ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम इस प्रकार लिखा जाता है ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम। आंतरिक ऊर्जा, गर्मी। विस्तार के दौरान गैस का कार्य। समस्या समाधान के उदाहरण

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम ऊष्मप्रवैगिकी के तीन बुनियादी कानूनों में से एक है, जो उन प्रणालियों के लिए ऊर्जा के संरक्षण का कानून है जिनमें थर्मल प्रक्रियाएं आवश्यक हैं।

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के अनुसार, एक थर्मोडायनामिक प्रणाली (उदाहरण के लिए, एक ऊष्मा इंजन में भाप) अपनी आंतरिक ऊर्जा या किसी बाहरी ऊर्जा स्रोत के कारण ही काम कर सकती है।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम पहली तरह की एक सतत गति मशीन के अस्तित्व की असंभवता की व्याख्या करता है, जो किसी भी स्रोत से ऊर्जा खींचे बिना काम करेगी।

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का सार इस प्रकार है:

जब एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा Q को थर्मोडायनामिक सिस्टम में संचारित किया जाता है, तो सामान्य स्थिति में, सिस्टम DU की आंतरिक ऊर्जा बदल जाती है और सिस्टम कार्य A करता है:

समीकरण (4), ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम को व्यक्त करते हुए, सिस्टम (DU) की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की परिभाषा है, क्योंकि Q और A स्वतंत्र रूप से मापने योग्य मात्रा हैं।

सिस्टम यू की आंतरिक ऊर्जा, विशेष रूप से, एडियाबेटिक प्रक्रिया में सिस्टम के काम को मापने के द्वारा पाई जा सकती है (अर्थात, क्यू \u003d 0 पर): और नरक \u003d - डीयू, जो यू को कुछ योज्य तक निर्धारित करता है निरंतर यू 0:

यू = यू + यू 0 (5)

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम में कहा गया है कि यू सिस्टम की स्थिति का एक कार्य है, अर्थात, थर्मोडायनामिक सिस्टम के प्रत्येक राज्य को यू के एक निश्चित मूल्य की विशेषता है, भले ही सिस्टम को इस स्थिति में कैसे लाया जाए (जबकि मान क्यू और ए की प्रक्रिया उस प्रक्रिया पर निर्भर करती है जिसके कारण परिवर्तन प्रणाली की स्थिति हुई)। भौतिक प्रणालियों के थर्मोडायनामिक गुणों का अध्ययन करते समय, ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम आमतौर पर ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के संयोजन में उपयोग किया जाता है।

3. ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम वह नियम है जिसके अनुसार परिमित दर पर चलने वाली मैक्रोस्कोपिक प्रक्रियाएं अपरिवर्तनीय हैं।

आदर्श (दोषरहित) यांत्रिक या इलेक्ट्रोडायनामिक प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के विपरीत, एक सीमित तापमान अंतर (यानी, एक सीमित गति से बहने) पर गर्मी हस्तांतरण से जुड़ी वास्तविक प्रक्रियाएं विभिन्न नुकसानों के साथ होती हैं: घर्षण, गैस प्रसार, शून्य में गैसों का विस्तार, रिलीज जूल गर्मी, आदि।

इसलिए, ये प्रक्रियाएं अपरिवर्तनीय हैं, अर्थात वे केवल एक ही दिशा में अनायास आगे बढ़ सकती हैं।

ऊष्मा इंजन के संचालन के विश्लेषण में ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम ऐतिहासिक रूप से उत्पन्न हुआ।

"थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम" और इसका पहला फॉर्मूलेशन (1850) आर क्लॉसियस से संबंधित है: "... एक प्रक्रिया असंभव है जिसमें गर्मी ठंडे निकायों से गर्म निकायों में स्वचालित रूप से स्थानांतरित हो जाती है।"

इसके अलावा, इस तरह की प्रक्रिया सिद्धांत रूप में असंभव है: न तो ठंडे निकायों से गर्मी के सीधे हस्तांतरण से, न ही किसी अन्य प्रक्रिया के उपयोग के बिना किसी भी उपकरण के माध्यम से।

1851 में, अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी डब्ल्यू। थॉमसन ने थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम का एक अलग सूत्रीकरण दिया: "प्रक्रियाएं प्रकृति में असंभव हैं, जिसका एकमात्र परिणाम थर्मल जलाशय को ठंडा करके उत्पादित भार को उठाना होगा।"

जैसा कि आप देख सकते हैं, ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के उपरोक्त दोनों सूत्र लगभग समान हैं।

इसका तात्पर्य दूसरे प्रकार के इंजन को लागू करने की असंभवता है, अर्थात। घर्षण और अन्य संबंधित नुकसानों के कारण ऊर्जा हानि के बिना इंजन।

इसके अलावा, यह इस प्रकार है कि खुली प्रणालियों में भौतिक दुनिया में होने वाली सभी वास्तविक प्रक्रियाएं अपरिवर्तनीय हैं।

आधुनिक ऊष्मप्रवैगिकी में, पृथक प्रणालियों के ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम को सिस्टम की स्थिति के एक विशेष कार्य में वृद्धि के कानून के रूप में एकल और सबसे सामान्य तरीके से तैयार किया जाता है, जिसे क्लॉसियस ने एन्ट्रॉपी (एस) कहा।

एन्ट्रापी का भौतिक अर्थ यह है कि उस स्थिति में जब भौतिक प्रणाली पूर्ण थर्मोडायनामिक संतुलन में होती है, इस प्रणाली को बनाने वाले प्राथमिक कण अनियंत्रित अवस्था में होते हैं और विभिन्न यादृच्छिक अराजक गति करते हैं। सिद्धांत रूप में, कोई इन संभावित राज्यों की कुल संख्या निर्धारित कर सकता है। इन राज्यों की कुल संख्या को दर्शाने वाला पैरामीटर एन्ट्रापी है।

आइए इसे एक साधारण उदाहरण से देखें।

मान लें कि एक पृथक प्रणाली में दो निकाय "1" और "2" अलग-अलग तापमान T 1 >T 2 के साथ होते हैं। शरीर "1" एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा Q देता है, और शरीर "2" इसे प्राप्त करता है। इस मामले में, शरीर "1" से शरीर "2" में गर्मी का प्रवाह होता है। जैसे ही तापमान बराबर होता है, "1" और "2" निकायों के प्राथमिक कणों की कुल संख्या, जो थर्मल संतुलन में हैं, बढ़ जाती है। जैसे-जैसे कणों की संख्या बढ़ती है, वैसे-वैसे एन्ट्रापी भी बढ़ती जाती है। और जैसे ही "1" और "2" निकायों का पूर्ण तापीय संतुलन आता है, एन्ट्रापी अपने अधिकतम मूल्य तक पहुंच जाएगी।

इस प्रकार, एक बंद प्रणाली में, एन्ट्रापी S या तो बढ़ जाती है या किसी वास्तविक प्रक्रिया के लिए अपरिवर्तित रहती है, अर्थात एन्ट्रापी dS ³ 0 में परिवर्तन। इस सूत्र में समान चिह्न केवल उत्क्रमणीय प्रक्रियाओं के लिए होता है। संतुलन की स्थिति में, जब एक बंद प्रणाली की एन्ट्रापी अपने अधिकतम तक पहुंच जाती है, तो ऐसी प्रणाली में थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के अनुसार, कोई भी मैक्रोस्कोपिक प्रक्रिया संभव नहीं है।

यह इस प्रकार है कि एन्ट्रापी एक भौतिक मात्रा है जो मात्रात्मक रूप से एक प्रणाली की आणविक संरचना की विशेषताओं को दर्शाती है, जिस पर इसमें ऊर्जा परिवर्तन निर्भर करता है।

प्रणाली की आणविक संरचना के साथ एन्ट्रापी के संबंध को सबसे पहले एल. बोल्ट्जमैन ने 1887 में समझाया था। उन्होंने एन्ट्रापी (सूत्र 1.6) का सांख्यिकीय अर्थ स्थापित किया। बोल्ट्जमैन के अनुसार (उच्च क्रम की अपेक्षाकृत कम संभावना होती है)

जहां k बोल्ट्जमान स्थिरांक है, P सांख्यिकीय भार है।

कश्मीर = 1.37 10-23 जम्मू/कश्मीर।

सांख्यिकीय वजन पी मैक्रोस्कोपिक सिस्टम के तत्वों के संभावित सूक्ष्म राज्यों की संख्या के लिए आनुपातिक है (उदाहरण के लिए, गैस अणुओं के निर्देशांक और गति के विभिन्न वितरण ऊर्जा, दबाव और गैस के अन्य थर्मोडायनामिक पैरामीटर के एक निश्चित मूल्य के अनुरूप होते हैं। ), यानी, यह एक मैक्रोस्टेट के सूक्ष्म विवरण के बीच एक संभावित विसंगति की विशेषता है।

एक पृथक प्रणाली के लिए, किसी दिए गए मैक्रोस्टेट की थर्मोडायनामिक संभावना डब्ल्यू इसके सांख्यिकीय वजन के समानुपाती होती है और सिस्टम की एन्ट्रॉपी द्वारा निर्धारित की जाती है:

डब्ल्यू = क्स्प (एस / के)। (7)

इस प्रकार, एन्ट्रापी वृद्धि के नियम में एक सांख्यिकीय रूप से संभाव्य प्रकृति है और एक अधिक संभावित स्थिति में संक्रमण के लिए प्रणाली की निरंतर प्रवृत्ति को व्यक्त करता है। इससे यह पता चलता है कि प्रणाली के लिए प्राप्त होने वाली सबसे संभावित स्थिति वह है जिसमें सिस्टम में एक साथ होने वाली घटनाओं को सांख्यिकीय रूप से पारस्परिक रूप से मुआवजा दिया जाता है।

मैक्रोसिस्टम की अधिकतम संभावित स्थिति संतुलन की स्थिति है, जो सिद्धांत रूप में, पर्याप्त लंबी अवधि में पहुंच सकती है।

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, एन्ट्रापी एक योगात्मक मात्रा है, अर्थात यह प्रणाली में कणों की संख्या के समानुपाती होती है। इसलिए, बड़ी संख्या में कणों वाले सिस्टम के लिए, प्रति कण एन्ट्रापी में सबसे छोटा सापेक्ष परिवर्तन भी इसके निरपेक्ष मान को महत्वपूर्ण रूप से बदल देता है; एन्ट्रापी में परिवर्तन, जो समीकरण (7) में घातांक में है, किसी दिए गए मैक्रोस्टेट डब्ल्यू की संभावना में बड़ी संख्या में बदलाव की ओर जाता है।

यही कारण है कि बड़ी संख्या में कणों वाली प्रणाली के लिए, थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम के परिणाम व्यावहारिक रूप से संभाव्य नहीं हैं, लेकिन विश्वसनीय हैं। अत्यंत असंभाव्य प्रक्रियाओं, एन्ट्रापी में किसी भी उल्लेखनीय कमी के साथ, इतने बड़े प्रतीक्षा समय की आवश्यकता होती है कि उनका कार्यान्वयन व्यावहारिक रूप से असंभव है। साथ ही, सिस्टम के छोटे हिस्से में कणों की एक छोटी संख्या होती है जो निरंतर उतार-चढ़ाव का अनुभव करती है, साथ ही एन्ट्रॉपी में केवल एक छोटा पूर्ण परिवर्तन होता है। इन उतार-चढ़ावों की आवृत्ति और आकार के औसत मूल्य सांख्यिकीय थर्मोडायनामिक्स के परिणाम के रूप में विश्वसनीय हैं, जैसा कि थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम है।

पूरे ब्रह्मांड में थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियम का शाब्दिक अनुप्रयोग, जिसने क्लॉसियस को "ब्रह्मांड की थर्मल मौत" की अनिवार्यता के बारे में गलत निष्कर्ष पर पहुंचा दिया, अवैध है, क्योंकि सिद्धांत रूप में बिल्कुल पृथक सिस्टम प्रकृति में मौजूद नहीं हो सकते हैं। जैसा कि नीचे दिखाया जाएगा, गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी के खंड में, खुली प्रणालियों में होने वाली प्रक्रियाएं अन्य कानूनों का पालन करती हैं और अन्य गुण रखती हैं।

आंतरिक ऊर्जा मुख्य रूप से दो अलग-अलग प्रक्रियाओं के कारण बदल सकती है: शरीर पर कार्य ए करना और इसे गर्मी की मात्रा प्रदान करना क्यू। कार्य का प्रदर्शन सिस्टम पर अभिनय करने वाले बाहरी निकायों के आंदोलन के साथ होता है। इसलिए, उदाहरण के लिए, जब गैस के साथ एक बर्तन को बंद करने वाले पिस्टन को अंदर धकेला जाता है, तो पिस्टन, गतिमान, गैस पर L काम करता है।तीसरे नियम के अनुसार। न्यूटन की गैस पिस्टन पर कार्य करती है

गैस के लिए ऊष्मा का संचार बाहरी निकायों की गति से जुड़ा नहीं है और इसलिए, गैस पर मैक्रोस्कोपिक कार्य के प्रदर्शन से जुड़ा नहीं है (अर्थात, शरीर को बनाने वाले अणुओं के पूरे सेट से संबंधित) कार्य . इस मामले में, आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन इस तथ्य के कारण होता है कि अधिक गर्म शरीर के अलग-अलग अणु एक शरीर के अलग-अलग अणुओं पर काम करते हैं जो कम गर्म होते हैं। ऊर्जा का स्थानांतरण भी विकिरण के माध्यम से होता है। सूक्ष्मदर्शी की समग्रता (अर्थात, पूरे शरीर को नहीं, बल्कि उसके व्यक्तिगत अणुओं पर कब्जा करना) शरीर से शरीर में ऊर्जा के हस्तांतरण की प्रक्रिया को गर्मी हस्तांतरण कहा जाता है।

जिस प्रकार एक पिंड से दूसरे पिंड में स्थानांतरित ऊर्जा की मात्रा का निर्धारण पिंडों द्वारा एक दूसरे पर किए गए कार्य ए द्वारा किया जाता है, उसी प्रकार एक पिंड द्वारा एक पिंड से दूसरे पिंड में स्थानांतरित ऊर्जा की मात्रा को एक पिंड द्वारा दी गई गर्मी क्यू की मात्रा से निर्धारित किया जाता है। एक और। इस प्रकार, सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि सिस्टम ए पर किए गए कार्य के योग और सिस्टम को दी गई गर्मी की मात्रा के बराबर होनी चाहिए।

सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा के प्रारंभिक और अंतिम मूल्य यहां दिए गए हैं। आमतौर पर, सिस्टम पर बाहरी निकायों द्वारा किए गए कार्य ए के बजाय, बाहरी निकायों पर सिस्टम द्वारा किए गए कार्य ए (बराबर -ए) पर विचार किया जाता है। A के स्थान पर -A और Q के लिए समीकरण (83.1) को हल करने पर, हम प्राप्त करते हैं:

समीकरण (83.2) ऊर्जा के संरक्षण के नियम को व्यक्त करता है और ऊष्मागतिकी के पहले नियम (शुरुआत) की सामग्री है। इसे शब्दों में इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है: सिस्टम को संचारित गर्मी की मात्रा सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने और सिस्टम द्वारा बाहरी निकायों पर काम करने के लिए जाती है।

पूर्वगामी का यह बिल्कुल भी अर्थ नहीं है कि सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा हमेशा गर्मी के बढ़ने के साथ बढ़ती है। ऐसा हो सकता है कि, सिस्टम में गर्मी के संचार के बावजूद, इसकी ऊर्जा में वृद्धि नहीं होती है, बल्कि घट जाती है। इस मामले में, (83.2) के अनुसार, यानी, सिस्टम प्राप्त गर्मी क्यू के कारण और आंतरिक ऊर्जा आरक्षित के कारण दोनों काम करता है, जिसका नुकसान बराबर है। यह भी ध्यान में रखा जाना चाहिए कि मात्रा क्यू और ए (83.2) बीजगणितीय हैं, जिसका अर्थ है कि सिस्टम वास्तव में गर्मी प्राप्त नहीं करता है, लेकिन इसे दूर करता है)।

(83.2) से यह निम्नानुसार है कि ऊष्मा Q की मात्रा को कार्य या ऊर्जा के समान इकाइयों में मापा जा सकता है। ऊष्मा का SI मात्रक जूल है।

ऊष्मा की मात्रा को मापने के लिए कैलोरी नामक एक विशेष इकाई का भी उपयोग किया जाता है। एक कैलोरी 1 ग्राम पानी को 19.5 से 20.5 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा के बराबर है। एक हजार कैलोरी को बड़ी कैलोरी या किलोकैलोरी कहा जाता है।

यह प्रयोगात्मक रूप से स्थापित किया गया है कि एक कैलोरी 4.18 जे के बराबर है। इसलिए, एक जूल 0.24 कैलोरी के बराबर है। मान को ऊष्मा का यांत्रिक तुल्यांक कहते हैं।

यदि (83.2) में शामिल मात्राओं को अलग-अलग इकाइयों में व्यक्त किया जाता है, तो इनमें से कुछ मात्राओं को संबंधित समकक्ष से गुणा किया जाना चाहिए। इसलिए, उदाहरण के लिए, Q को कैलोरी में और U और A को जूल में व्यक्त करते हुए, संबंध (83.2) को इस प्रकार लिखा जाना चाहिए

निम्नलिखित में, हम हमेशा मान लेंगे कि Q, A, और U समान इकाइयों में व्यक्त किए गए हैं, और थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम के समीकरण को फॉर्म (83.2) में लिखें।

सिस्टम द्वारा किए गए कार्य या सिस्टम द्वारा प्राप्त गर्मी की गणना करते समय, आमतौर पर प्रक्रिया को कई प्राथमिक प्रक्रियाओं में विभाजित करना आवश्यक होता है, जिनमें से प्रत्येक एक बहुत छोटे (सीमा में, असीम रूप से छोटे) परिवर्तन से मेल खाती है। सिस्टम मापदंडों में। प्राथमिक प्रक्रिया के लिए समीकरण (83.2) का रूप है

गर्मी की प्राथमिक मात्रा कहाँ है, प्राथमिक कार्य है, और इस प्रारंभिक प्रक्रिया के दौरान प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि है।

यह ध्यान रखना बहुत जरूरी है कि क्यू और ए की वृद्धि के रूप में नहीं माना जा सकता है।

प्रारंभिक प्रक्रिया ए के अनुरूप किसी भी मूल्य को इस मूल्य की वृद्धि के रूप में तभी माना जा सकता है जब एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण के अनुरूप मूल्य उस पथ पर निर्भर न हो जिस पर संक्रमण होता है, यानी, यदि मान एफ एक है राज्य का कार्य। राज्य समारोह के संबंध में, हम प्रत्येक राज्य में इसके "रिजर्व" के बारे में बात कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, हम आंतरिक ऊर्जा के भंडार के बारे में बात कर सकते हैं जो विभिन्न राज्यों में एक प्रणाली के पास है।

जैसा कि हम बाद में देखेंगे, सिस्टम द्वारा किए गए कार्य की मात्रा और सिस्टम द्वारा प्राप्त गर्मी की मात्रा एक राज्य से दूसरे राज्य में सिस्टम के संक्रमण के पथ पर निर्भर करती है। इसलिए, न तो क्यू और न ही ए राज्य कार्य हैं, इसलिए कोई भी गर्मी की मात्रा या विभिन्न राज्यों में सिस्टम के काम के बारे में बात नहीं कर सकता है।

आंतरिक ऊर्जा यूएक थर्मोडायनामिक प्रणाली को दो तरीकों से बदला जा सकता है: यांत्रिक कार्य करके और गर्मी हस्तांतरण द्वारा। यदि दोनों विधियों का एक ही समय में उपयोग किया जाता है, तो हम लिख सकते हैं

\(~\Delta U = Q - A \) या \(~Q = \Delta U + A .\)

यह सूत्र व्यक्त करता है ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम.

• किसी ऊष्मागतिकी निकाय को दी जाने वाली ऊष्मा की मात्रा उसकी आंतरिक ऊर्जा को बदलने और निकाय द्वारा बाहरी शक्तियों के विरुद्ध कार्य करने में खर्च होती है।

अगर काम की जगह एबाहरी निकायों पर सिस्टम बाहरी ताकतों के काम का परिचय देते हैं ए " (ए = –ए"), तो ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम को निम्नानुसार फिर से लिखा जा सकता है:

\(~\डेल्टा यू = क्यू + ए" .\)

• थर्मोडायनामिक सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन बाहरी बलों द्वारा सिस्टम पर किए गए कार्य के योग के बराबर होता है और गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया में सिस्टम को हस्तांतरित गर्मी की मात्रा के बराबर होता है।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम यांत्रिक और तापीय प्रक्रियाओं के लिए ऊर्जा के संरक्षण के नियम का सामान्यीकरण है। उदाहरण के लिए, घर्षण बल की क्रिया के तहत क्षैतिज सतह पर एक बार को ब्रेक लगाने की प्रक्रिया पर विचार करें। बार की गति कम हो जाती है, यांत्रिक ऊर्जा "गायब हो जाती है"। लेकिन साथ ही, रगड़ने वाली सतहें (बार और क्षैतिज सतह) गर्म हो जाती हैं, यानी। यांत्रिक ऊर्जा को आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है।

विभिन्न तापीय प्रक्रियाओं के लिए प्रथम नियम का अनुप्रयोग

आइसोकोरिक प्रक्रिया

वॉल्यूम नहीं बदलता है: वी= स्थिरांक इसलिए, वी= 0 और ए = –ए"= 0, यानी कोई यांत्रिक कार्य नहीं किया जाता है। थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम इस तरह दिखेगा:

\(~क्यू = \डेल्टा यू.\)

• एक समस्थानिक प्रक्रिया में, ऊष्मा विनिमय द्वारा गैस को आपूर्ति की जाने वाली सारी ऊर्जा पूरी तरह से इसकी आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने पर खर्च की जाती है।

इज़ोटेर्मल प्रक्रिया

गैस का तापमान नहीं बदलता है: Τ = स्थिरांक इसलिए, टी= 0 और यू= 0. ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का रूप होगा:

\(~क्यू = ए.\)

• एक समतापीय प्रक्रिया में, गर्मी हस्तांतरण द्वारा गैस को प्रदान की जाने वाली सारी ऊर्जा काम करने वाली गैस में चली जाती है।

समदाब रेखीय प्रक्रिया

दबाव नहीं बदलता है: पी= स्थिरांक जैसे-जैसे गैस फैलती है, काम होता है Α = पी⋅Δ वीऔर गर्म हो जाता है, अर्थात्। इसकी आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम होगा:

\(~क्यू = ए + \डेल्टा यू।\)

• एक समदाब रेखीय प्रक्रिया में, ऊष्मागतिकी प्रणाली को दी जाने वाली ऊष्मा की मात्रा उसकी आंतरिक ऊर्जा को बदलने और बाहरी ताकतों के खिलाफ प्रणाली द्वारा काम करने पर खर्च की जाती है।

रुद्धोष्म प्रक्रिया

रुद्धोष्म प्रक्रिया- यह एक ऐसी प्रक्रिया है जो सिस्टम और पर्यावरण के बीच हीट एक्सचेंज के बिना होती है, अर्थात। क्यू = 0.

ऐसी प्रक्रियाएं सिस्टम के अच्छे थर्मल इन्सुलेशन के साथ या तेज प्रक्रियाओं के साथ होती हैं, जब हीट एक्सचेंज व्यावहारिक रूप से होने का समय नहीं होता है। ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम होगा:

\(~\Delta U + A = 0\) या \(A = -\Delta U .\)

अगर ए > 0 (Δ वी> 0 गैस फैलती है), फिर यू < 0 (газ охлаждается), т.е.

• रुद्धोष्म प्रसार के दौरान, गैस कार्य करती है और स्वयं को ठंडा करती है।

रुद्धोष्म प्रसार के दौरान ठंडी हवा का कारण बनता है, उदाहरण के लिए, बादलों का बनना।

अगर ए < 0 (Δवी < 0 газ сжимается), то Δयू> 0 (गैस गर्म होती है), यानी।

• रुद्धोष्म संपीडन के अंतर्गत गैस पर कार्य किया जाता है और गैस गर्म हो जाती है।

इसका उपयोग, उदाहरण के लिए, डीजल इंजनों में किया जाता है, जहां, जब हवा को तेजी से संपीड़ित किया जाता है, तो तापमान इतना बढ़ जाता है कि इंजन में ईंधन वाष्प प्रज्वलित हो जाता है।

गैस की अवस्था में रुद्धोष्म परिवर्तन को आलेखीय रूप से व्यक्त किया जा सकता है। इस प्रक्रिया के लिए अनुसूची कहा जाता है स्थिरोष्म. समान प्रारंभिक स्थितियों के लिए ( पी 0 , वी 0) रुद्धोष्म प्रसार के दौरान, गैस का दाब समतापी विस्तार (चित्र 1) की तुलना में तेजी से घटता है, क्योंकि दबाव में गिरावट न केवल आयतन में वृद्धि (जैसा कि इज़ोटेर्मल विस्तार में) के कारण होता है, बल्कि तापमान में कमी के कारण भी होता है। इसलिए, रुद्धोष्म समताप रेखा से नीचे चला जाता है और गैस रुद्धोष्म प्रसार के दौरान समतापीय विस्तार की तुलना में कम कार्य करती है।

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम से बनाने की असंभवता का अनुसरण करता है पहली तरह की सतत गति मशीन, अर्थात। ऐसा इंजन जो बाहर से ऊर्जा खर्च किए बिना काम करेगा।

वास्तव में, यदि सिस्टम को कोई ऊर्जा आपूर्ति नहीं की जाती है ( क्यू= 0), तब ए = –Δ यूऔर कार्य प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा के नुकसान की कीमत पर ही किया जा सकता है। बिजली की आपूर्ति समाप्त होने के बाद, इंजन काम करना बंद कर देगा।

यह सभी देखें

1. क्या आप परपेचुअल मोशन मशीन से परिचित हैं? // क्वांटम। - 2003. - नंबर 3. - सी। 32-33
2. मोगिलेव्स्की एम। लियोनार्डो दा विंची और एक सतत गति मशीन का असंभव सिद्धांत // क्वांट। - 1999. - नंबर 5. - एस। 14-18

ऊष्मा संतुलन समीकरण

अगर सिस्टम बंद है (बाहरी ताकतों का काम ए"= 0) और थर्मली इंसुलेटेड ( क्यू= 0), तो उष्मागतिकी का पहला नियम इस तरह दिखेगा:

\(~\डेल्टा यू = 0 .\)

यदि ऐसी प्रणाली में अलग-अलग तापमान वाले शरीर हैं, तो उनके बीच गर्मी का आदान-प्रदान होगा: उच्च तापमान वाले शरीर ऊर्जा और ठंडक देंगे, और कम तापमान वाले शरीर ऊर्जा और गर्मी प्राप्त करेंगे। यह तब तक होगा जब तक कि सभी पिंडों का तापमान समान न हो जाए, अर्थात। थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति होती है। जिसमें

\(~Q_1 + Q_2 + \ldots + Q_n = 0 .\)

एक बंद और रुद्धोष्म रूप से पृथक प्रणाली के लिए उष्मागतिकी का पहला नियम कहलाता है गर्मी संतुलन समीकरणए:

• निकायों की एक बंद प्रणाली में, गर्मी विनिमय में भाग लेने वाले सभी निकायों द्वारा दी गई और प्राप्त गर्मी की मात्रा का बीजगणितीय योग शून्य के बराबर होता है।

ऐसा करने में, निम्नलिखित लागू होता है साइन नियम:

• शरीर द्वारा प्राप्त गर्मी की मात्रा को सकारात्मक माना जाता है, दिया गया - नकारात्मक।

*गैसों की ऊष्मा क्षमता

साहित्य

1. हाई स्कूल में अक्सेनोविच एल.ए. भौतिकी: सिद्धांत। कार्य। टेस्ट: प्रो. सामान्य प्रदान करने वाले संस्थानों के लिए भत्ता। वातावरण, शिक्षा / एल.ए. अक्सनोविच, एन.एन. रकीना, के.एस. फ़ारिनो; ईडी। के एस फरिनो। - एमएन।: अदुकात्सिया और व्यखवन, 2004। - सी। 129-133, 152-161।
2. ज़िल्को वी.वी. भौतिकी: प्रो. 11वीं कक्षा के लिए भत्ता। सामान्य शिक्षा विद्यालय रूसी से लैंग प्रशिक्षण / वी.वी. ज़िल्को, ए.वी. लाव्रिनेंको, एल.जी. मार्कोविच। - एम.: नर. अस्वेता, 2002. - एस 125, 128-132।

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का एक सरल सूत्रीकरण कुछ इस तरह लग सकता है: किसी प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन केवल बाहरी प्रभाव में ही संभव है। यानी दूसरे शब्दों में व्यवस्था में कुछ परिवर्तन होने के लिए बाहर से कुछ प्रयास करने की आवश्यकता होती है। लोक ज्ञान में, कहावतें थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम की एक तरह की अभिव्यक्ति के रूप में काम कर सकती हैं - "झूठे पत्थर के नीचे पानी नहीं बहता", "आप आसानी से एक मछली को तालाब से बाहर नहीं निकाल सकते" और इसी तरह। अर्थात्, मछली और श्रम के बारे में एक उदाहरण के रूप में कहावत का उपयोग करते हुए, कोई कल्पना कर सकता है कि मछली हमारी सशर्त रूप से बंद प्रणाली है, हमारे बाहरी प्रभाव और भागीदारी के बिना इसमें कोई बदलाव नहीं होगा (मछली खुद को तालाब से बाहर नहीं खींचेगी) (श्रम)।

एक दिलचस्प तथ्य: यह ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम है जो यह स्थापित करता है कि वैज्ञानिकों, शोधकर्ताओं, अन्वेषकों के "सतत गति मशीन" का आविष्कार करने के सभी प्रयास विफल क्यों हुए, क्योंकि इस कानून के अनुसार इसका अस्तित्व बिल्कुल असंभव है, क्यों, देखें ऊपर पैराग्राफ।

हमारे लेख की शुरुआत में, ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम की अधिकतम सरल परिभाषा थी, वास्तव में, अकादमिक विज्ञान में इस कानून के सार के चार सूत्र हैं:

• ऊर्जा कहीं से प्रकट नहीं होती है और कहीं गायब नहीं होती है, यह केवल एक रूप से दूसरे रूप में जाती है (ऊर्जा के संरक्षण का नियम)।
• निकाय द्वारा प्राप्त ऊष्मा की मात्रा का उपयोग बाह्य शक्तियों के विरुद्ध अपना कार्य करने और आंतरिक ऊर्जा को बदलने के लिए किया जाता है।
• एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण के दौरान एक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन बाहरी बलों के काम के योग और सिस्टम को हस्तांतरित गर्मी की मात्रा के बराबर होता है, और यह उस विधि पर निर्भर नहीं करता है जिसके द्वारा यह संक्रमण होता है किया गया।
• एक गैर-पृथक थर्मोडायनामिक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन प्रणाली को हस्तांतरित गर्मी की मात्रा और बाहरी बलों पर सिस्टम द्वारा किए गए कार्य के बीच के अंतर के बराबर है।

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का सूत्र

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का सूत्र इस प्रकार लिखा जा सकता है:

निकाय को हस्तांतरित ऊष्मा Q की मात्रा उसकी आंतरिक ऊर्जा U और कार्य A में परिवर्तन के योग के बराबर है।

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम की प्रक्रियाएं

इसके अलावा, ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम की अपनी बारीकियां हैं जो चल रही थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं पर निर्भर करती हैं, जो समकालिक और समद्विबाहु हो सकती हैं, और नीचे हम उनमें से प्रत्येक के बारे में विस्तार से वर्णन करेंगे।

समस्थानिक प्रक्रम के लिए ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

थर्मोडायनामिक्स में एक आइसोकोरिक प्रक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया है जो निरंतर मात्रा में होती है। अर्थात्, यदि किसी बर्तन में किसी पदार्थ को गैस या तरल में गर्म किया जाता है, तो एक समस्थानिक प्रक्रिया होगी, क्योंकि पदार्थ का आयतन अपरिवर्तित रहेगा। इस स्थिति का थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम पर भी प्रभाव पड़ता है, जो एक आइसोकोरिक प्रक्रिया के दौरान होता है।

एक समद्विबाहु प्रक्रम में, आयतन V एक स्थिरांक है, इसलिए, गैस कोई कार्य नहीं करती है A = 0

इससे निम्न सूत्र प्राप्त होता है:

क्यू = ΔU = यू (T2) - यू (T1)।

यहाँ U (T1) और U (T2) प्रारंभिक और अंतिम अवस्था में गैस की आंतरिक ऊर्जाएँ हैं। एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान (जूल के नियम) पर निर्भर करती है। आइसोकोरिक हीटिंग के दौरान, गैस (क्यू> 0) द्वारा गर्मी को अवशोषित किया जाता है, और इसकी आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है। शीतलन के दौरान, ऊष्मा को बाहरी पिंडों में स्थानांतरित किया जाता है (Q< 0).

समदाब रेखीय प्रक्रिया के लिए ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

इसी तरह, एक आइसोबैरिक प्रक्रिया एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया है जो एक प्रणाली में गैस के स्थिर और द्रव्यमान पर होती है। इसलिए, एक समदाब रेखीय प्रक्रिया (p = const) में, गैस द्वारा किया गया कार्य ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के निम्नलिखित समीकरण द्वारा व्यक्त किया जाता है:

ए = पी (वी2 - वी1) = पी ∆वी।

थर्मोडायनामिक्स का आइसोबैरिक पहला नियम देता है:

क्यू \u003d यू (टी 2) - यू (टी 1) + पी (वी 2 - वी 1) \u003d Δयू + पी Δवी। समदाब रेखीय प्रसार के साथ, Q > 0, गैस द्वारा ऊष्मा का अवशोषण किया जाता है और गैस सकारात्मक कार्य करती है। समदाब रेखीय संपीड़न के तहत Q< 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का अनुप्रयोग

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम भौतिकी में विभिन्न प्रक्रियाओं के लिए एक व्यावहारिक अनुप्रयोग है, उदाहरण के लिए, यह आपको विभिन्न थर्मल और यांत्रिक प्रक्रियाओं में गैस के आदर्श मापदंडों की गणना करने की अनुमति देता है। विशुद्ध रूप से व्यावहारिक अनुप्रयोग के अलावा, इस कानून का उपयोग दार्शनिक रूप से भी किया जा सकता है, क्योंकि आप जो कुछ भी कहते हैं, उष्मागतिकी का पहला नियम प्रकृति के सबसे सामान्य नियमों में से एक की अभिव्यक्ति है - ऊर्जा के संरक्षण का कानून। यहां तक ​​कि सभोपदेशक ने भी लिखा है कि कुछ भी कहीं से प्रकट नहीं होता है और कहीं नहीं जाता है, सब कुछ हमेशा के लिए रहता है, लगातार बदलता रहता है, और यही थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम का संपूर्ण सार है।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम वीडियो

और हमारे लेख के अंत में, आपका ध्यान ऊष्मप्रवैगिकी और आंतरिक ऊर्जा के पहले नियम के बारे में एक शैक्षिक वीडियो है।

यह ऊर्जा के संरक्षण के नियम का प्रतिनिधित्व करता है, प्रकृति के सार्वभौमिक नियमों में से एक (संवेग, आवेश और समरूपता के संरक्षण के नियमों के साथ):

ऊर्जा अविनाशी और अनिर्मित है; यह केवल एक रूप से दूसरे रूप में समान अनुपात में बदल सकता है।

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम हैस्वयं मांगना- इसे तार्किक रूप से सिद्ध नहीं किया जा सकता है या किसी और सामान्य प्रावधान से घटाया नहीं जा सकता है। इस अभिधारणा की सच्चाई की पुष्टि इस तथ्य से होती है कि इसका कोई भी परिणाम अनुभव के विपरीत नहीं है।

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के कुछ और सूत्र इस प्रकार हैं:

- एक पृथक प्रणाली की कुल ऊर्जा स्थिर होती है;

- पहली तरह की एक सतत गति मशीन असंभव है (एक इंजन जो ऊर्जा खर्च किए बिना काम करता है)।

ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियमऊष्मा Q, कार्य A और निकाय की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के बीच संबंध स्थापित करता है? U:

आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तनप्रणाली प्रणाली को संचारित ऊष्मा की मात्रा के बराबर होती है जो बाह्य बलों के विरुद्ध प्रणाली द्वारा किए गए कार्य की मात्रा को घटा देती है।

डीयू = δQ-δA (1.2)

समीकरण (1.1) हैपरिमित के लिए ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम का गणितीय अंकन, समीकरण (1.2) - प्रणाली की स्थिति में एक असीम रूप से छोटे परिवर्तन के लिए।

आंतरिक ऊर्जा एक राज्य कार्य है; इसका मतलब है कि आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन? यू राज्य 1 से राज्य 2 में सिस्टम संक्रमण के पथ पर निर्भर नहीं है और इन राज्यों में आंतरिक ऊर्जा यू 2 और यू 1 के मूल्यों के बीच अंतर के बराबर है:

यू \u003d यू 2 -यू 1 (1.3)

यह ध्यान दिया जाना चाहिए,कि सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा का पूर्ण मूल्य निर्धारित करना असंभव है; थर्मोडायनामिक्स केवल एक प्रक्रिया के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन में रुचि रखता है।

एक आवेदन पर विचार करेंविभिन्न थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं में सिस्टम द्वारा किए गए कार्य को निर्धारित करने के लिए ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम (हम सबसे सरल मामले पर विचार करेंगे - एक आदर्श गैस के विस्तार का कार्य)।

आइसोकोरिक प्रक्रिया (वी = कास्ट; वी = 0)।

चूंकि विस्तार का कार्य दबाव और आयतन परिवर्तन के गुणनफल के बराबर होता है, इसलिए एक समद्विबाहु प्रक्रिया के लिए हम प्राप्त करते हैं:

इज़ोटेर्मल प्रक्रिया (टी = स्थिरांक)।

एक आदर्श गैस के एक मोल की अवस्था के समीकरण से, हम प्राप्त करते हैं:

ए = पीडीवी = आरटी (आई. 7)

V 1 से V 2 तक समाकलन व्यंजक (I.6), हम प्राप्त करते हैं

ए = आरटी = आरटीएलएन = आरटीएलएन (1.8)

समदाब रेखीय प्रक्रिया (P = स्थिरांक)।

क्यूपी =? यू + पी? वी (1.12)

समीकरण (1.12) में हम समान सूचकांकों के साथ चर समूहित करते हैं। हम पाते हैं:

क्यू पी \u003d यू 2 -यू 1 + पी (वी 2 -वी 1) \u003d (यू 2 + पीवी 2) - (यू 1 + पीवी 1) (1.13)

आइए एक नया सिस्टम स्टेट फंक्शन पेश करें - एन्थैल्पी एच, समान रूप से आंतरिक ऊर्जा के योग और दबाव और आयतन के गुणनफल के बराबर: = U + PV। तब व्यंजक (1.13) निम्न रूप में रूपांतरित हो जाता है:

क्यूपी= एच 2-एच 1 =?एच(1.14)

इस प्रकार, एक समदाब रेखीय प्रक्रम का ऊष्मीय प्रभाव निकाय की एन्थैल्पी में परिवर्तन के बराबर होता है।

रुद्धोष्म प्रक्रिया (Q= 0, क्यू= 0).

रुद्धोष्म प्रक्रम में, गैस की आंतरिक ऊर्जा को कम करके विस्तार कार्य किया जाता है:

ए = -डीयू = सी वी डीटी (1.15)

अगर सीवी निर्भर नहीं करता हैतापमान पर (जो कई वास्तविक गैसों के लिए सही है), अपने रुद्धोष्म विस्तार के दौरान गैस द्वारा किया गया कार्य तापमान अंतर के सीधे आनुपातिक होता है:

ए \u003d -सी वी? टी (1.16)

टास्क नंबर 1. 20 g . के वाष्पीकरण के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का पता लगाएं इथेनॉलअपने क्वथनांक पर। इस तापमान पर एथिल अल्कोहल के वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा 858.95 J/g है, विशिष्ट वाष्प की मात्रा 607 सेमी 3/g (तरल की मात्रा की अवहेलना) है।

समाधान:

1 . वाष्पीकरण की गर्मी की गणना करें 20 ग्राम इथेनॉल: क्यू = क्यू बीट एम = 858.95 जे / जी 20 जी = 17179 जे।

2 .वॉल्यूम बदलने पर काम की गणना करेंतरल अवस्था से वाष्प अवस्था में संक्रमण के दौरान 20 ग्राम अल्कोहल: ए \u003d पी? वी,

जहां आर- अल्कोहल वाष्प दबाव, वायुमंडलीय के बराबर, 101325 Pa (क्योंकि कोई भी तरल उबलता है जब उसका वाष्प दबाव वायुमंडलीय दबाव के बराबर होता है)।

वी \u003d वी 2 -वी 1 \u003d वी डब्ल्यू -वी पी, क्योंकि वी<< V п, то объмом жидкости можно пренебречь и тогда V п =V уд ·m. Cледовательно, А=Р·V уд ·m. А=-101325Па·607·10 -6 м 3 /г·20г=-1230 Дж

3. आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की गणना करें:

यू \u003d 17179 जे - 1230 जे \u003d 15949 जे।

चूंकि? U> 0, फिर, परिणामस्वरूप, जब इथेनॉल वाष्पित हो जाता है, तो अल्कोहल की आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि होती है।