भौतिकी के बुनियादी नियमों में से एक, एक पृथक प्रणाली में न घटने वाली एन्ट्रापी का नियम।
एक स्थिर तापमान प्रणाली के लिए वहाँ है विशिष्ट कार्यराज्य एस - एन्ट्रापी, जिसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है
1. संतुलन अवस्था A से संतुलन अवस्था B में रुद्धोष्म संक्रमण तभी संभव है जब

2. धीमी अर्ध-स्थैतिक प्रक्रिया में एन्ट्रापी में वृद्धि बराबर होती है

जहां T तापमान है.
उपरोक्त सूत्रीकरण अत्यंत औपचारिक है। ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के कई वैकल्पिक सूत्रीकरण हैं। उदाहरण के लिए, प्लैंक ने निम्नलिखित सूत्रीकरण प्रस्तावित किया:
ऐसी मशीन बनाना असंभव है जो चक्र चलाती हो, ताप स्रोत को ठंडा करती हो, या बिना किसी कारण के भार उठाती होहालाँकि, इसमें कोई बदलाव नहीं हुआ प्रकृति।

कॉन्स्टेंटाइन कैराथोडोरी ने एक स्वयंसिद्ध रूप से सख्त सूत्रीकरण दिया
अवस्था 1 के निकट, ऐसी अवस्थाएँ 2 मौजूद हैं; अवस्था 1 से अवस्था 2 तक रुद्धोष्म संक्रमण असंभव है।

बोल्ट्ज़मैन ने सांख्यिकीय भौतिकी के दृष्टिकोण से ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम तैयार किया:
प्रकृति प्राप्ति की कम संभावना वाली अवस्थाओं से प्राप्ति की अधिक संभावना वाली अवस्थाओं की ओर बढ़ती है।

ऐसे फॉर्मूलेशन आम हैं.
किसी अन्य प्रकार का शाश्वत प्रेरक बनना असंभव है.

ऊर्जा खर्च किए बिना ठंडे शरीर से गर्म शरीर में गर्मी स्थानांतरित करना असंभव है।

प्रत्येक व्यवस्था व्यवस्था से अव्यवस्था की ओर बढ़ती रहती है।

थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम 19वीं शताब्दी के मध्य में तैयार किया गया था, उस समय जब ताप इंजनों के डिजाइन और निर्माण के लिए सैद्धांतिक आधार बनाया जा रहा था। मेयर और जूल के प्रयोगों ने थर्मल और मैकेनिकल ऊर्जा (थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम) के बीच समानता स्थापित की। ऊष्मा इंजनों की दक्षता पर प्रश्न उठा। प्रायोगिक अध्ययनों से पता चला है कि किसी भी मशीन के संचालन के दौरान कुछ ऊष्मा आवश्यक रूप से नष्ट हो जाती है।
1850 और 1860 के दशक में क्लॉसियस ने कई प्रकाशनों में एन्ट्रापी की अवधारणा विकसित की। 1865 में, अंततः उन्होंने नई अवधारणा के लिए एक नाम चुना। इन प्रकाशनों ने यह भी सिद्ध कर दिया कि ऊष्मा को पूर्णतः परिवर्तित नहीं किया जा सकता उपयोगी कार्य, इस प्रकार ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम तैयार किया गया।
बोल्ट्ज़मैन ने थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम की एक सांख्यिकीय व्याख्या दी, जिसमें एन्ट्रापी के लिए एक नई परिभाषा पेश की, जो सूक्ष्म परमाणु अवधारणाओं पर आधारित थी।
सांख्यिकीय भौतिकी एन्ट्रापी की एक नई परिभाषा पेश करती है, जो पहली नज़र में थर्मोडायनामिक्स की परिभाषा से बहुत अलग है। यह बोल्ट्ज़मैन सूत्र द्वारा दिया गया है:

कहाँ? - किसी दिए गए स्थूल अवस्था के अनुरूप सूक्ष्म अवस्थाओं की संख्या, केबी- बोल्ट्जमान स्थिरांक.
एन्ट्रापी की सांख्यिकीय परिभाषा से यह स्पष्ट है कि एन्ट्रापी में वृद्धि एक स्थूल अवस्था में संक्रमण से मेल खाती है जो कि विशेषता है उच्चतम मूल्यसूक्ष्म अवस्थाएँ.
यदि किसी थर्मोडायनामिक प्रणाली की प्रारंभिक अवस्था कोई संतुलन नहीं है, तो समय के साथ यह एक संतुलन अवस्था में चला जाता है, जिससे इसकी एन्ट्रापी बढ़ जाती है। यह प्रक्रिया केवल एक ही दिशा में होती है। विपरीत प्रक्रिया - एक संतुलन अवस्था से प्रारंभिक गैर-संतुलन अवस्था में संक्रमण - का एहसास नहीं होता है। अर्थात् समय के प्रवाह को दिशा मिलती है।
सूक्ष्म जगत का वर्णन करने वाले भौतिकी के नियम t द्वारा -t के प्रतिस्थापन के तहत अपरिवर्तनीय हैं। यह कथन शास्त्रीय यांत्रिकी के नियमों और क्वांटम यांत्रिकी के नियमों दोनों के लिए सत्य है। सूक्ष्म दुनिया में, रूढ़िवादी ताकतें कार्य करती हैं, कोई घर्षण नहीं होता है, जो ऊर्जा का अपव्यय होता है, अर्थात। अन्य प्रकार की ऊर्जा का तापीय गति की ऊर्जा में परिवर्तन, और यह बदले में गैर-घटती एन्ट्रापी के नियम से जुड़ा है।
उदाहरण के लिए, कल्पना कीजिए, एक बड़े भंडार में रखे गए भंडार में गैस। यदि आप छोटे टैंक का वाल्व खोलते हैं, तो गैस कुछ समय बाद बड़े टैंक को भर देगी जिससे उसका घनत्व बराबर हो जाएगा। सूक्ष्म जगत के नियमों के अनुसार, एक विपरीत प्रक्रिया भी होती है, जब एक बड़े भंडार से गैस को एक छोटे कंटेनर में एकत्र किया जाता है। लेकिन स्थूल जगत में ऐसा कभी नहीं होता।
यदि प्रत्येक पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी केवल समय के साथ बढ़ती है, और ब्रह्मांड एक पृथक प्रणाली है, तो किसी दिन एन्ट्रापी अधिकतम तक पहुंच जाएगी, जिसके बाद इसमें कोई भी परिवर्तन असंभव हो जाएगा।
ऐसे विचार जो ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम की स्थापना के बाद सामने आए, कहलाए गर्मी से मौत.इस परिकल्पना पर 19वीं सदी में व्यापक रूप से बहस हुई।
दुनिया की हर प्रक्रिया में ऊर्जा का कुछ हिस्सा नष्ट हो जाता है और यह गर्मी में परिवर्तित हो जाता है, जिससे अधिक अव्यवस्था पैदा होती है। बेशक, हमारा ब्रह्मांड अभी भी काफी युवा है। उदाहरण के लिए, तारों में थर्मोन्यूक्लियर प्रक्रियाओं से पृथ्वी पर ऊर्जा का निरंतर प्रवाह होता है। पृथ्वी लंबे समय तक एक खुली प्रणाली है और रहेगी, जो विभिन्न स्रोतों से ऊर्जा प्राप्त करती है: सूर्य से, प्रक्रियाओं से रेडियोधर्मी क्षयकोर में, यानी खुली प्रणालियों में, एन्ट्रापी कम हो सकती है, जिससे विभिन्न प्रकार की आरामदायक संरचनाओं का उदय होता है।

परिचय_3

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम की सामान्य विशेषताएँ और सूत्रीकरण 4

एन्ट्रॉपी की अवधारणा_ 8

निष्कर्ष_10

सन्दर्भ_ 11

परिचय

वर्तमान में, थर्मल पावर और तापीय संस्थापनविभिन्न उद्योगों में व्यापक हो गए हैं राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था. औद्योगिक उद्यमों में वे तकनीकी उपकरणों का मुख्य महत्वपूर्ण हिस्सा बनते हैं।

वह विज्ञान जो ईंधन ऊर्जा के उपयोग के तरीकों, पदार्थ की स्थिति को बदलने की प्रक्रियाओं के नियमों, विभिन्न मशीनों और उपकरणों के संचालन के सिद्धांतों, ऊर्जा और तकनीकी प्रतिष्ठानों का अध्ययन करता है, थर्मल इंजीनियरिंग कहलाता है। सैद्धांतिक संस्थापनाथर्मल इंजीनियरिंग थर्मोडायनामिक्स और हीट ट्रांसफर सिद्धांत है।

थर्मोडायनामिक्स मौलिक कानूनों (सिद्धांतों) पर आधारित है, जो निकायों के विशिष्ट गुणों की परवाह किए बिना प्रकृति में होने वाली प्रक्रियाओं के अवलोकन का एक सामान्यीकरण है। यह बीच के पैटर्न और संबंधों की सार्वभौमिकता की व्याख्या करता है भौतिक मात्राथर्मोडायनामिक अध्ययन से प्राप्त किया गया।

थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम मात्रात्मक पक्ष से ऊर्जा परिवर्तन की प्रक्रियाओं की विशेषता और वर्णन करता है और किसी भी स्थापना या प्रक्रिया के ऊर्जा संतुलन को तैयार करने के लिए आवश्यक सभी चीजें प्रदान करता है।

थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम, प्रकृति का सबसे महत्वपूर्ण नियम होने के नाते, थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं के आगे बढ़ने की दिशा निर्धारित करता है, वृत्ताकार प्रक्रियाओं में गर्मी को काम में बदलने के लिए संभावित सीमाएँ स्थापित करता है, और हमें एन्ट्रापी जैसी अवधारणाओं की एक सख्त परिभाषा देने की अनुमति देता है। , तापमान, आदि इस संबंध में, ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम महत्वपूर्ण रूप से पहले का पूरक है।

परम शून्य की अप्राप्यता के सिद्धांत को ऊष्मागतिकी के तीसरे नियम के रूप में स्वीकार किया जाता है।

ऊष्मा स्थानांतरण का सिद्धांत अंतरिक्ष के एक क्षेत्र से दूसरे क्षेत्र में ऊष्मा स्थानांतरण के पैटर्न का अध्ययन करता है। ऊष्मा स्थानांतरण प्रक्रियाएँ ऊष्मा के रूप में विचाराधीन प्रणाली के तत्वों के बीच आंतरिक ऊर्जा के आदान-प्रदान की प्रक्रियाएँ हैं।

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम की सामान्य विशेषताएँ और सूत्रीकरण

प्राकृतिक प्रक्रियाओं को हमेशा सिस्टम द्वारा एक संतुलन स्थिति (यांत्रिक, थर्मल या कोई अन्य) प्राप्त करने की दिशा में निर्देशित किया जाता है। यह घटना ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम द्वारा परिलक्षित होती है, जो है बडा महत्वऔर थर्मल पावर मशीनों के संचालन का विश्लेषण करने के लिए। इस नियम के अनुसार, उदाहरण के लिए, ऊष्मा केवल किसी पिंड से ही अनायास स्थानांतरित हो सकती है उच्च तापमानकम तापमान वाले शरीर में। विपरीत प्रक्रिया को अंजाम देने के लिए कुछ काम खर्च करना होगा। इस संबंध में, ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम इस प्रकार तैयार किया जा सकता है: ऐसी प्रक्रिया जिसमें ऊष्मा स्वचालित रूप से ठंडे पिंडों से गर्म पिंडों में स्थानांतरित हो जाएगी, असंभव है (क्लॉसियस का अभिधारणा, 1850)।

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम उन परिस्थितियों को भी निर्धारित करता है जिनके अंतर्गत ऊष्मा को इच्छानुसार लंबे समय तक कार्य में परिवर्तित किया जा सकता है। किसी भी खुली थर्मोडायनामिक प्रक्रिया में, जैसे-जैसे आयतन बढ़ता है, सकारात्मक कार्य होता है:

,

जहां एल अंतिम कार्य है,

v 1 और v 2 क्रमशः प्रारंभिक और अंतिम विशिष्ट आयतन हैं;

लेकिन विस्तार प्रक्रिया अनिश्चित काल तक जारी नहीं रह सकती, इसलिए ऊष्मा को कार्य में परिवर्तित करने की संभावना सीमित है।

ऊष्मा का कार्य में निरंतर रूपांतरण एक वृत्ताकार प्रक्रिया या चक्र में ही होता है।

चक्र में शामिल प्रत्येक प्रारंभिक प्रक्रिया तब की जाती है जब गर्मी की आपूर्ति की जाती है या हटा दी जाती है डीक्यू,कार्य के पूरा होने या व्यय के साथ-साथ वृद्धि या कमी आंतरिक ऊर्जा, लेकिन हमेशा जब शर्त पूरी हो जाती है dQ= डीयू+ डेलीऔर dq= दू+ डीएल,जो दर्शाता है कि गर्मी की आपूर्ति के बिना ( dq=0)बाहरी कार्य केवल सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा के कारण ही किया जा सकता है, और थर्मोडायनामिक सिस्टम को गर्मी की आपूर्ति थर्मोडायनामिक प्रक्रिया द्वारा निर्धारित की जाती है। बंद लूप एकीकरण देता है:

, , क्योंकि ।

यहाँ क्यू सीऔर एल सी-क्रमशः चक्र में ऊष्मा कार्य में परिवर्तित हुई तथा कार्यशील द्रव द्वारा किया गया कार्य, जो अंतर है | एल 1 | - |एल 2| चक्र की प्राथमिक प्रक्रियाओं के सकारात्मक और नकारात्मक कार्य।

ऊष्मा की प्राथमिक मात्रा को आपूर्ति के रूप में माना जा सकता है ( dQ>0)और डायवर्ट कर दिया ( डीक्यू<0) कार्यशील द्रव से. चक्र में आपूर्ति की गई ऊष्मा का योग |Q 1 |, और निकाली गई ऊष्मा का योग |Q 2 |। इस तरह,

एल सी =क्यू सी =|प्र 1| - |प्रश्न 2 |.

कार्यशील द्रव को ऊष्मा मात्रा Q 1 की आपूर्ति कार्यशील द्रव के तापमान से अधिक तापमान वाले बाहरी स्रोत की उपस्थिति में संभव है। इस ऊष्मा स्रोत को गर्म कहा जाता है। कार्यशील द्रव से ऊष्मा Q2 की मात्रा को हटाना बाहरी ताप स्रोत की उपस्थिति में भी संभव है, लेकिन कार्यशील द्रव के तापमान से कम तापमान पर। ऐसे ऊष्मा स्रोत को शीत कहा जाता है। इस प्रकार, एक चक्र को पूरा करने के लिए, ऊष्मा के दो स्रोतों का होना आवश्यक है: एक उच्च तापमान वाला, दूसरा कम तापमान वाला। इस मामले में, ऊष्मा Q 1 की व्यय की गई संपूर्ण मात्रा को कार्य में परिवर्तित नहीं किया जा सकता है, क्योंकि ऊष्मा Q 2 की मात्रा ठंडे स्रोत में स्थानांतरित हो जाती है।

ऊष्मा इंजन की परिचालन स्थितियाँ इस प्रकार हैं:

दो ताप स्रोतों (गर्म और ठंडा) की आवश्यकता;

इंजन का चक्रीय संचालन;

गर्म स्रोत से प्राप्त ऊष्मा की मात्रा के एक भाग को कार्य में परिवर्तित किए बिना ठंडे स्रोत में स्थानांतरित करना।

इस संबंध में, ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम को कई और सूत्र दिए जा सकते हैं:

- काम की लागत के बिना ठंडे स्रोत से गर्म स्रोत में गर्मी का स्थानांतरण असंभव है;

- समय-समय पर चलने वाली मशीन बनाना असंभव है जो काम करती है और तदनुसार, थर्मल जलाशय को ठंडा करती है;

- प्रकृति कम संभावित अवस्थाओं से अधिक संभावित अवस्थाओं में संक्रमण के लिए प्रयासरत रहती है।

इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम (पहले की तरह) अनुभव के आधार पर तैयार किया गया है।

अधिकांश में सामान्य रूप से देखेंऊष्मागतिकी के दूसरे नियम को इस प्रकार कहा जा सकता है: कोई भी वास्तविक सहज प्रक्रिया अपरिवर्तनीय है। दूसरे नियम के अन्य सभी सूत्रीकरण सबसे सामान्य सूत्रीकरण के विशेष मामले हैं।

डब्ल्यू थॉमसन (लॉर्ड केल्विन) ने 1851 में निम्नलिखित सूत्रीकरण का प्रस्ताव रखा: किसी निर्जीव भौतिक एजेंट की मदद से किसी भी पदार्थ के द्रव्यमान को आसपास की सबसे ठंडी वस्तु के तापमान से नीचे ठंडा करके यांत्रिक कार्य प्राप्त करना असंभव है।

एम. प्लैंक ने एक ऐसा सूत्रीकरण प्रस्तावित किया जो थॉमसन की तुलना में अधिक स्पष्ट था: समय-समय पर चलने वाली मशीन का निर्माण करना असंभव है, जिसका संपूर्ण संचालन एक निश्चित भार और ताप स्रोत के ठंडा होने की अवधारणा तक कम हो जाएगा। समय-समय पर चलने वाली मशीन को एक इंजन के रूप में समझा जाना चाहिए जो लगातार (चक्रीय प्रक्रिया में) गर्मी को काम में परिवर्तित करता है। वास्तव में, यदि ऐसा ताप इंजन बनाना संभव होता जो बस किसी स्रोत से ऊष्मा लेता और उसे लगातार (चक्रीय रूप से) कार्य में परिवर्तित करता, तो यह इस स्थिति का खंडन होता कि कार्य एक प्रणाली द्वारा तभी उत्पन्न किया जा सकता है जब कोई संतुलन न हो। (विशेष रूप से, ऊष्मा इंजन के संबंध में - जब सिस्टम में गर्म और ठंडे स्रोतों के बीच तापमान में अंतर होता है)।

यदि ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम द्वारा कोई प्रतिबंध नहीं लगाया गया होता, तो इसका मतलब यह होता कि केवल एक ऊष्मा स्रोत के साथ ऊष्मा इंजन बनाना संभव था। ऐसा इंजन ठंडा करके काम कर सकता है, उदाहरण के लिए, समुद्र में पानी। यह प्रक्रिया तब तक जारी रह सकती है जब तक कि समुद्र की सारी आंतरिक ऊर्जा कार्य में परिवर्तित न हो जाए। एक ताप इंजन जो इस तरह से कार्य करेगा, उसे वी.एफ. ओस्टवाल्ड द्वारा उपयुक्त नाम दिया गया था दूसरे प्रकार की सतत गति मशीन (पहली तरह की सतत गति मशीन के विपरीत, जो ऊर्जा के संरक्षण के नियम के विपरीत काम करती है)। उपरोक्त के अनुसार, प्लैंक द्वारा दिए गए ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के सूत्रीकरण को निम्नानुसार संशोधित किया जा सकता है: दूसरे प्रकार की सतत गति मशीन का कार्यान्वयन असंभव है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि दूसरे प्रकार की सतत गति मशीन का अस्तित्व थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम का खंडन नहीं करता है; वास्तव में, इस इंजन में कार्य शून्य से नहीं, बल्कि ऊष्मा स्रोत में निहित आंतरिक ऊर्जा से उत्पन्न होगा, ताकि मात्रात्मक पक्ष से, इस मामले में ऊष्मा से कार्य प्राप्त करने की प्रक्रिया असंभव न हो। हालाँकि, निकायों के बीच गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया के गुणात्मक पक्ष के दृष्टिकोण से ऐसे इंजन का अस्तित्व असंभव है।

एन्ट्रापी की अवधारणा

ऊष्मा के कार्य में परिवर्तन और कार्य के ऊष्मा में परिवर्तन के बीच विसंगति प्रकृति में वास्तविक प्रक्रियाओं की एक तरफा दिशा की ओर ले जाती है, जो वास्तविक प्रक्रियाओं के अस्तित्व और वृद्धि पर कानून में थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के भौतिक अर्थ को दर्शाती है। निश्चित फ़ंक्शन को बुलाया गया एन्ट्रापी , परिभाषित करना ऊर्जा ह्रास का माप.

अक्सर ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम को एन्ट्रापी के अस्तित्व और वृद्धि के एकीकृत सिद्धांत के रूप में प्रस्तुत किया जाता है।

ऊष्मागतिकी के नियमों को इसके सिद्धांत भी कहा जाता है। वास्तव में, थर्मोडायनामिक्स की शुरुआत आणविक भौतिकी के संबंधित अनुभाग को रेखांकित करने वाले कुछ अभिधारणाओं के एक सेट से अधिक कुछ नहीं है। ये प्रावधान वैज्ञानिक अनुसंधान के दौरान स्थापित किए गए थे। साथ ही, इन्हें प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध भी किया गया। ऊष्मागतिकी के नियमों को अभिधारणाओं के रूप में क्यों स्वीकार किया जाता है? संपूर्ण मुद्दा यह है कि इस तरह थर्मोडायनामिक्स का निर्माण स्वयंसिद्ध तरीके से किया जा सकता है।

ऊष्मप्रवैगिकी के बुनियादी नियम

संरचना के बारे में थोड़ा। ऊष्मागतिकी के नियमों को चार समूहों में विभाजित किया गया है, जिनमें से प्रत्येक का एक विशिष्ट अर्थ है। तो, ऊष्मागतिकी के सिद्धांत हमें क्या बता सकते हैं?

पहला और दूसरा

पहली शुरुआत आपको बताएगी कि किसी विशेष थर्मोडायनामिक प्रणाली के संबंध में ऊर्जा संरक्षण का नियम कैसे लागू होता है। दूसरा कानून कुछ प्रतिबंध लगाता है जो थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं की दिशाओं पर लागू होते हैं। अधिक विशेष रूप से, वे कम गर्म से अधिक गर्म वस्तु में ऊष्मा के स्वतःस्फूर्त स्थानांतरण पर रोक लगाते हैं। ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का एक वैकल्पिक नाम भी है: बढ़ती एन्ट्रापी का नियम।

तीसरा और चौथा

तीसरा नियम पूर्ण तापमान शून्य के निकट एन्ट्रापी के व्यवहार का वर्णन करता है। एक और शुरुआत है, आखिरी। इसे "ऊष्मागतिकी का शून्य नियम" कहा जाता है। इसका अर्थ यह है कि कोई भी बंद प्रणाली थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में आ जाएगी और अब इससे अपने आप बाहर निकलने में सक्षम नहीं होगी। इसके अलावा, इसकी प्रारंभिक अवस्था कोई भी हो सकती है।

ऊष्मागतिकी के सिद्धांतों की आवश्यकता क्यों है?

कुछ प्रणालियों के स्थूल मापदंडों का वर्णन करने के लिए थर्मोडायनामिक्स के नियमों का अध्ययन किया गया था। वहीं, सूक्ष्मदर्शी उपकरण से संबंधित विशिष्ट प्रस्ताव सामने नहीं रखे गए हैं। इस मुद्दे का अध्ययन अलग से किया जाता है, लेकिन विज्ञान की एक अन्य शाखा - सांख्यिकीय भौतिकी द्वारा। ऊष्मागतिकी के नियम एक दूसरे से स्वतंत्र हैं। इसका क्या मतलब हो सकता है? इसे इस प्रकार समझा जाना चाहिए कि ऊष्मागतिकी के किसी एक सिद्धांत को दूसरे से प्राप्त करना असंभव है।

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

जैसा कि ज्ञात है, एक थर्मोडायनामिक प्रणाली को आंतरिक ऊर्जा (अक्षर यू द्वारा चिह्नित) सहित कई मापदंडों की विशेषता होती है। उत्तरार्द्ध उस गतिज ऊर्जा से बनता है जो सभी कणों में होती है। यह अनुवादात्मक, साथ ही दोलनशील और घूर्णी गति की ऊर्जा हो सकती है। इस बिंदु पर, आइए याद रखें कि ऊर्जा न केवल गतिज हो सकती है, बल्कि संभावित भी हो सकती है। इसलिए, आदर्श गैसों के मामले में स्थितिज ऊर्जा की उपेक्षा की जाती है। इसीलिए आंतरिक ऊर्जा U में केवल आणविक गति की गतिज ऊर्जा शामिल होगी और यह तापमान पर निर्भर करेगी।

यह मात्रा - आंतरिक ऊर्जा - दूसरे शब्दों में राज्य फ़ंक्शन कहलाती है, क्योंकि यह थर्मोडायनामिक प्रणाली की स्थिति से निर्धारित होती है। हमारे मामले में, यह गैस के तापमान से निर्धारित होता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि आंतरिक ऊर्जा इस बात पर निर्भर नहीं करती है कि राज्य में संक्रमण क्या था। आइए मान लें कि थर्मोडायनामिक प्रणाली एक गोलाकार प्रक्रिया (चक्र, जैसा कि इसे कहा जाता है) से गुजरती है आणविक भौतिकी). दूसरे शब्दों में, सिस्टम, प्रारंभिक अवस्था को छोड़कर, कुछ प्रक्रियाओं से गुजरता है, लेकिन परिणामस्वरूप प्राथमिक स्थिति में वापस आ जाता है। तब यह अनुमान लगाना कठिन नहीं है कि आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन 0 के बराबर होगा।

आंतरिक ऊर्जा कैसे बदलती है?

किसी आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा को बदलने के दो तरीके हैं। पहला विकल्प है काम करना. दूसरा सिस्टम को एक निश्चित मात्रा में गर्मी प्रदान करना है। यह तर्कसंगत है कि दूसरी विधि में न केवल गर्मी प्रदान करना, बल्कि उसका निष्कासन भी शामिल है।

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का कथन

उनमें से कई (सूत्रीकरण) हो सकते हैं, क्योंकि हर कोई अलग-अलग तरीके से बोलना पसंद करता है। लेकिन वास्तव में सार वही रहता है. यह इस तथ्य पर उबलता है कि थर्मोडायनामिक प्रणाली को आपूर्ति की गई गर्मी की मात्रा आदर्श गैस बनाने पर खर्च की जाती है यांत्रिक कार्यऔर आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन। यदि हम थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम के सूत्र या गणितीय संकेतन के बारे में बात करते हैं, तो यह इस तरह दिखता है: dQ = dU + dA।

सूत्र में शामिल सभी मात्राओं के अलग-अलग चिह्न हो सकते हैं। उन्हें नकारात्मक होने से कोई नहीं रोकता। मान लीजिए कि सिस्टम को ऊष्मा Q की मात्रा की आपूर्ति की जाती है तो गैस गर्म हो जाएगी। तापमान बढ़ता है, जिसका अर्थ है कि गैस की आंतरिक ऊर्जा भी बढ़ जाती है। अर्थात्, Q और U दोनों का मान सकारात्मक होगा। लेकिन अगर गैस की आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है, तो यह अधिक सक्रिय रूप से व्यवहार करना और विस्तार करना शुरू कर देती है। इसलिए काम भी सकारात्मक रहेगा. हम कह सकते हैं कि कार्य प्रणाली, गैस द्वारा ही किया जाता है।

यदि सिस्टम से एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा ली जाती है, तो आंतरिक ऊर्जा कम हो जाती है और गैस सिकुड़ जाती है। इस मामले में, हम पहले ही कह सकते हैं कि काम सिस्टम पर होता है, सिस्टम द्वारा नहीं। फिर से मान लीजिए कि कुछ थर्मोडायनामिक प्रणाली एक चक्र से गुजरती है। इस मामले में (जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है), आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन 0 के बराबर होगा। इसका मतलब है कि गैस द्वारा या उस पर किया गया कार्य संख्यात्मक रूप से सिस्टम को आपूर्ति की गई या निकाली गई गर्मी के बराबर होगा।

इस परिणाम के गणितीय अंकन को ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का दूसरा सूत्रीकरण कहा जाता है। यह मोटे तौर पर इस प्रकार है: "प्रकृति में, पहली तरह के इंजन का अस्तित्व असंभव है, यानी एक ऐसा इंजन जो बाहर से प्राप्त गर्मी से अधिक काम करेगा।"

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम

यह अनुमान लगाना कठिन नहीं है कि थर्मोडायनामिक संतुलन एक ऐसी प्रणाली की विशेषता है जिसमें स्थूल मात्राएँ समय के साथ अपरिवर्तित रहती हैं। निःसंदेह, यह गैस का दबाव, आयतन और तापमान है। उनकी अपरिवर्तनीयता कई स्थितियों पर आधारित हो सकती है: तापीय चालकता, रासायनिक प्रतिक्रियाओं, प्रसार और अन्य प्रक्रियाओं की अनुपस्थिति। यदि, बाहरी कारकों के प्रभाव में, सिस्टम को थर्मोडायनामिक संतुलन से बाहर कर दिया गया था, तो समय के साथ यह वापस आ जाएगा। लेकिन अगर ये कारक अनुपस्थित हैं. और यह अनायास ही घटित हो जायेगा।

हम थोड़ा अलग रास्ता अपनाएंगे, कई पाठ्यपुस्तकों द्वारा सुझाई गई बातों से अलग। सबसे पहले, आइए ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम से परिचित हों, और उसके बाद ही हम यह पता लगाएंगे कि इसमें किस प्रकार की मात्राएँ शामिल हैं और उनका क्या अर्थ है। तो, एक बंद प्रणाली में, इसमें होने वाली किसी भी प्रक्रिया की उपस्थिति में, एन्ट्रापी कम नहीं होती है। थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम इस प्रकार लिखा गया है: dS >(=) 0. यहां > चिह्न एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया से जुड़ा होगा, और = चिह्न एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया से जुड़ा होगा।

ऊष्मागतिकी में प्रतिवर्ती प्रक्रिया को क्या कहते हैं? और यह एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें सिस्टम (प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला के बाद) अपनी मूल स्थिति में लौट आता है। इसके अलावा, इस मामले में, सिस्टम या पर्यावरण में कोई बदलाव नहीं रहता है। दूसरे शब्दों में, प्रतिवर्ती प्रक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया है जिसके लिए प्रत्यक्ष प्रक्रिया के समान मध्यवर्ती अवस्थाओं के माध्यम से प्रारंभिक अवस्था में लौटना संभव है। आणविक भौतिकी में ऐसी बहुत कम प्रक्रियाएँ हैं। उदाहरण के लिए, अधिक गर्म वस्तु से कम गर्म वस्तु में ऊष्मा का स्थानांतरण अपरिवर्तनीय होगा। दो पदार्थों के प्रसार के साथ-साथ संपूर्ण आयतन में गैस के प्रसार के मामले में भी यही सच है।

एन्ट्रापी

एन्ट्रॉपी, जो ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम में होती है, तापमान से विभाजित ऊष्मा में परिवर्तन के बराबर होती है। सूत्र: dS = dQ/T. इसके कुछ गुण हैं.

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम, पहले की तरह, सदियों के मानव अनुभव द्वारा प्रमाणित एक अभिधारणा है। इस नियम की खोज ऊष्मा इंजनों के अध्ययन से सुगम हुई। फ़्रांसीसी वैज्ञानिक एस. कार्नोट यह दिखाने वाला पहला व्यक्ति था (1824) कि कोई भी इंजन गर्म करेंइसमें ताप स्रोत (हीटर) और कार्यशील तरल पदार्थ (भाप) के अलावा होना चाहिए आदर्श गैसआदि), एक थर्मोडायनामिक चक्र का प्रदर्शन, साथ ही एक रेफ्रिजरेटर, जिसका तापमान आवश्यक रूप से हीटर के तापमान से कम होता है।

गुणक उपयोगी क्रिया η ऐसा ऊष्मा इंजन प्रतिवर्ती चक्र पर काम करता है ( कार्नोट चक्र), इस चक्र को निष्पादित करने वाले कार्यशील तरल पदार्थ की प्रकृति पर निर्भर नहीं करता है, बल्कि केवल हीटर के तापमान से निर्धारित होता है टी 1 और रेफ्रिजरेटर टी 2:

कहाँ क्यू 1 - तापमान पर कार्यशील द्रव को प्रदान की गई ऊष्मा की मात्रा टी 1 हीटर से; क्यू 2 - तापमान पर कार्यशील द्रव द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा की मात्रा टी 2 रेफ्रिजरेटर.

थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम प्रकृति में होने वाली मनमानी थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं के लिए कार्नोट की व्युत्पत्ति का सामान्यीकरण है। इस कानून के कई सूत्र ज्ञात हैं।

क्लॉसियस(1850) प्रतिपादित किया गया ऊष्मागतिकी का दूसरा नियमइसलिए: ऐसी प्रक्रिया जिसमें ऊष्मा स्वतः ही ठंडे पिंडों से गर्म पिंडों में स्थानांतरित हो जाएगी, असंभव है।

डब्ल्यू थॉमसन (केल्विन)(1851) ने निम्नलिखित सूत्रीकरण प्रस्तावित किया: एक समय-समय पर चलने वाली मशीन का निर्माण करना असंभव है, जिसकी सारी गतिविधि यांत्रिक कार्य करने और जलाशय को ठंडा करने तक सीमित हो जाएगी।

थॉमसन का अभिधारणा इस प्रकार तैयार किया जा सकता है: दूसरे प्रकार की सतत गति मशीन असंभव है। सतत गति मशीनदूसरा प्रकार एक उपकरण है, जो बिना मुआवजे के, समय-समय पर शरीर की गर्मी को पूरी तरह से काम में बदल देगा (डब्ल्यू. ओस्टवाल्ड)।अंतर्गत मुआवज़ा कार्यशील द्रव की स्थिति में परिवर्तन या कार्यशील द्रव से ऊष्मा के कुछ भाग को अन्य पिंडों में स्थानांतरित करने और ऊष्मा को कार्य में परिवर्तित करने की गोलाकार प्रक्रिया के दौरान इन पिंडों की थर्मोडायनामिक अवस्था में परिवर्तन को समझें।

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम कहता है कि वृत्ताकार प्रक्रिया में क्षतिपूर्ति के बिना ऊष्मा के एक भी जूल को कार्य में परिवर्तित नहीं किया जा सकता है। बिना किसी मुआवजे के काम पूरी तरह से गर्मी में बदल जाता है. उत्तरार्द्ध जुड़ा हुआ है, जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, ऊर्जा अपव्यय (मूल्यह्रास) की सहज प्रक्रिया के साथ।

थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम एक सिस्टम स्टेट फ़ंक्शन का परिचय देता है जो ऊर्जा अपव्यय की प्रक्रिया को मात्रात्मक रूप से चित्रित करता है. इस अर्थ में, ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के उपरोक्त सूत्र समतुल्य हैं, क्योंकि वे अस्तित्व का संकेत देते हैं सिस्टम की स्थिति के कार्य - एन्ट्रापी।

वर्तमान में ऊष्मागतिकी का दूसरा नियमइस प्रकार तैयार किया गया है: सिस्टम की स्थिति एस - एन्ट्रापी का एक योगात्मक कार्य है, जो सिस्टम में प्रवेश करने वाली गर्मी और सिस्टम के तापमान से निम्नानुसार संबंधित है:

के लिए प्रतिवर्तीप्रक्रियाएं; (3.2)

के लिए अचलप्रक्रियाएँ। (3.3)

इस प्रकार, रुद्धोष्म रूप से पृथक प्रणाली में प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के दौरान, इसकी एन्ट्रापी नहीं बदलती है (डी एस = 0), और अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के दौरान यह बढ़ जाती है (डी एस > 0).

आंतरिक ऊर्जा के विपरीत, एक पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी का मान उसमें होने वाली प्रक्रियाओं की प्रकृति पर निर्भर करता है: विश्राम के दौरान, एक पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी बढ़नी चाहिए, पहुंचनी चाहिए संतुलन पर अधिकतम मूल्य.

सामान्य रूप में एक पृथक प्रणाली के लिए ऊष्मागतिकी का दूसरा नियमइस प्रकार लिखा गया है:

किसी पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी या तो बढ़ जाती है यदि उसमें स्वतःस्फूर्त अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएँ घटित होती हैं, या स्थिर रहती हैं। इसलिए, ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम को भी इस प्रकार परिभाषित किया गया है पृथक प्रणालियों में गैर-घटती एन्ट्रापी का नियम.

इस प्रकार ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम देता है एक पृथक प्रणाली में सहज प्रक्रियाओं के लिए मानदंड. ऐसी प्रणाली में केवल एन्ट्रापी में वृद्धि वाली प्रक्रियाएं ही अनायास घटित हो सकती हैं। प्रणाली में संतुलन स्थापित होने के साथ ही सहज प्रक्रियाएँ समाप्त हो जाती हैं। इसका मतलब यह है कि संतुलन की स्थिति में एक पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी अधिकतम होती है। इसके तहत एक पृथक प्रणाली में संतुलन की कसौटी होगी

यदि आप इस प्रक्रिया में भाग लेते हैं गैर-पृथक प्रणाली, वह प्रक्रिया की अपरिवर्तनीयता (सहजता) का आकलन करने के लिए, सिस्टम डीएस की एन्ट्रापी में परिवर्तन को जानना आवश्यक है 1 और एन्ट्रापी परिवर्तन पर्यावरणडी एस 2. अगर हम ये मान लें प्रणाली और पर्यावरण(उन्हें अक्सर "ब्रह्मांड" कहा जाता है) एक पृथक प्रणाली का निर्माण करें, तो प्रक्रिया की अपरिवर्तनीयता की शर्त होगी

वह है यदि सिस्टम और पर्यावरण की एन्ट्रापी में कुल परिवर्तन शून्य से अधिक है तो प्रक्रिया अपरिवर्तनीय होगी.

पर्यावरण एक विशाल भंडार है; सिस्टम के साथ ताप विनिमय के दौरान इसका आयतन और तापमान नहीं बदलता है. इसलिए, पर्यावरण के लिए हम बराबरी कर सकते हैं δQ = ड्यूऔर इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि गर्मी का स्थानांतरण उलटा होता है या अपरिवर्तनीय, क्योंकि δQगिरफ्तार, और δQलगभग समान ड्यूपर्यावरण। इस प्रकार, पर्यावरण की एन्ट्रापी में परिवर्तन सदैव समान होता है.

ऊष्मा स्थानांतरण के बारे में कथन में एक वस्तु से दूसरी वस्तु में ऊष्मा स्थानांतरण के पैटर्न पर विचार किया गया है। पूरी प्रक्रिया में वस्तुओं के बीच ऊर्जा का आंतरिक आदान-प्रदान होता है, जिसे ऊष्मा कहा जाता है।

सही प्रक्रिया का उद्देश्य केवल एक समान स्थिति प्राप्त करना है, चाहे वह थर्मल, मैकेनिकल या कोई अन्य हो। यह क्रिया ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम में निहित है, जो ऊष्मा इंजनों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। यह नियम कहता है कि ऊष्मा विशेष रूप से उच्च तापमान वाली वस्तु से किसी वस्तु तक अपने आप ही स्थानांतरित हो सकती है सबसे कम तापमान. विपरीत चक्र को पूरा करने के लिए कुछ काम खर्च करना पड़ेगा। जिससे हम ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का निष्कर्ष निकाल सकते हैं: यह क्रिया जिसके दौरान ऊष्मा स्वयं कम ऊष्मा वाली वस्तु से उच्चतम ऊष्मा वाली वस्तु की ओर बढ़ती है, मौजूद नहीं हो सकती।

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एक समय में ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम इस बात का आकलन देता है कि किन परिस्थितियों में ऊष्मा का उपयोग किया जा सकता है और वह कितना उपयोग करना चाहता है। वॉल्यूम वृद्धि के दौरान कोई भी खुली थर्मोडायनामिक क्रिया प्लस चिह्न के साथ काम करेगी।

ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का सूत्र

जिसमें L- अंतिम कार्य होगा, v1 और v2- अपना प्रारंभिक और अंतिम विशिष्ट आयतन होगा।
चूँकि विस्तार की क्रिया अनन्त नहीं हो सकती, तदनुसार ऊष्मा का कार्य में रूपान्तरण इससे सीमित होगा। बंद वृत्ताकार गति की स्थिति में यह क्रिया निरंतर जारी रहेगी।

चक्र में होने वाली कोई भी क्रिया ऊष्मा dQ की आपूर्ति या निष्कासन के साथ होती है, साथ में कार्य की लागत या प्रदर्शन, शरीर के अंदर ऊर्जा में कमी या वृद्धि और एक शर्त भी शामिल होती है। dQ=dU+dL , dg=du+d1किया जाना चाहिए। आख़िरकार, यह साबित होता है कि बिना गर्मी के (डीजी=0)सभी क्रियाएं सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा के कारण होंगी, और सिस्टम में गर्मी का इनपुट थर्मोडायनामिक्स द्वारा निर्धारित किया जा सकता है।

बंद लूप एकीकरण:

जिसमें Qt, Lt - ऊष्मा को कार्य में परिवर्तित किया जाएगा, L1- L2 - इस पिंड द्वारा किया गया कार्य। Q1 गर्मी की आपूर्ति है, Q2 गर्मी हटा दी गई है। इसका मतलब है Lc = Qc = Q1-Q2
केवल गर्म शरीर की उपस्थिति में शरीर Q1 को गर्मी की आपूर्ति की जा सकती है, और ठंडे शरीर की उपस्थिति में ही Q2 से गर्मी को हटाया जा सकता है। यदि प्रक्रिया चक्रीय है, तो आपको अलग-अलग तापमान वाले दो स्रोतों की आवश्यकता होगी।