విజ్ఞానకోశము - 3
ఘర్మయంత్రములు
ఉష్ణశక్తిని యంత్రశక్తిగా మార్చి మనము ఒక 'పని'ని చేయవచ్చును. అనగా, ఉష్ణశక్తి, పని అనునవి రెండును శక్తియొక్క రెండు విభిన్నరూపములు. ఈ శక్తులు ఒక వ్యవస్థకు బహిర్గతముగా పనిచేయును. ఇవిగాక వ్యవస్థలో అంతర్గతముగా శక్తి నిలువచేయబడి యుండును. అట్టి శక్తిని అంతర్గతశక్తి (internal energy) అని అందురు. ఏదేని ఒక వ్యవస్థ గ్రహించిన ఉష్ణశక్తిలో కొంతభాగము 'పని'గా మార్చబడి, మిగిలినది వ్యవస్థయొక్క అంతర్గత శక్తిని పెంపొందించుటకు ఉపయోగింపబడును. అనగా ఒక ప్రక్రియలో అంతర్గతశక్తి పెరుగుదల (increase in internal energy) △U, పరిగ్రహింపబడిన ఉష్ణతా శక్తి △Q కును, వ్యవస్థచే చేయబడిన 'పని' △W కును గల భేదమునకు సమానము.
△U=△Q-△W
______________
లేదా △Q = △U+△W
ఇదియే ఉష్ణగతి శాస్త్రపు మొదటి నియమము.
రెండవ నియమము (Second law of Thermodynamics) : A, B అను రెండు వస్తువులలో ఒకదాని నుండి మరియొకదానికి ఉష్ణము ప్రవహించుచున్న దను కొందము. ఒక వస్తువు కోల్పోయిన ఉష్ణతాశక్తి, రెండవ వస్తువుపొందిన ఉష్ణతాశక్తికి సమానమని ఉష్ణగతిశాస్త్రపు మొదటి నియమమువలన తెలియుచున్నది. అయితే, ఉష్ణశక్తి A నుండి B కు ప్రవహించుచున్నదా లేక B నుండి A కు ప్రవహించుచున్నదా ? అను విషయము మొదటి నియమమువలన తెలియదు. ఉష్ణగతిశాస్త్రపు రెండవ నియమము ఈ విషయము మనకు తెలియ జేయును. అనగా ఉష్ణశక్తి ప్రసరించు దిశను తెలియజేయును. రెండవ నియమమును క్రిందివిధముగా నిర్వచింపవచ్చును. "ఒక సంపూర్ణ ఆవర్తము (cycle) లో పనిచేయుచు ఒకేఒక వస్తువునుండి ఉష్ణమును గ్రహించి, దానినంతను పూర్తిగా 'పని' గా మార్చునట్టి ఉష్ణయంత్రమును నిర్మించుట అసాధ్యము." యంత్రశక్తిని సంపూర్ణముగా ఉష్ణశక్తిగా మార్చవచ్చును గాని, ఉష్ణశక్తినంతను నూటికి నూరుపాళ్లు యంత్రశక్తిగా మార్చుట సాధ్యముకాదు. ఉష్ణశక్తిలో కొంత భాగమును మాత్రమే యంత్రశక్తిగా మార్చవచ్చును.
ఎంట్రాపీ (Entropy) : రెండవ నియమమును పరిమాణాత్మకముగా (Quantitatively) పరిశీలింప వలెనన్న, వస్తువుయొక్క స్థితినితెల్పు ఒక క్రొత్త లక్షణమును నిర్వచింపవలసి యున్నది. దానిని పదార్థము యొక్క ఎంట్రాపీ SA (Entropy) అని యందురు. క్లాషియస్ (Clausius) అను శాస్త్రజ్ఞుడు దానిని మొట్ట మొదట నిర్వచించెను. ఒక పదార్థము యొక్క ఎంట్రాపీ SA క్రింది సమీకరణముచే ఈయబడును.
SA=S 93
ఇక్కడ sQ పదార్థముచే T0 కెల్విన్ వద్ద గ్రహింప బడిన ఉష్ణతయొక్క పరిమాణము, పీడనము, ఉష్ణోగ్రత, ఘనపరిమాణము, అంతర్గతశక్తి మొదలగునవి వస్తువు యొక్క స్థితిని తెలుపునట్లే, ఎంట్రాపీకూడా వస్తువు స్థితిని నిర్వచించును. ఎంట్రాపీ అనగా ఏమియో ఊహించి అర్థము చేసికొనవలెనే కాని దానికి భౌతికరూపము లేదు. ఉష్ణోగ్రత, పీడనములవలె స్పర్శజ్ఞానముచే తెలిసికొన లేము. ఒక వ్యవస్థలోని అణువుల అక్రమత (disorder) కు ఎంట్రాపీ కాలమానమువంటిది. ఎంట్రాపీ ఎక్కువైన దనిన, అణువుల అక్రమతకూడా ఎక్కువైనదని అర్థము. పైన పేర్కొనబడిన సమీకరణమువలన ఎంట్రాపి ఎక్కువగుటకు ఉష్ణతాశక్తిని ఎక్కువచేయవలెనని తేలుచున్నది. ఉష్ణతాశక్తిని ఎక్కువచేసిన, పదార్థములోని అణువులు క్రమపద్ధతిలో నుండక అటు నిటు ఇష్టము వచ్చినట్లు తిరుగుచుండును.
మూడవ నియమము (Third Law of Thermodynamics) : ఈ నియమము 'నెర్ట్న్స్ ఉష్ణసిద్ధాంతము' (Nernst Heat Theorem) నుండి అనుమేయింప (deduced) బడినది. మూడవ నియమమును క్రింది విధముగా నిర్వచింపవచ్చును. "ప్రతి పదార్థమును ఒక నిర్దుష్టమైన ఎంట్రాపీని కలిగియుండును. ఇది ధన గుర్తును (positive sign) కలిగియుండి, స్వచ్ఛమైన స్ఫటికములలో 0° కెల్విన్ ఉష్ణోగ్రత వద్ద శూన్యమగును." ఈ నియమమును 1912 సం. లో ప్లాంక్ (planck) అను శాస్త్రజ్ఞుడు మొట్టమొదట నిర్వచించెను.
మాక్స్‌వెల్ సమీకరణములు (Maxwell relations):
ఒక వ్యవస్థ యొక్క స్థితిని సంపూర్ణముగా నిర్వచింప
553
