ఉష్ణం - ఉష్ణగతికశాస్త్రం

 ఫ్రెంచ్‌ శాస్త్రవేత్త నికోలస్‌ లియోనార్డ్‌ సాడి కార్నోను ఉష్ణగతికశాస్త్ర ఆవిర్భావానికి ఆద్యుడిగా పేర్కొంటారు. నెపోలియన్‌ ఫ్రాన్స్‌పై దండెత్తినప్పుడు దాన్ని ఎదుర్కొనేందుకు కార్నో తొలితరం ఆవిరి యంత్రాలపై పరిశోధనలు చేసి, వాటి పనితీరును మెరుగుపరిచారు. వీటి ఫలితమే ఉష్ణగతికశాస్త్రం.

వ్యవస్థ, పరిసరాలు 

ఉష్ణగతికశాస్త్రంలో వచ్చే తొలి పదం వ్యవస్థ. మన పరిశీలనలో ఉన్న ఏ అంశాన్ని అయినా వ్యవస్థగా పరిగణించవచ్చు. సిలిండర్‌లో ముషలకంతో బంధితమైన ఒక మోల్‌ ఆదర్శ వాయువును సాధారణ ‘వ్యవస్థ’ (system) గా తీసుకుంటారు. ఉష్ణోగ్రత, పీడనం, ఘనపరిమాణం, ఎంట్రోపీ వ్యవస్థ నిరూపకాలు.

 వ్యవస్థ చుట్టూ ఉండే లేదా వ్యవస్థ కాకుండా మిగతా మొత్తం ప్రదేశాన్ని పరిసరాలు (Surroundings) గా పేర్కొంటారు.

 పరిసరాలతో జరిపే వినిమయం (Exchange) ఆధారంగా వ్యవస్థలు కింది విధంగా ఉంటాయి.

ఉష్ణం - పని

ఉష్ణశక్తిని పనిగా, పనిని ఉష్ణశక్తిగా మార్చొచ్చు అని 

జేమ్స్‌ ప్రెస్కాట్‌ జౌల్‌ అనే శాస్త్రవేత్త 1843లో ప్రయోగం ద్వారా నిరూపించారు. 

 దీనికోసం ఆయన నీటితో నిండి ఉన్న రాగి కెలోరీమీటర్‌ని ఉపయోగించారు. దీనిలో తిరగడానికి వీలైన పలకలను (Pedals) వినియోగించి వాటిని తిప్పేందుకు కిందికి పడే భారాలను తాడుతో అనుసంధానం చేశారు.

 భారం కిందికి పడుతున్నకొద్దీ, నీటిలోని పలకలు గిరగిరా తిరుగుతాయి. నీటికి, పలకలకు మధ్య ఘర్షణతో నీరు వేడెక్కుతుంది. 

 నీటి ఉష్ణోగ్రతలో పెరుగుదలను థర్మామీటర్‌ గుర్తిస్తుంది. జరిగిన పని, భారం కోల్పోయిన స్థితిజ శక్తి (mgh) కి సమానం. 

 వేర్వేరు భారాలను, వివిధ ఎత్తుల నుంచి జారవిడిచి చేసిన పునరావృత ప్రయోగాల ఫలితంగా నీటిలో ఉత్పత్తి అయిన ఉష్ణం (Q) జరిగిన యాంత్రిక పని ్బ్ర్శకి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుందని జౌల్‌ నిరూపించార

J ని ఉష్ణయాంత్రిక తుల్యాంకం అంటారు. దీని విలువ 4.2 J/ cal. ఇదొక మార్పిడి కారకం (Conversion factor) మాత్రమే, స్థిరాంకం లేదా భౌతికరాశి కాదు.

 ఉష్ణగతికశాస్త్ర రెండో నియమం ఉష్ణాన్ని మొత్తం (పూర్తిగా) పనిగా మార్చలేమనే పరిమితి విధించింది.

పని 

 ఉష్ణయాంత్రిక వ్యవస్థ (సాధారణంగా వాయువు) చేసిన పనిని  W = ∫PdV గా నిర్వచిస్తారు. ఇక్కడ P  పీడన  dV = V₂ − V₁ (ఘనపరిమాణంలో మార్పు) 

P, V, జుల మధ్య గీసిన గ్రాఫ్‌తో ఆవృతం అయ్యే వైశాల్యం వ్యవస్థ చేసిన పనిని సూచిస్తుంది. వ్యవస్థపై పని జరిగితే దాన్ని రుణాత్మకంగా తీసుకుంటారు.

ఉష్ణగతికశాస్త్ర మొదటి నియమం

 ఒక వ్యవస్థకు సరఫరా అయ్యే ఉష్ణశక్తి రెండు విధాలుగా తోడ్పడుతుంది. ఒకటి దాని అంతర్గత శక్తిని పెంచడానికైతే, రెండోది వ్యవస్థ పని చేయడానికి సహాయపడుతుంది. దీన్నే 

∆Q = ∆U + ∆W లేదా dQ = dU + PdV అంటారు.

ఉష్ణం = అంతర్గత శక్తి + పని.

 ఇది శక్తి నిత్యత్వ నియమాన్ని మరో విధంగా సూచిస్తుంది. వ్యవస్థలోని అణువుల యాదృచ్ఛిక చలనం వల్ల అది కలిగి ఉండే అన్ని రకాల శక్తుల మొత్తాన్ని అంతర్గత శక్తి  (Internal Energy)   అంటారు. 

 అంతర్గత శక్తిని కాకుండా అందులో వచ్చే మార్పు (∆U)ను మాత్రమే కొలవచ్చు. అంతర్గత శక్తి ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడుతుంది.

ఉష్ణగతికశాస్త్ర రెండో నియమం

 ఇది ఉష్ణ బదిలీ, ఉష్ణ యంత్రం (Heat engine) దక్షతల (Efficiency) పై ఆంక్షలు విధించే నియమం. 

 దీని ప్రకారం, మొత్తం ఉష్ణశక్తిని పనిగా మార్చలేం. అదేవిధంగా ఉష్ణం తనకు తానుగా తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉండే వస్తువు నుంచి ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉండే వస్తువుకు బదిలీ కాదు. ఉష్ణాన్ని పనిగా మార్చేదే ఉష్ణయంత్రం. 

 అంటే ఎట్టి పరిస్థితుల్లోనూ 100% దక్షతతో పనిచేసే ఆదర్శ ఉష్ణయంత్రాన్ని నిర్మించలేం. అందుబాటులోకి రాని ఉష్ణాన్ని పరిసరాలు గ్రహించి క్రమరాహిత్యాన్ని పొందుతాయి. అందుబాటులో లేని శక్తికి లేదా క్రమరాహిత్యానికి (randomness) కొలమానమే ఎంట్రోపీ (entropy).

 వియుక్త వ్యవస్థలో జరిగే అనుత్క్రమణీయ (irreversible) ప్రక్రియల్లో ‘ఎంట్రోపీ’ ఎల్లప్పుడు పెరుగుతుంది, అదే ఉత్క్రమణీయ (reversible) ప్రక్రియల్లో స్థిరంగా ఉంటుంది.రెండో నియమాన్ని ఎంట్రోపీ మార్పు (∆S) లో కింది విధంగా రాయవచ్చు.

.∆S ≥ 0

 ప్రకృతిలో జరిగే ప్రక్రియలన్నీ అత్యధికంగా అనుత్క్రమణీయాలు. కాబట్టి విశ్వం ఎంట్రోపీ (ఉష్ణోగ్రత) విలువ క్రమంగా పెరుగుతోంది. కాబట్టి రోజురోజుకీ విశ్వం అస్థిరత్వాన్ని సంతరించుకుంటోంది. 

ఎంట్రోపీ  = 

 రిఫ్రిజిరేటర్‌ 

 ఫ్రిజ్‌ లేదా ఏసీల్లో ఉష్ణం తక్కువ ఉష్ణోగ్రత నుంచి ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్దకు నిరంతరం పంప్‌ అవుతుంది. దీనికోసం ఒక బాహ్యకారకం లేదా కంప్రెసర్‌ పనిచేస్తుంది. 

 ఉదాహరణకు వేసవిలో గది ఉష్ణోగ్రత 50°C ఉండి, ఫ్రిజ్‌లో ఉండే వస్తువుల ఉష్ణోగ్రతను 10°C కి తగ్గించాలంటే వస్తువుల నుంచి ఉష్ణాన్ని తోడి పరిసరాలకు అందించాలి. 

 ఏసీ/ ఫ్రిజ్‌లని ఉష్ణ పంపులు అంటారు. రిఫ్రిజిరేటర్‌ Joule Thomson ప్రభావం ఆధారంగా పని చేస్తుంది. 

 రిఫ్రిజిరేటర్‌ అనేది ఉష్ణ యంత్రానికి వ్యతిరేకంగా పనిచేస్తుంది. ఉష్ణ యంత్రంలో ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత (T₁)  నుంచి Q₁ ఉష్ణాన్ని తీసుకుని పనిచేయగా మిగిలిన Q₂ ఉష్ణాన్ని ఉష్ణయంత్రం తక్కువ ఉష్ణోగ్రత (T₂)కి ఇస్తుంది. 

   ఉష్ణయంత్రం దక్షత   = 

  ఆదర్శ ఉష్ణయంత్రాలు, ఫ్రిజ్‌లు అనేవి ఉండవు. కార్నో ఉష్ణయంత్రం దక్షత (్త)తో నిజ ఉష్ణయంత్రాల దక్షతను పోలుస్తారు. 

ఉష్ణగతికశాస్త్ర మూడో నియమం 

 ఏ ప్రక్రియ ద్వారా కూడా శూన్య కెల్విన్‌ ఉష్ణోగ్రతను చేరుకోవడం అసాధ్యం. 

 శూన్య కెల్విన్‌ ఉష్ణోగ్రత వద్ద పరిపూర్ణ (perfect) స్పటికం  (crystal) ఎంట్రోపీ శూన్యం అవుతుంది. ఎంట్రోపీ శూన్యం కాదు, కాబట్టి 0'K' ఉష్ణోగ్రతను కూడా పొందడం అసాధ్యం.

ఉష్ణగతికశాస్త్ర శూన్యాంక నియమం 

 ఉష్ణగతికశాస్త్ర మొదటి, రెండో, మూడో నియమాల తర్వాత ఈ నియమాన్ని ప్రతిపాదించారు. ఉష్ణోగ్రత, ఉష్ణసమతాస్థితి (Thermal equilibrium) అనే ప్రాథమిక భావనలను ఈ నియమం ప్రతిపాదించింది. 

 మిగతా నియమాల అంకెలను (అంటే 1వ, 2వ, 3వ) మార్చకూడదనే ఉద్దేశంతో, దీనికి శూన్యాంక నియమం అని పేరు పెట్టారు. ఈ నియమంతో శూన్యానికి లేదా శూన్యకెల్విన్‌ ఉష్ణోగ్రతకి ఎలాంటి సంబంధం లేదు. 

 వేర్వేరు ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఉండే రెండు వస్తువులను పరస్పరం స్పర్శలో ఉంచితే, వాటి ఉష్ణోగ్రతలు సమానం అయ్యేంత వరకు వేడి వస్తువు నుంచి ఉష్ణం చల్లటి వస్తువుకు ప్రసరిస్తుంది. ఉష్ణోగ్రతలు సమానంగా ఉండే స్థితిని ‘ఉష్ణ సమతాస్థితి’ అంటారు.

 శరీర ఉష్ణోగ్రతను కనుక్కునే క్రమంలో థర్మామీటర్‌ను రోగి నోటిలో ఒక నిమిషం పాటు ఉంచడానికి కారణం - థర్మామీటర్‌ - రోగి శరీరంతో ఉష్ణ సమతాస్థితిని పొందడం.

A, B అనే వ్యవస్థలు విడివిడిగా మూడో వ్యవస్థ ‘C’ తో ఉష్ణ సమతాస్థితిలో ఉంటే ఆ రెండూ (A, B) పరస్పరం ఉష్ణసమతాస్థితిలో ఉంటాయి. 

ఉష్ణగతికశాస్త్ర నియమాలు - ప్రాముఖ్యత

శూన్యాంక నియమం   -  ఉష్ణోగ్రత అనే భావనను పరిచయం చేసింది.

మొదటి నియమం  -  శక్తి నిత్యత్వ నియమాన్ని సూచిస్తుంది.

రెండో నియమం  -  ఎంట్రోపీని తెలిపింది.

మూడో నియమం -  శూన్య కెల్విన్‌ ఉష్ణోగ్రతను పొందడం అసాధ్యం

రచయిత

దురిశెట్టి అనంత రామకృష్ణ

విషయ నిపుణులు