राज्य समारोह

ऊष्मप्रवैगिकी # संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी में, एक राज्य समारोह, राज्य का कार्य, या थर्मोडायनामिक प्रणाली के लिए बिंदु कार्य एक फ़ंक्शन (गणित) है जो कई राज्य चर या राज्य मात्रा से संबंधित है (जो एक प्रणाली के थर्मोडायनामिक संतुलन का वर्णन करता है) जो केवल वर्तमान पर निर्भर करता है प्रणाली की संतुलन थर्मोडायनामिक अवस्था^[1] (जैसे गैस, तरल, ठोस, क्रिस्टल, या पायस), न कि थर्मोडायनामिक प्रक्रिया पथ जिसे सिस्टम ने उस अवस्था तक पहुँचने के लिए लिया है। एक राज्य कार्य प्रणाली के संतुलन राज्यों का वर्णन करता है, इस प्रकार प्रणाली के प्रकार का भी वर्णन करता है। एक राज्य चर आमतौर पर एक राज्य कार्य होता है, इसलिए एक संतुलन राज्य में अन्य राज्य चर मूल्यों का निर्धारण भी राज्य चर के मूल्य को उस राज्य में राज्य समारोह के रूप में निर्धारित करता है। आदर्श गैस कानून एक अच्छा उदाहरण है। इस कानून में, एक राज्य चर (जैसे, दबाव, आयतन, तापमान, या गैसीय संतुलन प्रणाली में पदार्थ की मात्रा) अन्य राज्य चर का एक कार्य है, इसलिए इसे एक राज्य कार्य माना जाता है। एक अवस्था फलन विषमांगी मिश्रण या सजातीय मिश्रण में गैसीय, तरल या ठोस रूप में एक निश्चित प्रकार के परमाणुओं या अणुओं की संख्या का वर्णन कर सकता है, या ऐसी प्रणाली बनाने या सिस्टम को एक में बदलने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा का वर्णन कर सकता है। अलग संतुलन राज्य।

आंतरिक ऊर्जा, तापीय धारिता, और एन्ट्रापी राज्य मात्रा या राज्य कार्यों के उदाहरण हैं क्योंकि वे मात्रात्मक रूप से एक थर्मोडायनामिक प्रणाली की एक संतुलन स्थिति का वर्णन करते हैं, भले ही उस स्थिति में सिस्टम कैसे पहुंचा हो। इसके विपरीत, यांत्रिक कार्य और ऊष्मा प्रक्रिया मात्राएँ या पथ कार्य हैं क्योंकि उनके मान दो संतुलन अवस्थाओं के बीच एक विशिष्ट संक्रमण (या पथ) पर निर्भर करते हैं जो एक प्रणाली ने अंतिम संतुलन स्थिति तक पहुँचने के लिए लिया है। ऊष्मा (कुछ असतत मात्रा में) एक राज्य समारोह जैसे कि तापीय धारिता का वर्णन कर सकती है, लेकिन सामान्य तौर पर, यह वास्तव में प्रणाली का वर्णन नहीं करती है जब तक कि इसे एक निश्चित प्रणाली के राज्य कार्य के रूप में परिभाषित नहीं किया जाता है, और इस प्रकार गर्मी की मात्रा द्वारा तापीय धारिता का वर्णन किया जाता है। यह एंट्रॉपी पर भी लागू हो सकता है जब गर्मी की तुलना तापमान से की जाती है। हिस्टैरिसीस प्रदर्शित करने वाली मात्राओं के लिए विवरण टूट जाता है।^[2]

इतिहास

यह संभावना है कि रुडोल्फ क्लॉसियस, विलियम जॉन मैक्कॉर्न रैंकिन, पीटर टैट (भौतिक विज्ञानी) और विलियम थॉमसन, प्रथम बैरन केल्विन जैसे लोगों द्वारा 1850 और 1860 के दशक के दौरान राज्य के कार्यों का प्रयोग ढीले अर्थों में किया गया था। 1870 के दशक तक, इस शब्द ने अपना खुद का उपयोग हासिल कर लिया था। अपने 1873 के पेपर ग्राफ़िकल मेथड्स इन द थर्मोडायनामिक्स ऑफ़ फ्लुइड्स में, विलार्ड गिब्स कहते हैं: मात्रा v, p, t, ε, और η का निर्धारण तब किया जाता है जब शरीर की स्थिति दी जाती है, और उन्हें शरीर के कार्यों को कॉल करने की अनुमति दी जा सकती है। शरीर की अवस्था।^[3]

सिंहावलोकन

एक थर्मोडायनामिक सिस्टम को कई थर्मोडायनामिक पैरामीटर (जैसे तापमान, आयतन (थर्मोडायनामिक्स), या दबाव) द्वारा वर्णित किया जाता है जो आवश्यक रूप से स्वतंत्र नहीं होते हैं। सिस्टम का वर्णन करने के लिए आवश्यक पैरामीटर की संख्या सिस्टम के राज्य स्थान का आयाम है ( $D$ ). उदाहरण के लिए, कणों की एक निश्चित संख्या के साथ एक मोनोएटोमिक गैस एक द्वि-आयामी प्रणाली का एक साधारण मामला है ( $D = 2$ ). किसी भी द्वि-आयामी प्रणाली को विशिष्ट रूप से दो मापदंडों द्वारा निर्दिष्ट किया जाता है। दबाव और तापमान के बजाय दबाव और मात्रा जैसे पैरामीटर की एक अलग जोड़ी चुनना, द्वि-आयामी थर्मोडायनामिक राज्य अंतरिक्ष में एक अलग समन्वय प्रणाली बनाता है लेकिन अन्यथा समतुल्य है। दाब और तापमान का उपयोग आयतन ज्ञात करने के लिए किया जा सकता है, दाब और आयतन का उपयोग तापमान ज्ञात करने के लिए किया जा सकता है, और तापमान और आयतन का उपयोग दाब ज्ञात करने के लिए किया जा सकता है। एक समान कथन उच्च-आयामी रिक्त स्थान के लिए है, जैसा कि राज्य अभिधारणा द्वारा वर्णित है।

आम तौर पर, एक राज्य स्थान को फॉर्म के समीकरण द्वारा परिभाषित किया जाता है $F(P,V,T,\ldots )=0$ , कहाँ $P$ दबाव को दर्शाता है, $T$ तापमान को दर्शाता है, $V$ मात्रा को दर्शाता है, और दीर्घवृत्त कण संख्या जैसे अन्य संभावित राज्य चर को दर्शाता है $N$ और एन्ट्रापी $S$ . यदि उपरोक्त उदाहरण में राज्य स्थान द्वि-आयामी है, तो इसे त्रि-आयामी ग्राफ (त्रि-आयामी अंतरिक्ष में एक सतह) के रूप में देखा जा सकता है। हालाँकि, कुल्हाड़ियों के लेबल अद्वितीय नहीं हैं (क्योंकि इस मामले में तीन से अधिक राज्य चर हैं), और राज्य को परिभाषित करने के लिए केवल दो स्वतंत्र चर आवश्यक हैं।

जब कोई सिस्टम लगातार राज्य बदलता है, तो यह राज्य अंतरिक्ष में पथ का पता लगाता है। पथ को राज्य के मापदंडों के मूल्यों को ध्यान में रखते हुए निर्दिष्ट किया जा सकता है क्योंकि सिस्टम पथ का पता लगाता है, चाहे वह समय के कार्य के रूप में हो या किसी अन्य बाहरी चर के कार्य के रूप में। उदाहरण के लिए, दबाव होना $P (t)$ और मात्रा $V (t)$ समय से समय के कार्यों के रूप में $t 0$ को $t 1$ द्वि-आयामी राज्य अंतरिक्ष में पथ निर्दिष्ट करेगा। समय का कोई भी कार्य तब पथ पर अभिन्न हो सकता है। उदाहरण के लिए, सिस्टम द्वारा समय से किए गए कार्य (भौतिकी) की गणना करना $t 0$ समय पर $t 1$ , गणना करें ${\textstyle W(t_{0},t_{1})=\int _{0}^{1}P\,dV=\int _{t_{0}}^{t_{1}}P(t){\frac {dV(t)}{dt}}\,dt}$ . कार्य की गणना करने के लिए $W$ उपरोक्त इंटीग्रल में, फ़ंक्शंस $P (t)$ और $V (t)$ प्रत्येक समय ज्ञात होना चाहिए $t$ पूरे पथ पर। इसके विपरीत, एक राज्य कार्य केवल पथ के अंत बिंदुओं पर सिस्टम पैरामीटर के मानों पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, निम्नलिखित समीकरण का उपयोग कार्य और अभिन्न के योग की गणना के लिए किया जा सकता है $V dP$ पथ पर:

{\begin{aligned}\Phi (t_{0},t_{1})&=\int _{t_{0}}^{t_{1}}P{\frac {dV}{dt}}\,dt+\int _{t_{0}}^{t_{1}}V{\frac {dP}{dt}}\,dt\\&=\int _{t_{0}}^{t_{1}}{\frac {d(PV)}{dt}}\,dt=P(t_{1})V(t_{1})-P(t_{0})V(t_{0}).\end{aligned}}

समीकरण में, ${\frac {d(PV)}{dt}}dt=d(PV)$ फ़ंक्शन के सटीक अंतर के रूप में व्यक्त किया जा सकता है $P (t) V (t)$ . इसलिए, अभिन्न को मूल्य के अंतर के रूप में व्यक्त किया जा सकता है $P (t) V (t)$ एकीकरण के अंतिम बिंदुओं पर। उत्पाद $PV$ इसलिए प्रणाली का एक राज्य कार्य है।

अंकन $d$ का उपयोग सटीक अंतर के लिए किया जाएगा। दूसरे शब्दों में, का अभिन्न अंग $d Φ$ के बराबर होगा $Φ(t 1) - Φ(t 0)$ . प्रतीक $δ$ एक सटीक अंतर के लिए आरक्षित होगा, जिसे पथ के पूर्ण ज्ञान के बिना एकीकृत नहीं किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, $δW = PdV$ का उपयोग कार्य की अतिसूक्ष्म वृद्धि को दर्शाने के लिए किया जाएगा।

राज्य कार्य थर्मोडायनामिक प्रणाली की मात्रा या गुणों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जबकि गैर-राज्य कार्य एक ऐसी प्रक्रिया का प्रतिनिधित्व करते हैं जिसके दौरान राज्य कार्य बदलते हैं। उदाहरण के लिए, राज्य कार्य $PV$ एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा के समानुपाती होता है, लेकिन कार्य $W$ स्थानांतरित ऊर्जा की मात्रा है क्योंकि सिस्टम काम करता है। आंतरिक ऊर्जा पहचानने योग्य है; यह ऊर्जा का एक विशेष रूप है। कार्य ऊर्जा की वह मात्रा है जिसने अपना रूप या स्थान बदल लिया है।

राज्य कार्यों की सूची

निम्नलिखित को ऊष्मप्रवैगिकी में राज्य कार्य माना जाता है:

द्रव्यमान
ऊर्जा (E)
- तापीय धारिता ( $H$ )
- आंतरिक ऊर्जा ( $U$ )
- गिब्स मुक्त ऊर्जा ( $G$ )
- हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा ( $F$ )
- ऊर्जा ( $B$ )
एंट्रॉपी ( $S$ )
दबाव ( $P$ )
थर्मोडायनामिक तापमान ( $T$ )
आयतन (थर्मोडायनामिक्स) ( $V$ )
रासायनिक संरचना
दबाव ऊंचाई
विशिष्ट आयतन ( $v$ ) या इसका पारस्परिक घनत्व ( $ρ$ )
कण संख्या ( $n i$ )

यह भी देखें

संदर्भ

Callen, Herbert B. (1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics. Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-86256-7.
Gibbs, Josiah Willard (1873). "Graphical Methods in the Thermodynamics of Fluids". Transactions of the Connecticut Academy. II. ASIN B00088UXBK – via WikiSource.
Mandl, F. (May 1988). Statistical physics (2nd ed.). Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-91533-1.

बाहरी संबंध

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[1] Callen 1985, pp. 5, 37

[2] Mandl 1988, p. 7

[3] Gibbs 1873, pp. 309–342

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[2]

[3]

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इतिहास

सिंहावलोकन

राज्य कार्यों की सूची

यह भी देखें

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बाहरी संबंध

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