थर्मोडायनामिक्स: कानून, अवधारणाएं, सूत्र और अभ्यास

थर्मोडायनामिक्स भौतिकी का एक क्षेत्र है जो ऊर्जा हस्तांतरण का अध्ययन करता है। यह ऊष्मा, ऊर्जा और कार्य के बीच संबंधों को समझने का प्रयास करता है, आदान-प्रदान की गई ऊष्मा की मात्रा और भौतिक प्रक्रिया में किए गए कार्य का विश्लेषण करता है।

थर्मोडायनामिक विज्ञान शुरू में उन शोधकर्ताओं द्वारा विकसित किया गया था जो औद्योगिक क्रांति की अवधि में मशीनों को बेहतर बनाने के तरीके की तलाश में थे, जिससे उनकी दक्षता में सुधार हुआ।

यह ज्ञान वर्तमान में हमारे दैनिक जीवन की विभिन्न स्थितियों में लागू होता है। उदाहरण के लिए: थर्मल मशीन और रेफ्रिजरेटर, कार इंजन और खनिज और पेट्रोलियम उत्पादों को बदलने की प्रक्रिया।

ऊष्मप्रवैगिकी के नियम

ऊष्मप्रवैगिकी के मूलभूत नियम यह नियंत्रित करते हैं कि गर्मी कैसे काम करती है और इसके विपरीत।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम से संबंधित है ऊर्जा संरक्षण का सिद्धांत. इसका मतलब है कि एक प्रणाली में ऊर्जा को नष्ट या निर्मित नहीं किया जा सकता है, केवल रूपांतरित किया जा सकता है।

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का प्रतिनिधित्व करने वाला सूत्र इस प्रकार है:

ऊष्मा की मात्रा, कार्य और आंतरिक ऊर्जा की भिन्नता में माप की मानक इकाई जूल (J) होती है।

ऊर्जा संरक्षण का एक व्यावहारिक उदाहरण यह है कि जब कोई व्यक्ति किसी हवा को फुलाने के लिए पंप का उपयोग करता है, तो वह वस्तु में हवा को पंप करने के लिए बल का उपयोग कर रहा होता है। इसका मतलब है कि गतिज ऊर्जा पिस्टन को नीचे ले जाती है। हालांकि, इस ऊर्जा का एक हिस्सा गर्मी में बदल जाता है, जो पर्यावरण में खो जाता है।

हेस का कानून ऊर्जा संरक्षण के सिद्धांत का एक विशेष मामला है। अधिक जानते हैं!

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम

पर गर्मी हस्तांतरण वे हमेशा सबसे गर्म शरीर से सबसे ठंडे शरीर में होते हैं, यह अनायास होता है, लेकिन इसके विपरीत नहीं। कहने का तात्पर्य यह है कि तापीय ऊर्जा हस्तांतरण प्रक्रियाएं अपरिवर्तनीय हैं।

इस प्रकार, द्वारा ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम, ऊष्मा का पूरी तरह से ऊर्जा के दूसरे रूप में परिवर्तित होना संभव नहीं है। इस कारण से, ऊष्मा को ऊर्जा का अवक्रमित रूप माना जाता है।

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का उदाहरण

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम से संबंधित भौतिक मात्रा है एन्ट्रापी, जो एक प्रणाली के विकार की डिग्री से मेल खाती है।

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ऊष्मप्रवैगिकी का शून्य नियम

ऊष्मप्रवैगिकी का शून्य नियम प्राप्त करने के लिए शर्तों से संबंधित है थर्मल बैलेंस. इन स्थितियों में हम उन सामग्रियों के प्रभाव का उल्लेख कर सकते हैं जो तापीय चालकता को उच्च या निम्न बनाते हैं।

इस कानून के अनुसार,

1. यदि कोई पिंड A, किसी पिंड B के संपर्क में ऊष्मीय संतुलन में है और
2. यदि यह पिंड A, पिंड C के संपर्क में ऊष्मीय संतुलन में है, तो
3. B, C के संपर्क में तापीय संतुलन में है।

जब अलग-अलग तापमान वाले दो निकायों को संपर्क में लाया जाता है, तो जो गर्म होता है वह गर्मी को कूलर में स्थानांतरित कर देगा। इसके कारण तापमान बराबर हो जाता है थर्मल बैलेंस.

इसे शून्य नियम इसलिए कहा जाता है क्योंकि इसकी समझ पहले दो कानूनों के लिए आवश्यक साबित हुई, जो पहले से मौजूद थे, थर्मोडायनामिक्स के पहले और दूसरे नियम।

ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम

ऊष्मप्रवैगिकी का तीसरा नियम यह एक निरपेक्ष संदर्भ बिंदु स्थापित करने के प्रयास के रूप में प्रकट होता है जो एन्ट्रापी को निर्धारित करता है। एन्ट्रॉपी वास्तव में ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का आधार है।

इसे प्रस्तावित करने वाले भौतिक विज्ञानी वाल्थर नर्नस्ट ने निष्कर्ष निकाला कि शून्य के तापमान वाले शुद्ध पदार्थ के लिए शून्य के अनुमानित मूल्य पर एन्ट्रापी होना संभव नहीं था।

इस कारण से, यह एक विवादास्पद कानून है, जिसे कई भौतिकविदों द्वारा एक नियम के रूप में माना जाता है, न कि एक कानून के रूप में।

थर्मोडायनामिक सिस्टम

एक थर्मोडायनामिक प्रणाली में एक या कई निकाय हो सकते हैं जो संबंधित हैं। इसके चारों ओर का वातावरण और ब्रह्मांड प्रणाली के बाहरी वातावरण का प्रतिनिधित्व करते हैं। सिस्टम को इस प्रकार परिभाषित किया जा सकता है: खुला, बंद या पृथक।

थर्मोडायनामिक सिस्टम

जब सिस्टम खोला जाता है, तो सिस्टम और बाहरी वातावरण के बीच द्रव्यमान और ऊर्जा का स्थानांतरण होता है। बंद प्रणाली में केवल ऊर्जा हस्तांतरण (ऊष्मा) होता है, और जब इसे अलग किया जाता है तो कोई विनिमय नहीं होता है।

गैसों का व्यवहार

गैसों के सूक्ष्म व्यवहार को अन्य भौतिक अवस्थाओं (तरल और ठोस) की तुलना में अधिक आसानी से वर्णित और व्याख्या किया जाता है। इसलिए इन अध्ययनों में गैसों का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है।

उष्मागतिकी अध्ययनों में आदर्श या उत्तम गैसों का प्रयोग किया जाता है। यह एक ऐसा मॉडल है जिसमें कण अव्यवस्थित रूप से चलते हैं और केवल टकराव में ही परस्पर क्रिया करते हैं। इसके अलावा, यह माना जाता है कि कणों के बीच और उनके और कंटेनर की दीवारों के बीच ये टकराव लोचदार होते हैं और बहुत कम समय तक चलते हैं।

एक बंद प्रणाली में, आदर्श गैस एक ऐसा व्यवहार ग्रहण करती है जिसमें निम्नलिखित भौतिक मात्राएँ शामिल होती हैं: दबाव, आयतन और तापमान। ये चर गैस की थर्मोडायनामिक अवस्था को परिभाषित करते हैं।

गैस नियमों के अनुसार गैसों का व्यवहार

दबाव (पी) कंटेनर के अंदर गैस कणों की गति से उत्पन्न होता है। कंटेनर के अंदर गैस द्वारा घेरा गया स्थान आयतन (v) है। और तापमान (t) गतिमान गैस कणों की औसत गतिज ऊर्जा से संबंधित है।

यह भी पढ़ें गैस कानून तथा गैसों का अध्ययन.

आंतरिक ऊर्जा

एक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा एक भौतिक मात्रा है जो यह मापने में मदद करती है कि गैस में होने वाले परिवर्तन कैसे होते हैं। यह परिमाण कणों के तापमान और गतिज ऊर्जा में भिन्नता से संबंधित है।

केवल एक प्रकार के परमाणु से बनी एक आदर्श गैस में आंतरिक ऊर्जा गैस के तापमान के सीधे आनुपातिक होती है। यह निम्नलिखित सूत्र द्वारा दर्शाया गया है:

ऊष्मप्रवैगिकी पर हल किए गए अभ्यास

प्रश्न 1

जंगम पिस्टन वाले सिलेंडर में 4.0.10. के दबाव पर एक गैस होती है⁴एन / एम². जब सिस्टम को 6 kJ ऊष्मा की आपूर्ति की जाती है, तो स्थिर दबाव पर, गैस की मात्रा 1.0.10. तक फैल जाती है^-1म³. इस स्थिति में किए गए कार्य और आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का निर्धारण करें।

उत्तर देखो

सही उत्तर: किया गया कार्य 4000 J है और आंतरिक ऊर्जा परिवर्तन 2000 J है।

डेटा:

पी = 4,0.10⁴ एन / एम²
क्यू = 6KJ या 6000J
वी = 1,0.10^-1 म³
टी =? यू = ?

पहला चरण: समस्या डेटा के साथ कार्य की गणना करें।

टी = पी। वी
टी = 4.0.10⁴. 1,0.10^-1
टी = 4000 जे

दूसरा चरण: नए डेटा के साथ आंतरिक ऊर्जा की भिन्नता की गणना करें।

क्यू = टी + यू
यू = क्यू - टी

यू = 6000 - 4000
यू = 2000J

इसलिए, किया गया कार्य 4000 J है और आंतरिक ऊर्जा परिवर्तन 2000 J है।

प्रश्न 2

(ईएनईएम 2011 से अनुकूलित) एक मोटर केवल तभी काम कर सकती है जब उसे किसी अन्य सिस्टम से ऊर्जा की मात्रा प्राप्त हो। इस मामले में, ईंधन में संग्रहीत ऊर्जा, आंशिक रूप से, दहन के दौरान जारी की जाती है ताकि उपकरण कार्य कर सके। जब इंजन चलता है, तो दहन में परिवर्तित या परिवर्तित कुछ ऊर्जा का उपयोग काम करने के लिए नहीं किया जा सकता है। इसका मतलब है कि ऊर्जा का रिसाव दूसरे रूप में होता है।

पाठ के अनुसार, इंजन के संचालन के दौरान होने वाले ऊर्जा परिवर्तन निम्न के कारण होते हैं:

a) इंजन के अंदर गर्मी छोड़ना असंभव है।
बी) इंजन द्वारा किया गया कार्य बेकाबू है।
ग) उष्मा का कार्य में पूर्ण रूपांतरण असंभव है।
d) तापीय ऊर्जा का गतिकी में परिवर्तन असंभव है।
ई) ईंधन का संभावित ऊर्जा उपयोग अनियंत्रित है।

उत्तर देखो

सही विकल्प: ग) ऊष्मा का कार्य में पूर्ण परिवर्तन असंभव है।

जैसा कि पहले देखा गया है, गर्मी को पूरी तरह से काम में नहीं बदला जा सकता है। मोटर संचालन के दौरान, तापीय ऊर्जा का कुछ हिस्सा खो जाता है, बाहरी वातावरण में स्थानांतरित हो जाता है।

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