सिस्टम और पर्यावरण

ऊष्मप्रवैगिकी के अध्ययन में, जो रसायन विज्ञान और भौतिकी की एक प्रमुख शाखा है, "सिस्टम" और "परिवेश" की अवधारणाएं मौलिक हैं। ये शब्द हमें यह समझने में मदद करते हैं कि ऊर्जा और पदार्थ विभिन्न परिदृश्यों में कैसे संपर्क करते हैं और प्रकृति में देखी गई विभिन्न प्रक्रियाओं को समझाने के लिए एक ढांचा प्रदान करते हैं।

सिस्टम क्या है?

ऊष्मप्रवैगिकी में "सिस्टम" उस ब्रह्मांड के भाग को संदर्भित करता है जिसका अध्ययन, अवलोकन, या केंद्रित किया जा रहा है। सिस्टम की सीमाएं वास्तविक या काल्पनिक हो सकती हैं और एक कण से एक पूरी आकाशगंगा तक हो सकती हैं।

सिस्टम को तीन मुख्य प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है:

1. खुला सिस्टम: एक खुला सिस्टम ऊर्जा और पदार्थ दोनों का अपने परिवेश के साथ विनिमय कर सकता है। एक खुले सिस्टम का एक क्लासिक उदाहरण उबलते पानी का बर्तन है। पानी के अणु (पदार्थ) भाप के रूप में बर्तन से निकल सकते हैं, और बर्तन और आस-पास की हवा के बीच हमेशा गर्मी (ऊर्जा) का अदला-बदली होती रहती है।
2. बंद सिस्टम: एक बंद सिस्टम केवल ऊर्जा, न कि पदार्थ, का अपने परिवेश के साथ विनिमय कर सकता है। एक बंद गैस कंटेनर की कल्पना करें जिसमें से कोई गैस नहीं निकल सकती। हालांकि, गर्मी का वातावरण के साथ विनिमय हो सकता है।
3. परिवर्जित सिस्टम: एक परिवर्जित सिस्टम अपने परिवेश के साथ ऊर्जा या पदार्थ का विनिमय नहीं करता। यह पूरी तरह से आत्मनिर्भर है। इसका आदर्श उदाहरण थर्मस बोतल है, हालांकि वास्तविक परिवर्जन व्यावहारिक रूप से असंभव है क्योंकि कुछ ऊर्जा विनिमय हमेशा होता रहेगा।

सिस्टम का प्रतिनिधित्व

आपको कल्पना करने में मदद करने के लिए, किसी भी प्रक्रिया या प्रयोग के लिए ब्रह्मांड को दो भागों में विभाजित करने की कल्पना करें: "सिस्टम" और "परिवेश।" नीचे एक सरल चित्रण दिया गया है:

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        | पर्यावरण |
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        | | सिस्टम | |
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पर्यावरण को समझना

ऊष्मप्रवैगिकी में "परिवेश" शब्द का अर्थ सिस्टम के बाहर सब कुछ है। परिवेश वह ऊर्जा या पदार्थ प्रदान करता है या अवशोषित करता है जो सिस्टम के साथ विनिमय किया जाता है। जब हम समीकरण लिखते हैं या परिवर्तन मापते हैं, तो वे इस परिवेशीय पर्यावरण के सापेक्ष होते हैं।

उदाहरण के लिए, अगर हम एक बीकर पर विचार करें जिसमें एक रासायनिक प्रतिक्रिया हो रही है, तो बीकर और उसकी सामग्री सिस्टम का प्रतिनिधित्व करती है, जबकि प्रयोगशाला की हवा को परिवेश माना जा सकता है। प्रतिक्रिया के दौरान छोड़ी गई या अवशोषित होने वाली गर्मी, प्रकाश या किसी भी अन्य प्रकार की ऊर्जा का इन परिवेशों के साथ अदला-बदली होगी।

उदाहरण और चित्रण

उबलता पानी - खुला सिस्टम

चूल्हे पर पानी का एक बर्तन उबलने की परिस्थिति पर विचार करें। पानी और उसकी भाप मिलकर सिस्टम बनाते हैं। चूल्हे से गर्मी बर्तन के माध्यम से पानी में प्रवाहित होती है, और पानी की भाप हवा में विलीन हो जाती है। दोनों पदार्थ (जलवाष्प) और ऊर्जा (गर्मी) का आस-पास के पर्यावरण के साथ विनिमय किया जाता है:

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        | पर्यावरण |
        | (हवा और गर्मी स्रोत) |
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        | | उबलता पानी | |
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सीलबंद कंटेनर - बंद सिस्टम

पानी के टब में डुबोए गए गैस से भरे सीलबंद कंटेनर की कल्पना करें। कंटेनर के अंदर की गैस सिस्टम है। जबकि कोई गैस बाहर नहीं बहती या अंदर नहीं जाती, गर्मी के रूप में ऊर्जा कंटेनर की दीवारों के माध्यम से पास हो सकती है। इसलिए, यह एक बंद सिस्टम है:

        ,
        |पानी का टब (आस-पास)|
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        | | सीलबंद गैस कंटेनर| |
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थर्मस फ्लास्क - आदर्श परिवर्जित सिस्टम

एक थर्मस फ्लास्क जिसे थर्मल विनिमय को कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, के अंदर का गर्म या ठंडा तरल मात्र सिस्टम होता है। आदर्श रूप में, ना तो कोई गर्मी और ना ही कोई पदार्थ अंदर-बाहर होता है, यद्यपि वास्तव में कुछ गर्मी हमेशा खो सकती है। फ्लास्क एक परिवर्जित सिस्टम का प्रतिनिधित्व करता है:

        ,
        | (माहौल) |
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        | | तरल के साथ थर्मस | |
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सिस्टम और पर्यावरण के बीच अंतःक्रिया

ऊष्मप्रवैगिकी में, हम इस बात में रुचि रखते हैं कि सिस्टम अपने परिवेश के साथ ऊर्जा का कैसे विनिमय करते हैं। यह मुख्य रूप से गर्मी और कार्य के माध्यम से किया जाता है:

• गर्मी (q): सिस्टम और परिवेश के बीच तापमान अंतर के कारण ऊर्जा का विनिमय।
• कार्य (w): ऊर्जा का स्थानांतरण जब कोई बाहरी बल किसी सिस्टम पर कार्य करता है, जैसे कि एक भार उठाना या गैस को संपीड़ित करना।

इन अंतःक्रियाओं का वर्णन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मूल ऊर्जा समीकरण को ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम कहा जाता है, जिसे अक्सर इस रूप में व्यक्त किया जाता है:

        ΔU = q + w
    

जहां ΔU सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन है, q विनिमय की गई गर्मी है, और w सिस्टम पर या द्वारा किया गया कार्य है।

ऊर्जा स्थानांतरण के उदाहरण

उदाहरण 1: सिलेंडर में गैस को गर्म करना

एक सिलेंडर की कल्पना करें जिसमें एक चलता हुआ पिस्टन है जिसमें एक गैस होती है, जिसे हम सिस्टम मानेंगे। जब आप गैस को गर्म करते हैं, तो यह फैलती है और पिस्टन को धक्का देकर कार्य करती है, अर्थात यह अपनी ऊर्जा को अपने परिवेश को स्थानांतरित करती है:

        ,
        पिस्टन ऊपर चला गया
        सिलेंडर में गैस
        , (कार्य पूरा हुआ)
        ,
    

जोड़ी गई गर्मी (q) गैस की ऊर्जा बढ़ा देती है, और जैसे ही गैस फैलती है, यह पिस्टन पर कार्य करती है (w)।

उदाहरण 2: गिलास में पेय को ठंडा करना

गिलास में पेय पदार्थ सिस्टम है, जबकि परिवेशीय हवा परिवेश है। जब इसे रेफ्रिजरेटर में रखा जाता है, तो पेय से परिवेश तक गर्मी तब तक रिलीज होती है जब तक कि थर्मल संतुलन प्राप्त नहीं हो जाता। यहां, गर्मी स्थानांतरण सिस्टम और परिवेश के बीच ऊर्जा का विनिमय है।

निष्कर्ष

ऊष्मप्रवैगिकी में सिस्टम और परिवेश की अवधारणाओं को समझना आवश्यक है क्योंकि यह ऊर्जा परिवर्तन विश्लेषण में मदद करता है। चाहे रासायनिक अभिक्रिया का अध्ययन कर रहे हों, कोई भौतिक परिवर्तन हो रहा हो, या कोई ऊष्मप्रवैगिक प्रक्रिया हो, सिस्टम को परिभाषित करना और उसके परिवेश के साथ अंतःक्रिया करने से वैज्ञानिक ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों का प्रभावी ढंग से उपयोग कर सकते हैं।

ऊष्मप्रवैगिकी न केवल हमें प्राकृतिक दुनिया को समझने में मदद करता है, बल्कि यह इंजन, रेफ्रिजरेटर, और यहां तक कि जैविक प्रक्रियाओं को समझने में भी बहुत काम आता है। सिस्टम और परिवेश के बीच स्पष्ट विभाजन ऊर्जा परिवर्तन की सटीक गणना करने में मदद करता है, वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग की कई संभावनाओं को खोलता है।

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