ہندسیاتی ترمودینامکس: بنیادی اصول و مبادی

اینجرنیرنگ تھرمودائنامکس کے بنیادی اصول کے ذریعے، پلانٹ، معدات اور ان کے کل ڈیزائن کے کارکردگی میں بہتری کے ذریعے بہتر دنیا کی طرف ترقی کرنے میں اہم کردار ادا کرتے ہیں۔

کارکردگی کی جانچ کے لئے ناظریہ کے اہم عوامل وہ آئٹمز ہیں جیسے فائنل پروڈکٹ کا آؤٹ پٹ، راو میٹریال کی مصرف، پروڈکشن کی قیمت، اور ماحول پر اثر کی جانچ۔ انجینئرز آج تھرمودائنامکس کے مفہوم کا استعمال کرتے ہیں تاکہ انسانی سلامتی اور آرام کے لئے متعین چیزوں کو جانچنے اور دوبارہ تشکیل دینے کے لئے۔

تھرمودائنامکس کی سائنس 19ویں صدی سے موجود ہے۔ اس کے بعد سے سائنسدان اور انجینئرز اس کو صارف کے لئے ممکنہ حد تک آسان بنانے کی مستقل کوشش کر رہے ہیں۔

تھرمودائنامکس کے بنیادی اصول

تھرمودائنامکس کا لفظ یونانی لفظ تھیم (جو گرمی کا مطلب ہوتا ہے) اور ڈائنامکس (جو قوت کا مطلب ہوتا ہے) سے مشتق ہے۔ انجینئرنگ کے ماہرین نظاموں اور ان کے ماحول کے ساتھ ان کے تعامل کا مطالعہ کرنے میں دلچسپی رکھتے ہیں۔

اس حصے میں استعمال کیے جانے والے مفہوم/تعریفوں کا خوانندگان کے لئے انجینئرنگ تھرمودائنامکس (کبھی کبھی ہیٹ-پاور انجینئرنگ کہلاتا ہے) کے مفہوم کو سمجھنے میں مدد کرتا ہے۔

نظام، ماحول اور کائنات

نظام وہ چیز ہے جس کا مطالعہ کرنا چاہتے ہیں، لہذا پہلا مرحلہ نظام کے مطالعہ کا مقصد ثابت کرنا ہے۔ نظام کے مطالعہ کا مقصد نظام کی کارکردگی کو بہتر بنانا یا نقصانات کو کم کرنا وغیرہ ہو سکتا ہے۔ نظام کا مثال ٹھنڈا کرنے کے سائکل کو کال سٹوریج پلانٹ میں تجزیہ کرنا یا پاور پلانٹ میں رینکین سائکل کو تجزیہ کرنا ہو سکتا ہے۔

نظام کو محدود یا متحرک سطح کے ذریعے محدود شدہ خالص مادے کی معینہ مقدار کے طور پر تعریف کیا جاتا ہے؛ اسی طرح، نظام کے اندر مادے کی ترکیب کو سائکل کے مطابق محفوظ یا متغیر کیا جا سکتا ہے۔

نظام کی ابعاد ضروری نہیں کہ مسلبہ ہوں (جیسے کمپریسر میں ہوا کو پسٹن کے ذریعے دبا لیا جاتا ہے) یہ متغیر ہو سکتا ہے (جیسے پھولنے والے بالون)۔ نظام کے ساتھ باہر سے تفاعل کرنے والی مادہ کو ماحول کہا جاتا ہے اور کائنات نظام اور ماحول کا نتیجہ ہے۔

نظام کو اپنے ماحول سے الگ کرنے والا عنصر حدود کہلاتا ہے۔ نظام کی حدود محفوظ یا حرکت میں ہو سکتی ہیں۔

نظام اور ماحول کے درمیان تفاعل حدود کو عبور کرکے ہوتا ہے اور اس کا تھرمودائنامکس (یعنی ہیٹ اور پاور انجینئرنگ) میں بہت اہم کردار ہوتا ہے۔

تھرمودائنامکس میں نظام کے قسمیں

تھرمودائنامکس میں نظام کی دو بنیادی قسمیں ہیں:

1. بنڈھا ہوا نظام یا کنٹرول میس: معینہ مقدار کے مادے کے ساتھ منسلک ہوتا ہے۔ کھلے نظام کے برخلاف، بنڈھا ہوا نظام میں نظام کی حدود کے ذریعے مادے کا مسلبہ نہیں ہوتا۔ ایک خاص قسم کا بنڈھا ہوا نظام جو ماحول سے تعلق رکھنے کے بغیر محفوظ ہوتا ہے کو منسلک نظام کہا جاتا ہے۔

2. کنٹرول حجم (کھلا نظام): کنٹرول حجم کسی علاقے کے ذریعے محدود ہوتا ہے جس کے ذریعے مادہ اور توانائی کو نظام کی حدود کو عبور کرکے منتقل کیا جا سکتا ہے۔ کھلے نظام کی حدود کو کنٹرول سطح کہا جاتا ہے؛ یہ کنٹرول سطح واقعی یا غیر واقعی ہو سکتی ہے۔
   کنٹرول حجم کے مثالیں وہ معدات ہیں جن میں مادے کو نظام کی حدود کو عبور کرکے منتقل کرنے کی ضرورت ہوتی ہے جیسے پمپ کے ذریعے پانی کا بہاؤ، ٹربائن میں بھاپ کا بہاؤ اور ایئر کمپریسر میں ہوا کا بہاؤ۔

میکروسکوپک تھرمودائنامکس

تھرمودائنامکس میں میکروسکوپک رویہ کو اسٹیٹسٹکل تھرمودائنامکس بھی کہا جاتا ہے اور یہ مادے کی ساخت کے ساتھ منسلک ہوتا ہے اور اسٹیٹسٹکل تھرمودائنامکس کا مقصد نظام کے متعلقہ ذرات کی عام رفتار کو متعین کرنا ہوتا ہے اور اس معلومات کو استعمال کرتے ہوئے نظام کی میکروکوسکیک رفتار کو دیکھنے کے لئے۔

تھرمودائنامکس کی خصوصیات، حالتیں اور عملیات

تھرمودائنامک خصوصیات

تھرمودائنامک خصوصیات کسی نظام کی میکروکوسکیک خصوصیات ہوتی ہیں۔ خصوصیات کی قیمت کو کسی بھی وقت بغیر سابقہ قیمت اور اس کی رفتار کے علم کے طور پر متعین کیا جا سکتا ہے۔

متفرق خصوصیات

وہ خصوصیات جو مادے کی مقدار پر منحصر ہوتی ہیں کو متفرق خصوصیات کہا جاتا ہے اور اس کی قیمت کل نظام کے لئے اس کے حصوں کی قیمت کا مجموعہ ہوتی ہے جس میں نظام تقسیم ہوتا ہے۔ متفرق خصوصیات کی مثالیں حجم، توانائی اور مادہ ہیں۔ متفرق خصوصیات نظام کے سائز پر منحصر ہوتی ہیں اور یہ وقت کے ساتھ بدل سکتی ہیں۔

مستقل خصوصیات

متفرق خصوصیات کے برخلاف، مستقل خصوصیات مادے کی مقدار پر منحصر نہیں ہوتی ہیں اور غیر مضافی ہوتی ہیں اور نظام کے کل سائز پر منحصر نہیں ہوتی ہیں۔ یہ کسی بھی لمحے میں نظام کے مختلف مقامات پر مختلف ہو سکتی ہیں۔ مستقل خصوصیات کی مثالیں دباؤ اور درجہ حرارت ہیں۔

تھرمودائنامک حالت

حالت کو ایک نظام کی حالت کے طور پر تعریف کیا جاتا ہے جس کو اس کی خصوصیات کے ذریعے بہترین طور پر بیان کیا جا سکتا ہے۔ نظام میں محفوظ مادہ کو مختلف منفرد حالتیں میں پایا جا سکتا ہے، جسے حالت کہا جاتا ہے۔ خصوصیات کے درمیان تعلقات ہوتے ہیں لیکن حالت کو خصوصیات کے کسی ذیلی مجموعہ کی قیمت کے ذریعے متعین کیا جا سکتا ہے۔

تھرمودائنامک عملیات

تھرمودائنامک عملیات ایک حالت سے دوسری حالت تک کا تبدیلی ہوتا ہے۔ اگر نظام میں کسی بھی میکروکوسکیک خصوصیات کی دو مختلف وقت کی قیمت یکساں ہو تو نظام کو اس وقت کی حالت کے طور پر کہا جاتا ہے۔ اگر نظام کی کوئی خصوصیات وقت کے ساتھ تبدیل نہیں ہوتی ہیں تو نظام کی مستقل حالت کو حاصل کیا جاتا ہے۔

نظام کی توازن کا سائکل

ایک تھرمودائنامک نظام کا توازن کا سائکل ایک تسلسل کی عملیات ہوتی ہے جو ایک یکساں حالت سے شروع ہوتی ہے اور ایک یکساں حالت کے ساتھ ختم ہوتی ہے۔ جب سائکل مکمل ہوجاتا ہے تو اس کی تمام خصوصیات ابتدائی حالت کی قیمت کے یکساں ہوتی ہیں۔ کئی علاقوں میں کسی بھی منظم طور پر دہرانے والے سائکل کا اہم کردار ہوتا ہے، جیسے حرارتی پاور جنریٹنگ اسٹیشن میں کنڈینسیٹ کا دورہ کرنے کا سائکل۔

کام کرنے والی مادہ

مادے کا نظریہ توانائی کے مفہوم کو سمجھنے میں مددگار ہے۔ م