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ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम

1850
  • Sadi Carnot
  • Rudolf Clausius
  • William Thomson (Lord Kelvin)
Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

(यह छवि केवल उदाहरण के लिए बनाई गई है)

द्वितीय नियम एन्ट्रापी की अवधारणा प्रस्तुत करता है और स्वतःस्फूर्त प्रक्रियाओं की दिशा निर्धारित करता है। इसे कई तरह से व्यक्त किया जा सकता है, लेकिन इसका एक प्रमुख परिणाम यह है कि एक पृथक प्रणाली की कुल एन्ट्रापी समय के साथ कभी कम नहीं हो सकती। यह नियम समय की दिशा (पावर) की व्याख्या करता है और यह भी बताता है कि प्रक्रियाएँ अपरिवर्तनीय क्यों होती हैं, जैसे कि ऊष्मा का स्वतः गर्म वस्तु से ठंडी वस्तु की ओर प्रवाहित होना।

द्वितीय नियम विज्ञान के सबसे गहन सिद्धांतों में से एक है। इसके सबसे प्रारंभिक सूत्रों में से एक क्लॉसियस का कथन है: “ऊष्मा किसी ठंडी वस्तु से गर्म वस्तु में तब तक स्थानांतरित नहीं हो सकती जब तक कि उसी समय उससे संबंधित कोई अन्य परिवर्तन न हो जाए।” दूसरा केल्विन-प्लैंक का कथन है: “चक्रीय रूप से संचालित होने वाला ऐसा उपकरण बनाना असंभव है जिसका एकमात्र प्रभाव किसी एक ऊष्मीय भंडार से ऊष्मा के रूप में ऊर्जा अवशोषित करना और समतुल्य मात्रा में कार्य प्रदान करना हो।” ये दोनों कथन द्वितीय प्रकार की शाश्वत गति मशीनों के निर्माण को वर्जित करते हैं।

The law’s novelty was the introduction of irreversibility into fundamental physics. While the First Law deals with energy conservation, the Second Law deals with energy quality and its inevitable degradation to less useful forms (waste heat). Ludwig Boltzmann later provided a statistical interpretation, defining entropy ([latex]S[/latex]) as a measure of the number of possible microscopic arrangements (microstates) that correspond to a system’s observed macroscopic state. The formula [latex]S = k_B \ln W[/latex] connects entropy to statistical probability, explaining that systems tend to evolve towards their most probable (highest entropy) state.

UNESCO Nomenclature: 2212
ऊष्मागतिकी, सांख्यिकीय भौतिकी और संघनित पदार्थ

Type

सार प्रणाली

व्यवधान

क्रांतिकारी

उपयोग

व्यापक उपयोग

शगुन

  • Sadi Carnot’s work on the motive power of fire and the ideal heat engine cycle
  • भाप इंजनों की अंतर्निहित अक्षमता के अवलोकन
  • यह सहज समझ कि ऊष्मा स्वतः ठंडे से गर्म की ओर प्रवाहित नहीं होती।
  • लाप्लास और अन्य लोगों द्वारा प्रायिकता सिद्धांत और सांख्यिकी का विकास

आवेदन

  • कुशल ऊष्मा इंजनों और रेफ्रिजरेटरों का डिजाइन (कार्नोट दक्षता)
  • रासायनिक अभियांत्रिकी अभिक्रियाओं की स्वतःस्फूर्तता की भविष्यवाणी करने के लिए
  • सूचना सिद्धांत, जहाँ शैनन एन्ट्रॉपी सूचना सामग्री का एक माप है
  • ब्रह्मांड विज्ञान (ब्रह्मांड की ऊष्मा मृत्यु की परिकल्पना)
  • अव्यवस्था और चरण संक्रमणों को समझने के लिए पदार्थ विज्ञान

पेटेंट:

NA

संभावित नवाचार विचार

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संबंधित विषय: द्वितीय नियम, एंट्रॉपी, अनुत्क्रमणीयता, समय की दिशा, ऊष्मा इंजन, क्लॉसियस का कथन, केल्विन-प्लैंक का कथन, अव्यवस्था, सांख्यिकीय यांत्रिकी, स्वतःस्फूर्तता।

ऐतिहासिक संदर्भ

ऊष्मगतिकी में एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा और एन्थैल्पी मापने के लिए प्रयोगशाला उपकरण।.

एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा और एन्थैल्पी

एक आदर्श गैस के लिए, आंतरिक ऊर्जा (U) और एन्थैल्पी (H) केवल तापमान के फलन होते हैं। इनमें परिवर्तन निम्न द्वारा दिए जाते हैं: U = m c_v ΔT और H = m c_p ΔT, जहाँ c_v और c_p क्रमशः स्थिर आयतन और दाब पर विशिष्ट ऊष्माएँ हैं, और इन्हें स्थिर माना जाता है।
एक प्रयोगशाला में शोधकर्ता सिंथेटिक पॉलिमर के विस्कोइलास्टिक गुणों का परीक्षण कर रहा है।.

viscoelasticity

विस्कोइलास्टिसिटी पदार्थों का वह गुण है जो विरूपण के दौरान श्यान और प्रत्यास्थ दोनों विशेषताओं को प्रदर्शित करता है। शहद जैसे श्यान पदार्थ अपरूपण प्रवाह का प्रतिरोध करते हैं और तनाव लागू होने पर समय के साथ रैखिक रूप से विकृत होते हैं। रबर बैंड जैसे प्रत्यास्थ पदार्थ खींचने पर विकृत होते हैं और तनाव हटने पर शीघ्र ही अपनी मूल अवस्था में लौट आते हैं। विस्कोइलास्टिक पदार्थों में इन दोनों गुणों के तत्व मौजूद होते हैं।
एक पुरानी प्रयोगशाला में ऊष्मागतिकी अध्ययन के तहत वाष्पीकरण मापते वैज्ञानिक।.

Enthalpy of Sublimation

ऊर्ध्वपातन की एन्थैल्पी, [latex]Delta H_{text{sub}}[/latex], किसी दिए गए तापमान और दाब पर किसी पदार्थ के एक मोल को ठोस से गैस में परिवर्तित करने के लिए आवश्यक ऊष्मा है। हेस के नियम के अनुसार, चूंकि एन्थैल्पी एक अवस्था फलन है, इसलिए यह ऊर्जा परिवर्तन संलयन की एन्थैल्पी ([latex]Delta H_{text{fus}}[/latex]) और वाष्पीकरण की एन्थैल्पी ([latex]Delta H_{text{vap}}[/latex]) का योग है।

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम

परफेक्ट गैस मॉडल पर थर्मोडायनामिक प्रयोगों को दर्शाता प्रयोगशाला दृश्य।.

The Perfect Gas Model

आदर्श गैस एक सैद्धांतिक गैस मॉडल है जिसमें अंतर-आणविक बलों को अनदेखा किया जाता है और विशिष्ट ऊष्मा धारिता (C_P और C_V) को तापमान के सापेक्ष स्थिर माना जाता है। इससे ऊष्मागतिकी गणनाएँ काफी सरल हो जाती हैं। यह आदर्श गैस का एक विशिष्ट मामला है, जहाँ विशिष्ट ऊष्माएँ तापमान के साथ बदल सकती हैं, जिससे यह एक अधिक सीमित मॉडल बन जाता है।
19वीं सदी का प्रयोगशाला दृश्य जिसमें लुडविग बोल्ट्ज़मान सांख्यिकीय ऊष्मागतिकी में आदर्श गैस नियम का अध्ययन कर रहे हैं।.

आदर्श गैस नियम (सांख्यिकीय रूप)

आदर्श गैस नियम का सांख्यिकीय यांत्रिकी सूत्रीकरण गैस के सूक्ष्म गुणों के संदर्भ में संबंध को व्यक्त करता है। यह दाब (P) और आयतन (V) को कणों की कुल संख्या (N) और निरपेक्ष तापमान (T) से बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक (k_B) के माध्यम से संबंधित करता है: PV = Nk_BT।
थर्मोइलेक्ट्रिसिटी में थॉमसन प्रभाव प्रदर्शित करने वाला वर्तमान वहन करने वाले चालक का प्रयोग।.

थॉमसन प्रभाव

थॉमसन प्रभाव किसी धारावाही चालक के तापन या शीतलन का वर्णन करता है जब उसकी लंबाई के अनुदिश तापमान प्रवणता मौजूद होती है। जब किसी तापमान प्रवणता वाले पदार्थ से धारा प्रवाहित होती है तो ऊष्मा उत्पन्न या अवशोषित होती है। प्रति इकाई लंबाई में ऊष्मा उत्पादन की दर [latex]frac{dQ}{dx} = -mathcal{K} J frac{dT}{dx}[/latex] द्वारा दी जाती है, जहाँ [latex]mathcal{K}[/latex] थॉमसन गुणांक है।
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उष्मागतिकी उपकरणों और मेयर के संबंध समीकरणों वाली 19वीं सदी की प्रयोगशाला।.

मेयर का संबंध (ऊष्मगतिकी)

मेयर का संबंध आदर्श गैस की विशिष्ट ऊष्माओं को विशिष्ट गैस स्थिरांक (R_s) से जोड़ता है। यह संबंध है: c_p - c_v = R_s। मोलर विशिष्ट ऊष्माओं (C_p और C_v) के लिए, संबंध है: C_p - C_v = R, जहाँ R सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है। इससे यह स्पष्ट होता है कि c_p हमेशा c_v से अधिक होता है।
ऊर्जा संरक्षण के सिद्धांतों का अध्ययन करने वाले भौतिकविदों के साथ 19वीं सदी की प्रयोगशाला।.

ऊर्जा संरक्षण

एक मूलभूत सिद्धांत यह बताता है कि पृथक प्रणालियों की कुल ऊर्जा समय के साथ स्थिर रहती है। ऊर्जा न तो सृजित की जा सकती है और न ही नष्ट की जा सकती है, इसे केवल एक रूप से दूसरे रूप में रूपांतरित किया जा सकता है, जैसे कि स्थितिज ऊर्जा से गतिज ऊर्जा में। शास्त्रीय यांत्रिकी में, केवल संरक्षी बलों वाली प्रणालियों के लिए, कुल यांत्रिक ऊर्जा [latex]E = T + V[/latex] संरक्षित रहती है।
थर्मोडायनामिक्स में विभिन्न तापमानों पर द्रवों की सान्द्रता मापने के लिए प्रयोगशाला सेटअप।.

श्यानता की तापमान पर निर्भरता

न्यूटन के नियमों के अनुसार, श्यानता तापमान और दाब पर निर्भर करती है, न कि अपरूपण दर पर। तरल पदार्थों में, तापमान बढ़ने पर श्यानता काफी कम हो जाती है क्योंकि अधिक ऊष्मीय ऊर्जा अणुओं को अंतर्आणविक संसंजक बलों को आसानी से पार करने में सक्षम बनाती है। इसके विपरीत, गैसों में, तापमान बढ़ने पर श्यानता बढ़ जाती है क्योंकि अधिक गति पर बार-बार होने वाली आणविक टक्करों के कारण अधिक संवेग स्थानांतरण होता है।
Laboratory experiment demonstrating the First Law of Thermodynamics with a heat engine setup.

First Law of Thermodynamics

प्रथम नियम ऊर्जा संरक्षण का सिद्धांत है। यह बताता है कि किसी बंद प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा (ΔU) में परिवर्तन, प्रणाली को दी गई ऊष्मा (Q) में से प्रणाली द्वारा अपने परिवेश पर किए गए कार्य (W) को घटाने के बराबर होता है। इसका मूल समीकरण है: ΔU = Q - W। यह नियम ऊष्मा, कार्य और आंतरिक ऊर्जा को आपस में जोड़ता है और ऊष्मा को ऊर्जा स्थानांतरण के एक रूप के रूप में स्थापित करता है।
1850 में एक पुरानी प्रयोगशाला में उत्प्रेरकों के साथ प्रयोग करते हुए रसायनज्ञ।.

रासायनिक संतुलन पर उत्प्रेरक

उत्प्रेरक कम सक्रियण ऊर्जा वाला एक वैकल्पिक अभिक्रिया मार्ग प्रदान करके अग्र और पश्च दोनों अभिक्रियाओं की दर को समान रूप से बढ़ाता है। उत्प्रेरक किसी प्रणाली को संतुलन तक बहुत तेजी से पहुंचने में सक्षम बनाता है, लेकिन यह संतुलन की स्थिति को नहीं बदलता है। अभिकारकों और उत्पादों की संतुलन सांद्रता और संतुलन स्थिरांक K का मान अपरिवर्तित रहता है।
ऊष्मागतिकी में आदर्श गैस नियम को दर्शाते हुए गैस की आयतन मापने वाले 19वीं सदी के रसायनज्ञ।.

आदर्श गैस नियम (मोलर रूप)

आदर्श गैस नियम एक काल्पनिक आदर्श गैस के लिए अवस्था समीकरण है, जो विभिन्न परिस्थितियों में कई गैसों के व्यवहार का अनुमान लगाता है। मोलर रूप दाब (P), आयतन (V), मोल में पदार्थ की मात्रा (n) और परम तापमान (T) को सार्वभौमिक गैस स्थिरांक (R) के माध्यम से संबंधित करता है: PV = nRT।
ऊष्मागतिकी में वाष्प दाब और तापमान मापने के लिए प्रयोगशाला उपकरण।.

क्लॉसियस-क्लैपेयरॉन संबंध

क्लॉसियस-क्लैपेयरॉन संबंध किसी पदार्थ के अवस्था परिवर्तन (जैसे द्रव और वाष्प) के दौरान दाब और तापमान के बीच संबंध को दर्शाता है। जल वाष्प के लिए, यह दर्शाता है कि संतृप्त वाष्प दाब तापमान के साथ घातीय रूप से बढ़ता है। इसका अनुमानित रूप [latex]frac{dp}{dT} = frac{L}{T(V_v - V_l)} approx frac{L p}{R_v T^2}[/latex] है, जहाँ L गुप्त ऊष्मा है।
औद्योगिक परिवेश में विद्युत चुम्बकत्व के अनुप्रयोगों का प्रदर्शन करने वाला एडी करंट ब्रेक सिस्टम।.

भंवर धाराएँ (फूको की धाराएँ)

फैराडे के नियम के अनुसार, एड़ी धाराएँ चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन के कारण थोक चालकों के भीतर उत्पन्न होने वाली विद्युत धारा के परवलय हैं। ये चुंबकीय क्षेत्र के लंबवत तलों में बंद परवलयों में प्रवाहित होती हैं। लेंज़ के नियम के अनुसार, ये धाराएँ अपना स्वयं का चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती हैं जो बाह्य प्रवाह में परिवर्तन का विरोध करता है, जिससे प्रतिकर्षण बल और प्रतिरोधक ऊष्मा उत्पन्न होती है।

(यदि तिथि अज्ञात है या प्रासंगिक नहीं है, उदाहरण के लिए "द्रव यांत्रिकी", तो इसके उल्लेखनीय उद्भव का एक अनुमानित आंकड़ा प्रदान किया गया है)

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