ऊष्मागतिक तंत्र

एक thermodynamic  प्रणाली पदार्थ और/या  विकिरण  का एक पिंड है, जो परिभाषित पारगम्यताओं के साथ दीवारों द्वारा अंतरिक्ष में सीमित है, जो इसे अपने परिवेश से अलग करती है। परिवेश में अन्य थर्मोडायनामिक सिस्टम, या भौतिक सिस्टम शामिल हो सकते हैं जो थर्मोडायनामिक सिस्टम नहीं हैं। थर्मोडायनामिक प्रणाली की एक दीवार विशुद्ध रूप से काल्पनिक हो सकती है, जब इसे सभी पदार्थों, सभी विकिरणों और सभी बलों के लिए 'पारगम्य' के रूप में वर्णित किया जाता है। थर्मोडायनामिक राज्य चर के कई अलग-अलग सेटों द्वारा थर्मोडायनामिक प्रणाली की एक स्थिति को कई अलग-अलग तरीकों से पूरी तरह से वर्णित किया जा सकता है।

पृथक प्रणाली के बीच एक व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला अंतर है।

एक पृथक थर्मोडायनामिक प्रणाली में ऐसी दीवारें होती हैं जो गर्मी के गैर-प्रवाहकीय होती हैं और सभी विकिरणों को पूरी तरह से प्रतिबिंबित करती हैं, जो कठोर और अचल होती हैं, और जो सभी प्रकार के पदार्थों और सभी बलों के लिए अभेद्य होती हैं। (कुछ लेखक 'बंद' शब्द का प्रयोग तब करते हैं जब यहाँ 'पृथक' शब्द का प्रयोग किया जा रहा हो।)

एक बंद थर्मोडायनामिक प्रणाली दीवारों द्वारा सीमित होती है जो पदार्थ के लिए अभेद्य होती है, लेकिन, थर्मोडायनामिक संचालन द्वारा वैकल्पिक रूप से पारगम्य ('डायथर्मल' के रूप में वर्णित) या अभेद्य ('एडियाबेटिक') गर्मी के लिए बनाया जा सकता है, और थर्मोडायनामिक प्रक्रिया ओं के लिए (आरंभ किया गया) और थर्मोडायनामिक संचालन द्वारा समाप्त), वैकल्पिक रूप से अनुमति दी जा सकती है या स्थानांतरित करने की अनुमति नहीं दी जा सकती है, सिस्टम सामग्री में आंतरिक घर्षण के साथ सिस्टम वॉल्यूम परिवर्तन या आंदोलन के साथ, जैसा कि जौल के गर्मी के यांत्रिक समकक्ष के मूल प्रदर्शन में, और वैकल्पिक रूप से खुरदरा या चिकना बनाया जा सकता है, ताकि इसकी सतह पर घर्षण द्वारा सिस्टम को गर्म होने दिया जाए या नहीं।

एक खुली थर्मोडायनामिक प्रणाली में कम से कम एक दीवार होती है जो इसे किसी अन्य थर्मोडायनामिक प्रणाली से अलग करती है, जिसे इस उद्देश्य के लिए खुले सिस्टम के परिवेश के भाग के रूप में गिना जाता है, दीवार कम से कम एक रासायनिक पदार्थ के साथ-साथ विकिरण के लिए पारगम्य होती है; ऐसी दीवार, जब खुली प्रणाली थर्मोडायनामिक संतुलन में होती है, अपने आप में तापमान अंतर को बनाए नहीं रखती है।

एक थर्मोडायनामिक प्रणाली बाहरी हस्तक्षेपों के अधीन होती है जिसे थर्मोडायनामिक ऑपरेशन  कहा जाता है; ये सिस्टम की दीवारों या उसके परिवेश को बदल देते हैं; नतीजतन, प्रणाली  ऊष्मप्रवैगिकी  के सिद्धांतों के अनुसार क्षणिक थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं से गुजरती है। इस तरह के संचालन और प्रक्रियाएं सिस्टम की थर्मोडायनामिक स्थिति में परिवर्तन को प्रभावित करती हैं।

जब इसकी सामग्री के गहन राज्य चर अंतरिक्ष में भिन्न होते हैं, तो एक थर्मोडायनामिक प्रणाली को एक दूसरे के साथ कई प्रणालियों के रूप में माना जा सकता है, प्रत्येक एक अलग थर्मोडायनामिकल प्रणाली है।

एक थर्मोडायनामिक प्रणाली में कई चरण शामिल हो सकते हैं, जैसे कि बर्फ, तरल पानी और जल वाष्प, आपसी थर्मोडायनामिक संतुलन में, किसी भी दीवार से पारस्परिक रूप से अविभाजित; या यह सजातीय हो सकता है। ऐसी प्रणालियों को 'सरल' माना जा सकता है।

एक 'यौगिक' थर्मोडायनामिक प्रणाली में कई सरल थर्मोडायनामिक उप-प्रणालियां शामिल हो सकती हैं, जो पारस्परिक रूप से निश्चित संबंधित पारगम्यता की एक या कई दीवारों से अलग होती हैं। प्रारंभिक रूप से थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में इस तरह की एक यौगिक प्रणाली पर विचार करना अक्सर सुविधाजनक होता है, फिर एक क्षणिक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया शुरू करने के लिए कुछ अंतर-उप-प्रणाली दीवार पारगम्यता में वृद्धि के थर्मोडायनामिक ऑपरेशन से प्रभावित होता है, ताकि एक अंतिम उत्पन्न हो सके थर्मोडायनामिक संतुलन की नई स्थिति। कैराथोडोरी द्वारा इस विचार का उपयोग किया गया था, और शायद पेश किया गया था। एक यौगिक प्रणाली में, प्रारंभिक रूप से थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में पृथक, दीवार पारगम्यता में कमी से थर्मोडायनामिक प्रक्रिया प्रभावित नहीं होती है, न ही थर्मोडायनामिक स्थिति में परिवर्तन होता है। यह अंतर ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम को व्यक्त करता है। यह दर्शाता है कि माइक्रोस्टेट्स की पहुंच में वृद्धि के कारण एंट्रॉपी (ऊर्जा फैलाव)  में एंट्रॉपी उपायों में वृद्धि हुई है। संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी में, एक ऊष्मप्रवैगिकी प्रणाली की स्थिति उष्मागतिक संतुलन की स्थिति है, जो एक गैर-संतुलन राज्य के विपरीत है।

एक प्रणाली की दीवारों की पारगम्यता के अनुसार, इसके और इसके परिवेश के बीच ऊर्जा और पदार्थ का स्थानांतरण होता है, जो समय के साथ अपरिवर्तित माना जाता है, जब तक थर्मोडायनामिक संतुलन  की स्थिति प्राप्त नहीं हो जाती। संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी में माना जाने वाला एकमात्र राज्य संतुलन राज्य हैं। शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी में शामिल हैं (ए) संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी; (बी) प्रणाली के राज्यों के बजाय प्रक्रियाओं के चक्रीय अनुक्रमों के संदर्भ में माना जाने वाला सिस्टम; विषय के वैचारिक विकास में ये ऐतिहासिक रूप से महत्वपूर्ण थे। इंजीनियरिंग में स्थिर प्रवाह द्वारा वर्णित निरंतर सतत प्रक्रियाओं के संदर्भ में मानी जाने वाली प्रणालियाँ महत्वपूर्ण हैं।

ऊष्मप्रवैगिकी संतुलन का बहुत अस्तित्व, ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों के राज्यों को परिभाषित करना, ऊष्मप्रवैगिकी का आवश्यक, विशेषता और सबसे मौलिक सिद्धांत है, हालांकि यह केवल गिने हुए कानून के रूप में उद्धृत किया गया है।  बेलीन के अनुसार, ऊष्मप्रवैगिकी के शून्य नियम का सामान्य रूप से पूर्वाभ्यास किया गया कथन इस मूलभूत अभिधारणा का परिणाम है। वास्तव में, व्यावहारिक रूप से प्रकृति में कुछ भी सख्त थर्मोडायनामिक संतुलन में नहीं है, लेकिन थर्मोडायनामिक संतुलन का अभिगृहीत अक्सर सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक दोनों रूप से बहुत उपयोगी आदर्शीकरण या सन्निकटन प्रदान करता है; प्रयोग व्यावहारिक थर्मोडायनामिक संतुलन के परिदृश्य प्रदान कर सकते हैं।

संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी में राज्य चर में फ्लक्स शामिल नहीं होते हैं क्योंकि थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में सभी फ्लक्स की परिभाषा के अनुसार शून्य मान होते हैं। संतुलन थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं में फ्लक्स शामिल हो सकते हैं, लेकिन जब तक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया या ऑपरेशन पूरा हो जाता है, तब तक सिस्टम को उसके थर्मोडायनामिक अवस्था में लाना बंद कर देना चाहिए। गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी अपने राज्य चर को गैर-शून्य प्रवाहों को शामिल करने की अनुमति देता है, जो द्रव्यमान  या  ऊर्जा  के स्थानान्तरण या एक  प्रणाली  और उसके परिवेश के बीच  एन्ट्रापी  का वर्णन करता है। 1824 में निकोलस लेओनार्ड साडी कार्नोट ने अध्ययन के तहत किसी भी ताप इंजन के कामकाजी पदार्थ (जैसे भाप की मात्रा) के रूप में एक थर्मोडायनामिक प्रणाली का वर्णन किया।



सिंहावलोकन
थर्मोडायनामिक संतुलन द्रव्यमान या ऊर्जा के प्रवाह की अनुपस्थिति की विशेषता है। संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी, भौतिकी में एक विषय के रूप में, आंतरिक ऊष्मप्रवैगिकी संतुलन की अवस्थाओं में पदार्थ और ऊर्जा के स्थूल पिंडों पर विचार करता है। यह उष्मागतिकीय प्रक्रियाओं की अवधारणा का उपयोग करता है, जिसके द्वारा शरीर एक संतुलन राज्य से दूसरे में उनके बीच पदार्थ और ऊर्जा के हस्तांतरण से गुजरते हैं। ऊष्मप्रवैगिकी के विशेष संदर्भ में पदार्थ और ऊर्जा के निकायों को संदर्भित करने के लिए 'थर्मोडायनामिक सिस्टम' शब्द का उपयोग किया जाता है। निकायों के बीच संभावित संतुलन दीवारों के भौतिक गुणों द्वारा निर्धारित किया जाता है जो शरीर को अलग करते हैं। संतुलन थर्मोडायनामिक्स सामान्य रूप से समय को मापता नहीं है। संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी एक अपेक्षाकृत सरल और अच्छी तरह से स्थापित विषय है। इसका एक कारण एक अच्छी तरह से परिभाषित भौतिक मात्रा का अस्तित्व है जिसे 'पिंड की एन्ट्रापी' कहा जाता है।

भौतिकी में एक विषय के रूप में गैर-संतुलन थर्मोडायनामिक्स, पदार्थ और ऊर्जा के निकायों पर विचार करता है जो आंतरिक थर्मोडायनामिक संतुलन के राज्यों में नहीं हैं, लेकिन आमतौर पर स्थानांतरण की प्रक्रियाओं में भाग ले रहे हैं जो मात्रा के संदर्भ में विवरण की अनुमति देने के लिए काफी धीमी हैं जो बारीकी से संबंधित हैं राज्य समारोह  के लिए। यह पदार्थ और ऊर्जा के प्रवाह की उपस्थिति की विशेषता है। इस विषय के लिए, बहुत बार जिन निकायों पर विचार किया जाता है, उनमें चिकनी स्थानिक विषमताएँ होती हैं, ताकि स्थानिक प्रवणता, उदाहरण के लिए तापमान प्रवणता, अच्छी तरह से परिभाषित हों। इस प्रकार गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों का वर्णन एक क्षेत्र सिद्धांत है, जो संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी के सिद्धांत से अधिक जटिल है। गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी एक बढ़ता हुआ विषय है, न कि एक स्थापित इमारत। सामान्य तौर पर, गैर-संतुलन समस्याओं के लिए बिल्कुल परिभाषित एंट्रॉपी खोजना संभव नहीं है। कई गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी समस्याओं के लिए, 'एन्ट्रॉपी उत्पादन की समय दर' नामक लगभग परिभाषित मात्रा बहुत उपयोगी है। गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी ज्यादातर वर्तमान लेख के दायरे से बाहर है।

इंजीनियरिंग में एक अन्य प्रकार की थर्मोडायनामिक प्रणाली पर विचार किया जाता है। यह एक प्रवाह प्रक्रिया  में भाग लेता है। खाता उस संदर्भ में है जो अनुमानित है, कई मामलों में व्यवहार में पर्याप्त है, संतुलन थर्मोडायनामिकल अवधारणाएं। यह ज्यादातर वर्तमान लेख के दायरे से बाहर है, और अन्य लेखों में निर्धारित किया गया है, उदाहरण के लिए लेख प्रवाह प्रक्रिया।

इतिहास
थर्मोडायनामिक प्रणाली की अवधारणा बनाने वाले पहले फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी निकोलस लियोनार्ड साडी कार्नोट थे, जिनके 1824 आग की प्रेरक शक्ति पर विचार  ने अध्ययन किया कि उन्होंने काम करने वाले पदार्थ को क्या कहा, उदाहरण के लिए, भाप इंजनों में आमतौर पर जल वाष्प का एक शरीर, संबंध में। गर्मी लागू होने पर सिस्टम की काम करने की क्षमता। काम करने वाले पदार्थ को गर्मी जलाशय (एक बॉयलर), ठंडे जलाशय (ठंडे पानी की एक धारा), या एक पिस्टन (जिस पर काम करने वाला शरीर उस पर धक्का देकर काम कर सकता है) के संपर्क में रखा जा सकता है। 1850 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी  रुडोल्फ क्लॉसियस  ने इस तस्वीर को परिवेश की अवधारणा को शामिल करने के लिए सामान्यीकृत किया, और सिस्टम को एक कामकाजी निकाय के रूप में संदर्भित करना शुरू किया। अपने 1850 के पेपर ऑन द मोटिव पावर ऑफ़ हीट में, क्लॉज़ियस ने लिखा:

"With every change of volume (to the working body) a certain amount work must be done by the gas or upon it, since by its expansion it overcomes an external pressure, and since its compression can be brought about only by an exertion of external pressure. To this excess of work done by the gas or upon it there must correspond, by our principle, a proportional excess of heat consumed or produced, and the gas cannot give up to the "surrounding medium" the same amount of heat as it receives." लेख कार्नोट हीट इंजन  कार्नाट द्वारा अपने आदर्श इंजन पर चर्चा में उपयोग किए गए मूल पिस्टन-और-सिलेंडर आरेख को दिखाता है; नीचे, हम कार्नाट इंजन देखते हैं जैसा कि आमतौर पर वर्तमान उपयोग में किया जाता है: दिखाए गए आरेख में, वर्किंग बॉडी (सिस्टम), 1850 में क्लॉसियस द्वारा पेश किया गया एक शब्द, कोई भी तरल पदार्थ या वाष्प निकाय हो सकता है जिसके माध्यम से ऊष्मा Q को पेश किया जा सकता है या यांत्रिक कार्य के उत्पादन के लिए प्रेषित किया जा सकता है। 1824 में, साडी कार्नोट ने अपने प्रसिद्ध पेपर रिफ्लेक्शंस ऑन द मोटिव पावर ऑफ फायर में, पोस्ट किया था कि द्रव शरीर कोई भी पदार्थ हो सकता है जो विस्तार करने में सक्षम हो, जैसे कि पानी का वाष्प, शराब का वाष्प, पारा का वाष्प, एक स्थायी गैस, या हवा, आदि। हालांकि, इन शुरुआती वर्षों में, इंजन कई विन्यासों में आए, आमतौर पर क्यूHबॉयलर द्वारा आपूर्ति की गई थी, जिसमें भट्टी पर पानी उबाला गया था; क्यूCइंजन के एक अलग हिस्से पर स्थित कंडेनसर (हीट ट्रांसफर) के रूप में आमतौर पर ठंडे बहते पानी की एक धारा थी। आउटपुट कार्य W पिस्टन का संचलन था क्योंकि यह एक क्रैंक-आर्म को घुमाता था, जो आमतौर पर बाढ़ वाली नमक खदानों से पानी निकालने के लिए एक पुली बन जाता था। कार्नोट ने कार्य को ऊंचाई के माध्यम से उठाए गए वजन के रूप में परिभाषित किया।

सिस्टम संतुलन में
उष्मागतिक संतुलन पर, एक प्रणाली के गुण, परिभाषा के अनुसार, समय में अपरिवर्तित होते हैं। साम्यावस्था में प्रणालियाँ साम्यावस्था में न होने वाली प्रणालियों की तुलना में अधिक सरल और समझने में आसान होती हैं। कुछ मामलों में, थर्मोडायनामिक प्रक्रिया का विश्लेषण करते समय, कोई यह मान सकता है कि प्रक्रिया में प्रत्येक मध्यवर्ती अवस्था संतुलन में है। यह विश्लेषण को काफी सरल करता है।

पृथक प्रणालियों में यह लगातार देखा गया है कि जैसे-जैसे समय बीतता जाता है आंतरिक पुनर्व्यवस्था कम होती जाती है और स्थिर स्थितियाँ आती जाती हैं। दबाव और तापमान बराबर हो जाते हैं, और मामला खुद को एक या कुछ अपेक्षाकृत सजातीय चरण (पदार्थ) में व्यवस्थित करता है। एक प्रणाली जिसमें परिवर्तन की सभी प्रक्रियाएं व्यावहारिक रूप से पूरी हो चुकी हैं, थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में मानी जाती हैं। संतुलन में एक प्रणाली के थर्मोडायनामिक गुण समय में अपरिवर्तित होते हैं। संतुलन प्रणाली राज्यों को गैर-संतुलन राज्यों की तुलना में नियतात्मक तरीके से वर्णित करना बहुत आसान है।

किसी प्रक्रिया को उत्क्रमणीय प्रक्रिया (ऊष्मप्रवैगिकी) होने के लिए, प्रक्रिया का प्रत्येक चरण उत्क्रमणीय होना चाहिए। उत्क्रमणीय होने की प्रक्रिया में एक चरण के लिए, पूरे चरण में सिस्टम को संतुलन में होना चाहिए। उस आदर्श को व्यवहार में पूरा नहीं किया जा सकता है क्योंकि व्यवस्था को संतुलन से विचलित किए बिना कोई कदम नहीं उठाया जा सकता है, लेकिन धीरे-धीरे परिवर्तन करके आदर्श तक पहुंचा जा सकता है।

दीवारें
एक प्रणाली दीवारों से घिरी होती है जो इसे बांधती है और इसे अपने परिवेश से जोड़ती है। अक्सर एक दीवार किसी प्रकार के पदार्थ या ऊर्जा द्वारा मार्ग को प्रतिबंधित करती है, जिससे कनेक्शन अप्रत्यक्ष हो जाता है। कभी-कभी एक दीवार एक काल्पनिक द्वि-आयामी बंद सतह से अधिक नहीं होती है जिसके माध्यम से परिवेश से सीधा संबंध होता है।

एक दीवार को स्थिर किया जा सकता है (उदाहरण के लिए एक स्थिर आयतन रिएक्टर) या जंगम (जैसे एक पिस्टन)। उदाहरण के लिए, एक प्रत्यागामी इंजन में, एक निश्चित दीवार का अर्थ है कि पिस्टन अपनी स्थिति पर बंद है; फिर, एक निरंतर वॉल्यूम प्रक्रिया हो सकती है। उसी इंजन में, एक पिस्टन को अनलॉक किया जा सकता है और अंदर और बाहर जाने की अनुमति दी जा सकती है। आदर्श रूप से, एक दीवार को रुद्धोष्म दीवार, डायथर्मल दीवार, अभेद्य, पारगम्य, या अर्ध-पारगम्य झिल्ली घोषित किया जा सकता है। ऐसी आदर्श गुणों वाली दीवारें प्रदान करने वाली वास्तविक भौतिक सामग्रियां हमेशा आसानी से उपलब्ध नहीं होती हैं।

प्रणाली को दीवारों या सीमाओं द्वारा सीमांकित किया जाता है, या तो वास्तविक या काल्पनिक, जिसके आर-पार संरक्षित (जैसे पदार्थ और ऊर्जा) या असंरक्षित (जैसे एन्ट्रापी) मात्राएँ सिस्टम में और बाहर जा सकती हैं। थर्मोडायनामिक प्रणाली के बाहर के स्थान को परिवेश, जलाशय या पर्यावरण के रूप में जाना जाता है। दीवारों के गुण निर्धारित करते हैं कि क्या स्थानान्तरण हो सकता है। एक दीवार जो एक मात्रा के हस्तांतरण की अनुमति देती है, उसे इसके लिए पारगम्य कहा जाता है, और एक थर्मोडायनामिक प्रणाली को इसकी कई दीवारों की पारगम्यता द्वारा वर्गीकृत किया जाता है। सिस्टम और परिवेश के बीच स्थानांतरण संपर्क द्वारा उत्पन्न हो सकता है, जैसे कि गर्मी का संचालन, या लंबी दूरी की ताकतों जैसे कि परिवेश में एक विद्युत क्षेत्र।

दीवारों वाली एक प्रणाली जो सभी स्थानान्तरण को रोकती है, पृथक प्रणाली कहलाती है। यह एक आदर्श अवधारणा है, क्योंकि व्यवहार में कुछ स्थानांतरण हमेशा संभव होता है, उदाहरण के लिए गुरुत्वाकर्षण बल द्वारा। यह ऊष्मप्रवैगिकी का एक स्वयंसिद्ध है कि एक पृथक प्रणाली अंततः आंतरिक ऊष्मप्रवैगिक संतुलन तक पहुंचती है, जब इसकी स्थिति समय के साथ बदलती नहीं है।

एक बंद प्रणाली  की दीवारें गर्मी और काम के रूप में ऊर्जा के हस्तांतरण की अनुमति देती हैं, लेकिन इसके और इसके आसपास के बीच पदार्थ की नहीं। एक खुली प्रणाली की दीवारें पदार्थ और ऊर्जा दोनों के हस्तांतरण की अनुमति देती हैं।       शब्दों की परिभाषा की यह योजना समान रूप से उपयोग नहीं की जाती है, हालांकि यह कुछ उद्देश्यों के लिए सुविधाजनक है। विशेष रूप से, कुछ लेखक 'बंद प्रणाली' का उपयोग करते हैं जहाँ 'पृथक प्रणाली' का प्रयोग यहाँ किया गया है। जो कुछ भी सीमा पार से गुजरता है और सिस्टम की सामग्री में बदलाव को प्रभावित करता है, उसे उचित संतुलन समीकरण में शामिल किया जाना चाहिए। आयतन एक एकल परमाणु प्रतिध्वनित ऊर्जा के आसपास का क्षेत्र हो सकता है, जैसे कि मैक्स प्लैंक  को 1900 में परिभाषित किया गया था; यह भाप इंजन में भाप या हवा का एक पिंड हो सकता है, जैसे कि निकोलस लियोनार्ड साडी कार्नोट को 1824 में परिभाषित किया गया था। यह  क्वांटम ऊष्मप्रवैगिकी  में परिकल्पना के रूप में सिर्फ एक न्यूक्लाइड (अर्थात  क्वार्क  की एक प्रणाली) भी हो सकता है।

परिवेश
सिस्टम ब्रह्मांड का अध्ययन किया जा रहा हिस्सा है, जबकि परिवेश ब्रह्मांड का शेष भाग है जो सिस्टम की सीमाओं के बाहर स्थित है। इसे पर्यावरण या जलाशय के रूप में भी जाना जाता है। प्रणाली के प्रकार के आधार पर, यह द्रव्यमान, ऊर्जा (गर्मी और काम सहित), संवेग, विद्युत आवेश या संरक्षण कानून (भौतिकी)  का आदान-प्रदान करके प्रणाली के साथ परस्पर क्रिया कर सकता है। इन अंतःक्रियाओं को छोड़कर, सिस्टम के विश्लेषण में पर्यावरण की उपेक्षा की जाती है।

बंद प्रणाली
एक बंद प्रणाली में, सिस्टम की सीमाओं के अंदर या बाहर कोई द्रव्यमान स्थानांतरित नहीं किया जा सकता है। सिस्टम में हमेशा समान मात्रा में पदार्थ होते हैं, लेकिन (समझदार) गर्मी और (सीमा) कार्य को सिस्टम की सीमा के पार आदान-प्रदान किया जा सकता है। क्या कोई प्रणाली गर्मी, काम या दोनों का आदान-प्रदान कर सकती है, यह उसकी सीमा की संपत्ति पर निर्भर है।


 * एडियाबेटिक सीमा - किसी भी ताप विनिमय की अनुमति नहीं: एक तापीय रूप से पृथक प्रणाली
 * कठोर सीमा - कार्य के आदान-प्रदान की अनुमति नहीं देना: एक यंत्रवत् पृथक प्रणाली

एक उदाहरण एक सिलेंडर में एक पिस्टन द्वारा द्रव को संकुचित करना है। एक बंद प्रणाली का एक और उदाहरण एक बम कैलोरीमीटर है, एक विशेष प्रतिक्रिया के दहन की गर्मी को मापने में इस्तेमाल किया जाने वाला एक निरंतर-मात्रा कैलोरीमीटर का एक प्रकार है। विद्युत ऊर्जा इलेक्ट्रोड के बीच एक चिंगारी पैदा करने के लिए सीमा के पार जाती है और दहन शुरू करती है। दहन के बाद सीमा के आर-पार ऊष्मा का स्थानांतरण होता है लेकिन किसी भी तरह से द्रव्यमान का स्थानांतरण नहीं होता है।

बंद प्रणाली के लिए ऊर्जा हस्तांतरण के लिए ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम कहा जा सकता है:


 * $$\Delta U=Q-W$$

कहाँ पे $$U$$सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा को दर्शाता है, $$Q$$ गर्मी प्रणाली में जोड़ा गया, $$W$$ सिस्टम द्वारा किया गया कार्य। अतिसूक्ष्म परिवर्तनों के लिए बंद प्रणालियों के लिए पहला कानून कहा जा सकता है:


 * $$\mathrm d U= \delta Q -\delta W.$$

यदि कार्य वॉल्यूम विस्तार के कारण है $$\mathrm d V$$ एक दबाव में $$P$$ तब:


 * $$\delta W = P\mathrm d V.$$

एक अर्ध-प्रतिवर्ती गर्मी हस्तांतरण के लिए, ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम पढ़ता है:


 * $$\delta Q = T \mathrm d S$$

कहाँ पे $$T$$ थर्मोडायनामिक तापमान को दर्शाता है और $$S$$ प्रणाली की एन्ट्रापी। इन संबंधों के साथ आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की गणना करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मौलिक थर्मोडायनामिक संबंध  को इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:


 * $$\mathrm d U=T\mathrm d S-P\mathrm d V.$$

एक सरल प्रणाली के लिए, केवल एक प्रकार के कण (परमाणु या अणु) के साथ, एक बंद प्रणाली में कणों की एक निरंतर संख्या होती है। रासायनिक संतुलन  से गुजरने वाली प्रणालियों के लिए, प्रतिक्रिया प्रक्रिया द्वारा सभी प्रकार के अणु उत्पन्न और नष्ट हो सकते हैं। इस मामले में, यह तथ्य कि सिस्टम बंद है, यह कहते हुए व्यक्त किया जाता है कि प्रत्येक मौलिक परमाणु की कुल संख्या संरक्षित है, चाहे वह किसी भी प्रकार के अणु का हिस्सा हो। गणितीय रूप से:


 * $$\sum_{j=1}^m a_{ij}N_j=b_i^0$$

कहाँ पे $$N_j$$ की संख्या को दर्शाता है $$j$$-प्रकार अणु, $$a_{ij}$$ तत्व के परमाणुओं की संख्या $$i$$ अणु में $$j$$, और  $$b_i^0$$ तत्व के परमाणुओं की कुल संख्या  $$i$$ सिस्टम में, जो स्थिर रहता है, क्योंकि सिस्टम बंद है। सिस्टम में प्रत्येक तत्व के लिए ऐसा एक समीकरण है।

पृथक प्रणाली
एक पृथक प्रणाली एक बंद प्रणाली की तुलना में अधिक प्रतिबंधात्मक है क्योंकि यह अपने परिवेश के साथ किसी भी तरह से बातचीत नहीं करती है। सिस्टम के भीतर द्रव्यमान और ऊर्जा स्थिर रहती है, और सीमा के पार कोई ऊर्जा या द्रव्यमान स्थानांतरण नहीं होता है। एक पृथक प्रणाली में जैसे-जैसे समय बीतता है, प्रणाली में आंतरिक अंतर बराबर हो जाते हैं और दबाव और तापमान बराबर हो जाते हैं, जैसा कि घनत्व अंतर होता है। एक प्रणाली जिसमें सभी समान प्रक्रियाएं व्यावहारिक रूप से पूरी हो चुकी हैं, थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में है।

वास्तव में अलग-थलग भौतिक प्रणालियाँ वास्तविकता में मौजूद नहीं हैं (शायद संपूर्ण ब्रह्मांड को छोड़कर), क्योंकि, उदाहरण के लिए, द्रव्यमान और द्रव्यमान वाली प्रणाली के बीच हमेशा गुरुत्वाकर्षण होता है।    हालाँकि, वास्तविक प्रणालियाँ परिमित (संभवतः बहुत लंबे) समय के लिए लगभग एक पृथक प्रणाली के रूप में व्यवहार कर सकती हैं। एक पृथक प्रणाली की अवधारणा एक उपयोगी  वैज्ञानिक मॉडलिंग  के रूप में काम कर सकती है जो वास्तविक दुनिया की कई स्थितियों का अनुमान लगाती है। यह एक स्वीकार्य  आदर्शीकरण (विज्ञान दर्शन)  है जिसका उपयोग कुछ प्राकृतिक घटनाओं के गणितीय मॉडल के निर्माण में किया जाता है।

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम में एन्ट्रापी वृद्धि के सिद्धांत को सही ठहराने के प्रयास में, बोल्ट्ज़मैन के एच-प्रमेय  ने लुडविग बोल्ट्ज़मैन#बोल्ट्जमैन समीकरण का उपयोग किया, जिसने यह माना कि एक प्रणाली (उदाहरण के लिए, एक  गैस ) को अलग किया गया था। स्वतंत्रता की सभी यांत्रिक डिग्री (भौतिकी और रसायन विज्ञान) # गैसों के लिए स्वतंत्रता की थर्मोडायनामिक डिग्री निर्दिष्ट की जा सकती हैं, दीवारों को केवल  दर्पण  सीमा स्थितियों के रूप में मानते हुए। यह अनिवार्य रूप से लॉस्च्मिड्ट के विरोधाभास का कारण बना। हालांकि, अगर वास्तविक दीवारों में  अणु ओं के  स्टोकेस्टिक  व्यवहार पर विचार किया जाता है, परिवेश, पृष्ठभूमि थर्मल विकिरण के यादृच्छिक प्रभाव के साथ,  आणविक अराजकता  की बोल्टज़मैन की धारणा को उचित ठहराया जा सकता है।

पृथक प्रणालियों के लिए ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम  बताता है कि संतुलन में नहीं एक पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी समय के साथ बढ़ती है, संतुलन पर अधिकतम मूल्य तक पहुंचती है। कुल मिलाकर, एक पृथक प्रणाली में, आंतरिक ऊर्जा स्थिर होती है और एन्ट्रापी कभी कम नहीं हो सकती। एक बंद सिस्टम की एंट्रॉपी घट सकती है उदा। जब सिस्टम से गर्मी निकाली जाती है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि पृथक प्रणालियाँ बंद प्रणालियों के समतुल्य नहीं हैं। बंद प्रणालियाँ परिवेश के साथ पदार्थ का आदान-प्रदान नहीं कर सकती हैं, लेकिन ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकती हैं। पृथक प्रणालियाँ अपने परिवेश के साथ न तो पदार्थ और न ही ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकती हैं, और जैसे कि केवल सैद्धांतिक हैं और वास्तविकता में मौजूद नहीं हैं (संभवतः, संपूर्ण ब्रह्मांड को छोड़कर)।

यह ध्यान देने योग्य है कि थर्मोडायनामिक्स चर्चाओं में अक्सर 'बंद प्रणाली' का उपयोग किया जाता है जब 'पृथक प्रणाली' सही होगी - यानी एक धारणा है कि ऊर्जा प्रणाली में प्रवेश या छोड़ती नहीं है।

पदार्थ का चयनात्मक स्थानांतरण
थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के लिए, सिस्टम की दीवारों और परिवेश के सटीक भौतिक गुण महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि वे संभावित प्रक्रियाओं को निर्धारित करते हैं।

एक खुली प्रणाली में एक या कई दीवारें होती हैं जो पदार्थ के हस्तांतरण की अनुमति देती हैं। खुली प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा को ध्यान में रखते हुए, इसके लिए गर्मी और काम के अलावा ऊर्जा हस्तांतरण शर्तों की आवश्यकता होती है। यह रासायनिक क्षमता  के विचार की ओर भी ले जाता है।

केवल एक शुद्ध पदार्थ के लिए चुनिंदा रूप से पारगम्य एक दीवार परिवेश में उस शुद्ध पदार्थ के भंडार के साथ प्रणाली को फैलाने वाले संपर्क में डाल सकती है। फिर एक प्रक्रिया संभव है जिसमें उस शुद्ध पदार्थ को तंत्र और परिवेश के बीच स्थानांतरित किया जाता है। साथ ही, उस दीवार के पार उस पदार्थ के संबंध में एक संपर्क संतुलन संभव है। उपयुक्त उष्मागतिक संक्रियाओं द्वारा, शुद्ध पदार्थ भंडार को एक बंद प्रणाली के रूप में निपटाया जा सकता है। इसकी आंतरिक ऊर्जा और इसकी एन्ट्रापी को इसके तापमान, दबाव और मोल संख्या के कार्यों के रूप में निर्धारित किया जा सकता है।

एक थर्मोडायनामिक ऑपरेशन उस पदार्थ के लिए संपर्क संतुलन दीवार के अलावा सभी सिस्टम दीवारों को अभेद्य बना सकता है। यह उस पदार्थ के लिए परिवेश की एक संदर्भ स्थिति के संबंध में एक गहन राज्य चर की परिभाषा की अनुमति देता है। गहन चर को रासायनिक क्षमता कहा जाता है; घटक पदार्थ के लिए $III$ यह आमतौर पर निरूपित किया जाता है $i$. संबंधित व्यापक चर मोल्स की संख्या हो सकती है $μ_{i}$ सिस्टम में घटक पदार्थ की।

किसी पदार्थ के लिए पारगम्य दीवार पर संपर्क संतुलन के लिए, पदार्थ की रासायनिक क्षमता दीवार के दोनों ओर समान होनी चाहिए। यह थर्मोडायनामिक संतुलन की प्रकृति का हिस्सा है, और इसे थर्मोडायनामिक्स के शून्य कानून से संबंधित माना जा सकता है।

ओपन सिस्टम
एक खुली प्रणाली में, सिस्टम और परिवेश के बीच ऊर्जा और पदार्थ का आदान-प्रदान होता है। एक खुले बीकर में अभिकारकों की उपस्थिति एक खुले तंत्र का एक उदाहरण है। यहाँ सीमा बीकर और अभिकारकों को घेरने वाली एक काल्पनिक सतह है। इसे बंद नाम दिया गया है, यदि सीमाएँ पदार्थ के लिए अभेद्य हैं, लेकिन ऊष्मा के रूप में ऊर्जा के पारगमन की अनुमति देती हैं, और ऊष्मा और पदार्थों का आदान-प्रदान नहीं होने पर इसे अलग कर दिया जाता है। खुली प्रणाली संतुलन की स्थिति में मौजूद नहीं हो सकती। संतुलन से थर्मोडायनामिक प्रणाली के विचलन का वर्णन करने के लिए, ऊपर वर्णित संवैधानिक चर के अलावा, आंतरिक चर का एक सेट $$\xi_1, \xi_2,\ldots$$ जिन्हें आंतरिक चर कहा जाता है पेश किया गया है। संतुलन राज्य को स्थिर माना जाता है और आंतरिक चर की मुख्य संपत्ति, सिस्टम के गैर-संतुलन के उपाय के रूप में, गायब होने की प्रवृत्ति है; गायब होने के स्थानीय कानून को प्रत्येक आंतरिक चर के लिए विश्राम समीकरण के रूप में लिखा जा सकता है

कहाँ पे $$ \tau_i= \tau_i(T, x_1, x_2, \ldots, x_n)$$ एक संबंधित चर का विश्राम समय है। प्रारंभिक मूल्य पर विचार करना सुविधाजनक है $$ \xi_i^0$$ शून्य के बराबर हैं।

खुले गैर-संतुलन प्रणालियों के गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी  में विशिष्ट योगदान  इल्या प्रिझोगिन  द्वारा किया गया था, जिन्होंने रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करने वाले पदार्थों की एक प्रणाली की जांच की थी। इस मामले में आंतरिक चर रासायनिक प्रतिक्रियाओं की अपूर्णता के उपाय प्रतीत होते हैं, जो कि रासायनिक प्रतिक्रियाओं के साथ मानी जाने वाली प्रणाली संतुलन से बाहर है। सिद्धांत को सामान्यीकृत किया जा सकता है,   संतुलन अवस्था से किसी भी विचलन पर विचार करने के लिए, जैसे कि प्रणाली की संरचना, तापमान की प्रवणता, पदार्थों की सांद्रता में अंतर और इसी तरह, सभी रासायनिक प्रतिक्रियाओं की पूर्णता की डिग्री के बारे में कुछ भी नहीं कहना, आंतरिक चर होना।

गिब्स मुक्त ऊर्जा की वृद्धि  $$ G$$ और एन्ट्रापी $$ S$$ पर $$T=const$$ और $$p=const$$ के रूप में निर्धारित हैं दोनों तापीय ऊर्जा के आदान-प्रदान के कारण सिस्टम की स्थिर अवस्थाएँ मौजूद हैं $$ \Delta Q_\alpha $$ और कणों की एक धारा। समीकरणों में अंतिम शब्दों का योग पदार्थों के कणों की धारा के साथ सिस्टम में आने वाली कुल ऊर्जा को दर्शाता है $$ \Delta N_\alpha $$ जो सकारात्मक या नकारात्मक हो सकता है; मात्रा $$ \mu_\alpha$$ पदार्थ की रासायनिक क्षमता है $$ \alpha$$. समीकरणों (2) और (3) में मध्य पद आंतरिक चरों की छूट के कारण ऊर्जा अपव्यय (एन्ट्रॉपी उत्पादन) को दर्शाता है $$ \xi_j$$, जबकि $$ \Xi_{j} $$ थर्मोडायनामिक बल हैं।

ओपन सिस्टम के लिए यह दृष्टिकोण थर्मोडायनामिक शर्तों में जीवित वस्तुओं के विकास और विकास का वर्णन करने की अनुमति देता है।

यह भी देखें

 * गतिशील प्रणाली
 * ऊर्जा प्रणाली
 * अलग निकाय
 * यांत्रिक प्रणाली
 * भौतिक तंत्र
 * क्वांटम प्रणाली
 * थर्मोडायनामिक चक्र
 * थर्मोडायनामिक प्रक्रिया
 * दो-राज्य क्वांटम प्रणाली

स्रोत

 * हर्बर्ट कैलन|कैलन, एच.बी. (1960/1985)। थर्मोडायनामिक्स एंड एन इंट्रोडक्शन टू थर्मोस्टैटिस्टिक्स, (पहला संस्करण 1960) दूसरा संस्करण 1985, विली, न्यूयॉर्क, ISBN 0-471-86256-8.
 * हर्बर्ट कैलन|कैलन, एच.बी. (1960/1985)। थर्मोडायनामिक्स एंड एन इंट्रोडक्शन टू थर्मोस्टैटिस्टिक्स, (पहला संस्करण 1960) दूसरा संस्करण 1985, विली, न्यूयॉर्क, ISBN 0-471-86256-8.

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