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ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम, ऊष्मा इंजन और प्रशीतक

प्रथम नियम कहता है ऊर्जा संरक्षित है; द्वितीय नियम बताता है ऊष्मा और ऊर्जा किस दिशा में जा सकती है। ऊष्मा अपने-आप केवल गरम से ठंडे की ओर बहती है (क्लॉसियस)। कोई इंजन ली गई सारी ऊष्मा को कार्य में नहीं बदल सकता; कुछ ठंडी वस्तु में फेंकनी पड़ती है (केल्विन–प्लांक)। ऊष्मा इंजन गरम स्रोत से Q₁ लेता है, कार्य W करता है, Q₂ छोड़ता है: दक्षता η = W/Q₁ = 1 − Q₂/Q₁. प्रशीतक कार्य W से ठंडे से गरम में Q₂ ले जाता है: COP α = Q₂/W. सबसे अच्छे, कार्नो इंजन के लिए η = 1 − T₂/T₁.

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. एक गरम टंकी (लाल, ऊपर) और एक ठंडी टंकी (नीली, नीचे) धातु की छड़ से जुड़ी हैं। ऊष्मा नीचे, गरम से ठंडे की ओर बहती है। अपने-आप कभी ऊपर नहीं जाती। यही क्लॉसियस का विचार है।
  2. बीच में इंजन लगाओ। वह गरम टंकी से ऊष्मा Q₁ लेता है, कार्य W देता है (पहिया घूमता है) और ऊष्मा Q₂ ठंडी टंकी में फेंकता है। Q₁ = W + Q₂. दक्षता η = W/Q₁.
  3. क्या ठंडी टंकी की पाइप काट दें, ताकि Q₂ = 0 और सारी ऊष्मा कार्य बने? इंजन रुक जाता है। कोई इंजन 100% दक्ष नहीं हो सकता। यह केल्विन–प्लांक कथन है।
  4. उल्टा चलाओ: प्रशीतक। मोटर कार्य W देती है। यह ठंडे डिब्बे से ऊष्मा Q₂ खींचकर गरम कमरे में Q₁ = Q₂ + W छोड़ता है। ऊष्मा ऊपर तभी चढ़ती है जब कार्य दिया जाए।
  5. कार्नो इंजन दो तापों के बीच सबसे अच्छा संभव इंजन है। इसकी दक्षता केवल उन पर निर्भर है: η = 1 − T₂/T₁ (केल्विन में)। अंतर बड़ा, इंजन बेहतर।
  6. अब आप: T₁ और T₂ बदलो, इंजन या फ्रिज चुनो। तीरों की मोटाई देखो: Q₁ हमेशा W + Q₂ के बराबर।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

ऊर्जा संरक्षित रहे तब भी ऊष्मा ठंडे से गरम अपने-आप क्यों नहीं जाती?

ऊर्जा संरक्षण इसकी अनुमति देता है, पर प्रकृति की एक दिशा है। गरम वस्तु के अणु ऊर्जा ठंडी से बाँटते हैं जब तक बराबर न फैल जाए; वह अपने-आप फिर इकट्ठी नहीं होती। बिंदु छड़ पर केवल नीचे जाते देखो।

इंजन को ऊष्मा Q₂ फेंकनी क्यों पड़ती है?

चक्र दोहराने के लिए गैस को शुरुआत पर लाना होगा। उसे वापस दबाने के लिए उसे ठंडा होना चाहिए, यानी ठंडी वस्तु को ऊष्मा देना। सिंक के बिना चक्र पूरा नहीं होता।

कार्य की ऊर्जा कहाँ से आती है?

गरम स्रोत से। ली गई Q₁ में से W कार्य बनता है और बाकी Q₂ सिंक में: Q₁ = W + Q₂. तीरों की मोटाई देखो।

फ्रिज का COP 1 से अधिक कैसे? क्या यह मुफ्त ऊर्जा है?

फ्रिज ऊर्जा बनाता नहीं, खिसकाता है। छोटे W से बड़ी Q₂ खिसका सकता है, और कमरे को Q₂ + W मिलती है। कुछ नहीं बना।

कार्नो दक्षता केवल ताप पर क्यों निर्भर है?

उत्क्रमणीय चक्र में Q₂/Q₁ = T₂/T₁, गैस कोई भी हो। इसलिए η = 1 − T₂/T₁. 3D में T₁, T₂ बदलकर देखो, और कुछ मायने नहीं रखता।

T₂ = 0 K करके η = 100% बना सकते हैं?

सिद्धांत में हाँ, पर परम शून्य कभी प्राप्त नहीं होता, इसलिए कोई सिंक 0 K पर नहीं। T₂ बहुत छोटा करके देखो: η 100% के पास जाती है, पहुँचती नहीं।

द्वितीय नियम की ज़रूरत क्यों

प्रथम नियम कई ऐसी बातें होने देता है जो कभी नहीं होतीं। चाय का कप ठंडे कमरे से ऊष्मा लेकर और गरम हो सकता था; ऊर्जा तब भी संरक्षित रहती। जहाज़ समुद्र से ऊष्मा लेकर पूरी को कार्य में बदलकर चल सकता था। ऐसा कभी नहीं होता।

ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम प्राकृतिक प्रक्रमों की दिशा बताता है और यह सीमा तय करता है कि कितनी ऊष्मा कार्य बन सकती है।

ऊष्मा इंजन और दक्षता

ऊष्मा इंजन वह युक्ति है जो चक्र में चलकर बार-बार ऊष्मा को कार्य में बदलती है। इसके तीन भाग:

चक्र में ΔU = 0, इसलिए प्रथम नियम से W = Q₁ − Q₂.

दक्षता η = W/Q₁ = 1 − Q₂/Q₁.

उदाहरण: भाप इंजन, पेट्रोल और डीज़ल इंजन, ताप बिजलीघर।

प्रशीतक और ऊष्मा पंप

प्रशीतक उल्टा चलाया गया ऊष्मा इंजन है। कंप्रेसर का कार्य W, गैस से ठंडे अंदर से ऊष्मा Q₂ लिवाता है और गरम कमरे को Q₁ = Q₂ + W देता है।

निष्पादन गुणांक α = Q₂/W = Q₂/(Q₁ − Q₂).

α, 1 से अधिक हो सकता है (साधारण फ्रिज: 2–6), पर अनंत नहीं, क्योंकि W कभी शून्य नहीं हो सकता। ऊष्मा पंप इसी विचार से ठंडी बाहरी हवा की ऊष्मा लेकर कमरा गरम करता है।

द्वितीय नियम के कथन

केल्विन–प्लांक कथन

ऐसा कोई प्रक्रम संभव नहीं जिसका एकमात्र परिणाम किसी भंडार से ऊष्मा लेकर उसे पूरी तरह कार्य में बदलना हो। यानी कोई इंजन 100% दक्ष नहीं; उसे कुछ ऊष्मा Q₂ ठंडी वस्तु को देनी ही होगी।

क्लॉसियस कथन

ऐसा कोई प्रक्रम संभव नहीं जिसका एकमात्र परिणाम ठंडी वस्तु से गरम वस्तु में ऊष्मा पहुँचाना हो। यानी आदर्श प्रशीतक (W = 0) असंभव; ऊष्मा ऊपर तभी चढ़ती है जब कार्य किया जाए।

दोनों एक ही बात कहते हैं

यदि आदर्श इंजन होता, तो उसके कार्य से फ्रिज चलाते और दोनों मिलकर बिना बाहरी कार्य के ठंडे से गरम में ऊष्मा पहुँचाते, जो क्लॉसियस को तोड़ता। एक को तोड़ो तो दूसरा टूटता है: दोनों तुल्य हैं।

कार्नो इंजन और कार्नो प्रमेय

कार्नो इंजन T₁ स्रोत और T₂ सिंक के बीच एक आदर्श उत्क्रमणीय इंजन है। इसकी गैस कार्नो चक्र घूमती है:

  1. T₁ पर समतापी प्रसार (Q₁ लेती है),
  2. रुद्धोष्म प्रसार (T₁ → T₂),
  3. T₂ पर समतापी संपीडन (Q₂ देती है),
  4. रुद्धोष्म संपीडन (T₂ → T₁), शुरुआत पर वापस।

इस चक्र के लिए Q₂/Q₁ = T₂/T₁, इसलिए

η(कार्नो) = 1 − T₂/T₁ (T केल्विन में)।

कार्नो प्रमेय: (क) दो दिए तापों के बीच कोई इंजन कार्नो इंजन से अधिक दक्ष नहीं हो सकता; (ख) उन्हीं तापों के बीच सभी उत्क्रमणीय इंजनों की दक्षता बराबर है, कार्यकारी पदार्थ कोई भी हो।

η = 1 केवल T₂ = 0 K पर, जो प्राप्त नहीं हो सकता, इसलिए 100% दक्षता असंभव। कार्नो फ्रिज के लिए α = T₂/(T₁ − T₂)।

परीक्षा टिप: 2–3 अंक में दोनों कथन, दक्षता/COP के प्रश्न और कार्नो चक्र के चार चरण पूछे जाते हैं।

करके देखो

चलते फ्रिज की पीछे की जाली के पास हाथ रखो (तार मत छूना)। गरम है: यही Q₁ = Q₂ + W रसोई में छोड़ी जा रही है। 3D में T₂ को T₁ के पास ले जाओ और देखो कार्नो दक्षता शून्य की ओर गिरती है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. इंजन प्रति चक्र 1000 J ऊष्मा लेता है और 300 J कार्य करता है। दक्षता और छोड़ी गई ऊष्मा?

η = 300/1000 = 30%. Q₂ = 1000 − 300 = 700 J.

2. इंजन हर 800 J लेने पर 600 J छोड़ता है। दक्षता?

η = 1 − 600/800 = 0.25 = 25%.

3. 127 °C और 27 °C के बीच कार्नो इंजन की दक्षता?

T₁ = 400 K, T₂ = 300 K. η = 1 − 300/400 = 25%.

4. फ्रिज 100 J कार्य से अंदर से 300 J निकालता है। COP और कमरे को दी ऊष्मा?

α = 300/100 = 3. Q₁ = 300 + 100 = 400 J.

5. 300 K सिंक वाले कार्नो इंजन की दक्षता 40% है। स्रोत का ताप?

0.4 = 1 − 300/T₁ ⇒ T₁ = 500 K (227 °C)।

6. कार्नो फ्रिज फ्रीज़र को −23 °C पर रखता है, कमरा 27 °C. COP? फ्रीज़र से 5000 J निकालने को कितना कार्य?

T₂ = 250 K, T₁ = 300 K. α = 250/50 = 5. W = 5000/5 = 1000 J.

7. एक आविष्कारक 500 K और 300 K के बीच इंजन का दावा करता है जो 1000 J लेकर 450 J कार्य देता है। क्या संभव है?

अधिकतम (कार्नो) η = 1 − 300/500 = 40%, यानी अधिकतम 400 J. 450 J (45%) का दावा द्वितीय नियम तोड़ता है। संभव नहीं।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. ऊष्मा इंजन की दक्षता:
2. केल्विन–प्लांक कथन कहता है:
3. 600 K और 300 K के बीच कार्नो इंजन की दक्षता:
4. प्रशीतक का COP:
5. कार्नो इंजन की दक्षता किस पर निर्भर है?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम सरल शब्दों में क्या है?

ऊष्मा अपने-आप केवल गरम से ठंडे की ओर बहती है, और कोई इंजन ली गई सारी ऊष्मा को कार्य में नहीं बदल सकता।

कार्नो इंजन की दक्षता क्या है?

η = 1 − T₂/T₁, जहाँ T₁ और T₂ स्रोत और सिंक के ताप केल्विन में हैं।

प्रशीतक का निष्पादन गुणांक क्या है?

α = Q₂/W: हर जूल कार्य पर ठंडे अंदर से निकाली गई ऊष्मा। कार्नो फ्रिज के लिए α = T₂/(T₁ − T₂)।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

पोलैंडLiceum ogólnokształcące, klasa IIThermodynamics
रोमानियाClasa a X-aElements of thermodynamics
स्पेन2º BachilleratoMechanical systems
यूक्रेन10 класMolecular physics and thermodynamics
सीबीएसई (भारत)कक्षा 11ऊष्मागतिकी
अमेरिकाGrade 12Thermodynamics
दक्षिण कोरिया고등학교 2학년Heat and energy
दक्षिण कोरिया고등학교 2학년Force and energy
दक्षिण कोरिया고등학교 3학년Mechanics and energy
रूस10 классThermodynamics and heat engines
रूस10 классThermodynamics
चीन高三Selective 3 Ch.3 Laws of thermodynamics

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