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ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुप्रयोग

दोस्तों, आपका डिप्लोमा नोट्स में स्वागत है, आज के इस लेख में, मैं आपको ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुप्रयोग के बारे में जानकारी देने वाला हूं, इसके अनुप्रयोग को समझाने के लिए ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम पर भी संक्षिप्त टिप्पणी दी है, यदि आप जानकारी पाना चाहते हो तो पोस्ट को पूरा पढ़कर जानकारी प्राप्त कर सकते हो।

ऊर्जा, पदार्थ की तरह, हमेशा संरक्षित रहती है, जिसका अर्थ है कि इसे बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता है, लेकिन इसे एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित किया जा सकता है। आंतरिक ऊर्जा एक प्रणाली का थर्मोडायनामिक गुण है जो सिस्टम के अणुओं से जुड़ी ऊर्जा को संदर्भित करता है और इसमें गतिज और संभावित ऊर्जा दोनों शामिल हैं। 

जब भी कोई प्रणाली ऊष्मा, कार्य और आंतरिक ऊर्जा की परस्पर क्रिया के परिणामस्वरूप परिवर्तन से गुजरती है, तो इसके बाद ऊर्जा हस्तांतरण और रूपांतरण की एक श्रृंखला होती है। हालाँकि, इन एक्सचेंजों में कुल ऊर्जा में कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं हुआ है। इसी प्रकार, ऊष्मागतिकी का मौलिक नियम पुष्टि करता है कि ऊष्मा एक प्रकार की ऊर्जा है। इसका मतलब यह है कि थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएं ऊर्जा संरक्षण की अवधारणा द्वारा निर्देशित होती हैं। ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम को अक्सर ऊर्जा संरक्षण के नियम के रूप में जाना जाता है।

ऊष्मागतिकी का पहला नियम

संतुलन में एक थर्मोडायनामिक प्रणाली में एक अवस्था चर होता है जिसे आंतरिक ऊर्जा (E) के रूप में जाना जाता है। दो प्रणालियों के बीच आंतरिक ऊर्जा का अंतर सिस्टम में गर्मी हस्तांतरण और सिस्टम द्वारा किए गए कार्य के बीच के अंतर के बराबर है। ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुसार ब्रह्माण्ड की ऊर्जा स्थिर रहती है। इसका सिस्टम और पर्यावरण के बीच आदान-प्रदान किया जा सकता है, लेकिन इसे उत्पन्न या नष्ट नहीं किया जा सकता है। नियम मुख्य रूप से काम और गर्मी संचरण (Transmission) के कारण ऊर्जा अवस्था में परिवर्तन से संबंधित है। यह ऊर्जा संरक्षण की अवधारणा की पुनर्कल्पना करता है।

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुसार ऊष्मा एक प्रकार की ऊर्जा है, इसलिए ऊष्मागतिकी प्रक्रियाएँ ऊर्जा संरक्षण की अवधारणा द्वारा नियंत्रित होती हैं। परिणामस्वरूप, न तो गर्मी और न ही ठंडी ऊर्जा पैदा की जा सकती है और न ही नष्ट की जा सकती है। हालाँकि, इसे एक क्षेत्र से दूसरे क्षेत्र में ले जाया जा सकता है और अन्य प्रकार की ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है।

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का समीकरण इस प्रकार दिया गया है;

ΔU = q + W

जहां, ΔU सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन है, q सिस्टम और परिवेश (Surroundings) के बीच गर्मी हस्तांतरण (Heat Transfer) का बीजगणितीय योग है, W सिस्टम का उसके परिवेश (Surroundings) के साथ कार्य इंटरैक्शन है।

  1. एक पृथक प्रणाली (Isolated System) में ऊर्जा (E) हमेशा स्थिर रहती है।
  2. आंतरिक ऊर्जा एक प्रणाली गुण और एक बिंदु कार्य है। आंतरिक ऊर्जा एक व्यापक (mass-dependant) विशेषता है, जबकि विशिष्ट ऊर्जा एक संकीर्ण (mass-independan) विशेषता (Independent of mass) है।
  3. एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान (Temprature) का एक कार्य है।

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का महत्व

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम ऊर्जा संरक्षण के विचार पर आधारित है। यह इंगित करता है कि ऊर्जा को उत्पन्न या नष्ट नहीं किया जा सकता है, लेकिन यह बिना किसी ऊर्जा हानि के विभिन्न रूपों में परिवर्तित हो सकती है। जब कोई प्रणाली एक अवस्था से दूसरी अवस्था में ट्रांजीशन करती है, तो प्रक्रिया की प्रकृति से dQ और dW दोनों प्रभावित होते हैं। दूसरी ओर, dU सभी परिचालनों के लिए समान है। 

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम की सीमाएँ 

  • जब कोई सिस्टम थर्मोडायनामिक प्रक्रिया से गुजरता है, तो उसे नियम के अनुसार हमेशा एक सटीक ऊर्जा संतुलन बनाए रखना चाहिए। दूसरी ओर, पहला नियम उस प्रक्रिया या स्थिति में बदलाव की व्यवहार्यता प्रदान करने में विफल रहता है जिससे सिस्टम गुजरता है। 
  • उदाहरण के लिए, पहला नियम यह नहीं समझाता है कि जब किसी धातु की छड़ को एक सिरे पर गर्म किया जाता है, लेकिन दूसरे सिरे को नहीं, तो गर्मी गर्म सिरे से ठंडे सिरे की ओर स्थानांतरित क्यों होती है, और इसके विपरीत। 
  • पहला नियम केवल इस प्रक्रिया के दौरान हस्तांतरित ऊर्जा की मात्रा निर्धारित करता है। ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम विभिन्न प्रक्रियाओं की व्यवहार्यता के लिए एक बेंचमार्क के रूप में कार्य करता है।

एक बंद प्रणाली के लिए ऊष्मागतिकी का पहला नियम

एक बंद प्रणाली में किया गया कार्य लागू दबाव और लागू दबाव के कारण होने वाले आयतन परिवर्तन का उत्पाद होता है।

W = − PΔV

जहां P सिस्टम पर निरंतर बाहरी दबाव है, और ΔV सिस्टम के आयतन में परिवर्तन है। इसे विशेष रूप से दबाव-मात्रा कार्य कहा जाता है।

किसी सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा उसकी सीमा के पार होने वाले कार्य संपर्क की प्रतिक्रिया में बढ़ती या घटती है। 

जब सिस्टम पर कार्य किया जाता है तो आंतरिक ऊर्जा बढ़ती है और सिस्टम द्वारा कार्य किए जाने पर आंतरिक ऊर्जा घटती है। सिस्टम में इसके परिवेश (Surrounding) के साथ होने वाली कोई भी ऊष्मा अंतःक्रिया सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा को संशोधित करती है। हालाँकि, क्योंकि ऊर्जा स्थिर है (जैसा कि थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम द्वारा बताया गया है), आंतरिक ऊर्जा में कुल परिवर्तन हमेशा शून्य होता है। यदि सिस्टम ऊर्जा खो देता है, तो इसे पर्यावरण द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है। जब ऊर्जा किसी सिस्टम द्वारा अवशोषित की जाती है, तो इसका मतलब है कि ऊर्जा पर्यावरण द्वारा जारी की गई थी।

ΔU System = −ΔU Surroundings

जहां, ΔU System प्रणाली की कुल आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन है, और ΔU Surroundings आसपास की कुल ऊर्जा में परिवर्तन है।

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के अनुप्रयोग

इसके अनुप्रयोग निम्न प्रकार से हैं-

उबलने की प्रक्रिया (Boiling Process)

जब किसी तरल को गर्म किया जाता है, तो वह ऊष्मा को अवशोषित कर लेता है और इस प्रकार तरल का तापमान बढ़ जाता है। कुछ समय बाद, तरल एक ऐसी अवस्था में पहुँच जाता है, जब वह उबलने लगता है और अपनी अवस्था को तरल से वाष्प में बदल लेता है। तरल से वाष्प में चरण परिवर्तन के कारण आयतन बढ़ता है और कार्य पूरा होता है। चूंकि इस प्रक्रिया में काम और गर्मी शामिल है, इसलिए थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम लागू किया जा सकता है। इस प्रक्रिया में आंतरिक ऊर्जा परिवर्तित होती है और बिना नष्ट हुए एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित होकर ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम की सभी शर्तों को पूरा करती है।

आइसोथर्मल प्रक्रिया (Isothermal Process)

आइसोथर्मल प्रक्रिया के दौरान एक आदर्श गैस का तापमान स्थिर रहता है। इसका मतलब यह है कि सिस्टम को आपूर्ति की गई गर्मी का उपयोग पर्यावरण के विरुद्ध काम करने के लिए किया जाता है। इसलिए,

dQ = dU + dW 

⇒ dQ = dW

एक चक्रीय प्रक्रिया (A Cycle Process)

जैसा कि नाम से पता चलता है, यह एक ऐसी प्रक्रिया है जहां सिस्टम सभी मध्यवर्ती चरणों को पार करने के बाद अपनी मूल स्थिति में लौट आता है। इसलिए इसमें आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन शून्य होता है, इसलिए कोई भी ऊर्जा नष्ट नहीं होती है।

पिघलने की प्रक्रिया (Melting Process)

जब कोई ठोस पिघलकर द्रव बनता है तो उसकी आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है। माना m = द्रव का द्रव्यमान और L = ठोस की गुप्त ऊष्मा। सिस्टम द्वारा अवशोषित ऊष्मा की मात्रा, dQ = mL

थोड़ी मात्रा में विस्तार होता है, अर्थात, ΔV = 0 

⇒ dW = PΔV = 0 

इसलिए, 

dQ = dU + dW 

⇒ dU = mL

इस प्रकार, पिघलने की प्रक्रिया के दौरान आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है।

ताप इंजन (Heat Engines)

ऊष्मा इंजन प्रथम नियम का सबसे आम व्यावहारिक अनुप्रयोग है। तापीय ऊर्जा को ऊष्मा इंजनों के माध्यम से यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है और इसके विपरीत। अधिकांश ऊष्मा इंजन खुली प्रणालियाँ (Open Systems) हैं। ऊष्मा इंजन का मूल विचार कार्यशील तरल पदार्थ की ऊष्मा, आयतन और दबाव के बीच सहसंबंधों का उपयोग करता है। यह तरल पदार्थ आमतौर पर एक गैस है, हालांकि, कुछ मामलों में यह एक चक्र के दौरान गैस से तरल और वापस गैस में परिवर्तित हो सकता है।

जब किसी गैस को गर्म किया जाता है, तो वह फैलती है; फिर भी, जब वही गैस सीमित होती है, तो उसका दबाव बढ़ जाता है। यदि कारावास कक्ष (Confinement Chamber’s) की निचली दीवार चलती पिस्टन के शीर्ष पर है, तो यह दबाव पिस्टन की सतह पर एक बल लगाता है, जिससे यह नीचे की ओर बढ़ता है। इस गति का उपयोग पिस्टन के शीर्ष पर लगाए गए कुल बल को पिस्टन द्वारा तय की गई दूरी से गुणा करने के बराबर कार्य प्रदान करने के लिए किया जा सकता है।  

रेफ्रिजरेटर, एयर कंडीशनर, और ताप पंप

रेफ्रिजरेटर और ताप पंप यांत्रिक ऊर्जा परिवर्तक हैं जो यांत्रिक ऊर्जा को ऊष्मा में परिवर्तित करते हैं। इनमें से अधिकांश को बंद सिस्टम के रूप में वर्गीकृत किया गया है। जब किसी गैस को संपीडित किया जाता है तो उसका तापमान बढ़ जाता है। यह गर्म गैस फिर अपने परिवेश में गर्मी विकीर्ण कर सकती है। जब संपीड़ित गैस (Compressed Gas) को फैलने की अनुमति दी जाती है, तो इसका तापमान संपीड़न से पहले की तुलना में कम हो जाता है क्योंकि इसकी कुछ ऊष्मा ऊर्जा गर्म चक्र के दौरान हटा दी जाती है। उसके बाद, ठंडी गैस अपने आस-पास से ऊष्मा ऊर्जा को अवशोषित कर सकती है। यह एयर कंडीशनर का संचालन सिद्धांत है। एयर कंडीशनर ठंड उत्पन्न नहीं करते; बल्कि, वे गर्मी दूर करते हैं। एक यांत्रिक पंप काम कर रहे तरल पदार्थ को बाहर ले जाता है, जहां इसे संपीड़ित और गर्म किया जाता है। फिर गर्मी को बाहरी वातावरण में स्थानांतरित किया जाता है, आमतौर पर एयर-कूल्ड हीट एक्सचेंजर के माध्यम से। फिर इसे दूसरे हीट एक्सचेंजर के माध्यम से आंतरिक हवा से गर्मी लेने से पहले विस्तारित और ठंडा करने के लिए घर के अंदर पहुंचाया जाता है।