ఉష్ణగతికశాస్త్రం

ఉష్ణగతిక శాస్త్రం (Thermodynamics) అనేది భౌతిక శాస్త్రంలో ఒక ముఖ్యమైన విభాగం. ఇది ఉష్ణం, పని, ఉష్ణోగ్రతల మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని వివరిస్తుంది. అంతేకాకుండా, ఈ అంశాలకు శక్తి, ఎంట్రోపీ, పదార్థం మరియు వికిరణం యొక్క భౌతిక ధర్మాలతో ఉన్న అనుబంధాన్ని కూడా ఇది చర్చిస్తుంది. ఈ పరిమాణాల ప్రవర్తన నాలుగు ఉష్ణగతిక శాస్త్ర నియమాల ద్వారా నియంత్రించబడుతుంది. ఈ నియమాలు కొలవదగిన భౌతిక పరిమాణాలను ఉపయోగించి వివరణ ఇస్తాయి. వీటిని సాంఖ్యక యంత్రశాస్త్రం (statistical mechanics) సహాయంతో సూక్ష్మ స్థాయి (microscopic) కణాల ద్వారా కూడా అర్థం చేసుకోవచ్చు. ఉష్ణగతిక శాస్త్రం శాస్త్రం, ఇంజనీరింగ్ రంగాలలో అనేక అంశాలకు వర్తిస్తుంది. ముఖ్యంగా భౌతిక రసాయన శాస్త్రం, జీవ రసాయన శాస్త్రం, కెమికల్ ఇంజనీరింగ్, మెకానికల్ ఇంజనీరింగ్ వంటి క్లిష్టమైన రంగాలలో దీని ప్రాధాన్యత చాలా ఉంది.

చారిత్రక కోణంలో చూస్తే, ప్రారంభ కాలంలోని ఆవిరి యంత్రాల సామర్థ్యాన్ని (efficiency) పెంచాలనే కోరిక నుండి ఉష్ణగతిక శాస్త్రం పుట్టింది. ముఖ్యంగా ఫ్రెంచ్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త సాడీ కార్నో (1824) కృషి వల్ల ఇది సాధ్యమైంది. ఇంజిన్ సామర్థ్యం పెంచడం ద్వారా ఫ్రాన్స్ దేశం నెపోలియన్ యుద్ధాలలో విజయం సాధించవచ్చని ఆయన నమ్మారు.Clausius, Rudolf (1850). On the Motive Power of Heat, and on the Laws which can be deduced from it for the Theory of Heat. Poggendorff's Annalen der Physik, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 978-0-486-59065-3. {{cite book}}: ISBN / Date incompatibility (help) స్కాట్స్-ఐరిష్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త లార్డ్ కెల్విన్ 1854లో ఉష్ణగతిక శాస్త్రానికి ఒక ఖచ్చితమైన నిర్వచనాన్ని ఇచ్చారు.William Thomson, LL.D. D.C.L., F.R.S. (1882). Mathematical and Physical Papers. Vol. 1. London, Cambridge: C.J. Clay, M.A. & Son, Cambridge University Press. p. 232. ISBN 978-0-598-96004-7. Archived from the original on 18 April 2021. Retrieved 2 November 2020. {{cite book}}: ISBN / Date incompatibility (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link) దీని ప్రకారం, "ఉష్ణగతిక శాస్త్రం అనేది ఉష్ణానికి, శరీరాల మధ్య పనిచేసే బలాలకు మరియు విద్యుత్ కారకాలకు మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని అధ్యయనం చేసే శాస్త్రం." జర్మన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త రుడాల్ఫ్ క్లాసియస్, కార్నో సూత్రాన్ని (కార్నో చక్రం) తిరిగి వివరించి, ఉష్ణ సిద్ధాంతానికి (theory of heat) ఒక బలమైన పునాది వేశారు. 1850లో ఆయన ప్రచురించిన "On the Moving Force of Heat" అనే వ్యాసంలో మొదటిసారిగా రెండవ ఉష్ణగతిక నియమాన్ని పేర్కొన్నారు.Clausius, R. (1867). The Mechanical Theory of Heat – with its Applications to the Steam Engine and to Physical Properties of Bodies. London: John van Voorst. Retrieved 19 June 2012. editions:PwR_Sbkwa8IC. 1865లో ఆయన 'ఎంట్రోపీ' అనే భావనను ప్రవేశపెట్టారు.

పరిచయం (Introduction)

ఏదైనా ఉష్ణగతిక వ్యవస్థ (thermodynamic system) గురించి వివరించడానికి నాలుగు ఉష్ణగతిక నియమాలు ఆధారంగా ఉంటాయి. మొదటి నియమం ప్రకారం, శక్తి అనేది ఒక వ్యవస్థ నుండి మరొక వ్యవస్థకు ఉష్ణం రూపంలో లేదా పని రూపంలో లేదా పదార్థం బదిలీ ద్వారా వెళ్ళవచ్చు.Van Ness, H.C. (1983) [1969]. Understanding Thermodynamics. Dover Publications, Inc. ISBN 9780486632773. OCLC 8846081. రెండవ నియమం 'ఎంట్రోపీ' అనే పరిమాణాన్ని నిర్వచిస్తుంది. ఇది ఒక వ్యవస్థ ఏ దిశలో మారుతుందో మరియు ఆ వ్యవస్థలో క్రమబద్ధత ఏ స్థాయిలో ఉందో తెలియజేస్తుంది. దీని ద్వారా వ్యవస్థ నుండి మనం ఎంత ఉపయోగకరమైన పనిని పొందవచ్చో లెక్కించవచ్చు.Dugdale, J.S. (1998). Entropy and its Physical Meaning. Taylor and Francis. ISBN 978-0-7484-0569-5. OCLC 36457809.

ఉష్ణగతిక శాస్త్రంలో పెద్ద సంఖ్యలో ఉండే వస్తువుల సమూహాల మధ్య జరిగే చర్యలను అధ్యయనం చేస్తారు. ఇందులో ముఖ్యంగా 'వ్యవస్థ' (system) మరియు 'పరిసరాలు' (surroundings) అనే భావనలు ఉంటాయి. వ్యవస్థ అనేది అణువులతో నిర్మితమై ఉంటుంది. ఈ అణువుల సగటు కదలికలు వ్యవస్థ ధర్మాలను నిర్ణయిస్తాయి. ఈ ధర్మాలను స్థితి సమీకరణాల (equations of state) ద్వారా ఒకదానితో ఒకటి అనుసంధానించవచ్చు. ఈ ధర్మాల ద్వారా అంతర్గత శక్తి మరియు ఉష్ణగతిక పొటెన్షియల్స్ తెలుసుకోవచ్చు. ఇవి సమతుల్యత (equilibrium) మరియు సహజంగా జరిగే ప్రక్రియలను (spontaneous processes) అర్థం చేసుకోవడానికి సహాయపడతాయి.

ఈ శాస్త్రాన్ని ఉపయోగించి ఇంజన్లు, స్థితి మార్పులు (phase transitions), రసాయన చర్యలు, ప్రవాహ దృగ్విషయాలు మరియు బ్లాక్ హోల్స్ (కృష్ణ బిలాలు) వంటి అనేక అంశాలను వివరించవచ్చు. ఉష్ణగతిక శాస్త్ర ఫలితాలు భౌతిక శాస్త్రం, కెమిస్ట్రీ, ఏరోస్పేస్ ఇంజనీరింగ్, మెటీరియల్ సైన్స్ మరియు అర్థశాస్త్రం (economics) వంటి రంగాలకు చాలా అవసరం.Smith, J.M.; Van Ness, H.C.; Abbott, M.M. (2005). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (PDF). Vol. 27 (7th ed.). p. 584. Bibcode:1950JChEd..27..584S. doi:10.1021/ed027p584.3. ISBN 978-0-07-310445-4. OCLC 56491111. {{cite book}}: |journal= ignored (help)

చరిత్ర (History)

Error creating thumbnail:

ఉష్ణగతిక శాస్త్ర స్థాపనకు కృషి చేసిన ఎనిమిది ప్రధాన పాఠశాలలు. ఇందులో బెర్లిన్ పాఠశాల (క్లాసియస్), వియన్నా పాఠశాల (బోల్ట్జ్‌మాన్), మరియు గిబ్స్ పాఠశాల ముఖ్యమైనవి.

శాస్త్రీయ రంగంగా ఉష్ణగతిక శాస్త్ర చరిత్ర ఒట్టో వాన్ గ్వెరిక్ తో మొదలైంది. 1650లో ఆయన ప్రపంచంలోనే మొదటి వ్యాక్యూమ్ పంప్ ను తయారు చేశారు. ప్రకృతి శూన్యాన్ని అసహ్యించుకుంటుంది అనే అరిస్టాటిల్ పాత నమ్మకాన్ని తప్పు అని నిరూపించడానికి ఆయన శూన్యాన్ని సృష్టించారు. ఆ తర్వాత రాబర్ట్ బాయిల్, రాబర్ట్ హుక్ తో కలిసి 1656లో ఎయిర్ పంప్ ను తయారు చేశారు.Partington, J.R. (1989). A Short History of Chemistry. Dover. OCLC 19353301. దీని ద్వారా వారు పీడనం (pressure), ఉష్ణోగ్రత మరియు ఘనపరిమాణం (volume) మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని గమనించారు. దీని నుండే ప్రసిద్ధ 'బాయిల్ నియమం' (Boyle's Law) పుట్టింది. 1679లో డెనిస్ పాపిన్ అనే శాస్త్రవేత్త 'స్టీమ్ డైజెస్టర్' (ఒక రకమైన ప్రెజర్ కుక్కర్) తయారు చేశారు.

ఆ తర్వాత కాలంలో థామస్ సావరీ, థామస్ న్యూకోమెన్ లు మొదటి ఇంజన్లను నిర్మించారు. ఈ ఇంజన్లు అంత సమర్థవంతంగా లేకపోయినా, అప్పటి శాస్త్రవేత్తల దృష్టిని ఆకర్షించాయి. గ్లాస్గో విశ్వవిద్యాలయంలో ప్రొఫెసర్ జోసెఫ్ బ్లాక్, జేమ్స్ వాట్ లు కలిసి చేసిన ప్రయోగాలు ఆవిరి ఇంజన్ సామర్థ్యాన్ని గణనీయంగా పెంచాయి. ఈ పరిశోధనలన్నింటినీ క్రోడీకరిస్తూ సాడీ కార్నో 1824లో తన ప్రసిద్ధ పుస్తకం "Reflections on the Motive Power of Fire" ను ప్రచురించారు. దీనితో ఉష్ణగతిక శాస్త్రం ఒక ఆధునిక శాస్త్రంగా అవతరించింది.Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9. OCLC 123283342.

1850వ దశకంలో విలియం ర్యాంకైన్, రుడాల్ఫ్ క్లాసియస్ మరియు విలియం థామ్సన్ (లార్డ్ కెల్విన్) ల కృషి వల్ల మొదటి మరియు రెండవ నియమాలు రూపుదిద్దుకున్నాయి. సాంఖ్యక ఉష్ణగతిక శాస్త్రానికి జేమ్స్ క్లర్క్ మాక్స్‌వెల్, లుడ్విగ్ బోల్ట్జ్‌మాన్, మాక్స్ ప్లాంక్ మరియు జే. విల్లార్డ్ గిబ్స్ పునాదులు వేశారు.

పద ఉత్పత్తి (Etymology)

'థర్మోడైనమిక్స్' (Thermodynamics) అనే పదం పురాతన గ్రీకు భాష నుండి వచ్చింది. ఇందులో రెండు భాగాలు ఉన్నాయి.

'థర్మో' (Thermo): అంటే 'ఉష్ణం' అని అర్థం.

'డైనమిక్స్' (Dynamics): అంటే 'శక్తి' లేదా 'బలం' అని అర్థం. అంటే ఉష్ణానికి, శక్తికి మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని తెలిపే శాస్త్రం అని దీని అర్థం. 1849లో విలియం థామ్సన్ మొదటిసారిగా ఈ పదాన్ని ఉపయోగించారు.

ఉష్ణగతిక శాస్త్ర విభాగాలు (Branches of thermodynamics)

ఉష్ణగతిక శాస్త్రం అధ్యయనం చేసే విధానాన్ని బట్టి కొన్ని విభాగాలుగా విభజించబడింది:

క్లాసికల్ థర్మోడైనమిక్స్ (Classical thermodynamics)

ఇది ఉష్ణగతిక వ్యవస్థల స్థితిని కొలవదగిన ధర్మాల ద్వారా వివరిస్తుంది. ఇందులో 19వ శతాబ్దంలో అభివృద్ధి చెందిన ప్రాథమిక నియమాలను ఉపయోగిస్తారు. ఇది వ్యవస్థను స్థూల స్థాయిలో (macroscopic) చూస్తుంది.

స్టాటిస్టికల్ మెకానిక్స్ (Statistical mechanics)

దీనిని సాంఖ్యక ఉష్ణగతిక శాస్త్రం అని కూడా అంటారు. ఇది 19వ శతాబ్దం చివరలో అణు సిద్ధాంతాల అభివృద్ధి వల్ల పుట్టింది. ఇది సూక్ష్మ స్థాయిలో ఉండే అణువులు, పరమాణువుల కదలికల ద్వారా వ్యవస్థ ప్రవర్తనను వివరిస్తుంది.

కెమికల్ థర్మోడైనమిక్స్ (Chemical thermodynamics)

ఇది రసాయన చర్యలలో శక్తి మార్పులను అధ్యయనం చేస్తుంది. ఒక రసాయన చర్య సహజంగా జరుగుతుందా లేదా అని తెలుసుకోవడం దీని ప్రధాన లక్ష్యం.Klotz, Irving (2008). Chemical Thermodynamics: Basic Theory and Methods. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. p. 4. ISBN 978-0-471-78015-1.

ఈక్విలిబ్రియం థర్మోడైనమిక్స్ (Equilibrium thermodynamics)

ఇది సమతుల్య స్థితిలో ఉన్న వ్యవస్థలలో శక్తి మరియు పదార్థ బదిలీని అధ్యయనం చేస్తుంది. సమతుల్య స్థితి అంటే వ్యవస్థలోని అన్ని భాగాలు ఒకే రకమైన ధర్మాలను కలిగి ఉండి, ఎలాంటి మార్పులు జరగని స్థితి.

ఉష్ణగతిక శాస్త్ర నియమాలు (Laws of thermodynamics)

ప్రధాన వ్యాసం: Laws of thermodynamics

ఉష్ణగతిక శాస్త్రం ప్రధానంగా నాలుగు నియమాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది. అవి:

శూన్య నియమం (Zeroth law)

నియమం: ఒకవేళ రెండు వ్యవస్థలు విడివిడిగా మూడవ వ్యవస్థతో ఉష్ణ సమతుల్యతలో ఉంటే, అవి ఒకదానితో ఒకటి కూడా ఉష్ణ సమతుల్యతలో ఉంటాయి.

ఈ నియమం ఉష్ణోగ్రత అనే భావనకు పునాది. ఉదాహరణకు, రెండు వస్తువులు ఒకే ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉన్నాయా లేదా అని తెలుసుకోవడానికి వాటిని తాకాల్సిన అవసరం లేకుండా, ఒక థర్మామీటర్ సహాయంతో చెప్పవచ్చు. దీని ద్వారానే మనం ఉష్ణోగ్రతను కొలవగలుగుతున్నాము.

మొదటి నియమం (First law)

నియమం: పదార్థ బదిలీ లేని ఒక ప్రక్రియలో, వ్యవస్థ అంతర్గత శక్తిలో మార్పు (\Delta U), వ్యవస్థకు అందిన ఉష్ణం (Q) నుండి వ్యవస్థ చేసిన పనిని (W) తీసివేసిన దానికి సమానం.

\Delta U = Q - W

ఇది వాస్తవానికి 'శక్తి నిత్యత్వ నియమం' (Conservation of Energy) యొక్క మరో రూపం. అంటే శక్తిని సృష్టించలేము లేదా నాశనం చేయలేము, కేవలం ఒక రూపం నుండి మరో రూపానికి మార్చగలము. ఒక మూసి ఉన్న వ్యవస్థలో (closed system), శక్తి అనేది ఉష్ణం లేదా పని రూపంలో మాత్రమే మారగలదు.

రెండవ నియమం (Second law)

నియమం: ఉష్ణం అనేది తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువు నుండి ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువుకు సహజంగా ప్రవహించదు.

ఈ నియమం ప్రక్రియల దిశను నిర్ణయిస్తుంది. ఏదైనా ఒక వ్యవస్థను ఒంటరిగా వదిలేస్తే (isolated system), దాని ఎంట్రోపీ కాలక్రమేణా పెరుగుతూనే ఉంటుంది. అంటే ప్రపంచంలో క్రమరాహిత్యం (disorder) పెరుగుతూ ఉంటుంది. ఈ నియమం వల్లే 100% సామర్థ్యం ఉన్న ఇంజన్ ను తయారు చేయడం అసాధ్యం.

మూడవ నియమం (Third law)

నియమం: వ్యవస్థ ఉష్ణోగ్రత పరమ శూన్యానికి (absolute zero) చేరుకునే కొద్దీ, వ్యవస్థలోని అన్ని ప్రక్రియలు ఆగిపోతాయి మరియు ఎంట్రోపీ ఒక కనిష్ట విలువకు చేరుకుంటుంది.

పరమ శూన్య ఉష్ణోగ్రత అంటే 0 K లేదా -273.15 °C. ఈ ఉష్ణోగ్రతను చేరుకోవడం ఆచరణలో అసాధ్యం. ఈ నియమం ఎంట్రోపీని లెక్కించడానికి ఒక ప్రారంభ బిందువును ఇస్తుంది.

వ్యవస్థల నమూనాలు (System models)

File:System boundary.svg

ఒక సాధారణ ఉష్ణగతిక వ్యవస్థ రేఖాచిత్రం

ఉష్ణగతిక శాస్త్రంలో 'వ్యవస్థ' (system) అనేది మనం అధ్యయనం చేసే విశ్వంలోని ఒక భాగం. మిగిలిన భాగాన్ని 'పరిసరాలు' (surroundings) అంటారు. వ్యవస్థకు, పరిసరాలకు మధ్య ఉండే పొరను 'హద్దు' (boundary) అంటారు. ఈ హద్దుల గుండా శక్తి మరియు పదార్థం ఎలా ప్రవహిస్తాయో దాన్ని బట్టి వ్యవస్థలను మూడు రకాలుగా విభజించవచ్చు:

వ్యవస్థ రకం	పదార్థ బదిలీ	శక్తి బదిలీ
వివిక్త వ్యవస్థ (Isolated system)	జరగదు	జరగదు
మూసి ఉన్న వ్యవస్థ (Closed system)	జరగదు	జరుగుతుంది
తెరిచి ఉన్న వ్యవస్థ (Open system)	జరుగుతుంది	జరుగుతుంది

ఒకవేళ ఒక వ్యవస్థలో పీడనం, సాంద్రత మరియు ఉష్ణోగ్రత వంటివి కాలంతో పాటు మారకుండా ఉంటే, ఆ వ్యవస్థ 'ఉష్ణగతిక సమతుల్యత'లో (thermodynamic equilibrium) ఉందని అంటారు.

ప్రక్రియలు (Processes)

ఒక వ్యవస్థ ఒక స్థితి నుండి మరో స్థితికి మారడాన్ని ప్రక్రియ అంటారు. ఇందులో కొన్ని ముఖ్యమైన రకాలు ఉన్నాయి:

అడియాబాటిక్ ప్రక్రియ (Adiabatic): ఉష్ణ మార్పిడి జరగని ప్రక్రియ.

ఐసోబారిక్ ప్రక్రియ (Isobaric): స్థిర పీడనం వద్ద జరిగే ప్రక్రియ.

ఐసోకోరిక్ ప్రక్రియ (Isochoric): స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద జరిగే ప్రక్రియ.

ఐసోథర్మల్ ప్రక్రియ (Isothermal): స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద జరిగే ప్రక్రియ.

పరికరాలు (Instrumentation)

ఉష్ణగతిక పరిమితులను కొలవడానికి కొన్ని పరికరాలు వాడతారు:

థర్మామీటర్: ఉష్ణోగ్రతను కొలవడానికి.

బేరోమీటర్: పీడనాన్ని కొలవడానికి.

కెలోరీమీటర్: ఉష్ణం లేదా అంతర్గత శక్తి మార్పులను కొలవడానికి.

ఉష్ణగతిక పొటెన్షియల్స్ (Potentials)

వ్యవస్థలో దాగి ఉన్న శక్తిని కొలవడానికి వీటిని వాడతారు. ముఖ్యమైనవి:

అంతర్గత శక్తి (Internal Energy): U

ఎంథాల్పీ (Enthalpy): H = U + pV

హెల్మ్‌హోల్ట్జ్ శక్తి (Helmholtz free energy): A = U - TS

గిబ్స్ శక్తి (Gibbs free energy): G = H - TS

అన్వయాలు (Applied fields)

ఉష్ణగతిక శాస్త్రం ఎన్నో రంగాలలో ఉపయోగపడుతుంది:

వాతావరణ ఉష్ణగతిక శాస్త్రం

జీవ ఉష్ణగతిక శాస్త్రం

బ్లాక్ హోల్ ఉష్ణగతిక శాస్త్రం

రసాయన ఉష్ణగతిక శాస్త్రం

సైక్రోమెట్రిక్స్ (గాలిలోని తేమను అధ్యయనం చేయడం)

ఇవి కూడా చూడండి

ఉష్ణగతిక సమీకరణాలు

ఉష్ణగతిక శాస్త్ర కాలక్రమం

మరింత సమాచారం కోసం (Further reading)

Goldstein, Martin; Inge F. (1993). The Refrigerator and the Universe. Harvard University Press.

Cengel, Yunus A., & Boles, Michael A. (2002). Thermodynamics – an Engineering Approach. McGraw Hill.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)