + डीए।

योग dK + dH परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करता है आंतरिक ऊर्जाऊष्मा की आपूर्ति के परिणामस्वरूप प्रणाली के अणुओं का dU।
फिर थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के लिए ऊर्जा संरक्षण सूत्र को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

dQ = dU + dA या dQ = dU + pdV.

यह समीकरण एक गणितीय अभिव्यक्ति है ऊष्मागतिकी का पहला नियम: गैस प्रणाली को आपूर्ति की गई ऊष्मा dQ की मात्रा उसकी आंतरिक ऊर्जा dU को बदलने और बाहरी कार्य dA करने पर खर्च की जाती है.

परंपरागत रूप से, यह माना जाता है कि जब dQ > 0 ताप कार्यशील द्रव में स्थानांतरित होता है, और जब dQ होता है< 0 теплота отнимается от тела. При dA >0 सिस्टम काम करता है (गैस फैलती है), और डीए पर< 0 работа совершается над системой (газ сжимается) .

एक आदर्श गैस के लिए, जिसके अणुओं के बीच कोई परस्पर क्रिया नहीं होती है, आंतरिक ऊर्जा dU में परिवर्तन पूरी तरह से गति की गतिज ऊर्जा में परिवर्तन से निर्धारित होता है। (अर्थात अणुओं की गति बढ़ाना), और आयतन में परिवर्तन बाहरी ताकतों पर काबू पाने के लिए गैस के काम को दर्शाता है।

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का एक और सूत्रीकरण है: एक पृथक थर्मोडायनामिक प्रणाली की ऊर्जा अपरिवर्तित रहती है, चाहे उसमें कोई भी प्रक्रिया क्यों न हो.
पहली तरह की सतत गति मशीन, यानी एक समय-समय पर चलने वाली मशीन बनाना असंभव है जो ऊर्जा खर्च किए बिना काम करेगी।



ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम

थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम थर्मोडायनामिक प्रणाली के मापदंडों के बीच मात्रात्मक संबंधों का वर्णन करता है जो थर्मल ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने की प्रक्रियाओं में होता है और इसके विपरीत, लेकिन उन स्थितियों को स्थापित नहीं करता है जिनके तहत ये प्रक्रियाएं संभव हैं। एक प्रकार की ऊर्जा को दूसरे प्रकार की ऊर्जा में बदलने के लिए आवश्यक ये स्थितियाँ ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम से प्रकट होती हैं।

इस कानून के कई सूत्र हैं, और उनमें से प्रत्येक की अर्थ संबंधी सामग्री समान है। यहां ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के सबसे अधिक बार उद्धृत सूत्रीकरण दिए गए हैं।

1. ऊष्मा को परिवर्तित करने के लिए यांत्रिक कार्यऊष्मा का स्रोत और रेफ्रिजरेटर का होना आवश्यक है, जिसका तापमान स्रोत के तापमान से कम हो, यानी तापमान में अंतर आवश्यक है।

2. ऊष्मा इंजन को क्रियान्वित करना असंभव है, जिसका एकमात्र परिणाम किसी भी पिंड की ऊष्मा को कार्य में परिवर्तित करना होगा, बिना कुछ ऊष्मा को अन्य पिंडों में स्थानांतरित किए।
इस सूत्रीकरण से हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि एक सतत गति मशीन का निर्माण करना असंभव है जो गर्मी के केवल एक स्रोत के कारण काम करती है, क्योंकि किसी भी रूप में, यहां तक ​​कि गर्मी का सबसे विशाल स्रोत भी। भौतिक शरीरएन्थैल्पी की अनुमति से अधिक तापीय ऊर्जा देने में सक्षम नहीं है (किसी पिंड की कुल ऊर्जा का वह भाग जिसे पिंड को पूर्ण शून्य तापमान तक ठंडा करके ऊष्मा में परिवर्तित किया जा सकता है).

3. बाह्य कार्य के व्यय के बिना ऊष्मा स्वयं कम गर्म वस्तु से अधिक गर्म वस्तु की ओर नहीं जा सकती।

जैसा कि आप देख सकते हैं, थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम फार्मूलाबद्ध सामग्री पर आधारित नहीं है, बल्कि केवल उन स्थितियों का वर्णन करता है जिनके तहत कुछ थर्मोडायनामिक घटनाएं और प्रक्रियाएं संभव हैं, जो संक्षेप में पुष्टि करती हैं, सामान्य विधिउर्जा संरक्षण।

स्वतःस्फूर्त (सहज) प्रक्रियाएँनिम्नलिखित विशेषताओं द्वारा वर्णित हैं:

1. सभी प्राकृतिक स्वतःस्फूर्त प्रक्रियाएँ एक ही दिशा में आगे बढ़ती हैं, अर्थात् उनकी एक-तरफ़ा दिशा होती है। उदाहरण के लिए, गर्मी गर्म शरीर से ठंडे शरीर में स्थानांतरित होती है; गैसें सबसे अधिक आयतन घेरती हैं।

2. ऊर्जा का एक हिस्सा ऊष्मा में बदल जाता है, यानी सिस्टम एक व्यवस्थित अवस्था से कणों की यादृच्छिक तापीय गति वाली अवस्था में चला जाता है।

3. उपयोगी कार्य उत्पन्न करने के लिए सहज प्रक्रियाओं का उपयोग किया जा सकता है। जैसे-जैसे यह बदलता है, सिस्टम कार्य उत्पन्न करने की अपनी क्षमता खो देता है। संतुलन की अंतिम अवस्था में इसमें ऊर्जा की मात्रा सबसे कम होती है।

4. सिस्टम में या पर्यावरण में कोई बदलाव किए बिना सिस्टम को उसकी मूल स्थिति में वापस नहीं लाया जा सकता है। सभी स्वतःस्फूर्त प्रक्रियाएं थर्मोडायनामिक रूप से अपरिवर्तनीय हैं।

5. एक सहज प्रक्रिया में, प्रारंभिक अवस्था प्रत्येक बाद वाली की तुलना में कम संभावित होती है और अंतिम की तुलना में सबसे कम संभावित होती है।

गैर-सहज प्रक्रियाएंकार्य के व्यय के साथ घटित होता है; इस मामले में, सिस्टम संतुलन अवस्था से दूर चला जाता है (उदाहरण के लिए, गैस संपीड़न, इलेक्ट्रोलिसिस)।

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम- यह एक अभिधारणा है. यह प्रकृति में सांख्यिकीय है और सिस्टम पर लागू होता है बड़ी संख्याकण.

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम में निम्नलिखित सूत्र हैं:

1. ऊष्मा अनायास कम गर्म वस्तु से अधिक गर्म वस्तु में स्थानांतरित नहीं हो सकती।

2. एक प्रक्रिया असंभव है, जिसका एकमात्र परिणाम ऊष्मा का कार्य में रूपांतरण है।

3. दूसरे प्रकार की सतत गति मशीन असंभव है। इस प्रक्रिया में शामिल सबसे ठंडे पिंडों की गर्मी काम के स्रोत के रूप में काम नहीं कर सकती है।

थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम की विश्लेषणात्मक अभिव्यक्ति और कार्नोट चक्र का उपयोग करके इसका औचित्य।थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम की अभिव्यक्ति का सार प्रक्रिया की सहजता और एन्ट्रापी की वृद्धि के बीच संबंध है। यह अभिव्यक्ति प्रतिवर्ती कार्नोट चक्र में गर्मी के कार्य में रूपांतरण की सैद्धांतिक पूर्णता के मुद्दे पर विचार करने से उत्पन्न होती है .

चक्र में चार प्रक्रियाएँ शामिल हैं:

अब- गर्मी के कारण इज़ोटेर्मल विस्तार प्रश्न 1,एक तापमान पर गैस की आपूर्ति की जाती है टी 1;

सूरज- रुद्धोष्म विस्तार;

एसडी- तापमान पर इज़ोटेर्मल संपीड़न टी 2, इस प्रक्रिया में गैस गर्मी खो देती है प्रश्न 2;

हाँ- प्रारंभिक अवस्था में रुद्धोष्म संपीड़न।

एक आदर्श गैस के एक मोल के इज़ोटेर्मल विस्तार (या संपीड़न) के दौरान अवशोषित (या जारी) गर्मी कार्य के बराबर होती है

रुद्धोष्म विस्तार (या संपीड़न) के दौरान

इन समीकरणों को संबंधित चक्र प्रक्रियाओं पर लागू करने से थर्मोडायनामिक गुणांक की अभिव्यक्ति होती है उपयोगी क्रिया(क्षमता): . (4.3)

समीकरण (4.3) ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम की गणितीय अभिव्यक्ति है।

क्योंकि टी 1‹ टी 2, वह η ‹ 1.

कार्नोट के सिद्धांत के अनुसार, एक आदर्श गैस को किसी अन्य पदार्थ से बदलने से दक्षता में कोई बदलाव नहीं आएगा। कार्नोट चक्र. कार्नोट चक्र को किसी अन्य चक्र से बदलने से दक्षता कम हो जाएगी। (क्लैसियस-कारनोट प्रमेय)। इस प्रकार, एक आदर्श ताप इंजन के मामले में भी ऊष्मा का कार्य में रूपांतरणपूर्ण नहीं हो सकता.

थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम की अभिव्यक्ति हमें एन्ट्रापी की अवधारणा को पेश करने की अनुमति देती है, जिसकी मदद से कानून का सार सुविधाजनक और सामान्य रूप में प्रकट होता है।

आइए अभिव्यक्ति बदलें (4.3):

पर . (4.4)

अनुपात को कम ऊष्मा कहा जाता है। समीकरण (4.4) यह दर्शाता है बीजगणितीय योगप्रतिवर्ती कार्नोट चक्र के अनुसार कम ताप शून्य के बराबर है।

एक अतिसूक्ष्म प्रतिवर्ती कार्नोट चक्र के लिए

प्रारंभिक कम गर्मी कहाँ है.

किसी भी चक्र को अनंतिम कार्नोट चक्रों के एक सेट द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है:।

लिमिट में यह रकम हो जाएगी.

इंटीग्रल्स के सिद्धांत में, यह सिद्ध होता है कि यदि एक बंद लूप पर इंटीग्रल शून्य के बराबर है, तो इंटीग्रैंड अभिव्यक्ति उन मापदंडों के कुछ फ़ंक्शन का पूर्ण अंतर है जो सिस्टम की स्थिति निर्धारित करते हैं।

कहाँ एस- यह एन्ट्रापी, सिस्टम की स्थिति का एक ऐसा कार्य, जिसका कुल अंतर एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया में गर्मी की एक अनंत मात्रा और तापमान के अनुपात के बराबर होता है।

"एन्ट्रॉपी" की अवधारणा क्लॉसियस (1850) द्वारा प्रस्तुत की गई थी . यह अभिव्यक्ति प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के लिए ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम की गणितीय अभिव्यक्ति है।

एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया में एन्ट्रापी में परिवर्तन एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया में एन्ट्रापी में परिवर्तन के बराबर होता है, अर्थात . आइए प्रतिवर्ती और अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं की ऊष्मा की तुलना करें। ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुसार . आंतरिक ऊर्जा यूसिस्टम की स्थिति का एक कार्य है, इसलिए . इसलिए, अधिकतम कार्य प्रतिवर्ती प्रक्रिया के दौरान किया जाता है

प्रतिवर्ती और अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के लिए सामान्य मामले में ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम की निम्नलिखित गणितीय अभिव्यक्ति है:

यहाँ डीएस = स्थिरांक, और समीकरण का केवल दाहिना पक्ष बदलता है, अर्थात। ऊष्मा मान. एन्ट्रॉपी इकाइयाँ: [ एस] = जे/मोल के.

ऊष्मागतिकी के पहले और दूसरे नियम का संयुक्त समीकरण है:

एक आदर्श गैस की एन्ट्रापी में परिवर्तन की गणना।

आइए आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन को व्यक्त करें

समीकरण (4.6) को से विभाजित करना टी, हम एन्ट्रापी में परिवर्तन निर्धारित करते हैं:

(4.7)

आदर्श गैस समीकरण से: यह इस प्रकार है। फिर, इस संबंध को (4.7) में प्रतिस्थापित करने के बाद:

(4.8)

आइए अभिव्यक्ति (4.8) को एकीकृत करें और प्राप्त करें एक आदर्श गैस की एन्ट्रापी में परिवर्तन की गणना के लिए समीकरण है:

(4.9)

इज़ोटेर्माल प्रक्रिया: , (4.10)

के बाद से . (4.11)

आइसोकोरिक प्रक्रिया: . (4.12)

आइसोबैरिक प्रक्रिया: . (4.13)

रुद्धोष्म प्रक्रिया: . (4.14)

प्लैंक का अभिधारणानिम्नलिखित सूत्रीकरण है: पूर्ण शून्य पर, शुद्ध पदार्थों के उचित रूप से निर्मित क्रिस्टल की एन्ट्रापी शून्य होती है। यदि चरण संक्रमण की ऊष्मा ज्ञात हो और यदि एकत्रीकरण की विभिन्न अवस्थाओं में पदार्थ की ऊष्मा क्षमता ज्ञात हो, तो अभिधारणा किसी को एन्ट्रापी के पूर्ण मूल्य की गणना करने की अनुमति देती है।

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम

ऐतिहासिक रूप से, ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम ऊष्मा इंजनों के संचालन के विश्लेषण से उत्पन्न हुआ (एस. कार्नोट, 1824)। कई समतुल्य सूत्र हैं. "ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम" नाम और ऐतिहासिक रूप से इसका पहला सूत्रीकरण (1850) आर क्लॉसियस का है।

ऊष्मागतिकी का पहला नियम, ऊर्जा के संरक्षण और परिवर्तन के नियम को व्यक्त करते हुए, हमें ऊष्मागतिकी प्रक्रियाओं की दिशा स्थापित करने की अनुमति नहीं देता है। इसके अलावा, कोई ऐसी कई प्रक्रियाओं की कल्पना कर सकता है जो पहले सिद्धांत का खंडन नहीं करती हैं, जिसमें ऊर्जा संरक्षित होती है, लेकिन प्रकृति में वे घटित नहीं होती हैं।

अनुभव यही बताता है अलग - अलग प्रकारऊर्जाएँ अन्य प्रकार की ऊर्जा में परिवर्तित होने की क्षमता में असमान हैं। यांत्रिक ऊर्जा को पूरी तरह से किसी भी पिंड की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है। आंतरिक ऊर्जा के अन्य प्रकारों में विपरीत परिवर्तन के लिए कुछ प्रतिबंध हैं: आंतरिक ऊर्जा की आपूर्ति, किसी भी परिस्थिति में, पूरी तरह से अन्य प्रकार की ऊर्जा में परिवर्तित नहीं की जा सकती है। ऊर्जा परिवर्तनों की उल्लेखनीय विशेषताएं प्रकृति में प्रक्रियाओं की दिशा से जुड़ी हैं।

थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम एक सिद्धांत है जो एक सीमित गति से होने वाली मैक्रोस्कोपिक प्रक्रियाओं की अपरिवर्तनीयता स्थापित करता है।

विशुद्ध रूप से यांत्रिक (घर्षण के बिना) या इलेक्ट्रोडायनामिक (जूल गर्मी की रिहाई के बिना) प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के विपरीत, घर्षण, गैसों के प्रसार, गैसों के विस्तार के साथ एक सीमित तापमान अंतर (यानी एक सीमित गति से बहने) पर गर्मी हस्तांतरण से जुड़ी प्रक्रियाएं शून्य में, जूल ऊष्मा का निकलना आदि अपरिवर्तनीय हैं, अर्थात, वे स्वतः ही केवल एक ही दिशा में प्रवाहित हो सकते हैं।

थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम प्राकृतिक प्रक्रियाओं की दिशा को दर्शाता है और मैक्रोस्कोपिक प्रणालियों में ऊर्जा परिवर्तनों की संभावित दिशाओं पर प्रतिबंध लगाता है, यह दर्शाता है कि प्रकृति में कौन सी प्रक्रियाएं संभव हैं और कौन सी नहीं।

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम एक अभिधारणा है जिसे ऊष्मागतिकी के ढांचे के भीतर सिद्ध नहीं किया जा सकता है। यह प्रयोगात्मक तथ्यों के सामान्यीकरण के आधार पर बनाया गया था और इसे कई प्रयोगात्मक पुष्टियाँ प्राप्त हुईं।

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के कथन

1). कार्नोट सूत्रीकरण: ऊष्मा इंजन की उच्चतम दक्षता कार्यशील तरल पदार्थ के प्रकार पर निर्भर नहीं करती है और पूरी तरह से सीमित तापमान से निर्धारित होती है, जिसके बीच मशीन चलती है.

2). क्लॉसियस सूत्रीकरण: ऐसी प्रक्रिया असंभव है जिसका एकमात्र परिणाम कम गर्म वस्तु से ऊष्मा के रूप में ऊर्जा का स्थानांतरण होता है, एक गर्म शरीर के लिए.

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम कम गर्म वस्तु से अधिक गर्म वस्तु में ऊष्मा के स्थानांतरण पर रोक नहीं लगाता है। ऐसा संक्रमण एक प्रशीतन मशीन में होता है, लेकिन साथ ही बाहरी ताकतें सिस्टम पर काम करती हैं, यानी। यह परिवर्तन प्रक्रिया का एकमात्र परिणाम नहीं है.

3). केल्विन सूत्रीकरण: चक्रीय प्रक्रिया संभव नहीं है, जिसका एकमात्र परिणाम ऊष्मा का रूपांतरण है, हीटर से प्राप्त हुआ, समकक्ष कार्य में.

पहली नज़र में, ऐसा लग सकता है कि यह सूत्रीकरण एक आदर्श गैस के इज़ोटेर्मल विस्तार का खंडन करता है। दरअसल, एक आदर्श गैस द्वारा किसी पिंड से प्राप्त सारी ऊष्मा पूरी तरह से कार्य में परिवर्तित हो जाती है। हालाँकि, ऊष्मा प्राप्त करना और इसे कार्य में परिवर्तित करना प्रक्रिया का एकमात्र अंतिम परिणाम नहीं है; इसके अलावा, प्रक्रिया के परिणामस्वरूप, गैस की मात्रा में परिवर्तन होता है।

पी.एस.: आपको "एकमात्र परिणाम" शब्दों पर ध्यान देने की आवश्यकता है; यदि विचाराधीन प्रक्रियाएँ एकमात्र नहीं हैं तो दूसरे सिद्धांत का निषेध हटा दिया जाता है।

4). ओस्टवाल्ड का सूत्रीकरण: कार्यान्वयन सतत गति मशीनदूसरा प्रकार असंभव है.

दूसरे प्रकार की सतत गति मशीन एक समय-समय पर संचालित होने वाली डिवाइस है, जो एक ताप स्रोत को ठंडा करके काम करता है।

ऐसे इंजन का एक उदाहरण एक जहाज का इंजन होगा, जो समुद्र से गर्मी खींचता है और इसका उपयोग जहाज को चलाने के लिए करता है। ऐसा इंजन व्यावहारिक रूप से शाश्वत होगा, क्योंकि... पर्यावरण में ऊर्जा की आपूर्ति व्यावहारिक रूप से असीमित है।

सांख्यिकीय भौतिकी के दृष्टिकोण से, ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम प्रकृति में सांख्यिकीय है: यह प्रणाली के सबसे संभावित व्यवहार के लिए मान्य है। उतार-चढ़ाव का अस्तित्व इसके सटीक कार्यान्वयन को रोकता है, लेकिन किसी भी महत्वपूर्ण उल्लंघन की संभावना बेहद कम है।

एन्ट्रापी

"एन्ट्रॉपी" की अवधारणा को 1862 में आर क्लॉसियस द्वारा विज्ञान में पेश किया गया था और यह दो शब्दों से बना है: " एन" - ऊर्जा, " खीस्तयाग- मैं इसे घुमाता हूं।

थर्मोडायनामिक्स के शून्य नियम के अनुसार, एक पृथक थर्मोडायनामिक प्रणाली समय के साथ स्वचालित रूप से थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में चली जाती है और अनिश्चित काल तक इसमें बनी रहती है, यदि बाहरी स्थितियाँअपरिवर्तित रखा गया है.

संतुलन की स्थिति में, सिस्टम में सभी प्रकार की ऊर्जा सिस्टम को बनाने वाले परमाणुओं और अणुओं की अराजक गति की तापीय ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। ऐसी प्रणाली में कोई स्थूल प्रक्रियाएँ संभव नहीं हैं।

एन्ट्रॉपी एक पृथक प्रणाली के संतुलन अवस्था में संक्रमण के मात्रात्मक माप के रूप में कार्य करती है। जैसे-जैसे सिस्टम एक संतुलन स्थिति में परिवर्तित होता है, इसकी एन्ट्रापी बढ़ती है और संतुलन स्थिति तक पहुंचने पर अधिकतम तक पहुंच जाती है।

एन्ट्रॉपी एक थर्मोडायनामिक प्रणाली की स्थिति का एक कार्य है, जिसे निम्न द्वारा दर्शाया जाता है:

सैद्धांतिक पृष्ठभूमि: गर्मी कम हो गई,एन्ट्रापी

कार्नोट चक्र की दक्षता के लिए अभिव्यक्ति से: यह इस प्रकार है कि या, रेफ्रिजरेटर को काम कर रहे तरल पदार्थ द्वारा दी गई गर्मी की मात्रा कहां है, हम स्वीकार करते हैं:।

फिर अंतिम संबंध इस प्रकार लिखा जा सकता है:

इज़ोटेर्मल प्रक्रिया में किसी पिंड द्वारा प्राप्त ऊष्मा और ऊष्मा छोड़ने वाले पिंड के तापमान के अनुपात को कहा जाता है गर्मी की कम मात्रा:

सूत्र (2) को ध्यान में रखते हुए, सूत्र (1) को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

वे। कार्नोट चक्र के लिए, ऊष्मा की कम मात्रा का बीजगणितीय योग शून्य के बराबर है।

प्रक्रिया के एक अत्यंत छोटे हिस्से में शरीर को प्रदान की गई गर्मी की कम मात्रा:।

किसी मनमाने क्षेत्र के लिए ऊष्मा की दी गई मात्रा:

कठोर सैद्धांतिक विश्लेषणदर्शाता है कि किसी भी प्रतिवर्ती वृत्ताकार प्रक्रिया के लिए ऊष्मा की कम मात्रा का योग शून्य के बराबर है:

इस तथ्य से कि इंटीग्रल (4) शून्य के बराबर है, यह इस प्रकार है कि इंटीग्रैंड किसी फ़ंक्शन का पूर्ण अंतर है, जो केवल सिस्टम की स्थिति से निर्धारित होता है और उस पथ पर निर्भर नहीं करता है जिसके द्वारा सिस्टम इस तक आया था राज्य:

एकल-मूल्यवान राज्य फ़ंक्शन, जिसका कुल अंतर है ,एन्ट्रॉपी कहा जाता है .

फॉर्मूला (5) केवल प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के लिए मान्य है; गैर-संतुलन अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के मामले में, ऐसा प्रतिनिधित्व गलत है।

एन्ट्रापी के गुण

1). एन्ट्रॉपी एक मनमाना स्थिरांक तक निर्धारित होती है। भौतिक अर्थ स्वयं एन्ट्रापी नहीं है, बल्कि दो राज्यों की एन्ट्रापी के बीच का अंतर है:

. (6)

उदाहरण: यदि सिस्टम ( आदर्श गैस) अवस्था 1 से अवस्था 2 तक संतुलन परिवर्तन करता है, तो एन्ट्रापी में परिवर्तन इसके बराबर होता है:

,

कहाँ ; .

वे। अवस्था 1 से अवस्था 2 में संक्रमण के दौरान एक आदर्श गैस की एन्ट्रापी में परिवर्तन संक्रमण प्रक्रिया के प्रकार पर निर्भर नहीं करता है।

सामान्य तौर पर, सूत्र (6) में, एन्ट्रापी वृद्धि एकीकरण पथ पर निर्भर नहीं करती है।

2).एंट्रॉपी का पूर्ण मान थर्मोडायनामिक्स के तीसरे नियम (नर्नस्ट प्रमेय) का उपयोग करके स्थापित किया जा सकता है:

किसी भी वस्तु की एन्ट्रापी शून्य हो जाती है क्योंकि उसका तापमान परम शून्य हो जाता है: .

इस प्रकार, एन्ट्रापी के लिए प्रारंभिक संदर्भ बिंदु लिया जाता है .

3). एन्ट्रॉपी एक योगात्मक मात्रा है, अर्थात। कई निकायों की एक प्रणाली की एन्ट्रापी प्रत्येक निकाय की एन्ट्रापी का योग है:।

4). आंतरिक ऊर्जा की तरह, एन्ट्रापी थर्मोडायनामिक प्रणाली के मापदंडों का एक कार्य है .

5), स्थिर एन्ट्रापी पर होने वाली प्रक्रिया कहलाती है आइसेंट्रोपिक.

गर्मी हस्तांतरण के बिना संतुलन प्रक्रियाओं में, एन्ट्रापी नहीं बदलती है।

विशेष रूप से, एक प्रतिवर्ती रुद्धोष्म प्रक्रिया आइसेंट्रोपिक है: इसके लिए; , यानी .

6). स्थिर आयतन पर, एन्ट्रापी शरीर की आंतरिक ऊर्जा का एक नीरस रूप से बढ़ता हुआ कार्य है।

दरअसल, ऊष्मागतिकी के पहले नियम से यह पता चलता है कि जब हमारे पास: , तब । लेकिन तापमान हमेशा बना रहता है. इसलिए, वेतन वृद्धि का वही चिह्न है, जिसे सिद्ध करना आवश्यक है।

एन्ट्रापी परिवर्तन के उदाहरण विभिन्न प्रक्रियाएँ

1). एक आदर्श गैस के आइसोबैरिक विस्तार के दौरान

2). एक आदर्श गैस के आइसोकोरिक विस्तार के दौरान

3). एक आदर्श गैस के इज़ोटेर्मल विस्तार के दौरान

.

4). चरण परिवर्तन के दौरान

उदाहरण: जब तापमान पर बर्फ का एक द्रव्यमान भाप में परिवर्तित हो जाता है तो एन्ट्रापी में परिवर्तन का पता लगाएं।

समाधान

ऊष्मागतिकी का पहला नियम: .

मेंडेलीव-क्लैपेरॉन समीकरण से यह निम्नानुसार है:।

तब ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम की अभिव्यक्तियाँ इस प्रकार होंगी:

.

एक से आगे बढ़ने पर एकत्रीकरण की अवस्थादूसरे में, एन्ट्रापी में कुल परिवर्तन में व्यक्तिगत प्रक्रियाओं में परिवर्तन शामिल होते हैं:

ए)। बर्फ को तापमान से गलनांक तक गर्म करना:

,कहाँ - विशिष्ट ऊष्माबर्फ़।

बी)। पिघलती बर्फ: ,कहाँ - विशिष्ट ऊष्मापिघलती बर्फ।

में)। पानी को तापमान से क्वथनांक तक गर्म करना:

, पानी की विशिष्ट ताप क्षमता कहाँ है।

जी)। जल वाष्पीकरण: , जल के वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा कहाँ होती है।

तो कुल एन्ट्रापी परिवर्तन है:

एन्ट्रापी बढ़ाने का सिद्धांत

किसी के लिए बंद सिस्टम की एन्ट्रॉपी इसमें होने वाली प्रक्रियाएँ कम नहीं होतीं:

या अंतिम प्रक्रिया के लिए: , इसलिए: .

समान चिह्न एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया को संदर्भित करता है, असमानता चिह्न एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया को संदर्भित करता है। अंतिम दो सूत्र ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम की गणितीय अभिव्यक्ति हैं। इस प्रकार, "एन्ट्रॉपी" की अवधारणा की शुरूआत ने थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम को कड़ाई से गणितीय रूप से तैयार करना संभव बना दिया।

अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं एक संतुलन स्थिति की स्थापना की ओर ले जाती हैं। इस अवस्था में, पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी अपने अधिकतम तक पहुँच जाती है। ऐसी प्रणाली में कोई स्थूल प्रक्रियाएँ संभव नहीं हैं।

एन्ट्रापी परिवर्तन का परिमाण प्रक्रिया की अपरिवर्तनीयता की डिग्री की गुणात्मक विशेषता है।

एन्ट्रापी बढ़ाने का सिद्धांत पृथक प्रणालियों पर लागू होता है। यदि सिस्टम को पृथक नहीं किया गया तो इसकी एन्ट्रॉपी कम हो सकती है।

निष्कर्ष: क्योंकि चूँकि सभी वास्तविक प्रक्रियाएँ अपरिवर्तनीय हैं, एक बंद प्रणाली में सभी प्रक्रियाएँ इसकी एन्ट्रापी में वृद्धि का कारण बनती हैं।

सिद्धांत का सैद्धांतिक औचित्य

आइए एक बंद प्रणाली पर विचार करें जिसमें एक हीटर, एक रेफ्रिजरेटर, एक कार्यशील तरल पदार्थ और किए गए कार्य का एक "उपभोक्ता" (एक निकाय जो केवल कार्य के रूप में कार्यशील तरल पदार्थ के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान करता है), एक कार्नोट चक्र का प्रदर्शन करता है। यह एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया है, जिसकी एन्ट्रापी में परिवर्तन बराबर होता है:

,

कार्यशील द्रव की एन्ट्रापी में परिवर्तन कहाँ है; - हीटर एन्ट्रापी में परिवर्तन; - रेफ्रिजरेटर की एन्ट्रापी में परिवर्तन; - कार्य के "उपभोक्ता" की एन्ट्रापी में परिवर्तन।

जैसा कि ज्ञात है, थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं में ऊर्जा के संरक्षण के नियम को दर्शाता है, लेकिन यह प्रक्रियाओं की दिशा का अंदाजा नहीं देता है। इसके अलावा, आप कई थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं के साथ आ सकते हैं जो पहले कानून का खंडन नहीं करेंगे, लेकिन वास्तव में ऐसी प्रक्रियाएं मौजूद नहीं हैं। ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम (कानून) का अस्तित्व एक विशेष प्रक्रिया की संभावना स्थापित करने की आवश्यकता के कारण होता है। यह नियम थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं के प्रवाह की दिशा निर्धारित करता है। थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम तैयार करते समय, वे एन्ट्रापी और क्लॉसियस असमानता की अवधारणाओं का उपयोग करते हैं। इस मामले में, यदि प्रक्रिया अपरिवर्तनीय है तो थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम एक बंद प्रणाली की एन्ट्रापी के विकास के नियम के रूप में तैयार किया जाता है।

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के कथन

यदि कोई प्रक्रिया किसी बंद सिस्टम में होती है, तो इस सिस्टम की एन्ट्रापी कम नहीं होती है। सूत्र के रूप में ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम इस प्रकार लिखा गया है:

जहाँ S एन्ट्रापी है; L वह पथ है जिसके साथ सिस्टम एक राज्य से दूसरे राज्य में जाता है।

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के इस सूत्रीकरण में इस तथ्य पर ध्यान दिया जाना चाहिए कि विचाराधीन प्रणाली को बंद किया जाना चाहिए। एक खुली प्रणाली में, एन्ट्रापी किसी भी तरह से व्यवहार कर सकती है (यह घट सकती है, बढ़ सकती है या स्थिर रह सकती है)। ध्यान दें कि प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के दौरान बंद सिस्टम में एन्ट्रापी नहीं बदलती है।

अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के दौरान एक बंद प्रणाली में एन्ट्रापी में वृद्धि एक थर्मोडायनामिक प्रणाली का कम संभावना वाले राज्यों से उच्च संभावना वाले राज्यों में संक्रमण है। प्रसिद्ध बोल्ट्ज़मान सूत्र ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम की सांख्यिकीय व्याख्या देता है:

जहां k बोल्ट्ज़मान स्थिरांक है; डब्ल्यू - थर्मोडायनामिक संभाव्यता (उन तरीकों की संख्या जिनसे विचाराधीन प्रणाली के मैक्रोस्टेट को महसूस किया जा सकता है)। इस प्रकार, थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम एक सांख्यिकीय कानून है जो थर्मोडायनामिक प्रणाली बनाने वाले अणुओं के थर्मल (अराजक) आंदोलन के पैटर्न के विवरण से जुड़ा हुआ है।

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के अन्य सूत्रीकरण

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के कई अन्य सूत्र हैं:

1) केल्विन का सूत्रीकरण: एक गोलाकार प्रक्रिया बनाना असंभव है, जिसका परिणाम विशेष रूप से हीटर से प्राप्त गर्मी का कार्य में रूपांतरण होगा। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के इस सूत्रीकरण से, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि दूसरे प्रकार की सतत गति मशीन बनाना असंभव है। इसका मतलब है कि समय-समय पर अभिनय करना इंजन गर्म करेंएक हीटर, कार्यशील तरल पदार्थ और रेफ्रिजरेटर होना चाहिए। इस मामले में, एक आदर्श ऊष्मा इंजन की दक्षता कार्नोट चक्र की दक्षता से अधिक नहीं हो सकती:

हीटर का तापमान कहाँ है; - रेफ्रिजरेटर का तापमान; ( title='QuickLaTeX.com द्वारा प्रस्तुत" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).!}

2) क्लॉसियस का सूत्रीकरण: एक गोलाकार प्रक्रिया बनाना असंभव है जिसके परिणामस्वरूप कम तापमान वाले शरीर से उच्च तापमान वाले शरीर में केवल गर्मी हस्तांतरण होगा।

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम ऊर्जा हस्तांतरण के दो रूपों (कार्य और ऊष्मा) के बीच आवश्यक अंतर को नोट करता है। इस नियम से यह निष्कर्ष निकलता है कि समग्र रूप से शरीर की क्रमबद्ध गति का शरीर के अणुओं की अराजक गति में संक्रमण और बाहरी वातावरण- एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया है. इस मामले में, अतिरिक्त (प्रतिपूरक) प्रक्रियाओं के बिना आदेशित आंदोलन अराजक हो सकता है। जबकि अव्यवस्थित गति से व्यवस्थित गति में परिवर्तन के साथ क्षतिपूर्ति प्रक्रिया भी होनी चाहिए।

समस्या समाधान के उदाहरण

उदाहरण 1

व्यायाम

"ब्रह्माण्ड की गर्मी से मृत्यु" समस्या का सार क्या है? यह समस्या अस्थिर क्यों है?

समाधान

इस समस्या 19वीं शताब्दी में तैयार किया गया था। यदि हम ब्रह्मांड को एक बंद प्रणाली मानते हैं और उस पर थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम को लागू करने का प्रयास करते हैं, तो क्लॉसियस परिकल्पना के अनुसार, ब्रह्मांड की एन्ट्रापी एक निश्चित अधिकतम तक पहुंच जाएगी। अर्थात् कुछ समय बाद सभी प्रकार की गति तापीय गति बन जायेगी। अधिक के साथ शरीर से सभी गर्मी उच्च तापमानउन निकायों की ओर बढ़ेंगे जिनके पास अधिक है हल्का तापमानयानी ब्रह्मांड में सभी पिंडों का तापमान बराबर हो जाएगा। ब्रह्मांड एक स्थिति में आ जाएगा तापीय संतुलन, सभी प्रक्रियाएँ रुक जाएँगी - इसे ब्रह्माण्ड की तापीय मृत्यु कहा जाता है। गलती यह प्रावधानब्रह्माण्ड की तापीय मृत्यु के बारे में यह तथ्य निहित है कि ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम खुली प्रणालियों पर लागू नहीं होता है, और ब्रह्माण्ड को बंद नहीं माना जाना चाहिए। चूँकि यह असीमित है और इसमें अनंत विकास समाहित है।

उदाहरण 2

व्यायाम

चित्र 1 में दिखाए गए चक्र की दक्षता क्या है? विचार करें कि एक आदर्श गैस प्रक्रिया में शामिल है (स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या i है) और इसकी मात्रा n बार बदलती है।

समाधान

चक्र की दक्षता, जिसे चित्र 1 में प्रस्तुत किया गया है, इस प्रकार पाई जाती है: प्रस्तुत चक्र में हीटर से कार्यशील द्रव को प्राप्त होने वाली ऊष्मा की मात्रा कहाँ है। रुद्धोष्म प्रक्रियाओं में ऊष्मा की आपूर्ति या निष्कासन नहीं होता है, इससे पता चलता है कि ऊष्मा की आपूर्ति केवल प्रक्रिया 1-2 में होती है। - ऊष्मा की वह मात्रा जो प्रक्रिया 3-4 में गैस से निकाली जाती है। ऊष्मागतिकी के पहले नियम का उपयोग करते हुए, हम प्रक्रिया 1-2 में गैस द्वारा प्राप्त ऊष्मा की मात्रा ज्ञात करते हैं, जो आइसोकोरिक है: चूँकि इस प्रक्रिया में आयतन में कोई परिवर्तन नहीं होता है। आइए हम गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन को इस प्रकार परिभाषित करें: सादृश्य से, एक आइसोकोरिक प्रक्रिया के लिए जिसमें गर्मी हटा दी जाती है, हमारे पास है: आइए प्राप्त परिणाम (2.2 - 2.5) को अभिव्यक्ति (2.1) में प्रतिस्थापित करें: तापमान अंतर ज्ञात करने के लिए हम रुद्धोष्म समीकरण का उपयोग करते हैं और चित्र 1 पर विचार करते हैं। प्रक्रिया 2-3 के लिए हम लिखते हैं:

ऊर्जा कैसे उत्पन्न होती है, इसे एक रूप से दूसरे रूप में कैसे परिवर्तित किया जाता है, और एक बंद प्रणाली में ऊर्जा का क्या होता है? थर्मोडायनामिक्स के नियम इन सभी सवालों के जवाब देने में मदद करेंगे। ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम पर आज अधिक विस्तार से चर्चा की जाएगी।

रोजमर्रा की जिंदगी में कानून

कानून रोजमर्रा की जिंदगी को नियंत्रित करते हैं। यातायात कानून कहते हैं कि आपको स्टॉप संकेतों पर रुकना चाहिए। सरकारी कर्मचारियों को अपने वेतन का एक हिस्सा राज्य और संघीय सरकार को प्रदान करना आवश्यक है। यहाँ तक कि वैज्ञानिक भी लागू होते हैं रोजमर्रा की जिंदगी. उदाहरण के लिए, गुरुत्वाकर्षण का नियम उड़ने की कोशिश करने वालों के लिए बहुत बुरे परिणाम की भविष्यवाणी करता है। वैज्ञानिक कानूनों का एक और सेट जो रोजमर्रा की जिंदगी को प्रभावित करता है वह थर्मोडायनामिक्स के नियम हैं। इसलिए, यह देखने के लिए कई उदाहरण दिए जा सकते हैं कि वे रोजमर्रा की जिंदगी को कैसे प्रभावित करते हैं।

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

ऊष्मागतिकी का पहला नियम कहता है कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, लेकिन इसे एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित किया जा सकता है। इसे कभी-कभी ऊर्जा संरक्षण का नियम भी कहा जाता है। तो इसका रोजमर्रा की जिंदगी से क्या संबंध है? खैर, उदाहरण के लिए उस कंप्यूटर को लें जिसका आप अभी उपयोग कर रहे हैं। यह ऊर्जा पर फ़ीड करता है, लेकिन यह ऊर्जा कहां से आती है? ऊष्मागतिकी का पहला नियम हमें बताता है कि यह ऊर्जा पतली हवा से नहीं आ सकती, इसलिए यह कहीं से आई है।

आप इस ऊर्जा को ट्रैक कर सकते हैं। कंप्यूटर बिजली से चलता है, लेकिन यह बिजली कहां से आती है? यह सही है, किसी पावर प्लांट या हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर स्टेशन से। यदि हम दूसरे पर विचार करें, तो यह एक बांध से जुड़ा होगा जो नदी को रोकता है। नदी का संबंध गतिज ऊर्जा से है, जिसका अर्थ है कि नदी बहती है। बांध इस गतिज ऊर्जा को संभावित ऊर्जा में परिवर्तित करता है।

पनबिजली संयंत्र कैसे काम करता है? टरबाइन को घुमाने के लिए पानी का उपयोग किया जाता है। जब टरबाइन घूमता है, तो एक जनरेटर चलाया जाता है, जो बिजली पैदा करेगा। इस बिजली को पूरी तरह से बिजली संयंत्र से आपके घर तक तारों के माध्यम से ले जाया जा सकता है ताकि जब आप बिजली के तार को विद्युत आउटलेट में प्लग करें, तो बिजली आपके कंप्यूटर में प्रवाहित हो ताकि वह काम कर सके।

यहां क्या हुआ? नदी के पानी के साथ पहले से ही एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा जुड़ी हुई थी गतिज ऊर्जा. फिर यह स्थितिज ऊर्जा में बदल गया। फिर बांध ने उस संभावित ऊर्जा को ले लिया और उसे बिजली में बदल दिया, जो फिर आपके घर में जा सकती है और आपके कंप्यूटर को बिजली दे सकती है।

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम

इस नियम का अध्ययन करके आप समझ सकते हैं कि ऊर्जा कैसे काम करती है और क्यों हर चीज़ संभावित अराजकता और अव्यवस्था की ओर बढ़ती है। ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम को एन्ट्रापी का नियम भी कहा जाता है। क्या आपने कभी सोचा है कि ब्रह्मांड कैसे अस्तित्व में आया? सिद्धांत के अनुसार महा विस्फोट, चारों ओर सब कुछ पैदा होने से पहले, ऊर्जा की एक बड़ी मात्रा एक साथ एकत्रित हुई। बिग बैंग के बाद ब्रह्मांड प्रकट हुआ। यह सब तो अच्छा है, लेकिन वह किस प्रकार की ऊर्जा थी? समय की शुरुआत में, ब्रह्मांड की सारी ऊर्जा एक अपेक्षाकृत छोटे स्थान में समाहित थी। यह तीव्र सांद्रता संभावित ऊर्जा कहलाने वाली विशाल मात्रा का प्रतिनिधित्व करती है। समय के साथ, यह हमारे ब्रह्मांड के विशाल विस्तार में फैल गया।

बहुत छोटे पैमाने पर, बांध द्वारा रखे गए पानी के भंडार में संभावित ऊर्जा होती है क्योंकि इसका स्थान इसे बांध के माध्यम से बहने की अनुमति देता है। प्रत्येक मामले में, संग्रहित ऊर्जा, एक बार मुक्त होने के बाद, फैलती है और बिना किसी प्रयास के फैलती है। दूसरे शब्दों में, संभावित ऊर्जा की रिहाई एक सहज प्रक्रिया है जो अतिरिक्त संसाधनों की आवश्यकता के बिना होती है। जैसे-जैसे ऊर्जा फैलती है, इसका कुछ भाग उपयोगी ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है और कुछ कार्य करता है। शेष को अनुपयोगी ऊर्जा में बदल दिया जाता है, जिसे केवल ऊष्मा कहा जाता है।

जैसे-जैसे ब्रह्माण्ड का विस्तार होता जा रहा है, इसमें उपयोगी ऊर्जा कम होती जा रही है। यदि कम उपयोगी उपलब्ध हो तो कम काम किया जा सकता है। चूँकि पानी बाँध से बहता है, इसमें उपयोगी ऊर्जा भी कम होती है। समय के साथ उपयोगी ऊर्जा में इस कमी को एन्ट्रॉपी कहा जाता है, जहां एन्ट्रॉपी एक प्रणाली में अप्रयुक्त ऊर्जा की मात्रा है, और एक प्रणाली केवल वस्तुओं का संग्रह है जो संपूर्ण बनाती है।

एन्ट्रॉपी को संगठन के बिना किसी संगठन में यादृच्छिकता या अराजकता की मात्रा के रूप में भी संदर्भित किया जा सकता है। जैसे-जैसे समय के साथ उपयोगी ऊर्जा घटती जाती है, अव्यवस्था और अराजकता बढ़ती जाती है। इस प्रकार, जैसे ही संचित स्थितिज ऊर्जा मुक्त होती है, वह सारी उपयोगी ऊर्जा में परिवर्तित नहीं होती है। सभी प्रणालियाँ समय के साथ एन्ट्रापी में इस वृद्धि का अनुभव करती हैं। इसे समझना बहुत ज़रूरी है और इस घटना को ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम कहा जाता है।

एन्ट्रॉपी: यादृच्छिकता या दोष

जैसा कि आपने अनुमान लगाया होगा, दूसरा नियम पहले का अनुसरण करता है, जिसे आमतौर पर ऊर्जा संरक्षण का नियम कहा जाता है, और यह बताता है कि ऊर्जा का निर्माण नहीं किया जा सकता है और इसे नष्ट नहीं किया जा सकता है। दूसरे शब्दों में, ब्रह्मांड या किसी भी प्रणाली में ऊर्जा की मात्रा स्थिर है। थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम को आमतौर पर एन्ट्रापी का नियम कहा जाता है, और यह मानता है कि जैसे-जैसे समय बीतता है, ऊर्जा कम उपयोगी हो जाती है और समय के साथ इसकी गुणवत्ता कम हो जाती है। एन्ट्रॉपी किसी सिस्टम में मौजूद यादृच्छिकता या दोषों की डिग्री है। यदि कोई प्रणाली अत्यधिक अव्यवस्थित है, तो उसमें उच्च एन्ट्रापी होती है। यदि सिस्टम में कई दोष हैं, तो एन्ट्रापी कम है।

बोला जा रहा है सरल शब्दों मेंथर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम कहता है कि किसी सिस्टम की एन्ट्रापी समय के साथ कम नहीं हो सकती। इसका मतलब यह है कि प्रकृति में चीजें व्यवस्थित स्थिति से अव्यवस्था की स्थिति की ओर बढ़ती हैं। और यह अपरिवर्तनीय है. व्यवस्था कभी भी अपने आप अधिक व्यवस्थित नहीं होगी। दूसरे शब्दों में, प्रकृति में किसी प्रणाली की एन्ट्रापी हमेशा बढ़ती है। इस बारे में सोचने का एक तरीका आपका घर है। यदि आप इसे कभी साफ और वैक्यूम नहीं करेंगे, तो जल्द ही आपके सामने एक भयानक गंदगी आ जाएगी। एन्ट्रॉपी बढ़ गई है! इसे कम करने के लिए, सतह से धूल साफ़ करने के लिए वैक्यूम क्लीनर और पोछे का उपयोग करने के लिए ऊर्जा का उपयोग करना चाहिए। घर अपने आप साफ़ नहीं होगा.

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम क्या है? सरल शब्दों में सूत्रीकरण बताता है कि जब ऊर्जा एक रूप से दूसरे रूप में बदलती है, तो पदार्थ या तो स्वतंत्र रूप से चलता है या बंद प्रणाली में एन्ट्रापी (विकार) बढ़ जाती है। तापमान, दबाव और घनत्व में अंतर कुछ समय बाद क्षैतिज रूप से समतल हो जाता है। गुरुत्वाकर्षण के कारण, घनत्व और दबाव लंबवत रूप से बराबर नहीं होते हैं। नीचे का घनत्व और दबाव शीर्ष की तुलना में अधिक होगा। एन्ट्रॉपी पदार्थ और ऊर्जा के वितरण का एक माप है जहां इसकी पहुंच है। ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का सबसे आम सूत्रीकरण मुख्य रूप से रुडोल्फ क्लॉसियस से जुड़ा है, जिन्होंने कहा था:

ऐसे उपकरण का निर्माण करना असंभव है जो कम तापमान वाले शरीर से उच्च तापमान वाले शरीर में गर्मी के हस्तांतरण के अलावा कोई अन्य प्रभाव पैदा नहीं करता है।

दूसरे शब्दों में, हर चीज़ समय के साथ एक ही तापमान बनाए रखने की कोशिश करती है। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के कई सूत्र हैं जो विभिन्न शब्दों का उपयोग करते हैं, लेकिन उन सभी का मतलब एक ही है। क्लॉज़ियस का एक और कथन:

ठंडी वस्तु से गर्म वस्तु की ओर ऊष्मा अपने आप उत्पन्न नहीं होती है।

दूसरा कानून केवल पर लागू होता है बड़े सिस्टम. यह उस प्रणाली के संभावित व्यवहार से संबंधित है जिसमें कोई ऊर्जा या पदार्थ नहीं है। प्रणाली जितनी बड़ी होगी, दूसरे नियम की संभावना उतनी ही अधिक होगी।

कानून का एक और शब्द:

एक सहज प्रक्रिया में कुल एन्ट्रापी हमेशा बढ़ती है।

प्रक्रिया के दौरान एन्ट्रापी ΔS में वृद्धि सिस्टम में स्थानांतरित ऊष्मा Q की मात्रा और उस तापमान T, जिस पर ऊष्मा स्थानांतरित होती है, के अनुपात से अधिक या उसके बराबर होनी चाहिए।

थर्मोडायनामिक प्रणाली

में सामान्य अर्थ मेंसरल शब्दों में थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम का कथन बताता है कि एक-दूसरे के संपर्क में आने वाली प्रणालियों के बीच तापमान का अंतर बराबर हो जाता है और इन गैर-संतुलन अंतरों से काम प्राप्त किया जा सकता है। लेकिन साथ ही तापीय ऊर्जा का ह्रास होता है और एन्ट्रॉपी बढ़ जाती है। यदि मौका मिले तो दबाव, घनत्व और तापमान में अंतर बराबर हो जाता है; घनत्व और दबाव, लेकिन तापमान नहीं, गुरुत्वाकर्षण पर निर्भर करते हैं। ऊष्मा इंजन एक यांत्रिक उपकरण है जो प्रदान करता है उपयोगी कार्यदोनों पिंडों के तापमान में अंतर के कारण।

थर्मोडायनामिक प्रणाली वह है जो अपने आस-पास के क्षेत्र के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान और आदान-प्रदान करती है। विनिमय और स्थानांतरण कम से कम दो तरीकों से होना चाहिए। एक तरीका गर्मी हस्तांतरण होना चाहिए। यदि एक थर्मोडायनामिक प्रणाली "संतुलन में" है, तो यह अपने पर्यावरण के साथ बातचीत किए बिना अपनी स्थिति या स्थिति को नहीं बदल सकती है। सीधे शब्दों में कहें तो, यदि आप संतुलन में हैं, तो आप एक "खुशहाल प्रणाली" हैं, आप कुछ नहीं कर सकते। यदि आप कुछ करना चाहते हैं, तो आपको अपने आस-पास की दुनिया के साथ बातचीत करनी होगी।

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम: प्रक्रियाओं की अपरिवर्तनीयता

ऐसी चक्रीय (दोहराई जाने वाली) प्रक्रिया का होना असंभव है जो गर्मी को पूरी तरह से काम में बदल देती है। ऐसी प्रक्रिया का होना भी असंभव है जो काम का उपयोग किए बिना ठंडी वस्तुओं से गर्मी को गर्म वस्तुओं में स्थानांतरित करती है। प्रतिक्रिया में कुछ ऊर्जा हमेशा गर्म करने से नष्ट हो जाती है। इसके अलावा, सिस्टम अपनी सारी ऊर्जा को कार्य ऊर्जा में परिवर्तित नहीं कर सकता है। कानून का दूसरा भाग अधिक स्पष्ट है।

ठंडा शरीर गर्म शरीर को गर्म नहीं कर सकता। गरम सहज रूप मेंगर्म से ठंडे क्षेत्रों की ओर प्रवाहित होता है। यदि गर्मी ठंडे से गर्म तापमान की ओर बढ़ती है, तो यह "प्राकृतिक" के विपरीत जाती है, इसलिए सिस्टम को ऐसा करने के लिए कुछ काम करना होगा। प्रकृति में - ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम। यह शायद पूरे विज्ञान में सबसे प्रसिद्ध (कम से कम वैज्ञानिकों के बीच) और महत्वपूर्ण कानून है। उनका एक सूत्र:

ब्रह्माण्ड की एन्ट्रापी अपनी अधिकतम सीमा तक पहुँच जाती है।

दूसरे शब्दों में, ब्रह्मांड की एन्ट्रापी या तो समान रहती है या अधिक हो जाती है; समस्या यह है कि यह सदैव सत्य है। यदि आप इत्र की एक बोतल लेते हैं और इसे कमरे में स्प्रे करते हैं, तो जल्द ही सुगंधित परमाणु पूरे स्थान को भर देंगे, और यह प्रक्रिया अपरिवर्तनीय है।

ऊष्मप्रवैगिकी में संबंध

थर्मोडायनामिक्स के नियम थर्मल ऊर्जा, या गर्मी और ऊर्जा के अन्य रूपों के बीच संबंधों का वर्णन करते हैं, और ऊर्जा पदार्थ को कैसे प्रभावित करती है। ऊष्मागतिकी का पहला नियम कहता है कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है; कुल मात्राब्रह्माण्ड में ऊर्जा अपरिवर्तित रहती है। ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम ऊर्जा की गुणवत्ता से संबंधित है। इसमें कहा गया है कि जैसे-जैसे ऊर्जा स्थानांतरित या परिवर्तित होती है, अधिक से अधिक उपयोगी ऊर्जा नष्ट हो जाती है। दूसरे नियम में यह भी कहा गया है कि किसी भी पृथक प्रणाली के अधिक अव्यवस्थित हो जाने की स्वाभाविक प्रवृत्ति होती है।

ऑर्डर बढ़ने पर भी निश्चित स्थानजब आप सहित संपूर्ण सिस्टम को ध्यान में रखते हैं पर्यावरण, एन्ट्रापी में हमेशा वृद्धि होती है। दूसरे उदाहरण में, पानी के वाष्पित होने पर नमक के घोल से क्रिस्टल बन सकते हैं। घोल में नमक के अणुओं की तुलना में क्रिस्टल अधिक क्रमबद्ध होते हैं; हालाँकि, वाष्पीकृत पानी तरल पानी की तुलना में बहुत अधिक गन्दा होता है। संपूर्ण प्रक्रिया के परिणामस्वरूप अव्यवस्था में शुद्ध वृद्धि होती है।

कार्य और ऊर्जा

दूसरा नियम बताता है कि तापीय ऊर्जा को 100 प्रतिशत दक्षता के साथ यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करना असंभव है। आप एक कार का उदाहरण दे सकते हैं. पिस्टन को चलाने के लिए दबाव बढ़ाने के लिए गैस को गर्म करने की प्रक्रिया के बाद, गैस में हमेशा कुछ गर्मी बची रहती है, जिसका उपयोग किसी भी कार्य के लिए नहीं किया जा सकता है। अतिरिक्त कार्य. इस अपशिष्ट ऊष्मा को रेडिएटर में स्थानांतरित करके अस्वीकार कर दिया जाना चाहिए। कार इंजन के मामले में, यह खर्च किए गए ईंधन और वायु मिश्रण को वायुमंडल में निकालकर किया जाता है।

इसके अतिरिक्त, गतिमान भागों वाला कोई भी उपकरण घर्षण पैदा करता है, जो यांत्रिक ऊर्जा को गर्मी में परिवर्तित करता है, जो आमतौर पर अनुपयोगी होता है और इसे हीट सिंक में स्थानांतरित करके सिस्टम से हटाया जाना चाहिए। जब कोई गर्म और ठंडा पिंड एक दूसरे के संपर्क में आते हैं, थर्मल ऊर्जागर्म पिंड से ठंडे पिंड की ओर तब तक प्रवाहित होंगे जब तक वे तापीय संतुलन तक नहीं पहुंच जाते। हालाँकि, गर्मी कभी भी दूसरे तरीके से वापस नहीं लौटेगी; दो पिंडों के बीच तापमान का अंतर कभी भी अनायास नहीं बढ़ेगा। ऊष्मा को ठंडे पिंड से गर्म पिंड तक ले जाने के लिए कार्य की आवश्यकता होती है, जिसे ताप पंप जैसे बाहरी ऊर्जा स्रोत द्वारा किया जाना चाहिए।

ब्रह्मांड का भाग्य

दूसरा नियम ब्रह्मांड के अंत की भी भविष्यवाणी करता है। यह अव्यवस्था का अंतिम स्तर है, यदि हर जगह निरंतर थर्मल संतुलन है, तो कोई काम नहीं किया जा सकता है और सारी ऊर्जा परमाणुओं और अणुओं की यादृच्छिक गति के रूप में समाप्त हो जाएगी। आधुनिक आंकड़ों के अनुसार, मेटागैलेक्सी एक विस्तारित गैर-स्थिर प्रणाली है, ब्रह्मांड की थर्मल मृत्यु की कोई बात नहीं हो सकती है। ताप मृत्यु तापीय संतुलन की एक स्थिति है जिसमें सभी प्रक्रियाएं बंद हो जाती हैं।

यह स्थिति ग़लत है, क्योंकि ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम केवल बंद प्रणालियों पर लागू होता है। और ब्रह्माण्ड, जैसा कि हम जानते हैं, असीमित है। हालाँकि, "ब्रह्मांड की गर्मी से मृत्यु" शब्द का उपयोग कभी-कभी ब्रह्मांड के भविष्य के विकास के लिए एक परिदृश्य को निर्दिष्ट करने के लिए किया जाता है, जिसके अनुसार यह अंतरिक्ष के अंधेरे में अनिश्चित काल तक विस्तारित होता रहेगा जब तक कि यह बिखरी हुई ठंडी धूल में नहीं बदल जाता।