थर्मोडायनामिक प्रक्रिया

शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी तीन मुख्य प्रकार की ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रियाओं पर विचार करती है: (1) प्रणाली में परिवर्तन, (2) प्रणाली में चक्र, और (3) प्रवाह प्रक्रियाएं।

(1) थर्मोडायनामिक प्रक्रिया ऐसी प्रक्रिया है जिसमें प्रणाली की थर्मोडायनामिक स्थिति बदल जाती है। प्रणाली में परिवर्तन को प्रारंभिक से थर्मोडायनामिक संतुलन की अंतिम स्थिति के मार्ग से परिभाषित किया जाता है। शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी में, प्रक्रिया का वास्तविक क्रम प्राथमिक कठिनाई नहीं है, और अधिकांशतः इसे अनदेखा किया जाता है। थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति अपरिवर्तित रूप से तब तक बनी रहती है जब तक कि यह थर्मोडायनामिक ऑपरेशन द्वारा बाधित न हो जाए जो थर्मोडायनामिक प्रक्रिया प्रारंभ करता है। समतोल स्थिति क्रमशः थर्मोडायनामिक स्थिति चर के उपयुक्त सेट द्वारा पूरी तरह से निर्दिष्ट होते हैं, जो केवल प्रणाली की वर्तमान स्थिति पर निर्भर करते हैं, न कि उन प्रक्रियाओं द्वारा उठाए गए पथ पर जो स्थिति का उत्पादन करते हैं। सामान्यतः, थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के वास्तविक पाठ्यक्रम के समय , प्रणाली भौतिक अवस्थाओं से निकल सकता है जो थर्मोडायनामिक स्थिति के रूप में वर्णित नहीं हैं, क्योंकि वे आंतरिक थर्मोडायनामिक संतुलन से बहुत दूर हैं। गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी, चूंकि , उन प्रक्रियाओं पर विचार करती है जिनमें प्रणाली की अवस्थाएं ऊष्मप्रवैगिक संतुलन के समीप होती हैं, और प्रगति की निश्चित दरों पर पथ के साथ निरंतर मार्ग का वर्णन करना है।

उपयोगी सैद्धांतिक के रूप में लेकिन वास्तव में शारीरिक रूप से वसूली योग्य सीमित स्थितियों के रूप में, प्रक्रिया की कल्पना व्यावहारिक रूप से असीम रूप से धीरे-धीरे या इतनी सरलता से की जा सकती है कि इसे संतुलन थर्मोडायनामिक स्थिति के निरंतर पथ द्वारा वर्णित किया जा सके, जब इसे स्थैतिक प्रक्रिया कहा जाता है। वास्तव में संभव भौतिक प्रक्रिया के वर्णन के विपरीत, यह अंतर ज्यामिति में सैद्धांतिक अभ्यास है; इस आदर्श स्थितियों में, गणना एकदम सही हो सकती है।

वास्तव में संभव या वास्तविक उष्मागतिकीय प्रक्रिया, जिसे निकट से से माना जाता है, में घर्षण सम्मिलित है। यह सैद्धांतिक रूप से आदर्शीकृत, कल्पित, या सीमित करने के साथ विरोधाभासी है, लेकिन वास्तव में संभव नहीं है, अर्ध-स्थैतिक प्रक्रियाएं जो सैद्धांतिक धीमेपन के साथ हो सकती हैं जो घर्षण से बचाती हैं। यह परिवेश में आदर्शीकृत घर्षण रहित प्रक्रियाओं के विपरीत भी है, जिसे 'विशुद्ध रूप से यांत्रिक प्रणालियों' के रूप में सम्मिलित करने के बारे में सोचा जा सकता है; यह अंतर थर्मोडायनामिक प्रक्रिया को परिभाषित करने के पास आता है।

(2) थर्मोडायनामिक चक्र प्रणाली को चरणों के चक्र के माध्यम से ले जाता है, जो किसी विशेष अवस्था में प्रारंभ और पूरा होता है। प्रणाली के चरणबद्ध स्थिति का विवरण प्राथमिक कठिनाई का विषय नहीं है। प्राथमिक कठिनाई चक्र में पदार्थ और ऊर्जा इनपुट और आउटपुट का योग है। थर्मोडायनामिकल जांच के प्रारंभिक दिनों में चक्रीय प्रक्रियाएं महत्वपूर्ण वैचारिक उपकरण थीं, जबकि थर्मोडायनामिक स्टेट चर की अवधारणा विकसित की जा रही थी।

(3) प्रणाली के माध्यम से प्रवाह द्वारा परिभाषित, प्रवाह प्रक्रिया निश्चित दीवार गुणों वाले बर्तन में और बाहर प्रवाह की स्थिर स्थिति है। पोत सामग्री की आंतरिक स्थिति प्राथमिक कठिनाई का विषय नहीं है। प्राथमिक कठिनाई की मात्रा अंतर्वाह और बहिर्वाह सामग्री की स्थिति का वर्णन करती है, और दूसरी ओर, ऊष्मा, कार्य और गतिज ऊर्जा और पोत के लिए संभावित ऊर्जा का स्थानान्तरण करती है। अभियांत्रिकी में प्रवाह प्रक्रियाएँ रुचिकर होती हैं।

चक्रीय प्रक्रिया
प्रणाली में और बाहर स्थानांतरण के चक्र द्वारा परिभाषित, चक्रीय प्रक्रिया को चक्र के कई चरणों में स्थानांतरित मात्राओं द्वारा वर्णित किया जाता है। प्रणाली के चरणबद्ध स्थिति का वर्णन बहुत कम या कोई सार्थकता नहीं हो सकता है। चक्र छोटी संख्या में थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं का क्रम है जो अनिश्चित काल तक बार-बार प्रणाली को उसकी मूल स्थिति में लौटाता है। इसके लिए, चरणबद्ध स्थिति को स्वयं वर्णित नहीं किया गया है, क्योंकि यह स्थानान्तरण है जो ब्याज के हैं। यह तर्क दिया जाता है कि यदि चक्र को अनिश्चित काल तक बार-बार दोहराया जा सकता है, तो यह माना जा सकता है कि स्थिति आवर्तक रूप से अपरिवर्तित हैं। आवर्ती स्थिति की सही प्रकृति की तुलना में कई चरणों वाली प्रक्रियाओं के समय प्रणाली की स्थिति कम सार्थकता हो सकती है। यदि, चूंकि, कई मंचित प्रक्रियाएं आदर्श और अर्ध-स्थैतिक हैं, तो चक्र को संतुलन स्थिति की निरंतर प्रगति के माध्यम से पथ द्वारा वर्णित किया गया है।

प्रवाह प्रक्रिया
प्रणाली के माध्यम से प्रवाह द्वारा परिभाषित, प्रवाह प्रक्रिया निश्चित दीवार गुणों वाले बर्तन में और बाहर प्रवाह की स्थिर स्थिति है। पोत सामग्री की आंतरिक स्थिति प्राथमिक कठिनाई का विषय नहीं है। प्राथमिक कठिनाई की मात्रा अंतर्वाह और बहिर्वाह सामग्री की स्थिति का वर्णन करती है, और, दूसरी ओर, पोत के लिए ऊष्मा, कार्य और गतिज और संभावित ऊर्जा के स्थानान्तरण का वर्णन करती है। प्रवाह और बहिर्वाह सामग्री के स्थिति में उनके आंतरिक स्थिति होते हैं, और उनके गतिशील और संभावित ऊर्जा पूरे शरीर के रूप में होते हैं। बहुत बार, मात्राएँ जो इनपुट और आउटपुट सामग्रियों की आंतरिक अवस्थाओं का वर्णन करती हैं, उनका अनुमान इस धारणा पर लगाया जाता है कि वे आंतरिक थर्मोडायनामिक संतुलन की अपनी अवस्थाओं में निकाय हैं। क्योंकि तीव्र प्रतिक्रियाओं की अनुमति है, थर्मोडायनामिक उपचार अनुमानित सही नहीं हो सकता है।

अर्ध-स्थैतिक प्रक्रियाओं का चक्र
अर्ध-स्थैतिक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया को थर्मोडायनामिक आरेख द्वारा देखा जा सकता है जो प्रणाली के स्थिति चर में आदर्श परिवर्तन का मार्ग है। उदाहरण में, चार अर्ध-स्थैतिक प्रक्रियाओं वाला चक्र दिखाया गया है। प्रत्येक प्रक्रिया में दबाव-मात्रा स्थिति स्थान में अच्छी तरह से परिभाषित प्रारंभ और अंत बिंदु होता है। इस विशेष उदाहरण में, प्रक्रिया 1 और 3 समतापीय हैं, जबकि प्रक्रिया 2 और 4 समतापीय प्रक्रिया हैं। पीवी आरेख अर्ध-स्थैतिक प्रक्रिया का विशेष रूप से उपयोगी दृश्य है, क्योंकि प्रक्रिया के वक्र के नीचे का स्थिति उस प्रक्रिया के समय प्रणाली द्वारा किए गए कार्य (थर्मोडायनामिक्स) की मात्रा है। इस प्रकार कार्य को प्रक्रिया चर माना जाता है, क्योंकि इसका सही मान प्रक्रिया के प्रारंभ और अंत बिंदुओं के बीच लिए गए विशेष पथ पर निर्भर करता है। इसी प्रकार, किसी प्रक्रिया के समय ऊष्मा का स्थानांतरण हो सकता है, और यह भी प्रक्रिया चर है।

चर प्रक्रियाओं को संयुग्मित करें
यह अधिकांशतः जोड़े में समूह प्रक्रियाओं के लिए उपयोगी होता है, जिसमें प्रत्येक चर निरंतर संयुग्मित चर (थर्मोडायनामिक्स) जोड़ी का सदस्य होता है।

दबाव - आयतन
दबाव-मात्रा संयुग्म जोड़ी कार्य के परिणाम के रूप में यांत्रिक ऊर्जा के हस्तांतरण से संबंधित है।


 * समदाब रेखीय प्रक्रिया स्थिर दाब पर होती है। उदाहरण सिलेंडर में जंगम पिस्टन होना होगा, जिससे सिलेंडर के अंदर का दबाव हमेशा वायुमंडलीय दबाव पर हो, चूंकि यह वातावरण से अलग है। दूसरे शब्दों में, प्रणाली गतिशील रूप से चल सीमा से, स्थिर-दबाव जलाशय से जुड़ा हुआ है।
 * आइसोकोरिक प्रक्रिया वह है जिसमें आयतन को स्थिर रखा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप प्रणाली द्वारा किए गए यांत्रिक पीवी कार्य शून्य होंगे। दूसरी ओर, प्रणाली पर आइसोकोरिक रूप से काम किया जा सकता है, उदाहरण के लिए शाफ्ट द्वारा जो प्रणाली के अंदर स्थित रोटरी पैडल को चलाता है। यह इस प्रकार है कि, विरूपण चर की सरल प्रणाली के लिए, बाहरी रूप से प्रणाली में स्थानांतरित किसी भी गर्मी ऊर्जा को आंतरिक ऊर्जा के रूप में अवशोषित किया जाएगा। आइसोकोरिक प्रक्रिया को आइसोमेट्रिक प्रक्रिया या आइसोवोल्यूमेट्रिक प्रक्रिया के रूप में भी जाना जाता है। उदाहरण सामग्री के बंद टिन के डिब्बे को आग में रखना होगा। पहले सन्निकटन के लिए, कैन का विस्तार नहीं होगा, और केवल परिवर्तन यह होगा कि सामग्री आंतरिक ऊर्जा प्राप्त करती है, जो तापमान और दबाव में वृद्धि से प्रमाणित होती है। गणितीय रूप से, $$\delta Q=dU$$. प्रणाली गतिशील रूप से पर्यावरण से कठोर सीमा द्वारा अछूता रहता है।

तापमान - एंट्रॉपी
तापमान-एन्ट्रॉपी संयुग्म जोड़ी ऊर्जा के हस्तांतरण से संबंधित है, विशेष रूप से बंद प्रणाली के लिए होती है।


 * इज़ोटेर्मल प्रक्रिया स्थिर तापमान पर होती है। उदाहरण बंद प्रणाली होगी जो बड़े स्थिर-तापमान स्नान में डूबी हुई और ऊष्मीय रूप से जुड़ी हुई है। प्रणाली द्वारा प्राप्त की गई ऊर्जा, उस पर किए गए काम के माध्यम से, स्नान में खो जाती है, जिससे इसका तापमान स्थिर रहता है।
 * एडियाबेटिक प्रक्रिया ऐसी प्रक्रिया है जिसमें कोई पदार्थ या गर्मी हस्तांतरण नहीं होता है, क्योंकि थर्मली इंसुलेटिंग दीवार प्रणाली को उसके परिवेश से अलग करती है। प्रक्रिया के प्राकृतिक होने के लिए, या तो (a) प्रणाली पर परिमित दर पर काम किया जाना चाहिए, जिससे प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाए; ऊष्मीय रूप से अछूता रहने के अतिरिक्त प्रणाली की एन्ट्रापी बढ़ जाती है; या (b) प्रणाली को परिवेश पर काम करना चाहिए, जो तब एन्ट्रापी की वृद्धि को सहना है, साथ ही प्रणाली से ऊर्जा प्राप्त करता है।
 * आइसेंट्रोपिक प्रक्रिया को पारंपरिक रूप से कार्य के रूप में ऊर्जा के हस्तांतरण की आदर्श अर्ध-स्थैतिक प्रतिवर्ती रुद्धोष्म प्रक्रिया के रूप में परिभाषित किया जाता है। अन्यथा, निरंतर-एन्ट्रॉपी प्रक्रिया के लिए, यदि कार्य अपरिवर्तनीय रूप से किया जाता है, तो गर्मी हस्तांतरण आवश्यक है, जिससे प्रक्रिया रूद्धोष्म न हो, और एकदम सही कृत्रिम नियंत्रण तंत्र आवश्यक हो; इसलिए यह कोई सामान्य प्राकृतिक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया नहीं है।

रासायनिक क्षमता - कण संख्या
ऊपर की प्रक्रियाओं ने मान लिया है कि सीमाएँ भी कणों के लिए अभेद्य हैं। अन्यथा, हम ऐसी सीमाएँ मान सकते हैं जो कठोर हैं, लेकिन एक या अधिक प्रकार के कणों के लिए पारगम्य हैं। इसी तरह के विचार रासायनिक क्षमता-कण संख्या संयुग्म जोड़ी के लिए हैं, जो कणों के इस हस्तांतरण के माध्यम से ऊर्जा के हस्तांतरण से संबंधित है।


 * निरंतर रासायनिक संभावित प्रक्रिया में प्रणाली कण-पारगम्य सीमा द्वारा कण-स्थानांतरण से स्थिर-µ जलाशय से जुड़ा होता है।
 * यहाँ संयुग्म स्थिर कण संख्या प्रक्रिया है। ये ठीक ऊपर बताई गई प्रक्रियाएँ हैं। कण स्थानांतरण द्वारा प्रणाली से कोई ऊर्जा जोड़ी या घटाई नहीं जाती है। प्रणाली कणों के लिए अभेद्य है, लेकिन काम या गर्मी के रूप में ऊर्जा के हस्तांतरण की अनुमति वाली सीमा द्वारा अपने पर्यावरण से कण-स्थानांतरण-अछूता है। ये प्रक्रियाएँ वे हैं जिनके द्वारा थर्मोडायनामिक कार्य और ऊष्मा को परिभाषित किया जाता है, और उनके लिए प्रणाली को थर्मोडायनामिक्स प्रणाली मॉडल कहा जाता है।

थर्मोडायनामिक क्षमता
किसी प्रक्रिया के समय किसी भी थर्मोडायनामिक क्षमता को स्थिर रखा जा सकता है। उदाहरण के लिए:


 * आइसेंथाल्पिक प्रक्रिया प्रणाली में तापीय धारिता में कोई बदलाव नहीं लाती है।

पॉलीट्रोपिक प्रक्रियाएं
पॉलीट्रॉपिक प्रक्रिया थर्मोडायनामिक प्रक्रिया है जो संबंध का पालन करती है:


 * $$P V^{\,n} = C,$$

जहां P दबाव है, V आयतन है, n कोई वास्तविक संख्या है (पॉलीट्रोपिक इंडेक्स), और C स्थिरांक है। इस समीकरण का उपयोग कुछ ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों की प्रक्रियाओं को एकदम सही रूप से चिह्नित करने के लिए किया जा सकता है, विशेष रूप से संपीड़न (भौतिक) या गैस के थर्मल विस्तार, लेकिन कुछ स्थितियों में, तरल और ठोस होती है।

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम द्वारा वर्गीकृत प्रक्रियाएं
प्लैंक के अनुसार, थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के तीन मुख्य वर्गों के बारे में सोच सकते हैं: प्राकृतिक, काल्पनिक रूप से प्रतिवर्ती और असंभव या अप्राकृतिक है।

प्राकृतिक प्रक्रिया
प्रकृति में केवल प्राकृतिक प्रक्रियाएं होती हैं। ऊष्मप्रवैगिकी के लिए, प्राकृतिक प्रक्रिया उन प्रणालियों के बीच स्थानांतरण है जो उनके एंट्रॉपी के योग को बढ़ाती है, और अपरिवर्तनीय है। बाधा को हटाने, या किसी अन्य थर्मोडायनामिक ऑपरेशन पर प्राकृतिक प्रक्रियाएं व्यर्थ हो सकती हैं, या मेटास्टेबिलिटी या अस्थिर प्रणाली में ट्रिगर हो सकती हैं, उदाहरण के लिए सुपरसैचुरेटेड वाष्प के संघनन में। प्लैंक ने प्राकृतिक थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं की महत्वपूर्ण विशेषता के रूप में घर्षण की घटना पर जोर दिया जिसमें प्रणाली और परिवेश के बीच पदार्थ या ऊर्जा का स्थानांतरण सम्मिलित है।

काल्पनिक रूप से प्रतिवर्ती प्रक्रिया
ग्राफिकल सतहों की ज्यामिति का वर्णन करने के लिए जो स्थिति के थर्मोडायनामिक कार्यों के बीच संतुलन संबंधों को चित्रित करता है, कोई भी तथाकथित प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के बारे में काल्पनिक रूप से नहीं सोच सकता है। वे सुविधाजनक सैद्धांतिक वस्तुएं हैं जो ग्राफिकल सतहों पर पथ का पता लगाती हैं। उन्हें प्रक्रियाएं कहा जाता है लेकिन वे स्वाभाविक रूप से होने वाली प्रक्रियाओं का वर्णन नहीं करते हैं, जो हमेशा अपरिवर्तनीय होती हैं। क्योंकि पथों पर बिंदु उष्मागतिकीय संतुलन के बिंदु हैं, यह पथों द्वारा वर्णित प्रक्रियाओं के बारे में काल्पनिक रूप से प्रतिवर्ती के रूप में सोचने के लिए प्रथागत है। उत्क्रमणीय प्रक्रिया (थर्मोडायनामिक्स) सदैव अर्धस्थैतिक प्रक्रियाएं होती हैं, लेकिन इसका विलोम हमेशा सत्य नहीं होता है।

अप्राकृतिक प्रक्रिया
अप्राकृतिक प्रक्रियाएं तार्किक रूप से बोधगम्य हैं लेकिन प्रकृति में घटित नहीं होती हैं। यदि वे घटित होते हैं तो वे एंट्रॉपी के योग को कम कर देंगे।

अर्धस्थैतिक प्रक्रिया
सैद्धांतिक अध्ययनों में माना जाने वाला थर्मोडायनामिक प्रक्रिया का अर्धस्थैतिक प्रक्रिया आदर्श या काल्पनिक मॉडल है। यह भौतिक वास्तविकता में नहीं होता है। यह कल्पना की जा सकती है कि असीम रूप से धीरे-धीरे हो रहा है जिससे प्रणाली स्थिति की निरंतरता से निकलता है जो असीम रूप से थर्मोडायनामिक संतुलन के पास हैं।

यह भी देखें

 * प्रवाह प्रक्रिया
 * गर्मी
 * चरण संक्रमण
 * कार्य (थर्मोडायनामिक्स)

अग्रिम पठन

 * Physics for Scientists and Engineers - with Modern Physics (6th Edition), P. A. Tipler, G. Mosca, Freeman, 2008, ISBN 0-7167-8964-7
 * Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), R.G. Lerner, G.L. Trigg, VHC publishers, 1991, ISBN 3-527-26954-1 (Verlagsgesellschaft), ISBN 0-89573-752-3 (VHC Inc.)
 * McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), C.B. Parker, 1994, ISBN 0-07-051400-3
 * Physics with Modern Applications, L.H. Greenberg, Holt-Saunders International W.B. Saunders and Co, 1978, ISBN 0-7216-4247-0
 * Essential Principles of Physics, P.M. Whelan, M.J. Hodgeson, 2nd Edition, 1978, John Murray, ISBN 0-7195-3382-1
 * Thermodynamics, From Concepts to Applications (2nd Edition), A. Shavit, C. Gutfinger, CRC Press (Taylor and Francis Group, USA), 2009, ISBN 9781420073683
 * Chemical Thermodynamics, D.J.G. Ives, University Chemistry, Macdonald Technical and Scientific, 1971, ISBN 0-356-03736-3
 * Elements of Statistical Thermodynamics (2nd Edition), L.K. Nash, Principles of Chemistry, Addison-Wesley, 1974, ISBN 0-201-05229-6
 * Statistical Physics (2nd Edition), F. Mandl, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN 9780471915331