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एक मैनोमीटर और एक थर्मामीटर जैसे उपकरणों द्वारा मापी गई मात्राओं (मैक्रोस्कोपिक मापदंडों) का उपयोग करके थर्मल घटना का वर्णन किया जा सकता है। ये उपकरण व्यक्तिगत अणुओं के प्रभाव का जवाब नहीं देते हैं। ऊष्मीय प्रक्रियाओं का सिद्धांत, जो निकायों की आणविक संरचना को ध्यान में नहीं रखता है, कहलाता है ऊष्मप्रवैगिकी. ऊष्मप्रवैगिकी में, ऊष्मा के ऊर्जा के अन्य रूपों में रूपांतरण के दृष्टिकोण से प्रक्रियाओं पर विचार किया जाता है।
आंतरिक ऊर्जा क्या है।
आप आंतरिक ऊर्जा को बदलने के कौन से तरीके जानते हैं?
ऊष्मप्रवैगिकी 19 वीं शताब्दी के मध्य में बनाई गई थी। ऊर्जा के संरक्षण के नियम की खोज के बाद। यह अवधारणा पर आधारित है आंतरिक ऊर्जा. "आंतरिक" नाम का अर्थ है कि सिस्टम को गतिमान और परस्पर क्रिया करने वाले अणुओं के एक समूह के रूप में माना जाता है। आइए हम इस प्रश्न पर ध्यान दें कि थर्मोडायनामिक्स और आणविक-गतिज सिद्धांत के बीच क्या संबंध है।
थर्मोडायनामिक्स और सांख्यिकीय यांत्रिकी।
थर्मल प्रक्रियाओं का पहला वैज्ञानिक सिद्धांत आणविक गतिज सिद्धांत नहीं था, बल्कि ऊष्मप्रवैगिकी था।
ऊष्मप्रवैगिकी काम करने के लिए गर्मी के उपयोग के लिए इष्टतम स्थितियों के अध्ययन में उत्पन्न हुई। यह 19वीं शताब्दी के मध्य में हुआ, आणविक-गतिज सिद्धांत को सामान्य मान्यता प्राप्त होने से बहुत पहले। उसी समय, यह साबित हो गया कि यांत्रिक ऊर्जा के साथ-साथ मैक्रोस्कोपिक निकायों में भी शरीर के भीतर ही ऊर्जा निहित होती है।
अब विज्ञान और प्रौद्योगिकी में, ऊष्मीय परिघटनाओं के अध्ययन में, थर्मोडायनामिक्स और आणविक-गतिज सिद्धांत दोनों का उपयोग किया जाता है। सैद्धांतिक भौतिकी में, आणविक गतिज सिद्धांत को कहा जाता है सांख्यिकीय यांत्रिकी
ऊष्मप्रवैगिकी और सांख्यिकीय यांत्रिकी एक ही घटना का विभिन्न तरीकों से अध्ययन करते हैं और एक दूसरे के पूरक हैं।
ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालीऊर्जा और पदार्थ का आदान-प्रदान करने वाले अंतःक्रियात्मक निकायों का एक समूह कहलाता है।
आणविक-गतिज सिद्धांत में आंतरिक ऊर्जा।
ऊष्मप्रवैगिकी में मूल अवधारणा आंतरिक ऊर्जा की अवधारणा है।
शरीर की आंतरिक ऊर्जा(सिस्टम) अणुओं की अराजक तापीय गति की गतिज ऊर्जा और उनकी बातचीत की संभावित ऊर्जा का योग है।
समग्र रूप से शरीर (प्रणाली) की यांत्रिक ऊर्जा आंतरिक ऊर्जा में शामिल नहीं होती है। उदाहरण के लिए, समान परिस्थितियों में दो समान जहाजों में गैसों की आंतरिक ऊर्जा जहाजों की गति और एक दूसरे के सापेक्ष उनके स्थान की परवाह किए बिना समान होती है।
मैक्रोस्कोपिक निकायों में अणुओं की बड़ी संख्या के कारण, व्यक्तिगत अणुओं की गति और एक-दूसरे के सापेक्ष उनकी स्थिति को ध्यान में रखते हुए, शरीर की आंतरिक ऊर्जा (या इसके परिवर्तन) की गणना करना लगभग असंभव है। इसलिए, मैक्रोस्कोपिक मापदंडों के आधार पर आंतरिक ऊर्जा (या इसके परिवर्तन) के मूल्य को निर्धारित करने में सक्षम होना आवश्यक है जिसे सीधे मापा जा सकता है।
एक आदर्श एकपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा।
आइए हम एक आदर्श एकपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा की गणना करें।
मॉडल के अनुसार, एक आदर्श गैस के अणु आपस में परस्पर क्रिया नहीं करते हैं, इसलिए, उनकी अंतःक्रिया की स्थितिज ऊर्जा शून्य होती है। एक आदर्श गैस की संपूर्ण आंतरिक ऊर्जा उसके अणुओं की यादृच्छिक गति की गतिज ऊर्जा से निर्धारित होती है।
द्रव्यमान m के साथ एक आदर्श एकपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा की गणना करने के लिए, आपको एक परमाणु की औसत गतिज ऊर्जा को परमाणुओं की संख्या से गुणा करना होगा। kN A = R को ध्यान में रखते हुए, हम एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा के लिए सूत्र प्राप्त करते हैं:
एक आदर्श एकपरमाणुक गैस की आंतरिक ऊर्जा उसके परम ताप के समानुपाती होती है।
यह सिस्टम के वॉल्यूम और अन्य मैक्रोस्कोपिक मापदंडों पर निर्भर नहीं करता है।
एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन
यानी, यह गैस की प्रारंभिक और अंतिम अवस्थाओं के तापमान से निर्धारित होता है और प्रक्रिया पर निर्भर नहीं करता है।
यदि एक आदर्श गैस में एक परमाणु की तुलना में अधिक जटिल अणु होते हैं, तो इसकी आंतरिक ऊर्जा भी पूर्ण तापमान के समानुपाती होती है, लेकिन U और T के बीच आनुपातिकता का गुणांक भिन्न होता है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि जटिल अणु न केवल आगे बढ़ते हैं, बल्कि अपनी संतुलन स्थिति के बारे में घूमते और दोलन भी करते हैं। ऐसी गैसों की आंतरिक ऊर्जा अणुओं की स्थानांतरीय, घूर्णी और कंपन गतियों की ऊर्जाओं के योग के बराबर होती है। इसलिए, एक पॉलीऐटोमिक गैस की आंतरिक ऊर्जा एक ही तापमान पर एक मोनोएटोमिक गैस की ऊर्जा से अधिक होती है।
मैक्रोस्कोपिक मापदंडों पर आंतरिक ऊर्जा की निर्भरता।
हमने स्थापित किया है कि एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा एक पैरामीटर - तापमान पर निर्भर करती है।
वास्तविक गैसों, द्रवों और ठोस पदार्थों के लिए, अणुओं की परस्पर क्रिया की औसत स्थितिज ऊर्जा शून्य के बराबर नहीं. सच है, गैसों के लिए यह अणुओं की औसत गतिज ऊर्जा से बहुत कम है, लेकिन ठोस और तरल निकायों के लिए इसकी तुलना की जाती है।
गैस के अणुओं की परस्पर क्रिया की औसत संभावित ऊर्जा पदार्थ के आयतन पर निर्भर करती है, क्योंकि जब आयतन बदलता है, तो अणुओं के बीच की औसत दूरी बदल जाती है। नतीजतन, थर्मोडायनामिक्स में एक वास्तविक गैस की आंतरिक ऊर्जा आमतौर पर तापमान टी के साथ, वॉल्यूम वी पर निर्भर करती है।
क्या यह तर्क दिया जा सकता है कि एक वास्तविक गैस की आंतरिक ऊर्जा दबाव पर निर्भर करती है, इस तथ्य के आधार पर कि दबाव को गैस के तापमान और आयतन के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है।
मैक्रोस्कोपिक मापदंडों के मान (वॉल्यूम वी का तापमान टी, आदि) स्पष्ट रूप से निकायों की स्थिति निर्धारित करते हैं। इसलिए, वे मैक्रोस्कोपिक निकायों की आंतरिक ऊर्जा भी निर्धारित करते हैं।
मैक्रोस्कोपिक निकायों की आंतरिक ऊर्जा यू विशिष्ट रूप से इन निकायों की स्थिति को दर्शाने वाले मापदंडों द्वारा निर्धारित की जाती है: तापमान और आयतन।
यांत्रिक ऊर्जा के साथ, किसी भी शरीर (या प्रणाली) में आंतरिक ऊर्जा होती है। आंतरिक ऊर्जा विश्राम ऊर्जा है। इसमें शरीर को बनाने वाले अणुओं की ऊष्मीय अराजक गति, उनकी सापेक्ष स्थिति की स्थितिज ऊर्जा, परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की गतिज और स्थितिज ऊर्जा, नाभिक में न्यूक्लियॉन आदि शामिल हैं।
ऊष्मप्रवैगिकी में, आंतरिक ऊर्जा का निरपेक्ष मूल्य नहीं, बल्कि इसके परिवर्तन को जानना महत्वपूर्ण है।
थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं में, केवल गतिमान अणुओं की गतिज ऊर्जा बदलती है (थर्मल ऊर्जा एक परमाणु की संरचना को बदलने के लिए पर्याप्त नहीं है, और इससे भी अधिक एक नाभिक की)। इसलिए, वास्तव में आंतरिक ऊर्जा के तहतऊष्मप्रवैगिकी में ऊर्जा का अर्थ है थर्मल अराजकआणविक आंदोलनों।
आंतरिक ऊर्जा यूएक आदर्श गैस का एक मोल बराबर होता है:
इस प्रकार से, आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान पर निर्भर करती है। आंतरिक ऊर्जा यू प्रणाली की स्थिति का एक कार्य है, पृष्ठभूमि की परवाह किए बिना।
यह स्पष्ट है कि, सामान्य स्थिति में, एक थर्मोडायनामिक प्रणाली में आंतरिक और यांत्रिक ऊर्जा दोनों हो सकती हैं, और विभिन्न प्रणालियां इस प्रकार की ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकती हैं।
अदला बदली यांत्रिक ऊर्जाउत्तम . द्वारा विशेषता काम ए,और आंतरिक ऊर्जा का आदान-प्रदान - स्थानांतरित ऊष्मा की मात्रा Q.
उदाहरण के लिए, सर्दियों में आपने बर्फ में एक गर्म पत्थर फेंका। संभावित ऊर्जा के भंडार के कारण, बर्फ को कुचलने के लिए यांत्रिक कार्य किया गया था, और आंतरिक ऊर्जा के भंडार के कारण बर्फ पिघल गई थी। अगर पत्थर ठंडा था, यानी। पत्थर का तापमान पर्यावरण के तापमान के बराबर है, तभी काम होगा, लेकिन आंतरिक ऊर्जा का आदान-प्रदान नहीं होगा।
तो, काम और गर्मी ऊर्जा के विशेष रूप नहीं हैं। आप गर्मी के भंडार या काम के बारे में बात नहीं कर सकते। इस उपाय स्थानांतरितयांत्रिक या आंतरिक ऊर्जा की एक अन्य प्रणाली। हम इन ऊर्जाओं के भंडार के बारे में बात कर सकते हैं। इसके अलावा, यांत्रिक ऊर्जा को तापीय ऊर्जा और इसके विपरीत में परिवर्तित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, यदि आप हथौड़े से आँवले को मारते हैं, तो थोड़ी देर बाद हथौड़े और निहाई गर्म हो जाएंगे (यह एक उदाहरण है अपव्ययऊर्जा)।
ऊर्जा के एक रूप के दूसरे रूप में परिवर्तन के और भी कई उदाहरण हैं।
अनुभव से पता चलता है कि सभी मामलों में, यांत्रिक ऊर्जा का तापीय ऊर्जा में परिवर्तन और इसके विपरीत हमेशा कड़ाई से समकक्ष मात्रा में किया जाता है।यह ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का सार है, जो ऊर्जा संरक्षण के नियम से चलता है।
शरीर को दी जाने वाली ऊष्मा की मात्रा का उपयोग आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने और शरीर पर कार्य करने के लिए किया जाता है:
| , | (4.1.1) |
- यह वही है ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम , या ऊष्मागतिकी में ऊर्जा संरक्षण का नियम।
साइन नियम:यदि वातावरण से ऊष्मा का स्थानांतरण होता है यह प्रणाली,और अगर सिस्टम आसपास के निकायों पर काम करता है, जबकि . संकेत नियम को देखते हुए, ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम को इस प्रकार लिखा जा सकता है:
इस अभिव्यक्ति में यूसिस्टम स्टेट फ़ंक्शन है; डी यूइसका कुल अंतर है, और क्यूऔर लेकिनवे नहीं हैं। प्रत्येक राज्य में, सिस्टम में आंतरिक ऊर्जा का एक निश्चित और केवल ऐसा ही मूल्य होता है, इसलिए हम लिख सकते हैं:
 ,
|
गौरतलब है कि गर्मी क्यूऔर काम लेकिनइस पर निर्भर करता है कि राज्य 1 से राज्य 2 में संक्रमण कैसे होता है (आइसोकोरिक, रुद्धोष्म, आदि), और आंतरिक ऊर्जा यूनिर्भर नहीं करता है। साथ ही, यह नहीं कहा जा सकता है कि सिस्टम में किसी दिए गए राज्य के लिए निर्धारित गर्मी और कार्य का मूल्य होता है।
सूत्र (4.1.2) से यह निम्नानुसार है कि ऊष्मा की मात्रा को कार्य और ऊर्जा के समान इकाइयों में व्यक्त किया जाता है, अर्थात। जूल (जे) में।
ऊष्मप्रवैगिकी में विशेष महत्व परिपत्र या चक्रीय प्रक्रियाएं हैं जिसमें प्रणाली, राज्यों की एक श्रृंखला से गुजरने के बाद, अपनी मूल स्थिति में लौट आती है। चित्र 4.1 एक चक्रीय प्रक्रिया को दर्शाता है 1– लेकिन–2–बी-1, जबकि कार्य A किया गया था।
चावल। 4.1
इसलिये यूराज्य कार्य है, तो
| (4.1.3) |
यह किसी भी राज्य समारोह के लिए सच है।
यदि तब ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के अनुसार, अर्थात। समय-समय पर चलने वाले इंजन का निर्माण करना असंभव है जो इसे बाहर से दी गई ऊर्जा की मात्रा से अधिक काम करेगा। दूसरे शब्दों में, पहली तरह की एक सतत गति मशीन असंभव है। यह ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के सूत्रों में से एक है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम यह इंगित नहीं करता है कि राज्य परिवर्तन की प्रक्रिया किस दिशा में जाती है, जो इसकी कमियों में से एक है।
आंतरिक ऊर्जा यू को एक राज्य समारोह के रूप में पेश किया जाता है, जिसके अनुसार सिस्टम में स्थानांतरित गर्मी क्यू और सिस्टम द्वारा किए गए कार्य डब्ल्यू के बीच का अंतर केवल सिस्टम की प्रारंभिक और अंतिम स्थिति पर निर्भर करता है और संक्रमण पर निर्भर नहीं करता है पथ, अर्थात राज्य समारोह में बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है
जहां यू 1 और यू 2 क्रमशः प्रारंभिक और अंतिम राज्यों में सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा हैं। समीकरण (1) थर्मोडायनामिक के अनुप्रयोग में व्यक्त करता है। प्रक्रियाएँ, अर्थात्, वे प्रक्रियाएँ जिनमें ऊष्मा का स्थानान्तरण होता है। चक्रीय के लिए प्रक्रिया जो सिस्टम को उसकी प्रारंभिक स्थिति में लौटाती है, . आइसोकोरिक प्रक्रियाओं में, अर्थात्। स्थिर मात्रा में प्रक्रियाएं, विस्तार के कारण सिस्टम कोई काम नहीं करता है, W = 0 और सिस्टम को हस्तांतरित गर्मी आंतरिक ऊर्जा की वृद्धि के बराबर है: Q v =। रुद्धोष्म के लिए प्रक्रियाएँ जब Q = 0, = - W.
इसके S, आयतन V और i-वें घटक की संख्या m i के फलन के रूप में निकाय की आंतरिक ऊर्जा है। यह पहले का परिणाम है और संबंध द्वारा व्यक्त किया गया है:
"
जहां टी एब्स है। टी-आरए, पी-प्रेशर, -केम। i-वें घटक की क्षमता। समान चिह्न संतुलन प्रक्रियाओं को संदर्भित करता है, असमानता चिह्न गैर-संतुलन वाले को संदर्भित करता है। S, V, m i (एक कठोर रुद्धोष्म कोश में) के दिए गए मानों वाली प्रणाली के लिए, आंतरिक ऊर्जा न्यूनतम होती है। निरंतर वी और एस पर प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं में आंतरिक ऊर्जा का नुकसान अधिकतम के बराबर है। उपयोगी कार्य (देखें)।
t-ry और आयतन U = f (T, V) पर एक संतुलन प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा की निर्भरता को कहा जाता है। गरमी निरंतर आयतन पर t-re के संबंध में आंतरिक ऊर्जा का व्युत्पन्न समद्विबाहु के बराबर है:
आंतरिक ऊर्जा आयतन पर निर्भर नहीं करती है और केवल m द्वारा निर्धारित की जाती है।
प्रयोगात्मक रूप से द्वीपों की आंतरिक ऊर्जा का मूल्य निर्धारित करें, इसकी गणना एब्स पर की जाती है। शून्य टी-आरई। आंतरिक ऊर्जा की परिभाषा के लिए राज्य के स्तर पर सी वी (टी), हीट पर डेटा की आवश्यकता होती है। रसायन के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन। p-tions (विशेष रूप से, द्वीपों में गठन की मानक आंतरिक ऊर्जा) p-tions के थर्मल प्रभावों के साथ-साथ वर्णक्रमीय डेटा से डेटा से निर्धारित होती है। सैद्धांतिक आंतरिक ऊर्जा की गणना सांख्यिकीय विधियों द्वारा की जाती है। , जो दी गई अलगाव स्थितियों के तहत आंतरिक ऊर्जा को सिस्टम की औसत ऊर्जा के रूप में परिभाषित करता है (उदाहरण के लिए, दिए गए T, V, m i के लिए)। एक परमाणु की आंतरिक ऊर्जा अधिनियम की औसत ऊर्जा का योग है। उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं की गति और औसत ऊर्जा; दो- और बहुपरमाणुक के लिए, यह मान रोटेशन की औसत ऊर्जा और स्थिति के चारों ओर उनके दोलनों द्वारा भी पूरक है। आंतरिक ऊर्जा 1
सन्निकटन की विभिन्न डिग्री के मॉडल का उपयोग करके एक या किसी अन्य भौतिक घटना या घटना के वर्ग पर विचार करना सुविधाजनक है। उदाहरण के लिए, गैस के व्यवहार का वर्णन करते समय, एक भौतिक मॉडल का उपयोग किया जाता है - एक आदर्श गैस।
किसी भी मॉडल में प्रयोज्यता की सीमाएं होती हैं, जिसके आगे इसे परिष्कृत करने या अधिक जटिल विकल्पों को लागू करने की आवश्यकता होती है। यहां हम कुछ निश्चित सीमाओं के भीतर गैसों के सबसे आवश्यक गुणों के आधार पर एक भौतिक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा का वर्णन करने के एक साधारण मामले पर विचार करते हैं।
आदर्श गैस
यह भौतिक मॉडल, कुछ मूलभूत प्रक्रियाओं का वर्णन करने की सुविधा के लिए, एक वास्तविक गैस को इस प्रकार सरल करता है:
- गैस के अणुओं के आकार की उपेक्षा करता है। इसका मतलब है कि ऐसी घटनाएं हैं जिनके लिए पर्याप्त विवरण के लिए यह पैरामीटर आवश्यक नहीं है।
- यह इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन की उपेक्षा करता है, अर्थात यह स्वीकार करता है कि इसके लिए ब्याज की प्रक्रियाओं में, वे नगण्य समय अंतराल में दिखाई देते हैं और सिस्टम की स्थिति को प्रभावित नहीं करते हैं। इस मामले में, इंटरैक्शन में बिल्कुल लोचदार प्रभाव का चरित्र होता है, जिसमें विकृतियों के कारण कोई ऊर्जा हानि नहीं होती है।
- टैंक की दीवारों के साथ अणुओं की बातचीत की उपेक्षा करता है।
- यह स्वीकार करता है कि "गैस-जलाशय" प्रणाली को थर्मोडायनामिक संतुलन की विशेषता है।
ऐसा मॉडल वास्तविक गैसों का वर्णन करने के लिए उपयुक्त है यदि दबाव और तापमान अपेक्षाकृत कम है।
एक भौतिक प्रणाली की ऊर्जा अवस्था
किसी भी मैक्रोस्कोपिक भौतिक प्रणाली (एक बर्तन में शरीर, गैस या तरल) में अपनी गतिज और क्षमता के अलावा, एक और प्रकार की ऊर्जा होती है - आंतरिक। यह मान भौतिक प्रणाली - अणुओं को बनाने वाले सभी उप-प्रणालियों की ऊर्जाओं को जोड़कर प्राप्त किया जाता है।
गैस की संरचना में प्रत्येक अणु की अपनी क्षमता और गतिज ऊर्जा भी होती है। उत्तरार्द्ध अणुओं की निरंतर अराजक तापीय गति के कारण है। उनके बीच विभिन्न अंतःक्रियाएं (विद्युत आकर्षण, प्रतिकर्षण) संभावित ऊर्जा द्वारा निर्धारित की जाती हैं।
यह याद रखना चाहिए कि यदि भौतिक प्रणाली के किसी भी हिस्से की ऊर्जा स्थिति का सिस्टम की स्थूल स्थिति पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है, तो इसे ध्यान में नहीं रखा जाता है। उदाहरण के लिए, सामान्य परिस्थितियों में, परमाणु ऊर्जा भौतिक वस्तु की स्थिति में परिवर्तन के रूप में प्रकट नहीं होती है, इसलिए इसे ध्यान में रखने की आवश्यकता नहीं है। लेकिन उच्च तापमान और दबाव पर, यह पहले से ही करने की जरूरत है।
इस प्रकार, शरीर की आंतरिक ऊर्जा उसके कणों की गति और अंतःक्रिया की प्रकृति को दर्शाती है। इसका मतलब है कि यह शब्द "थर्मल एनर्जी" की अक्सर इस्तेमाल की जाने वाली अवधारणा का पर्याय है।
मोनैटोमिक गैसें, यानी जिनके परमाणु अणुओं में संयुक्त नहीं हैं, प्रकृति में मौजूद हैं - ये अक्रिय गैसें हैं। ऑक्सीजन, नाइट्रोजन या हाइड्रोजन जैसी गैसें ऐसी अवस्था में तभी मौजूद हो सकती हैं जब इस अवस्था के निरंतर नवीनीकरण के लिए बाहर से ऊर्जा खर्च की जाती है, क्योंकि उनके परमाणु रासायनिक रूप से सक्रिय होते हैं और एक अणु में संयोजित होते हैं।
कुछ आयतन के बर्तन में रखी एक एकपरमाणुक आदर्श गैस की ऊर्जा अवस्था पर विचार करें। यह सबसे सरल मामला है। हमें याद है कि आपस में और बर्तन की दीवारों के साथ परमाणुओं की विद्युत चुम्बकीय बातचीत, और, परिणामस्वरूप, उनकी संभावित ऊर्जा नगण्य है। अतः किसी गैस की आंतरिक ऊर्जा में उसके परमाणुओं की गतिज ऊर्जाओं का योग ही सम्मिलित होता है।
इसकी गणना किसी गैस में परमाणुओं की औसत गतिज ऊर्जा को उनकी संख्या से गुणा करके की जा सकती है। औसत ऊर्जा ई \u003d 3/2 x आर / एन ए एक्स टी के बराबर है, जहां आर सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है, एन ए एवोगैड्रो संख्या है, टी गैस का पूर्ण तापमान है। परमाणुओं की संख्या की गणना पदार्थ की मात्रा को अवोगाद्रो स्थिरांक से गुणा करके की जाती है। एक मोनोएटोमिक गैस की आंतरिक ऊर्जा U \u003d N A x m / M x 3/2 x R / N A x T \u003d 3/2 x m / M x RT के बराबर होगी। यहाँ m द्रव्यमान है और M गैस का दाढ़ द्रव्यमान है।
आइए मान लें कि गैस की रासायनिक संरचना और उसका द्रव्यमान हमेशा समान रहता है। इस मामले में, जैसा कि हमने प्राप्त सूत्र से देखा जा सकता है, आंतरिक ऊर्जा केवल गैस के तापमान पर निर्भर करती है। एक वास्तविक गैस के लिए, तापमान के अलावा, आयतन में परिवर्तन को ध्यान में रखना होगा, क्योंकि यह परमाणुओं की संभावित ऊर्जा को प्रभावित करता है।
आणविक गैसें
उपरोक्त सूत्र में, संख्या 3 एक मोनोएटोमिक कण की गति की स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या को दर्शाती है - यह अंतरिक्ष में निर्देशांक की संख्या से निर्धारित होती है: x, y, z। एक परमाणु गैस की स्थिति के लिए, यह आमतौर पर उदासीन होता है कि क्या इसके परमाणु घूमते हैं।
दूसरी ओर, अणु गोलाकार रूप से असममित होते हैं, इसलिए, आणविक गैसों की ऊर्जा अवस्था का निर्धारण करते समय, किसी को उनके घूमने की गतिज ऊर्जा को ध्यान में रखना चाहिए। द्विपरमाणुक अणु, अनुवाद की गति से जुड़ी स्वतंत्रता की सूचीबद्ध डिग्री के अलावा, दो परस्पर लंबवत अक्षों के चारों ओर घूमने से जुड़े हैं; बहुपरमाणुक अणुओं में घूर्णन के ऐसे तीन स्वतंत्र अक्ष होते हैं। नतीजतन, डायटोमिक गैसों के कणों को स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या f = 5 की विशेषता होती है, जबकि पॉलीएटोमिक अणुओं के लिए f = 6।
ऊष्मीय गति में निहित यादृच्छिकता के कारण, घूर्णी और अनुवादात्मक गति दोनों की सभी दिशाएँ बिल्कुल समान रूप से संभावित हैं। प्रत्येक प्रकार की गति द्वारा योगदान की गई औसत गतिज ऊर्जा समान होती है। इसलिए, हम f के मान को सूत्र में प्रतिस्थापित कर सकते हैं, जो हमें किसी भी आणविक संरचना की एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा की गणना करने की अनुमति देता है: U = f / 2 x m / M x RT।
बेशक, हम सूत्र से देखते हैं कि यह मान पदार्थ की मात्रा पर निर्भर करता है, अर्थात हमने कितनी और किस तरह की गैस ली, साथ ही इस गैस के अणुओं की संरचना पर भी। हालांकि, चूंकि हम द्रव्यमान और रासायनिक संरचना को नहीं बदलने के लिए सहमत हुए, हमें केवल तापमान को ध्यान में रखना होगा।
अब विचार करें कि U का मान गैस की अन्य विशेषताओं - आयतन, साथ ही दबाव से कैसे संबंधित है।
आंतरिक ऊर्जा और थर्मोडायनामिक अवस्था
तापमान, जैसा कि आप जानते हैं, सिस्टम की अवस्थाओं में से एक है (इस मामले में, गैस)। एक आदर्श गैस में, यह पीवी = एम / एम एक्स आरटी (तथाकथित क्लैपेरॉन-मेंडेलीव समीकरण) के संबंध में दबाव और मात्रा से संबंधित है। तापमान गर्मी ऊर्जा निर्धारित करता है। तो बाद वाले को अन्य राज्य मापदंडों के एक सेट के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। यह पिछली स्थिति के साथ-साथ इसे बदलने के तरीके के प्रति उदासीन है।
आइए देखें कि जब सिस्टम एक थर्मोडायनामिक अवस्था से दूसरे में जाता है तो आंतरिक ऊर्जा कैसे बदलती है। इस तरह के किसी भी संक्रमण में इसका परिवर्तन प्रारंभिक और अंतिम मूल्यों के बीच के अंतर से निर्धारित होता है। यदि कुछ मध्यवर्ती अवस्था के बाद प्रणाली अपनी मूल स्थिति में लौट आती है, तो यह अंतर शून्य के बराबर होगा।
मान लीजिए हमने टैंक में गैस को गर्म किया है (अर्थात हम उसमें अतिरिक्त ऊर्जा लेकर आए हैं)। गैस की थर्मोडायनामिक स्थिति बदल गई है: इसका तापमान और दबाव बढ़ गया है। यह प्रक्रिया वॉल्यूम को बदले बिना चलती है। हमारी गैस की आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि हुई है। उसके बाद, हमारी गैस ने आपूर्ति की गई ऊर्जा को अपनी मूल स्थिति में ठंडा कर दिया। इस तरह के एक कारक, उदाहरण के लिए, इन प्रक्रियाओं की गति, कोई फर्क नहीं पड़ेगा। ताप और शीतलन की किसी भी दर पर गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिणामी परिवर्तन शून्य होता है।
एक महत्वपूर्ण बिंदु यह है कि तापीय ऊर्जा का एक ही मूल्य एक नहीं, बल्कि कई थर्मोडायनामिक अवस्थाओं के अनुरूप हो सकता है।
तापीय ऊर्जा में परिवर्तन की प्रकृति
ऊर्जा बदलने के लिए काम करना होगा। कार्य स्वयं गैस द्वारा या बाहरी बल द्वारा किया जा सकता है।
पहले मामले में, कार्य के प्रदर्शन के लिए ऊर्जा का व्यय गैस की आंतरिक ऊर्जा के कारण होता है। उदाहरण के लिए, हमारे पास एक पिस्टन के साथ एक टैंक में संपीड़ित गैस थी। यदि पिस्टन जारी किया जाता है, तो विस्तारित गैस इसे उठाना शुरू कर देगी, काम कर रही है (इसके लिए उपयोगी होने के लिए, पिस्टन को किसी प्रकार का भार उठाने दें)। गुरुत्वाकर्षण और घर्षण बलों के खिलाफ काम पर खर्च की गई राशि से गैस की आंतरिक ऊर्जा घट जाएगी: यू 2 \u003d यू 1 - ए। इस मामले में, गैस का काम सकारात्मक है, क्योंकि बल की दिशा लागू होती है पिस्टन पिस्टन आंदोलन की दिशा के साथ मेल खाता है।
आइए पिस्टन को कम करना शुरू करें, गैस दबाव बल के खिलाफ और फिर से घर्षण बलों के खिलाफ काम करें। इस प्रकार, हम गैस को एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा की सूचना देंगे। यहां बाहरी ताकतों का काम पहले से ही सकारात्मक माना जाता है।
यांत्रिक कार्य के अलावा, गैस से ऊर्जा निकालने या उसे ऊर्जा प्रदान करने का एक तरीका भी है, जैसा कि हम पहले ही गैस को गर्म करने के उदाहरण में देख चुके हैं। गर्मी हस्तांतरण प्रक्रियाओं के दौरान गैस में स्थानांतरित ऊर्जा को गर्मी की मात्रा कहा जाता है। गर्मी हस्तांतरण तीन प्रकार के होते हैं: चालन, संवहन और विकिरण हस्तांतरण। आइए उन पर थोड़ा और विस्तार से विचार करें।
ऊष्मीय चालकता
तापीय गति के दौरान परस्पर टकराव के दौरान एक दूसरे को गतिज ऊर्जा स्थानांतरित करके उसके कणों द्वारा किए गए ऊष्मा विनिमय के लिए किसी पदार्थ की क्षमता तापीय चालकता है। यदि पदार्थ के एक निश्चित क्षेत्र को गर्म किया जाता है, अर्थात उसे एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा प्रदान की जाती है, तो कुछ समय बाद आंतरिक ऊर्जा, परमाणुओं या अणुओं के टकराव के माध्यम से, सभी कणों के बीच समान रूप से वितरित की जाएगी।
यह स्पष्ट है कि तापीय चालकता दृढ़ता से टकराव की आवृत्ति पर निर्भर करती है, और बदले में, कणों के बीच की औसत दूरी पर। इसलिए, एक गैस, विशेष रूप से एक आदर्श गैस, बहुत कम तापीय चालकता की विशेषता है, और इस संपत्ति का उपयोग अक्सर थर्मल इन्सुलेशन के लिए किया जाता है।
वास्तविक गैसों में, तापीय चालकता उन लोगों के लिए अधिक होती है जिनके अणु सबसे हल्के और एक ही समय में बहुपरमाणुक होते हैं। आणविक हाइड्रोजन इस स्थिति को सबसे बड़ी सीमा तक पूरा करता है, और रेडॉन, सबसे भारी मोनोएटोमिक गैस के रूप में, कम से कम सीमा तक। गैस जितनी विरल होती है, ऊष्मा का संवाहक उतना ही खराब होता है।
सामान्य तौर पर, एक आदर्श गैस के लिए तापीय चालकता द्वारा ऊर्जा का स्थानांतरण एक बहुत ही अक्षम प्रक्रिया है।
कंवेक्शन
संवहन जैसे गैस के लिए बहुत अधिक कुशल, जिसमें गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में परिसंचारी पदार्थ के प्रवाह के माध्यम से आंतरिक ऊर्जा वितरित की जाती है। गर्म गैस का निर्माण आर्किमिडीयन बल के कारण होता है, क्योंकि यह कम घनी होती है क्योंकि ऊपर की ओर बढ़ने वाली गर्म गैस को लगातार एक ठंडी गैस द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है - गैस प्रवाह का संचलन स्थापित होता है। इसलिए, कुशल सुनिश्चित करने के लिए, यानी संवहन के माध्यम से सबसे तेज़ हीटिंग, नीचे से गैस टैंक को गर्म करना आवश्यक है - जैसे पानी के साथ केतली।
यदि गैस से कुछ मात्रा में गर्मी को दूर करना आवश्यक है, तो रेफ्रिजरेटर को शीर्ष पर रखना अधिक कुशल है, क्योंकि जिस गैस ने रेफ्रिजरेटर को ऊर्जा दी है, वह गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में नीचे की ओर जाएगी।
गैस में संवहन का एक उदाहरण हीटिंग सिस्टम का उपयोग करके इनडोर वायु का ताप है (उन्हें कमरे में जितना संभव हो उतना कम रखा जाता है) या एयर कंडीशनर का उपयोग करके ठंडा करना, और प्राकृतिक परिस्थितियों में, थर्मल संवहन की घटना वायु द्रव्यमान की गति का कारण बनती है और मौसम और जलवायु को प्रभावित करता है।
गुरुत्वाकर्षण की अनुपस्थिति में (अंतरिक्ष यान में भारहीनता के साथ), संवहन, यानी वायु प्रवाह का संचलन स्थापित नहीं होता है। इसलिए अंतरिक्ष यान पर गैस बर्नर या माचिस जलाने का कोई मतलब नहीं है: गर्म दहन उत्पादों को ऊपर की ओर नहीं छोड़ा जाएगा, और आग के स्रोत को ऑक्सीजन की आपूर्ति की जाएगी, और लौ मर जाएगी।
दीप्तिमान स्थानांतरण
एक पदार्थ थर्मल विकिरण की क्रिया के तहत भी गर्म हो सकता है, जब परमाणु और अणु विद्युत चुम्बकीय क्वांटा-फोटॉन को अवशोषित करके ऊर्जा प्राप्त करते हैं। कम फोटॉन आवृत्तियों पर, यह प्रक्रिया बहुत कुशल नहीं है। याद रखें कि जब हम माइक्रोवेव ओवन खोलते हैं, तो हमें अंदर गर्म खाना मिलता है, लेकिन गर्म हवा नहीं। विकिरण की आवृत्ति में वृद्धि के साथ, विकिरण हीटिंग का प्रभाव बढ़ता है, उदाहरण के लिए, पृथ्वी के ऊपरी वायुमंडल में, अत्यधिक दुर्लभ गैस सौर पराबैंगनी द्वारा तीव्र रूप से गर्म और आयनित होती है।
विभिन्न गैसें ऊष्मा विकिरण को अलग-अलग डिग्री तक अवशोषित करती हैं। तो, पानी, मीथेन, कार्बन डाइऑक्साइड इसे काफी मजबूती से अवशोषित करते हैं। ग्रीनहाउस प्रभाव की घटना इसी संपत्ति पर आधारित है।
ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम
सामान्यतया, गैस (गर्मी हस्तांतरण) को गर्म करने के माध्यम से आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन भी गैस के अणुओं पर या बाहरी बल के माध्यम से उन पर काम करने के लिए नीचे आता है (जिसे उसी तरह से दर्शाया जाता है, लेकिन विपरीत संकेत के साथ ) एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण के इस तरीके में क्या काम होता है? ऊर्जा के संरक्षण का नियम हमें इस प्रश्न का उत्तर देने में मदद करेगा, अधिक सटीक रूप से, थर्मोडायनामिक सिस्टम के व्यवहार के संबंध में इसका संक्षिप्तीकरण - थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम।
कानून, या ऊर्जा के संरक्षण का सार्वभौमिक सिद्धांत, अपने सबसे सामान्यीकृत रूप में कहता है कि ऊर्जा शून्य से पैदा नहीं होती है और बिना किसी निशान के गायब नहीं होती है, बल्कि केवल एक रूप से दूसरे रूप में जाती है। एक थर्मोडायनामिक सिस्टम के संबंध में, इसे इस तरह से समझा जाना चाहिए कि सिस्टम द्वारा किए गए कार्य को सिस्टम (आदर्श गैस) को दी गई गर्मी की मात्रा और इसकी आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के बीच अंतर के रूप में व्यक्त किया जाता है। दूसरे शब्दों में, इस परिवर्तन के लिए और सिस्टम के संचालन के लिए गैस को प्रेषित गर्मी की मात्रा खर्च की जाती है।
सूत्रों के रूप में, इसे और अधिक सरलता से लिखा जाता है: dA = dQ - dU, और, तदनुसार, dQ = dU + dA।
हम पहले से ही जानते हैं कि ये मात्राएँ राज्यों के बीच संक्रमण के तरीके पर निर्भर नहीं करती हैं। इस संक्रमण की गति और, परिणामस्वरूप, दक्षता विधि पर निर्भर करती है।
ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के लिए, यह परिवर्तन की दिशा निर्धारित करता है: गर्मी को बाहर से अतिरिक्त ऊर्जा इनपुट के बिना एक ठंडे (और इसलिए कम ऊर्जावान) गैस से गर्म में स्थानांतरित नहीं किया जा सकता है। दूसरा नियम यह भी इंगित करता है कि काम करने के लिए सिस्टम द्वारा खर्च की गई ऊर्जा का हिस्सा अनिवार्य रूप से नष्ट हो जाता है, खो जाता है (गायब नहीं होता है, लेकिन अनुपयोगी रूप में बदल जाता है)।
थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं
एक आदर्श गैस की ऊर्जा अवस्थाओं के बीच संक्रमण के एक या दूसरे पैरामीटर में परिवर्तन के विभिन्न पैटर्न हो सकते हैं। विभिन्न प्रकार के संक्रमणों की प्रक्रियाओं में आंतरिक ऊर्जा भी अलग तरह से व्यवहार करेगी। आइए हम संक्षेप में ऐसी कई प्रकार की प्रक्रियाओं पर विचार करें।
- समस्थानिक प्रक्रिया आयतन में परिवर्तन के बिना आगे बढ़ती है, इसलिए, गैस काम नहीं करती है। गैस की आंतरिक ऊर्जा अंतिम और प्रारंभिक तापमान के बीच अंतर के एक फलन के रूप में बदलती है।
- समदाब रेखीय प्रक्रिया निरंतर दबाव पर होती है। गैस काम करती है, और इसकी तापीय ऊर्जा की गणना उसी तरह की जाती है जैसे पिछले मामले में।
- एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया को एक स्थिर तापमान की विशेषता होती है, और इसलिए, थर्मल ऊर्जा नहीं बदलती है। गैस द्वारा प्राप्त ऊष्मा की मात्रा पूरी तरह से कार्य करने में खर्च हो जाती है।
- एक रुद्धोष्म, या रुद्धोष्म, प्रक्रिया एक ऊष्मा-रोधक जलाशय में, बिना ऊष्मा अंतरण के गैस में होती है। काम केवल तापीय ऊर्जा की कीमत पर किया जाता है: dA = - dU। रुद्धोष्म संपीड़न के साथ, तापीय ऊर्जा बढ़ती है, विस्तार के साथ, यह तदनुसार घट जाती है।
विभिन्न आइसोप्रोसेस गर्मी इंजन के संचालन के अंतर्गत आते हैं। इस प्रकार, सिलेंडर में पिस्टन के चरम पदों पर गैसोलीन इंजन में आइसोकोरिक प्रक्रिया होती है, और इंजन के दूसरे और तीसरे स्ट्रोक एक रुद्धोष्म प्रक्रिया के उदाहरण हैं। तरलीकृत गैसों को प्राप्त करते समय, रुद्धोष्म विस्तार एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है - इसके लिए धन्यवाद, गैस संघनन संभव हो जाता है। गैसों में आइसोप्रोसेस, जिसके अध्ययन में कोई आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा की अवधारणा के बिना नहीं कर सकता, कई प्राकृतिक घटनाओं की विशेषता है और प्रौद्योगिकी की विभिन्न शाखाओं में उपयोग किया जाता है।
किसी भी शरीर या वस्तु में ऊर्जा होती है। उदाहरण के लिए, एक उड़ने वाले विमान या गिरती गेंद में यांत्रिक ऊर्जा होती है। बाहरी निकायों के साथ बातचीत के आधार पर, दो प्रकार की यांत्रिक ऊर्जा को प्रतिष्ठित किया जाता है: गतिज और क्षमता। काइनेटिक ऊर्जा उन सभी वस्तुओं के पास होती है जो किसी न किसी तरह से अंतरिक्ष में चलती हैं। यह एक हवाई जहाज, एक पक्षी, गेट पर उड़ने वाली गेंद, एक चलती कार आदि है। दूसरे प्रकार की यांत्रिक ऊर्जा संभावित है। यह ऊर्जा होती है, उदाहरण के लिए, जमीन के ऊपर एक उठा हुआ पत्थर या गेंद, एक संकुचित वसंत, आदि। इस मामले में, शरीर की गतिज ऊर्जा को संभावित ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है और इसके विपरीत।
विमानों, हेलीकॉप्टरों और हवाई जहाजों में गतिज ऊर्जा होती है
एक संपीड़ित वसंत में संभावित ऊर्जा होती है
एक उदाहरण पर विचार करें। कोच गेंद उठाता है और उसे अपने हाथों में रखता है। गेंद में स्थितिज ऊर्जा होती है। जब कोच गेंद को जमीन पर फेंकता है, तो उसमें गतिज ऊर्जा होती है जैसे वह उड़ती है। गेंद के उछलने के बाद तब तक ऊर्जा का प्रवाह भी होता है जब तक कि गेंद मैदान पर लेट नहीं जाती। इस मामले में गतिज और स्थितिज ऊर्जा दोनों शून्य के बराबर हैं। लेकिन साथ ही गेंद ने क्षेत्र के साथ बातचीत के कारण अणुओं की आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि की।
लेकिन शरीर के अणुओं की आंतरिक ऊर्जा भी होती है, उदाहरण के लिए, वही गेंद। जब तक हम इसे हिलाते या उठाते हैं, आंतरिक ऊर्जा नहीं बदलती है। आंतरिक ऊर्जा यांत्रिक क्रिया या गति पर निर्भर नहीं करती है, बल्कि केवल तापमान, एकत्रीकरण की स्थिति और अन्य विशेषताओं पर निर्भर करती है।
प्रत्येक शरीर में कई अणु होते हैं, उनमें गति की गतिज ऊर्जा और अंतःक्रिया की स्थितिज ऊर्जा दोनों हो सकते हैं। जिसमें आंतरिक ऊर्जाशरीर में सभी अणुओं की ऊर्जा का योग है।
शरीर की आंतरिक ऊर्जा को कैसे बदलें
आंतरिक ऊर्जा शरीर में अणुओं की गति की गति पर निर्भर करती है। वे जितनी तेजी से चलते हैं, शरीर की ऊर्जा उतनी ही अधिक होती है। यह आमतौर पर तब होता है जब शरीर गर्म होता है। यदि हम इसे ठंडा करते हैं, तो विपरीत प्रक्रिया होती है - आंतरिक ऊर्जा कम हो जाती है।
यदि हम एक पैन को आग (स्टोव) से गर्म करते हैं, तो हम इस वस्तु पर काम करते हैं और तदनुसार इसकी आंतरिक ऊर्जा को बदलते हैं।
आंतरिक ऊर्जा को दो मुख्य तरीकों से बदला जा सकता है।शरीर पर काम करनाहम इसकी आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाते हैं और इसके विपरीत, यदि शरीर काम करता है, तो इसकी आंतरिक ऊर्जा कम हो जाती है। आंतरिक ऊर्जा को बदलने का दूसरा तरीका हैगर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया।बता दें कि दूसरे वेरिएंट में बॉडी पर कोई काम नहीं किया गया है। इसलिए, उदाहरण के लिए, सर्दियों में एक कुर्सी गर्म होती है, एक गर्म बैटरी के बगल में खड़ी होती है। ऊष्मा का स्थानांतरण हमेशा उच्च तापमान वाले पिंडों से कम तापमान वाले पिंडों में होता है।
इस प्रकार, सर्दियों में, बैटरी से हवा गर्म होती है। आइए एक छोटा सा प्रयोग करते हैं जो आप घर पर कर सकते हैं। एक गिलास गर्म पानी लें और इसे ठंडे पानी के कटोरे या कंटेनर में रखें। थोड़ी देर बाद दोनों बर्तनों में पानी का तापमान समान हो जाएगा। यह गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया है, यानी बिना काम किए आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन। गर्मी हस्तांतरण तीन प्रकार के होते हैं: