ऊष्मप्रवैगिकी के नियम सभी भौतिकी में सबसे महत्वपूर्ण कानूनों में से कुछ हैं, और उनमें से प्रत्येक को कैसे लागू किया जाए, यह समझना किसी भी भौतिक विज्ञान के छात्र के लिए एक महत्वपूर्ण कौशल है।
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम अनिवार्य रूप से ऊर्जा के संरक्षण का बयान है, लेकिन इसके कई उपयोग हैं इस विशिष्ट फॉर्मूलेशन के लिए आपको यह समझना होगा कि क्या आप गर्मी जैसी चीजों से जुड़ी समस्याओं को हल करना चाहते हैं इंजन।
एडियाबेटिक, आइसोबैरिक, आइसोकोरिक और इज़ोटेर्मल प्रक्रियाएं क्या हैं, और इसका पहला नियम कैसे लागू किया जाए, यह सीखना इन स्थितियों में ऊष्मप्रवैगिकी, आपको एक थर्मोडायनामिक प्रणाली के व्यवहार का गणितीय रूप से वर्णन करने में मदद करता है जैसे यह समय में विकसित होता है।
आंतरिक ऊर्जा, कार्य और ऊष्मा
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम - ऊष्मप्रवैगिकी के अन्य नियमों की तरह - कुछ प्रमुख शब्दों की समझ की आवश्यकता होती है।एक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जाअणुओं की एक पृथक प्रणाली की कुल गतिज ऊर्जा और संभावित ऊर्जा का एक उपाय है; सहज रूप से, यह केवल सिस्टम में निहित ऊर्जा की मात्रा को निर्धारित करता है।
थर्मोडायनामिक कार्य
के बदले में,तपिशयातापीय ऊर्जादो प्रणालियों के बीच थर्मोडायनामिक ऊर्जा हस्तांतरण है। जब दो थर्मोडायनामिक सिस्टम संपर्क में होते हैं (एक इन्सुलेटर द्वारा अलग नहीं होते हैं) और अलग-अलग तापमान पर होते हैं, तो गर्म शरीर से ठंडे शरीर की ओर गर्मी हस्तांतरण होता है। ये तीनों मात्राएँ ऊर्जा के रूप हैं, और इसलिए इन्हें जूल में मापा जाता है।
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम कहता है कि सिस्टम में जोड़ा गया ताप इसकी आंतरिक ऊर्जा में जोड़ता है, जबकि सिस्टम द्वारा किया गया कार्य आंतरिक ऊर्जा को कम करता है। प्रतीकों में, आप उपयोग करते हैंयूआंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन को दर्शाने के लिए,क्यूगर्मी हस्तांतरण के लिए खड़े होने के लिए औरवूसिस्टम द्वारा किए गए कार्य के लिए, और इसलिए ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम है:
यू = क्यू - डब्ल्यू
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम इसलिए प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा को ऊर्जा के दो रूपों से संबंधित करता है स्थानांतरण जो हो सकता है, और इस तरह के संरक्षण के कानून के एक बयान के रूप में इसे सबसे अच्छा माना जाता है ऊर्जा।
सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में कोई भी परिवर्तन या तो गर्मी हस्तांतरण या गर्मी हस्तांतरण के साथ किए गए कार्य से आता हैसेवा मेरेप्रणाली और कार्य किया गयापरआंतरिक ऊर्जा बढ़ाने वाली प्रणाली, और गर्मी हस्तांतरणसेप्रणाली और कार्य किया गयाद्वारा द्वारायह आंतरिक ऊर्जा को कम करता है। व्यंजक अपने आप में उपयोग करने और समझने में आसान है, लेकिन गर्मी हस्तांतरण और समीकरण में उपयोग करने के लिए किए गए कार्य के लिए मान्य व्यंजक खोजना कुछ मामलों में चुनौतीपूर्ण हो सकता है।
ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का उदाहरण of
हीट इंजन एक सामान्य प्रकार का थर्मोडायनामिक सिस्टम है जिसका उपयोग थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम की मूल बातें समझने के लिए किया जा सकता है। हीट इंजन अनिवार्य रूप से चार-चरणीय प्रक्रिया के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण को प्रयोग करने योग्य कार्य में परिवर्तित करते हैं जिसमें गैस के भंडार में गर्मी को जोड़ा जाता है अपने दबाव को बढ़ाने के लिए, इसके परिणामस्वरूप मात्रा में विस्तार होता है, दबाव कम हो जाता है क्योंकि गर्मी गैस से निकाली जाती है और अंत में गैस होती है संपीड़ित (यानी, मात्रा में कमी) क्योंकि उस पर काम किया जाता है ताकि इसे सिस्टम की मूल स्थिति में वापस लाया जा सके और प्रक्रिया शुरू हो सके फिर व।
इसी प्रणाली को अक्सर एक के रूप में आदर्श बनाया जाता हैकार्नोट चक्र, जिसमें सभी प्रक्रियाएं उत्क्रमणीय होती हैं और इज़ोटेर्मल (यानी, एक ही तापमान पर) विस्तार के एक चरण के साथ, एन्ट्रापी में कोई परिवर्तन नहीं होता है, ए रुद्धोष्म प्रसार का चरण (बिना ऊष्मा अंतरण के), समतापीय संपीडन का चरण और रुद्धोष्म संपीडन का चरण इसे मूल अवस्था में वापस लाने के लिए राज्य
इन दोनों प्रक्रियाओं (आदर्श कार्नोट चक्र और ऊष्मा इंजन चक्र) को आमतौर पर a. पर प्लॉट किया जाता हैपीवीआरेख (जिसे दबाव-मात्रा प्लॉट भी कहा जाता है), और ये दो मात्राएं आदर्श गैस कानून से संबंधित हैं, जिसमें कहा गया है:
पीवी = एनआरटी
कहा पेपी= दबाव,वी= मात्रा,नहीं= गैस के मोलों की संख्या,आर= सार्वत्रिक गैस नियतांक = 8.314 J mol−1 क−1 तथाटी= तापमान। ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के संयोजन में, इस कानून का उपयोग ऊष्मा इंजन चक्र के चरणों का वर्णन करने के लिए किया जा सकता है। एक और उपयोगी अभिव्यक्ति आंतरिक ऊर्जा देती हैयूएक आदर्श गैस के लिए:
यू = \frac{3}{2}nRT
हीट इंजन साइकिल
ऊष्मा इंजन चक्र का विश्लेषण करने का एक सरल तरीका यह है कि इस प्रक्रिया की कल्पना सीधे-किनारे वाले बॉक्स में की जा रही हैपीवीप्लॉट, प्रत्येक चरण के साथ या तो एक स्थिर दबाव (एक समदाब रेखीय प्रक्रिया) या एक स्थिर आयतन (एक समद्विबाहु प्रक्रिया) पर हो रहा है।
सबसे पहले, से शुरूवी1, गर्मी जोड़ दी जाती है और दबाव बढ़ जाता हैपी1 सेवा मेरेपी2, और चूँकि आयतन स्थिर रहता है, आप जानते हैं कि किया गया कार्य शून्य है। समस्या के इस चरण से निपटने के लिए, आप पहले और दूसरे राज्य के लिए आदर्श गैस कानून के दो संस्करण बनाते हैं (याद रखें किवीतथानहींस्थिर हैं):पी1वी1 = एनआरटी1 तथापी2वी1 = एनआरटी2, और फिर प्राप्त करने के लिए दूसरे से पहले को घटाएं:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
तापमान में परिवर्तन के लिए हल देता है:
(T_2 - T_1) = \frac{ V_1 (P_2 - P_1)}{nR}
यदि आप आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की तलाश करते हैं, तो आप इसे आंतरिक ऊर्जा के व्यंजक में सम्मिलित कर सकते हैंयूपाने के लिए:
\begin{aligned} U &= \frac{3}{2}nR∆T \\ \\ &=\frac{3}{2} nR \bigg(\frac{ V_1 (P_2 - P_1)}{nR }\bigg) \\ \\ &=\frac{3}{2} V_1 (P_2 -P_1) \end{aligned}
चक्र में दूसरे चरण के लिए, गैस का आयतन फैलता है (और इसलिए गैस काम करती है) और प्रक्रिया में अधिक गर्मी जोड़ दी जाती है (स्थिर तापमान बनाए रखने के लिए)। इस मामले में, कार्यवूगैस द्वारा किया गया केवल दबाव से गुणा मात्रा में परिवर्तन होता हैपी2, जो देता है:
डब्ल्यू = पी_2 (वी_2 -वी_1)
और तापमान में परिवर्तन पहले की तरह आदर्श गैस कानून के साथ पाया जाता है (रखने के अलावापी2 एक स्थिरांक के रूप में और यह याद रखना कि आयतन बदलता है), होना:
T_2 - T_1 = \frac{ P_2 (V_2 - V_1)}{nR}
यदि आप जोड़ी गई ऊष्मा की सही मात्रा का पता लगाना चाहते हैं, तो आप इसे खोजने के लिए निरंतर दबाव पर विशिष्ट ऊष्मा समीकरण का उपयोग कर सकते हैं। हालाँकि, आप इस बिंदु पर पहले की तरह सीधे सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा की गणना कर सकते हैं:
\begin{aligned} ∆U &= \frac{3}{2}nR∆T \\ \\ &=\frac{3}{2}nR\bigg(\frac{ P_2 (V_2 - V_1)}{nR }\bigg) \\ \\ &=\frac{3}{2} P_2 (V_2 - V_1) \end{aligned}
तीसरा चरण अनिवार्य रूप से पहले चरण के विपरीत है, इसलिए दबाव स्थिर मात्रा में कम हो जाता है (इस बारवी2), और गैस से गर्मी निकाली जाती है। आप आदर्श गैस कानून और सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा के समीकरण के आधार पर एक ही प्रक्रिया के माध्यम से काम कर सकते हैं:
∆U = -\frac{3}{2} V_2 (P_2 - P_1)
इस बार प्रमुख ऋण चिह्न पर ध्यान दें क्योंकि तापमान (और इसलिए ऊर्जा) में कमी आई है।
अंत में, अंतिम चरण में आयतन में कमी देखी जाती है क्योंकि गैस पर काम किया जाता है और गर्मी को a. में निकाला जाता है समदाब रेखीय प्रक्रिया, काम के लिए पिछली बार के समान अभिव्यक्ति का उत्पादन करती है, सिवाय एक अग्रणी के घटाव का चिन्ह:
डब्ल्यू = -P_1 (V_2 -V_1)
वही गणना आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन को इस प्रकार देती है:
∆U = -\frac{3}{2} P_1 (V_2 - V_1)
ऊष्मप्रवैगिकी के अन्य नियम
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम यकीनन भौतिक विज्ञानी के लिए सबसे व्यावहारिक रूप से उपयोगी है, लेकिन दूसरा तीन प्रमुख कानून एक संक्षिप्त उल्लेख के लायक भी हैं (हालांकि वे अन्य में अधिक विस्तार से शामिल हैं लेख)। ऊष्मप्रवैगिकी का शून्यवाँ नियम कहता है कि यदि प्रणाली A प्रणाली B के साथ तापीय संतुलन में है, और प्रणाली B प्रणाली C के साथ संतुलन में है, तो प्रणाली A प्रणाली C के साथ संतुलन में है।
ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम कहता है कि किसी भी बंद प्रणाली की एन्ट्रापी बढ़ने की प्रवृत्ति होती है।
अंत में, ऊष्मप्रवैगिकी के तीसरे नियम में कहा गया है कि तापमान के पूर्ण शून्य के करीब पहुंचने पर सिस्टम की एन्ट्रापी एक स्थिर मान तक पहुंच जाती है।