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।
इंजन गर्म करें
हम जो ऊर्जा इस्तेमाल करते हैं, उसका अधिकांश भाग पेट्रोलियम, गैस और कोयले में निहित रासायनिक स्थितिज ऊर्जा से आता है। रासायनिक स्थितिज ऊर्जा का प्रत्यक्ष उपयोग करने के लिए उसे पहले जलाना पड़ता है। आमतौर पर, जीवाश्म ईंधन (तेल, गैस और कोयला) जलाने से ऊष्मा उत्पन्न होती है। इस ऊष्मा का उपयोग सीधे खाना पकाने या कमरे को गर्म करने के लिए किया जा सकता है। किसी वस्तु को गति देने के लिए (जैसे वाहन चलाना), हमें ऊष्मा को गतिज ऊर्जा या यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करना पड़ता है (यांत्रिक ऊर्जा = स्थितिज ऊर्जा + गतिज ऊर्जा)।
काम करने के लिए ऊष्मा का उपयोग करने वाले एक उपकरण की खोज 1700 में हुई थी। यह एक भाप इंजन था। भाप इंजन का उपयोग सबसे पहले कोयले की खान से पानी निकालने के लिए किया गया था।
भाप इंजनों का उपयोग इसलिए किया जाता है क्योंकि भाप वस्तुओं को गतिमान कर सकती है। भाप इंजनों में एक ऊष्मा इंजन भी शामिल होता है (ऊष्मा इंजन ऊष्मा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने का एक उपकरण है)। आजकल भाप इंजन का उपयोग विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। आधुनिक ऊष्मा इंजन आंतरिक दहन इंजन होते हैं, जैसे कार इंजन, मोटरसाइकिल इंजन आदि।
ऊष्मा इंजनों के उपयोग के पीछे मूल विचार यह है कि यदि ऊष्मा को उच्च तापमान से निम्न तापमान की ओर प्रवाहित होने दिया जाए, तो उसे यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है। इस प्रक्रिया के दौरान, कुछ ऊष्मा यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है (कुछ ऊष्मा कार्य करने में उपयोग होती है), और कुछ ऊष्मा निम्न तापमान वाले स्थानों पर उत्सर्जित हो जाती है। ऊष्मा इंजन में ऊर्जा के स्वरूप परिवर्तन और ऊर्जा स्थानांतरण की प्रक्रिया को इस चित्र में दर्शाया गया है।
उच्च तापमान (TH) और कम तापमान (TL) को मशीन का परिचालन तापमान कहा जाता है। QH उच्च तापमान से ऊष्मा का प्रवाह होता है, जबकि QL ऊष्मा निम्न तापमान वाले स्थान की ओर प्रवाहित हो रही है। उच्च तापमान से निम्न तापमान की ओर प्रवाहित होने पर, कुछ ऊष्मा यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है (कार्य में प्रयुक्त होती है), और कुछ ऊष्मा Q के रूप में नष्ट हो जाती है।Lसभी ऊष्मा को कार्य (W) में परिवर्तित नहीं किया जा सकता; हमेशा कुछ न कुछ ऊष्मा उत्सर्जित होती है (Q)।Lइस प्रकार, ऊर्जा संरक्षण के आधार पर, QH = डब्ल्यू + क्यूL.
कई प्रकार के ऊष्मा इंजन होते हैं, जिनमें भाप इंजन और आंतरिक दहन इंजन शामिल हैं।
भाप का इंजन
भाप इंजन ऊष्मा स्थानांतरण के लिए जल वाष्प का उपयोग करते हैं। भाप कार्यकारी द्रव है। भाप इंजन दो प्रकार के होते हैं: प्रत्यावर्ती भाप इंजन और टरबाइन भाप इंजन। इन इंजनों की डिज़ाइन अलग-अलग होती है, लेकिन ये दोनों प्रकार के भाप इंजन तेल, गैस, कोयला जलाने या परमाणु ऊर्जा का उपयोग करके गर्म की गई भाप का उपयोग करते हैं।
अंतः दहन इंजिन
मोटरसाइकिल इंजन और कार इंजन आंतरिक दहन इंजनों के उदाहरण हैं। इन्हें आंतरिक दहन इंजन इसलिए कहा जाता है क्योंकि दहन प्रक्रिया बंद सिलेंडरों के अंदर होती है। आंतरिक दहन इंजन का अस्तित्व रुद्धोष्म संपीडन और विस्तार की इंजीनियरिंग अवधारणा का परिणाम है।
ऊष्मा इंजन दक्षता
ऊष्मा इंजन की दक्षता (e) मशीन द्वारा किए गए कार्य (W) और उच्च तापमान (Q H ) पर ऊष्मा इनपुट के बीच तुलना है।
W प्राप्त लाभ है, जबकि QH ईंधन खरीदने और जलाने में लगने वाली लागत है। मनुष्य होने के नाते, हम हमेशा अधिकतम लाभ और न्यूनतम व्यय चाहते हैं, इसलिए हम आशा करते हैं कि लाभ में वृद्धि (W) हमारे द्वारा खर्च की गई लागत (QH) के समानुपाती हो । क्या ऐसा संभव है?
ऊर्जा संरक्षण के आधार पर, ऊष्मा (Q H ) कार्य (W) + उत्सर्जित ऊष्मा (Q L ) के बराबर होनी चाहिए ।
समीकरण 1 में W के स्थान पर समीकरण 2 में W का मान रखें।
यह ऊष्मा इंजन की दक्षता का समीकरण है।
प्रश्न 1:
एक ऊष्मा इंजन 3000 जूल (Q H ) ऊष्मा अवशोषित करता है, कार्य (W) करता है और 2500 जूल (Q L ) ऊष्मा उत्सर्जित करता है। इंजन की ऊष्मा दक्षता की गणना कीजिए।
उपाय
ऊष्मा इंजन की दक्षता = 17%।
प्रश्न 2:
एक ऊष्मा इंजन 3000 जूल ऊष्मा (QH) अवशोषित करता है , कार्य (W) करता है और 2000 जूल ऊष्मा (QL) हटाता है । ऊष्मा इंजन की दक्षता की गणना कीजिए।
उपाय
ऊष्मा इंजन की दक्षता = 34%।
प्रश्न 3:
एक ऊष्मा इंजन 3000 जूल ऊष्मा (QH) अवशोषित करता है , कार्य (W) करता है और 1500 जूल ऊष्मा (QL) उत्सर्जित करता है । ऊष्मा इंजन की दक्षता की गणना कीजिए?
उपाय
ऊष्मा इंजन की दक्षता = 50%।
