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ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम | सूत्र | सीमाएँ

हेलो दोस्तों, आज के इस लेख के माध्यम से आपको ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के बारे में जानकारी मिलेगी। यह होता क्या है? ऊष्मागतिकी के नियम की सीमाएं कितनी हैं और सूत्र के बारे में जानकारी पाना चाहते हो तो पोस्ट को पूरा पढ़कर जानकारी प्राप्त कर सकते हो।

ऊष्मागतिकी का पहला नियम ऊर्जा संरक्षण के नियम का अनुकूलन तीन प्रकार के ऊर्जा हस्तांतरण के बीच अंतर करता है, ऊष्मा, ऊष्मागतिकी (Thermodynamics) कार्य और पदार्थ स्थानांतरण से जुड़ी ऊर्जा।

यह प्रत्येक प्रकार के ऊर्जा हस्तांतरण को बॉडी की आंतरिक ऊर्जा की संपत्ति से भी जोड़ता है । ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम कहता है कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, हालाँकि इसे एक रूप से दूसरे रूप में स्थानांतरित किया जा सकता है। साथ ही, ऊष्मागतिकी के पहले नियम के अनुसार, ऊष्मा ऊर्जा का एक रूप है।

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम क्या है?

ऊष्मागतिकी का पहला नियम बताता है कि एक पृथक प्रणाली की कुल ऊर्जा स्थिर होती है। ऊर्जा को एक रूप से दूसरे रूप में बदला जा सकता है, लेकिन न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है।

आंतरिक ऊर्जा एक ऊष्मागतिकी प्रणाली में एक अवस्था चर (Variable) है जो संतुलन में है। दो प्रणालियों के बीच आंतरिक ऊर्जा का अंतर सिस्टम में गर्मी हस्तांतरण में सिस्टम द्वारा किए गए कार्य को घटाकर के बराबर है।

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुसार ब्रह्माण्ड की ऊर्जा नहीं बदलती। इसे सिस्टम और परिवेश के बीच स्थानांतरित किया जा सकता है, लेकिन इसे उत्पादित या नष्ट नहीं किया जा सकता है। नियम मुख्य रूप से काम और गर्मी संचरण के परिणामस्वरूप ऊर्जा की स्थिति से संबंधित है।

प्रथम नियम का अर्थ समझने में आपकी सहायता के लिए हम ऊष्मा इंजन (Heat Engine) के लोकप्रिय उदाहरण का उपयोग कर सकते हैं। हीट इंजन में थर्मल ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदल दिया जाता है, और यह प्रक्रिया उलट भी जाती है। अधिकांश ऊष्मा इंजनों को खुली प्रणालियों के रूप में वर्गीकृत किया गया है। एक ताप इंजन की प्राथमिक कार्य अवधारणा एक कार्यशील तरल पदार्थ, जो आम तौर पर एक गैस है, कि ऊष्मा, दबाव और मात्रा के बीच कई अंतःक्रियाओं का लाभ उठाना है। गैस का तरल में बदलना और फिर वापस गैस में बदलना कोई असामान्य बात नहीं है।

ऊष्मागतिकी प्रथम नियम का सूत्र

इस नियम के अनुसार, सिस्टम को आपूर्ति की गई कुछ ऊष्मा का उपयोग आंतरिक ऊर्जा को बदलने के लिए किया जाता है, जबकि शेष का उपयोग सिस्टम द्वारा कार्य करने के लिए किया जाता है। ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम की गणितीय अभिव्यक्ति इस प्रकार दी गई है -

ΔQ = ΔU + ΔW

जहां

ΔU प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन है,

ΔW सिस्टम द्वारा किया गया कार्य है, और

ΔQ सिस्टम को आपूर्ति की जाने वाली ऊष्मा है।

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम की सीमाएँ 

  1. ऊष्मागतिकी के पहले नियम की एक सीमा है कि यह ऊष्मा प्रवाह की दिशा के बारे में कुछ नहीं बताता है।
  2. प्रक्रिया को उलटना संभव नहीं है, ऊष्मा पूरी तरह से श्रम में परिवर्तित नहीं होती है। अगर सारी ऊष्मा को काम में बदलना संभव होता तो हम समुद्र के पानी से ऊष्मा निकालकर जहाज़ों को समुद्र के पार ले जा सकते थे।
  3. इससे इस बात में कोई अंतर नहीं पड़ता कि प्रक्रिया स्वतःस्फूर्त है या नहीं।

एक बंद प्रणाली के लिए ऊष्मागतिकी का पहला नियम

लगे दबाव का उत्पाद और लगे दबाव के परिणामस्वरूप होने वाला आयतन में परिवर्तन एक बंद प्रणाली के लिए किया गया कार्य है।

W = - P ΔV

जहां

P सिस्टम के निरंतर बाहरी दबाव को दर्शाता है, और

V आयतन परिवर्तन को दर्शाता है।

इसे दबाव-आयतन कार्य कहा जाता है ।

किसी सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा उसकी सीमा के पार होने वाली कार्य अंतःक्रियाओं की प्रतिक्रिया में बढ़ती या घटती है। जब सिस्टम पर काम किया जाता है, तो आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है, लेकिन जब सिस्टम पर काम किया जाता है तो यह घट जाती है। सिस्टम और उसके परिवेश (Surroundings) के बीच कोई भी ताप विनिमय सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा को बदल देता है। हालाँकि, आंतरिक ऊर्जा में कुल परिवर्तन हमेशा शून्य होता है क्योंकि ऊर्जा स्थिर रहती है (थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम के अनुसार)। यदि सिस्टम ऊर्जा खो देता है, तो यह आसपास के वातावरण द्वारा अवशोषित हो जाती है। यदि ऊर्जा को किसी प्रणाली में अवशोषित किया जाता है, तो ऊर्जा को पर्यावरण द्वारा जारी किया जाना चाहिए।

ΔU System = −ΔU Surroundings

जहां

ΔU प्रणाली प्रणाली की कुल आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन है, और

ΔU परिवेश परिवेश की कुल ऊर्जा में परिवर्तन है।