ऊष्मागतिक उपकरण

ऊष्मागतिकी उपकरण ऐसे उपकरण होते हैं जो ऊष्मागतिकी प्रणाली के मात्रा की माप करने की सुविधा प्रदान करता है। ऊष्मागतिकी पैरामीटर को वास्तव में परिभाषित करने के लिए इसके मापन के लिए उक्त विधि निर्दिष्ट की जानी आवश्यक होती हैं। उदाहरण के लिए तापमान की अंतिम परिभाषा वह है जो थर्मामीटर द्वारा रीड की जाती हैं। यह प्रश्न इस प्रकार है - थर्मामीटर क्या है?

दो प्रकार के ऊष्मागतिकी उपकरण जिनमें मीटर और जलाशय होते हैं। ऊष्मागतिकी मीटर ऐसा उपकरण है जो ऊष्मागतिकी प्रणाली के किसी भी पैरामीटर को माप सकता है। ऊष्मागतिकी जलाशय ऐसी प्रणाली है जो इतनी बड़ी है कि परीक्षण प्रणाली के संपर्क में लाए जाने पर यह अपनी स्थितियों के मापदंडों को प्रशंसनीय रूप से परिवर्तित नहीं करता हैं।

अवलोकन
दो सामान्य पूरक उपकरण मीटर और जलाशय होते हैं। यह महत्वपूर्ण है कि ये दोनों प्रकार के उपकरण अलग-अलग हों। मीटर अपने कार्य को सही विधि से उपयोग नहीं करता है यदि वह उस स्थिति चर के जलाशय की तरह व्यवहार करता है जिसे वह मापने का प्रयास कर रहा है। इस प्रकार उदाहरण के लिए, थर्मामीटर मुख्य रूप से तापमान भंडारण के रूप में कार्य करता है तो यह मापी जा रही प्रणालियों के तापमान को परिवर्तित कर देता हैं, और रीडिंग में त्रुटी आती हैं। आदर्श मीटर का उनके द्वारा मापी जाने वाली प्रणालियों की स्थिति वैरियेबल पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है।

ऊष्मागतिकी मीटर
एक मीटर ऊष्मागतिकी प्रणाली पर्यवेक्षक को अपने ऊष्मागतिकी स्थिति के कुछ पहलू को प्रदर्शित करता है। इस प्रकार मापने वाली प्रणाली के साथ इसके संपर्क की प्रकृति को नियंत्रित किया जाता हैं, और यह पर्याप्त रूप से छोटा होता है कि यह मापी जा रही प्रणाली की स्थिति को सराहनीय रूप से प्रभावित नहीं करता है। नीचे वर्णित सैद्धांतिक थर्मामीटर ऐसा ही प्रचलित मीटर है।

कुछ स्थितियों में, ऊष्मागतिकी पैरामीटर वास्तव में आदर्श मापने वाले उपकरण के रूप में परिभाषित किया जाता है। उदाहरण के लिए, ऊष्मप्रवैगिकी का शून्य नियम कहता है कि यदि दो निकाय किसी तीसरे निकाय के साथ तापीय संतुलन में हैं, तो वे एक-दूसरे के साथ भी तापीय संतुलन में रहती हैं। यह सिद्धांत, ऐसा है कि 1872 में जेम्स मैक्सवेल ने इसे नोट किया था, उनके अनुसार तापमान को मापना संभव है। आदर्श थर्मामीटर स्थिर दबाव पर आदर्श गैस का प्रमाण है। आदर्श गैस के नियम के अनुसार ऐसे प्रमाणों की मात्रा को तापमान के संकेतक के रूप में उपयोग किया जा सकता है, इस प्रकार यह तापमान को परिभाषित करता है। चूंकि दबाव यांत्रिक रूप से परिभाषित किया गया है, दबाव-मापने वाला उपकरण जिसे बैरोमीटर कहा जाता है, स्थिर तापमान पर आयोजित आदर्श गैस के प्रमाणों से भी बनाया जा सकता है। कैलोरीमीटर वह उपकरण है जिसका उपयोग किसी प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा को मापने और परिभाषित करने के लिए किया जाता है।

कुछ सामान्य ऊष्मागतिकी मीटर इस प्रकार हैं:


 * थर्मामीटर - उपकरण जो ऊपर वर्णित तापमान को मापता है
 * बैरोमीटर - उपकरण जो दबाव को मापता है। आदर्श गैस बैरोमीटर का निर्माण यांत्रिक रूप से आदर्श गैस को मापी जा रही प्रणाली से जोड़कर किया जा सकता है, जबकि इसे ऊष्मा रूप से इन्सुलेट किया जा सकता है। इस प्रकार इस अवस्था में आयतन तब आदर्श गैस समीकरण P=NkT/V द्वारा दबाव को मापता हैं।
 * कैलोरीमीटर - उपकरण जो प्रणाली में संयोजित की गई ऊष्मा को ऊर्जा में मापता है। साधारण कैलोरीमीटर बस थर्मामीटर है जो ऊष्माी आइसोलेटेड प्रणाली से जुड़ा होता है।

ऊष्मागतिकी जलाशय
जलाशय ऊष्मागतिकी प्रणाली स्थिति को नियंत्रित करती है, सामान्यतः नियंत्रित होने वाली प्रणाली पर स्वयं को लागू करके किया जाता हैं। इसका आशय यह है कि प्रणाली के साथ इसके संपर्क की प्रकृति को नियंत्रित किया जा सकता है। जलाशय इतना बड़ा होता है कि इसकी उष्मागतिक अवस्था प्रणाली के नियंत्रित होने की स्थिति से प्रभावित नहीं होती है। सैद्धांतिक रूप से थर्मामीटर के नीचे दिए गए विवरण में वायुमंडलीय दबाव अनिवार्य रूप से दबाव जलाशय है जो थर्मामीटर पर वायुमंडलीय दबाव लगाता है।

कुछ सामान्य जलाशय हैं:


 * दबाव जलाशय - अब तक का सबसे सरल दबाव जलाशय पृथ्वी का वातावरण है।
 * तापमान जलाशय - इसके त्रिगुण बिंदु पर बड़ी मात्रा में पानी प्रभावी तापमान जलाशय बनाता है।

सिद्धांत
आइए मान लें कि हम मात्रा, क्षेत्रफल, द्रव्यमान और बल को समझने और मापने के लिए यांत्रिकी को अच्छी तरह से समझते हैं। इन्हें दबाव की अवधारणा को समझने के लिए जोड़ा जा सकता है, जो प्रति इकाई क्षेत्र पर बल और घनत्व है, जो द्रव्यमान प्रति इकाई आयतन है। यह प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया गया है कि कम दबाव और घनत्व पर, सभी गैसें आदर्श गैस के रूप में व्यवहार करती हैं। आदर्श गैस का व्यवहार आदर्श गैस नियम द्वारा दिया जाता है:


 * $$PV=NkT\,$$

जहां P दबाव है, V आयतन है, N कणों की संख्या है (प्रति कण द्रव्यमान से विभाजित कुल द्रव्यमान), k बोल्ट्जमान का स्थिरांक है, और T तापमान है। वास्तव में, यह समीकरण परिघटना संबंधी समीकरण से अधिक है, यह तापमान की परिचालनात्मक, या प्रायोगिक, परिभाषा देता है। थर्मामीटर उपकरण है जो तापमान को मापता है - आदिम थर्मामीटर बस आदर्श गैस का छोटा कंटेनर होगा, जिसे वायुमंडलीय दबाव के विरुद्ध विस्तार करने की अनुमति दी गई थी। यदि हम इसे उस प्रणाली के साथ ऊष्मा संपर्क में लाते हैं जिसका तापमान हम मापना चाहते हैं, इस प्रकार तब तक प्रतीक्षा करनी पड़ती हैं जब तक कि यह संतुलित न हो जाए, और फिर थर्मामीटर की मात्रा को मापा जाता हैं, हम T = PV/Nk के माध्यम से प्रणाली के तापमान की गणना करने में सक्षम रहते हैं। हमारा प्रयास यह रहता हैं कि थर्मामीटर जितना छोटा होगा कि यह उस प्रणाली के तापमान को सराहनीय रूप से परिवर्तित नहीं करेगा, जिसे वह माप रहा है, और यह भी कि थर्मामीटर के विस्तार से वायुमंडलीय दबाव प्रभावित नहीं होता है।

आदर्श गैस थर्मामीटर को अधिक सटीक रूप से परिभाषित किया जा सकता है कि यह ऐसी प्रणाली है जिसमें आदर्श गैस होती है, जो इसे मापने वाली प्रणाली से ऊष्मा रूप से जुड़ा होता है, जबकि गतिशील रूप से और भौतिक रूप से अलग रहता है। इस प्रकार यह बाहरी दबाव जलाशय से गतिशील रूप से जुड़ा होता है, जिससे यह भौतिक और तापीय रूप से अलग रहता है। इस प्रकार अन्य थर्मामीटर (जैसे पारा थर्मामीटर, जो पर्यवेक्षक को पारा की मात्रा प्रदर्शित करते हैं) का निर्माण किया जा सकता है, और आदर्श गैस थर्मामीटर के विरुद्ध कैलिब्रेट किये जा सकते हैं।