एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया क्या है? भौतिकी के अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

एक प्रणाली एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया से गुजरती है जब सिस्टम के भीतर किसी प्रकार का ऊर्जावान परिवर्तन होता है, जो आम तौर पर दबाव, आयतन में परिवर्तन से जुड़ा होता है, आंतरिक ऊर्जा, तापमान या किसी प्रकार का गर्मी का हस्तांतरण.

कई विशिष्ट प्रकार की थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं होती हैं जो अक्सर पर्याप्त होती हैं (और व्यावहारिक स्थितियों में) कि उनका उपचार आमतौर पर थर्मोडायनामिक्स के अध्ययन में किया जाता है। प्रत्येक में एक विशिष्ट गुण होता है जो इसकी पहचान करता है, और जो प्रक्रिया से संबंधित ऊर्जा और कार्य परिवर्तनों का विश्लेषण करने में उपयोगी होता है।

• एडियाबेटिक प्रक्रिया - सिस्टम में या उसके बाहर कोई हीट ट्रांसफर नहीं होने वाली प्रक्रिया।
• Isochoric प्रक्रिया - वॉल्यूम में कोई बदलाव नहीं होने की प्रक्रिया, जिसमें सिस्टम काम नहीं करता है।
• आइसोबैरिक प्रक्रिया - दबाव में परिवर्तन के साथ एक प्रक्रिया।
• इज़ोटेर्मल प्रक्रिया - तापमान में कोई परिवर्तन नहीं के साथ एक प्रक्रिया।

किसी एक प्रक्रिया में कई प्रक्रियाएँ होना संभव है। सबसे स्पष्ट उदाहरण एक ऐसा मामला होगा जहां मात्रा और दबाव में परिवर्तन होता है, जिसके परिणामस्वरूप तापमान या गर्मी हस्तांतरण में कोई बदलाव नहीं होता है - ऐसी प्रक्रिया एडियाबेटिक और इज़ोटेर्मल दोनों होगी।

गणितीय शब्दों में, द ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम के रूप में लिखा जा सकता है:

delta- यू = क्यू - डब्ल्यू या क्यू = डेल्टा- यू + डब्ल्यू
कहाँ पे

• delta-यू = आंतरिक ऊर्जा में प्रणाली का परिवर्तन
• क्यू = गर्मी प्रणाली में या बाहर स्थानांतरित।
• डब्ल्यू = प्रणाली द्वारा या उस पर किया गया कार्य।

ऊपर वर्णित विशेष थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं में से एक का विश्लेषण करते समय, हम अक्सर (हालांकि हमेशा नहीं) बहुत भाग्यशाली परिणाम पाते हैं - इन मात्राओं में से शून्य तक कम कर देता है!

उदाहरण के लिए, एक एडियाबेटिक प्रक्रिया में कोई गर्मी हस्तांतरण नहीं है, इसलिए क्यू = 0, जिसके परिणामस्वरूप आंतरिक ऊर्जा और कार्य के बीच बहुत सीधा संबंध है: डेल्टा-क्यू = -डब्ल्यू. उनके विशिष्ट गुणों के बारे में अधिक विशिष्ट विवरणों के लिए इन प्रक्रियाओं की व्यक्तिगत परिभाषाएँ देखें।

अधिकांश थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं स्वाभाविक रूप से एक दिशा से दूसरी दिशा में आगे बढ़ती हैं। दूसरे शब्दों में, उनके पास एक पसंदीदा दिशा है।

गर्म वस्तु से गर्म होकर एक ठंडा होता है। एक कमरे को भरने के लिए गैसों का विस्तार होता है, लेकिन एक छोटे से स्थान को भरने के लिए अनायास अनुबंध नहीं होगा। यांत्रिक ऊर्जा को पूरी तरह से गर्मी में परिवर्तित किया जा सकता है, लेकिन लगभग पूरी तरह से यांत्रिक ऊर्जा में गर्मी को परिवर्तित करना असंभव है।

हालांकि, कुछ सिस्टम एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया से गुजरते हैं। आम तौर पर, यह तब होता है जब सिस्टम हमेशा थर्मल संतुलन के करीब होता है, दोनों सिस्टम के अंदर और किसी भी परिवेश के साथ। इस मामले में, सिस्टम की शर्तों के लिए infinitesimal परिवर्तन दूसरे तरीके से जाने का कारण बन सकता है। जैसे, एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया को एक के रूप में भी जाना जाता है संतुलन प्रक्रिया.

उदाहरण 1: दो धातुएँ (A & B) थर्मल संपर्क में हैं और थर्मल संतुलन. मेटल ए को इन्फिनिटिमल राशि गर्म किया जाता है, ताकि गर्मी उससे धातु बी तक बहे। इस प्रक्रिया को एक असीम राशि को ठंडा करके उलटा किया जा सकता है, जिस बिंदु पर बी से ए तक गर्मी शुरू हो जाएगी जब तक कि वे एक बार फिर से थर्मल संतुलन में नहीं होते हैं।

उदाहरण 2: एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया में एक गैस को धीरे-धीरे और आदिक रूप से विस्तारित किया जाता है। एक infinitesimal राशि द्वारा दबाव बढ़ाने से, एक ही गैस धीरे-धीरे और adiabatically वापस प्रारंभिक अवस्था में संपीड़ित कर सकती है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ये कुछ आदर्शित उदाहरण हैं। व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, एक प्रणाली जो थर्मल संतुलन में है, थर्मल संतुलन में होना बंद हो जाता है, जब इनमें से एक परिवर्तन लाया जाता है... इस प्रकार प्रक्रिया वास्तव में पूरी तरह से प्रतिवर्ती नहीं है। यह एक आदर्श मॉडल ऐसी स्थिति कैसे आएगी, हालांकि प्रायोगिक परिस्थितियों के सावधानीपूर्वक नियंत्रण के साथ एक ऐसी प्रक्रिया को अंजाम दिया जा सकता है जो पूरी तरह से प्रतिवर्ती होने के बेहद करीब है।

बेशक, अधिकांश प्रक्रियाएं हैं अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं (या कोई नहींquilibrium प्रक्रियाओं). अपने ब्रेक के घर्षण का उपयोग करते हुए अपनी कार पर काम करना एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया है। कमरे में एक गुब्बारा रिलीज से हवा देना एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया है। गर्म सीमेंट वॉकवे पर बर्फ का ब्लॉक रखना एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया है।

कुल मिलाकर, ये अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का एक परिणाम हैं, जिसे अक्सर के संदर्भ में परिभाषित किया जाता है एन्ट्रापी, या विकार, एक प्रणाली के लिए।

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम को वाक्यांश करने के कई तरीके हैं, लेकिन मूल रूप से यह एक सीमा रखता है कि गर्मी का कोई भी हस्तांतरण कितना कुशल हो सकता है। उष्मागतिकी के दूसरे नियम के अनुसार, कुछ ऊष्मा हमेशा इस प्रक्रिया में खो जाएगी, यही कारण है कि वास्तविक दुनिया में पूरी तरह से प्रतिवर्ती प्रक्रिया होना संभव नहीं है।

हम किसी भी उपकरण को कहते हैं जो गर्मी को आंशिक रूप से कार्य या यांत्रिक ऊर्जा में बदल देता है इंजन गर्म करें. एक हीट इंजन ऐसा करता है कि गर्मी को एक स्थान से दूसरे स्थान पर स्थानांतरित करता है, रास्ते में कुछ काम करता है।

ऊष्मप्रवैगिकी का उपयोग करके, इसका विश्लेषण करना संभव है ऊष्मीय दक्षता एक ऊष्मा इंजन, और यह एक विषय है जो अधिकांश परिचयात्मक भौतिकी पाठ्यक्रमों में शामिल है। यहाँ कुछ ऊष्मा इंजन हैं जिनका अक्सर भौतिकी पाठ्यक्रमों में विश्लेषण किया जाता है:

• आंतरिक-संयोजन इंजन - ईंधन से चलने वाला इंजन जैसे ऑटोमोबाइल में इस्तेमाल होने वाले इंजन। "ओटो चक्र" एक नियमित गैसोलीन इंजन की थर्मोडायनामिक प्रक्रिया को परिभाषित करता है। "डीजल चक्र" डीजल संचालित इंजनों को संदर्भित करता है।
• फ्रिज - रिवर्स में एक हीट इंजन, रेफ्रिजरेटर एक ठंडे स्थान (रेफ्रिजरेटर के अंदर) से गर्मी लेता है और इसे एक गर्म स्थान (रेफ्रिजरेटर के बाहर) में स्थानांतरित करता है।
• गर्मी पंप - एक ऊष्मा पम्प एक प्रकार का ऊष्मा इंजन है, जो एक रेफ्रिजरेटर के समान होता है, जिसका उपयोग बाहरी हवा को ठंडा करके इमारतों को गर्म करने के लिए किया जाता है।

1924 में, फ्रांसीसी इंजीनियर साडी कारनॉट ने एक आदर्श, काल्पनिक इंजन बनाया, जिसमें थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के अनुरूप अधिकतम संभव दक्षता थी। वह अपनी दक्षता के लिए निम्नलिखित समीकरण पर पहुंचे, इ_{कार्नोट}:

इ_{कार्नोट} = ( टी_एच - टी_सी) / टी_एच

टी_एच तथा टी_सी क्रमशः गर्म और ठंडे जलाशयों का तापमान होता है। बहुत बड़े तापमान अंतर के साथ, आपको एक उच्च दक्षता मिलती है। तापमान अंतर कम होने पर कम दक्षता आती है। आप केवल 1 (100% दक्षता) की दक्षता प्राप्त करते हैं टी_सी = 0 (यानी निरपेक्ष मूल्य) जो असंभव है।