11.1 परिचय

पिछले अध्याय में हमने द्रव की ऊष्मीय गुणों का अध्ययन किया था। इस अध्याय में हम ऊष्मायिक ऊर्जा के नियंत्रण करने वाले नियमों का अध्ययन करेंगे। हम उन प्रक्रियाओं का अध्ययन करेंगे जहाँ काम को ऊष्मा में और विपरीत परिवर्तित किया जाता है। सर्दियों में, जब हम अपनी पुटीयों को एक दूसरे से घुमाते हैं, तो हमें गर्म महसूस होता है; यहाँ घुमाने में किया गया काम ‘ऊष्मा’ उत्पन्न करता है। विपरीत रूप से, एक भाप इंजन में, भाप की ‘ऊष्मा’ का उपयोग पिस्टन को चलाकर उपयोगी काम करने के लिए किया जाता है, जो फिर ट्रेन के पहिए को घुमाते हैं।

भौतिक विज्ञान में, हमें ऊष्मा, तापमान, काम आदि जैसे अवधारणाओं को अधिक सावधानी से परिभाषित करने की आवश्यकता है। ऐतिहासिक रूप से, ‘ऊष्मा’ की उचित अवधारणा प्राप्त करने में लंबा समय लगा। आधुनिक तस्वीर से पहले, ऊष्मा को एक बहुत हल्की अदृश्य द्रव के रूप में माना जाता था जो एक पदार्थ के खान में भरा गया था। एक गर्म शरीर और एक ठंडे शरीर के संपर्क पर, द्रव (जिसे कैलोरिक कहते थे) ठंडे शरीर से गर्म शरीर की ओर प्रवाहित होता था! यह तब होता है जब एक समतल पाइप दो टंकीयों को एक दूसरे से जोड़ता है जिनमें पानी अलग-अलग ऊँचाइयों तक होता है। प्रवाह उस पर्याय तक जाता था जब दोनों टंकीयों में पानी के स्तर एक समान हो जाते थे। इसी तरह, ऊष्मा की ‘कैलोरिक’ तस्वीर में, ऊष्मा ‘कैलोरिक स्तर’ (अर्थात् तापमान) को समान करने तक प्रवाहित होती थी।

समय के साथ, ऊष्मा को द्रव के रूप में छोड़ दिया गया था और ऊष्मा को ऊर्जा के एक रूप के रूप में आधुनिक अवधारणा के लिए बदल दिया गया था। इस बात में एक महत्वपूर्ण प्रयोग बेंजामिन थॉमसन (जिसे काउंट रमफोर्ड के रूप में भी जाना जाता है) के प्रयोगशाला में 1798 में किया गया था। उन्होंने देखा कि लौह बाण की छेदन गर्मी उत्पन्न करती है, बार-बार इतनी गर्मी कि पानी के उल्टे जाने के लिए पर्याप्त है। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि उत्पन्न होने वाली ऊष्मा की मात्रा काम किए गए (ड्रेल को घुमाने के लिए प्रयुक्त घोड़ों द्वारा) के बराबर थी लेकिन ड्रेल की तेजाब के बराबर नहीं थी। एक अधिक तेज ड्रेल खान से अधिक ऊष्मा द्रव को छीन लेता है के रूप में कैलोरिक तस्वीर में एक तेज ड्रेल अधिक ऊष्मा द्रव को छीन लेता है; लेकिन यह न ही देखा गया। अपेक्षाकृत एक प्राकृतिक व्याख्या इस अवलोकन के लिए थी कि ऊष्मा ऊर्जा का एक रूप है और प्रयोग ऊर्जा को एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित करने का प्रदर्शन करता है-काम से ऊष्मा में।

उष्मायिकता भौतिक विज्ञान की एक शाखा है जो ऊष्मा और तापमान के अवधारणाओं और ऊष्मा और अन्य ऊर्जा रूपों के बीच परिवर्तन के लिए संबंधित है। उष्मायिकता एक मैक्रोस्कोपिक विज्ञान है। यह द्रव की आणविक संरचना में नहीं जाता है बल्कि बड़े पैमाने पर सिस्टम के लिए है। फिर भी, इसके अवधारणाओं और नियमों को दशक के दौरान द्रव की आणविक तस्वीर ठीक से स्थापित होने से पहले रचा गया था। उष्मायिक वर्णन सिस्टम के थोड़े अधिक मैक्रोस्कोपिक चरों का उपयोग करता है, जो सामान्य संस्कृति से संबंधित हैं और आमतौर पर सीधे मापे जा सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक गैस के लिए एक आणविक वर्णन गैस के निर्माण करने वाले बहुत अधिक संख्या में आणविक कोण और गति निर्दिष्ट करेगा। गैसों के आणविक विज्ञान की व्याख्या इतनी विस्तृत नहीं है लेकिन यह आणविक गति के वितरण को शामिल करता है। उदाहरण के लिए, एक गैस के लिए उष्मायिक वर्णन, इसके बजाय, आपूर्ति के बड़े पैमाने पर चरों जैसे दबाव, आयतन, तापमान, द्रव और संरचना के साथ गैस की स्थिति निर्दिष्ट करता है जो हमारी संभ्रम और आमतौर पर मापने योग्य हैं।

यह भौतिक विज्ञान और भौतिक विज्ञान के बीच अंतर याद रखने योग्य है। भौतिक विज्ञान में, हमारी चिंता आणविक या शरीरों की गति पर है जो शक्ति और टॉरक के कार्य के तहत हैं। उष्मायिकता सिस्टम की समग्र गति के संबंध में नहीं है। यह शरीर की आंतरिक मैक्रोस्कोपिक स्थिति के संबंध में है। जब एक बल्ली एक बादशाह से छलांग लगाती है, तो बल्ली की यांत्रिक स्थिति (खासकर इसकी गतिज ऊर्जा) बदल जाती है, न कि इसका तापमान। जब बल्ली एक लकड़ी को छूती है और रुक जाती है, तो बल्ली की गतिज ऊर्जा ऊष्मा में परिवर्तित हो जाती है, जिससे बल्ली और आसपास के लकड़ी के परतों का तापमान बदल जाता है। तापमान बल्ली की आंतरिक (अव्यवस्थित) गति की ऊर्जा से संबंधित है, न कि बल्ली की समग्र गति से।

11.2 ऊष्मीय संतुलन

भौतिक विज्ञान में संतुलन का अर्थ है कि एक सिस्टम पर कुल वाहक शक्ति और टॉरक शून्य हैं। उष्मायिकता में ‘संतुलन’ शब्द का उपयोग एक अलग संदर्भ में किया जाता है: हम कहते हैं कि एक सिस्टम की स्थिति एक संतुलन स्थिति है अगर उसके द्वारा वर्णित मैक्रोस्कोपिक चर समय के साथ बदलते नहीं हैं। उदाहरण के लिए, एक बंद कठोर भंडार के अंदर एक गैस, जो अपने आसपास के पर्यावरण से पूरी तरह से बंद है, जिसमें दबाव, आयतन, तापमान, द्रव और संरचना के स्थिर मान हैं जो समय के साथ बदलते नहीं हैं, उष्मायिक संतुलन की एक स्थिति में है।

आकृति 11.1 (ए) सिस्टम A और B (दो गैसें) एक अधार्मिक दीवार द्वारा अलग हैं-एक बंद दीवार जो ऊष्मा के प्रवाह की अनुमति नहीं देती। (ब) उन सिस्टम A और B दोनों के बीच एक दात्र दीवार द्वारा अलग है-एक प्रवाह दीवार जो ऊष्मा को एक से दूसरे की ओर प्रवाहित करने की अनुमति देती है। इस स्थिति में, ऊष्मीय संतुलन उचित समय तक प्राप्त होता है।

आमतौर पर, एक सिस्टम की स्थिति में संतुलन होने के लिए या नहीं यह पर्यावरण और सिस्टम के पर्यावरण से अलग करने वाली दीवार की प्रकृति पर निर्भर करता है। दो गैसों $A$ और $B$ को दो अलग-अलग भंडारों में व्यवस्थित करें। हम प्रयोगशाला से ज्ञात है कि एक दिए गए द्रव के दबाव और आयतन को उसके दो स्वतंत्र चर के रूप में चुना जा सकता है। गैसों के दबाव और आयतन को $\left(P_A, V_A\right)$ और $\left(P_B, V_B\right)$ के रूप में मान लें। पहले मान लीजिए कि दोनों सिस्टम के पास एक दूसरे के पास आ जाते हैं लेकिन एक अधार्मिक दीवार द्वारा अलग हैं-एक बंद दीवार (कभी-कभी सक्रिय हो सकती है) जो एक से दूसरे के बीच ऊर्जा (ऊष्मा) के प्रवाह की अनुमति नहीं देती। सिस्टम अपने आसपास के बाकी पर्यावरण से भी इसी तरह की अधार्मिक दीवारों द्वारा बंद हैं। इस स्थिति को आकृति 11.1 (ए) में स्केमेटिक रूप से दिखाया गया है। इस स्थिति में, यह पाया जाता है कि कोई भी संभावित जोड़ी मान $\left(P_{A}, V_{A}\right)$ एक दूसरे के साथ संतुलन में होगी $\left(P_{B}, V_{B}\right)$। अब, मान लीजिए कि अधार्मिक दीवार को दात्र दीवार द्वारा बदल दिया गया है-एक प्रवाह दीवार जो एक से दूसरे के बीच ऊर्जा प्रवाह की अनुमति देती है। फिर भी यह पाया जाता है कि सिस्टमों $A$ और $B$ के मैक्रोस्कोपिक चर आत्मविश्वासपूर्ण रूप से बदल जाते हैं जब तक दोनों सिस्टम संतुलन स्थिति प्राप्त नहीं कर लेते। इसके बाद उनकी स्थितियों में कोई बदलाव नहीं होता। इस स्थिति को आकृति 11.1(ब) में दिखाया गया है। दोनों गैसों के दबाव और आयतन चरों $\left(P_{B}{ }^{\prime}, V_{B}{ }^{\prime}\right)$ और $\left(P_{A}{ }^{\prime}, V_{A}{ }^{\prime}\right)$ में बदल जाते हैं जिससे $A$ और $B$ की नई स्थितियाँ एक दूसरे के साथ संतुलन में होती हैं। एक से दूसरे के बीच अब कोई ऊर्जा प्रवाह नहीं होता। तब हम कहते हैं कि सिस्टम $A$ ऊष्मायिक रूप से सिस्टम $B$ के साथ संतुलित है।

दो सिस्टमों के बीच ऊष्मीय संतुलन की स्थिति किस प्रकार की विशेषता रखती है? अपने अनुभव से आप उत्तर की अनुमान लगा सकते हैं। ऊष्मायिक संतुलन में, दोनों सिस्टमों का तापमान एक समान होता है। हम देखेंगे कि उष्मायिकता में तापमान की अवधारणा कैसे प्राप्त होती है? उष्मायिकता का शून्यवाद नियम यह सुझाव देता है।

11.3 उष्मायिकता का शून्यवाद नियम

एक अवधारणा के बारे में सोचें जिसे हम अपने अनुभव से प्राप्त करते हैं। ऊष्मायिक संतुलन में, दोनों सिस्टमों का तापमान एक समान होता है। हम देखेंगे कि उष्मायिकता में तापमान की अवधारणा कैसे प्राप्त होती है? उष्मायिकता का शून्यवाद नियम यह सुझाव देता है।

$A$ $B$ $C$ $A$ $B$ $C$ $A$ $B$ $C$ $A$ $B$ $A$ $B$ $A$ $B$ $(T)$ $A$ $B$ $C, T_{A}=T_{C}$ $T_{B}=T_{C}$ $T_{A}=T_{B}$ $A$ $B$ $U$ $U$ $U$ $U$ $\Delta Q=$ $\Delta W=$ $\Delta U=$ $(\Delta Q)$ $(\Delta U)$ $(\Delta W)$ $\left(P_{1}, V_{1}\right)$ $\left(P_{2}, V_{2}\right)$ $V_{1}$ $V_{2}$ $\left(P_{1}, V_{2}\right)$ $P_{1}$ $P_{2}$ $\left(P_{2}, V_{2}\right)$ ⟦1