ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम

प्रथमकानूनदेता हैऊष्मप्रवैगिकी का एक आवेदन है सिद्धांतदेता हैसंरक्षणदेता हैऊर्जा थर्मोडायनामिक सिस्टम के लिए। इस कानून के अनुसार, की भिन्नता आंतरिक ऊर्जा एक थर्मोडायनामिक प्रणाली की मात्रा के बीच का अंतर है तपिश प्रणाली द्वारा अवशोषित और इसके द्वारा किए गए कार्य।

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ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम क्या है?

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम ऊर्जा संरक्षण के सिद्धांत का प्रत्यक्ष परिणाम है। इस सिद्धांत के अनुसार, एक प्रणाली की कुल ऊर्जाहमेशा स्थिर रहता है, क्योंकि वह खोई नहीं है, बल्कि रूपांतरित हो गई है।

के दायरे में ऊष्मप्रवैगिकी, उपयोग किया जाता है अधिक विशिष्ट विचार और ऊर्जा संरक्षण के सिद्धांत में प्रयुक्त की तुलना में कम सामान्य। ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम में, हम अवधारणाओं का उपयोग करते हैं जैसे: ऊर्जाअंदर का,तपिश तथा काम क, जो के दायरे के लिए प्रासंगिक हैं relevant थर्मल मशीन (ऊष्मप्रवैगिकी के लिए मौलिक महत्व के तकनीकी अनुप्रयोग)।

भाप के इंजन ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुसार कार्य करते हैं।

एक भाप से चलने वाली मशीन की कल्पना करें, जब उस मशीन के कार्यशील द्रव (जल वाष्प) को बाहरी स्रोत से गर्मी प्राप्त होती है, तो दो ऊर्जा रूपांतरण संभव हैं: भाप का अपना हो सकता है

तापमान कुछ डिग्री की वृद्धि या, यहां तक ​​कि, यह कर सकते हैं विस्तार और उस मशीन के पिस्टन को स्थानांतरित करें, इस प्रकार एक निश्चित मात्रा का प्रदर्शन करें काम क।

"एक थर्मोडायनामिक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में भिन्नता इसके द्वारा अवशोषित गर्मी की मात्रा और इस प्रणाली द्वारा किए जाने वाले कार्य की मात्रा के बीच के अंतर से मेल खाती है।"

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ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का सूत्र

ऊष्मप्रवैगिकी के प्रथम नियम का गणितीय वर्णन करने के लिए प्रयुक्त सूत्र नीचे दिखाया गया है:

यू - आंतरिक ऊर्जा भिन्नता (कैलोरी या जे)

क्यू - गर्मी (चूना या जे)

τ - काम (चूना या जे)

इस सूत्र का उपयोग करने के लिए, हमें कुछ संकेत नियमों पर ध्यान देने की आवश्यकता है:

• यू - सिस्टम का तापमान बढ़ने पर सकारात्मक होगा;

• यू - यदि सिस्टम का तापमान घटता है तो ऋणात्मक होगा;

• क्यू - सकारात्मक होगा यदि सिस्टम बाहरी वातावरण से गर्मी को अवशोषित करता है;

• क्यू - यह नकारात्मक होगा, अगर सिस्टम बाहरी वातावरण को गर्मी देता है;

• τ – यह सकारात्मक होगा यदि बाहरी वातावरण पर काम करते हुए सिस्टम का विस्तार होता है;

• τ – यह नकारात्मक होगा यदि सिस्टम अनुबंध करता है, बाहरी वातावरण से काम प्राप्त करता है।

आंतरिक ऊर्जा भिन्नता

शब्द U किसके लिए जिम्मेदार ऊर्जा परिवर्तन को संदर्भित करता है गतिज ऊर्जा एक आदर्श गैस के मामले में, यह कहा जा सकता है कि सिस्टम के घटक कणों के लिए, यह कहा जा सकता है कि U किसके बराबर है:

नहीं न - मोल्स की संख्या (mol)

आर - आदर्श गैसों का सार्वत्रिक स्थिरांक (0.082 atm.l/mol. के या 8.31 जे/मोल। क)

टी - निरपेक्ष तापमान (केल्विन)

सूत्रों का विश्लेषण करते हुए, यह देखा जा सकता है कि, यदि सिस्टम में कोई तापमान परिवर्तन नहीं होता है, तो इसका आंतरिक ऊर्जा भी अपरिवर्तित रहेगा। इसके अलावा, यह कहना महत्वपूर्ण है कि थर्मल मशीनों के लिए, जो चक्रों में काम करती हैं, प्रत्येक चक्र के अंत में आंतरिक ऊर्जा की भिन्नता शून्य होनी चाहिए, क्योंकि उस बिंदु पर, इंजन प्रारंभिक तापमान के साथ काम करने के लिए वापस आ जाता है।

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तपिश

अगले पद पर चलते हुए, क्यू, जो सिस्टम में स्थानांतरित गर्मी की मात्रा को संदर्भित करता है, हम आमतौर पर उपयोग करते हैं कैलोरीमेट्री का मौलिक समीकरण, नीचे दिखाया गया है:

क्यू -गर्मी (चूना या जे)

म - द्रव्यमान (जी या किग्रा)

सी - विशिष्ट ऊष्मा (cal/gºC या J/kg. क)

टी - तापमान भिन्नता (सेल्सियस या केल्विन)

काम

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम से संबंधित मात्राओं में से अंतिम कार्य (τ) है, जिसमें a. है केवल निरंतर दबाव में होने वाले परिवर्तनों के लिए विश्लेषणात्मक सूत्र, जिसे भी जाना जाता है पसंद समदाब रेखीय परिवर्तन, घड़ी:

पी - दबाव (पीए या एटीएम)

वी - मात्रा भिन्नता (एम³ या एल)

जब सिस्टम पर लगाया गया दबाव स्थिर नहीं होता है, तो कार्य की गणना दबाव बनाम आयतन (P x V) के ग्राफ के क्षेत्र द्वारा की जा सकती है। इस अदिश परिमाण के बारे में अधिक जानने के लिए, यहाँ जाएँ: काम क.

हल किए गए अभ्यास

प्रश्न 1)(सीफेटएमजी) एक बंद थर्मल चक्र में किया गया कार्य 100 जे के बराबर है, और थर्मल एक्सचेंजों में शामिल गर्मी क्रमशः 1000 जे और 900 जे के बराबर है, गर्म और ठंडे स्रोतों के साथ।

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम से, इस ऊष्मीय चक्र में आंतरिक ऊर्जा की भिन्नता, जूल में, है

ए) 0

बी) 100

सी) 800

घ) 900

ई) 1000

संकल्प

वैकल्पिक ए.

आइए ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का उपयोग करके अभ्यास को हल करें, ध्यान दें:

कथन के अनुसार, हमें एक बंद थर्मोडायनामिक चक्र में आंतरिक ऊर्जा की भिन्नता की गणना करने के लिए कहा जाता है, जिस स्थिति में हम जानते हैं कि आंतरिक ऊर्जा भिन्नता शून्य होनी चाहिए, क्योंकि मशीन उसी तापमान पर काम करने के लिए वापस आ जाएगी जैसा कि चक्र की शुरुआत में था।

प्रश्न 2)(ऊपर) एक आदर्श गैस का एक नमूना एक समदाब रेखीय और रुद्धोष्म परिवर्तन के दौरान इसकी मात्रा को दोगुना करके फैलता है। यह देखते हुए कि गैस द्वारा अनुभव किया गया दबाव है 5.10⁶ पा और इसका प्रारंभिक आयतन 2.10^-5 मी, हम कह सकते हैं:

क) प्रक्रिया के दौरान गैस द्वारा अवशोषित ऊष्मा 25 कैलोरी होती है।

b) गैस द्वारा अपने विस्तार के दौरान किया गया कार्य 100 cal है।

ग) गैस की आंतरिक ऊर्जा भिन्नता -100 J है।

d) गैस का तापमान स्थिर रहता है।

ई) उपरोक्त में से कोई नहीं।

संकल्प

वैकल्पिक सी.

अभ्यास कथन द्वारा प्रदान की गई जानकारी का उपयोग करते हुए, हम सही विकल्प खोजने के लिए ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का उपयोग करेंगे:

की गई गणना हमें यह निष्कर्ष निकालने की अनुमति देती है कि, इस परिवर्तन के दौरान, गैस आंतरिक ऊर्जा के 100 J को "खो" देती है।

प्रश्न 3)(क्या बात है) रसोई के कनस्तर में उच्च दाब वाली गैस होती है। जब हम इस सिलेंडर को खोलते हैं, तो हम देखते हैं कि गैस जल्दी से वायुमंडल में चली जाती है। चूंकि यह प्रक्रिया बहुत तेज है, हम इसे रुद्धोष्म प्रक्रिया मान सकते हैं।

यह मानते हुए कि ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम U = Q - W द्वारा दिया गया है, जहाँ U ऊर्जा में परिवर्तन है गैस के अंदर, Q ऊष्मा के रूप में स्थानांतरित ऊर्जा है और W गैस द्वारा किया गया कार्य है, यह सही है बताएं कि:

a) गैस का दबाव बढ़ा और तापमान में कमी आई।

b) गैस द्वारा किया गया कार्य धनात्मक था और गैस का तापमान नहीं बदला।

ग) गैस द्वारा किया गया कार्य धनात्मक था और गैस का तापमान कम हो गया।

d) गैस का दबाव बढ़ा और प्रदर्शन किया गया कार्य नकारात्मक था।

संकल्प

वैकल्पिक सी.

एक बार जब गैस की मात्रा फैल जाती है, तो हम कहते हैं कि किया गया कार्य सकारात्मक था, अर्थात गैस ने स्वयं बाहरी वातावरण पर कार्य किया। इसके अलावा, चूंकि प्रक्रिया बहुत जल्दी होती है, इसलिए गैस के लिए परिवेश के साथ गर्मी का आदान-प्रदान करने का समय नहीं होता है, इसलिए निम्नलिखित होता है:

गणना के अनुसार, गैस की आंतरिक ऊर्जा किए गए कार्य के बराबर मात्रा से घट जाती है। गैस द्वारा, इसके अलावा, चूंकि गैस की आंतरिक ऊर्जा में कमी होती है, इसलिए इसमें भी कमी होती है तापमान।

प्रश्न 4)(उडेस्क) एक भौतिकी प्रयोगशाला में, एक गैस के साथ प्रयोग किए जाते हैं, जिसे थर्मोडायनामिक विश्लेषण उद्देश्यों के लिए एक आदर्श गैस माना जा सकता है। एक प्रयोग के विश्लेषण से, जिसमें गैस को थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के अधीन किया गया था, यह निष्कर्ष निकाला गया था कि गैस को आपूर्ति की जाने वाली सभी गर्मी काम में परिवर्तित हो गई थी।

उस विकल्प का चयन करें जो दर्शाता है सही ढंग से प्रयोग में की गई थर्मोडायनामिक प्रक्रिया।

ए) आइसोवॉल्यूमेट्रिक प्रक्रिया

बी) इज़ोटेर्मल प्रक्रिया

ग) समदाब रेखीय प्रक्रिया

डी) रुद्धोष्म प्रक्रिया

ई) समग्र प्रक्रिया: आइसोबैरिक और आइसोवोल्यूमेट्रिक

संकल्प

वैकल्पिक बी.

गैस को आपूर्ति की गई सभी ऊष्मा को कार्य में परिवर्तित करने के लिए, आंतरिक ऊर्जा का अवशोषण नहीं होना चाहिए यह, दूसरे शब्दों में, गैस को एक समतापीय प्रक्रिया से गुजरना पड़ता है, अर्थात एक प्रक्रिया जो तापमान पर होती है लगातार।

राफेल हेलरब्रॉक द्वारा
भौतिक विज्ञान के अध्यापक