ग्रेड 11 → Thermal physics → ऊष्मागतिकी के नियम ↓
रेफ़्रिजरेटर और हीट पंप
रेफ़्रिजरेटर और हीट पंप को समझने के लिए थर्मल भौतिकी और थर्मोडायनामिक्स के नियमों की मूल समझ की आवश्यकता होती है। दोनों उपकरण एक स्थान से दूसरे स्थान तक गर्मी स्थानांतरित करने के सिद्धांतों पर काम करते हैं। रेफ़्रिजरेटर कई घरों में पाए जाते हैं और भोजन को ठंडा रखने के लिए उपयोग किए जाते हैं। हीट पंप का उपयोग घरों में नमी को हटाने के लिए किया जाता है जैसे कि अध्ययन या हीटिंग और कूलिंग के लिए। हालांकि उनकी प्राथमिकताएँ अलग हैं, वे थर्मोडायनामिक सिद्धांत साझा करते हैं।
थर्मोडायनामिक्स के आधार
थर्मोडायनामिक्स भौतिकी की एक शाखा है जो प्रणाली के बीच गर्मी, कार्य, तापमान और ऊर्जा के आदान-प्रदान से संबंधित है। इसे चार मुख्य नियमों द्वारा नियंत्रित किया जाता है: शून्यवां, पहला, दूसरा, और तीसरा नियम।
- शून्यवां नियम: यदि दो प्रणाली किसी तीसरी प्रणाली के साथ तापीय संतुलन में हैं, तो वे भी एक-दूसरे के साथ तापीय संतुलन में होंगे।
- पहला नियम: ऊर्जा न तो बनाई जा सकती है और न ही नष्ट की जा सकती है, इसे केवल एक रूप से दूसरे रूप में बदला जा सकता है। इसे अक्सर ऊर्जा का संरक्षण कहा जाता है। प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन इस मान को प्राप्त करके होता है जो प्रणाली में जोड़ी गई गर्मी को उससे किए गए कार्य से घटाने के द्वारा मिलता है।
- दूसरा नियम: एक बंद प्रणाली की कुल एंट्रॉपी समय के साथ कम नहीं हो सकती। एंट्रॉपी अव्यवस्था का एक माप है; इस नियम का अर्थ है कि ऊर्जा रूपांतरण कभी भी 100% कुशल नहीं होते क्योंकि कुछ ऊर्जा हमेशा अपव्यय गर्मी के रूप में खो जाती है।
- तीसरा नियम: जैसे ही कोई प्रणाली शून्य के निकटतम तापमान के पास पहुँचती है, प्रणाली की एंट्रॉपी एक न्यूनतम स्थिर मान के पास पहुँचती है।
रेफ़्रिजरेटर को समझना
रेफ़्रिजरेटर एक सामान्य घरेलू उपकरण है जो वाष्प संपीड़न के चक्र का उपयोग करते हुए रेफ़्रिजरेटर के अंदर से बाहर तक गर्मी को स्थानांतरित करता है। इस चक्र में एक रेफ्रिजरेंट शामिल होता है जो बार-बार वाष्पीकृत और संघनित होता है, आंतरिक स्थान से गर्मी को हटाता है।
रेफ़्रिजरेटर कैसे काम करता है
एक रेफ़्रिजरेटर पहले और दूसरे नियमों के सिद्धांत पर काम करता है। यहां एक सामान्य प्रशीतन चक्र की एक रूपरेखा है:
- रेफ्रिजरेंट को कम्प्रेसर द्वारा संपीड़ित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप इसका तापमान और दबाव बढ़ जाता है।
- फिर गर्म, उच्च-दबाव गैस को रेफ़्रिजरेटर के पीछे या नीचे स्थित संघनक कॉइल के माध्यम से भेजा जाता है, जहां यह अपनी गर्मी परिवेशीय हवा में खो देता है और एक तरल बन जाता है।
- फिर तरल रेफ्रिजरेंट एक विस्तार वाल्व (एक छोटा छेद) के माध्यम से गुजरता है, जहां यह तेजी से फैलता है और गैस में बदल जाता है, कम दबाव और तापमान पर।
- यह ठंडी गैस रेफ़्रिजरेटर के अंदर वाष्पीकरण कॉइल के माध्यम से घुमती है, और अंदर से गर्मी को अवशोषित करती है। इस गर्मी से रेफ्रिजरेंट फिर से एक तरल में बदल जाता है, और यह चक्र दोहराया जाता है।
प्रदर्शन का गुणांक (सीओपी) रेफ़्रिजरेटर की कुशलता का एक माप है:
COP = [frac{Q_c}{W}]
जहां (Q_c) ठंडे स्थान से हटाई गई गर्मी है और (W) कम्प्रेसर द्वारा किया गया कार्य है। उच्च सीओपी मान अधिक कुशल रेफ़्रिजरेटर का संकेत देते हैं।
हीट पंप को समझना
हीट पंप बिल्कुल रेफ़्रिजरेटर की तरह काम करते हैं, लेकिन विपरीत तरीके से। उनका डिज़ाइन ठंडी जगह से गर्म जगह तक गर्मी स्थानांतरित करने के लिए किया गया है, यह मूल रूप में ऊर्जा को उसकी प्राकृतिक दिशा के विपरीत "पंप" करते हैं। हीट पंप का उपयोग मुख्य रूप से सर्दियों के मौसम में घरों को गर्म करने के लिए किया जाता है या गर्म दिनों में उन्हें ठंडा करने के लिए किया जाता है, जिसमें एक अतिरिक्त उल्टे वाल्व का उपयोग किया जाता है।
हीट पंप कैसे काम करता है
रेफ़्रिजरेटर की तरह, हीट पंप भी रेफ्रिजरेंट की संपीड़न और विस्तार पर निर्भर होते हैं। यहां उनके कार्यशील चक्र का अवलोकन है:
- एक रेफ्रिजरेंट को कम्प्रेसर द्वारा संपीड़ित किया जाता है, जिससे यह गर्म, उच्च-दबाव वाली गैस में बदल जाता है।
- गैस संवेदक कॉइल के माध्यम से बहती है, कमरे में गर्मी छोड़ती है, और एक तरल बन जाती है।
- फिर तरल रेफ्रिजरेंट एक विस्तार वाल्व के माध्यम से गुजरता है, जहां यह ठंडा होता है और कम दबाव वाली गैस में बदल जाता है।
- गैस बाहरी वातावरण से वाष्पीकरण कॉइल के माध्यम से गर्मी अवशोषित करती है और यह प्रक्रिया दोहराई जाती है।
हीट पंप की गर्मी के दौरान दक्षता भी उसके प्रदर्शन के गुणांक (सीओपी) द्वारा मापी जाती है:
COP = [frac{Q_h}{W}]
जहां (Q_h) गर्म जगह पर दी गई गर्मी है। उच्च सीओपी का अर्थ है अधिक कुशल हीट पंप।
अनुप्रयोग और उदाहरण
आइए कुछ व्यावहारिक उदाहरणों और रेफ़्रिजरेटर और हीट पंप के अनुप्रयोगों पर विचार करें।
रेफ़्रिजरेटर उदाहरण
कल्पना करें कि एक रेफ़्रिजरेटर अंदर से प्रति सेकंड 2000 जूल की गर्मी हटा रहा है, जबकि कम्प्रेसर प्रति सेकंड 500 जूल का काम कर रहा है। रेफ़्रिजरेटर के प्रदर्शन का गुणांक इस प्रकार गणना की जाती है:
COP = [frac{2000 , J}{500 , J} = 4]
इस सीओपी मान 4 का अर्थ है कि कम्प्रेसर द्वारा किए गए प्रत्येक जूल कार्य के लिए, रेफ़्रिजरेटर अंदर से 4 जूल गर्मी को हटाता है।
हीट पंप उदाहरण
एक हीट पंप बाहरी हवा से 3000 जूल ऊर्जा निकालता है और 4500 जूल ऊर्जा इंटीरियर में देता है, जिससे पंप द्वारा किया गया कार्य 1500 जूल होता है। इसके गर्मी के दौरान प्रदर्शन का गुणांक इस प्रकार होता है:
COP = [frac{4500 , J}{1500 , J} = 3]
अत: यह हीट पंप प्रत्येक जूल कार्य के लिए घर के इंटीरियर को 3 जूल हीटिंग ऊर्जा देता है।
दूसरे नियम का थर्मोडायनामिक्स से संबंध
रेफ़्रिजरेटर और हीट पंप थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के मौलिक उदाहरण हैं। यह नियम कहता है कि बिना कार्य किए, गर्मी ठंडे भंडार से गर्म भंडार में स्वाभाविक रूप से नहीं बह सकती। यह ऊर्जा हस्तांतरण की प्राकृतिक दिशा के विपरीत है।
उदाहरण के लिए, रेफ़्रिजरेटर में, ठंडे अंदरूनी हिस्से से गर्मी को निकाला जाता है और गर्म कमरे के वातावरण में छोड़ा जाता है। यह प्रक्रिया कम्प्रेसर द्वारा किया गया कार्य के कारण होती है, जो इस चक्र को संचालित करता है।
इसी तरह, हीट पंप ठंडी बाहरी हवा से गर्मी निकालते हैं और इसे अंदर स्थानांतरित करते हैं। निचले तापमानों से गर्मी निकालने के बावजूद, एक हीट पंप इस हस्तांतरण को रेफ्रिजरेंट के संपीड़न और ऊर्जा इनपुट का उपयोग करके पूरा करता है।
पर्यावरणीय प्रभाव
रेफ़्रिजरेटर और हीट पंप दोनों रेफ्रिजरेंट का उपयोग करते हैं, और ऐतिहासिक रूप से, इनमें से कुछ पर्यावरण के लिए हानिकारक रहे हैं। कुछ रासायनिक रेफ्रिजरेंट ग्रीनहाउस प्रभाव और ओजोन की क्षति में योगदान कर सकते हैं। परिणामस्वरूप, अब अधिक पर्यावरण के अनुकूल विकल्पों का उपयोग किया जा रहा है।
इन उपकरणों की दक्षता ऊर्जा खपत में भी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। उच्च सीओपी समान गर्मी स्थानांतरण के लिए कम ऊर्जा खपत को दर्शाती है, जो लागत और पर्यावरणीय प्रभाव दोनों के लिए लाभकारी है।
निष्कर्ष
रेफ़्रिजरेटर और हीट पंप थर्मोडायनामिक सिद्धांतों के अद्भुत आवेदन हैं। वे गर्मी हस्तांतरण में शामिल जटिलताओं को उजागर करते हैं और उन अजीब तरीकों की ओर इशारा करते हैं जिनके माध्यम से मनुष्यों ने इन गुणों का उपयोग करके दैनिक जीवन में आराम को बढ़ावा दिया है।
थर्मोडायनामिक्स के नियमों को समझकर और इन उपकरणों के पीछे की तंत्रों को समझकर, हम उनके कार्य को जान सकते हैं और इन आवश्यक प्रणालियों में नवाचार कर सकते हैं।
टिप्पणियाँ