बुनियादी भौतिकी ट्यूटोरियल

अपरिवर्तनीय ऊष्मागतिकीय प्रक्रियाओं की व्याख्या करने के लिए, वैज्ञानिकों ने ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम प्रतिपादित किया। ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम बताता है कि ब्रह्मांड में कौन सी प्रक्रियाएँ हो सकती हैं और कौन सी नहीं हो सकतीं। आर.जे.ई. क्लॉसियस (1822-1888) नामक एक वैज्ञानिक ने निम्नलिखित कथन दिया:

स्वाभाविक रूप से, ऊष्मा उच्च तापमान वाली वस्तुओं से निम्न तापमान वाली वस्तुओं की ओर प्रवाहित होती है; स्वाभाविक रूप से, ऊष्मा निम्न तापमान वाली वस्तुओं से उच्च तापमान वाली वस्तुओं की ओर प्रवाहित नहीं होती (ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम - क्लॉसियस का कथन)।

क्लॉसियस का कथन ऊष्मागतिकी के द्वितीय नियम के विशेष कथनों में से एक है। इसे विशेष कथन इसलिए कहा जाता है क्योंकि यह केवल ऊष्मा स्थानांतरण से संबंधित एक ही प्रक्रिया पर लागू होता है। चूंकि यह कथन अन्य प्रक्रियाओं से संबंधित नहीं है, इसलिए हमें एक अधिक सामान्य कथन की आवश्यकता है। ऊष्मागतिकी के द्वितीय नियम के सामान्य कथन का विकास ऊष्मा इंजनों के अध्ययन पर आधारित है। इसलिए, हम पहले इंजन ऊष्मा पर चर्चा करेंगे।

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लेख: ऊष्मागतिक प्रक्रियाएं: समतापी, रुद्धोष्म, समआयतनिक, समदाबी।

ऊष्मागतिकी की चार प्रक्रियाएँ होती हैं, अर्थात् समतापी, समआयतनिक, समदाबी और रुद्धोष्म प्रक्रियाएँ।

समतापी प्रक्रिया (स्थिर तापमान)

समतापी प्रक्रिया में, सिस्टम का तापमान स्थिर रखा जाता है। सैद्धांतिक रूप से, विश्लेषित सिस्टम एक आदर्श गैस है। आदर्श गैस का तापमान आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा के सीधे समानुपाती होता है (U = 3/2 n RT)। T में कोई परिवर्तन नहीं होता, इसलिए U में भी कोई परिवर्तन नहीं होता। अतः, यदि इसे समतापी प्रक्रिया पर लागू किया जाए, तो ऊष्मागतिकी का पहला नियम इस प्रकार हो जाता है:

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ऊष्मागतिक प्रक्रिया

ऊष्मा (Q) वह ऊर्जा है जो तापमान के अंतर के कारण एक वस्तु से दूसरी वस्तु में स्थानांतरित होती है। प्रणालियों और वातावरणों के संदर्भ में, ऊष्मा वह ऊर्जा है जो तापमान के अंतर के कारण प्रणाली से वातावरण में या वातावरण से प्रणाली में स्थानांतरित होती है। यदि प्रणाली का तापमान परिवेश के तापमान से अधिक है, तो ऊष्मा प्रणाली से वातावरण में प्रवाहित होगी। यदि परिवेश का तापमान प्रणाली के तापमान से अधिक है, तो ऊष्मा वातावरण से प्रणाली में प्रवाहित होगी।

ऊष्मा (Q) तापमान के अंतर के कारण स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा है, जबकि कार्य (W) ऊर्जा के स्थानांतरण से संबंधित है। उदाहरण के लिए, यदि कोई प्रणाली वातावरण पर कार्य करती है, तो ऊर्जा प्रणाली से वातावरण में स्थानांतरित होती है। इसके विपरीत, यदि वातावरण प्रणाली पर कार्य करता है, तो ऊर्जा वातावरण से प्रणाली में स्थानांतरित होती है।

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बेलोचदार टकराव

गतिज ऊर्जा संरक्षण का नियम अप्रत्यास्थ टक्करों में लागू नहीं होता है। संवेग संरक्षण का नियम अप्रत्यास्थ टक्करों में तभी लागू होता है जब टकराने वाली दोनों वस्तुओं पर कोई बाह्य बल कार्य न कर रहा हो। अप्रत्यास्थ टक्कर में, टक्कर के बाद दोनों वस्तुएँ आपस में चिपक जाती हैं या एक दूसरे से जुड़ी रहती हैं।

उदाहरण प्रश्न 1.

दो वस्तुओं का द्रव्यमान समान है, अर्थात् 1 किलोग्राम। वस्तु 1 एक समतल सतह पर 10 मीटर/सेकंड की गति से चलती है और स्थिर अवस्था में स्थित वस्तु 2 से टकराती है। टक्कर के बाद, दोनों वस्तुएँ आपस में चिपक जाती हैं। टक्कर के बाद दोनों वस्तुओं की गति क्या होगी?

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आंशिक रूप से प्रत्यास्थ टक्करें

आंशिक प्रत्यास्थ टक्करों में संवेग संरक्षण का नियम लागू होता है, जबकि गतिज ऊर्जा संरक्षण का नियम लागू नहीं होता। टक्कर के समय, कुछ गतिज ऊर्जा ध्वनि ऊर्जा, ऊष्मा ऊर्जा और आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। प्रत्यास्थ शब्द का प्रयोग यह दर्शाता है कि टक्कर के बाद दोनों वस्तुएँ आपस में चिपकती नहीं हैं बल्कि उछलकर दूर चली जाती हैं।

आंशिक रूप से प्रत्यास्थ टक्कर का एक उदाहरण दो कंचों या दो पूल गेंदों की एक आयामी टक्कर है।

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रेखीय संवेग का संरक्षण

रेखीय संवेग के संरक्षण का नियम यह बताता है कि यदि दो टकराने वाली वस्तुओं पर कोई बाहरी बल कार्य नहीं कर रहा है, तो टक्कर से पहले वस्तुओं का संवेग टक्कर के बाद वस्तुओं के संवेग के बराबर होता है।

p ₁ + p ₂ = p ₁ ' + p ₂ ' ………………….. समीकरण 1.4

एम ₁ वी ₁ + एम ₂ वी ₂ = एम ₁ वी ₁ '+ एम ₂ वी ₂ '

यदि टक्कर के बाद दोनों वस्तुएँ आपस में चिपक जाती हैं,

एम ₁ वी ₁ + एम ₂ वी ₂ = (एम ₁ + एम ₂ ) वी'

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पूर्णतः प्रत्यास्थ टक्करें

दो वस्तुओं की टक्कर को पूर्णतः प्रत्यास्थ टक्कर तब कहा जाता है जब टक्कर से पहले प्रत्येक वस्तु का संवेग या गतिज ऊर्जा टक्कर के बाद प्रत्येक वस्तु के संवेग और गतिज ऊर्जा के बराबर हो। दूसरे शब्दों में, पूर्णतः प्रत्यास्थ टक्करों में संवेग संरक्षण नियम और गतिज ऊर्जा संरक्षण नियम लागू होते हैं। प्रत्यास्थ शब्द का प्रयोग यह दर्शाता है कि टक्कर के बाद दोनों वस्तुएँ आपस में चिपकती नहीं हैं बल्कि एक दूसरे से अलग होकर उछल जाती हैं। प्रत्येक वस्तु का संवेग संरक्षित रहता है।

प्रत्येक वस्तु का संवेग संरक्षित रहता है।

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कार्य-यांत्रिक ऊर्जा सिद्धांत

कार्य-गतिज ऊर्जा प्रमेय यह बताता है कि कुल कार्य या कुल बल द्वारा किया गया कार्य गतिज ऊर्जा में परिवर्तन के बराबर होता है।

W _net = TO _t – TO _o = 1⁄2 m(v _t ² – v _o ² )

कुल कार्य (W _net) = बल दो प्रकार के होते हैं, संरक्षी बल और गैर-संरक्षी बल। अतः, कुल कार्य को संरक्षी बल द्वारा किए गए कार्य और गैर-संरक्षी बल द्वारा किए गए कार्य से मिलकर बना माना जा सकता है।

W _c + W _nc = ΔKE

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संरक्षी बलों द्वारा किया गया कार्य स्थितिज ऊर्जा

एक वस्तु को ऊपर की ओर लंबवत गति करते हुए देखें, जो अधिकतम ऊँचाई तक पहुँचने के बाद अपनी प्रारंभिक स्थिति में लौट आती है। जब वस्तु लंबवत ऊपर की ओर गति कर रही होती है, तो उस पर भार द्वारा ऋणात्मक कार्य किया जाता है। वस्तु की ऊँचाई भी बढ़ती है। इसलिए, वस्तु की गुरुत्वाकर्षण स्थितिज ऊर्जा भी बढ़ती है। इससे यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि भार द्वारा किया गया ऋणात्मक कार्य वस्तु की गुरुत्वाकर्षण स्थितिज ऊर्जा (PE) में वृद्धि के बराबर होता है।

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रूढ़िवादी ताकत और गैर-रूढ़िवादी ताकत

1. रूढ़िवादी बल

1.1 वजन (w)

एक वस्तु को देखिए जो अधिकतम ऊँचाई तक पहुँचने से पहले लंबवत ऊपर की ओर गति करती है, फिर अपनी प्रारंभिक स्थिति की ओर नीचे की ओर गति करने लगती है। जब वस्तु h दूरी तक लंबवत ऊपर की ओर गति करती है, तो भार विस्थापन की दिशा के विपरीत होता है। इस प्रकार, भार वस्तु पर ऋणात्मक कार्य करता है। 

W = wh (cos 180 ^o ) = – wh = – mgh

अधिकतम ऊँचाई पर पहुँचने के बाद, वस्तु h दूरी से नीचे की ओर अपनी प्रारंभिक स्थिति की ओर गति करती है। नीचे की ओर गति करते समय, भार विस्थापन की दिशा में ही होता है। क्योंकि भार विस्थापन की दिशा में ही होता है, इसलिए भार धनात्मक कार्य करता है।

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