थर्मोडायनामिक आरेख

थर्मोडायनेमिक आरेख सामग्री (सामान्यतः द्रव) के थर्मोडायनेमिक स्थिति और इस सामग्री में हेरफेर के परिणामों का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किए जाने वाले आरेख हैं। उदाहरण के रूप में, एक तापमान-अप्रभुतान आरेख (T-s आरेख) तापमान-वायु कंप्रेसर द्वारा इस पदार्थ के व्यवहार को दिखाने के लिए प्रयोग किया जा सकता है।

सिंहावलोकन
विशेष रूप से मौसम विज्ञान में उनका उपयोग रेडियोसोंडे के मापन से प्राप्त वातावरण की वास्तविक स्थिति का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है, जो सामान्यतः मौसम के गुब्बारों से प्राप्त होता है। ऐसे आरेखों में, वायुमंडल दबाव के संबंध में तापमान और आर्द्रता मान (ओस बिंदु द्वारा दर्शाए गए) प्रदर्शित किए जाते हैं। इस प्रकार आरेख पहली नज़र में वास्तविक वायुमंडलीय स्तरीकरण और ऊर्ध्वाधर जल वाष्प वितरण देता है। आगे के विश्लेषण से मेघपुंज बादल का वास्तविक आधार और शीर्ष ऊंचाई या स्तरीकरण में संभावित अस्थिरता मिलती है।

सौर विकिरण के कारण होने वाली ऊर्जा मात्रा का मान अनुमानित करके, दिन के समय 2 मीटर (6.6 फुट (लंबाई)) तापमान, आर्द्रता और हवा की गति, वायुमंडल की सीमा परत के विकास, बादलों के उद्भव और विकास, और दिन के समय उड़ान उठने की स्थिति की पूर्वानुमानी की जा सकती है।

ऊष्मप्रवैगिकी आरेखों की मुख्य विशेषता उनमें आरेखित क्षेत्र और ऊर्जा के बीच समानता होती है। जब हवा एक प्रक्रिया के समय दबाव और तापमान में परिवर्तन करती है और आरेख में एक बंद वक्र निर्धारित करती है, तो इस वक्र द्वारा घेरे गए क्षेत्र हवा द्वारा प्राप्त या छोड़ी गई ऊर्जा के साथ समरूप होता है।

थर्मोडायनामिक आरेखों के प्रकार
सामान्य प्रयोजन आरेखों में सम्मलित हैं:
 * पीवी आरेख
 * टी-एस आरेख
 * एच-एस (मोलियर) डायग्राम
 * साइकोमेट्रिक चार्ट
 * शीतलक वक्र
 * संकेतक आरेख
 * संतृप्ति वाष्प वक्र
 * मैक्सवेल की थर्मोडायनामिक सतह

मौसम सेवाओं के लिए, मुख्य रूप से तीन विभिन्न प्रकार के थर्मोडायनामिक आरेखों का प्रयोग होता है: तीनों आरेख पी-अल्फा आरेख से प्राप्त किए जाते हैं, जिसमें दबाव (P) और विशिष्ट घनत्व (अल्फा) मूल निर्देशांक के रूप में होते हैं। पी-अल्फा आरेख में वातावरणीय स्थितियों के लिए ग्रिड का मजबूत विकृति दिखाई देती है और इसलिए यह वायुमंडलीय विज्ञान में उपयोगी नहीं होता है। तीनों आरेखों को उचित निर्देशांक परिवर्तन का उपयोग करके पी-अल्फा आरेख से बनाया जाता है।
 * स्क्यू-टी लॉग-पी आरेख
 * टेफीग्राम
 * इमेग्राम

सख्त अर्थ में थर्मोडायनामिक आरेख नहीं होता है, क्योंकि इसमें ऊर्जा-क्षेत्र समानता प्रदर्शित नहीं होती है, वह है: किन्तु इसके सरल निर्माण के कारण इसे शिक्षा में प्राथमिकता दी जाती है।
 * स्टुवे आरेख

एक और व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला आरेख जो ऊर्जा-क्षेत्र समकक्षता को प्रदर्शित नहीं करता है, वह है:- θ-z आरेख (थीटा-ऊंचाई आरेख) सीमा परत मौसम विज्ञान में व्यापक रूप से प्रयुक्त होता है।

विशेषताएं
थर्मोडायनामिक आरेखों में सामान्यतः पांच विभिन्न रेखाएं दिखाई जाती हैं:


 * आइसोबार (मौसम विज्ञान) = स्थिर दबाव की रेखाएँ होता है ।
 * इज़ोटेर्म (समोच्च रेखा) = स्थिर तापमान की रेखाएँ होता है ।
 * शुष्क ताप क्षमता अनुपात = निरंतर संभावित तापमान की रेखाएँ शुष्क हवा के बढ़ते पार्सल के तापमान का प्रतिनिधित्व करती हैं
 * संतृप्त रुद्धोष्म या स्यूडोएडियाबैट्स = जल वाष्प से संतृप्त बढ़ते पार्सल के तापमान का प्रतिनिधित्व करने वाली रेखाएँ
 * मिश्रण अनुपात = बढ़ती पार्सल के ओस बिंदु का प्रतिनिधित्व करने वाली रेखाएँ होता है ।

गिरावट दर, ड्राई एडियाबेटिक लैप्स रेट (डीएएलआर) और नम एडियाबेटिक लैप्स रेट (एमएएलआर) प्राप्त किए जाते हैं। इन रेखाओं की मदद से उठा हुआ संघनन स्तर, मुक्त संवहन का स्तर, बादल बनने की प्रारंभ जैसे पैरामीटर होते है। आदि ध्वनियों से प्राप्त किया जा सकता है।

उदाहरण
पथ या स्थिति की श्रृंखला जिसके माध्यम से प्रणाली प्रारंभिक संतुलन स्थिति से अंतिम संतुलन स्थिति तक जाती है और दबाव-आयतन (P-V), दबाव-तापमान (P-T), और तापमान-एन्ट्रॉपी (T-s) आरेखों पर ग्राफिक रूप से देखा जा सकता है।

थर्मोडायनामिक प्रक्रिया में प्रारंभिक बिंदु से अंत बिंदु तक अनंत संभावित पथ हैं। कई स्थितियों में पथ मायने रखता है, चूंकि, थर्मोडायनामिक गुणों में परिवर्तन केवल प्रारंभिक और अंतिम अवस्थाओं पर निर्भर करता है न कि पथ पर निर्भर करता है।

गैस की मात्रा के शीर्ष पर आराम से चलने वाले पिस्टन के साथ सिलेंडर में गैस पर विचार करें $V_{1}$ तापमान पर $T_{1}$. यदि गैस को इतना गर्म किया जाए कि गैस का तापमान ऊपर चला जाए $T_{2}$ जबकि पिस्टन को उठने की अनुमति है $V_{2}$ जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, तो इस प्रक्रिया में दबाव को समान रखा जाता है क्योंकि फ्री फ्लोटिंग पिस्टन को प्रक्रिया को आइसोबैरिक प्रक्रिया या निरंतर दबाव प्रक्रिया बनाने की अनुमति दी जाती है। यह प्रक्रिया पथ पी-वी आरेख पर राज्य से राज्य दो तक सीधी क्षैतिज रेखा है।

किसी प्रक्रिया में किए गए कार्य की गणना करना अधिकांशतः मूल्यवान होता है। प्रक्रिया में किया गया कार्य पी-वी आरेख पर प्रक्रिया पथ के नीचे का क्षेत्र है। चित्र 2 यदि प्रक्रिया आइसोबैरिक है, तो पिस्टन पर किए गए कार्य (थर्मोडायनामिक्स) की आसानी से गणना की जाती है। उदाहरण के लिए, यदि गैस पिस्टन के विरुद्ध धीरे-धीरे फैलती है, तो पिस्टन को ऊपर उठाने के लिए गैस द्वारा किया गया कार्य बल F गुणा दूरी d है। किन्तु बल सिर्फ गैस का दबाव P है जो पिस्टन के क्षेत्र A का गुना है, F = PA। कुछ इस प्रकार दिया होता है -


 * डब्ल्यू = एफडी
 * डब्ल्यू = पीएडी
 * डब्ल्यू = पी (वी2 - वी1)

अब मान लीजिए कि सिलेंडर की दीवारों के साथ स्थिर घर्षण के कारण पिस्टन सिलेंडर के भीतर सुचारू रूप से नहीं चल पा रहा था। यह मानते हुए कि तापमान धीरे-धीरे बढ़ा था, आप पाएंगे कि प्रक्रिया पथ सीधा नहीं है और अब आइसोबैरिक नहीं है, बल्कि इसके अतिरिक्त आइसोमेट्रिक प्रक्रिया से गुजरना होगा जब तक कि बल घर्षण बल से अधिक न हो जाए और फिर इज़ोटेर्मल प्रक्रिया से वापस संतुलन में आ जाए राज्य। यह प्रक्रिया अंतिम स्थिति तक पहुंचने तक दोहराई जाएगी। चित्र 3 देखें। घर्षण के प्रतिरोध के लिए आवश्यक अतिरिक्त कार्य के कारण इस स्थितियों में पिस्टन पर किया गया कार्य भिन्न होगा। घर्षण के कारण किया गया कार्य इन दो प्रक्रिया पथों पर किए गए कार्य के बीच का अंतर होता है ।

कई इंजीनियर सरलीकृत मॉडल बनाने के लिए पहले घर्षण की उपेक्षा करते हैं। अधिक सटीक जानकारी के लिए, स्थिर घर्षण को पार करने के लिए उच्चतम बिंदु या अधिकतम दबाव की ऊंचाई घर्षण गुणांक के समानुपाती होगी, और सामान्य दबाव में वापस जाने वाली ढलान इज़ोटेर्माल प्रक्रिया के समान होगी यदि तापमान पर्याप्त धीमी गति से वृद्धि हुई थी।

इस प्रक्रिया में अन्य पथ सममितीय प्रक्रिया है। यह ऐसी प्रक्रिया है जिसमें आयतन को स्थिर रखा जाता है जो पी-वी आरेख पर ऊर्ध्वाधर रेखा के रूप में दिखाई देता है। चित्रा 3 चूंकि इस प्रक्रिया के समय पिस्टन नहीं चल रहा है, इसलिए कोई काम नहीं हो रहा है।

संदर्भ

 * The Physics of Atmospheres by John Houghton, Cambridge University Press 2002. Especially chapter 3.3. deals solely with the tephigram.
 * German version of Handbook of meteorological soaring flight from the Organisation Scientifique et Technique Internationale du Vol à Voile (OSTIV) (chapter 2.3)

अग्रिम पठन

 * Handbook of meteorological forecasting for soaring flight WMO Technical Note No. 158. ISBN 92-63-10495-6 especially chapter 2.3.

बाहरी संबंध

 * www.met.tamu.edu/../aws-tr79-006.pdf A very large technical manual (164 pages) how to use the diagrams.
 * www.comet.ucar.edu/../sld010.htm A course on how to use diagrams at Comet, the 'Cooperative Program for Operational Meteorology, Education and Training'.