ऊष्मप्रवैगिकी के नियम

ऊष्मप्रवैगिकी के नियम वैज्ञानिक कानूनों का एक समूह हैं जो भौतिक मात्राओं के एक समूह को परिभाषित करते हैं, जैसे कि तापमान, ऊर्जा और एन्ट्रापी, जो थर्मोडायनामिक संतुलन में ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों की विशेषता है। कानून थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं के लिए विभिन्न मापदंडों का भी उपयोग करते हैं, जैसे थर्मोडायनामिक कार्य और गर्मी, और उनके बीच संबंध स्थापित करते हैं। वे अनुभवजन्य तथ्य बताते हैं जो कुछ घटनाओं की संभावना को रोकने का आधार बनाते हैं, जैसे कि सतत गति। ऊष्मप्रवैगिकी में उनके उपयोग के अलावा, वे सामान्य रूप से भौतिकी के महत्वपूर्ण मूलभूत नियम हैं, और अन्य प्राकृतिक विज्ञानों में लागू होते हैं।

परंपरागत रूप से, ऊष्मप्रवैगिकी ने तीन मौलिक कानूनों को मान्यता दी है, जिन्हें केवल एक क्रमसूचक पहचान, पहला कानून, दूसरा कानून और तीसरा कानून कहा जाता है।।  पहले तीन कानूनों की स्थापना के बाद एक अधिक मौलिक कथन को बाद में शून्य कानून के रूप में लेबल किया गया था।

ऊष्मप्रवैगिकी का शून्यवाँ नियम तापीय संतुलन को परिभाषित करता है और तापमान की परिभाषा के लिए एक आधार बनाता है: यदि दो प्रणालियाँ एक तीसरी प्रणाली के साथ तापीय संतुलन में हैं, तो वे एक दूसरे के साथ तापीय संतुलन में हैं।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम बताता है कि, जब ऊर्जा किसी प्रणाली (कार्य, ऊष्मा या पदार्थ के रूप में) में या बाहर जाती है, तो प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा ऊर्जा के संरक्षण के नियम के अनुसार बदल जाती है।

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम में कहा गया है कि एक प्राकृतिक ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रिया में, अंतःक्रियात्मक ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों की एन्ट्रापी का योग कभी कम नहीं होता है। बयान का एक सामान्य परिणाम यह है कि गर्मी अनायास ठंडे शरीर से गर्म शरीर में नहीं जाती है।

ऊष्मप्रवैगिकी के तीसरे नियम में कहा गया है कि जैसे ही तापमान पूर्ण शून्य तक पहुंचता है, एक प्रणाली की एन्ट्रापी एक स्थिर मान तक पहुंच जाती है। गैर-क्रिस्टलीय ठोस (ग्लास) के अपवाद के साथ, पूर्ण शून्य पर एक प्रणाली की एन्ट्रापी आमतौर पर शून्य के करीब होती है।

पहला और दूसरा कानून क्रमशः दो प्रकार की सतत गति मशीनों को प्रतिबंधित करता है: पहली तरह की सतत गति मशीन जो बिना ऊर्जा इनपुट के काम करती है, और दूसरी तरह की सतत गति मशीन जो थर्मल ऊर्जा को स्वचालित रूप से यांत्रिक कार्यों में परिवर्तित करती है।

इतिहास
ऊष्मप्रवैगिकी का इतिहास मौलिक रूप से भौतिकी के इतिहास और रसायन विज्ञान के इतिहास के साथ जुड़ा हुआ है, और अंततः पुरातनता में गर्मी के सिद्धांतों की शुरुआत करता है। ऊष्मप्रवैगिकी के नियम उन्नीसवीं और बीसवीं शताब्दी के प्रारंभ में इस क्षेत्र में हुई प्रगति का परिणाम हैं। पहला स्थापित ऊष्मप्रवैगिकी सिद्धांत, जो अंततः ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम बन गया, 1824 में साडी कार्नोट द्वारा अपनी पुस्तक रिफ्लेक्शंस ऑन द मोटिव पावर ऑफ फायर में तैयार किया गया था। 1860 तक, जैसा कि रुडोल्फ क्लॉसियस और विलियम थॉमसन जैसे वैज्ञानिकों के कार्यों में औपचारिक रूप दिया गया था, जिसे अब पहले और दूसरे कानूनों के रूप में जाना जाता है, स्थापित किए गए थे। बाद में, Nernst की प्रमेय (या Nernst की अभिधारणा), जिसे अब तीसरे नियम के रूप में जाना जाता है, वाल्थर नर्नस्टा द्वारा 1906-1912 की अवधि में तैयार की गई थी। जबकि कानूनों की संख्या आज सार्वभौमिक है, 20 वीं शताब्दी के दौरान विभिन्न पाठ्यपुस्तकों ने कानूनों को अलग-अलग क्रमांकित किया है। कुछ क्षेत्रों में, दूसरे नियम को केवल ऊष्मा इंजनों की दक्षता से निपटने के लिए माना जाता था, जबकि जिसे तीसरा नियम कहा जाता था, वह एन्ट्रापी वृद्धि से संबंधित था। धीरे-धीरे, यह अपने आप हल हो गया और तापमान की एक आत्मनिर्भर परिभाषा की अनुमति देने के लिए बाद में एक शून्य नियम जोड़ा गया। अतिरिक्त कानूनों का सुझाव दिया गया है, लेकिन चार स्वीकृत कानूनों की व्यापकता हासिल नहीं की है, और आम तौर पर मानक पाठ्यपुस्तकों में चर्चा नहीं की जाती है।

शून्य नियम
ऊष्मप्रवैगिकी का शून्यवाँ नियम ऊष्मागतिक प्रणालियों में एक अनुभवजन्य पैरामीटर के रूप में तापमान की नींव प्रदान करता है और तापीय संतुलन में कई निकायों के तापमान के बीच सकर्मक संबंध स्थापित करता है। कानून को निम्नलिखित रूप में कहा जा सकता है:

"यदि दो निकाय किसी तीसरे निकाय के साथ तापीय संतुलन में हैं, तो वे एक दूसरे के साथ तापीय संतुलन में हैं"

हालांकि कानून का यह संस्करण सबसे सामान्य रूप से वर्णित संस्करणों में से एक है, यह केवल बयानों की विविधता में से एक है जिसे "शून्य कानून" के रूप में लेबल किया गया है। कुछ बयान आगे बढ़ते हैं, ताकि महत्वपूर्ण भौतिक तथ्य की आपूर्ति की जा सके कि तापमान एक आयामी है और यह कि ठंडे से गर्म तक वास्तविक संख्या अनुक्रम में अवधारणात्मक रूप से निकायों की व्यवस्था की जा सकती है।

तापमान और तापीय संतुलन की ये अवधारणाएँ ऊष्मप्रवैगिकी के लिए मौलिक हैं और उन्नीसवीं शताब्दी में स्पष्ट रूप से बताई गई थीं। 1930 के दशक में राल्फ एच. फाउलर द्वारा 'ज़ीरोथ लॉ' नाम का आविष्कार किया गया था, पहले, दूसरे और तीसरे कानूनों को व्यापक रूप से मान्यता मिलने के काफी समय बाद। कानून एंट्रॉपी, इसके संयुग्म चर (ऊष्मप्रवैगिकी) के संदर्भ के बिना गैर-परिपत्र तरीके से तापमान की परिभाषा की अनुमति देता है। ऐसी तापमान परिभाषा को 'अनुभवजन्य' कहा जाता है।

पहला कानून
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम ऊर्जा के संरक्षण के नियम का एक संस्करण है, जो ऊष्मप्रवैगिक प्रक्रियाओं के लिए अनुकूलित है। सामान्य तौर पर, संरक्षण कानून बताता है कि एक पृथक प्रणाली की कुल ऊर्जा स्थिर है; ऊर्जा को एक रूप से दूसरे रूप में रूपांतरित किया जा सकता है, लेकिन इसे न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है।

"एक बंद सिस्टम में (अर्थात् सिस्टम में या सिस्टम के बाहर पदार्थ का कोई स्थानांतरण नहीं होता है), पहला कानून बताता है कि सिस्टम के आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन ($ΔU _{system}$) सिस्टम को आपूर्ति की गई गर्मी ($Q$) और कार्य ($''W') के अंतर के बराबर है '$) सिस्टम द्वारा इसके परिवेश पर द्वारा किया गया। (ध्यान दें, एक वैकल्पिक साइन कन्वेंशन, इस लेख में उपयोग नहीं किया गया है, $W$ को पर किए गए कार्य के रूप में परिभाषित करना है। इसके परिवेश द्वारा प्रणाली):
 * $\Delta U_{\rm system} = Q - W$."

उन प्रक्रियाओं के लिए जिनमें पदार्थ का स्थानांतरण शामिल है, एक और विवरण की आवश्यकता है।

"जब दो आरंभिक पृथक प्रणालियों को एक नई प्रणाली में जोड़ा जाता है, तो नई प्रणाली की कुल आंतरिक ऊर्जा, $U_{system}$, के योग के बराबर होगी दो प्रारंभिक प्रणालियों की आंतरिक ऊर्जा, $U_{1}$ and $U_{2}$:
 * $U_{\rm system} = U_1 + U_2$."

पहले कानून में कई सिद्धांत शामिल हैं:


 * ऊर्जा का संरक्षण, जो कहता है कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, बल्कि केवल रूप बदल सकता है। इसका एक विशेष परिणाम यह होता है कि किसी विलगित निकाय की कुल ऊर्जा में परिवर्तन नहीं होता है।


 * आंतरिक ऊर्जा की अवधारणा और तापमान से इसका संबंध। यदि एक प्रणाली का एक निश्चित तापमान होता है, तो इसकी कुल ऊर्जा में तीन अलग-अलग घटक होते हैं, जिन्हें गतिज ऊर्जा (संपूर्ण प्रणाली की गति के कारण ऊर्जा), संभावित ऊर्जा (बाहरी रूप से लगाए गए बल क्षेत्र से उत्पन्न ऊर्जा), और आंतरिक ऊर्जा कहा जाता है। . आंतरिक ऊर्जा की अवधारणा की स्थापना ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम को ऊर्जा के संरक्षण के अधिक सामान्य कानून से अलग करती है।
 * $$E_{\rm total} = KE_{\rm system} + PE_{\rm system} + U_{\rm system}$$

उदाहरण के लिए, जब कोई मशीन (सिस्टम का हिस्सा नहीं) किसी सिस्टम को ऊपर की ओर उठाती है, तो मशीन से सिस्टम में कुछ ऊर्जा स्थानांतरित होती है। सिस्टम की ऊर्जा बढ़ती है क्योंकि सिस्टम पर काम किया जाता है और इस विशेष मामले में, सिस्टम की ऊर्जा वृद्धि सिस्टम की गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा में वृद्धि के रूप में प्रकट होती है। सिस्टम में जोड़ा गया कार्य सिस्टम की संभावित ऊर्जा को बढ़ाता है:
 * कार्य (ऊष्मप्रवैगिकी) एक प्रणाली से या उससे ऊर्जा को स्थानांतरित करने की एक प्रक्रिया है जिसे सिस्टम और उसके परिवेश के बीच कार्य करने वाले मैक्रोस्कोपिक यांत्रिक बलों द्वारा वर्णित किया जा सकता है। निकाय द्वारा किया गया कार्य उसकी समग्र गतिज ऊर्जा से, उसकी समग्र स्थितिज ऊर्जा से, या उसकी आंतरिक ऊर्जा से आ सकता है।


 * जब पदार्थ को एक प्रणाली में स्थानांतरित किया जाता है, तो उस द्रव्यमान की आंतरिक ऊर्जा और संभावित ऊर्जा को इसके साथ स्थानांतरित कर दिया जाता है।
 * $$\left( u \,\Delta M \right)_{\rm in} = \Delta U_{\rm system}$$
 * कहाँ पे $u$ स्थानांतरित पदार्थ के प्रति इकाई द्रव्यमान में आंतरिक ऊर्जा को दर्शाता है, जैसा कि परिवेश में मापा जाता है; तथा $ΔM$ हस्तांतरित द्रव्यमान की मात्रा को दर्शाता है।


 * ऊष्मा का प्रवाह ऊर्जा हस्तांतरण का एक रूप है। तापन कार्य या पदार्थ के हस्तांतरण के अलावा किसी अन्य प्रणाली से ऊर्जा को स्थानांतरित करने की प्राकृतिक प्रक्रिया है। एक डायथर्मल दीवार प्रणाली में, आंतरिक ऊर्जा को केवल ऊर्जा के रूप में ऊष्मा के रूप में स्थानांतरित करके बदला जा सकता है:
 * $$\Delta U_{\rm system}=Q$$

इन सिद्धांतों के संयोजन से ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का एक पारंपरिक कथन प्राप्त होता है: ऐसी मशीन का निर्माण करना संभव नहीं है जो उस मशीन के बराबर मात्रा में ऊर्जा इनपुट के बिना काम करती रहे। या अधिक संक्षेप में, पहली तरह की एक सतत गति मशीन असंभव है।

दूसरा नियम
ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम प्राकृतिक प्रक्रियाओं की अपरिवर्तनीयता को इंगित करता है, और कई मामलों में, प्राकृतिक प्रक्रियाओं की प्रवृत्ति पदार्थ और ऊर्जा, विशेष रूप से तापमान की स्थानिक समरूपता की ओर ले जाती है। इसे विभिन्न प्रकार के रोचक और महत्वपूर्ण तरीकों से तैयार किया जा सकता है। सबसे सरल में से एक क्लॉसियस का कथन है, कि गर्मी एक ठंडे से गर्म शरीर में अनायास नहीं जाती है।

इसका तात्पर्य एक थर्मोडायनामिक प्रणाली की एन्ट्रापी नामक मात्रा के अस्तित्व से है। इस मात्रा के संदर्भ में इसका तात्पर्य है कि "When two initially isolated systems in separate but nearby regions of space, each in thermodynamic equilibrium with itself but not necessarily with each other, are then allowed to interact, they will eventually reach a mutual thermodynamic equilibrium. The sum of the entropies of the initially isolated systems is less than or equal to the total entropy of the final combination. Equality occurs just when the two original systems have all their respective intensive variables (temperature, pressure) equal; then the final system also has the same values."

दूसरा कानून विभिन्न प्रकार की प्रक्रियाओं पर लागू होता है, दोनों प्रतिवर्ती और अपरिवर्तनीय। दूसरे नियम के अनुसार, एक प्रतिवर्ती गर्मी हस्तांतरण में, स्थानांतरित गर्मी का एक तत्व, Q, तापमान (टी) का उत्पाद है, दोनों सिस्टम और स्रोत या गर्मी के गंतव्य, वृद्धि (डीएस) के साथ। सिस्टम के संयुग्म चर, इसकी एन्ट्रॉपी (एस):


 * $$\delta Q = T\,dS\, .$$

जबकि प्रतिवर्ती प्रक्रियाएं एक उपयोगी और सुविधाजनक सैद्धांतिक सीमित मामला हैं, सभी प्राकृतिक प्रक्रियाएं अपरिवर्तनीय हैं। इस अपरिवर्तनीयता का एक प्रमुख उदाहरण चालन या विकिरण द्वारा ऊष्मा का स्थानांतरण है। एन्ट्रापी की धारणा की खोज से बहुत पहले यह ज्ञात था कि जब दो शरीर, शुरू में अलग-अलग तापमान के, सीधे थर्मल कनेक्शन में आते हैं, तो गर्मी तुरंत और अनायास गर्म शरीर से ठंडे शरीर में प्रवाहित होती है।

एंट्रॉपी को एक सिस्टम की गति और विन्यास के सूक्ष्म विवरण से संबंधित भौतिक माप के रूप में भी देखा जा सकता है, जब केवल मैक्रोस्कोपिक राज्यों को जाना जाता है। इस तरह के विवरण को अक्सर सूक्ष्म या आणविक पैमाने पर विकार के रूप में जाना जाता है, और कम बार एन्ट्रॉपी (ऊर्जा फैलाव) के रूप में। एक प्रणाली के दो दिए गए मैक्रोस्कोपिक रूप से निर्दिष्ट राज्यों के लिए, गणितीय रूप से परिभाषित मात्रा होती है जिसे 'उनके बीच सूचना एन्ट्रॉपी का अंतर' कहा जाता है। यह परिभाषित करता है कि मैक्रोस्कोपिक रूप से निर्दिष्ट राज्यों में से एक को निर्दिष्ट करने के लिए कितनी अतिरिक्त सूक्ष्म भौतिक जानकारी की आवश्यकता है, दूसरे के मैक्रोस्कोपिक विनिर्देश को देखते हुए - अक्सर एक सुविधाजनक रूप से चुनी गई संदर्भ स्थिति जिसे स्पष्ट रूप से बताए जाने के बजाय मौजूद माना जा सकता है। एक प्राकृतिक प्रक्रिया की अंतिम स्थिति में हमेशा सूक्ष्म रूप से निर्दिष्ट प्रभाव होते हैं जो प्रक्रिया की प्रारंभिक स्थिति के मैक्रोस्कोपिक विनिर्देश से पूरी तरह और सटीक रूप से अनुमानित नहीं होते हैं। यही कारण है कि प्राकृतिक प्रक्रियाओं में एन्ट्रापी बढ़ जाती है - वृद्धि बताती है कि प्रारंभिक मैक्रोस्कोपिक रूप से निर्दिष्ट स्थिति को अंतिम मैक्रोस्कोपिक रूप से निर्दिष्ट स्थिति से अलग करने के लिए कितनी अतिरिक्त सूक्ष्म जानकारी की आवश्यकता है। समान रूप से, एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया में, ऊर्जा फैलती है।

तीसरा नियम
ऊष्मप्रवैगिकी के तीसरे नियम को इस प्रकार कहा जा सकता है: "A system's entropy approaches a constant value as its temperature approaches absolute zero."

शून्य तापमान पर, सिस्टम न्यूनतम तापीय ऊर्जा, जमीनी अवस्था वाले राज्य में होना चाहिए। इस बिंदु पर एन्ट्रापी के निरंतर मूल्य (जरूरी नहीं कि शून्य) को सिस्टम की अवशिष्ट एन्ट्रापी कहा जाता है। ध्यान दें कि, गैर-क्रिस्टलीय ठोस (जैसे, कांच) के अपवाद के साथ एक प्रणाली की अवशिष्ट एन्ट्रापी आमतौर पर शून्य के करीब होती है। हालाँकि, यह शून्य तक तभी पहुँचता है जब सिस्टम में एक अद्वितीय जमीनी अवस्था होती है (यानी, न्यूनतम तापीय ऊर्जा वाले राज्य में केवल एक कॉन्फ़िगरेशन, या माइक्रोस्टेट (सांख्यिकीय यांत्रिकी) होता है)। एक विशिष्ट अवस्था में एक प्रणाली की संभावना का वर्णन करने के लिए यहां माइक्रोस्टेट का उपयोग किया जाता है, क्योंकि प्रत्येक माइक्रोस्टेट सांख्यिकीय यांत्रिकी का मौलिक अभिधारणा है, जिसके होने की समान संभावना है, इसलिए कम माइक्रोस्टेट वाले राज्य का समीकरण कम संभावित है। सामान्य तौर पर, एन्ट्रापी बोल्ट्जमैन सिद्धांत के अनुसार संभावित माइक्रोस्टेट्स की संख्या से संबंधित है


 * $$S = k_{\mathrm B}\, \mathrm{ln}\, \Omega$$

जहाँ S निकाय की एन्ट्रापी है, kB बोल्ट्जमान स्थिरांक | बोल्ट्जमान स्थिरांक, और Ω सूक्ष्म अवस्थाओं की संख्या। निरपेक्ष शून्य पर केवल 1 माइक्रोस्टेट संभव है (Ω=1 क्योंकि सभी परमाणु शुद्ध पदार्थ के लिए समान हैं, और परिणामस्वरूप सभी आदेश समान हैं क्योंकि केवल एक संयोजन है) और $$\ln(1)=0$$.

ऑनसेगर संबंध
Onsager पारस्परिक संबंध ों को ऊष्मप्रवैगिकी का चौथा नियम माना गया है। वे गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी में थर्मोडायनामिक प्रवाह और बलों के बीच संबंध का वर्णन करते हैं, इस धारणा के तहत कि थर्मोडायनामिक चर को स्थानीय रूप से थर्मोडायनामिक संतुलन # स्थानीय और वैश्विक संतुलन की स्थिति में परिभाषित किया जा सकता है। ये संबंध सांख्यिकीय यांत्रिकी से सूक्ष्म उत्क्रमणीयता (बाहरी चुंबकीय क्षेत्र ों की अनुपस्थिति में) के सिद्धांत के तहत प्राप्त होते हैं। व्यापक मापदंडों के एक सेट को देखते हुए $Xi$ (ऊर्जा, द्रव्यमान, एन्ट्रापी, कणों की संख्या) और संयुग्म चर (ऊष्मप्रवैगिकी) $Fi$ (आंतरिक मापदंडों से संबंधित, जैसे तापमान और दबाव), ऑनसागर प्रमेय कहता है कि


 * $$ \frac{\, \operatorname\mathrm{d} J_\mathrm{k} \,}{\, \operatorname\mathrm{d} F_\mathrm{i} \,} \bigg|_{F_\mathrm{i}=0} ~=~ \frac{\, \operatorname\mathrm{d} J_\mathrm{i} \,}{\, \operatorname\mathrm{d} F_\mathrm{k} \,}\bigg|_{F_\mathrm{k}=0} $$

कहाँ पे


 * $$J_\mathrm{i} = \frac{\, \operatorname\mathrm{d} X_\mathrm{i} \,}{ \operatorname\mathrm{d} t }$$

ऊष्मागतिकी प्रवाह कहलाते हैं।

यह भी देखें

 * रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी
 * तापीय धारिता
 * एन्ट्रापी उत्पादन
 * गिन्सबर्ग की प्रमेय (पैरोडी: आप जीत नहीं सकते, आप तोड़ भी नहीं सकते, ...)
 * एच-प्रमेय
 * सांख्यिकीय यांत्रिकी
 * थर्मोडायनामिक समीकरणों की तालिका

अग्रिम पठन

 * Atkins, Peter (2007). Four Laws That Drive the Universe. OUP Oxford. ISBN 978-0199232369
 * Goldstein, Martin & Inge F. (1993). The Refrigerator and the Universe. Harvard Univ. Press. ISBN 978-0674753259
 * Guggenheim, E.A. (1985). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, seventh edition. ISBN 0-444-86951-4
 * Adkins, C. J., (1968) Equilibrium Thermodynamics. McGraw-Hill ISBN 0-07-084057-1