ऊष्मागतिक शास्त्र हे उष्णता आणि यांत्रिक कार्य यांच्या परस्परसंबंधीचे शास्त्र आहे. उष्णतेचे यांत्रिक ऊर्जेत आणि यांत्रिक ऊर्जेचे उष्णतेत रूपांतर होत असल्यामुळे पदार्थांच्या भौतिक गुणधर्मांवर होणाऱ्या परिणामांचा अभ्यास या शास्त्रामध्ये केला जातो. शास्त्रज्ञांनी हेच शास्त्र सिद्धांतांमध्ये व नियमांमध्ये मांडले. रोजच्या जीवनात आवतीभवती घडणाऱ्या गोष्टींचे जरी बारकाईने निरीक्षण केले, तरी हे सिद्धांत सहज समजू शकतात. घरातील शीतकपाटापासून ते एखादा वीज व अणुऊर्जा प्रकल्प अशा विविध ऊर्जा प्रकल्पांची उभारणी या मूलभूत सिद्धांतांवर आधारित आहे.
ऊष्मागतिक शास्त्राचे स्थूलमानीय व सूक्ष्ममानीय असे दोन प्रकार आहेत. डोळ्यांना ज्या गोष्टी दिसतात, त्या भौतिक परिणामांचा अभ्यास स्थूलमानीय पद्धतीत केला जातो. उदा., भरलेल्या भांड्यातील तळाशी पाण्यामुळे निर्माण होणारा दाब. डोळ्याला न दिसणाऱ्या, सूक्ष्मपातळीवर घडणाऱ्या घडामोडींचा अंतर्भाव सूक्ष्ममानीय पद्धतीत होतो. उदा., अणु-रेणू या पातळीवर होणाऱ्या हालचाली व त्यांच्या गती आणि आण्विक पातळीवर होणारे ऊर्जा रूपांतरण इत्यादी.
ऊष्मागतिक प्रणाली (व्यूह) : आवतीभवतीच्या एका विशिष्ट भागाचा उष्णता ऊर्जा रूपांतरणाच्या दृष्टिकोनातून अभ्यास केला जातो, अशा विशिष्ट घटकाला ऊष्मागतिक प्रणाली असे म्हणतात. जे या प्रणालीच्या बाहेर आहे, अशा घटकाला ‘परिसर’ असे म्हणतात. परिसर व ऊष्मागतिक प्रणाली मिळून विश्व तयार होते (येथे विश्व हे मर्यादित अर्थाने समजतात). ऊष्मागतिक प्रणाली व परिसर हे एका सीमेने वेगळे झालेले असते. ही सीमा स्थिर अथवा बदलणारी असते. उष्णता व यांत्रिक कार्य या दोन्हींचे रूपांतरण या सीमेवर होते. प्रणालीचे पुढील तीन प्रकार आहेत-
- खुली ऊष्मागतिक प्रणाली : यामध्ये ऊर्जा रूपांतरण होऊ शकते व वस्तुमान रूपांतरण देखील होऊ शकते. आवतीभवतीच्या अनेक प्रणाली या खुल्या प्रकारच्याच असतात.
- बंद ऊष्मागतिक प्रणाली : एक विशिष्ट वस्तुमान असलेली प्रणाली. यामध्ये ऊर्जा रूपांतरण होऊ शकते, परंतु वस्तुमान रूपांतरण होऊ शकत नाही.
- एकाकी ऊष्मागतिक प्रणाली : या प्रणालीमध्ये ऊर्जा व वस्तुमान दोन्हींचेही रूपांतरण शकत नाही.
उदाहरणार्थ, हातात गरम चहाने भरलेला कप असल्यास ती खुली प्रणाली होईल. काही वेळानंतर चहाचे तापमानही कमी होते व चहाची वाफ देखील कपाच्या बाहेर येते. जर कपावर बशी ठेवल्यास ती बंद प्रणाली होईल. कारण बशी ठेवली तरी काही वेळानंतर चहाचे तापमान काही अंशी कमी होते. म्हणजेच प्रणालीचा परिसराबरोबर ऊर्जेचा विनिमय होतो. परंतु चहाची वाफ बाहेर येऊ शकत नाही. म्हणजेच वस्तुमानात बदल होत नाही. कपामधील चहा थर्मासमध्ये ठेवल्यास, ती एकाकी प्रणाली होईल. कारण काही वेळानंतरसुद्धा चहाचे तापमान तेवढेच राहते. म्हणजेच ऊर्जा व वस्तुमान दोघांचेही रूपांतरण होत नाही.
ऊष्मागतिक प्रक्रिया व यांत्रिक कार्य : प्रत्येक ऊष्मागतिक प्रणालीची स्थिती ही पदार्थांच्या भौतिक गुणधर्मांवर अवलंबून असते. उदा., दाब, तापमान आणि घनफळ. अशा गुणधर्मांचा उपयोग प्रणालीची स्थिती निश्चित करण्याकरिता केला जातो. क्रियेमध्ये पदार्थाच्या भौतिक गुणधर्मांमध्ये बदल होतो, त्यामुळे पर्यायाने प्रणालीच्या स्थितीमध्ये देखील बदल होतो. एका विशिष्ट दिशेद्वारे प्रणालीमध्ये एका स्थितीतून दुसऱ्या स्थितीमध्ये होणाऱ्या बदलाला ऊष्मागतिक प्रक्रिया असे म्हणतात. जर प्रक्रियेच्या सुरुवातीची व शेवटची स्थिती सारखी असेल, तर त्याला चक्रीय प्रक्रिया असे म्हणतात. भौतिक गुणधर्मांचेदेखील दोन प्रकार असतात. (१) जे गुणधर्म वस्तुमानावर अवलंबून असतात अशा गुणधर्मांना extensive गुणधर्म म्हणतात. उदा., घनफळ, ऊर्जा इ. (२) जे गुणधर्म वस्तुमानावर अवलंबून नसतात, अशा गुणधर्मांना intensive गुणधर्म, असे म्हणतात. उदा., विशिष्ट घनफळ, विशिष्ट ऊर्जा, घनता इ.
कोणत्याही प्रणालीवर जर बाहेरून लागत असलेल्या प्रेरणेमुळे जर प्रणालीच्या स्थितीमध्ये बदल झाला, तर प्रणालीवर यांत्रिक कार्य केले गेले असे म्हणतात. जर एका स्थितीमधून दुसऱ्या स्थितीमध्ये होणाऱ्या परिवर्तनाची दिशा बदलली, तर यांत्रिक कार्यामध्येदेखील बदल होतो.
स्थैतिककल्प प्रक्रिया : एका स्थितीमधून दुसऱ्या स्थितीमध्ये परिवर्तन जर अतिमंद गतीने होत असेल, तर त्या प्रक्रियेला स्थैतिककल्प प्रक्रिया असे म्हणतात. जणू मार्गात येणारी प्रत्येक स्थिती ही समतोल स्थिती असते. अशा प्रक्रियेला आदर्श प्रक्रिया असेही म्हणतात. या प्रक्रिया उलटही करता येऊ शकतात.
प्रक्रियेचे प्रकार :
समदाबी प्रक्रिया : या प्रक्रियेमध्ये प्रणालीवर एक विशिष्ट स्थिर दाब असतो. अशा प्रक्रियेला समदाबी प्रक्रिया असे म्हणतात.
या प्रक्रियेमध्ये यांत्रिक कार्य असे असते-
W = P (V2-V1) येथे, W = कार्य, P = दाब, (V2-V1) = आयतनांतील (घनफळांतील) फरक.
समआयतन प्रक्रिया : या प्रक्रियेमध्ये प्रणालीचे आयतन निश्चित असते आणि त्यामध्ये बदल होत नाही. अशा प्रक्रियेला समआयतन प्रक्रिया असे म्हणतात. या प्रक्रियेमध्ये यांत्रिक कार्य शून्य असते.
समतापी प्रक्रिया : ज्या प्रक्रियेमध्ये प्रणालीच्या तापमानात कोणताही बदल होत नाही, अशा प्रक्रियेला समतापी प्रक्रिया असे म्हणतात.
W=P1V1•ln(V2/V1) येथे, ln = नैसर्गिक लॉगरिथम.
अ–उष्णवाहन प्रक्रिया : ज्या प्रक्रियेमध्ये संहति व परिसर यामध्ये उष्णतेचा विनिमय होत नाही, अशा प्रक्रियेला प्रक्रिया असे म्हणतात.
W= [ P1V1 – P2V2 ] / (n-1)
समीक्षक – पी. आर. धामणगावकर
