11.1 ಪರಿಚಯ

ಹಿಂದಿನ ಅಧ್ಯಾಯದಲ್ಲಿ ನಾವು ವಸ್ತುವಿನ ಉಷ್ಣೀಯ ಗುಣಗಳನ್ನು ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡಿದ್ದೇವೆ. ಈ ಅಧ್ಯಾಯದಲ್ಲಿ ಉಷ್ಣ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ನಿಯಂತ್ರಿಸುವ ನಿಯಮಗಳನ್ನು ನಾವು ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡುತ್ತೇವೆ. ಕಾರ್ಯವು ಉಷ್ಣವಾಗಿ ಮಾರ್ಪಡುವ ಮತ್ತು ಪ್ರತಿಯಾಗಿ ಉಷ್ಣವು ಕಾರ್ಯವಾಗಿ ಮಾರ್ಪಡುವ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಗಳನ್ನು ನಾವು ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡುತ್ತೇವೆ. ಚಳಿಗಾಲದಲ್ಲಿ, ನಾವು ನಮ್ಮ ಅಂಗೈಗಳನ್ನು ಒಂದಕ್ಕೊಂದು ಉಜ್ಜಿದಾಗ, ನಮಗೆ ಬೆಚ್ಚಗಾಗುವ ಅನುಭವವಾಗುತ್ತದೆ; ಇಲ್ಲಿ ಉಜ್ಜುವಿಕೆಯಲ್ಲಿ ಮಾಡಿದ ಕಾರ್ಯವು ‘ಉಷ್ಣ’ವನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸುತ್ತದೆ. ಇದಕ್ಕೆ ವಿರುದ್ಧವಾಗಿ, ಒಂದು ಉಗಿ ಎಂಜಿನ್ನಲ್ಲಿ, ಉಗಿಯ ‘ಉಷ್ಣ’ವು ಪಿಸ್ಟನ್ಗಳನ್ನು ಚಲಿಸುವಲ್ಲಿ ಉಪಯುಕ್ತ ಕಾರ್ಯ ಮಾಡಲು ಬಳಸಲ್ಪಡುತ್ತದೆ, ಇದು ಪ್ರತಿಯಾಗಿ ರೈಲಿನ ಚಕ್ರಗಳನ್ನು ತಿರುಗಿಸುತ್ತದೆ.

ಭೌತಶಾಸ್ತ್ರದಲ್ಲಿ, ಉಷ್ಣ, ತಾಪಮಾನ, ಕಾರ್ಯ, ಇತ್ಯಾದಿ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗಳನ್ನು ಹೆಚ್ಚು ಎಚ್ಚರಿಕೆಯಿಂದ ವ್ಯಾಖ್ಯಾನಿಸುವ ಅಗತ್ಯವಿದೆ. ಐತಿಹಾಸಿಕವಾಗಿ, ‘ಉಷ್ಣ’ದ ಸರಿಯಾದ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಯನ್ನು ತಲುಪಲು ಬಹಳ ಸಮಯ ತೆಗೆದುಕೊಂಡಿತು. ಆಧುನಿಕ ಚಿತ್ರಣದ ಮೊದಲು, ಉಷ್ಣವನ್ನು ಒಂದು ವಸ್ತುವಿನ ಸೂಕ್ಷ್ಮರಂಧ್ರಗಳನ್ನು ತುಂಬಿರುವ ಅದೃಶ್ಯ ದ್ರವವೆಂದು ಪರಿಗಣಿಸಲಾಗಿತ್ತು. ಬಿಸಿ ಮತ್ತು ತಣ್ಣಗಿನ ವಸ್ತುಗಳ ನಡುವೆ ಸಂಪರ್ಕವಿದ್ದಾಗ, ಆ ದ್ರವ (ಕ್ಯಾಲೋರಿಕ್ ಎಂದು ಕರೆಯಲ್ಪಡುತ್ತದೆ) ತಣ್ಣಗಿನ ದೇಹದಿಂದ ಬಿಸಿ ದೇಹಕ್ಕೆ ಹರಿಯುತ್ತದೆ ಎಂದು ಭಾವಿಸಲಾಗಿತ್ತು! ಇದು ವಿಭಿನ್ನ ಎತ್ತರಗಳವರೆಗೆ ನೀರನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ ಎರಡು ತೊಟ್ಟಿಗಳನ್ನು ಸಂಪರ್ಕಿಸುವ ಸಮತಲ ಕೊಳವೆಯಲ್ಲಿ ಏನಾಗುತ್ತದೆ ಎಂಬುದರಂತೆಯೇ ಇದೆ. ಎರಡೂ ತೊಟ್ಟಿಗಳಲ್ಲಿ ನೀರಿನ ಮಟ್ಟಗಳು ಒಂದೇ ಆಗುವವರೆಗೆ ಹರಿಯುವಿಕೆ ಮುಂದುವರಿಯುತ್ತದೆ. ಅದೇ ರೀತಿ, ಉಷ್ಣದ ‘ಕ್ಯಾಲೋರಿಕ್’ ಚಿತ್ರಣದಲ್ಲಿ, ‘ಕ್ಯಾಲೋರಿಕ್ ಮಟ್ಟಗಳು’ (ಅಂದರೆ, ತಾಪಮಾನಗಳು) ಸಮನಾಗುವವರೆಗೆ ಉಷ್ಣವು ಹರಿಯುತ್ತದೆ.

ಕಾಲಾಂತರದಲ್ಲಿ, ಉಷ್ಣವನ್ನು ದ್ರವವೆಂದು ಪರಿಗಣಿಸುವ ಚಿತ್ರಣವನ್ನು ತ್ಯಜಿಸಲಾಯಿತು ಮತ್ತು ಉಷ್ಣವನ್ನು ಶಕ್ತಿಯ ಒಂದು ರೂಪವೆಂದು ಪರಿಗಣಿಸುವ ಆಧುನಿಕ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗೆ ಆದ್ಯತೆ ನೀಡಲಾಯಿತು. ಈ ಸಂಬಂಧದಲ್ಲಿ ಒಂದು ಪ್ರಮುಖ ಪ್ರಯೋಗವು 1798 ರಲ್ಲಿ ಬೆಂಜಮಿನ್ ಥಾಮ್ಸನ್ (ಕೌಂಟ್ ರಂಫೋರ್ಡ್ ಎಂದೂ ಕರೆಯಲ್ಪಡುತ್ತಾರೆ) ಅವರಿಂದ ನಡೆಸಲ್ಪಟ್ಟಿತು. ಅವರು ಪಿತ್ತಳೆಯ ಕ್ಯಾನನ್ ಅನ್ನು ಕೊರೆಯುವುದು ಬಹಳಷ್ಟು ಉಷ್ಣವನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸುತ್ತದೆ, ನಿಜವಾಗಿಯೂ ನೀರನ್ನು ಕುದಿಸಲು ಸಾಕಷ್ಟು ಎಂದು ಗಮನಿಸಿದರು. ಹೆಚ್ಚು ಮಹತ್ವದ್ದೇನೆಂದರೆ, ಉತ್ಪಾದಿಸಲ್ಪಟ್ಟ ಉಷ್ಣದ ಪ್ರಮಾಣವು ಮಾಡಿದ ಕಾರ್ಯದ ಮೇಲೆ (ಕೊರೆಯುವಿಕೆಯನ್ನು ತಿರುಗಿಸಲು ನಿಯೋಜಿಸಲಾದ ಕುದುರೆಗಳಿಂದ) ಅವಲಂಬಿತವಾಗಿತ್ತು ಆದರೆ ಕೊರೆಯುವ ಸಾಧನದ ಮೊನಚುತನದ ಮೇಲೆ ಅವಲಂಬಿತವಾಗಿರಲಿಲ್ಲ. ಕ್ಯಾಲೋರಿಕ್ ಚಿತ್ರಣದಲ್ಲಿ, ಹೆಚ್ಚು ಮೊನಚಾದ ಕೊರೆಯುವ ಸಾಧನವು ಸೂಕ್ಷ್ಮರಂಧ್ರಗಳಿಂದ ಹೆಚ್ಚು ಉಷ್ಣ ದ್ರವವನ್ನು ತೆಗೆದುಹಾಕಬೇಕಿತ್ತು; ಆದರೆ ಇದನ್ನು ಗಮನಿಸಲಾಗಲಿಲ್ಲ. ಪ್ರಯೋಗಗಳ ಸಹಜ ವಿವರಣೆಯೆಂದರೆ ಉಷ್ಣವು ಶಕ್ತಿಯ ಒಂದು ರೂಪ ಮತ್ತು ಪ್ರಯೋಗವು ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಒಂದು ರೂಪದಿಂದ ಇನ್ನೊಂದು ರೂಪಕ್ಕೆ-ಕಾರ್ಯದಿಂದ ಉಷ್ಣಕ್ಕೆ ಪರಿವರ್ತಿಸುವುದನ್ನು ಪ್ರದರ್ಶಿಸಿತು.

ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನವು ಭೌತಶಾಸ್ತ್ರದ ಒಂದು ಶಾಖೆಯಾಗಿದ್ದು, ಇದು ಉಷ್ಣ ಮತ್ತು ತಾಪಮಾನದ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗಳು ಮತ್ತು ಉಷ್ಣ ಮತ್ತು ಇತರ ರೂಪದ ಶಕ್ತಿಗಳ ಪರಸ್ಪರ ಪರಿವರ್ತನೆಯೊಂದಿಗೆ ವ್ಯವಹರಿಸುತ್ತದೆ. ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನವು ಸ್ಥೂಲ ವಿಜ್ಞಾನವಾಗಿದೆ. ಇದು ಸ್ಥೂಲ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳೊಂದಿಗೆ ವ್ಯವಹರಿಸುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ವಸ್ತುವಿನ ಆಣ್ವಿಕ ರಚನೆಯೊಳಗೆ ಹೋಗುವುದಿಲ್ಲ. ವಾಸ್ತವವಾಗಿ, ವಸ್ತುವಿನ ಆಣ್ವಿಕ ಚಿತ್ರಣವು ದೃಢವಾಗಿ ಸ್ಥಾಪಿತವಾಗುವ ಮೊದಲು ಹತ್ತೊಂಬತ್ತನೇ ಶತಮಾನದಲ್ಲಿ ಅದರ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗಳು ಮತ್ತು ನಿಯಮಗಳನ್ನು ರೂಪಿಸಲಾಯಿತು. ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ವಿವರಣೆಯು ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಕೆಲವೇ ಸ್ಥೂಲ ಚರಾಂಕಗಳನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತದೆ, ಇವುಗಳನ್ನು ಸಾಮಾನ್ಯ ಬುದ್ಧಿಯು ಸೂಚಿಸುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ನೇರವಾಗಿ ಅಳೆಯಬಹುದು. ಉದಾಹರಣೆಗೆ, ಅನಿಲದ ಸೂಕ್ಷ್ಮ ವಿವರಣೆಯು ಅನಿಲವನ್ನು ರೂಪಿಸುವ ಅಗಾಧ ಸಂಖ್ಯೆಯ ಅಣುಗಳ ನಿರ್ದೇಶಾಂಕಗಳು ಮತ್ತು ವೇಗಗಳನ್ನು ನಿರ್ದಿಷ್ಟಪಡಿಸುವುದನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತದೆ. ಅನಿಲಗಳ ಚಲನಾ ಸಿದ್ಧಾಂತದ ವಿವರಣೆಯು ಅಷ್ಟು ವಿವರವಾಗಿಲ್ಲ ಆದರೆ ಇದು ವೇಗಗಳ ಆಣ್ವಿಕ ವಿತರಣೆಯನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತದೆ. ಮತ್ತೊಂದೆಡೆ, ಅನಿಲದ ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ವಿವರಣೆಯು ಆಣ್ವಿಕ ವಿವರಣೆಯನ್ನು ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ತಪ್ಪಿಸುತ್ತದೆ. ಬದಲಾಗಿ, ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದಲ್ಲಿ ಅನಿಲದ ಸ್ಥಿತಿಯನ್ನು ಒತ್ತಡ, ಪರಿಮಾಣ, ತಾಪಮಾನ, ದ್ರವ್ಯರಾಶಿ ಮತ್ತು ಸಂಯೋಜನೆಯಂತಹ ಸ್ಥೂಲ ಚರಾಂಕಗಳಿಂದ ನಿರ್ದಿಷ್ಟಪಡಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ, ಇವುಗಳನ್ನು ನಮ್ಮ ಇಂದ್ರಿಯ ಗ್ರಹಿಕೆಗಳಿಂದ ಅನುಭವಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಅಳೆಯಬಹುದಾಗಿದೆ*.

ಯಂತ್ರಶಾಸ್ತ್ರ ಮತ್ತು ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ನಡುವಿನ ವ್ಯತ್ಯಾಸವನ್ನು ನೆನಪಿನಲ್ಲಿಟ್ಟುಕೊಳ್ಳುವುದು ಯೋಗ್ಯವಾಗಿದೆ. ಯಂತ್ರಶಾಸ್ತ್ರದಲ್ಲಿ, ಬಲಗಳು ಮತ್ತು ಟಾರ್ಕ್ಗಳ ಕ್ರಿಯೆಯ ಅಡಿಯಲ್ಲಿ ಕಣಗಳು ಅಥವಾ ವಸ್ತುಗಳ ಚಲನೆಯಲ್ಲಿ ನಮ್ಮ ಆಸಕ್ತಿಯಿದೆ. ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನವು ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಸಂಪೂರ್ಣ ಚಲನೆಯೊಂದಿಗೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿಲ್ಲ. ಇದು ದೇಹದ ಆಂತರಿಕ ಸ್ಥೂಲ ಸ್ಥಿತಿಯೊಂದಿಗೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿದೆ. ಬಂದೂಕಿನಿಂದ ಗುಂಡು ಹಾರಿಸಿದಾಗ, ಗುಂಡಿನ ಯಾಂತ್ರಿಕ ಸ್ಥಿತಿಯು ಬದಲಾಗುತ್ತದೆ (ವಿಶೇಷವಾಗಿ ಅದರ ಚಲನ ಶಕ್ತಿ), ಅದರ ತಾಪಮಾನವಲ್ಲ. ಗುಂಡು ಮರವನ್ನು ಭೇದಿಸಿ ನಿಲ್ಲಿಸಿದಾಗ, ಗುಂಡಿನ ಚಲನ ಶಕ್ತಿಯು ಉಷ್ಣವಾಗಿ ಪರಿವರ್ತನೆಯಾಗುತ್ತದೆ, ಗುಂಡಿನ ಮತ್ತು ಮರದ ಸುತ್ತಮುತ್ತಲಿನ ಪದರಗಳ ತಾಪಮಾನವನ್ನು ಬದಲಾಯಿಸುತ್ತದೆ. ತಾಪಮಾನವು ಗುಂಡಿನ ಆಂತರಿಕ (ಅಸ್ತವ್ಯಸ್ತ) ಚಲನೆಯ ಶಕ್ತಿಗೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿದೆ, ಗುಂಡಿನ ಸಂಪೂರ್ಣ ಚಲನೆಗೆ ಅಲ್ಲ.

11.2 ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನ

ಯಂತ್ರಶಾಸ್ತ್ರದಲ್ಲಿ ಸಮತೋಲನ ಎಂದರೆ ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಮೇಲಿನ ನಿವ್ವಳ ಬಾಹ್ಯ ಬಲ ಮತ್ತು ಟಾರ್ಕ್ ಶೂನ್ಯವಾಗಿರುತ್ತದೆ. ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದಲ್ಲಿ ‘ಸಮತೋಲನ’ ಎಂಬ ಪದವು ವಿಭಿನ್ನ ಸಂದರ್ಭದಲ್ಲಿ ಕಾಣಿಸಿಕೊಳ್ಳುತ್ತದೆ: ವ್ಯವಸ್ಥೆಯನ್ನು ನಿರೂಪಿಸುವ ಸ್ಥೂಲ ಚರಾಂಕಗಳು ಕಾಲಾನಂತರದಲ್ಲಿ ಬದಲಾಗದಿದ್ದರೆ, ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಸ್ಥಿತಿಯು ಸಮತೋಲನ ಸ್ಥಿತಿಯಾಗಿದೆ ಎಂದು ನಾವು ಹೇಳುತ್ತೇವೆ. ಉದಾಹರಣೆಗೆ, ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ತನ್ನ ಸುತ್ತಮುತ್ತಲಿನಿಂದ ನಿರೋಧಿಸಲ್ಪಟ್ಟ, ಮುಚ್ಚಿದ ಗಟ್ಟಿಯಾದ ಪಾತ್ರೆಯೊಳಗಿನ ಅನಿಲ, ಸಮಯದೊಂದಿಗೆ ಬದಲಾಗದ ಒತ್ತಡ, ಪರಿಮಾಣ, ತಾಪಮಾನ, ದ್ರವ್ಯರಾಶಿ ಮತ್ತು ಸಂಯೋಜನೆಯ ಸ್ಥಿರ ಮೌಲ್ಯಗಳೊಂದಿಗೆ, ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ಸಮತೋಲನ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿದೆ.

ಚಿತ್ರ 11.1 (a) ಅಡಿಯಾಬ್ಯಾಟಿಕ್ ಗೋಡೆಯಿಂದ ಬೇರ್ಪಡಿಸಲ್ಪಟ್ಟ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳು A ಮತ್ತು B (ಎರಡು ಅನಿಲಗಳು) – ಉಷ್ಣದ ಹರಿವನ್ನು ಅನುಮತಿಸದ ನಿರೋಧಕ ಗೋಡೆ. (b) ಡಯಾಥರ್ಮಿಕ್ ಗೋಡೆಯಿಂದ ಬೇರ್ಪಡಿಸಲ್ಪಟ್ಟ ಅದೇ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳು A ಮತ್ತು B – ಒಂದರಿಂದ ಇನ್ನೊಂದಕ್ಕೆ ಉಷ್ಣವು ಹರಿಯಲು ಅನುಮತಿಸುವ ವಾಹಕ ಗೋಡೆ. ಈ ಸಂದರ್ಭದಲ್ಲಿ, ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನವು ಸಮಯೋಚಿತವಾಗಿ ಸಾಧಿಸಲ್ಪಡುತ್ತದೆ.

ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ, ವ್ಯವಸ್ಥೆಯು ಸಮತೋಲನ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿದೆಯೇ ಇಲ್ಲವೇ ಎಂಬುದು ಸುತ್ತಮುತ್ತಲಿನ ಮತ್ತು ವ್ಯವಸ್ಥೆಯನ್ನು ಸುತ್ತಮುತ್ತಲಿನಿಂದ ಬೇರ್ಪಡಿಸುವ ಗೋಡೆಯ ಸ್ವರೂಪದ ಮೇಲೆ ಅವಲಂಬಿತವಾಗಿರುತ್ತದೆ. ಎರಡು ವಿಭಿನ್ನ ಪಾತ್ರೆಗಳನ್ನು ಆಕ್ರಮಿಸಿಕೊಂಡಿರುವ ಎರಡು ಅನಿಲಗಳು $A$ ಮತ್ತು $B$ ಅನ್ನು ಪರಿಗಣಿಸಿ. ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ದ್ರವ್ಯರಾಶಿಯ ಅನಿಲದ ಒತ್ತಡ ಮತ್ತು ಪರಿಮಾಣವನ್ನು ಅದರ ಎರಡು ಸ್ವತಂತ್ರ ಚರಾಂಕಗಳಾಗಿ ಆಯ್ಕೆ ಮಾಡಬಹುದು ಎಂದು ನಾವು ಪ್ರಾಯೋಗಿಕವಾಗಿ ತಿಳಿದಿದ್ದೇವೆ. ಅನಿಲಗಳ ಒತ್ತಡ ಮತ್ತು ಪರಿಮಾಣವು ಕ್ರಮವಾಗಿ $\left(P_A, V_A\right)$ ಮತ್ತು $\left(P_B, V_B\right)$ ಆಗಿರಲಿ. ಮೊದಲಿಗೆ ಎರಡೂ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳನ್ನು ಸಮೀಪದಲ್ಲಿ ಇರಿಸಲಾಗಿದೆ ಆದರೆ ಅಡಿಯಾಬ್ಯಾಟಿಕ್ ಗೋಡೆಯಿಂದ ಬೇರ್ಪಡಿಸಲಾಗಿದೆ ಎಂದು ಭಾವಿಸೋಣ - ಒಂದರಿಂದ ಇನ್ನೊಂದಕ್ಕೆ ಶಕ್ತಿಯ (ಉಷ್ಣ) ಹರಿವನ್ನು ಅನುಮತಿಸದ ನಿರೋಧಕ ಗೋಡೆ (ಚಲಿಸಬಲ್ಲದು). ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳನ್ನು ಇದೇ ರೀತಿಯ ಅಡಿಯಾಬ್ಯಾಟಿಕ್ ಗೋಡೆಗಳಿಂದ ಉಳಿದ ಸುತ್ತಮುತ್ತಲಿನಿಂದಲೂ ನಿರೋಧಿಸಲಾಗಿದೆ. ಈ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಯನ್ನು ಚಿತ್ರ 11.1 (a) ರಲ್ಲಿ ಸಾಂಕೇತಿಕವಾಗಿ ತೋರಿಸಲಾಗಿದೆ. ಈ ಸಂದರ್ಭದಲ್ಲಿ, ಯಾವುದೇ ಸಾಧ್ಯವಿರುವ ಜೋಡಿ ಮೌಲ್ಯಗಳು $\left(P_{A}, V_{A}\right)$ ಯಾವುದೇ ಸಾಧ್ಯವಿರುವ ಜೋಡಿ ಮೌಲ್ಯಗಳು $\left(P_{B}, V_{B}\right)$ ನೊಂದಿಗೆ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿರುತ್ತವೆ ಎಂದು ಕಂಡುಬರುತ್ತದೆ. ಮುಂದೆ, ಅಡಿಯಾಬ್ಯಾಟಿಕ್ ಗೋಡೆಯನ್ನು ಡಯಾಥರ್ಮಿಕ್ ಗೋಡೆಯಿಂದ ಬದಲಾಯಿಸಲಾಗಿದೆ ಎಂದು ಭಾವಿಸೋಣ - ಒಂದರಿಂದ ಇನ್ನೊಂದಕ್ಕೆ ಶಕ್ತಿ ಹರಿವನ್ನು (ಉಷ್ಣ) ಅನುಮತಿಸುವ ವಾಹಕ ಗೋಡೆ. ನಂತರ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳ ಸ್ಥೂಲ ಚರಾಂಕಗಳು $A$ ಮತ್ತು $B$ ಎರಡೂ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳು ಸಮತೋಲನ ಸ್ಥಿತಿಯನ್ನು ತಲುಪುವವರೆಗೆ ಸ್ವಯಂಚಾಲಿತವಾಗಿ ಬದಲಾಗುತ್ತವೆ ಎಂದು ಕಂಡುಬರುತ್ತದೆ. ಅದರ ನಂತರ ಅವುಗಳ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿ ಯಾವುದೇ ಬದಲಾವಣೆ ಇರುವುದಿಲ್ಲ. ಈ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಯನ್ನು ಚಿತ್ರ 11.1(b) ರಲ್ಲಿ ತೋರಿಸಲಾಗಿದೆ. ಎರಡು ಅನಿಲಗಳ ಒತ್ತಡ ಮತ್ತು ಪರಿಮಾಣ ಚರಾಂಕಗಳು $\left(P_{B}{ }^{\prime}, V_{B}{ }^{\prime}\right)$ ಮತ್ತು $\left(P_{A}{ }^{\prime}, V_{A}{ }^{\prime}\right)$ ಗೆ ಬದಲಾಗುತ್ತವೆ, ಇದರಿಂದ $A$ ಮತ್ತು $B$ ನ ಹೊಸ ಸ್ಥಿತಿಗಳು ಪರಸ್ಪರ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿರುತ್ತವೆ*. ಒಂದರಿಂದ ಇನ್ನೊಂದಕ್ಕೆ ಇನ್ನು ಮುಂದೆ ಶಕ್ತಿ ಹರಿವು ಇರುವುದಿಲ್ಲ. ನಂತರ ನಾವು ವ್ಯವಸ್ಥೆ $A$ ವ್ಯವಸ್ಥೆ $B$ ನೊಂದಿಗೆ ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿದೆ ಎಂದು ಹೇಳುತ್ತೇವೆ.

ಎರಡು ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳ ನಡುವಿನ ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನದ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಯನ್ನು ಯಾವುದು ನಿರೂಪಿಸುತ್ತದೆ? ನಿಮ್ಮ ಅನುಭವದಿಂದ ನೀವು ಉತ್ತರವನ್ನು ಊಹಿಸಬಹುದು. ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿ, ಎರಡು ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳ ತಾಪಮಾನಗಳು ಸಮಾನವಾಗಿರುತ್ತವೆ. ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದಲ್ಲಿ ತಾಪಮಾನದ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗೆ ಒಬ್ಬರು ಹೇಗೆ ಬರುತ್ತಾರೆಂದು ನಾವು ನೋಡುತ್ತೇವೆ? ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ಶೂನ್ಯ ನಿಯಮವು ಸುಳಿವನ್ನು ನೀಡುತ್ತದೆ.

11.3 ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ಶೂನ್ಯ ನಿಯಮ

ಎರಡು ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳು $A$ ಮತ್ತು $B$ ಅನ್ನು ಅಡಿಯಾಬ್ಯಾಟಿಕ್ ಗೋಡೆಯಿಂದ ಬೇರ್ಪಡಿಸಲಾಗಿದೆ, ಪ್ರತಿಯೊಂದೂ ವಾಹಕ ಗೋಡೆಯ ಮೂಲಕ ಮೂರನೇ ವ್ಯವಸ್ಥೆ $C$ ನೊಂದಿಗೆ ಸಂಪರ್ಕದಲ್ಲಿದೆ ಎಂದು ಊಹಿಸಿ [ಚಿತ್ರ 11.2(a)]. ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳ ಸ್ಥಿತಿಗಳು (ಅಂದರೆ, ಅವುಗಳ ಸ್ಥೂಲ ಚರಾಂಕಗಳು) $A$ ಮತ್ತು $B$ ಎರಡೂ $C$ ನೊಂದಿಗೆ ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನಕ್ಕೆ ಬರುವವರೆಗೆ ಬದಲಾಗುತ್ತವೆ. ಇದನ್ನು ಸಾಧಿಸಿದ ನಂತರ, $A$ ಮತ್ತು $B$ ನಡುವಿನ ಅಡಿಯಾಬ್ಯಾಟಿಕ್ ಗೋಡೆಯನ್ನು ವಾಹಕ ಗೋಡೆಯಿಂದ ಬದಲಾಯಿಸಲಾಗಿದೆ ಮತ್ತು $C$ ಅನ್ನು ಅಡಿಯಾಬ್ಯಾಟಿಕ್ ಗೋಡೆಯಿಂದ $A$ ಮತ್ತು $B$ ನಿಂದ ನಿರೋಧಿಸಲಾಗಿದೆ ಎಂದು ಭಾವಿಸೋಣ [ಚಿತ್ರ 11.2(b)]. $A$ ಮತ್ತು $B$ ನ ಸ್ಥಿತಿಗಳು ಇನ್ನು ಮುಂದೆ ಬದಲಾಗುವುದಿಲ್ಲ ಎಂದು ಕಂಡುಬರುತ್ತದೆ ಅಂದರೆ ಅವು ಪರಸ್ಪರ ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿವೆ ಎಂದು ಕಂಡುಬರುತ್ತದೆ. ಈ ಅವಲೋಕನವು ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ಶೂನ್ಯ ನಿಯಮದ ಆಧಾರವನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತದೆ, ಇದು ‘ಮೂರನೇ ವ್ಯವಸ್ಥೆಯೊಂದಿಗೆ ಪ್ರತ್ಯೇಕವಾಗಿ ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿರುವ ಎರಡು ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳು ಪರಸ್ಪರ ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿರುತ್ತವೆ’ ಎಂದು ಹೇಳುತ್ತದೆ. ಆರ್.ಎಚ್. ಫೌಲರ್ ಅವರು ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ಮೊದಲ ಮತ್ತು ಎರಡನೇ ನಿಯಮಗಳನ್ನು ಹೇಳಿದ ನಂತರ ಬಹಳ ಸಮಯದ ನಂತರ 1931 ರಲ್ಲಿ ಈ ನಿಯಮವನ್ನು ರೂಪಿಸಿದರು ಮತ್ತು ಅದಕ್ಕೆ ಸಂಖ್ಯೆ ನೀಡಿದರು.

ಶೂನ್ಯ ನಿಯಮವು ಸ್ಪಷ್ಟವಾಗಿ ಸೂಚಿಸುತ್ತದೆ, ಎರಡು ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳು $A$ ಮತ್ತು $B$, ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿರುವಾಗ, ಎರಡಕ್ಕೂ ಒಂದೇ ಮೌಲ್ಯವನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ ಭೌತಿಕ ಪ್ರಮಾಣವು ಇರಬೇಕು. ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿರುವ ಎರಡು ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳಿಗೆ ಮೌಲ್ಯವು ಸಮಾನವಾಗಿರುವ ಈ ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ಚರಾಂಕವನ್ನು ತಾಪಮಾನ $(T)$ ಎಂದು ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ. ಹೀಗಾಗಿ, $A$ ಮತ್ತು $B$ ಪ್ರತ್ಯೇಕವಾಗಿ $C, T_{A}=T_{C}$ ಮತ್ತು $T_{B}=T_{C}$ ನೊಂದಿಗೆ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿದ್ದರೆ. ಇದು $T_{A}=T_{B}$ ಅಂದರೆ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳು $A$ ಮತ್ತು $B$ ಸಹ ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿವೆ ಎಂದು ಸೂಚಿಸುತ್ತದೆ.

ಶೂನ್ಯ ನಿಯಮದ ಮೂಲಕ ನಾವು ತಾಪಮಾನದ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗೆ ಔಪಚಾರಿಕವಾಗಿ ಬಂದಿದ್ದೇವೆ. ಮುಂದಿನ ಪ್ರಶ್ನೆ: ವಿಭಿನ್ನ ದೇಹಗಳ ತಾಪಮಾನಗಳಿಗೆ ಸಂಖ್ಯಾತ್ಮಕ ಮೌಲ್ಯಗಳನ್ನು ಹೇಗೆ ನಿಗದಿಪಡಿಸುವುದು? ಬೇರೆ ರೀತಿಯಲ್ಲಿ ಹೇಳುವುದಾದರೆ, ತಾಪಮಾನದ ಮಾಪಕವನ್ನು ನಾವು ಹೇಗೆ ನಿರ್ಮಿಸುತ್ತೇವೆ? ಉಷ್ಣಮಾಪನವು ಈ ಮೂಲಭೂತ ಪ್ರಶ್ನೆಯೊಂದಿಗೆ ವ್ಯವಹರಿಸುತ್ತದೆ, ಅದಕ್ಕಾಗಿ ನಾವು ಮುಂದಿನ ವಿಭಾಗದಲ್ಲಿ ತಿರುಗುತ್ತೇವೆ.

ಚಿತ್ರ 11.2 (a) ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳು A ಮತ್ತು B ಅನ್ನು ಅಡಿಯಾಬ್ಯಾಟಿಕ್ ಗೋಡೆಯಿಂದ ಬೇರ್ಪಡಿಸಲಾಗಿದೆ, ಪ್ರತಿಯೊಂದೂ ವಾಹಕ ಗೋಡೆಯ ಮೂಲಕ ಮೂರನೇ ವ್ಯವಸ್ಥೆ C ನೊಂದಿಗೆ ಸಂಪರ್ಕದಲ್ಲಿದೆ. (b) A ಮತ್ತು B ನಡುವಿನ ಅಡಿಯಾಬ್ಯಾಟಿಕ್ ಗೋಡೆಯನ್ನು ವಾಹಕ ಗೋಡೆಯಿಂದ ಬದಲಾಯಿಸಲಾಗಿದೆ, ಆದರೆ C ಅನ್ನು ಅಡಿಯಾಬ್ಯಾಟಿಕ್ ಗೋಡೆಯಿಂದ A ಮತ್ತು B ನಿಂದ ನಿರೋಧಿಸಲಾಗಿದೆ.

11.4 ಉಷ್ಣ, ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿ ಮತ್ತು ಕಾರ್ಯ

ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ಶೂನ್ಯ ನಿಯಮವು ನಮ್ಮನ್ನು ಸಾಮಾನ್ಯ ಅರ್ಥದ ತಾಪಮಾನದ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗೆ ಕರೆದೊಯ್ದಿತು. ತಾಪಮಾನವು ದೇಹದ ‘ಬಿಸಿತನ’ದ ಸೂಚಕವಾಗಿದೆ. ಎರಡು ದೇಹಗಳನ್ನು ಉಷ್ಣೀಯ ಸಂಪರ್ಕದಲ್ಲಿ ಇರಿಸಿದಾಗ ಉಷ್ಣದ ಹರಿವಿನ ದಿಕ್ಕನ್ನು ಇದು ನಿರ್ಧರಿಸುತ್ತದೆ. ಹೆಚ್ಚಿನ ತಾಪಮಾನದ ದೇಹದಿಂದ ಕಡಿಮೆ ತಾಪಮಾನದ ದೇಹಕ್ಕೆ ಉಷ್ಣವು ಹರಿಯುತ್ತದೆ. ತಾಪಮಾನಗಳು ಸಮನಾಗುವಾಗ ಹರಿವು ನಿಲ್ಲುತ್ತದೆ; ಎರಡು ದೇಹಗಳು ನಂತರ ಉಷ್ಣೀಯ ಸಮತೋಲನದಲ್ಲಿರುತ್ತವೆ. ವಿಭಿನ್ನ ದೇಹಗಳಿಗೆ ತಾಪಮಾನವನ್ನು ನಿಗದಿಪಡಿಸಲು ತಾಪಮಾನದ ಮಾಪಕಗಳನ್ನು ಹೇಗೆ ನಿರ್ಮಿಸುವುದು ಎಂಬುದನ್ನು ನಾವು ಕೆಲವು ವಿವರಗಳಲ್ಲಿ ನೋಡಿದ್ದೇವೆ. ಈಗ ನಾವು ಉಷ್ಣ ಮತ್ತು ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿ ಮತ್ತು ಕಾರ್ಯದಂತಹ ಇತರ ಸಂಬಂಧಿತ ಪ್ರಮಾಣಗಳ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗಳನ್ನು ವಿವರಿಸುತ್ತೇವೆ.

ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿಯ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಯನ್ನು ಅರ್ಥಮಾಡಿಕೊಳ್ಳುವುದು ಕಷ್ಟವಲ್ಲ. ಪ್ರತಿಯೊಂದು ಸ್ಥೂಲ ವ್ಯವಸ್ಥೆಯು ಬಹಳಷ್ಟು ಅಣುಗಳನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತದೆ ಎಂದು ನಮಗೆ ತಿಳಿದಿದೆ. ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿಯು ಕೇವಲ ಈ ಅಣುಗಳ ಚಲನ ಶಕ್ತಿಗಳು ಮತ್ತು ಸ್ಥಿತಿಜ ಶಕ್ತಿಗಳ ಮೊತ್ತವಾಗಿದೆ. ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದಲ್ಲಿ, ಸಂಪೂರ್ಣ ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಚಲನ ಶಕ್ತಿಯು ಪ್ರಸ್ತುತವಲ್ಲ ಎಂದು ನಾವು ಮೊದಲೇ ಟಿಪ್ಪಣಿ ಮಾಡಿದ್ದೇವೆ. ಹೀಗಾಗಿ, ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿಯು ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ದ್ರವ್ಯರಾಶಿಯ ಕೇಂದ್ರವು ವಿಶ್ರಾಂತಿಯಲ್ಲಿರುವ ಉಲ್ಲೇಖದ ಚೌಕಟ್ಟಿನಲ್ಲಿ ಈ ಅಣುಗಳ ಆಣ್ವಿಕ ಚಲನ ಮತ್ತು ಸ್ಥಿತಿಜ ಶಕ್ತಿಗಳ ಮೊತ್ತವಾಗಿದೆ. ಹೀಗಾಗಿ, ಇದು ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಅಣುಗಳ ಯಾದೃಚ್ಛಿಕ ಚಲನೆಗೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿದ (ಅಸ್ತವ್ಯಸ್ತ) ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಮಾತ್ರ ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತದೆ. ನಾವು ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು $U$ ನಿಂದ ಸೂಚಿಸುತ್ತೇವೆ.

ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿಯ ಅರ್ಥವನ್ನು ಅರ್ಥಮಾಡಿಕೊಳ್ಳಲು ನಾವು ಆಣ್ವಿಕ ಚಿತ್ರಣವನ್ನು ಆಹ್ವಾನಿಸಿದ್ದರೂ, ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನಕ್ಕೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿದಂತೆ, $U$ ಕೇವಲ ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಸ್ಥೂಲ ಚರಾಂಕವಾಗಿದೆ. ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿಯ ಬಗ್ಗೆ ಪ್ರಮುಖ ವಿಷಯವೆಂದರೆ ಅದು ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಸ್ಥಿತಿಯ ಮೇಲೆ ಮಾತ್ರ ಅವಲಂಬಿತವಾಗಿರುತ್ತದೆ, ಆ ಸ್ಥಿತಿಯನ್ನು ಹೇಗೆ ಸಾಧಿಸಲಾಯಿತು ಎಂಬುದರ ಮೇಲೆ ಅಲ್ಲ. ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿ $U$ ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ‘ಸ್ಥಿತಿ ಚರಾಂಕ’ದ ಉದಾಹರಣೆಯಾಗಿದೆ - ಅದರ ಮೌಲ್ಯವು ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಸ್ಥಿತಿಯ ಮೇಲೆ ಮಾತ್ರ ಅವಲಂಬಿತವಾಗಿರುತ್ತದೆ, ಇತಿಹಾಸದ ಮೇಲೆ ಅಲ್ಲ ಅಂದರೆ ಆ ಸ್ಥಿತಿಯನ್ನು ತಲುಪಲು ತೆಗೆದುಕೊಂಡ ‘ಮಾರ್ಗ’ದ ಮೇಲೆ ಅಲ್ಲ. ಹೀಗಾಗಿ, ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ದ್ರವ್ಯರಾಶಿಯ ಅನಿಲದ ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿಯು ಒತ್ತಡ, ಪರಿಮಾಣ ಮತ್ತು ತಾಪಮಾನದ ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಮೌಲ್ಯಗಳಿಂದ ವಿವರಿಸಲ್ಪಟ್ಟ ಅದರ ಸ್ಥಿತಿಯ ಮೇಲೆ ಅವಲಂಬಿತವಾಗಿರುತ್ತದೆ. ಅನಿಲದ ಈ ಸ್ಥಿತಿ ಹೇಗೆ ಉಂಟಾಯಿತು ಎಂಬುದರ ಮೇಲೆ ಅದು ಅವಲಂಬಿತವಾಗಿರುವುದಿಲ್ಲ. ಒತ್ತಡ, ಪರಿಮಾಣ, ತಾಪಮಾನ ಮತ್ತು ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿಯು ವ್ಯವಸ್ಥೆಯ (ಅನಿಲದ) ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ಸ್ಥಿತಿ ಚರಾಂಕಗಳಾಗಿವೆ (ವಿಭಾಗ 11.7 ನೋಡಿ). ಅನಿಲದಲ್ಲಿ ಸಣ್ಣ ಅಂತರ-ಆಣ್ವಿಕ ಬಲಗಳನ್ನು ನಾವು ನಿರ್ಲಕ್ಷಿಸಿದರೆ, ಅನಿಲದ ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿಯು ಅದರ ಅಣುಗಳ ವಿವಿಧ ಯಾದೃಚ್ಛಿಕ ಚಲನೆಗಳೊಂದಿಗೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿದ ಚಲನ ಶಕ್ತಿಗಳ ಮೊತ್ತವಾಗಿದೆ. ಮುಂದಿನ ಅಧ್ಯಾಯದಲ್ಲಿ ನಾವು ನೋಡುತ್ತೇವೆ, ಅನಿಲದಲ್ಲಿ ಈ ಚಲನೆಯು ಕೇವಲ ಸ್ಥಾನಾಂತರಿಕವಲ್ಲ (ಅಂದರೆ ಪಾತ್ರೆಯ ಪರಿಮಾಣದಲ್ಲಿ ಒಂದು ಬಿಂದುವಿನಿಂದ ಇನ್ನೊಂದು ಬಿಂದುವಿಗೆ ಚಲನೆ); ಇದು ಅಣುಗಳ ಆವರ್ತಕ ಮತ್ತು ಕಂಪನ ಚಲನೆಯನ್ನು ಸಹ ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತದೆ (ಚಿತ್ರ 11.3).

ಚಿತ್ರ 11.3 (a) ಪೆಟ್ಟಿಗೆಯು ವಿಶ್ರಾಂತಿಯಲ್ಲಿರುವಾಗ ಅನಿಲದ ಆಂತರಿಕ ಶಕ್ತಿ U ಅದರ ಅಣುಗಳ ಚಲನ ಮತ್ತು ಸ್ಥಿತಿಜ ಶಕ್ತಿಗಳ ಮೊತ್ತ