Thermodynamic Equilibrium | Engineering Thermodynamics |
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थर्मोडायनामिक संतुलन थर्मोडायनामिक्स की एक स्वयंसिद्ध अवधारणा है। यह एक एकल थर्मोडायनामिक प्रणाली की एक आंतरिक स्थिति है, या अधिक या कम पारगम्य या अभेद्य दीवारों से जुड़े कई थर्मोडायनामिक प्रणालियों के बीच एक संबंध है। थर्मोडायनामिक संतुलन में, किसी प्रणाली के भीतर या प्रणालियों के बीच, पदार्थ या ऊर्जा के शुद्ध स्थूल प्रवाह नहीं होते हैं।
एक प्रणाली में जो आंतरिक थर्मोडायनामिक संतुलन की अपनी स्थिति में है, कोई स्थूल परिवर्तन नहीं होता है।
आपसी थर्मोडायनामिक संतुलन में सिस्टम एक साथ आपसी थर्मल, मैकेनिकल, केमिकल, और रेडियोधर्मी संतुलन में होते हैं। सिस्टम एक प्रकार के पारस्परिक संतुलन में हो सकते हैं, हालांकि दूसरों में नहीं। थर्मोडायनेमिक संतुलन में, सभी प्रकार के संतुलन एक बार और अनिश्चित काल तक पकड़ते हैं, जब तक कि एक थर्मोडायनामिक ऑपरेशन से परेशान न हों। एक स्थूल संतुलन में, पूरी तरह से या लगभग पूरी तरह से संतुलित सूक्ष्म आदान-प्रदान होता है; यह स्थूल संतुलन की धारणा की भौतिक व्याख्या है।
आंतरिक थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में एक थर्मोडायनामिक प्रणाली में एक स्थानिक रूप से समान तापमान होता है। इसके गहन गुण, तापमान के अलावा, इसके चारों ओर लगाए गए अपरिवर्तनीय लंबी दूरी के बल क्षेत्र द्वारा स्थानिक अयोग्यता के लिए प्रेरित किया जा सकता है।
ऐसी प्रणालियों में जो गैर-संतुलन की स्थिति में हैं, इसके विपरीत, पदार्थ या ऊर्जा के शुद्ध प्रवाह से होते हैं। यदि इस तरह के बदलावों को एक प्रणाली में होने के लिए ट्रिगर किया जा सकता है जिसमें वे पहले से ही नहीं हो रहे हैं, तो सिस्टम को मेटा-स्थिर संतुलन में कहा जाता है।
हालांकि व्यापक रूप से एक "कानून" का नाम नहीं दिया गया है, लेकिन यह ऊष्मप्रवैगिकी का एक स्वयंसिद्ध है कि थर्मोडायनामिक संतुलन के राज्य मौजूद हैं। ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम कहता है कि जब किसी पदार्थ का शरीर एक संतुलन अवस्था से शुरू होता है, जिसमें, इसके भागों को अलग-अलग राज्यों में अधिक या कम पारगम्य या अभेद्य विभाजन द्वारा आयोजित किया जाता है, और एक ऊष्मागतिक विभाजन को हटा देता है या विभाजन को अधिक पारगम्य बनाता है और यह अलग-थलग है, फिर यह अनायास अपने आप में, आंतरिक थर्मोडायनामिक संतुलन की नई स्थिति तक पहुंचता है, और यह अंशों के प्रवेश की राशि में वृद्धि के साथ है।
शास्त्रीय थर्मोडायनामिक्स गतिशील संतुलन के राज्यों से संबंधित है। थर्मोडायनामिक संतुलन में एक प्रणाली की स्थिति वह है जिसके लिए कुछ थर्मोडायनामिक क्षमता को कम से कम किया जाता है, या जिसके लिए निर्दिष्ट स्थितियों के लिए एन्ट्रापी (S) को अधिकतम किया जाता है। एक ऐसी क्षमता है हेल्महोल्ट्ज़ फ्री एनर्जी (A), जो नियंत्रित तापमान और आयतन के आसपास के सिस्टम के लिए है:
A = U - TS
एक अन्य क्षमता, गिब्स मुक्त ऊर्जा (G), एक प्रणाली में थर्मोडायनामिक संतुलन में नियंत्रित निरंतर तापमान और दबाव पर परिवेशी है:
G = U-TS + PV
जहां T निरपेक्ष थर्मोडायनामिक तापमान को दर्शाता है, P दबाव, S एन्ट्रॉपी, V वॉल्यूम, और U सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा।
थर्मोडायनामिक संतुलन एक अद्वितीय स्थिर स्थिर स्थिति है, जो लंबे समय से सिस्टम के अपने परिवेश के साथ संपर्क करने के रूप में संपर्क किया जाता है या अंततः पहुंच जाता है। उपर्युक्त क्षमताएँ गणितीय रूप से थर्मोडायनामिक मात्रा के रूप में निर्मित होती हैं जिन्हें निर्दिष्ट परिवेश में विशेष परिस्थितियों में कम से कम किया जाता है।
पदार्थ का संग्रह अपने परिवेश से पूरी तरह अलग हो सकता है। अगर इसे लंबे समय तक अनिश्चित काल के लिए छोड़ दिया गया है, तो शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी यह कहती है कि यह एक ऐसी स्थिति में है, जिसमें कोई परिवर्तन नहीं होता है और इसके भीतर कोई प्रवाह नहीं होता है। यह आंतरिक संतुलन की एक थर्मोडायनामिक स्थिति है।
ऐसे राज्यों में एक प्रमुख चिंता का विषय है जिसे शास्त्रीय या संतुलन थर्मोडायनामिक्स के रूप में जाना जाता है, क्योंकि वे प्रणाली के एकमात्र राज्य हैं जिन्हें उस विषय में परिभाषित किया गया है। एक अन्य प्रणाली के साथ संपर्क में एक प्रणाली एक थर्मोडायनामिक ऑपरेशन द्वारा अलग-थलग हो सकती है, और अलगाव की स्थिति में, इसमें कोई परिवर्तन नहीं होता है। किसी अन्य प्रणाली के संपर्क संतुलन के संबंध में एक प्रणाली इस प्रकार आंतरिक थर्मोडायनामिक संतुलन की अपनी स्थिति में होने के रूप में भी माना जा सकता है।
यह वैश्विक और स्थानीय थर्मोडायनामिक संतुलन के बीच अंतर करना उपयोगी है। ऊष्मप्रवैगिकी में, एक प्रणाली के भीतर और सिस्टम के बाहर और बाहर गहन मापदंडों द्वारा आदान-प्रदान किया जाता है। एक उदाहरण के रूप में, तापमान हीट एक्सचेंज को नियंत्रित करता है। ग्लोबल थर्मोडायनामिक संतुलन (GTE) का अर्थ है कि वे गहन पैरामीटर पूरे सिस्टम में सजातीय हैं, जबकि स्थानीय थर्मोडायनामिक संतुलन (LTE) का अर्थ है कि वे गहन पैरामीटर अंतरिक्ष और समय में भिन्न हो रहे हैं, लेकिन इतने धीरे-धीरे भिन्न हो रहे हैं कि, किसी भी बिंदु के लिए, कोई भी कर सकता है उस बिंदु के बारे में कुछ पड़ोस में थर्मोडायनामिक संतुलन मान लें।
यदि सिस्टम के विवरण में गहन मापदंडों में भिन्नता की आवश्यकता होती है, जो बहुत बड़ी हैं, तो बहुत अधिक धारणाएं, जिनके आधार पर इन गहन मापदंडों की परिभाषाएं टूट जाती हैं, और सिस्टम न तो वैश्विक और न ही स्थानीय संतुलन में होगा। उदाहरण के लिए, किसी कण को अपने परिवेश के लिए संतुलित करने के लिए कुछ निश्चित टकराव होते हैं। यदि इन टकरावों के दौरान चली गई औसत दूरी इसे उस पड़ोस से हटा देती है जो इसके बराबर है, तो यह कभी भी संतुलित नहीं होगा, और कोई LTE नहीं होगा। तापमान, परिभाषा के अनुसार, एक संतुलित पड़ोस की औसत आंतरिक ऊर्जा के आनुपातिक है। चूंकि कोई समतुल्य पड़ोस नहीं है, तापमान की अवधारणा धारण नहीं करती है, और तापमान अपरिभाषित हो जाता है।
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि यह स्थानीय संतुलन सिस्टम में कणों के एक निश्चित सबसेट पर ही लागू हो सकता है। उदाहरण के लिए, LTE आमतौर पर केवल बड़े पैमाने पर कणों पर लागू होता है। एक विकिरण गैस में, गैस द्वारा उत्सर्जित और अवशोषित होने वाले फोटॉन को एक दूसरे के साथ या एलटीई के अस्तित्व के लिए गैस के बड़े कणों के साथ एक थर्मोडायनामिक संतुलन में होने की आवश्यकता नहीं है। कुछ मामलों में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों के लिए आवश्यक नहीं माना जाता है कि वे एलटीई के अस्तित्व के लिए अधिक विशाल परमाणुओं या अणुओं के साथ संतुलन में हों।
एक उदाहरण के रूप में, एलटीई एक गिलास पानी में मौजूद होगा जिसमें एक पिघलने वाला बर्फ घन होता है। कांच के अंदर के तापमान को किसी भी बिंदु पर परिभाषित किया जा सकता है, लेकिन यह बर्फ के क्यूब के पास ठंडी है, इससे दूर है। यदि किसी दिए गए बिंदु के पास स्थित अणुओं की ऊर्जा देखी जाती है, तो उन्हें एक निश्चित तापमान के लिए मैक्सवेल-बोल्ट्जमैन वितरण के अनुसार वितरित किया जाएगा। यदि किसी अन्य बिंदु के पास स्थित अणुओं की ऊर्जा का अवलोकन किया जाता है, तो उन्हें मैक्सवेल-बोल्ट्जमैन वितरण के अनुसार दूसरे तापमान पर वितरित किया जाएगा।
स्थानीय थर्मोडायनामिक संतुलन को स्थानीय या वैश्विक स्थिरता की आवश्यकता नहीं होती है। दूसरे शब्दों में, प्रत्येक छोटे इलाके को निरंतर तापमान की आवश्यकता नहीं होती है। हालाँकि, इसके लिए आवश्यक है कि प्रत्येक छोटा इलाका धीरे-धीरे बदलकर आणविक वेगों के अपने स्थानीय मैक्सवेल-बोल्ट्जमैन वितरण को व्यावहारिक रूप से बनाए रखे। एक वैश्विक गैर-संतुलन राज्य केवल स्थिर रूप से स्थिर हो सकता है यदि यह प्रणाली और बाहर के बीच आदान-प्रदान द्वारा बनाए रखा जाता है। उदाहरण के लिए, पिघले हुए पानी की भरपाई के लिए विश्व स्तर पर स्थिर स्थिर स्थिति को लगातार बारीक पीसा हुआ बर्फ डालकर पानी के गिलास के अंदर बनाए रखा जा सकता है, और लगातार पिघलते हुए पानी को बहाया जा सकता है। प्राकृतिक परिवहन घटनाएं स्थानीय से वैश्विक थर्मोडायनामिक संतुलन के लिए एक प्रणाली का नेतृत्व कर सकती हैं। हमारे उदाहरण पर वापस जाएं, तो गर्मी का प्रसार हमारे ग्लास को वैश्विक थर्मोडायनामिक संतुलन की ओर ले जाएगा, एक राज्य जिसमें कांच का तापमान पूरी तरह से सजातीय है।
शास्त्रीय थर्मोडायनामिक्स गतिशील संतुलन के राज्यों से संबंधित है। थर्मोडायनामिक संतुलन में एक प्रणाली की स्थिति वह है जिसके लिए कुछ थर्मोडायनामिक क्षमता को कम से कम किया जाता है, या जिसके लिए निर्दिष्ट स्थितियों के लिए एन्ट्रापी (S) को अधिकतम किया जाता है। एक ऐसी क्षमता है हेल्महोल्ट्ज़ फ्री एनर्जी (A), जो नियंत्रित तापमान और आयतन के आसपास के सिस्टम के लिए है:
A = U - TS
एक अन्य क्षमता, गिब्स मुक्त ऊर्जा (G), एक प्रणाली में थर्मोडायनामिक संतुलन में नियंत्रित निरंतर तापमान और दबाव पर परिवेशी है:
G = U-TS + PV
जहां T निरपेक्ष थर्मोडायनामिक तापमान को दर्शाता है, P दबाव, S एन्ट्रॉपी, V वॉल्यूम, और U सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा।
थर्मोडायनामिक संतुलन एक अद्वितीय स्थिर स्थिर स्थिति है, जो लंबे समय से सिस्टम के अपने परिवेश के साथ संपर्क करने के रूप में संपर्क किया जाता है या अंततः पहुंच जाता है। उपर्युक्त क्षमताएँ गणितीय रूप से थर्मोडायनामिक मात्रा के रूप में निर्मित होती हैं जिन्हें निर्दिष्ट परिवेश में विशेष परिस्थितियों में कम से कम किया जाता है।
पदार्थ का संग्रह अपने परिवेश से पूरी तरह अलग हो सकता है। अगर इसे लंबे समय तक अनिश्चित काल के लिए छोड़ दिया गया है, तो शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी यह कहती है कि यह एक ऐसी स्थिति में है, जिसमें कोई परिवर्तन नहीं होता है और इसके भीतर कोई प्रवाह नहीं होता है। यह आंतरिक संतुलन की एक थर्मोडायनामिक स्थिति है।
ऐसे राज्यों में एक प्रमुख चिंता का विषय है जिसे शास्त्रीय या संतुलन थर्मोडायनामिक्स के रूप में जाना जाता है, क्योंकि वे प्रणाली के एकमात्र राज्य हैं जिन्हें उस विषय में परिभाषित किया गया है। एक अन्य प्रणाली के साथ संपर्क में एक प्रणाली एक थर्मोडायनामिक ऑपरेशन द्वारा अलग-थलग हो सकती है, और अलगाव की स्थिति में, इसमें कोई परिवर्तन नहीं होता है। किसी अन्य प्रणाली के संपर्क संतुलन के संबंध में एक प्रणाली इस प्रकार आंतरिक थर्मोडायनामिक संतुलन की अपनी स्थिति में होने के रूप में भी माना जा सकता है।
यह वैश्विक और स्थानीय थर्मोडायनामिक संतुलन के बीच अंतर करना उपयोगी है। ऊष्मप्रवैगिकी में, एक प्रणाली के भीतर और सिस्टम के बाहर और बाहर गहन मापदंडों द्वारा आदान-प्रदान किया जाता है। एक उदाहरण के रूप में, तापमान हीट एक्सचेंज को नियंत्रित करता है। ग्लोबल थर्मोडायनामिक संतुलन (GTE) का अर्थ है कि वे गहन पैरामीटर पूरे सिस्टम में सजातीय हैं, जबकि स्थानीय थर्मोडायनामिक संतुलन (LTE) का अर्थ है कि वे गहन पैरामीटर अंतरिक्ष और समय में भिन्न हो रहे हैं, लेकिन इतने धीरे-धीरे भिन्न हो रहे हैं कि, किसी भी बिंदु के लिए, कोई भी कर सकता है उस बिंदु के बारे में कुछ पड़ोस में थर्मोडायनामिक संतुलन मान लें।
यदि सिस्टम के विवरण में गहन मापदंडों में भिन्नता की आवश्यकता होती है, जो बहुत बड़ी हैं, तो बहुत अधिक धारणाएं, जिनके आधार पर इन गहन मापदंडों की परिभाषाएं टूट जाती हैं, और सिस्टम न तो वैश्विक और न ही स्थानीय संतुलन में होगा। उदाहरण के लिए, किसी कण को अपने परिवेश के लिए संतुलित करने के लिए कुछ निश्चित टकराव होते हैं। यदि इन टकरावों के दौरान चली गई औसत दूरी इसे उस पड़ोस से हटा देती है जो इसके बराबर है, तो यह कभी भी संतुलित नहीं होगा, और कोई LTE नहीं होगा। तापमान, परिभाषा के अनुसार, एक संतुलित पड़ोस की औसत आंतरिक ऊर्जा के आनुपातिक है। चूंकि कोई समतुल्य पड़ोस नहीं है, तापमान की अवधारणा धारण नहीं करती है, और तापमान अपरिभाषित हो जाता है।
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि यह स्थानीय संतुलन सिस्टम में कणों के एक निश्चित सबसेट पर ही लागू हो सकता है। उदाहरण के लिए, LTE आमतौर पर केवल बड़े पैमाने पर कणों पर लागू होता है। एक विकिरण गैस में, गैस द्वारा उत्सर्जित और अवशोषित होने वाले फोटॉन को एक दूसरे के साथ या एलटीई के अस्तित्व के लिए गैस के बड़े कणों के साथ एक थर्मोडायनामिक संतुलन में होने की आवश्यकता नहीं है। कुछ मामलों में, मुक्त इलेक्ट्रॉनों के लिए आवश्यक नहीं माना जाता है कि वे एलटीई के अस्तित्व के लिए अधिक विशाल परमाणुओं या अणुओं के साथ संतुलन में हों।
एक उदाहरण के रूप में, एलटीई एक गिलास पानी में मौजूद होगा जिसमें एक पिघलने वाला बर्फ घन होता है। कांच के अंदर के तापमान को किसी भी बिंदु पर परिभाषित किया जा सकता है, लेकिन यह बर्फ के क्यूब के पास ठंडी है, इससे दूर है। यदि किसी दिए गए बिंदु के पास स्थित अणुओं की ऊर्जा देखी जाती है, तो उन्हें एक निश्चित तापमान के लिए मैक्सवेल-बोल्ट्जमैन वितरण के अनुसार वितरित किया जाएगा। यदि किसी अन्य बिंदु के पास स्थित अणुओं की ऊर्जा का अवलोकन किया जाता है, तो उन्हें मैक्सवेल-बोल्ट्जमैन वितरण के अनुसार दूसरे तापमान पर वितरित किया जाएगा।
स्थानीय थर्मोडायनामिक संतुलन को स्थानीय या वैश्विक स्थिरता की आवश्यकता नहीं होती है। दूसरे शब्दों में, प्रत्येक छोटे इलाके को निरंतर तापमान की आवश्यकता नहीं होती है। हालाँकि, इसके लिए आवश्यक है कि प्रत्येक छोटा इलाका धीरे-धीरे बदलकर आणविक वेगों के अपने स्थानीय मैक्सवेल-बोल्ट्जमैन वितरण को व्यावहारिक रूप से बनाए रखे। एक वैश्विक गैर-संतुलन राज्य केवल स्थिर रूप से स्थिर हो सकता है यदि यह प्रणाली और बाहर के बीच आदान-प्रदान द्वारा बनाए रखा जाता है। उदाहरण के लिए, पिघले हुए पानी की भरपाई के लिए विश्व स्तर पर स्थिर स्थिर स्थिति को लगातार बारीक पीसा हुआ बर्फ डालकर पानी के गिलास के अंदर बनाए रखा जा सकता है, और लगातार पिघलते हुए पानी को बहाया जा सकता है। प्राकृतिक परिवहन घटनाएं स्थानीय से वैश्विक थर्मोडायनामिक संतुलन के लिए एक प्रणाली का नेतृत्व कर सकती हैं। हमारे उदाहरण पर वापस जाएं, तो गर्मी का प्रसार हमारे ग्लास को वैश्विक थर्मोडायनामिक संतुलन की ओर ले जाएगा, एक राज्य जिसमें कांच का तापमान पूरी तरह से सजातीय है।
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