अपरिवर्तनीय प्रक्रिया

विज्ञान में, एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया जो प्रतिवर्ती प्रक्रिया ([[ ऊष्मप्रवैगिकी )]] नहीं है, अपरिवर्तनीय कहलाती है। यह अवधारणा थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं अक्सर उत्पन्न होती है। सभी जटिल प्राकृतिक प्रक्रियाएं अपरिवर्तनीय हैं,   हालांकि सह-अस्तित्व तापमान पर एक चरण संक्रमण (जैसे पानी में बर्फ के टुकड़े का पिघलना) अच्छी तरह से प्रतिवर्ती के रूप में अनुमानित है।

ऊष्मप्रवैगिकी में, एक प्रणाली के ऊष्मप्रवैगिकी राज्य में परिवर्तन और उसके सभी परिवेश को ऊर्जा के व्यय के बिना प्रणाली की कुछ संपत्ति में असीम परिवर्तन से अपनी प्रारंभिक अवस्था में ठीक से बहाल नहीं किया जा सकता है। एक प्रणाली जो एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया से गुजरती है, वह अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में लौटने में सक्षम हो सकती है। चूंकि एंट्रॉपी एक राज्य कार्य है, सिस्टम की एंट्रॉपी में परिवर्तन वही है चाहे प्रक्रिया उलटा या अपरिवर्तनीय हो। हालाँकि, पर्यावरण (सिस्टम) को अपनी प्रारंभिक स्थितियों में पुनर्स्थापित करने में असंभवता होती है। एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया प्रणाली और उसके परिवेश की कुल एन्ट्रापी को बढ़ाती है। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का उपयोग यह निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है कि एक काल्पनिक प्रक्रिया प्रतिवर्ती है या नहीं।

यदि कोई अपव्यय नहीं है, तो सहज रूप से, एक प्रक्रिया प्रतिवर्ती है। उदाहरण के लिए, जूल प्रसार अनुत्क्रमणीय है क्योंकि आरंभ में तंत्र एकसमान नहीं है। प्रारंभ में, इसमें गैस के साथ सिस्टम का हिस्सा होता है, और बिना गैस वाले सिस्टम का हिस्सा होता है। अपव्यय होने के लिए, ऐसी गैर-एकरूपता की आवश्यकता है। यह ठीक वैसा ही है जैसे कि किसी प्रणाली में गैस का एक भाग गर्म था, और दूसरा ठंडा। तब अपव्यय होगा; तापमान वितरण बिना किसी काम के एकसमान हो जाएगा, और यह अपरिवर्तनीय होगा क्योंकि आप गर्मी को जोड़ या हटा नहीं सकते थे या सिस्टम को उसकी प्रारंभिक अवस्था में वापस लाने के लिए वॉल्यूम नहीं बदल सकते थे। इस प्रकार, यदि सिस्टम हमेशा एक समान रहता है, तो प्रक्रिया उत्क्रमणीय होती है, जिसका अर्थ है कि आप सिस्टम को उसकी मूल स्थिति में वापस ला सकते हैं या तो गर्मी को जोड़ या हटा सकते हैं, सिस्टम पर काम कर सकते हैं, या सिस्टम को काम करने दे सकते हैं। एक अन्य उदाहरण के रूप में, एक आंतरिक दहन इंजन में प्रतिवर्ती के रूप में विस्तार का अनुमान लगाने के लिए, हम यह मानेंगे कि स्पार्क के बाद पूरे वॉल्यूम में तापमान और दबाव समान रूप से बदलते हैं। जाहिर है, यह सच नहीं है और एक लौ सामने है और कभी-कभी इंजन भी दस्तक दे रहा है। डीजल इंजन उच्च दक्षता प्राप्त करने में सक्षम होने का एक कारण यह है कि दहन बहुत अधिक समान है, इसलिए अपव्यय में कम ऊर्जा खो जाती है और प्रक्रिया प्रतिवर्ती के करीब है।

अपरिवर्तनीयता की घटना इस तथ्य से उत्पन्न होती है कि यदि एक थर्मोडायनामिक प्रणाली, जो कि परस्पर क्रिया करने वाले अणुओं की पर्याप्त जटिलता की कोई प्रणाली है, को एक थर्मोडायनामिक अवस्था से दूसरे में लाया जाता है, तो सिस्टम में परमाणुओं और अणुओं का विन्यास या व्यवस्था बदल जाएगी। जिस तरह से आसानी से अनुमान नहीं लगाया जा सकता है। कुछ परिवर्तन ऊर्जा का उपयोग किया जाएगा क्योंकि काम करने वाले शरीर के अणु एक दूसरे पर काम करते हैं जब वे एक राज्य से दूसरे में बदलते हैं। इस परिवर्तन के दौरान, अंतर-आण्विक घर्षण और टक्करों के कारण कुछ ऊष्मा ऊर्जा हानि या अपव्यय होगा। यदि प्रक्रिया उलट दी जाती है तो यह ऊर्जा पुनर्प्राप्त करने योग्य नहीं होगी।

जीव विज्ञान की कई प्रक्रियाएँ जिन्हें कभी उत्क्रमणीय समझा जाता था, वास्तव में दो अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं की जोड़ी के रूप में पाई गई हैं। जबकि एक एकल एंजाइम को आगे और पीछे दोनों तरह के रासायनिक परिवर्तनों को उत्प्रेरित करने के लिए माना जाता था, शोध में पाया गया है कि समान संरचना के दो अलग-अलग एंजाइमों को आमतौर पर थर्मोडायनामिक्स अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं की एक जोड़ी में परिणाम देने के लिए आवश्यक होता है।

निरपेक्ष बनाम सांख्यिकीय उत्क्रमण
ऊष्मप्रवैगिकी बड़ी संख्या में संस्थाओं के सांख्यिकीय व्यवहार को परिभाषित करती है, जिनका सटीक व्यवहार अधिक विशिष्ट कानूनों द्वारा दिया जाता है। जबकि भौतिकी के मौलिक सैद्धांतिक नियम सभी समय-प्रतिवर्ती हैं, प्रयोगात्मक रूप से वास्तविक उत्क्रमण की संभावना कम है और सिस्टम और परिवेश की पूर्व स्थिति केवल कुछ हद तक ही पुनर्प्राप्त की जाती है (देखें: अनिश्चितता सिद्धांत)। ऊष्मप्रवैगिकी की उत्क्रमणीयता प्रकृति में सांख्यिकीय होनी चाहिए; यानी, यह केवल अत्यधिक संभावना नहीं होनी चाहिए, लेकिन असंभव नहीं है, कि एक प्रणाली एंट्रॉपी में कम हो जाएगी। दूसरे शब्दों में, समय उत्क्रमण पूरा हो जाता है यदि प्रक्रिया उसी तरह से होती है यदि समय उल्टा प्रवाहित होता है या प्रक्रिया में राज्यों का क्रम उलट जाता है (अंतिम स्थिति पहले और इसके विपरीत हो जाती है)।

इतिहास
1850 के दशक में जर्मन भौतिक विज्ञानी रुडोल्फ क्लॉसियस, एंट्रॉपी की अवधारणा के परिचय के माध्यम से प्रकृति में अपरिवर्तनीयता की खोज को गणितीय रूप से मापने वाले पहले व्यक्ति थे। अपने 1854 के संस्मरण ऑन अ मॉडिफाइड फॉर्म ऑफ़ द सेकंड फ़ंडामेंटल थ्योरम इन द मेकेनिकल थ्योरी ऑफ़ हीट में क्लॉज़ियस कहते हैं:

It may, moreover, happen that instead of a descending transmission of heat accompanying, in the one and the same process, the ascending transmission, another permanent change may occur which has the peculiarity of not being reversible without either becoming replaced by a new permanent change of a similar kind, or producing a descending transmission of heat.

सीधे शब्दों में, क्लॉसियस कहता है कि एक प्रणाली के लिए एक ठंडे शरीर से एक गर्म शरीर में गर्मी स्थानांतरित करना असंभव है। उदाहरण के लिए, एक कप गर्म कॉफी को कमरे के तापमान के क्षेत्र में रखा जाता है (~72 °F) गर्मी को अपने परिवेश में स्थानांतरित कर देगा और इस तरह कमरे के तापमान में थोड़ी वृद्धि (से ~72.3 °F). हालाँकि, कॉफी का वही शुरुआती कप कभी भी अपने आसपास की गर्मी को अवशोषित नहीं करेगा, जिससे यह और भी गर्म हो जाएगा, कमरे का तापमान कम हो जाएगा (से ~71.7 °F). इसलिए, जब तक सिस्टम में अतिरिक्त ऊर्जा नहीं डाली जाती है, तब तक कॉफी के ठंडा होने की प्रक्रिया अपरिवर्तनीय है।

हालांकि, एक विरोधाभास उत्पन्न हुआ जब एक प्रणाली के माइक्रोएनालिसिस को अपने मैक्रोस्टेट के अवलोकनों के साथ मिलाने का प्रयास किया गया। शास्त्रीय न्यूटोनियन यांत्रिकी का उपयोग करके विश्लेषण किए जाने पर कई प्रक्रियाएं गणितीय रूप से उनके माइक्रोस्टेट में उलटा हो सकती हैं। यह विरोधाभास स्पष्ट रूप से जेम्स क्लर्क मैक्सवेल के 1860 के तर्क के रूप में संतुलन की ओर मैक्रोस्कोपिक प्रवृत्ति के सूक्ष्म स्पष्टीकरणों को दर्शाता है कि आणविक टकराव मिश्रित गैसों के तापमान के बराबर होने की आवश्यकता है। 1872 से 1875 तक, लुडविग बोल्ट्जमैन ने बोल्ट्जमैन के एंट्रोपी फॉर्मूले के रूप में इस विरोधाभास की सांख्यिकीय व्याख्या को मजबूत किया, जिसमें कहा गया है कि एक सिस्टम में संभावित माइक्रोस्टेट्स की संख्या में वृद्धि हो सकती है, सिस्टम की एन्ट्रापी में वृद्धि होगी, जिससे इसकी संभावना कम हो जाएगी। कि सिस्टम पहले वाली स्थिति में वापस आ जाएगा। उनके सूत्रों ने विलियम थॉमसन, प्रथम बैरन केल्विन द्वारा किए गए विश्लेषण को परिमाणित किया, जिन्होंने तर्क दिया था कि:

The equations of motion in abstract dynamics are perfectly reversible; any solution of these equations remains valid when the time variable t is replaced by –t. On the other hand, physical processes are irreversible: for example, the friction of solids, conduction of heat, and diffusion. Nevertheless, the principle of dissipation of energy is compatible with a molecular theory in which each particle is subject to the laws of abstract dynamics.

अपरिवर्तनीय प्रणालियों की एक और व्याख्या फ्रांसीसी गणितज्ञ हेनरी पोंकारे द्वारा प्रस्तुत की गई थी। 1890 में, उन्होंने अरैखिक गतिकी की अपनी पहली व्याख्या प्रकाशित की, जिसे अराजकता सिद्धांत भी कहा जाता है। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम में कैओस सिद्धांत को लागू करते हुए, अपरिवर्तनीयता के विरोधाभास को माइक्रोस्टेट्स से मैक्रोस्टेट्स तक स्केलिंग से जुड़ी त्रुटियों और प्रायोगिक अवलोकन करते समय उपयोग की जाने वाली स्वतंत्रता की डिग्री में समझाया जा सकता है। अवलोकनीय, भौतिक क्षेत्र के भीतर अपरिवर्तनीय विशेषताओं की एक प्रदर्शनी में माइक्रोस्टेट यौगिकों में प्रणाली और उसके पर्यावरण से संबंधित प्रारंभिक स्थितियों के प्रति संवेदनशीलता।



अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के उदाहरण
भौतिक क्षेत्र में, कई अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं मौजूद हैं जिनके लिए ऊर्जा हस्तांतरण में 100% दक्षता हासिल करने में असमर्थता को जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। निम्नलिखित सहज घटनाओं की एक सूची है जो प्रक्रियाओं की अपरिवर्तनीयता में योगदान करती है।
 * एजिंग (यह दावा विवादित है, क्योंकि चूहों में उम्र बढ़ने को उल्टा दिखाया गया है। निकोटिनामाइड एडेनाइन डाईन्यूक्लियोटाइड | एनएडी + और टेलोमिरेज उम्र बढ़ने को उलटने के लिए भी प्रदर्शित किया गया है।)
 * मौत
 * समय
 * एक सीमित तापमान अंतर के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण
 * टकराव
 * विरूपण (इंजीनियरिंग) # प्लास्टिक विरूपण
 * एक प्रतिरोध (बिजली) के माध्यम से विद्युत प्रवाह का प्रवाह
 * हिस्टैरिसीस के साथ चुंबकत्व या ध्रुवीकरण
 * अनर्गल द्रव यांत्रिकी
 * सहज रासायनिक प्रतिक्रियाएँ
 * अलग-अलग संघटन/अवस्थाओं के पदार्थ का सहज मिश्रण

जूल विस्तार क्लासिकल ऊष्मप्रवैगिकी का एक उदाहरण है, क्योंकि एन्ट्रापी में परिणामी वृद्धि को काम करना आसान है। यह तब होता है जब तापीय रूप से पृथक कंटेनर (एक छोटे से विभाजन के माध्यम से) के एक तरफ गैस की मात्रा रखी जाती है, जबकि कंटेनर के दूसरे हिस्से को खाली कर दिया जाता है; कंटेनर के दो हिस्सों के बीच विभाजन को तब खोला जाता है, और गैस पूरे कंटेनर को भर देती है। गैस की आंतरिक ऊर्जा समान रहती है, जबकि आयतन बढ़ जाता है। मूल स्थिति को केवल गैस को उसके मूल आयतन में संपीड़ित करके पुनर्प्राप्त नहीं किया जा सकता है, क्योंकि इस संपीड़न से आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि होगी। मूल स्थिति को केवल फिर से संपीड़ित प्रणाली को ठंडा करके और पर्यावरण को अपरिवर्तनीय रूप से गर्म करके ही पुनर्प्राप्त किया जा सकता है। दाईं ओर का आरेख केवल तभी लागू होता है जब पहला विस्तार मुक्त (जूल विस्तार) हो, अर्थात सिलेंडर के बाहर कोई वायुमंडलीय दबाव नहीं हो सकता है और कोई भार नहीं उठाया जा सकता है।

जटिल प्रणाली
प्रतिवर्ती और अपरिवर्तनीय घटनाओं के बीच के अंतर का जटिल प्रणालियों (जैसे जीवित जीव, या पारिस्थितिक तंत्र) में विशेष व्याख्यात्मक मूल्य है। जीवविज्ञानी हम्बर्टो मातुराना और फ्रांसिस्को वरेला के अनुसार, जीवित जीवों को आत्मनिर्णय की की विशेषता होती है, जो उनके निरंतर अस्तित्व को सक्षम बनाता है। भौतिक विज्ञानी और रसायनज्ञ इल्या प्रिझोगिन द्वारा स्व-आयोजन प्रणालियों के अधिक आदिम रूपों का वर्णन किया गया है। जटिल प्रणालियों के संदर्भ में, ऐसी घटनाएँ जो कुछ स्व-संगठित प्रक्रियाओं के अंत की ओर ले जाती हैं, जैसे मृत्यु, किसी प्रजाति का विलुप्त होना या किसी मौसम संबंधी प्रणाली के पतन को अपरिवर्तनीय माना जा सकता है। यहां तक ​​कि अगर एक ही संगठनात्मक सिद्धांत (जैसे समान डीएनए-संरचना) के साथ एक क्लोन (आनुवांशिकी) विकसित किया जा सकता है, तो इसका मतलब यह नहीं होगा कि पूर्व अलग प्रणाली अस्तित्व में आती है। ऐसी घटनाएँ जिनके लिए जीवों, प्रजातियों या अन्य जटिल प्रणालियों की स्व-संगठित क्षमताएँ अनुकूल हो सकती हैं, जैसे मामूली चोटें या भौतिक वातावरण में परिवर्तन प्रतिवर्ती हैं। हालांकि, अनुकूलन जीव में नकारात्मकता के आयात पर निर्भर करता है, जिससे इसके वातावरण में अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं बढ़ जाती हैं। पारिस्थितिक सिद्धांत, जैसे कि स्थिरता और एहतियाती सिद्धांत को प्रतिवर्तीता की अवधारणा के संदर्भ में परिभाषित किया जा सकता है।

यह भी देखें

 * एंट्रॉपी उत्पादन
 * एंट्रॉपी (समय का तीर)
 * Exergy
 * प्रतिवर्ती प्रक्रिया (थर्मोडायनामिक्स)
 * एक तरफ़ा कार्य
 * गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी
 * समरूपता तोड़ना