ఉష్ణగతిక సూత్రాలు
ఈ వ్యాసం లోని భాష వ్యాకరణయుక్తంగా లేదు, కృతకంగా ఉంది. పూర్తిగానో, పాక్షికంగానో అనువాద ఉపకరణం ద్వారా అనువదించి, అందులో వచ్చే దోషాలను సవరించకుండా ప్రచురించి ఉండవచ్చు. భాషను వీలైనంతగా సహజంగా తీర్చిదిద్ది, ఈ మూసను తొలగించండి. ఒక వారం రోజుల పాటు దిద్దుబాట్లు జరక్కపోతే, తొలగింపుకు ప్రతిపాదించండి. |
ఉష్ణగతిక సూత్రాలు
మార్చుథర్మోడైనమిక్స్ నాలుగు సూత్రాలు, ఉష్ణవ్యవస్థల యొక్క ప్రాథమిక భౌతిక పరిమాణాలను (ఉష్ణోగ్రత, శక్తి, ఎంట్రోపీ) వివరిస్తాయి. వివిధ క్లిష్టమైన పరిస్థితులలో భౌతిక పరిమాణాలు ఏ విధంగా వ్యవహరిస్తాయనే విషయాలను ఈ సూత్రాలు తెలియజేయును (ఉదాహరణకు శాశ్వత చలనం వంటివి ). థెర్మోడైనమిక్స్ నాలుగు సూత్రాలు ఏమనగా
ఏవైనా రెండు వ్యవస్థలు మూడవ వ్యవస్థతో ధార్మిక సమతుల్యంలో వున్నచో, మొదటి రెండు వ్యవస్థలు కూడా ఒక దానితో మరొకటి ధార్మిక సమతుల్యములో వుండును.దీనిని ఉష్ణోగ్రత నను వివరించేందుకు ఉపకరించేను.
వేడి అనునది శక్తి యొక్క రూపం .శక్తి నిత్యత్వ సూత్రం ప్రకారముగా వేడి బయటి నుండి వ్యవస్థ లోనికి కానీ, మరొక విధంగా కానీ ప్రవహించినచో, వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తినందు మార్పునకు కారణం అవుతుంది.అందుచేత ఏ పరికరం అయిననూ ఈ మొదటి సూత్రాన్ని ఉల్లంగిండమనేది అసాధ్యం.
ఎటువంటి ధార్మిక సమతుల్యతలో లేనటువంటి వివక్త వ్యవస్థ యొక్క ఎంట్రోఫీ అనునది ఎల్లప్పుడూ పెరుగుతుంది . క్లోజ్డ్ వ్యవస్థలు వాటి అంతట అవే సమతుల్యమునకు చేరును –ఈ స్థితి అందు వ్యవస్థకు గరిష్ఠ ఎంట్రోఫీ వుండును-దీనినే థర్మలైజేషన్ అని అంటారు .అందుచేత ఈ ధర్మాన్ని ఉల్లంగించు పరికరాలు అసాధ్యం.
ఎటువంటి శుద్ధమైన పదార్థము అయిననూ, అది ధార్మిక సమతుల్యములో వున్నచో, దాని ఉష్ణోగ్రత శూన్యానికి చేరుతున్నప్పుడు, దాని ఎంట్రోఫీ విలువ శూన్యము అగును.ఖచ్చిత మైన శూన్యం వద్ద ఎంట్రోఫీ విలువ సరిగ్గా సున్న .మిగిలిన అన్నీసందర్భాలలో దీని విలువ వివిధ స్థితుల సంఖ్య వలన తెలుసుకొనవచ్చును . ఐవే కాకుండా మరికొన్ని ప్రతిపాదించడమైనది.కానీ అవి పైన పేర్కొన్న వాటి వలె కచ్చితముగా నిరూపించని కారణం చేత వీటిని ప్రస్తావించము. ఈ నాలుగు ధర్మాలు భౌతిక శాస్త్రములోనే కాక వివిధ శాస్త్రాలలో ఉపయోగించవచ్చును.
జెరోయేత్ లా
మార్చుథెర్మోడైనమిక్స్ జెరోయేత్ లాను ఈ కింది విధంగా పేర్కొనవచ్చును. ఏ రెండు వ్యవస్థలు అయిననూ మూడవ దానితో ధార్మిక సమతుల్యతలో ఉన్నచో, మిగిలిన రెండు వ్యవస్థలు కూడా ఒక దానితో మరొకటి సమతుల్యములో ఉండును. ఇటువంటి విధంగా ధార్మిక సమతుల్యములో ఉన్న వ్యవస్థ యొక్క ఉష్ణోగ్రత సమానముగా వుండును. దీని చేత ఉష్ణోగ్రత అను ఒక లక్షణాన్ని ఉద్దేశించబడినది .పైన పేర్కొన్న లా, ఎటువంటి భౌతిక పరిమాణాన్ని ఊపయోగించుట కైననూ అనుసంధానమైనది .ఉధాహరణలు వాయువు యొక్క ద్రవ్య రాశి, వేరొక సంస్థల ఉష్ణోగ్రతలను సమానం చేయుట .కానీ ఈ ఉష్ణోగ్రతలను ఒక పరిమాణంగా భావించి వాస్తవ సంఖ్యలలో కొలవబడదు . ఈ ధర్మాన్ని అనేక విధాలుగా పేర్కొనబడింది.కొందరు సమర్థులైన శాస్త్రవేత్తల చేత పైన వివరించిన విధంగా పేర్కొనబడినది .కొన్ని వివరణల ప్రకారం ఉష్ణోగ్రత అనునది ఒక్క అక్షంలో మాత్రమే పరిమిత మని, దీని వలన వేడి నుండి చల్లని ఉష్ణోగ్రత వరకు వాస్తవ సంఖ్యలలో అమర్చవచ్చని పేర్కొనెను.ఈ ధర్మానికి ఏకైక వివరణ ఇవ్వడం జరగలేదు, ఎందుకనగా మన సాహిత్యంలో వివిధ నిర్వచనాలను చేసి వాటిని జెరోయేత్ లా అని చెప్పడం జరిగింది. ధార్మిక సమతుల్యత, ఉష్ణోగ్రత అను థర్మోడైనమిక్స్ ప్రాథమిక సూత్రాలను 19 వ శతాబ్దములో పేర్కొనేను .ఈ ధర్మానికి ఒకటి, రెండవ మూడవ ధర్మాలను గుర్తించినప్పుడు దీనికి ప్రాధాన్యం ఏర్పడటం చేత, దీనికి జెరోయేత్ లా అను పేరును ఖరారు చేసెను .ఈ సూత్రం యొక్క ముఖ్య ప్రాధాన్యం, ఉష్ణోగ్రతను ఎంట్రోఫికి సంబంధం లేని ఒక సంయోజక వేరియబుల్ అని పేర్కొనడం .ఇటువంటి ఉష్ణోగ్రత నిర్వచనాన్ని "అనుభావిక "అని అంటారు .
థెర్మోడైనమిక్స్ మొదటి ధర్మం :
మార్చుమొదటి లాను ఈ విధాలుగా పేర్కొనవచ్చును . ఒక క్లోజ్డ్ వ్యవస్థలో అంతర్గత శక్తి అనునది ఆ వ్యవస్థ లోనికి సరఫరా చేసిన వేడి మైనస్ అది చేసిన పని ΔUsystem =Q-W ఒక క్లోజ్డ్ సిస్టమ్ లో ఉష్ణగతిక చక్రమునందు అది తిరిగి మరలా దాని అసలు స్థితికి చేరునప్పుడు Qin అనునది ఒక దశలో సరఫరా చేయు వేడి మైనస్ Qout అనునది మరొక దశలో తొలగించబడిన వేడి .
ΔUsystem (full cycle) =0
దీనికి క్రమముగా
Q=Qin -Qout =W
ఒక క్లోజ్డ్ స్థిరోష్ణ వ్యవస్థలో, అంతర్గత శక్తి పెరుగుదల మాత్రమే ఆ వ్యవస్థ ప్రదర్శించిన పని యొక్క ఫలితం అవుతుంది .ఎందుకనగా
ΔUsystem =Ufinal –Uinitial = -W
ఇంకా వివరంగా మొదటి ధర్మాన్ని విభిన్న సూత్రాలలో పేర్కొనవచ్చును .
• శక్తి నిత్యత్వ చట్టం :
శక్తి అను దానిని ఎవరూ రూపొంది౦చలేరు లేక నాశనం చేయలేరు అని ఈ సూత్రం యొక్క ఉపోధ్గాతము అయితే శక్తి పలు రూపలుగా మార్పు చెందవచ్చును లేక శక్తి ఒక స్థానం నుంచి నుంచి మరొక స్తనమునకు ప్రవహించగలదు.ఐసోలేటెడ్ వ్యవస్థలో మొత్తం శక్తి ఎప్పటికీ మారదు.
• అంతర్గత శక్తి, ఉష్ణోగ్రతల మధ్య సంబంధం:
ఒక వ్యవస్థకు కచ్చితమైన ఉష్ణోగ్రత ఉండును.అప్పుడు దాని శక్తి మూడు విధాలుగా వుండును.అలాగే వ్యవస్థలో చలనం ఉన్నచో గతిజ శక్తి ఉండును .వ్యవస్థ మొత్తాన్ని ఒక ప్రాబల్యానికి గురి చేసినచో దానికి స్థితి శక్తిని ఒక స్థానానికి అనుగుణంగా చెప్ప వచ్చును . అంతర్గత శక్తి అనునది ఒక ప్రాథమిక పరిమాణం.దీనిని మనం సూక్ష్మ ఉష్ణగతి శాస్త్రంలో అపసవ్యంగా నున్న గతిజ శక్తి కలిగి ఉన్న అణువులు, వాటి మధ్య స్థితి శక్తిగా వర్ణించవచ్చును. వ్యవస్థ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరిగీ కొద్దీ సూక్ష్మ చలనం వల్ల గతిజ శక్తి జనిస్తుంది .అందువల్లనే అంతర్గత శక్తి అనునది మొదటి థెర్మోడైనమిక్స్ యొక్క ప్రత్యేక లక్షణం .
E total =KEsystem + PE system +Usystem
• వేడి ప్రవాహం కూడా శక్తి బదిలీ యొక్క రూపం .తాపన అనునది ఒక వ్యవస్థ నుండి మరొక వ్యవస్థ నుంచి కానీ లోనికి కానీ శక్తిని బదిలీ చేయుటమనే సహజ ప్రక్రియ .ఒక వ్యవస్థలో వేడి అనునది వేడిగా వున్న దాని నుంచి చల్ల ఉన్న దానికి ప్రవహిస్తుంది. • ఒక వేళ వ్యవస్థ యందు దృఢమైన గోడ వలె ఉన్నచో ఎటువంటి పదార్థం చొరబడటానికి వీలు లేకుండా, బాహ్య సుదూర క్షేత్ర బల ప్రభావం కూడా లేనిచో, దానికి అనుగుణం గానే శక్తి కూడా వ్యవస్థ లోనికి లేదా బయటకి చొరబడదు.
ΔUsystem=Q
Q అనునది బదిలీ అయిన శక్తి మొత్తాన్ని సూచిస్తుంది . పని అనునది ఒక శక్తి వ్యవస్థలోనికి లేదా బయటికి బదిలి చేయు ప్రక్రియ .సరిగా పేర్కొనక పోతే, ఎటువంటి దుర్వ్యాపరము లేకుండా పని జరిగిందని గ్రహించవలెను .ఆ వ్యవస్థ యందు అదియు ఒక సహజ ప్రక్రియలో కొంత శక్తి బయటకు వెలువడును .ఉదాహరణకు, ఒక యంత్రము ఒక వ్యవస్థను పైకి తీసుకొని వెళ్ళినచో, కొంత శక్తి ఆ యంత్రము నుండి వ్యవస్థకు వ్యాపించును .అప్పుడు ఆ వ్యవస్థ ఒక శక్తిని (భూ ఆకర్షణ స్థిత శక్తిని పొందుతుంది ) -W=ΔPEsystem లేక సాధారణంగా గతిజ శక్తి గాను, స్థిత శక్తి గాను, అంతర్గత శక్తి గాను విభజించబడుతుంది
-W=ΔKEsystem+ΔPEsystem +ΔUsystem
ఒక మాటర్ విడవ బడునప్పుడు దానికి సబందించిన అంతర్గత శక్తి కూడా మార్పు చెందుతుంది
(Uexternal ΔM) in =ΔUsystem
అనునది మార్పు చెందిన అంతర్గత శక్తి, డెల్టా M అనునది బదిలీ చెందిన మాస్.
పై రెండు సూత్రాలను కలిపినచో మొదటి థెర్మోడైనమిక్స్ ధర్మాన్ని పేర్కొనవచ్చును .ఒక శాశ్వత మైన చలన యంత్రాన్ని రూపొందించడం అసాధ్యం .
థెర్మోడైనమిక్స్ రెండవ ధర్మం
మార్చుఉష్ణగతిక శాస్త్ర రెండో సూత్రం, మరలా మార్చలేని సహజ ప్రక్రియలను, ప్రాదేశిక పదార్థం, శక్తి సజాతీయత, ముఖ్యంగా ఉష్ణోగ్రత గురించి స్పష్టం చేస్తుంది . ఇది ఆసక్తికరమైన, ముఖ్యమైన మార్గాల్లో వివిధ విధానాలు సూత్రీకరించవచ్చును . ఇది ఒక ఉష్ణగతిక వ్యవస్థ యొక్క ఎంట్రోపీ అనే పరిమాణం యొక్క ఉనికిని సూచిస్తుంది . ఈ పరిమాణం పరంగా ఇది తెలియజేస్తుంది.
సమీప ప్రాంతంలో ఉన్న రెండు వేరు వేరు వ్యవస్థలు, ఒక దానితో మరొకటి ఉష్ణ సమతుల్యతలో వున్నపుడు మూడవ దానితో కూడా పై రెండు ఉష్ణ సమతుల్యంలో ఉండవలసిన అవసరం లేదు . కానీ అవి చివరకు ఒక పరస్పర ఉష్ణగతిక సమతుల్యతను చేరుకుంటాయి . ప్రారంభ దశలో వేరు వేరు వ్యవస్థల యొక్క ఎంట్రోపీ మొత్తం కంటే తక్కువ లేదా చివరి కలయిక యొక్క మొత్తం ఎంట్రోపీ సమానంగా ఉంటుంది . రెండు వ్యవస్థలకు సమానత్వం లభించాలంటే వాటి సంబంధిత ఇంటెన్సివ్ వేరియబుల్స్ ( ఉష్ణోగ్రత, పీడనం ) సమానం అయి వుండాలి; అప్పుడు ఆఖరి వ్యవస్థ కూడా అదే విలువలను కలిగి వుంటుంది .వ్యవస్థ తన స్వంత అంతర్గత ఉష్ణగతికశాస్త్ర సమతుల్యత చేరుకున్నపుడే ఎంట్రోపీని నిర్వచిస్తారు రెండవ ధర్మం, వివిధ ప్రక్రియల అనేక రకాల రివేర్శీబుల్, ఇర్ర్ రివేర్శీబుల్ లను సూచిస్తుంది . అన్ని సహజ ప్రక్రియలు మరలా తిరిగి జరుగుతాయి . పూర్వస్థితికి చేరే ప్రక్రియలలో అనుకూలమైన సిద్ధాంతిక ఫ్రిక్షన్ ప్రకృతిలో ఏర్పడవు. పూర్వ స్థితికి చేరుకోలేని వాటి ప్రధాన ఉదాహరణగా ప్రసరణ లేక రేడియషన్ లను పేర్కొనవచ్చును. మొదట వివిధ ఉష్ణోగ్రతలు కలిగిన రెండు వస్తువులు ధార్మిక కనెక్షన్ లోకి వచ్చినప్పుడు, వేడి వేడిగా నున్న ప్రదేశం నుండి చల్లని వైపుగా ప్రవహిస్తుంది రెండవ ధర్మం మనకు అన్నీ విధాలను, ఉదాహరణకు రాపిడి, స్నిగ్ధత, ప్రతిచర్యలను చెబుతుంది . ఎంట్రోపి అను పదం విస్తృత పరిధిని అందిస్తుంది . ఉష్ణగతిక శాస్త్ర రెండో సూత్రం ప్రకారం ఒక సైద్ధాంతిక, బదిలీ అయిన ఉష్ణం, δQ, అనునది ఉష్ణోగ్రత ( T ), రెండు వ్యవస్థల యొక్క మూలాల లేదా వేడి గమ్యం యొక్క ఉత్పత్తితో పాటుగా వ్యవస్థ యొక్క సంయోజక వేరియబుల్ పెంపు (DS, దానినే ఎంట్రోపీ (S) అంటారు .
δQ=TdS
ఎంట్రోపిని ఒక వ్యవస్థ యొక్క మైక్రోస్కోపిక్ వివరాల గురించి సమాచారం లేనప్పుడు ఒక భౌతిక పరిమాణంగా పరిగణించవచ్చును.ఈ సూత్రం ద్వారా, ఇచ్చిన రెండు స్టేట్ లో, వాటి మధ్య ఎంట్రోపి తేడా అనే ప్రామాణికం స్పష్టమగుచున్నది. దీని ద్వారా ఆధనంగా కావలసిన సూక్ష్మ భౌతిక సమాచారాన్ని తెలియజేస్తుంది .సహజ విధానంలో ఆఖరి విషయంలో ఎప్పుడూ, పూర్తిగా, కచ్చితంగా ప్రక్రియ యొక్క పరిస్థితి యొక్క సూక్ష్మ వివరణ నుండి అంచనా వేయవచ్చును.అందు చేతే ఎంట్రోపి సహజ పద్ధతుల్లో ఎందుకు పెరుగుతుందో చెప్పవచ్చును.కనుక ఈ తేడా ద్వారా నే మొదటి పరిస్థితి నుండి ఆఖరి పరిస్థితి ఉన్న భేదాని చెప్పవచ్చును.
థెర్మోడైనమిక్స్ మూడవ ధర్మం:
మార్చుమూడవ థర్మోడైనమిక్స్ లాను ఈ విధంగా పేర్కొనవచ్చును . ఉష్ణోగ్రత నిరంకుశాన్ని సమీపిస్తున్న ఏ శుద్ధ పదార్థం అయిన ఒక కచ్చితమైన క్రిస్టల్ యొక్క ఎంట్రోపీ సున్నా. సున్నా ఉష్ణోగ్రత వద్ద వ్యవస్థ కనీస ఉష్ణ శక్తితో సమాన స్థితిలో ఉండాలి . కచ్చితమైన క్రిస్టల్ కనీస శక్తితో ఒకే స్థితిలో ఉండును అని పేర్కొనేను . ఎంట్రోపి సాధ్యమైన సూక్ష్మ సంఖ్యతో సంబంధించబడినది .
S = KB ln Ω
S అనగా వ్యవస్థ యొక్క ఎంట్రోఫి KB అనగా బోల్ట జమెన్ కొంస్టంట్ Ω శూన్య క ఉష్ణోగ్రత వద్ద సాధ్యమైన సూక్ష్మ స్థితులు Ω=1 అయిన అన్నీ ఒకే స్థితిలో వుండుట అనగా ln (1) =0
ఇటువంటి విధంగా ఒకటి కంటే ఎక్కువగా సూక్ష్మదర్శిని ప్రత్యేక శక్తి స్థితి కలిగి ఉండవచ్చు, లేదా అయితే కచ్చితంగా ఒక కనీస శక్తి స్థితి, " స్తంభింప " ఒక సూక్ష్మదర్శిని ప్రత్యేక స్థితి ఉండవచ్చు. గాజు వంటి వ్యవస్థలకు మూడవ ధర్మం, అనగా కచ్చితంగా సాధారణ రూపము, నిరంకుశ ఉష్ణోగ్రత వద్ద వర్తిస్తుంది ఉష్ణోగ్రత సున్నా సమీపిస్తున్న కొద్దీ వ్యవస్థ యొక్క ఎంట్రోపీని స్థిరమైన విలువకు చేరును. స్థిరమైన విలువ (సున్నా నే కచ్చితంగా కావలసిన అవసరం లేదు ) వ్యవస్థ యొక్క మిగిలిన ఎంట్రోపి అంటారు .
.