अपरिवर्तनीय प्रक्रिया
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विज्ञान में, ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रिया जो प्रतिवर्ती प्रक्रिया नहीं है,अपरिवर्तनीय कहलाती है। यह अवधारणा थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं अधिकांशतः उत्पन्न होती है। सभी जटिल प्राकृतिक प्रक्रियाएं अपरिवर्तनीय हैं,[1][2][3][4] चूंकि सह-अस्तित्व तापमान पर चरण संक्रमण (जैसे पानी में बर्फ के टुकड़े का पिघलना) अच्छी तरह से प्रतिवर्ती के रूप में अनुमानित है।
ऊष्मप्रवैगिकी में, प्रणाली के ऊष्मप्रवैगिकी स्थिति में परिवर्तन और उसके सभी परिवेश को ऊर्जा के व्यय के बिना प्रणाली की कुछ संपत्ति में असीम परिवर्तन से अपनी प्रारंभिक अवस्था में ठीक से पुनर्स्थापित नहीं किया जा सकता है। प्रणाली जो अपरिवर्तनीय प्रक्रिया से निकलती है, वह अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में लौटने में सक्षम हो सकती है। चूंकि एंट्रॉपी स्थिति कार्य है, प्रणाली की एंट्रॉपी में परिवर्तन वही है चाहे प्रक्रिया उल्टा या अपरिवर्तनीय हो। चूंकि, पर्यावरण (प्रणाली) को अपनी प्रारंभिक स्थितियों में पुनर्स्थापित करने में असंभवता होती है। अपरिवर्तनीय प्रक्रिया प्रणाली और उसके परिवेश की कुल एन्ट्रापी को बढ़ाती है। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का उपयोग यह निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है कि काल्पनिक प्रक्रिया प्रतिवर्ती है या नहीं है।
यदि कोई अपव्यय नहीं है, तो सहज रूप से, प्रक्रिया प्रतिवर्ती है। उदाहरण के लिए, जूल प्रसार अनुत्क्रमणीय है क्योंकि आरंभ में तंत्र एकसमान नहीं है। प्रारंभ में, इसमें गैस के साथ प्रणाली का भाग होता है, और बिना गैस वाले प्रणाली का भाग होता है। अपव्यय होने के लिए, ऐसी गैर-एकरूपता की आवश्यकता है। यह ठीक वैसा ही है जैसे कि किसी प्रणाली में गैस का एक भाग गर्म था, और दूसरा ठंडा है तब अपव्यय होगा; तापमान वितरण बिना किसी काम के एकसमान हो जाएगा, और यह अपरिवर्तनीय होगा क्योंकि आप गर्मी को जोड़ या घटा नहीं सकते थे या प्रणाली को उसकी प्रारंभिक अवस्था में वापस लाने के लिए आयतन नहीं बदल सकते थे। इस प्रकार, यदि प्रणाली हमेशा समान रहता है, तो प्रक्रिया उत्क्रमणीय होती है, जिसका अर्थ है कि आप प्रणाली को उसकी मूल स्थिति में वापस ला सकते हैं या तो गर्मी को जोड़ या घटा सकते हैं, प्रणाली पर काम कर सकते हैं, या प्रणाली को काम करने दे सकते हैं। अन्य उदाहरण के रूप में, आंतरिक दहन इंजन में प्रतिवर्ती के रूप में विस्तार का अनुमान लगाने के लिए, हम यह मानेंगे कि स्पार्क के बाद पूरे आयतन में तापमान और दबाव समान रूप से बदलते हैं। स्पष्ट है, यह सच नहीं है की एक लौ सामने है और कभी-कभी इंजन भी अधिकार दे रहा है। डीजल इंजन उच्च दक्षता प्राप्त करने में सक्षम होने का कारण यह है कि दहन बहुत अधिक समान है, इसलिए अपव्यय में कम ऊर्जा खो जाती है और प्रक्रिया प्रतिवर्ती के पास है।
अपरिवर्तनीयता की घटना इस तथ्य से उत्पन्न होती है कि यदि थर्मोडायनामिक प्रणाली, जो कि परस्पर क्रिया करने वाले अणुओं की पर्याप्त जटिलता की कोई प्रणाली है, को थर्मोडायनामिक अवस्था से दूसरे में लाया जाता है, तो प्रणाली में परमाणुओं और अणुओं का विन्यास या व्यवस्था बदल जाएगी। जिस तरह से सरलता से अनुमान नहीं लगाया जा सकता है।[5][6] कुछ परिवर्तन ऊर्जा का उपयोग किया जाएगा क्योंकि काम करने वाले शरीर के अणु एक दूसरे पर काम करते हैं जब वे स्थिति से दूसरे में बदलते हैं। इस परिवर्तन के समय, अंतर-आण्विक घर्षण और टक्करों के कारण कुछ ऊष्मा ऊर्जा हानि या अपव्यय होगा। यदि प्रक्रिया उलट दी जाती है तो यह ऊर्जा पुनर्प्राप्त करने योग्य नहीं होगी।
जीव विज्ञान की कई प्रक्रियाएँ जिन्हें कभी उत्क्रमणीय समझा जाता था, वास्तव में दो अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं की जोड़ी के रूप में पाई गई हैं। जबकि एकल एंजाइम को आगे और पीछे दोनों तरह के रासायनिक परिवर्तनों को उत्प्रेरित करने के लिए माना जाता था, शोध में पाया गया है कि समान संरचना के दो अलग-अलग एंजाइमों को सामान्यतः थर्मोडायनामिक्स अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं की एक जोड़ी में परिणाम देने के लिए आवश्यक होता है।[7]
निरपेक्ष बनाम सांख्यिकीय उत्क्रमण
ऊष्मप्रवैगिकी बड़ी संख्या में संस्थाओं के सांख्यिकीय व्यवहार को परिभाषित करती है, जिनका सही व्यवहार अधिक विशिष्ट नियमो द्वारा दिया जाता है। जबकि भौतिकी के मौलिक सैद्धांतिक नियम सभी समय-प्रतिवर्ती हैं,[8] प्रयोगात्मक रूप से वास्तविक उत्क्रमण की संभावना कम है और प्रणाली और परिवेश की पूर्व स्थिति केवल कुछ सीमा तक ही पुनर्प्राप्त की जाती है (देखें: अनिश्चितता सिद्धांत)। ऊष्मप्रवैगिकी की उत्क्रमणीयता प्रकृति में सांख्यिकीय होनी चाहिए; जबकि, यह केवल अत्यधिक संभावना नहीं होनी चाहिए, लेकिन असंभव नहीं है, कि प्रणाली एंट्रॉपी में कम हो जाएगी। दूसरे शब्दों में, समय उत्क्रमण पूरा हो जाता है यदि प्रक्रिया उसी तरह से होती है यदि समय उल्टा प्रवाहित होता है या प्रक्रिया में स्थितिों का क्रम उलट जाता है (अंतिम स्थिति पहले और इसके विपरीत हो जाती है)।
इतिहास
1850 के दशक में जर्मन भौतिक विज्ञानी रुडोल्फ क्लॉसियस, एंट्रॉपी की अवधारणा के परिचय के माध्यम से प्रकृति में अपरिवर्तनीयता की खोज को गणितीय रूप से मापने वाले पहले व्यक्ति थे। अपने 1854 के संस्मरण "ऊष्मा के यांत्रिक सिद्धांत में दूसरे मौलिक प्रमेय के संशोधित रूप पर," क्लॉज़ियस कहता है।
इसके अतिरिक्त, यह भी हो सकता है कि एक और एक ही प्रक्रिया में, आरोही संचरण में, गर्मी के अवरोही संचरण के अतिरिक्त, एक और स्थायी परिवर्तन हो सकता है, जिसमें उत्क्रमणीय नहीं होने की विशेषता होती है, बिना या तो प्रतिस्थापित हुए एक समान प्रकार का एक नया स्थायी परिवर्तन, या ऊष्मा का अवरोही संचरण उत्पन्न करना।
सीधे शब्दों में, क्लॉसियस कहता है कि प्रणाली के लिए ठंडे शरीर से गर्म शरीर में गर्मी स्थानांतरित करना असंभव है। उदाहरण के लिए, एक कप गर्म कॉफी को कमरे के तापमान के क्षेत्र में रखा जाता है (~72 °F) गर्मी को अपने परिवेश में स्थानांतरित कर देगा और इस तरह कमरे के तापमान में थोड़ी वृद्धि (से ~72.3 °F). चूंकि, कॉफी का वही प्रारंभिक कप कभी भी अपने आसपास की गर्मी को अवशोषित नहीं करेगा, जिससे यह और भी गर्म हो जाएगा, कमरे का तापमान कम हो जाएगा (से ~71.7 °F). इसलिए, जब तक प्रणाली में अतिरिक्त ऊर्जा नहीं डाली जाती है, तब तक कॉफी के ठंडा होने की प्रक्रिया अपरिवर्तनीय है।
चूंकि, विरोधाभास उत्पन्न हुआ जब प्रणाली के माइक्रोएनालिसिस को अपने मैक्रोस्टेट के अवलोकनों के साथ मिलाने का प्रयास किया गया। शास्त्रीय न्यूटोनियन यांत्रिकी का उपयोग करके विश्लेषण किए जाने पर कई प्रक्रियाएं गणितीय रूप से उनके माइक्रोस्टेट में उल्टा हो सकती हैं। यह विरोधाभास स्पष्ट रूप से जेम्स क्लर्क मैक्सवेल के 1860 के तर्क के रूप में संतुलन की ओर मैक्रोस्कोपिक प्रवृत्ति के सूक्ष्म स्पष्टीकरणों को दर्शाता है कि आणविक टकराव मिश्रित गैसों के तापमान के बराबर होने की आवश्यकता है।[9] 1872 से 1875 तक, लुडविग बोल्ट्जमैन ने बोल्ट्जमैन के एंट्रोपी सूत्र के रूप में इस विरोधाभास की सांख्यिकीय व्याख्या को मजबूत किया, जिसमें कहा गया है कि प्रणाली में संभावित माइक्रोस्टेट्स की संख्या में वृद्धि हो सकती है, प्रणाली की एन्ट्रापी में वृद्धि होगी, जिससे इसकी संभावना कम हो जाएगी। कि प्रणाली पहले वाली स्थिति में वापस आ जाएगा। उनके सूत्रों ने विलियम थॉमसन, प्रथम बैरन केल्विन द्वारा किए गए विश्लेषण को परिमाणित किया, जिन्होंने तर्क दिया था कि:[10][11]
अमूर्त गतिकी में गति के समीकरण पूरी तरह से उत्क्रमणीय होते हैं; इन समीकरणों का कोई भी समाधान वैध रहता है जब समय चर t को -t से बदल दिया जाता है। दूसरी ओर, भौतिक प्रक्रियाएँ अपरिवर्तनीय हैं: उदाहरण के लिए, ठोस पदार्थों का घर्षण, ऊष्मा का चालन और विसरण है। फिर भी, ऊर्जा अपव्यय का सिद्धांत एक आणविक सिद्धांत के अनुकूल है जिसमें प्रत्येक कण अमूर्त गतिकी के नियमों के अधीन है।
अपरिवर्तनीय प्रणालियों की एक और व्याख्या फ्रांसीसी गणितज्ञ हेनरी पोंकारे द्वारा प्रस्तुत की गई थी। 1890 में, उन्होंने अरैखिक गतिकी की अपनी पहली व्याख्या प्रकाशित की, जिसे अराजकता सिद्धांत भी कहा जाता है। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम में कैओस सिद्धांत को प्रयुक्त करते हुए, अपरिवर्तनीयता के विरोधाभास को माइक्रोस्टेट्स से मैक्रोस्टेट्स तक स्केलिंग से जुड़ी त्रुटियों और प्रायोगिक अवलोकन करते समय उपयोग की जाने वाली स्वतंत्रता की डिग्री में समझाया जा सकता है। अवलोकनीय, भौतिक क्षेत्र के भीतर अपरिवर्तनीय विशेषताओं की प्रदर्शनी में माइक्रोस्टेट यौगिकों में प्रणाली और उसके पर्यावरण से संबंधित प्रारंभिक स्थितियों के प्रति संवेदनशीलता है।[12]
अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के उदाहरण
भौतिक क्षेत्र में, कई अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं उपस्थित हैं जिनके लिए ऊर्जा हस्तांतरण में 100% दक्षता प्राप्त करने में असमर्थता को जिम्मेदार बताया जा सकता है। निम्नलिखित सहज घटनाओं की सूची है जो प्रक्रियाओं की अपरिवर्तनीयता में योगदान करती है।[13]
- एजिंग (यह दावा विवादित है, क्योंकि चूहों में उम्र बढ़ने को उल्टा दिखाया गया है।[14] निकोटिनामाइड एडेनाइन डाईन्यूक्लियोटाइड NAD+[15] और टेलोमिरेज[16] उम्र बढ़ने को उलटने के लिए भी प्रदर्शित किया गया है।)
- मृत्यु
- समय
- सीमित तापमान अंतर के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण
- टकराव
- विरूपण (इंजीनियरिंग) प्लास्टिक विरूपण
- प्रतिरोध (बिजली) के माध्यम से विद्युत प्रवाह का प्रवाह
- हिस्टैरिसीस के साथ चुंबकत्व या ध्रुवीकरण
- अनर्गल द्रव यांत्रिकी
- सहज रासायनिक प्रतिक्रियाएँ
- अलग-अलग संघटन अवस्थाओं के पदार्थ का सहज मिश्रण
जूल विस्तार क्लासिकल ऊष्मप्रवैगिकी का उदाहरण है, क्योंकि एन्ट्रापी में परिणामी वृद्धि को काम करना सरल है। यह तब होता है जब तापीय रूप से पृथक कंटेनर ( छोटे से विभाजन के माध्यम से) के एक तरफ गैस की मात्रा रखी जाती है, जबकि कंटेनर के दूसरे भाग को खाली कर दिया जाता है; कंटेनर के दो भागों के बीच विभाजन को तब खोला जाता है, और गैस पूरे कंटेनर को भर देती है। गैस की आंतरिक ऊर्जा समान रहती है, जबकि आयतन बढ़ जाता है। मूल स्थिति को केवल गैस को उसके मूल आयतन में संपीड़ित करके पुनर्प्राप्त नहीं किया जा सकता है, क्योंकि इस संपीड़न से आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि होगी। मूल स्थिति को केवल फिर से संपीड़ित प्रणाली को ठंडा करके और पर्यावरण को अपरिवर्तनीय रूप से गर्म करके ही पुनर्प्राप्त किया जा सकता है। दाईं ओर का आरेख केवल तभी प्रयुक्त होता है जब पहला विस्तार मुक्त (जूल विस्तार) हो, अर्थात सिलेंडर के बाहर कोई वायुमंडलीय दबाव नहीं हो सकता है और कोई भार नहीं उठाया जा सकता है।
जटिल प्रणाली
प्रतिवर्ती और अपरिवर्तनीय घटनाओं के बीच के अंतर का जटिल प्रणालियों (जैसे जीवित जीव, या पारिस्थितिक तंत्र) में विशेष व्याख्यात्मक मूल्य है। जीव विज्ञानी हम्बर्टो मातुराना और फ्रांसिस्को वरेला के अनुसार, जीवित जीवों को आत्मनिर्णय की की विशेषता होती है, जो उनके निरंतर अस्तित्व को सक्षम बनाता है। भौतिक विज्ञानी और रसायनज्ञ इल्या प्रिझोगिन द्वारा स्व-आयोजन प्रणालियों के अधिक आदिम रूपों का वर्णन किया गया है। जटिल प्रणालियों के संदर्भ में, ऐसी घटनाएँ जो कुछ स्व-संगठित प्रक्रियाओं के अंत की ओर ले जाती हैं, जैसे मृत्यु, किसी प्रजाति का विलुप्त होना या किसी मौसम संबंधी प्रणाली के पतन को अपरिवर्तनीय माना जा सकता है। यहां तक कि अगर एक ही संगठनात्मक सिद्धांत (जैसे समान डीएनए-संरचना) के साथ क्लोन (आनुवांशिकी) विकसित किया जा सकता है, तो इसका अर्थ यह नहीं होगा कि पूर्व अलग प्रणाली अस्तित्व में आती है। ऐसी घटनाएँ जिनके लिए जीवों, प्रजातियों या अन्य जटिल प्रणालियों की स्व-संगठित क्षमताएँ अनुकूल हो सकती हैं, जैसे मामूली चोटें या भौतिक वातावरण में परिवर्तन प्रतिवर्ती हैं। चूंकि, अनुकूलन जीव में नकारात्मकता के आयात पर निर्भर करता है, जिससे इसके वातावरण में अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं बढ़ जाती हैं।[17] पारिस्थितिक सिद्धांत, जैसे कि स्थिरता और एहतियाती सिद्धांत को प्रतिवर्तीता की अवधारणा के संदर्भ में परिभाषित किया जा सकता है।[18][19][20][21][22][23][5][24][25]
यह भी देखें
- एंट्रॉपी उत्पादन
- एंट्रॉपी (समय का तीर)
- Exergy
- प्रतिवर्ती प्रक्रिया (थर्मोडायनामिक्स)
- एक तरफ़ा कार्य
- गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी
- समरूपता तोड़ना
संदर्भ
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