توانائی کے تحفظ کا قانون

جدید طبیعیات مختلف قسم کے مادی اجسام یا ذرّات کی حرکت یا مختلف باہمی ترتیب سے وابستہ توانائی کی بہت سی اقسام کو جانتی ہے، مثال کے طور پر، کسی بھی حرکت پذیر جسم میں حرکی توانائی اس کی رفتار کے مربع کے متناسب ہوتی ہے۔ جسم کی رفتار بڑھنے یا کم ہونے سے یہ توانائی بدل سکتی ہے۔ زمین سے اوپر اٹھنے والے جسم میں کشش ثقل کی صلاحیت ہوتی ہے جس میں جسم کی اونچائی میں تین تبدیلیاں ہوتی ہیں۔

سٹیشنری برقی چارجز جو ایک دوسرے سے کچھ فاصلے پر ہوتے ہیں اس حقیقت کے مطابق ایک الیکٹرو اسٹاٹک پوٹینشل انرجی رکھتے ہیں کہ کولمب کے قانون کے مطابق چارجز یا تو اپنی طرف متوجہ ہوتے ہیں (اگر وہ مختلف علامات کے ہوں) یا کسی قوت کے ساتھ پیچھے ہٹتے ہیں جو اس کے مربع کے الٹا متناسب ہوتے ہیں۔ ان کے درمیان فاصلہ.

حرکیاتی اور ممکنہ توانائی مالیکیولز، ایٹموں اور ذرات، ان کے اجزاء یعنی الیکٹران، پروٹون، نیوٹران وغیرہ کے پاس ہوتی ہے۔ مکینیکل کام کی صورت میں، برقی رو کے بہاؤ میں، حرارت کی منتقلی میں، جسم کی اندرونی حالت کی تبدیلی میں، برقی مقناطیسی لہروں کے پھیلاؤ میں، وغیرہ۔

100 سال سے زیادہ پہلے، طبیعیات کا ایک بنیادی قانون قائم کیا گیا تھا، جس کے مطابق توانائی غائب یا کسی چیز سے پیدا نہیں ہو سکتی۔ وہ صرف ایک قسم سے دوسری قسم میں بدل سکتی ہے…. اس قانون کو توانائی کے تحفظ کا قانون کہا جاتا ہے۔

اے آئن سٹائن کے کاموں میں یہ قانون نمایاں طور پر تیار کیا گیا ہے۔ آئن سٹائن نے توانائی اور بڑے پیمانے پر تبادلہ کرنے کی صلاحیت قائم کی اور اس طرح توانائی کے تحفظ کے قانون کی تشریح کو وسعت دی، جسے اب عام طور پر توانائی اور بڑے پیمانے پر تحفظ کا قانون کہا جاتا ہے۔

آئن سٹائن کے نظریہ کے مطابق، جسم کی توانائی dE میں کسی بھی تبدیلی کا تعلق فارمولے dE = dmc2 کے ذریعہ اس کے بڑے پیمانے پر dm میں تبدیلی سے ہے، جہاں c 3 x 108 مس کے برابر خلا میں روشنی کی رفتار ہے۔

اس فارمولے سے، خاص طور پر، یہ مندرجہ ذیل ہے کہ، اگر، کسی عمل کے نتیجے میں، عمل میں شامل تمام اجسام کی کمیت 1 جی تک کم ہو جاتی ہے، تو توانائی 9×1013 J کے برابر ہے، جو کہ 3000 ٹن کے برابر ہے۔ معیاری ایندھن.

یہ تناسب جوہری تبدیلیوں کے تجزیے میں بنیادی اہمیت کے حامل ہیں۔ زیادہ تر میکروسکوپک عمل میں، بڑے پیمانے پر تبدیلی کو نظر انداز کیا جا سکتا ہے اور صرف توانائی کے تحفظ کے قانون کی بات کی جا سکتی ہے۔

آئیے کچھ ٹھوس مثال پر توانائی کی تبدیلیوں کا سراغ لگاتے ہیں۔ لیتھ پر کوئی بھی حصہ تیار کرنے کے لیے درکار توانائی کے تبادلوں کے پورے سلسلے پر غور کریں (تصویر 1)۔ ابتدائی توانائی 1، جس کی مقدار ہم 100% کے طور پر لیتے ہیں، ایک خاص مقدار میں فوسل فیول کے مکمل دہن کی وجہ سے حاصل کی جاتی ہے۔ لہذا، ہماری مثال کے طور پر، 100% ابتدائی توانائی ایندھن کے دہن کی مصنوعات میں موجود ہوتی ہے، جو کہ زیادہ درجہ حرارت (تقریباً 2000 K) پر ہوتی ہے۔

پاور پلانٹ کے بوائلر میں دہن کی مصنوعات، جب ٹھنڈا ہو جاتے ہیں، اپنی اندرونی توانائی کو حرارت کی صورت میں پانی اور پانی کے بخارات میں چھوڑ دیتے ہیں۔ تاہم، تکنیکی اور اقتصادی وجوہات کی بناء پر، دہن کی مصنوعات کو محیط درجہ حرارت پر ٹھنڈا نہیں کیا جا سکتا۔ وہ تقریباً 400 K کے درجہ حرارت پر ٹیوب کے ذریعے فضا میں نکالے جاتے ہیں، اور اپنے ساتھ کچھ اصل توانائی لے جاتے ہیں۔ لہذا، ابتدائی توانائی کا صرف 95٪ پانی کے بخارات کی اندرونی توانائی میں منتقل کیا جائے گا۔

اس کے نتیجے میں پانی کے بخارات بھاپ ٹربائن میں داخل ہوں گے، جہاں اس کی اندرونی توانائی ابتدائی طور پر جزوی طور پر بھاپ کے تاروں کی حرکی توانائی میں تبدیل ہو جاتی ہے، جسے پھر ٹربائن کے روٹر میں مکینیکل توانائی کے طور پر منتقل کیا جائے گا۔

بھاپ کی توانائی کا صرف ایک حصہ مکینیکل توانائی میں تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ جب کنڈینسر میں بھاپ کو گاڑھا کیا جاتا ہے تو باقی کو ٹھنڈا کرنے والے پانی کو دیا جاتا ہے۔ ہماری مثال میں، ہم نے فرض کیا کہ ٹربائن روٹر میں منتقل ہونے والی توانائی تقریباً 38% ہوگی، جو کہ جدید پاور پلانٹس کی حالت سے تقریباً مساوی ہے۔

جب نام نہاد کی وجہ سے میکانی توانائی کو برقی توانائی میں تبدیل کرنا جنریٹر کے روٹر اور اسٹیٹر وائنڈنگز میں جول کے نقصان سے تقریباً 2% توانائی ضائع ہو جائے گی۔ نتیجے کے طور پر، ابتدائی توانائی کا تقریباً 36% گرڈ میں جائے گا۔

ایک الیکٹرک موٹر خراد کو گھمانے کے لیے اس کو فراہم کی جانے والی برقی توانائی کے صرف ایک حصے کو مکینیکل توانائی میں بدل دے گی۔ ہماری مثال میں، موٹر وائنڈنگز میں جول ہیٹ کی صورت میں تقریباً 9% توانائی اور اس کے بیرنگ میں رگڑ والی حرارت ارد گرد کی فضا میں چھوڑی جائے گی۔

اس طرح، ابتدائی توانائی کا صرف 27% مشین کے کام کرنے والے اعضاء تک پہنچایا جائے گا۔ لیکن توانائی کے حادثات وہاں بھی ختم نہیں ہوتے ہیں۔ اس سے پتہ چلتا ہے کہ کسی حصے کی مشینی کے دوران زیادہ تر توانائی رگڑ پر خرچ ہوتی ہے اور اس حصے کو ٹھنڈا کرنے والے مائع کے ساتھ حرارت کی صورت میں نکالی جاتی ہے۔ نظریاتی طور پر، ابتدائی توانائی کا صرف ایک بہت چھوٹا سا حصہ (ہماری مثال میں، 2% فرض کیا جاتا ہے) اصل حصے کا مطلوبہ حصہ حاصل کرنے کے لیے کافی ہوگا۔

چاول۔ 1. لیتھ پر ورک پیس کی پروسیسنگ کے دوران توانائی کی تبدیلیوں کا خاکہ: 1 — خارج ہونے والی گیسوں سے توانائی کا نقصان، 2 — دہن کی مصنوعات کی اندرونی توانائی، 3 — کام کرنے والے سیال کی اندرونی توانائی — پانی کے بخارات، 4 — ٹھنڈک سے خارج ہونے والی حرارت ٹربائن کنڈینسر میں پانی، 5 — ٹربائن جنریٹر کے روٹر کی مکینیکل توانائی، 6 — الیکٹرک جنریٹر میں نقصان، 7 — مشین کی برقی ڈرائیو میں فضلہ، 8 — مشین کی گردش کی مکینیکل توانائی، 9 — رگڑ کام، جو گرمی میں تبدیل ہوتا ہے، مائع سے الگ ہوتا ہے، ٹھنڈا کرنے والا حصہ، 10 - پروسیسنگ کے بعد حصے اور چپس کی اندرونی توانائی میں اضافہ ہوتا ہے ...

زیر نظر مثال سے کم از کم تین بہت مفید نتائج اخذ کیے جا سکتے ہیں، اگر اسے کافی عام سمجھا جائے۔

سب سے پہلے، توانائی کی تبدیلی کے ہر قدم پر اس میں سے کچھ ضائع ہو جاتا ہے... اس بیان کو توانائی کے تحفظ کے قانون کی خلاف ورزی کے طور پر نہیں سمجھا جانا چاہیے۔ یہ اس مفید اثر کی وجہ سے کھو گیا ہے جس کے لیے متعلقہ تبدیلی کی جاتی ہے۔ تبدیلی کے بعد توانائی کی کل مقدار میں کوئی تبدیلی نہیں ہوتی۔

اگر توانائی کی تبدیلی اور منتقلی کا عمل کسی خاص مشین یا اپریٹس میں ہوتا ہے، تو اس آلے کی افادیت عام طور پر کارکردگی (Efficiency) سے ہوتی ہے... ایسے آلے کا خاکہ انجیر میں دکھایا گیا ہے۔ 2.

چاول۔ 2. توانائی کو تبدیل کرنے والے آلے کی کارکردگی کا تعین کرنے کی اسکیم۔

اعداد و شمار میں دکھائے گئے اشارے کا استعمال کرتے ہوئے، کارکردگی کی تعریف Efficiency = Epol/Epod کے طور پر کی جا سکتی ہے۔

یہ واضح ہے کہ اس صورت میں، توانائی کے تحفظ کے قانون کی بنیاد پر، Epod = Epol + Epot ہونا ضروری ہے

لہذا، کارکردگی کو بھی اس طرح لکھا جا سکتا ہے: کارکردگی = 1 — (Epot/Epol)

تصویر میں دکھائی گئی مثال پر واپس جانا۔ 1، ہم کہہ سکتے ہیں کہ بوائلر کی کارکردگی 95% ہے، بھاپ کی اندرونی توانائی کو مکینیکل کام میں تبدیل کرنے کی کارکردگی 40% ہے، الیکٹرک جنریٹر کی کارکردگی 95% ہے، کارکردگی ہے — ایک کی برقی ڈرائیو مشین - 75٪، اور ورک پیس کی اصل پروسیسنگ کی کارکردگی تقریبا 7٪ ہے۔

ماضی میں، جب توانائی کی تبدیلی کے قوانین ابھی تک معلوم نہیں تھے، لوگوں کا خواب ایک نام نہاد پرپیچوئل موشن مشین بنانا تھا - ایک ایسا آلہ جو توانائی خرچ کیے بغیر مفید کام کرے۔ ایسا فرضی انجن، جس کا وجود توانائی کے تحفظ کے قانون کی خلاف ورزی کرے گا، آج اسے پہلی قسم کی مستقل حرکت مشین کہا جاتا ہے، دوسری قسم کی دائمی حرکت کرنے والی مشین کے برخلاف۔ آج، یقیناً، کوئی نہیں لیتا سنجیدگی سے پہلی قسم کی ایک مستقل حرکت مشین بنانے کا امکان۔

دوسرا، توانائی کے تمام نقصانات بالآخر حرارت میں تبدیل ہو جاتے ہیں، جو یا تو ماحول کی ہوا میں یا قدرتی ذخائر سے پانی میں خارج ہوتی ہے۔

تیسرا، لوگ بنیادی توانائی کا صرف ایک چھوٹا سا حصہ استعمال کرتے ہیں جو متعلقہ فائدہ مند اثر حاصل کرنے کے لیے خرچ کیا جاتا ہے۔

توانائی کی نقل و حمل کے اخراجات کو دیکھتے وقت یہ خاص طور پر واضح ہوتا ہے۔ آئیڈیلائزڈ میکانکس میں، جو رگڑ کی قوتوں پر غور نہیں کرتے، افقی جہاز میں بوجھ کو حرکت دینے کے لیے توانائی کی ضرورت نہیں ہوتی ہے۔

حقیقی حالات میں، گاڑی کے ذریعے استعمال ہونے والی تمام توانائی رگڑ قوتوں اور فضائی مزاحمتی قوتوں پر قابو پانے کے لیے استعمال ہوتی ہے، یعنی بالآخر، نقل و حمل میں استعمال ہونے والی تمام توانائی حرارت میں تبدیل ہو جاتی ہے۔ اس سلسلے میں، مندرجہ ذیل اعداد و شمار دلچسپ ہیں، مختلف اقسام کی نقل و حمل کے ساتھ 1 کلومیٹر کے فاصلے پر 1 ٹن کارگو کو منتقل کرنے کے کام کی خصوصیت: ہوائی جہاز — 7.6 kWh/ (t-km)، کار — 0.51 kWh/ ( t- کلومیٹر) , ٹرین-0.12 kWh / (t-km).

اس طرح، ریل کے مقابلے میں 60 گنا زیادہ توانائی کی کھپت کی قیمت پر ہوائی نقل و حمل کے ساتھ ایک ہی فائدہ مند اثر حاصل کیا جا سکتا ہے. بلاشبہ، زیادہ توانائی کی کھپت وقت کی اہم بچت فراہم کرتی ہے، لیکن ایک ہی رفتار (کار اور ٹرین) پر بھی، توانائی کے اخراجات میں 4 گنا فرق ہوتا ہے۔

اس مثال سے پتہ چلتا ہے کہ لوگ اکثر دوسرے اہداف حاصل کرنے کے لیے توانائی کی بچت کے ساتھ تجارت کرتے ہیں، مثال کے طور پر آرام، رفتار، وغیرہ۔ عمل کی کارکردگی کا معاشی جائزہ اہم ہے... لیکن جیسے جیسے توانائی کے بنیادی اجزاء کی قیمت بڑھتی جاتی ہے، تکنیکی اور اقتصادی تشخیص میں توانائی کا جزو زیادہ سے زیادہ اہم ہوتا چلا جاتا ہے۔