ऊष्मागतिक उपकरण

थर्मोडायनामिक उपकरण कोई भी उपकरण है जो थर्मोडायनामिक सिस्टम के मात्रात्मक माप की सुविधा प्रदान करता है। थर्मोडायनामिक पैरामीटर को वास्तव में परिभाषित करने के लिए, इसके मापन के लिए एक तकनीक निर्दिष्ट की जानी चाहिए। उदाहरण के लिए, तापमान की अंतिम परिभाषा वह है जो एक थर्मामीटर पढ़ता है। प्रश्न इस प्रकार है - थर्मामीटर क्या है?

दो प्रकार के थर्मोडायनामिक उपकरण, मीटर और जलाशय हैं। थर्मोडायनामिक मीटर कोई भी उपकरण है जो थर्मोडायनामिक सिस्टम के किसी भी पैरामीटर को मापता है। एक थर्मोडायनामिक जलाशय एक ऐसी प्रणाली है जो इतनी बड़ी है कि परीक्षण प्रणाली के संपर्क में लाए जाने पर यह अपने राज्य के मापदंडों को प्रशंसनीय रूप से नहीं बदलता है।

सिंहावलोकन
दो सामान्य पूरक उपकरण मीटर और जलाशय हैं। यह महत्वपूर्ण है कि ये दोनों प्रकार के उपकरण अलग-अलग हों। एक मीटर अपने कार्य को सही ढंग से नहीं करता है यदि वह उस राज्य चर के जलाशय की तरह व्यवहार करता है जिसे वह मापने की कोशिश कर रहा है। यदि, उदाहरण के लिए, एक थर्मामीटर, एक तापमान भंडार के रूप में कार्य करता है तो यह मापी जा रही प्रणाली के तापमान को बदल देगा, और रीडिंग गलत होगी। आदर्श मीटर का उनके द्वारा मापी जाने वाली प्रणाली के राज्य चर पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है।

थर्मोडायनामिक मीटर
एक मीटर एक थर्मोडायनेमिक सिस्टम है जो पर्यवेक्षक को अपने थर्मोडायनेमिक राज्य के कुछ पहलू को प्रदर्शित करता है। मापने वाली प्रणाली के साथ इसके संपर्क की प्रकृति को नियंत्रित किया जा सकता है, और यह पर्याप्त रूप से छोटा है कि यह मापी जा रही प्रणाली की स्थिति को सराहनीय रूप से प्रभावित नहीं करता है। नीचे वर्णित सैद्धांतिक थर्मामीटर ऐसा ही एक मीटर है।

कुछ मामलों में, थर्मोडायनामिक पैरामीटर वास्तव में एक 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 हैं। यह सिद्धांत, जैसा कि 1872 में जेम्स मैक्सवेल ने नोट किया था, दावा करता है कि तापमान को मापना संभव है। एक आदर्श थर्मामीटर स्थिर दबाव पर एक आदर्श गैस का एक नमूना है। आदर्श गैस कानून से, ऐसे नमूने की मात्रा को तापमान के संकेतक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है; इस प्रकार यह तापमान को परिभाषित करता है। हालांकि दबाव यांत्रिक रूप से परिभाषित किया गया है, एक दबाव-मापने वाला उपकरण जिसे बैरोमीटर कहा जाता है, एक स्थिर तापमान पर आयोजित एक आदर्श गैस के नमूने से भी बनाया जा सकता है। एक कैलोरीमीटर एक उपकरण है जिसका उपयोग किसी प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा को मापने और परिभाषित करने के लिए किया जाता है।

कुछ सामान्य थर्मोडायनामिक मीटर हैं:


 * थर्मामीटर - एक उपकरण जो ऊपर वर्णित तापमान को मापता है
 * बैरोमीटर - एक उपकरण जो दबाव को मापता है। एक आदर्श गैस बैरोमीटर का निर्माण यांत्रिक रूप से एक आदर्श गैस को मापी जा रही प्रणाली से जोड़कर किया जा सकता है, जबकि इसे थर्मल रूप से इन्सुलेट किया जा सकता है। आयतन तब आदर्श गैस समीकरण P=NkT/V द्वारा दबाव को मापेगा।
 * कैलोरीमीटर - एक उपकरण जो एक प्रणाली में जोड़ी गई ऊष्मा ऊर्जा को मापता है। एक साधारण कैलोरीमीटर बस एक थर्मामीटर है जो एक थर्मली आइसोलेटेड सिस्टम से जुड़ा होता है।

थर्मोडायनामिक जलाशय
एक जलाशय एक थर्मोडायनामिक प्रणाली है जो एक प्रणाली की स्थिति को नियंत्रित करती है, आमतौर पर नियंत्रित होने वाली प्रणाली पर खुद को लागू करके। इसका मतलब है कि सिस्टम के साथ इसके संपर्क की प्रकृति को नियंत्रित किया जा सकता है। एक जलाशय इतना बड़ा है कि इसकी उष्मागतिक अवस्था प्रणाली के नियंत्रित होने की स्थिति से प्रभावित नहीं होती है। सैद्धांतिक थर्मामीटर के नीचे दिए गए विवरण में वायुमंडलीय दबाव अनिवार्य रूप से एक दबाव जलाशय है जो थर्मामीटर पर वायुमंडलीय दबाव लगाता है।

कुछ सामान्य जलाशय हैं:


 * दबाव जलाशय - अब तक का सबसे आम दबाव जलाशय पृथ्वी का वातावरण है।
 * तापमान जलाशय - इसके त्रिगुण बिंदु पर बड़ी मात्रा में पानी एक 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 गैसों के रूप में व्यवहार करती हैं। आदर्श गैस का व्यवहार आदर्श गैस कानून 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 एक परिघटना संबंधी समीकरण से अधिक है, यह तापमान की परिचालनात्मक, या प्रायोगिक, परिभाषा देता है। एक थर्मामीटर एक उपकरण है जो तापमान को मापता है - एक आदिम थर्मामीटर बस एक आदर्श गैस का एक छोटा कंटेनर होगा, जिसे वायुमंडलीय दबाव के विरुद्ध विस्तार करने की अनुमति दी गई थी। यदि हम इसे उस प्रणाली के साथ थर्मल संपर्क में लाते हैं जिसका तापमान हम मापना चाहते हैं, तब तक प्रतीक्षा करें जब तक कि यह संतुलित न हो जाए, और फिर थर्मामीटर की मात्रा को मापें, हम T = PV/Nk के माध्यम से सिस्टम के तापमान की गणना करने में सक्षम होंगे।. उम्मीद है, थर्मामीटर इतना छोटा होगा कि यह उस प्रणाली के तापमान को सराहनीय रूप से नहीं बदलेगा जिसे वह माप रहा है, और यह भी कि थर्मामीटर के विस्तार से वायुमंडलीय दबाव प्रभावित नहीं होता है।

आदर्श गैस थर्मामीटर को यह कहकर अधिक सटीक रूप से परिभाषित किया जा सकता है कि यह एक ऐसी प्रणाली है जिसमें एक आदर्श गैस होती है, जो इसे मापने वाली प्रणाली से थर्मल रूप से जुड़ा होता है, जबकि गतिशील रूप से और भौतिक रूप से अछूता रहता है। यह एक साथ एक बाहरी दबाव जलाशय से गतिशील रूप से जुड़ा हुआ है, जिससे यह भौतिक और तापीय रूप से अछूता रहता है। 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 खिलाफ कैलिब्रेट किया जा सकता है।