समदाब रेखीय प्रक्रियाएं: परिभाषा, सूत्र और उदाहरण

कई आदर्शीकृत थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं बताती हैं कि एक आदर्श गैस की अवस्थाओं में कैसे परिवर्तन हो सकता है। समदाब रेखीय प्रक्रिया इन्हीं में से एक है।

ऊष्मप्रवैगिकी तापीय ऊर्जा (ऊष्मा ऊर्जा) के हस्तांतरण के कारण प्रणालियों में होने वाले परिवर्तनों का अध्ययन है। किसी भी समय अलग-अलग तापमान के दो सिस्टम एक-दूसरे के संपर्क में होते हैं, गर्मी ऊर्जा गर्म सिस्टम से कूलर सिस्टम में स्थानांतरित हो जाएगी।

कई अलग-अलग चर प्रभावित करते हैं कि यह गर्मी हस्तांतरण कैसे होता है। शामिल सामग्रियों के आणविक गुण इस बात को प्रभावित करते हैं कि ऊष्मा ऊर्जा कितनी जल्दी और आसानी से एक प्रणाली से दूसरी प्रणाली में जाने में सक्षम है, क्योंकि उदाहरण, और विशिष्ट ऊष्मा क्षमता (एक इकाई द्रव्यमान को 1 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा) परिणामी अंतिम को प्रभावित करती है तापमान।

जब गैसों की बात आती है, तो कई और दिलचस्प घटनाएं घटित होती हैं, जब ऊष्मीय ऊर्जा स्थानांतरित होती है। गैसें महत्वपूर्ण रूप से विस्तार और अनुबंध करने में सक्षम हैं, और वे ऐसा कैसे करते हैं यह उस कंटेनर पर निर्भर करता है जिसमें वे सीमित हैं, सिस्टम का दबाव और तापमान। इसलिए, यह समझना कि गैसें कैसे काम करती हैं, ऊष्मागतिकी को समझने में महत्वपूर्ण है।

काइनेटिक सिद्धांत एक गैस मॉडलिंग का एक तरीका प्रदान करता है ताकि सांख्यिकीय यांत्रिकी को लागू किया जा सके, जिसके परिणामस्वरूप अंततः राज्य चर के एक सेट के माध्यम से एक प्रणाली को परिभाषित करने में सक्षम हो।

विचार करें कि गैस क्या है: अणुओं का एक समूह जो सभी एक दूसरे के चारों ओर स्वतंत्र रूप से घूमने में सक्षम हैं। गैस को समझने के लिए, इसके सबसे बुनियादी घटकों - अणुओं को देखना समझ में आता है। लेकिन आश्चर्य नहीं कि यह बहुत जल्दी बोझिल हो जाता है। उदाहरण के लिए हवा से भरे गिलास में अणुओं की विशाल संख्या की कल्पना करें। एक दूसरे के साथ कई कणों की बातचीत का ट्रैक रखने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली कंप्यूटर नहीं है।

इसके बजाय, गैस को सभी यादृच्छिक गति से गुजरने वाले कणों के संग्रह के रूप में मॉडलिंग करके, आप शुरू कर सकते हैं कणों के मूल माध्य वर्ग वेग के संदर्भ में समग्र चित्र को समझने के लिए, के लिए उदाहरण। प्रत्येक व्यक्तिगत कण से जुड़ी ऊर्जा की पहचान करने के बजाय अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा की बात करना शुरू करना सुविधाजनक हो जाता है।

ये मात्राएँ राज्य चर को परिभाषित करने की क्षमता की ओर ले जाती हैं, जो कि मात्राएँ हैं जो एक प्रणाली की स्थिति का वर्णन करती हैं। यहां जिन मुख्य अवस्थाओं की चर्चा की गई है, वे दबाव (बल प्रति इकाई क्षेत्र), आयतन (राशि .) होंगे अंतरिक्ष की गैस लेता है) और तापमान (जो औसत गतिज ऊर्जा प्रति. का एक उपाय है) अणु)। यह अध्ययन करके कि ये राज्य चर एक दूसरे से कैसे संबंधित हैं, आप मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं की समझ हासिल कर सकते हैं।

एक आदर्श गैस एक गैस है जिसमें निम्नलिखित धारणाएँ बनाई जाती हैं:

अणुओं को बिंदु कणों की तरह माना जा सकता है, कोई स्थान नहीं लेता है। (ऐसा होने के लिए, उच्च दबाव की अनुमति नहीं है, या अणु एक साथ इतने करीब हो जाएंगे कि उनके वॉल्यूम प्रासंगिक हो जाएंगे।)

अंतर-आणविक बल और परस्पर क्रिया नगण्य हैं। (ऐसा होने के लिए तापमान बहुत कम नहीं हो सकता। जब तापमान बहुत कम होता है, तो अंतर-आणविक बल अपेक्षाकृत बड़ी भूमिका निभाने लगते हैं।)

अणु एक दूसरे के साथ और कंटेनर की दीवारों के साथ पूरी तरह से लोचदार टकराव में बातचीत करते हैं। (यह गतिज ऊर्जा के संरक्षण की धारणा के लिए अनुमति देता है।)

जब ये धारणाएं बन जाती हैं, तो कुछ रिश्ते स्पष्ट हो जाते हैं। इनमें से आदर्श गैस नियम हैं, जिन्हें समीकरण के रूप में व्यक्त किया जाता है:

कहा पेपीदबाव है,वीमात्रा है,टीतापमान है,नहींमोल्स की संख्या है,नहींअणुओं की संख्या है,आरसार्वत्रिक गैस नियतांक है,कबोल्ट्जमान स्थिरांक है औरएनआर = एनके​.

आदर्श गैस कानून से निकटता से संबंधित है चार्ल्स का कानून, जो बताता है कि, निरंतर दबाव के लिए, मात्रा और तापमान सीधे आनुपातिक होते हैं, यावी/टी= स्थिर।

एक आइसोबैरिक प्रक्रिया एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया है जो निरंतर दबाव में होती है। इस क्षेत्र में, चार्ल्स का नियम लागू होता है क्योंकि दबाव स्थिर रहता है।

दबाव को स्थिर रखने पर होने वाली प्रक्रियाओं के प्रकार में आइसोबैरिक विस्तार शामिल है, जिसमें मात्रा तापमान कम होने पर बढ़ता है, और आइसोबैरिक संकुचन, जिसमें तापमान के दौरान मात्रा घट जाती है बढ़ती है।

यदि आपने कभी माइक्रोवेव भोजन पकाया है जिसके लिए आपको माइक्रोवेव में डालने से पहले प्लास्टिक में एक वेंट काटने की आवश्यकता होती है, यह आइसोबैरिक विस्तार के कारण होता है। माइक्रोवेव के अंदर, प्लास्टिक से ढके भोजन ट्रे के अंदर और बाहर का दबाव हमेशा समान होता है और हमेशा संतुलन में रहता है। लेकिन जैसे ही खाना पकता है और गर्म होता है, तापमान में वृद्धि के परिणामस्वरूप ट्रे के अंदर की हवा फैल जाती है। यदि कोई वेंट उपलब्ध नहीं है, तो प्लास्टिक उस बिंदु तक फैल सकता है जहां वह फट जाता है।

घर पर त्वरित समदाब रेखीय संपीड़न प्रयोग के लिए, अपने फ्रीजर में एक फुलाया हुआ गुब्बारा रखें। फिर, गुब्बारे के अंदर और बाहर दबाव हमेशा संतुलन में रहेगा। लेकिन जैसे ही गुब्बारे में हवा ठंडी होगी, परिणामस्वरूप यह सिकुड़ जाएगा।

यदि गैस किसी भी कंटेनर में है, विस्तार और अनुबंध करने के लिए स्वतंत्र है, और बाहरी दबाव स्थिर रहता है, तो कोई भी प्रक्रिया समदाब रेखीय होगी क्योंकि दाबों में कोई अंतर तब तक विस्तार या संकुचन का कारण बनेगा जब तक कि वह अंतर नहीं है हल किया।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम कहता है कि आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तनयूसिस्टम में जोड़ी गई ऊष्मीय ऊर्जा की मात्रा के बीच अंतर के बराबर हैक्यूऔर सिस्टम द्वारा किया गया शुद्ध कार्यवू. समीकरण रूप में, यह है:

याद रखें कि तापमान प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा था। कुल आंतरिक ऊर्जा तब सभी अणुओं की गतिज ऊर्जाओं का योग होती है (एक आदर्श गैस के साथ, संभावित ऊर्जा को नगण्य माना जाता है)। अतः निकाय की आंतरिक ऊर्जा तापमान के सीधे समानुपाती होती है। क्योंकि आदर्श गैस कानून दबाव और आयतन को तापमान से जोड़ता है, आंतरिक ऊर्जा भी दबाव और आयतन के उत्पाद के समानुपाती होती है।

अतः यदि निकाय में ऊष्मीय ऊर्जा को जोड़ा जाता है, तो तापमान में वृद्धि होती है जैसा कि आंतरिक ऊर्जा में होता है। यदि सिस्टम पर्यावरण पर काम करता है, तो ऊर्जा की मात्रा पर्यावरण को खो जाती है, और तापमान और आंतरिक ऊर्जा कम हो जाती है।

पीवी आरेख पर (दबाव बनाम दबाव का ग्राफ) आयतन), एक समदाब रेखीय प्रक्रिया एक क्षैतिज रेखा ग्राफ की तरह दिखती है। चूंकि थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के दौरान किए गए कार्य की मात्रा पीवी वक्र के नीचे के क्षेत्र के बराबर होती है, इसलिए एक आइसोबैरिक प्रक्रिया में किया गया कार्य सरल होता है:

ऊष्मा इंजन किसी प्रकार के पूर्ण चक्र के माध्यम से ऊष्मा ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। यह आमतौर पर काम करने के लिए और किसी बाहरी चीज़ को ऊर्जा प्रदान करने के लिए चक्र के दौरान किसी बिंदु पर विस्तार करने के लिए एक प्रणाली की आवश्यकता होती है।

एक उदाहरण पर विचार करें जिसमें एक Erlenmeyer फ्लास्क प्लास्टिक टयूबिंग के माध्यम से एक गिलास सिरिंज से जुड़ा हुआ है। इस प्रणाली के भीतर सीमित हवा की एक निश्चित मात्रा है। यदि सिरिंज का सवार स्लाइड करने के लिए स्वतंत्र है, एक जंगम पिस्टन के रूप में कार्य करता है, तो फ्लास्क को हीट बाथ (गर्म पानी का एक टब) में रखने से, हवा फैल जाएगी और काम करते हुए प्लंजर को उठा लेगी।

ऐसे ऊष्मा इंजन के चक्र को पूरा करने के लिए, फ्लास्क को ठंडे स्नान में रखना होगा ताकि सिरिंज फिर से अपनी प्रारंभिक अवस्था में लौट सके। आप एक द्रव्यमान उठाने के लिए प्लंजर का उपयोग करने के लिए एक अतिरिक्त कदम जोड़ सकते हैं या किसी अन्य प्रकार के यांत्रिक कार्य को कर सकते हैं क्योंकि यह चलता है।

अन्य लेखों में अधिक विस्तार से चर्चा की गई अन्य प्रक्रियाओं में शामिल हैं:

​इज़ोटेर्मालऐसी प्रक्रियाएँ जिनमें तापमान स्थिर रहता है। स्थिर तापमान पर, दबाव आयतन के व्युत्क्रमानुपाती होता है, और इज़ोटेर्मल संपीड़न के परिणामस्वरूप दबाव में वृद्धि होती है जबकि इज़ोटेर्मल विस्तार के परिणामस्वरूप दबाव में कमी आती है।

एक मेंआइसोकोरिकप्रक्रिया, गैस का आयतन स्थिर रखा जाता है (गैस रखने वाले कंटेनर को कठोर रखा जाता है और विस्तार या अनुबंध करने में असमर्थ होता है)। यहाँ दबाव तब तापमान के सीधे आनुपातिक होता है। सिस्टम पर या उसके द्वारा कोई काम नहीं किया जा सकता क्योंकि वॉल्यूम नहीं बदलता है।

एक मेंस्थिरोष्मप्रक्रिया, पर्यावरण के साथ कोई गर्मी का आदान-प्रदान नहीं होता है। ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के संदर्भ में, इसका अर्थ हैक्यू= 0, इसलिए आंतरिक ऊर्जा में कोई भी परिवर्तन सीधे सिस्टम पर या उसके द्वारा किए जा रहे कार्य के अनुरूप होता है।