तीसरा नियम

ऊष्मागतिकी का तीसरा नियम भौतिकी के बुनियादी सिद्धांतों में से एक है। यह उन प्रणालियों के गुणों से संबंधित है जो निरपेक्ष शून्य तापमान तक पहुँचती हैं। यह नियम बहुत कम तापमान पर पदार्थों के व्यवहार और गुणों के बारे में गहन जानकारी प्रदान करता है, जो कि क्रायोजेनिक और क्वांटम यांत्रिक प्रणालियों के अध्ययन जैसे क्षेत्रों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

मूल अवधारणा

ऊष्मागतिकी का तीसरा नियम कहता है कि जैसे ही किसी संलग्न प्रणाली का तापमान निरपेक्ष शून्य के करीब पहुंचता है, प्रणाली की एंट्रॉपी न्यूनतम मूल्य की ओर बढ़ती है। इसे अक्सर इस प्रकार कह दिया जाता है कि जब केवल एक माइक्रोस्टेट संभव होता है, आमतौर पर ग्राउंड स्टेट, एंट्रॉपी शून्य की ओर बढ़ती है।

गणितीय रूप से, तीसरे नियम को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

S = k * ln(Ω)

जहाँ:

• S प्रणाली की एंट्रॉपी है।
• k बोल्त्ज़मान स्थिरांक है।
• Ω माइक्रोस्टेट्स की संख्या है।

दृश्य उदाहरण

एक साधारण दृश्य उदाहरण पर विचार करें, जैसे कि कणों का एक समूह जहां प्रत्येक कण कई अवस्थाओं में से किसी एक में हो सकता है। उच्च तापमान पर, कई विन्यास (या माइक्रोस्टेट) संभव हैं। हालांकि, जैसे ही तापमान निरपेक्ष शून्य की ओर घटता है, प्रणाली अधिक सुव्यवस्थित हो जाती है, और संभावित विन्यासों की संख्या घट जाती है।

व्यावहारिक निहितार्थ

निरपेक्ष शून्य तक पहुंचना एक सैद्धांतिक अवधारणा है, क्योंकि ऊष्मागतिकी के नियमों के अनुसार इस अवस्था को वास्तव में प्राप्त करना असंभव है। हालांकि, तीसरे नियम को समझने से वैज्ञानिकों और इंजीनियरों को बहुत कम तापमान पर काम करने वाले सिस्टम डिज़ाइन करने में मदद मिलती है।

यह विचार कि एंट्रॉपी निरपेक्ष शून्य पर शून्य की ओर बढ़ती है, ऊर्जा और पदार्थ के क्रम को समझने के लिए महत्वपूर्ण निहितार्थ रखता है। क्रायोजेनिक्स, बहुत कम तापमान उत्पन्न करने की तकनीक, तीसरे नियम के सिद्धांतों पर भारी निर्भर करती है। यह सुपरकंडक्टर, सुपरफ्लुइड्स, और कुछ क्वांटम कंप्यूटर जैसी तकनीकों का आधार बनता है।

एंट्रॉपी और निरपेक्ष शून्य

एंट्रॉपी किसी प्रणाली में अव्यवस्था या अनियमितता का माप है। उच्च तापमान पर, कणों के पास अधिक ऊर्जा होती है और वे अधिक अव्यवस्थित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उच्च एंट्रॉपी होती है। जैसे-जैसे तापमान घटता है, कण ऊर्जा खो देते हैं और अधिक सुव्यवस्थित अवस्था में बस जाते हैं।

जैसे ही आप निरपेक्ष शून्य के करीब पहुँचते हैं, ऊर्जा के आदान-प्रदान की संभावना बिल्कुल न्यूनतम हो जाती है और प्रणाली को एक अत्यधिक सुव्यवस्थित अवस्था में ले जाती है। इस प्रकार, एंट्रॉपी न्यूनतम मूल्य के पास पहुँचती है, जिसे अक्सर शून्य माना जाता है।

प्रायोगिक अंतर्दृष्टि

प्रायोगिक रूप से, हम हीलियम-3 को हीलियम-4 में पतला करके, एडियाबेटिक डिमैग्नेटिज़ेशन का उपयोग करके, या लेज़र कूलिंग तकनीकों को लागू करके लगभग निरपेक्ष शून्य तक पहुँचने के लिए क्रायोजेनिक तकनीक का उपयोग करते हैं। ये प्रणालियाँ अत्यंत कम एंट्रॉपिक अवस्थाओं को दिखाकर तीसरे नियम की प्रयोज्यता का प्रदर्शन करती हैं।

अध्ययन का मामला

आइए गैस कणों से भरे एक सीलबंद डिब्बे पर विचार करें। कमरे के तापमान पर, कण उच्च ऊर्जा और संवेग के साथ विभिन्न दिशाओं में उछल रहे हैं, जिससे कई संभावित सूक्ष्म अवस्थाएँ बनती हैं - जिसके परिणामस्वरूप उच्च एंट्रॉपी होती है।

जैसे ही तापमान घटता है, कण धीमे हो जाते हैं और उनके मार्ग अधिक अनुमानित हो जाते हैं, जिससे उपलब्ध सूक्ष्म अवस्थाओं की संख्या कम हो जाती है। यह प्रवृत्ति तब तक जारी रहती है जब तक तापमान निरपेक्ष शून्य के करीब नहीं पहुँच जाता।

इस एंट्रॉपी में कमी का स्पष्ट वर्णन लुडविग बोल्त्ज़मान के प्रसिद्ध एंट्रॉपी सूत्र में किया गया है:

S = k * ln(Ω)

जहां S एंट्रॉपी को निरूपित करता है, k बोल्त्ज़मान स्थिरांक है, और Ω माइक्रोस्टेट्स की संख्या का निरूपण करता है। निरपेक्ष शून्य पर, क्योंकि Ω न्यूनतम है, इसलिए एंट्रॉपी S भी न्यूनतम है।

शून्य बिंदु ऊर्जा

तीसरे नियम के निहितार्थों के बावजूद, प्रणाली के पास ऊर्जा होना कभी बंद नहीं होता, जिसे शून्य-बिंदु ऊर्जा कहा जाता है। निरपेक्ष शून्य पर, प्रणाली कंपन करना बंद नहीं करती; यह अपनी मूल भूमि अवस्था तक पहुँचती है जिसके बाद कोई और ऊर्जा हानि संभव नहीं होती। यह अवस्था शून्य-बिंदु ऊर्जा द्वारा चिह्नित होती है, जो क्वांटम यांत्रिकी और पदार्थ के अति निम्न-तापमान गुणों के केंद्र में निहित है।

दार्शनिक निहितार्थ

तीसरा नियम दार्शनिक जिज्ञासा भी रखता है, एक सैद्धांतिक पूर्ण अराजकता के अंत का प्रस्ताव करता है। निरपेक्ष शून्य पर, एक अंतिम क्रम और न्यूनतम ऊर्जा का बिंदु सैद्धांतिक रूप से पहुँचा जाता है। क्वांटम यांत्रिकी से प्राप्त अंतर्दृष्टि, शून्य-बिंदु कंपन और क्वांटम उतार-चढ़ाव जैसी जटिलताओं को उजागर करती है, जो प्रकृति की हमारी समझ में गहराई जोड़ती है।

निष्कर्ष

ऊष्मागतिकी का तीसरा नियम निम्न-तापमान भौतिकी के ब्रह्मांड की खिड़की खोलता है। क्रायोजेनिक्स में व्यावहारिक अनुप्रयोगों से लेकर एंट्रॉपी के शून्य के करीब सैद्धांतिक सीमा तक, यह वैज्ञानिक अन्वेषण के लिए समृद्ध कैनवास प्रस्तुत करता है। हालांकि निरपेक्ष शून्य सैद्धांतिक रूप से अप्राप्य है, इस घटना का अध्ययन आकर्षक तकनीकी और दार्शनिक खोजों की ओर ले जाता है।

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