ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम: सूत्र, समीकरण, उदाहरण - शारीरिक - 2025

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे कानून अभिव्यक्ति के कई रूप हैं। उनमें से एक बताता है कि कोई भी ऊष्मा इंजन पूरी तरह से उस सभी ऊर्जा को परिवर्तित करने में सक्षम नहीं है जिसे वह प्रयोग करने योग्य कार्य (केल्विन-प्लैंक फॉर्मेट) में अवशोषित करता है। यह कहने का एक और तरीका यह है कि वास्तविक प्रक्रियाएं इस तरह से होती हैं कि ऊर्जा की गुणवत्ता कम होती है क्योंकि एन्ट्रापी बढ़ जाती है।

यह कानून, जिसे ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे सिद्धांत के रूप में भी जाना जाता है, को समय के साथ उन्नीसवीं शताब्दी से लेकर वर्तमान तक अलग-अलग तरीकों से व्यक्त किया गया है, हालांकि इसकी उत्पत्ति इंग्लैंड में पहले भाप इंजन के निर्माण से हुई है। 18 वीं शताब्दी की शुरुआत में।

चित्रा 1. जब भवन ब्लॉकों को जमीन पर फेंकते हैं, तो वे क्रम में गिर गए तो बहुत आश्चर्य होगा। स्रोत: पिक्साबे

लेकिन यद्यपि यह कई तरह से व्यक्त किया जाता है, यह विचार कि मामला विचलित हो जाता है और यह कि कोई भी प्रक्रिया 100% कुशल नहीं है, क्योंकि नुकसान हमेशा मौजूद रहेगा।

सभी थर्मोडायनामिक सिस्टम इस सिद्धांत का पालन करते हैं, ब्रह्मांड के साथ सुबह की कॉफी तक शुरू होता है जो पर्यावरण के साथ गर्मी का आदान-प्रदान करने वाली मेज पर चुपचाप इंतजार करता है।

समय बीतने के साथ-साथ कॉफी ठंडा हो जाती है, जब तक कि यह पर्यावरण के साथ थर्मल संतुलन में नहीं है, इसलिए यह बहुत आश्चर्यजनक होगा अगर एक दिन विपरीत हुआ और पर्यावरण ठंडा हो गया जबकि कॉफी खुद को गर्म करती है। यह होने की संभावना नहीं है, कुछ असंभव कहेंगे, लेकिन यह कल्पना करने के लिए पर्याप्त है कि उस भावना का अनुमान लगाने के लिए जिसमें चीजें सहज होती हैं।

एक अन्य उदाहरण में, यदि हम किसी तालिका की सतह पर एक पुस्तक को स्लाइड करते हैं, तो यह अंततः बंद हो जाएगा, क्योंकि इसकी गतिज ऊर्जा घर्षण के कारण गर्मी के रूप में खो जाएगी।

थर्मोडायनामिक्स के पहले और दूसरे कानूनों की स्थापना 1850 के आसपास की गई थी, वैज्ञानिकों के लिए धन्यवाद जैसे कि भगवान केल्विन - "थर्मोडायनामिक्स" शब्द के निर्माता - विलियम रंकिन - थर्मोडायनामिक्स पर पहले औपचारिक पाठ के लेखक - और रूडॉफ क्लॉउसियस।

सूत्र और समीकरण

एन्ट्रॉपी - शुरुआत में उल्लेख किया गया है - हमें उस भावना को स्थापित करने में मदद करता है जिसमें चीजें होती हैं। थर्मल संपर्क में निकायों के उदाहरण पर वापस जाते हैं।

जब विभिन्न तापमानों पर दो वस्तुएं संपर्क में आती हैं और अंत में थोड़ी देर के बाद थर्मल संतुलन पर पहुंच जाती हैं, तो उन्हें इस तथ्य से प्रेरित किया जाता है कि एन्ट्रापी अधिकतम तक पहुंचती है, जब दोनों का तापमान समान होता है।

एस के रूप में एन्ट्रापी को अस्वीकार करते हुए, सिस्टम के एन्ट्रापी aS में परिवर्तन द्वारा दिया जाता है:

एन्ट्रापी indicatesS में परिवर्तन एक प्रणाली में विकार की डिग्री को इंगित करता है, लेकिन इस समीकरण के उपयोग में प्रतिबंध है: यह केवल प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं पर लागू होता है, अर्थात, जिसमें सिस्टम छोड़ने के बिना अपनी मूल स्थिति में वापस आ सकता है। क्या हुआ- का पता लगा।

अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं में, ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम इस प्रकार है:

प्रतिवर्ती और अपरिवर्तनीय प्रक्रियाएं

कॉफी का कप हमेशा ठंडा होता है और यह एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया का एक अच्छा उदाहरण है, क्योंकि यह हमेशा केवल एक दिशा में होता है। यदि आप कॉफी में क्रीम मिलाते हैं और हिलाते हैं, तो आपको एक बहुत ही सुखद संयोजन मिलेगा, लेकिन कोई फर्क नहीं पड़ता कि आप फिर से कितना हलचल करते हैं, आपके पास फिर से कॉफी और क्रीम अलग से नहीं होगा, क्योंकि सरगर्मी अपरिवर्तनीय है।

चित्रा 2. कप टूटना एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया है। स्रोत: पिक्साबे

यद्यपि अधिकांश दैनिक प्रक्रियाएं अपरिवर्तनीय हैं, कुछ लगभग प्रतिवर्ती हैं। प्रत्यावर्तन एक आदर्शवाद है। इसके लिए, सिस्टम को बहुत धीरे-धीरे बदलना चाहिए, इस तरह से कि प्रत्येक बिंदु पर यह हमेशा संतुलन में रहता है। इस तरह से परिवेश में एक निशान छोड़ने के बिना इसे पिछली स्थिति में वापस करना संभव है।

प्रक्रियाएं जो इस आदर्श के काफी करीब हैं, वे अधिक कुशल हैं, क्योंकि वे कम ऊर्जा खपत के साथ अधिक से अधिक काम करते हैं।

घर्षण बल बहुत अधिक अपरिवर्तनीयता के लिए जिम्मेदार है, क्योंकि इससे उत्पन्न ऊष्मा ऊर्जा का प्रकार नहीं है जो कि मांगी जाती है। तालिका में फिसलने वाली पुस्तक में, घर्षण गर्मी ऊर्जा है जो पुनर्प्राप्त नहीं होती है।

यहां तक ​​कि अगर किताब अपनी मूल स्थिति में लौटती है, तो टेबल उस पर आने और जाने के निशान के रूप में गर्म होगा।

अब एक गरमागरम प्रकाश बल्ब को देखें: वर्तमान में फिलामेंट के माध्यम से किए जाने वाले अधिकांश कार्य जूल प्रभाव से गर्मी में बर्बाद हो जाते हैं। प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए केवल एक छोटे प्रतिशत का उपयोग किया जाता है। दोनों प्रक्रियाओं (पुस्तक और प्रकाश बल्ब) में, प्रणाली की एन्ट्रापी बढ़ी है।

अनुप्रयोग

एक आदर्श मोटर वह है जो प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाया गया है और इसमें घर्षण की कमी है जो ऊर्जा अपशिष्ट का कारण बनता है, लगभग सभी थर्मल ऊर्जा को बेकार के काम में परिवर्तित करता है।

हम शब्द पर लगभग जोर देते हैं, क्योंकि आदर्श इंजन भी नहीं है, जो कि कारनोट है, 100% कुशल है। उष्मागतिकी का दूसरा नियम इस बात का ध्यान रखता है कि ऐसा न हो।

कारनोट इंजन

Carnot इंजन सबसे कुशल इंजन है जिसे तैयार किया जा सकता है। यह तापीय ऊर्जा के हस्तांतरण के बिना दो आइसोथर्मल प्रक्रियाओं में दो तापमान टैंकों के बीच - निरंतर तापमान पर और दो एडियाबेटिक प्रक्रियाओं के बीच संचालित होता है।

पीवी नामक ग्राफ - दबाव-मात्रा आरेख - एक नज़र में स्थिति को स्पष्ट करते हैं:

चित्रा 3. बाईं ओर कार्नोट मोटर आरेख और दाईं ओर पीवी आरेख। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

बाईं ओर, 3 चित्र में कार्नोट इंजन सी, जो गर्मी क्यू लेता है का चित्र है ₁ टैंक के तापमान पर है कि टी से ₁, धर्मान्तरित कि काम डब्ल्यू और स्थानान्तरण बेकार क्यू में गर्मी ₂ ठंडा टैंक है, जो तापमान T _{2 पर है} ।

ए से शुरू, सिस्टम बी तक पहुंचने तक फैलता है, निर्धारित तापमान टी ₁ पर गर्मी को अवशोषित करता है । बी में, सिस्टम एक एडियाबेटिक विस्तार शुरू करता है जिसमें कोई गर्मी प्राप्त नहीं होती है या खो जाती है, सी तक पहुंचने के लिए।

सी में एक और इज़ोटेर्मल प्रक्रिया शुरू होती है: गर्मी को दूसरे ठंडा थर्मल जमा में स्थानांतरित करने के लिए जो कि टी _{2 पर है} । जैसा कि ऐसा होता है, सिस्टम संकुचित हो जाता है और बिंदु D पर पहुंच जाता है। प्रारंभिक बिंदु A पर लौटने के लिए एक दूसरी एडियाबेटिक प्रक्रिया शुरू होती है। इस तरह एक चक्र पूरा होता है।

दो थर्मल जलाशयों के केल्विन में कारनोट इंजन की दक्षता तापमान पर निर्भर करती है:

कार्नोट के प्रमेय में कहा गया है कि यह सबसे कुशल गर्मी इंजन है, लेकिन इसे खरीदने के लिए बहुत जल्दी नहीं है। याद रखें कि हमने प्रक्रियाओं के उत्क्रमण के बारे में क्या कहा? उन्हें बहुत, बहुत धीरे-धीरे होना पड़ता है, इसलिए इस मशीन का पावर आउटपुट व्यावहारिक रूप से शून्य है।

मानव चयापचय

मानव को अपने सभी प्रणालियों को काम करने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है, इसलिए वे थर्मल मशीनों की तरह व्यवहार करते हैं जो ऊर्जा प्राप्त करते हैं और इसे यांत्रिक ऊर्जा में बदलते हैं, उदाहरण के लिए, स्थानांतरित करें।

काम करते समय मानव शरीर की दक्षता को यांत्रिक शक्ति और इसे खाने के साथ आने वाले कुल ऊर्जा इनपुट के बीच भागफल के रूप में परिभाषित किया जा सकता है।

चूँकि माध्य शक्ति P _m कार्य W है जो एक समय अंतराल में किया जाता है, इसे निम्न के रूप में व्यक्त किया जा सकता है:

यदि IfU / ist वह दर है जिस पर ऊर्जा जोड़ी जाती है, तो शरीर की कार्यक्षमता बन जाती है:

स्वयंसेवकों के साथ कई परीक्षणों के माध्यम से, 17% तक की क्षमता प्राप्त की गई है, जिससे कई घंटों के लिए लगभग 100 वाट बिजली मिलती है।

बेशक, यह काफी हद तक उस कार्य पर निर्भर करेगा जो किया जाता है। साइकिल चलाने में थोड़ी अधिक दक्षता होती है, लगभग 19%, जबकि दोहराए जाने वाले कार्यों में जिसमें फावड़े, पिक्स और हौज़ शामिल होते हैं, लगभग 3% होते हैं।

उदाहरण

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम ब्रह्मांड में होने वाली सभी प्रक्रियाओं में निहित है। एन्ट्रॉपी हमेशा बढ़ती रहती है, हालांकि कुछ प्रणालियों में यह घटता हुआ दिखाई देता है। ऐसा होने के लिए इसे कहीं और बढ़ाना पड़ा है, ताकि कुल संतुलन में यह सकारात्मक हो।

- सीखने में एन्ट्रापी है। ऐसे लोग हैं जो चीजों को अच्छी तरह से और तेज़ी से सीखते हैं, साथ ही बाद में उन्हें आसानी से याद रखने में सक्षम होते हैं। यह कहा जाता है कि वे कम एन्ट्रापी सीखने वाले लोग हैं, लेकिन निश्चित रूप से वे उच्च एन्ट्रॉपी वाले लोगों की तुलना में कम हैं: वे जो अध्ययन करते हैं उन्हें याद रखना अधिक कठिन है।

- अव्यवस्थित श्रमिकों वाली कंपनी में एक से अधिक एन्ट्रापी होती हैं जिसमें श्रमिक एक क्रमबद्ध तरीके से कार्य करते हैं। यह स्पष्ट है कि उत्तरार्द्ध पूर्व की तुलना में अधिक कुशल होगा।

- घर्षण बल मशीनरी के संचालन में कम दक्षता उत्पन्न करते हैं, क्योंकि वे विघटित ऊर्जा की मात्रा को बढ़ाते हैं जो कुशलता से उपयोग नहीं किया जा सकता है।

- पासा पलटने से सिक्के को फहराने की तुलना में अधिक उंचाई होती है। सब के बाद, एक सिक्के को उछालने के केवल 2 संभावित परिणाम हैं, जबकि मरने वाले की संख्या 6 है। जितनी अधिक संभावनाएं हैं, उतनी ही अधिक एंट्री होती है।

हल किया अभ्यास

अभ्यास 1

एक पिस्टन सिलेंडर 300 K के तरल और भाप के मिश्रण से भरा होता है और 750 kJ ऊष्मा निरंतर दबाव प्रक्रिया द्वारा पानी में स्थानांतरित होती है। नतीजतन, सिलेंडर के अंदर तरल वाष्पीकृत हो जाता है। प्रक्रिया में एन्ट्रॉपी में परिवर्तन की गणना करें।

चित्र 4. हल किए गए उदाहरण के लिए चित्रा 1. स्रोत: एफ। ज़पाटा।

उपाय

बयान में वर्णित प्रक्रिया को एक बंद प्रणाली में निरंतर दबाव में किया जाता है, जो बड़े पैमाने पर विनिमय से नहीं गुजरता है।

चूंकि यह एक वाष्पीकरण है, जिसके दौरान तापमान या तो नहीं बदलता है (चरण परिवर्तन के दौरान तापमान स्थिर है), ऊपर दिए गए एन्ट्रापी परिवर्तन की परिभाषा को लागू किया जा सकता है और तापमान अभिन्न के बाहर जा सकता है:

ΔS = 750,000 J / 300 K = 2,500 J / K

चूंकि गर्मी प्रणाली में प्रवेश करती है, एंट्रोपी में परिवर्तन सकारात्मक है।

व्यायाम २

एक गैस 2.00 से 6.00 वायुमंडल (atm) तक दबाव में वृद्धि करती है, जो 1.00 m ³ की निरंतर मात्रा को बनाए रखती है, और फिर 3.00 m ³ की मात्रा तक पहुंचने तक निरंतर दबाव में विस्तार करती है । अंत में यह अपनी प्रारंभिक अवस्था में लौट आता है। गणना करें कि 1 चक्र में कितना काम किया जाता है।

चित्रा 5. उदाहरण के लिए गैस में थर्मोडायनामिक प्रक्रिया 2. स्रोत: सर्वे-वुल। भौतिकी के मूल तत्व।

उपाय

यह एक चक्रीय प्रक्रिया है जिसमें ऊष्मागतिकी के पहले नियम के अनुसार आंतरिक ऊर्जा भिन्नता शून्य होती है, इसलिए Q = W. एक PV (दाब - आयतन) आरेख में, एक चक्रीय प्रक्रिया के दौरान किया गया कार्य समकक्ष होता है वक्र से घिरे क्षेत्र में। अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली में परिणाम देने के लिए निम्नलिखित रूपांतरण कारक का उपयोग करके दबाव में इकाइयों का परिवर्तन करना आवश्यक है:

1 एटीएम = 101.325 केपीए = 101.325 पा।

ग्राफ से घिरा क्षेत्र एक त्रिभुज से मेल खाता है जिसका आधार (3 - 1 m ³) = 2 m ^{3 है} और जिसकी ऊँचाई (6 - 2 atm) = 4 atm = 405,300 Pa है

डब्ल्यू _ABCA = ½ (2 मीटर ³ एक्स 405,300 Pa) = 405,300 जे = 405.3 केजे।

व्यायाम ३

सबसे अधिक कुशल मशीनों में से एक, ओहियो नदी पर कोयले से चलने वाली भाप टरबाइन कहा जाता है, जिसका उपयोग 1870 और 430 डिग्री सेल्सियस के बीच चलने वाले विद्युत जनरेटर को चालू करने के लिए किया जाता है।

गणना करें: ए) अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता, बी) यांत्रिक शक्ति जो मशीन वितरित करती है यदि यह गर्म टैंक से हर सेकंड 1.40 x 10 ⁵ J ऊर्जा अवशोषित करती है । वास्तविक दक्षता को 42.0% माना जाता है।

उपाय

क) अधिकतम दक्षता की गणना ऊपर दिए गए समीकरण से की जाती है:

डिग्री सेंटीग्रेड को केल्विन में बदलने के लिए, बस 273.15 सेंटीग्रेड तापमान में जोड़ें:

100% से गुणा करने पर अधिकतम प्रतिशत दक्षता मिलती है, जो कि 67.2% है

c) यदि वास्तविक दक्षता 42% है, तो अधिकतम क्षमता 0.42 है।

दी गई यांत्रिक शक्ति है: P = 0.42 x 1.40 x10 ⁵ J / s = 58800 W।

संदर्भ

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