इज़ोटेर्मल प्रक्रियाएं: परिभाषा, सूत्र और उदाहरण

यह समझना कि विभिन्न थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं क्या हैं और आप प्रत्येक के साथ थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम का उपयोग कैसे करते हैं, यह महत्वपूर्ण है जब आप गर्मी इंजन और कार्नोट चक्रों पर विचार करना शुरू करते हैं।

कई प्रक्रियाओं को आदर्श बनाया जाता है, इसलिए जब वे सटीक रूप से प्रतिबिंबित नहीं करते हैं कि चीजें कैसे होती हैं वास्तविक दुनिया, वे उपयोगी अनुमान हैं जो गणना को सरल बनाते हैं और इसे आकर्षित करना आसान बनाते हैं निष्कर्ष ये आदर्शीकृत प्रक्रियाएं बताती हैं कि एक आदर्श गैस की अवस्थाओं में कैसे परिवर्तन हो सकता है।

इज़ोटेर्मल प्रक्रिया सिर्फ एक उदाहरण है, और यह तथ्य कि यह परिभाषा के अनुसार एक ही तापमान पर होता है जब आप ऊष्मा-इंजन जैसी चीज़ों की गणना कर रहे हों तो ऊष्मागतिकी के पहले नियम के साथ काम करना बहुत आसान हो जाता है प्रक्रियाएं।

एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया है जो एक स्थिर तापमान पर होती है। एक स्थिर तापमान पर और एक आदर्श गैस के साथ काम करने का लाभ यह है कि आप दबाव और आयतन को जोड़ने के लिए बॉयल के नियम और आदर्श गैस कानून का उपयोग कर सकते हैं। ये दोनों अभिव्यक्तियाँ (जैसा कि बॉयल का नियम आदर्श गैस कानून में शामिल किए गए कई कानूनों में से एक है) दबाव और आयतन के बीच एक विपरीत संबंध दर्शाता है। बॉयल के नियम का तात्पर्य है कि:

जहाँ सदस्यताएँ दबाव को दर्शाती हैं (पी) और मात्रा (वी) समय 1 पर और समय 2 पर दबाव और आयतन। समीकरण से पता चलता है कि यदि आयतन दोगुना हो जाता है, उदाहरण के लिए, समीकरण को संतुलित रखने के लिए दबाव को आधा करना पड़ता है, और इसके विपरीत। पूर्ण आदर्श गैस नियम है

कहां हैनहींगैस के मोलों की संख्या है,आरसार्वत्रिक गैस नियतांक है औरटीतापमान है। एक निश्चित मात्रा में गैस और एक निश्चित तापमान के साथ,पीवीएक स्थिर मान लेना चाहिए, जो पिछले परिणाम की ओर ले जाता है।

दबाव-मात्रा (पीवी) आरेख पर, जो दबाव बनाम दबाव का एक भूखंड है। थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं के लिए अक्सर उपयोग किया जाने वाला आयतन, एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया के ग्राफ की तरह दिखती हैआप​ = 1/​एक्स, अपने न्यूनतम मान की ओर नीचे की ओर मुड़ा हुआ।

एक बिंदु जो अक्सर लोगों को भ्रमित करता है, वह है के बीच का अंतरइज़ोटेर्मालबनामस्थिरोष्म, लेकिन शब्द को उसके दो भागों में बांटने से आपको इसे याद रखने में मदद मिल सकती है। "आइसो" का अर्थ है बराबर और "थर्मल" का अर्थ किसी चीज की गर्मी (यानी, उसका तापमान) से है, इसलिए "आइसोथर्मल" का शाब्दिक अर्थ है "एक समान तापमान पर।" रुद्धोष्म प्रक्रियाओं में ऊष्मा शामिल नहीं होती हैस्थानांतरण, लेकिन उनके दौरान अक्सर सिस्टम का तापमान बदल जाता है।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम कहता है कि आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन (यू) एक प्रणाली के लिए प्रणाली में जोड़ी गई गर्मी के बराबर है (क्यू) सिस्टम द्वारा किए गए कार्य को घटाकर (वू), या प्रतीकों में:

जब आप एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया के साथ काम कर रहे हैं, तो आप इस तथ्य का उपयोग कर सकते हैं कि एक उपयोगी निष्कर्ष निकालने के लिए आंतरिक ऊर्जा इस कानून के साथ तापमान के सीधे आनुपातिक है। एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा है:

इसका मतलब है कि एक स्थिर तापमान के लिए, आपके पास एक निरंतर आंतरिक ऊर्जा है। के साथयू= 0, ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम को आसानी से पुन: व्यवस्थित किया जा सकता है:

या, शब्दों में, सिस्टम में जोड़ा गया ताप सिस्टम द्वारा किए गए कार्य के बराबर है, जिसका अर्थ है कि जोड़ा गया ताप कार्य करने के लिए उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, इज़ोटेर्मल विस्तार में, सिस्टम में गर्मी को जोड़ा जाता है, जिससे इसका विस्तार होता है, आंतरिक ऊर्जा को खोए बिना पर्यावरण पर काम करता है। एक इज़ोटेर्मल संपीड़न में, पर्यावरण सिस्टम पर काम करता है, और सिस्टम को इस ऊर्जा को गर्मी के रूप में खोने का कारण बनता है।

ऊष्मा इंजन ऊष्मा ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए ऊष्मागतिकीय प्रक्रियाओं के एक पूरे चक्र का उपयोग करते हैं, आमतौर पर एक पिस्टन को स्थानांतरित करके जैसे कि ऊष्मा इंजन में गैस फैलती है। इज़ोटेर्मल प्रक्रियाएं इस चक्र का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हैं, अतिरिक्त ऊष्मा ऊर्जा को बिना किसी नुकसान के पूरी तरह से काम में बदल दिया जाता है।

हालाँकि, यह एक अत्यधिक आदर्श प्रक्रिया है, क्योंकि व्यवहार में हमेशा कुछ ऊर्जा खो जाती है जब ऊष्मीय ऊर्जा को कार्य में परिवर्तित किया जाता है। इसे वास्तविकता में काम करने के लिए, इसे अनंत समय लेने की आवश्यकता होगी ताकि सिस्टम हर समय अपने परिवेश के साथ तापीय संतुलन में रह सके।

इज़ोटेर्मल प्रक्रियाओं को प्रतिवर्ती प्रक्रिया माना जाता है, क्योंकि यदि आपने एक प्रक्रिया पूरी कर ली है (उदाहरण के लिए, एक इज़ोटेर्मल विस्तार) आप उसी प्रक्रिया को रिवर्स (एक इज़ोटेर्मल संपीड़न) में चला सकते हैं और सिस्टम को उसके मूल में वापस कर सकते हैं राज्य संक्षेप में, आप भौतिकी के किसी भी नियम को तोड़े बिना उसी प्रक्रिया को समय पर आगे या पीछे चला सकते हैं।

हालाँकि, यदि आपने इसे वास्तविक जीवन में करने का प्रयास किया, तो ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का अर्थ होगा कि इसमें वृद्धि हुई थी "आगे" प्रक्रिया के दौरान एन्ट्रापी, इसलिए "पिछड़ा" कोई सिस्टम को उसके मूल में पूरी तरह से वापस नहीं करेगा राज्य

यदि आप पीवी आरेख पर एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया की साजिश करते हैं, तो प्रक्रिया के दौरान किया गया कार्य वक्र के नीचे के क्षेत्र के बराबर होता है। जब आप इस तरह से किए गए कार्य की गणना कर सकते हैं, तो थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम का उपयोग करना अक्सर आसान होता है और यह तथ्य कि किया गया कार्य सिस्टम में जोड़ी गई गर्मी के बराबर है।

यदि आप एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया के लिए गणना कर रहे हैं, तो कुछ अन्य समीकरण हैं जिनका उपयोग आप किए गए कार्य को खोजने के लिए कर सकते हैं। इनमें से पहला है:

कहा पेवी​_एफ अंतिम मात्रा है औरवी​_मैं प्रारंभिक मात्रा है। आदर्श गैस नियम का उपयोग करके, आप प्रारंभिक दबाव और आयतन को प्रतिस्थापित कर सकते हैं (पी​_मैं तथावी​_मैं) के लिएएनआरटीइस समीकरण में प्राप्त करने के लिए:

ज्यादातर मामलों में जोड़ा गर्मी के माध्यम से काम करना आसान हो सकता है, लेकिन अगर आपके पास केवल दबाव, मात्रा या तापमान के बारे में जानकारी है, तो इनमें से एक समीकरण समस्या को सरल बना सकता है। चूँकि कार्य ऊर्जा का एक रूप है, इसकी इकाई जूल (J) है।

कई अन्य थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं हैं, और इनमें से कई को इज़ोटेर्मल प्रक्रियाओं के समान तरीके से वर्गीकृत किया जा सकता है, सिवाय इसके कि तापमान के अलावा अन्य मात्राएं स्थिर रहती हैं। एक समदाब रेखीय प्रक्रिया वह है जो एक स्थिर दबाव पर होती है, और इस वजह से, कंटेनर की दीवारों पर लगाया गया बल स्थिर होता है, और किया गया कार्य किसके द्वारा दिया जाता हैवू​ = ​पी∆वी​.

आइसोबैरिक विस्तार से गुजरने वाली गैस के लिए, दबाव को स्थिर रखने के लिए गर्मी हस्तांतरण की आवश्यकता होती है, और यह गर्मी काम करने के साथ-साथ सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा को भी बदल देती है।

एक समस्थानिक प्रक्रिया एक स्थिर आयतन पर होती है। यह आपको ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम में एक सरलीकरण करने की अनुमति देता है, क्योंकि यदि आयतन स्थिर है, तो सिस्टम पर्यावरण पर काम नहीं कर सकता है। नतीजतन, सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन पूरी तरह से स्थानांतरित गर्मी के कारण होता है।

रुद्धोष्म प्रक्रिया वह है जो प्रणाली और पर्यावरण के बीच ऊष्मा विनिमय के बिना होती है। इसका मतलब यह नहीं है कि सिस्टम में तापमान में कोई बदलाव नहीं हुआ है, हालांकि, इस प्रक्रिया से सीधे गर्मी हस्तांतरण के बिना तापमान में वृद्धि या कमी हो सकती है। हालांकि, बिना गर्मी हस्तांतरण के, पहला कानून दर्शाता है कि आंतरिक ऊर्जा में कोई भी परिवर्तन सिस्टम पर या सिस्टम द्वारा किए गए कार्य के कारण होना चाहिए, क्योंकि यह सेट होता हैक्यू= 0 समीकरण में।