एन्ट्रापी की परिभाषा

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एंट्रॉपी (एस) ऊष्मप्रवैगिकी की केंद्रीय अवधारणाओं में से एक है। यह एक राज्य कार्य है जो एक प्रणाली के विकार का एक उपाय प्रदान करता है और एक सहज प्रक्रिया के दौरान गर्मी के रूप में नष्ट होने वाली ऊर्जा की मात्रा का भी एक उपाय है। भौतिक विज्ञान, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान से लेकर अर्थशास्त्र, वित्त और समाजशास्त्र जैसे सामाजिक विज्ञानों तक, ज्ञान के विभिन्न क्षेत्रों में एन्ट्रापी गणनाएँ महत्वपूर्ण हैं।

अनुप्रयोगों की इतनी विस्तृत विविधता होने के कारण, यह आश्चर्य की बात नहीं है कि एन्ट्रापी की विभिन्न अवधारणाएँ या परिभाषाएँ हैं। बाद में, एन्ट्रापी की दो मुख्य अवधारणाएँ प्रस्तुत की जाती हैं: थर्मोडायनामिक अवधारणा और सांख्यिकीय अवधारणा।

प्रक्रियाओं की एंट्रॉपी बनाम सिस्टम की एंट्रॉपी

एंट्रॉपी थर्मोडायनामिक सिस्टम की एक संपत्ति है जिसे ग्रंथ सूची में अक्षर एस के साथ दर्शाया गया है। यह एक राज्य कार्य है, जिसका अर्थ है कि यह उन चरों में से एक है जो उस राज्य को परिभाषित करने की अनुमति देता है जिसमें एक प्रणाली पाई जाती है। इसके अलावा, इसका अर्थ यह भी है कि यह एक ऐसी संपत्ति है जो केवल उस विशेष स्थिति पर निर्भर करती है जिसमें सिस्टम है, न कि उस स्थिति पर सिस्टम कैसे पहुंचा।

इसका मतलब यह है कि, जब किसी निश्चित अवस्था में किसी सिस्टम की एन्ट्रापी के बारे में बात करते हैं, तो हम इसे उसी तरह करते हैं जैसे हम सिस्टम के तापमान या आयतन के बारे में बात करते हैं। हालाँकि, एंट्रॉपी परिवर्तन की गणना करना भी आम है जो तब होता है जब कोई सिस्टम एक राज्य से दूसरे राज्य में जाता है। उदाहरण के लिए, हम पानी के एक नमूने के वाष्पीकरण से, या ऑक्सीजन और लोहे के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया से आयरन ऑक्साइड देने के लिए एन्ट्रापी परिवर्तन की गणना कर सकते हैं। इनमें से किसी भी मामले में हम प्रक्रिया एन्ट्रापी की बात करते हैं, जबकि वास्तव में हमें उक्त प्रक्रियाओं से जुड़े एन्ट्रापी परिवर्तनों की बात करनी चाहिए।

दूसरे शब्दों में, जब हम 25 डिग्री सेल्सियस और दबाव के 3.0 वायुमंडल पर मीथेन गैस के एक नमूने की एन्ट्रापी के बारे में बात करते हैं (जिस स्थिति में हम उक्त गैस की एक विशेष अवस्था का वर्णन कर रहे हैं), तो हम सिस्टम की एन्ट्रापी का भी उल्लेख करते हैं। पूर्ण एन्ट्रॉपी या एस कहा जाता है।

इसके बजाय, जब हम कार्बन डाइऑक्साइड और पानी देने के लिए ऑक्सीजन की उपस्थिति में 25 डिग्री सेल्सियस और दबाव के 3.0 वायुमंडल में गैसीय मीथेन के एक नमूने को जलाने की एन्ट्रापी के बारे में बात करते हैं, तो हम उस प्रक्रिया की एन्ट्रापी के बारे में बात कर रहे हैं जिसमें परिवर्तन शामिल है सिस्टम की स्थिति और इसलिए सिस्टम की एन्ट्रापी में बदलाव। दूसरे शब्दों में, इन मामलों में हम एन्ट्रॉपी या ΔS के परिवर्तन को संदर्भित करते हैं

एन्ट्रापी को परिभाषित करते समय, यह स्पष्ट होना आवश्यक है कि क्या हम S या ΔS के बारे में बात कर रहे हैं, क्योंकि वे समान नहीं हैं। कहा जा रहा है कि एन्ट्रापी की दो बुनियादी अवधारणाएँ हैं: मूल थर्मोडायनामिक अवधारणा और सांख्यिकीय अवधारणा। दोनों अवधारणाएँ समान रूप से महत्वपूर्ण हैं। पहला इसलिए कि इसने एंट्रॉपी को ब्रह्मांड में सभी प्राकृतिक मैक्रोस्कोपिक प्रक्रियाओं की सहजता को समझने के लिए एक अनिवार्य चर के रूप में जाना जाता है (क्वांटम यांत्रिकी के सूक्ष्म क्षेत्र में चीजें थोड़ी दलदली हो जाती हैं) और दूसरी क्योंकि यह हमें व्याख्या की सहज समझ प्रदान करती है। एक प्रणाली की एन्ट्रापी का वास्तव में क्या मतलब है।

एन्ट्रॉपी की थर्मोडायनामिक परिभाषा (ΔS)

एन्ट्रापी की मूल अवधारणा एक प्रणाली में परिवर्तन की प्रक्रियाओं से जुड़ी है; उनमें, आंतरिक ऊर्जा का एक भाग ऊष्मा के रूप में नष्ट हो जाता है। यह कुछ ऐसा है जो हर प्राकृतिक या सहज प्रक्रिया में होता है और ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का आधार बनता है, जो यकीनन विज्ञान के सबसे महत्वपूर्ण (और सीमित) कानूनों में से एक है।

उदाहरण के लिए, एक गेंद को जमीन पर उछलने देने के मामले पर विचार करें। जब हम किसी गेंद को एक निश्चित ऊंचाई पर रखते हैं, तो उसमें एक निश्चित मात्रा में स्थितिज ऊर्जा होती है। जब आप गेंद को छोड़ते हैं, तो यह गिरती है, संभावित ऊर्जा को गतिज ऊर्जा में तब तक परिवर्तित करती है जब तक कि यह जमीन से टकरा न जाए। उस समय, गतिज ऊर्जा फिर से संभावित ऊर्जा के रूप में जमा होती है, इस बार लोचदार, जो बाद में गेंद के उछलने पर जारी होती है।

आदर्श परिस्थितियों में उछाल के बाद सभी प्रारंभिक संभावित ऊर्जा को संरक्षित किया जाएगा, जिसका अर्थ होगा कि गेंद को प्रारंभिक ऊंचाई पर वापस उछलना चाहिए। हालाँकि, भले ही हम हवा को पूरी तरह से हटा दें (घर्षण को खत्म करने के लिए), अनुभव हमें बताता है कि गेंद कभी भी शुरुआती ऊंचाई तक वापस नहीं जाती है, लेकिन जब तक यह जमीन पर नहीं टिकती है, तब तक प्रत्येक उछाल के बाद कम और कम ऊंचाई तक जाती है।

यह स्पष्ट है कि जमीन पर गेंद की बार-बार उछलने से हमारे छोटे से प्रयोग की शुरुआत में वस्तु की सभी संभावित ऊर्जा पूरी तरह से नष्ट हो जाती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि हर बार जब गेंद उछलती है, तो यह अपनी ऊर्जा का हिस्सा गर्मी के रूप में जमीन पर स्थानांतरित कर देती है, जो बदले में जमीन के साथ ही बेतरतीब ढंग से फैल जाती है।

ऊष्मप्रवैगिकी में, एन्ट्रापी, या बल्कि एन्ट्रापी परिवर्तन, को पूर्ण तापमान से विभाजित एक प्रतिवर्ती परिवर्तन के दौरान एक प्रणाली द्वारा जारी या अवशोषित गर्मी के रूप में परिभाषित किया गया है। यानी:

एन्ट्रापी की परिभाषा

यह परिभाषा किसी भी प्रकार की प्रक्रिया की एन्ट्रापी की एक अतिसूक्ष्म भिन्नता का प्रतिनिधित्व करती है, जो कि विपरीत रूप से की जाती है, अर्थात असीम रूप से धीरे-धीरे। एक वास्तविक और मापने योग्य परिवर्तन की एंट्रॉपी प्राप्त करने के लिए हमें इस अभिव्यक्ति को एकीकृत करना होगा:

एन्ट्रापी की परिभाषा

चूंकि एन्ट्रॉपी राज्य का एक कार्य है, पिछली अभिव्यक्ति का तात्पर्य है कि किसी भी प्रारंभिक राज्य और किसी भी अंतिम राज्य के बीच एक प्रणाली की एन्ट्रापी भिन्नता दोनों राज्यों के बीच एक प्रतिवर्ती पथ की तलाश करके और पिछली अभिव्यक्ति को एकीकृत करके पाई जा सकती है। एक इज़ोटेर्माल परिवर्तन के सरलतम मामले के लिए, एकीकृत एन्ट्रापी बन जाती है:

एन्ट्रापी की परिभाषा

एन्ट्रापी (एस) की सांख्यिकीय परिभाषा

ऑस्ट्रियाई सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी लुडविग बोल्ट्जमैन विज्ञान में अपने अनगिनत योगदानों के लिए प्रसिद्ध हैं, लेकिन मुख्य रूप से एंट्रॉपी की उनकी सांख्यिकीय व्याख्या के लिए। बोल्ट्जमैन ने एन्ट्रापी और उस तरीके के बीच एक संबंध स्थापित किया जिसमें एक निश्चित तापमान पर विभिन्न ऊर्जा स्तरों में अणुओं को वितरित किया जाता है। यह वितरण, जिसे बोल्ट्जमैन वितरण कहा जाता है, भविष्यवाणी करता है कि किसी दिए गए तापमान पर किसी दिए गए ऊर्जा राज्य में अणुओं की आबादी राज्य के ऊर्जा स्तर के साथ तेजी से घट जाती है। इसके अलावा, उच्च तापमान पर, अधिक संख्या में ऊर्जा राज्य सुलभ होंगे।

इन और अन्य अतिरिक्त टिप्पणियों को उस समीकरण में संक्षेपित किया गया है जो आज उनके नाम पर है, जो कि बोल्ट्जमैन समीकरण है:

एन्ट्रापी की परिभाषा

इस समीकरण में, S एक विशेष अवस्था में सिस्टम की एन्ट्रापी का प्रतिनिधित्व करता है और W उसी के माइक्रोस्टेट्स की संख्या का प्रतिनिधित्व करता है और k B आनुपातिकता का एक स्थिरांक है जिसे बोल्ट्जमैन का स्थिरांक कहा जाता है। इन माइक्रोस्टेट्स में अलग-अलग तरीके होते हैं जिसमें सिस्टम बनाने वाले परमाणुओं और अणुओं को सिस्टम की कुल ऊर्जा को स्थिर रखते हुए व्यवस्थित किया जा सकता है।

माइक्रोस्टेट्स की संख्या परंपरागत रूप से एक प्रणाली में विकार के स्तर से जुड़ी होती है। समझने के लिए, आइए एक दराज पर विचार करें जहां हम बड़ी संख्या में मोज़े रखते हैं। मोजे का रंग उस ऊर्जा स्तर से जुड़ा हो सकता है जिसमें वे पाए जाते हैं। इस प्रकार, बोल्ट्जमैन वितरण भविष्यवाणी करता है कि, पर्याप्त रूप से कम तापमान पर, व्यावहारिक रूप से सभी मोज़े एक ही रंग के होंगे (सबसे कम ऊर्जा अवस्था के अनुरूप)। इस मामले में, इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि हम मोजे कैसे ऑर्डर करते हैं, नतीजा हमेशा वही होगा (चूंकि वे सभी समान हैं)। इसलिए केवल एक माइक्रोस्टेट (W = 1) होगा।

हालांकि, जैसे-जैसे हम तापमान बढ़ाते हैं, इनमें से कुछ मोज़े दूसरे रंग में बदल जाएंगे। भले ही मोजे की केवल एक जोड़ी रंग बदलती है (दूसरी ऊर्जा स्थिति में जाती है), तथ्य यह है कि मोजे में से कोई भी रंग बदलने वाला हो सकता है, इसका मतलब है कि कई अलग-अलग माइक्रोस्टेट मौजूद हो सकते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है और अधिक राज्य आबाद होने लगते हैं, दराज में अधिक से अधिक जुर्राब रंग दिखाई देने लगते हैं, संभावित माइक्रोस्टेट्स की संख्या में काफी वृद्धि होती है, जो बदले में दराज को गन्दा गंदगी जैसा दिखता है।

चूँकि उपरोक्त समीकरण भविष्यवाणी करता है कि जैसे-जैसे माइक्रोस्टेट्स की संख्या बढ़ती है, वैसे-वैसे एन्ट्रापी बढ़ती जाती है, यानी जैसे-जैसे सिस्टम अव्यवस्थित होता जाता है, बोल्ट्ज़मैन समीकरण एंट्रॉपी को एक सिस्टम के विकार के उपाय के रूप में परिभाषित करता है

एन्ट्रापी की इकाइयाँ

प्रस्तुत दो परिभाषाओं में से किसी के आधार पर, यह निर्धारित किया जा सकता है कि एंट्रॉपी में तापमान पर ऊर्जा की इकाइयां होती हैं। यानी,

एन्ट्रापी की परिभाषा

इकाइयों की प्रणाली के आधार पर जिसमें आप काम करते हैं, ये इकाइयां हो सकती हैं:

इकाई प्रणाली एंट्रॉपी इकाइयां
अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली जम्मू/कश्मीर
मीट्रिक प्रणाली की मौलिक इकाइयाँ एम 2 .kg/(s 2 .K)
शाही प्रणाली बीटीयू / डिग्री आर
कैलोरी लाइम/के
अन्य इकाइयां केजे / के, किलो कैलोरी / के

संदर्भ

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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