तापगतिकीको दोस्रो नियम

अपरिवर्तनीय थर्मोडायनामिक प्रक्रियाहरू व्याख्या गर्न, वैज्ञानिकहरूले थर्मोडायनामिक्सको दोस्रो नियम तयार गरे। थर्मोडायनामिक्सको दोस्रो नियमले ब्रह्माण्डमा कुन प्रक्रियाहरू हुन सक्छन् र कुन प्रक्रियाहरू हुन सक्दैनन् भनेर व्याख्या गर्दछ। आरजेई क्लाउसियस (१८२२-१८८८) नामक एक वैज्ञानिकले निम्न कथन दिए:

स्वाभाविक रूपमा, ताप उच्च-तापमान भएका वस्तुहरूबाट कम-तापमान भएका वस्तुहरूमा सर्छ; स्वाभाविक रूपमा, ताप कम-तापमान भएका वस्तुहरूबाट उच्च-तापमान भएका वस्तुहरूमा सर्दैन (थर्मोडायनामिक्सको दोस्रो नियम—क्लाउसियसको कथन)।

क्लाउसियसको कथन तापक्रम विज्ञानको दोस्रो नियमको विशेष कथनहरू मध्ये एक हो। यसलाई विशेष कथन भनिन्छ किनभने यो केवल एउटा प्रक्रियामा मात्र लागू हुन्छ, जुन ताप स्थानान्तरणसँग सम्बन्धित छ। यो कथन अन्य प्रक्रियाहरूसँग सम्बन्धित नभएकोले, हामीलाई अझ सामान्य कथन चाहिन्छ। तापक्रम विज्ञानको दोस्रो नियमको सामान्य कथनको विकास ताप इन्जिनहरूको अध्ययनमा आधारित छ। त्यसैले, हामी पहिले इन्जिन तापको बारेमा छलफल गर्छौं।

ताप इन्जिन

हामीले प्रयोग गर्ने धेरैजसो ऊर्जा पेट्रोलियम, ग्यास, कोइला जस्ता रासायनिक सम्भाव्य ऊर्जाबाट आउँछ। प्रत्यक्ष रूपमा प्रयोग गर्न प्रयोग गरिने रासायनिक सम्भाव्य ऊर्जा पहिले जलाउनु पर्छ। सामान्यतया, जीवाश्म इन्धन (तेल, ग्यास र कोइला) जलाउँदा ताप उत्पादन हुन्छ। तापलाई खाना पकाउन, कोठा तताउन सिधै प्रयोग गर्न सकिन्छ। कुनै चीज सार्न (जस्तै सवारी साधन सार्दा), हामीले तापलाई गतिज ऊर्जा वा यान्त्रिक ऊर्जा (यान्त्रिक ऊर्जा = सम्भाव्य ऊर्जा + गतिज ऊर्जा) मा रूपान्तरण गर्नुपर्छ।

१७०० मा काम गर्न ताप प्रयोग गर्ने एउटा औजार पत्ता लागेको थियो। यो एउटा स्टीम इन्जिन थियो। स्टीम इन्जिन पहिलो पटक कोइला खानीबाट पानी निकाल्न प्रयोग गरिएको थियो।

स्टीम इन्जिनको प्रयोग यसकारण गरिन्छ किनकि स्टीमले चीजहरू सार्न सक्छ। स्टीम इन्जिनहरूमा ताप इन्जिन समावेश हुन्छ (ताप इन्जिन तापलाई यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण गर्ने उपकरण हो)। अब स्टीम इन्जिन विद्युतीय ऊर्जा उत्पन्न गर्न प्रयोग गरिन्छ। आधुनिक ताप इन्जिनहरू आन्तरिक दहन इन्जिनहरू हुन् जस्तै कार इन्जिन, मोटरसाइकल इन्जिन, आदि।

तापगतिकीको दोस्रो नियम १ ताप इन्जिनको प्रयोगको पछाडिको आधारभूत विचार यो हो कि यदि तापलाई उच्च तापक्रमबाट कम तापक्रममा प्रवाह गर्न दिइयो भने तापलाई यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण गर्न सकिन्छ। यस प्रक्रियाको क्रममा, केही तापलाई यान्त्रिक ऊर्जामा रूपान्तरण गरिन्छ (केही ताप काम गर्न प्रयोग गरिन्छ), केही ताप कम तापक्रम भएका ठाउँहरूमा निष्कासन गरिन्छ। ताप इन्जिनमा ऊर्जा र ऊर्जा स्थानान्तरणको आकार परिवर्तन गर्ने प्रक्रिया यस रेखाचित्र जस्तो देखिन्छ।

उच्च तापक्रम (T_H) र न्यून तापक्रम (T_L) लाई मेसिन सञ्चालन तापक्रम भनिन्छ। Q_H उच्च तापक्रमबाट प्रवाहित ताप हो, जबकि Q_L कम तापक्रम भएको ठाउँमा बग्ने ताप हो। उच्च तापक्रमबाट कम तापक्रममा बग्दा, केही ताप यान्त्रिक ऊर्जामा परिणत हुन्छ (काम गर्न प्रयोग गरिन्छ), केही तापलाई Q को रूपमा निष्कासन गरिन्छ।_Lसबै तापलाई कार्यमा रूपान्तरण गर्न सकिँदैन (W), त्यहाँ सधैं ताप निस्कन्छ (Q)।_L)। यसरी, ऊर्जा संरक्षणको आधारमा, Q_H= W + Q_L.

स्टीम इन्जिन र आन्तरिक दहन इन्जिन सहित धेरै ताप इन्जिनहरू छन्।

स्टीम इन्जिन

स्टीम इन्जिनहरूले ताप स्थानान्तरण माध्यमको रूपमा पानीको वाष्प प्रयोग गर्छन्। स्टीम काम गर्ने तरल पदार्थ हो। दुई प्रकारका स्टीम इन्जिनहरू छन्: वैकल्पिक स्टीम इन्जिन र टर्बाइन स्टीम इन्जिन। यस इन्जिनको डिजाइन फरक छ, तर यी दुई प्रकारका स्टीम इन्जिनहरूले तेल, ग्यास, कोइला जलाएर वा आणविक ऊर्जा प्रयोग गरेर तताइएको स्टीम प्रयोग गर्छन्।

आन्तरिक दहन ईन्जिनहरू

मोटरसाइकल इन्जिन र कार इन्जिनहरू आन्तरिक दहन इन्जिनका उदाहरण हुन्। दहन प्रक्रिया बन्द सिलिन्डर भित्र हुने भएकाले यसलाई आन्तरिक दहन इन्जिन भनिन्छ। आन्तरिक दहन इन्जिनको उपस्थिति एडियाबेटिक कम्प्रेसन र विस्तारको इन्जिनियरिङ अवधारणाको परिणाम हो।

ताप इन्जिन दक्षता

_{ताप इन्जिन (e) को दक्षता भनेको उच्च तापक्रम (Q H}) मा ताप इनपुटको साथ मेसिनद्वारा गरिने काम (W) बीचको तुलना हो ।

तापगतिकीको दोस्रो नियम १

W भनेको प्राप्त लाभ हो, जबकि Q _H भनेको इन्धन किन्न र बाल्न लाग्ने लागत हो। सधैं अधिकतम नाफा र सबैभन्दा कम खर्च प्राप्त गर्न चाहने मानवको रूपमा, हामी आशा गर्छौं कि नाफा वृद्धि (W) हामीले खर्च गर्ने लागत (Q H _{) को समानुपातिक होस्}। के यो हुन सक्छ?

ऊर्जा संरक्षणको आधारमा, ताप (Q _{H ) कार्य (W) + डिस्चार्ज गरिएको ताप (Q}_L) बराबर हुनुपर्छ ।

तापगतिकीको दोस्रो नियम १ समीकरण १ मा W लाई समीकरण २ मा W ले प्रतिस्थापन गर्नुहोस्