प्रक्रियाओं में ऊर्जा के रूप
रासायनिक प्रक्रिया में ऊर्जा का रूप बदलता है। बंधनों में जमा रासायनिक ऊर्जा ऊष्मा, प्रकाश, विद्युत या गति की ऊर्जा बन सकती है। जैसे पेट्रोल जलने से गर्मी मिलती है, इंजन उसका एक हिस्सा गति में बदलता है और बाकी इंजन और धुएँ से गर्मी बनकर निकल जाता है।
ऊर्जा संरक्षण का नियम कहता है: कुल ऊर्जा वही रहती है। न बनती है न खोती है।
ऊर्जा की गुणवत्ता क्या है?
ऊर्जा की गुणवत्ता यानी वह कितनी अच्छी तरह उपयोगी काम में आ सकती है।
- ऊँची गुणवत्ता: जमा और क्रमबद्ध, जैसे ईंधन, भोजन, चार्ज बैटरी, धूप, या बहुत ऊँचे तापमान की गर्मी।
- निम्न गुणवत्ता: फैली और बिखरी, जैसे गुनगुनी हवा या आसपास के तापमान जितना गुनगुना पानी।
एक ही मात्रा की ऊर्जा ऊँची या नीची गुणवत्ता की हो सकती है। उबलते पानी की बाल्टी और 25 डिग्री की झील में ऊर्जा बराबर हो सकती है, पर इंजन सिर्फ़ पहली से चलेगा।
ऊर्जा का अवक्रमण
ऊर्जा का अवक्रमण (degradation) यानी ऊर्जा का ऊँची गुणवत्ता से निम्न गुणवत्ता में बदलना। हर असली प्रक्रिया ऐसा करती है: घर्षण, जलना, गरम कप का ठंडा होना, बल्ब का चमकना। ऊर्जा आसपास में फैल जाती है और उसे वापस जमा करने के लिए और ऊँची गुणवत्ता की ऊर्जा चाहिए।
इसीलिए सदा चलने वाली मशीन नहीं बन सकती और हम कहते हैं कि ऊर्जा "खर्च हो गई", जबकि कुल कभी नहीं बदलता। असल में खर्च होती है गुणवत्ता।
रूपांतरण की दक्षता
दक्षता = मिली उपयोगी ऊर्जा / दी गई ऊर्जा x 100%।
हर रूपांतरण कुछ निम्न गुणवत्ता की गर्मी बनाता है, इसलिए दक्षता हमेशा 100% से कम रहती है। उदाहरण: बिजली की मोटर 80 से 95%, LED लैंप लगभग 40%, पेट्रोल इंजन 25 से 30%, बिजलीघर 35 से 45%।
ऊष्मा इंजन की सबसे अच्छी संभव दक्षता सिर्फ़ दो तापमानों (केल्विन में) पर निर्भर है: अधिकतम दक्षता = 1 - T(ठंडा) / T(गरम)। जितना गरम स्रोत, उतनी ऊँची सीमा। ठंडा सिरा आमतौर पर आसपास होता है, लगभग 300 K (27 डिग्री सेल्सियस)। बदलना: K = डिग्री सेल्सियस + 273।
करके देखिए: गरम कप बनाम गुनगुना स्नान
छोटे कप में गरम पानी और बड़ी बाल्टी में गुनगुना पानी लीजिए। दोनों को छूकर देखिए। ठंडे चम्मच को जल्दी कौन गरम करेगा? बाल्टी में कुल ऊर्जा ज़्यादा हो सकती है, पर कप की ऊर्जा ऊँची गुणवत्ता की है। चरण 5 में स्रोत का तापमान बदलकर देखिए कि अधिकतम दक्षता कैसे बदलती है।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- दक्षता = (उपयोगी ऊर्जा / दी गई ऊर्जा) x 100%
- अधिकतम दक्षता = 1 - T(ठंडा) / T(गरम) (तापमान K में)
- K = डिग्री सेल्सियस + 273
हल किए गए उदाहरण
1. एक मशीन 500 J लेकर 150 J उपयोगी काम देती है। दक्षता और व्यर्थ ऊर्जा निकालिए।
दक्षता = 150 / 500 x 100 = 30%। व्यर्थ = 500 - 150 = 350 J, ज़्यादातर निम्न गुणवत्ता की गर्मी।
2. गरम स्रोत 600 K और आसपास 300 K है। सबसे अच्छी संभव दक्षता क्या है?
1 - 300/600 = 1 - 0.5 = 0.5, यानी 50%।
3. स्रोत 127 डिग्री सेल्सियस और आसपास 27 डिग्री सेल्सियस। सबसे अच्छी दक्षता?
T(गरम) = 400 K, T(ठंडा) = 300 K। 1 - 300/400 = 0.25 = 25%।
आम गलतियाँ
- यह कहना कि ऊर्जा "खर्च होकर" गायब हो जाती है। कुल वही रहता है, सिर्फ़ गुणवत्ता गिरती है।
- 1 - Tc/Th में डिग्री सेल्सियस लगाना। केल्विन ही लगाना है।
- यह सोचना कि कुल ऊर्जा ज़्यादा हो तो उपयोगी ऊर्जा भी ज़्यादा होगी। झील में बहुत ऊर्जा है पर वह निम्न गुणवत्ता की है।
- यह सोचना कि बेहतर इंजीनियरिंग से 100% दक्षता मिल सकती है। कुछ गर्मी हमेशा निकल जाती है।