ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम ऊष्मा स्थानांतरण की दिशा और ऊष्मा इंजनों की प्राप्त करने योग्य क्षमताओं पर प्रतिबंध लगाता है। ऊष्मागतिकी का पहला नियम कहता है कि ब्रह्मांड की ऊर्जा स्थिर रहती है; हालाँकि सिस्टम (System) और परिवेश (Surroundings) के बीच ऊर्जा का आदान-प्रदान किया जा सकता है, लेकिन इसे बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता है।
यह ऊर्जा हस्तांतरण की मात्रा के बारे में जानकारी देता है, यह ऊर्जा हस्तांतरण की दिशा और ऊर्जा की गुणवत्ता के बारे में कोई अंतर्दृष्टि प्रदान करने में विफल रहता है। पहला नियम यह नहीं बता सकता कि एकसमान तापमान की धातु की छड़ एक छोर पर स्वचालित रूप से गर्म और दूसरे छोर पर ठंडी हो सकती है या नहीं। नियम केवल इतना कह सकता है कि यदि प्रक्रिया (Process) होती है तो हमेशा एक ऊर्जा संतुलन रहेगा। यह ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम है जो किसी भी प्रक्रिया की व्यवहार्यता के लिए मानदंड प्रदान करता है। कोई प्रक्रिया तब तक घटित नहीं हो सकती जब तक वह ऊष्मागतिकी के पहले और दूसरे दोनों नियमों को पूरा नहीं करती।
ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम क्या है?
ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम यह बताता है
स्वचालित रूप से होने वाली कोई भी प्रक्रिया हमेशा ब्रह्मांड की एन्ट्रापी (S) में वृद्धि का कारण बनेगी । सरल शब्दों में, नियम बताता है कि एक पृथक प्रणाली की एन्ट्रापी समय के साथ कभी कम नहीं होगी।
फिर भी, कुछ मामलों में, जहां सिस्टम ऊष्मागतिकी संतुलन में है या एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया से गुजर रहा है, सिस्टम और उसके आस-पास की कुल एन्ट्रापी स्थिर रहती है। दूसरे नियम को बढ़ी हुई एन्ट्रॉपी के नियम के रूप में भी जाना जाता है।
दूसरा नियम स्पष्ट रूप से बताता है कि ऊष्मा ऊर्जा को 100 प्रतिशत दक्षता के साथ यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करना असंभव है। उदाहरण के लिए, यदि हम किसी इंजन (Engine) में पिस्टन को देखें, तो दबाव बढ़ाने और पिस्टन को चलाने के लिए गैस को गर्म किया जाता है। हालाँकि, जब पिस्टन चलता है, तब भी गैस में कुछ गर्मी बची रहती है जिसका उपयोग किसी अन्य कार्य के लिए नहीं किया जा सकता है। गर्मी बर्बाद होती है और इसे त्यागना पड़ता है। इस मामले में, इसे हीट सिंक में स्थानांतरित करके किया जाता है या कार इंजन के मामले में, उपयोग किए गए ईंधन और वायु मिश्रण को वायुमंडल में समाप्त करके अपशिष्ट गर्मी को त्याग दिया जाता है। इसके अतिरिक्त, घर्षण (Friction) से उत्पन्न गर्मी जो आमतौर पर अनुपयोगी होती है उसे भी सिस्टम से हटा दिया जाना चाहिए।
ऊष्मागतिकी समीकरण का दूसरा नियम
गणितीय रूप से, ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम को इस प्रकार दर्शाया गया है
ΔS univ > 0
जहां ΔS univ ब्रह्मांड की एन्ट्रापी में परिवर्तन है।
एन्ट्रॉपी प्रणाली की यादृच्छिकता (Randomness) का एक माप है, या यह एक पृथक प्रणाली के भीतर ऊर्जा या अराजकता का माप है। इसे एक मात्रात्मक सूचकांक माना जा सकता है जो ऊर्जा की गुणवत्ता का वर्णन करता है।
इस बीच, कुछ कारक हैं जो बंद प्रणाली (Close System) की एन्ट्रापी में वृद्धि का कारण बनते हैं। सबसे पहले, एक बंद प्रणाली में, जबकि द्रव्यमान स्थिर रहता है, आसपास के वातावरण के साथ गर्मी का आदान-प्रदान होता है। ऊष्मा की मात्रा में यह परिवर्तन प्रणाली में गड़-बड़ी पैदा करता है, जिससे प्रणाली की एन्ट्रापी बढ़ जाती है।
दूसरे, सिस्टम के अणुओं की गतिविधियों में आंतरिक परिवर्तन हो सकते हैं। इससे गड़-बड़ी पैदा होती है जो सिस्टम के अंदर अपरिवर्तनीयता का कारण बनती है जिसके परिणामस्वरूप इसकी एन्ट्रापी में वृद्धि होती है।
नियम के विभिन्न कथन (Different Statements of the Law)
ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम पर दो कथन हैं, जो कि निम्न प्रकार से हैं-
- केल्विन-प्लैंक कथन
- क्लॉसियस का कथन
केल्विन-प्लैंक कथन (Kelvin-Plank Statement)
एक ऊष्मा इंजन के लिए पूरे चक्र में एक नेटवर्क बनाना असंभव है, यदि वह केवल एक निश्चित तापमान पर पिंडों के साथ ऊष्मा का आदान-प्रदान करता है।
अपवाद
यदि Q 2 = 0 (यानी, W net = Q 1 , या दक्षता = 1.00), तो ऊष्मा इंजन केवल एक जलाशय के साथ ऊष्मा का आदान-प्रदान करके एक पूर्ण चक्र में काम करता है, इस प्रकार केल्विन-प्लैंक कथन का उल्लंघन करता है।
क्लॉसियस का कथन (Clausius’s Statement)
एक ऐसे चक्र में चलने वाले उपकरण का निर्माण करना असंभव है जो किसी भी काम का उपभोग किए बिना ठंडे बाडी से गर्म बाडी में गर्मी स्थानांतरित कर सके। साथ ही, ऊर्जा कम तापमान वाली वस्तु से उच्च तापमान वाली वस्तु की ओर अनायास प्रवाहित नहीं होगी। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि हम ऊर्जा के शुद्ध हस्तांतरण की बात कर रहे हैं। ऊर्जा का स्थानांतरण किसी ठंडी वस्तु से गर्म वस्तु में ऊर्जावान कणों या विद्युत चुम्बकीय विकिरण के स्थानांतरण द्वारा हो सकता है। हालाँकि, शुद्ध स्थानांतरण किसी भी सहज प्रक्रिया में गर्म वस्तु से ठंडी वस्तु में होगा और शुद्ध ऊर्जा को गर्म वस्तु में स्थानांतरित करने के लिए किसी प्रकार के कार्य की आवश्यकता होती है। दूसरे शब्दों में, जब तक कंप्रेसर किसी बाहरी स्रोत से संचालित नहीं होता, रेफ्रिजरेटर संचालित नहीं हो पाएगा। हीट पंप और रेफ्रिजरेटर क्लॉसियस के कथन पर कार्य करते हैं।
क्लॉसियस और केल्विन दोनों के कथन समतुल्य हैं, यानी, क्लॉसियस के कथन का उल्लंघन करने वाला उपकरण केल्विन के कथन का भी उल्लंघन करेगा और इसके विपरीत भी।
इन कथनों के अलावा, निकोलस लियोनार्ड सादी कार्नोट नामक एक फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी, जिन्हें "ऊष्मागतिकी के जनक" के रूप में भी जाना जाता है, इन्होंने ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम पेश किया। हालाँकि, अपने कथन के अनुसार, उन्होंने नियम के विवरण के लिए कैलोरी सिद्धांत के उपयोग पर जोर दिया। कैलोरी (स्व-विकर्षक द्रव) गर्मी से संबंधित है, और कार्नोट ने देखा कि गति चक्र में कुछ कैलोरी खो गई थी।