తిరిగి మార్చలేని ఉష్ణగతిక ప్రక్రియలను వివరించడానికి, శాస్త్రవేత్తలు ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమాన్ని రూపొందించారు. ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమం విశ్వంలో ఏ ప్రక్రియలు జరగగలవో మరియు ఏ ప్రక్రియలు జరగలేవో వివరిస్తుంది. ఆర్.జె.ఇ. క్లాసియస్ (1822-1888) అనే శాస్త్రవేత్త ఈ క్రింది ప్రకటన చేశారు:
సహజంగా, ఉష్ణం అధిక ఉష్ణోగ్రత గల వస్తువుల నుండి తక్కువ ఉష్ణోగ్రత గల వస్తువులకు ప్రసరిస్తుంది; సహజంగా, ఉష్ణం తక్కువ ఉష్ణోగ్రత గల వస్తువుల నుండి అధిక ఉష్ణోగ్రత గల వస్తువులకు ప్రసరించదు (ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమం—క్లాసియస్ ప్రకటన).
క్లాసియస్ ప్రకటన ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమంలోని ప్రత్యేక ప్రకటనలలో ఒకటి. దీనిని ప్రత్యేక ప్రకటన అని అంటారు, ఎందుకంటే ఇది కేవలం ఉష్ణ బదిలీకి సంబంధించిన ఒకే ఒక ప్రక్రియకు మాత్రమే వర్తిస్తుంది. ఈ ప్రకటన ఇతర ప్రక్రియలకు సంబంధం లేనిది కాబట్టి, మనకు మరింత సాధారణ ప్రకటన అవసరం. ఉష్ణగతిక శాస్త్రం యొక్క రెండవ నియమం యొక్క సాధారణ ప్రకటన అభివృద్ధి ఉష్ణ యంత్రాల అధ్యయనంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. అందువల్ల, మనం మొదట యంత్ర ఉష్ణం గురించి చర్చిద్దాం.
హీట్ ఇంజిన్
మనం ఉపయోగించే శక్తిలో అధిక భాగం పెట్రోలియం, గ్యాస్, బొగ్గులలో నిక్షిప్తమై ఉన్న రసాయన స్థితిశక్తి నుండి వస్తుంది. రసాయన స్థితిశక్తిని నేరుగా ఉపయోగించుకోవాలంటే, దానిని ముందుగా మండించాలి. సాధారణంగా, శిలాజ ఇంధనాలను (చమురు, గ్యాస్ మరియు బొగ్గు) మండించడం వల్ల వేడి ఉత్పత్తి అవుతుంది. ఈ వేడిని నేరుగా ఆహారాన్ని వండటానికి, గదిని వేడి చేయడానికి ఉపయోగించవచ్చు. ఒక వస్తువును (ఉదాహరణకు వాహనాన్ని) కదిలించాలంటే, మనం వేడిని గతిశక్తిగా లేదా యాంత్రిక శక్తిగా మార్చాలి (యాంత్రిక శక్తి = స్థితిశక్తి + గతిశక్తి).
ఉష్ణాన్ని ఉపయోగించి పని చేసే ఒక పరికరం 1700లో కనుగొనబడింది. అదే ఆవిరి యంత్రం. బొగ్గు గని నుండి నీటిని బయటకు తోడటానికి ఆవిరి యంత్రాన్ని మొదట ఉపయోగించారు.
ఆవిరి వస్తువులను కదిలించగలదు కాబట్టి ఆవిరి యంత్రాలను ఉపయోగిస్తారు. ఆవిరి యంత్రాలలో ఒక ఉష్ణ యంత్రం ఉంటుంది (ఉష్ణ యంత్రం అంటే ఉష్ణాన్ని యాంత్రిక శక్తిగా మార్చే సాధనం). ఇప్పుడు ఆవిరి యంత్రాన్ని విద్యుత్ శక్తిని ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగిస్తున్నారు. ఆధునిక ఉష్ణ యంత్రాలు అంటే కార్ ఇంజన్లు, మోటార్ సైకిల్ ఇంజన్లు మొదలైన అంతర్గత దహన యంత్రాలు.
ఉష్ణ యంత్రాల వాడకం వెనుక ఉన్న ప్రాథమిక ఆలోచన ఏమిటంటే, ఉష్ణాన్ని అధిక ఉష్ణోగ్రతల నుండి తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలకు ప్రవహింపజేస్తే, ఆ ఉష్ణాన్ని యాంత్రిక శక్తిగా మార్చవచ్చు. ఈ ప్రక్రియలో, కొంత ఉష్ణం యాంత్రిక శక్తిగా మార్చబడుతుంది (కొంత ఉష్ణం పని చేయడానికి ఉపయోగించబడుతుంది), మరికొంత ఉష్ణం తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న ప్రదేశాలలో విడుదల చేయబడుతుంది. ఉష్ణ యంత్రంలో శక్తి రూపాంతరం చెందే ప్రక్రియ మరియు శక్తి బదిలీ ఈ పటంలో చూపిన విధంగా ఉంటుంది.
అధిక ఉష్ణోగ్రత (TH) మరియు తక్కువ ఉష్ణోగ్రత (టిL) యంత్ర నిర్వహణ ఉష్ణోగ్రత అని పిలువబడతాయి. QH అధిక ఉష్ణోగ్రత నుండి ఉష్ణం ప్రవహిస్తోంది, అయితే QL ఉష్ణం అల్ప-ఉష్ణోగ్రత ప్రదేశానికి ప్రవహిస్తుంది. అధిక ఉష్ణోగ్రతల నుండి అల్ప ఉష్ణోగ్రతలకు ప్రవహించేటప్పుడు, కొంత ఉష్ణం యాంత్రిక శక్తిగా (పని చేయడానికి ఉపయోగించబడుతుంది) మార్చబడుతుంది, మరికొంత ఉష్ణం Q రూపంలో విడుదల చేయబడుతుంది.Lఉష్ణమంతా పనిగా (W) మార్చబడదు, ఎల్లప్పుడూ కొంత ఉష్ణం (Q) విడుదల అవుతుంది.Lఅందువల్ల, శక్తి నిత్యత్వ నియమం ఆధారంగా, QH = W + QL.
ఆవిరి యంత్రాలు మరియు అంతర్గత దహన యంత్రాలతో సహా అనేక ఉష్ణ యంత్రాలు ఉన్నాయి.
ఆవిరి యంత్రము
ఆవిరి యంత్రాలు నీటి ఆవిరిని ఉష్ణ బదిలీ మాధ్యమంగా ఉపయోగిస్తాయి. ఆవిరి అనేది పనిచేసే ద్రవం. ఆవిరి యంత్రాలు రెండు రకాలు: ఆల్టర్నేటింగ్ ఆవిరి యంత్రాలు మరియు టర్బైన్ ఆవిరి యంత్రాలు. ఈ యంత్రాల రూపకల్పన భిన్నంగా ఉంటుంది, కానీ ఈ రెండు రకాల ఆవిరి యంత్రాలు నూనె, గ్యాస్, బొగ్గును మండించడం ద్వారా లేదా అణుశక్తిని ఉపయోగించడం ద్వారా వేడి చేసిన ఆవిరిని వాడతాయి.
అంతర్గత దహన ఇంజన్లు
మోటార్ సైకిల్ ఇంజన్లు మరియు కార్ ఇంజన్లు అంతర్గత దహన ఇంజన్లకు ఉదాహరణలు. దహన ప్రక్రియ మూసి ఉన్న సిలిండర్ల లోపల జరుగుతుంది కాబట్టి వీటిని అంతర్గత దహన ఇంజన్లు అని పిలుస్తారు. అంతర్గత దహన ఇంజన్ ఉనికి అనేది అడియాబాటిక్ సంపీడనం మరియు వ్యాకోచం అనే ఇంజనీరింగ్ భావన యొక్క ఫలితం.
హీట్ ఇంజిన్ సామర్థ్యం
ఉష్ణ యంత్రం యొక్క సామర్థ్యం (e) అనేది యంత్రం చేసే పని (W) మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఇచ్చే ఉష్ణం (Q H ) మధ్య చేసే పోలిక.
W అనేది పొందిన లాభం, అయితే Q H అనేది ఇంధనాన్ని కొని మండించడానికి అయిన ఖర్చు. ఎల్లప్పుడూ గరిష్ట లాభాన్ని, అతి తక్కువ ఖర్చును కోరుకునే మానవులుగా, లాభ పెరుగుదల (W) మనం వెచ్చించే ఖర్చుకు (Q H ) అనుపాతంలో ఉంటుందని మనం ఆశిస్తాము. అది సాధ్యమేనా?
శక్తి నిత్యత్వ నియమం ప్రకారం, ఉష్ణం (Q H ) అనేది పని (W) + విడుదలైన ఉష్ణం (Q L ) కు సమానంగా ఉండాలి.
సమీకరణం 1 లోని W స్థానంలో సమీకరణం 2 లోని W ను ప్రతిక్షేపించండి
ఇది ఉష్ణ యంత్ర సామర్థ్య సమీకరణం.
ప్రశ్న 1:
ఒక ఉష్ణ యంత్రం 3000 జౌల్స్ (Q H ) ఉష్ణాన్ని గ్రహించి , పని (W) చేసి, 2500 జౌల్స్ (Q L ) ఉష్ణాన్ని విడుదల చేస్తుంది. యంత్రం యొక్క ఉష్ణ సామర్థ్యాన్ని లెక్కించండి.
సొల్యూషన్
ఉష్ణ యంత్ర సామర్థ్యం = 17%.
ప్రశ్న 2:
ఒక ఉష్ణ యంత్రం 3000 జౌల్ ఉష్ణాన్ని (Q H ) గ్రహించి , పని (W) చేసి, 2000 జౌల్ ఉష్ణాన్ని (Q L ) విడుదల చేస్తుంది. ఆ ఉష్ణ యంత్రం యొక్క సామర్థ్యాన్ని లెక్కించండి.
సొల్యూషన్
ఉష్ణ యంత్ర సామర్థ్యం = 34%.
ప్రశ్న 3:
ఒక ఉష్ణ యంత్రం 3000 జౌల్స్ ఉష్ణాన్ని (Q H ) గ్రహించి, పని (W) చేసి, 1500 జౌల్స్ ఉష్ణాన్ని (Q L ) విడుదల చేస్తుంది. ఆ ఉష్ణ యంత్రం యొక్క సామర్థ్యాన్ని లెక్కించండి?
సొల్యూషన్
ఉష్ణ యంత్ర సామర్థ్యం = 50%.
