ऊष्मागतिक शास्त्राचा शून्यावा नियम : जर दोन प्रणाल्या एका तिसऱ्या प्रणाली सोबत औष्णिक समतोल साधत असतील, तर त्या दोन प्रणाल्या एकमेकांसोबतही औष्णिक समतोलात असतात. दोन प्रणाल्या औष्णिक समतोलात असणे म्हणजे त्यांच्यामध्ये उष्णतेचा प्रवाह होत नसणे. अधिक सोप्या शब्दात म्हणजे दोन्ही प्रणालींचे तापमान सारखे असणे.
या नियमाचा भौतिक अर्थ जेम्स क्लार्क मॅक्सवेल यांनी सांगितला आहे तो म्हणजे, ‘सर्व उष्णता ही एकाच प्रकारची असते’.
वैध तापमापकांच्या अस्तित्वासाठी लागणाऱ्या तापमानाच्या गणिती व्याख्येसाठी ऊष्मागतिक शास्त्राचा शून्यावा नियम उपयुक्त ठरतो.
ऊष्मागतिक शास्त्राचा पहिला नियम : ऊर्जा ही दोन प्रकारांमध्ये असते; (१) प्रणालीच्या सीमेवर होणारा ऊर्जा विनिमय आणि (२) प्रणालीमध्ये साठविलेली ऊर्जा.
उष्णता हा एका पदार्थाकडून दुसऱ्या पदार्थाकडे वाहणारा एक काल्पनिक द्रव पदार्थ आहे, असा एक विचारप्रवाह होता. परंतु जेम्स प्रेस्कट जूल या शास्त्रज्ञाने हे विविध प्रयोगांच्या आधारे खोटे ठरविले. त्यांनी उष्णता आणि यांत्रिक कार्य हे ऊर्जेचेच भिन्न प्रकार आहेत, असे दाखविले व सिद्ध केले. ऊर्जा ही प्रणालीमध्ये उष्णतेच्या रूपात आत येते, तर यांत्रिक कार्याच्या रूपात बाहेर पडते. कधी ऊर्जा ही यांत्रिक कार्याच्या रूपात आत येते, तर उष्णतेच्या रूपात बाहेर पडते.
जे सभोवती दिसते, तेच फक्त गणिती समीकरणामध्ये मांडण्यात आले आहे. यांत्रिक कार्य व उष्णता विनिमयाच्या गणिती चिन्हांबद्दल माहिती खाली दिली आहे.
- जर परिसराने प्रणालीवर यांत्रिक कार्य केले आणि तिचे घनफळ कमी झाले म्हणजेच संक्षेप झाला, तर हे यांत्रिक कार्य उणे (नकारात्मक) धरले जाते. जर प्रणालीने परिसरावर यांत्रिक कार्य केले, म्हणजेच विस्तार झाला, तर हे यांत्रिक कार्य अधिक (सकारात्मक) धरले जाते.
- जर प्रणालीला ऊर्जा दिली, म्हणजेच उष्णता देऊन तिचे तापमान वाढविण्यात आले, तर ही ऊर्जा अधिक धरली जाते. जर प्रणालीची उष्णता काढून घेतली, म्हणजेच तिचे तापमान जर कमी झाले, तर ही ऊर्जा उणे धरली जाते.
ΔQ ही संज्ञा प्रणालीच्या उष्णतेमधील फरक दर्शविते. ΔE ही प्रणालीच्या ऊर्जेमधील फरक दर्शविते आणि W हे प्रणालीवर केलेले यांत्रिक कार्य दर्शविते. ऊष्मागतिक शास्त्राचा पहिला नियम हा गणिती समीकरणामध्ये खालीलप्रमाणे मांडतात.
ΔQ = ΔE + W
बंद प्रणालीकरिता ऊष्मागतिक शास्त्राचा पहिला नियम खालीलप्रमाणे लागू होतो.
प्रणालीला जर उष्णता दिली, तर त्यातील काही भाग उष्णता ही यांत्रिक कार्य करण्यासाठी वापरली जाते आणि उरलेली उष्णता ही प्रणालीमध्ये साठवून ठेवली जाते. उष्णता ही ऊर्जेचा एक आविष्कार आहे.
ऊष्मागतिक शास्त्राचा पहिला नियम हा गणिती समीकरणाद्वारे सिद्ध करणे अवघड आहे परंतु सभोवती असणारी कोणतीही प्रणाली हा नियम मोडताना दिसत नाही आणि हीच त्याची सिद्धता आहे. शास्त्राच्या पहिल्या नियमाप्रमाणे नवीन ऊर्जा ही तयार केली जाऊ शकत नाही, तसेच ती नष्ट देखील केली जाऊ शकत नाही. ती एका रूपामधून दुसऱ्या रूपामध्ये परिवर्तित होते. ऊर्जा अविनाशी आहे. त्याबरोबरच पहिल्या नियमानुसार उष्णता आणि यांत्रिक कार्य हे समतुल्य असतात.
पहिल्या नियमाच्या मर्यादा : (१) उष्णता किंवा कार्याच्या स्वरूपात ऊर्जेचा विनिमय होतो. परंतु एका प्रणालीमधून एकूण ऊर्जेच्या किती भागाचा कार्याच्या स्वरूपात विनिमय होऊ शकतो यावर पहिला नियम कोणतेही बंधन लावत नाही. (२) पहिल्या नियमानुसार वापरलेली उष्णता आणि त्याचे यांत्रिक कार्यामध्ये झालेले रूपांतर यांच्यात समतोलपणा प्रस्थापित होतो, परंतु उष्णतेचे कार्यामध्ये होणारे रूपांतरण कोणत्या परिस्थितीमध्ये शक्य आहे, याबद्दल पहिला नियम माहिती देत नाही. (३) तसेच या उष्णतेच्या प्रवाहाची दिशाही ठरवित नाही.
पहिल्या नियमाच्या वरील मर्यादा दुसऱ्या नियमाने दूर होतात.
ऊष्मागतिक शास्त्राचा दुसरा नियम : ऊष्मागतिक शास्त्राच्या दुसऱ्या नियमाची अनेक विधाने आहेत. त्यातील महत्त्वाची दोन विधाने खालीलप्रमाणे :
- क्लॉसियस यांचे विधान : चक्रीय प्रक्रियेमध्ये काम करणाऱ्या यंत्रासाठी कोणत्याही बाह्य ऊर्जेशिवाय कमी तापमानाच्या वस्तूकडून जास्त तापमानाच्या वस्तूकडे उष्णतेचा विनिमय करणे अशक्य आहे.
- केल्विन-प्लांक यांचे विधान : एका औष्णिक स्रोताकडून मिळालेल्या उष्णतेचे त्यासमान यांत्रिक कार्यामध्ये रूपांतर करण्याव्यतिरिक्त इतर कोणताही परिणाम नसणारे यंत्र बनविणे अशक्य आहे.
इतर विधाने : (१) उष्णतेचे वहन स्वयंस्फूर्तीने थंड वस्तूकडून गरम वस्तूकडे होऊ शकत नाही. (२) कोणत्याही यंत्राची कार्यक्षमता १०० टक्के नसते. (३) बाह्यप्रभावाखाली नसलेली कोणतीही प्रणाली वेळेनुसार अधिक अव्यवस्थ होत जाते. ही अव्यवस्था ‘एंट्रॉपी’ या संज्ञेने दर्शविली जाते.
दुसऱ्या नियमासाठी जरी ही विविध विधाने उपलब्ध असली तरी त्या सर्वांमधून एकसमान बोध होतो. क्लॉसियस यांचे विधान आपल्याला उष्णतेच्या प्रवाहाच्या दिशेविषयी माहिती देते, तर केल्विन-प्लांक यांचे विधान कार्यक्षमतेची नवीन संकल्पना देते.
दुसरे शाश्वत गती यंत्र : ऊष्मागतिक शास्त्राचा पहिला नियम मोडणाऱ्या यंत्राला पहिले शाश्वत गती यंत्र असे म्हटले जाते. हे काल्पनिक यंत्र कोणत्याही ऊर्जेशिवाय कार्याची निर्मिती करू शकते. परंतु पहिला नियम न मोडता, अशा यंत्राबद्दल विचार केला जाऊ शकतो जे सतत एका औष्णिक स्रोताकडून मिळालेल्या उष्णतेचे संपूर्णपणे यांत्रिक कार्यामध्ये रूपांतरण करेल. अशा यंत्राला दुसरे शाश्वत गती यंत्र असे म्हटले जाते. परंतु हे यंत्र ऊष्मागतिक शास्त्राच्या दुसऱ्या नियमाचे उल्लंघन करते, कारण या नियमानुसार उष्णतेचे संपूर्णपणे कार्यात रूपांतर करणारे यंत्र बनविणे अशक्य आहे. त्यामुळे दुसरे शाश्वत गती यंत्रदेखील काल्पनिकच आहे.
कार्यक्षमता : एखाद्या यंत्राला दिलेल्या ऊर्जेचा काही भागच यांत्रिक कार्यामध्ये रूपांतरित होऊ शकतो. दिलेल्या ऊर्जेच्या यांत्रिक कार्यामध्ये रूपांतरित झालेल्या या भागालाच ‘औष्णिक कार्यक्षमता’ असे म्हटले जाते.
मिळालेले यांत्रिक कार्य हे नेहमी पुरविलेल्या ऊर्जेपेक्षा कमीच असते. त्यामुळे कोणत्याही यंत्राची कार्यक्षमता नेहमी एकपेक्षा कमीच असते.
समीक्षक – पी. आर. धामणगावकर
