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ऊष्मागतिकी किसे कहते हैं? | शाखाएं | तत्व

इस लेख में, हम ऊष्मागतिकी के परिचय, ऊष्मागतिकी की शाखाएं, ऊष्मागतिकी के नियम, ऊष्मागतिकी के मौलिक अवधारणाएँ के बारे में सीखेंगे।

थर्मोडायनामिक्स भौतिकी की एक शाखा है जो बताती है कि तापीय ऊर्जा को ऊर्जा के अन्य रूपों में कैसे बदला जाता है और पदार्थ में तापीय ऊर्जा का महत्व क्या है। ऊष्मा, कार्य और तापमान का व्यवहार, साथ ही ऊर्जा और एन्ट्रापी से उनका संबंध थर्मोडायनामिक्स के चार नियमों द्वारा नियंत्रित होता है।

ऊष्मागतिकी किसे कहते हैं?

"ऊष्मागतिकी" को अंग्रेजी में "Thermodynamics" कहा जाता है। इसका अर्थ होता है ऊष्मा (heat) और गतिकी (dynamics)। ऊष्मागतिकी एक विज्ञान शाखा है जो ऊष्मा और ऊष्मा के संबंधित प्रक्रियाओं का अध्ययन करती है, विशेषकर उन परिवर्तनों को जो ऊष्मा से संबंधित होते हैं।

ऊष्मागतिकी का क्षेत्र बहुत विस्तृत है और इसमें कई विभाग होते हैं, जैसे कि इंजनीयरिंग ऊष्मागतिकी, रासायनिक ऊष्मागतिकी और अन्य। इसके अध्ययन से हम ऊष्मा और ऊर्जा के स्थितिकरण, ऊष्मा के संबंधित विभिन्न उपयोग, और ऊष्मा से संबंधित प्रक्रियाएं समझ सकते हैं।

ऊष्मागतिकी का अध्ययन विभिन्न उद्देश्यों के लिए किया जाता है, जैसे कि ऊर्जा संचय, ऊर्जा संवहन, ऊर्जा उत्पन्नता, और ऊर्जा संरक्षण। इसमें उच्चतम तापमान, न्यूनतम तापमान, ऊष्मा और कार्य के संबंध में अध्ययन किया जाता है।

ऊष्मागतिकी का अध्ययन विज्ञान (Science), इंजीनियरिंग, और तकनीकी (Technology) में एक महत्वपूर्ण क्षेत्र है, और यह हमें ऊर्जा संबंधित समस्याओं का समाधान निकालने में मदद करता है। इसके अलावा इसका प्रमुख उद्देश्य ऊर्जा के स्थितिकरण, ऊर्जा परिवहन, ऊर्जा उत्पन्नता और ऊर्जा संरक्षण में सुधार करना है।

ऊष्मागतिकी की विभिन्न शाखाएँ

ऊष्मागतिकी के अध्ययन को नीचे सूचीबद्ध कई शाखाओं में वर्गीकृत किया गया है-

  1. शास्त्रीय ऊष्मागतिकी
  2. सांख्यिकीय ऊष्मागतिकी
  3. रासायनिक ऊष्मागतिकी
  4. संतुलन ऊष्मागतिकी
  5. गैर-संतुलन ऊष्मागतिकी

आइए लेख में इनके बारे में विस्तार से जानें।

शास्त्रीय ऊष्मागतिकी

शास्त्रीय थर्मोडायनामिक्स में स्थूल परिप्रेक्ष्य का उपयोग करके पदार्थ के व्यवहार की जांच की जाती है। प्रक्रिया को संचालित करने वाले पदार्थ की विशेषताओं को निर्धारित करने और उनकी विशेषताओं की भविष्यवाणी करने के लिए, व्यक्ति तापमान और दबाव जैसी इकाइयों को ध्यान में रखते हैं।

सांख्यिकीय ऊष्मागतिकी

19वीं सदी के अंत और 20वीं सदी की शुरुआत में परमाणु और आणविक सिद्धांतों के विकास ने सांख्यिकीय यांत्रिकी को जन्म दिया, जिसे सांख्यिकीय ऊष्मागतिकी के रूप में भी जाना जाता है, जिसने शास्त्रीय ऊष्मागतिकी में व्यक्तिगत कणों या क्वांटम-मैकेनिकल स्टेट्स के बीच सूक्ष्म बातचीत की व्याख्या को जोड़ा। यह क्षेत्र सूक्ष्म स्तर पर सांख्यिकी, शास्त्रीय यांत्रिकी और क्वांटम सिद्धांत के प्राकृतिक परिणाम के रूप में शास्त्रीय ऊष्मागतिकी की व्याख्या करता है। यह मानव पैमाने पर देखी जा सकने वाली सामग्रियों के सूक्ष्म, थोक गुणों को स्थूल, व्यक्तिगत परमाणु और अणु गुणों से जोड़कर ऐसा करता है।

रासायनिक ऊष्मागतिकी

रासायनिक ऊष्मागतिकी इस बात का अध्ययन है कि ऊर्जा रासायनिक प्रक्रियाओं के साथ कैसे संपर्क करती है या थर्मोडायनामिक्स के नियमों के अनुसार स्थिति में परिवर्तन करती है। एक निश्चित संक्रमण की सहजता का निर्धारण रासायनिक थर्मोडायनामिक्स का मुख्य लक्ष्य है।

संतुलन ऊष्मागतिकी

संतुलन थर्मोडायनामिक्स उन प्रणालियों या पदार्थों में पदार्थ और ऊर्जा हस्तांतरण का अध्ययन है जिन्हें उनके वातावरण में एजेंटों द्वारा थर्मोडायनामिक संतुलन की एक स्थिति से दूसरे में ले जाया जा सकता है। वाक्यांश "थर्मोडायनामिक संतुलन" संतुलन की एक स्थिति को संदर्भित करता है जिसमें सभी स्थूल प्रवाह शून्य होते हैं। सबसे बुनियादी प्रणालियों या निकायों के मामले में, इसका मतलब है कि उनके गहन गुण एक समान हैं और उनके दबाव उनकी सीमाओं के लंबवत हैं। सिस्टम के स्थूल रूप से विविध घटकों के बीच असंतुलित क्षमता या प्रेरक शक्तियाँ संतुलन अवस्था में मौजूद नहीं होती हैं।

गैर-संतुलन ऊष्मागतिकी

जो सिस्टम थर्मोडायनामिक संतुलन में नहीं हैं, वे ऊष्मागतिकी (Thermodynamics) के क्षेत्र का फोकस हैं जिन्हें गैर-संतुलन थर्मोडायनामिक्स के रूप में जाना जाता है। प्रकृति में अधिकांश प्रणालियाँ थर्मोडायनामिक संतुलन में नहीं हैं क्योंकि वे स्थिर अवस्था में नहीं हैं और निरंतर और अनियमित आधार पर अन्य प्रणालियों से पदार्थ और ऊर्जा के प्रवाह के अधीन हैं। गैर-संतुलन प्रणालियों के थर्मोडायनामिक अध्ययन के लिए संतुलन थर्मोडायनामिक्स द्वारा कवर की गई तुलना में अधिक सामान्य धारणाओं की आवश्यकता होती है।

ऊष्मागतिकी की बुनियादी अवधारणाएँ

ऊष्मागतिकी में विभिन्न अवधारणाएँ हैं, इनमें से कुछ अवधारणाओं की व्याख्या इस प्रकार की गई है -

थर्मोडायनामिक सिस्टम

बहुत बड़ी संख्या में परमाणुओं या अणुओं का एक संग्रह जो कुछ सीमाओं के भीतर सीमित होता है, जैसे कि इसमें दबाव (P), आयतन (V) और तापमान (T) के कुछ निश्चित मान होते हैं, थर्मोडायनामिक प्रणाली (Thermodynamics System) कहलाती है।

थर्मोडायनामिक प्रणाली के बाहर की कोई भी चीज़ जिससे ऊर्जा या पदार्थ का आदान-प्रदान होता है, उसे उसका परिवेश (Surroundings) कहा जाता है। एक प्रणाली और उसके परिवेश के बीच परस्पर क्रिया को ध्यान में रखते हुए, एक प्रणाली को एक खुली प्रणाली (Open System) कहा जाता है यदि वह अपने परिवेश के साथ ऊर्जा और पदार्थ दोनों का आदान-प्रदान कर सकती है, तो उसे तीन वर्गों में विभाजित किया जा सकता है-

  • खुली प्रणाली (Open System) - एक प्रणाली को खुली प्रणाली कहा जाता है यदि वह अपने परिवेश के साथ ऊर्जा और पदार्थ का आदान-प्रदान कर सकती है।
  • बंद प्रणाली (Close System) - एक प्रणाली को एक बंद प्रणाली कहा जाता है यदि वह अपने परिवेश के साथ केवल ऊर्जा (पदार्थ नहीं) का आदान-प्रदान कर सकती है।
  • पृथक प्रणाली (Isolated System) -  एक प्रणाली को पृथक कहा जाता है यदि वह अपने परिवेश के साथ न तो ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकती है और न ही पदार्थ का।

ऊष्मागतिकी सिस्टम का प्रकार

यह निम्न प्रकार से हैं-

परिवेश (Surroundings)

"परिवेश " शब्द का तात्पर्य सिस्टम के बाहर की हर चीज़ से है जो इसके व्यवहार को प्रभावित करती है। सिस्टम को उसके परिवेश से अलग करने वाली एक सीमा होती है। यह स्थिर, मोबाइल या काल्पनिक हो सकता है। यह द्रव्यमान या आयतन की दृष्टि से कोई स्थान नहीं लेगा। उदाहरण के लिए, एक बंद बीकर पर विचार करें जिसके अंदर तरल पदार्थ है, बीकर के अंदर का तरल पदार्थ प्रणाली है, जबकि बीकर की रूपरेखा प्रणाली की सीमा का प्रतिनिधित्व करती है। और सिस्टम और सीमा के बाहर के पदार्थ को उसका परिवेश कहा जाता है।

गर्मी (Heat)

ऊष्मा वह ऊर्जा है जो तापमान अंतर के परिणामस्वरूप वस्तुओं या प्रणालियों के बीच संचारित होती है। ऊष्मा संरक्षित ऊर्जा है, जिसका अर्थ है कि इसे बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता है। हालाँकि, इसे एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, ऊष्मा को विभिन्न प्रकार की ऊर्जा में और बाहर परिवर्तित किया जा सकता है।

काम (Work)

किसी प्रक्रिया के दौरान किसी सिस्टम द्वारा या सिस्टम पर किया गया कार्य न केवल सिस्टम की प्रारंभिक और अंतिम स्थिति पर निर्भर करता है, बल्कि प्रक्रिया के लिए चुने गए पथ पर भी निर्भर करता है। जब किसी तंत्र पर कार्य करने वाला बल पिंड को अपनी दिशा में ले जाता है, तो कार्य पूरा हो गया है। बल और विस्थापन मिलकर उस कार्य (W) का निर्माण करते हैं जो किसी सिस्टम पर या उसके द्वारा किया जाता है।

आंतरिक ऊर्जा (Internal Energy)

अणुओं की गतिज और स्थितिज ऊर्जाओं को जोड़कर आंतरिक ऊर्जा (Internal Energy) बनाई जाती है । सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा को अक्षर U द्वारा दर्शाया जाता है। गतिज ऊर्जा वह ऊर्जा है जो अणुओं या परमाणुओं में उनकी गति के कारण होती है। दो अणुओं में कुछ संभावित ऊर्जा होती है क्योंकि वे एक दूसरे के प्रति आकर्षित होते हैं। किसी प्रणाली को बनाने वाले परमाणुओं या अणुओं की कुल गतिज और स्थितिज ऊर्जा को प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा के रूप में जाना जाता है।

ऊष्मागतिकी गुण

एक ऊष्मागतिकी प्रणाली का वर्णन उसके दबाव, आयतन, तापमान, आंतरिक ऊर्जा, एन्थैल्पी और मोल्स की संख्या को निर्दिष्ट करके किया जा सकता है । इन मापदंडों को थर्मोडायनामिक चर (Thermodynamics Variable) कहा जाता है।

इस प्रकार, वे चर (Variable) जो थर्मोडायनामिक प्रणाली की स्थिति को निर्दिष्ट करने के लिए आवश्यक होते हैं, थर्मोडायनामिक चर (Thermodynamics Variable) कहलाते हैं। एन्ट्रॉपी किसी सिस्टम या प्रक्रिया में मौजूद ऊर्जा का माप है लेकिन काम करने के लिए उपलब्ध नहीं है। इसे व्यवस्था में अव्यवस्था के माप के रूप में भी परिभाषित किया गया है। एन्थैल्पी एक थर्मोडायनामिक प्रणाली की कुल ऊर्जा का माप है।

थर्मोडायनामिक वेरिएबल्स के प्रकार

  • गहन चर (Intensive Variable) - वे चर जो प्रणाली के आकार से स्वतंत्र होते हैं, गहन चर कहलाते हैं। उदाहरण के लिए तापमान, दबाव और विशिष्ट बीट क्षमता। 
  • व्यापक चर (Extensive Variable) - वे चर जो सिस्टम के आकार या द्रव्यमान पर निर्भर करते हैं, व्यापक चर कहलाते हैं। उदाहरण के लिए आयतन, ऊर्जा, एन्ट्रॉपी, ऊष्मा क्षमता और एन्थैल्पी।

ऊष्मागतिकी संतुलन

ऊष्मागतिकी संतुलन एक प्रणाली की वह स्थिति है जिसमें समय के साथ सिस्टम के भीतर कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं होता है यानी, थर्मोडायनामिक प्रणाली की वह स्थिति जिसमें तापमान, दबाव और रासायनिक संरचना जैसे मैक्रोस्कोपिक गुण स्थिर रहते हैं। ऊष्मागतिकी संतुलन के विभिन्न प्रकार हैं -

  1. थर्मल संतुलन - थर्मल संतुलन की स्थिति में, सिस्टम का तापमान स्थिर रहता है यानी, सिस्टम के भीतर कोई शुद्ध गर्मी हस्तांतरण नहीं होता है।
  2. यांत्रिक संतुलन - जब किसी प्रणाली में या तो कोई शुद्ध बल कार्यरत नहीं होता है या कोई दबाव अंतर नहीं होता है, तो प्रणाली की इस स्थिति को यांत्रिक संतुलन कहा जाता है। इस अवस्था को कभी-कभी यांत्रिक संतुलन की अवस्था भी कहा जाता है।
  3. रासायनिक संतुलन - एक ऊष्मागतिकी प्रणाली को रासायनिक संतुलन में तब कहा जाता है जब आगे और पीछे की प्रतिक्रियाओं की दर बराबर हो जाती है। जब प्रणाली रासायनिक संतुलन तक पहुंचती है, तो अभिकारकों और उत्पादों की सांद्रता समय के साथ स्थिर रहती है।
  4. चरण संतुलन - एक प्रणाली को चरण संतुलन में कहा जाता है जब किसी पदार्थ के विभिन्न चरण जैसे ठोस, तरल और गैस, एक ही समय में एक प्रणाली में सह-अस्तित्व में होते हैं। दूसरे शब्दों में, सिस्टम चरण संतुलन में होता है जब चरण परिवर्तन की दरें, जैसे वाष्पीकरण और संघनन, बराबर होती हैं।

ऊष्मागतिकी क्षमताएँ

किसी सिस्टम में संग्रहीत ऊर्जा को उसकी थर्मोडायनामिक क्षमता से मापा जाता है। क्षमताएँ मापती हैं कि किसी प्रणाली की ऊर्जा उसकी प्रारंभिक अवस्था से अंतिम अवस्था तक कैसे परिवर्तित होती है। सिस्टम की बाधाओं, जैसे तापमान और दबाव के आधार पर, विभिन्न क्षमताओं का उपयोग किया जाता है।

ऊष्मागतिकी क्षमता के विभिन्न रूपों का उल्लेख नीचे दिया गया है -

  1. आंतरिक ऊर्जा (U) - यह कार्य करने की क्षमता और गर्मी छोड़ने की क्षमता के योग के बराबर है।
  2. गिब्स एनर्जी (G) - यह गैर-यांत्रिक कार्य करने की क्षमता है।
  3. एन्थैल्पी (H) - यह गैर-यांत्रिक कार्य करने की क्षमता और गर्मी उत्सर्जित करने की क्षमता है।
  4. हेल्महोल्ट्ज़ एनर्जी (F) - यह यांत्रिक और गैर-यांत्रिक दोनों कार्य करने की क्षमता है।

एन्थैल्पी क्या है?

ऊष्मागतिकी प्रणाली में, ऊर्जा को एन्थैल्पी द्वारा मापा जाता है । एन्थैल्पी किसी प्रणाली की कुल ऊष्मा सामग्री का माप है और यह प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा और उसके आयतन और दबाव के योग के बराबर है। एन्थैल्पी एक गुण या अवस्था फलन है जो ऊर्जा से मिलता जुलता है; इसका आयाम ऊर्जा के समान है और इसलिए इसे जूल या अर्ग में मापा जाता है। एन्थैल्पी का वैल्यू पूरी तरह से सिस्टम के तापमान, दबाव और संरचना पर निर्भर करता है, न कि इसके इतिहास पर।

ऊष्मागतिकी में एन्ट्रॉपी क्या है?

एन्ट्रॉपी एक प्रणाली में तापमान की प्रति इकाई तापीय ऊर्जा की मात्रा का माप है जिसका उपयोग उपयोगी कार्यों के लिए नहीं किया जा सकता है। एन्ट्रॉपी एक प्रणाली के आणविक विकार या यादृच्छिकता का माप है क्योंकि कार्य क्रमबद्ध आणविक गति से उत्पन्न होता है। एन्ट्रॉपी सिद्धांत कई सामान्य घटनाओं के लिए सहज परिवर्तन की दिशा की गहरी समझ प्रदान करता है।