“તે એકમાત્ર સાર્વત્રિક સામગ્રીનો ભૌતિક સિદ્ધાંત છે જેના માટે હું આશ્વાસનપૂર્વક કહી શકું છું કે, તેના મૂળભૂત ખ્યાલોની લાગુ પડતી સીમામાં, તે ક્યારેય ઉથલાવી દેવામાં આવશે નહીં.”

આલ્બર્ટ આઇન્સ્ટાઇન

રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ દરમિયાન, જ્યારે મિથેન, રસોઈ ગેસ અથવા કોલસો જેવા બળતણ હવામાં બળે છે, ત્યારે અણુઓ દ્વારા સંગ્રહિત રાસાયણિક ઊર્જા ઉષ્મા તરીકે મુક્ત થઈ શકે છે. જ્યારે એન્જિનમાં બળતણ બળે છે ત્યારે રાસાયણિક ઊર્જાનો ઉપયોગ યાંત્રિક કાર્ય કરવા માટે પણ થઈ શકે છે અથવા ડ્રાય સેલ જેવી ગેલ્વેનિક સેલ દ્વારા વિદ્યુત ઊર્જા પૂરી પાડવા માટે પણ થઈ શકે છે. આમ, ઊર્જાના વિવિધ સ્વરૂપો પરસ્પર સંબંધિત છે અને ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં, આ એક સ્વરૂપમાંથી બીજા સ્વરૂપમાં રૂપાંતરિત થઈ શકે છે. આ ઊર્જા રૂપાંતરણોનો અભ્યાસ થર્મોડાયનેમિક્સનો વિષય બનાવે છે. થર્મોડાયનેમિક્સના નિયમો માઇક્રોસ્કોપિક સિસ્ટમો કે જેમાં થોડા અણુઓ હોય છે તેના બદલે મેક્રોસ્કોપિક સિસ્ટમો કે જેમાં મોટી સંખ્યામાં અણુઓ હોય છે તેની ઊર્જા પરિવર્તનો સાથે વ્યવહાર કરે છે. થર્મોડાયનેમિક્સ આ ઊર્જા રૂપાંતરણો કેવી રીતે અને કેટલા દરે કરવામાં આવે છે તેની ચિંતા કરતું નથી, પરંતુ તે પરિવર્તનથી પસાર થતી સિસ્ટમની પ્રારંભિક અને અંતિમ અવસ્થાઓ પર આધારિત છે. થર્મોડાયનેમિક્સના નિયમો ત્યારે જ લાગુ પડે છે જ્યારે સિસ્ટમ સંતુલનમાં હોય અથવા એક સંતુલન અવસ્થામાંથી બીજી સંતુલન અવસ્થામાં જાય. સંતુલન અવસ્થામાંની સિસ્ટમ માટે દબાણ અને તાપમાન જેવા મેક્રોસ્કોપિક ગુણધર્મો સમય સાથે બદલાતા નથી. આ એકમમાં, અમે થર્મોડાયનેમિક્સ દ્વારા કેટલાક મહત્વપૂર્ણ પ્રશ્નોના જવાબ આપવા માંગીએ છીએ, જેમ કે:

રાસાયણિક પ્રક્રિયા/પ્રક્રિયામાં સામેલ ઊર્જા પરિવર્તનો આપણે કેવી રીતે નક્કી કરીએ? તે થશે કે નહીં?

રાસાયણિક પ્રક્રિયા/પ્રક્રિયાને શું ચલાવે છે?

રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ કેટલી હદ સુધી આગળ વધે છે?

6.1 થર્મોડાયનેમિક શબ્દો

અમે રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ અને તેની સાથે સંકળાયેલા ઊર્જા પરિવર્તનોમાં રસ ધરાવીએ છીએ. આ માટે આપણે ચોક્કસ થર્મોડાયનેમિક શબ્દો જાણવાની જરૂર છે. આની ચર્ચા નીચે કરવામાં આવી છે.

6.1.1 સિસ્ટમ અને પરિસર

થર્મોડાયનેમિક્સમાં સિસ્ટમ એ બ્રહ્માંડના તે ભાગનો સંદર્ભ આપે છે જેમાં અવલોકનો લેવામાં આવે છે અને બાકીનું બ્રહ્માંડ પરિસર બનાવે છે. પરિસરમાં સિસ્ટમ સિવાયની બધી વસ્તુઓ સામેલ છે. સિસ્ટમ અને પરિસર મળીને બ્રહ્માંડ બનાવે છે.

બ્રહ્માંડ $=$ સિસ્ટમ + પરિસર

જો કે, સિસ્ટમ સિવાયનું સમગ્ર બ્રહ્માંડ સિસ્ટમમાં થતા ફેરફારોથી પ્રભાવિત થતું નથી. તેથી, બધી વ્યવહારિક દૃષ્ટિએ, પરિસર એ બાકીના બ્રહ્માંડનો તે ભાગ છે જે સિસ્ટમ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી શકે છે. સામાન્ય રીતે, સિસ્ટમના પડોશમાં જગ્યાનો પ્રદેશ તેનું પરિસર બનાવે છે.

ઉદાહરણ તરીકે, જો આપણે બીકરમાં રાખેલા બે પદાર્થો A અને B વચ્ચેની પ્રક્રિયાનો અભ્યાસ કરી રહ્યા છીએ, તો પ્રક્રિયા મિશ્રણ ધરાવતો બીકર સિસ્ટમ છે અને જે રૂમમાં બીકર રાખવામાં આવ્યો છે તે પરિસર છે (ફિગ. 6.1).

ફિગ. 6.1 સિસ્ટમ અને પરિસર

નોંધ કરો કે સિસ્ટમને ભૌતિક સીમાઓ દ્વારા વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય છે, જેમ કે બીકર અથવા ટેસ્ટ ટ્યુબ, અથવા સિસ્ટમને ફક્ત કાર્ટેશિયન કોઓર્ડિનેટ્સના સમૂહ દ્વારા વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય છે જે જગ્યામાં ચોક્કસ વોલ્યુમ સ્પષ્ટ કરે છે. સિસ્ટમને કોઈ પ્રકારની દિવાલ દ્વારા પરિસરથી અલગ ગણવાની જરૂર છે જે વાસ્તવિક અથવા કાલ્પનિક હોઈ શકે છે. સિસ્ટમને પરિસરથી અલગ કરતી દિવાલને સીમા કહેવામાં આવે છે. આ એવી રીતે રચાયેલ છે કે આપણે સિસ્ટમમાં અથવા બહાર પદાર્થ અને ઊર્જાની તમામ હિલચાલને નિયંત્રિત અને ટ્રેક કરી શકીએ.

6.1.2 સિસ્ટમના પ્રકારો

અમે, આગળ સિસ્ટમમાં અથવા બહાર પદાર્થ અને ઊર્જાની હિલચાલ અનુસાર સિસ્ટમોને વર્ગીકૃત કરીએ છીએ.

1. ઓપન સિસ્ટમ

ઓપન સિસ્ટમમાં, સિસ્ટમ અને પરિસર વચ્ચે ઊર્જા અને પદાર્થની આપ-લે થાય છે [ફિગ. 6.2 (a)]. ઓપન બીકરમાં રિએક્ટન્ટ્સની હાજરી ઓપન સિસ્ટમનું ઉદાહરણ છે[^0]. અહીં સીમા એ બીકર અને રિએક્ટન્ટ્સને ઘેરતી કાલ્પનિક સપાટી છે.

2. ક્લોઝ્ડ સિસ્ટમ

ક્લોઝ્ડ સિસ્ટમમાં, પદાર્થની આપ-લે થતી નથી, પરંતુ સિસ્ટમ અને પરિસર વચ્ચે ઊર્જાની આપ-લે શક્ય છે [ફિગ. 6.2 (b)]. વાહક સામગ્રી (ઉદાહરણ તરીકે, તાંબા અથવા સ્ટીલ) થી બનેલા બંધ પાત્રમાં રિએક્ટન્ટ્સની હાજરી ક્લોઝ્ડ સિસ્ટમનું ઉદાહરણ છે.

ફિગ. 6.2 ઓપન, ક્લોઝ્ડ અને આઇસોલેટેડ સિસ્ટમ.

3. આઇસોલેટેડ સિસ્ટમ

આઇસોલેટેડ સિસ્ટમમાં, સિસ્ટમ અને પરિસર વચ્ચે ઊર્જા અથવા પદાર્થની આપ-લે થતી નથી [ફિગ. 6.2 (c)]. થર્મોસ ફ્લાસ્ક અથવા અન્ય કોઈપણ બંધ ઇન્સ્યુલેટેડ પાત્રમાં રિએક્ટન્ટ્સની હાજરી આઇસોલેટેડ સિસ્ટમનું ઉદાહરણ છે.

6.1.3 સિસ્ટમની અવસ્થા

સિસ્ટમનું વર્ણન કરવું આવશ્યક છે જેથી તેના દબાણ $(p)$, વોલ્યુમ $(V)$ અને તાપમાન $(T)$ તેમજ સિસ્ટમની રચના જેવા દરેક ગુણધર્મોને માત્રાત્મક રીતે સ્પષ્ટ કરીને કોઈપણ ઉપયોગી ગણતરીઓ કરી શકાય. પરિવર્તન પહેલા અને પછી સિસ્ટમને સ્પષ્ટ કરીને આપણે તેનું વર્ણન કરવાની જરૂર છે. તમે તમારા ભૌતિકશાસ્ત્રના અભ્યાસક્રમમાંથી યાદ કરશો કે મિકેનિક્સમાં સિસ્ટમની અવસ્થા આપેલ સમયે, સિસ્ટમના દરેક દળ બિંદુની સ્થિતિ અને વેગ દ્વારા સંપૂર્ણપણે સ્પષ્ટ કરવામાં આવે છે. થર્મોડાયનેમિક્સમાં, સિસ્ટમની અવસ્થાની એક અલગ અને ઘણી સરળ ભાવના રજૂ કરવામાં આવી છે. દરેક કણની ગતિની વિગતવાર જાણકારીની જરૂર નથી કારણ કે, આપણે સિસ્ટમના સરેરાશ માપી શકાય તેવા ગુણધર્મો સાથે વ્યવહાર કરીએ છીએ. આપણે સિસ્ટમની અવસ્થાને અવસ્થા કાર્યો અથવા અવસ્થા ચલો દ્વારા સ્પષ્ટ કરીએ છીએ.

થર્મોડાયનેમિક સિસ્ટમની અવસ્થા તેના માપી શકાય તેવા અથવા મેક્રોસ્કોપિક (બલ્ક) ગુણધર્મો દ્વારા વર્ણવવામાં આવે છે. આપણે ગેસની અવસ્થાનું વર્ણન તેના દબાણ ($p$), વોલ્યુમ $(V)$, તાપમાન ($T$), જથ્થો ($n$) વગેરેનો ઉલ્લેખ કરીને કરી શકીએ છીએ. $p, V, T$ જેવા ચલોને અવસ્થા ચલો અથવા અવસ્થા કાર્યો કહેવામાં આવે છે કારણ કે તેમના મૂલ્યો ફક્ત સિસ્ટમની અવસ્થા પર આધારિત હોય છે અને તે કેવી રીતે પ્રાપ્ત થાય છે તેના પર નથી. સિસ્ટમની અવસ્થાને સંપૂર્ણ રીતે વ્યાખ્યાયિત કરવા માટે સિસ્ટમના તમામ ગુણધર્મોને વ્યાખ્યાયિત કરવાની જરૂર નથી; કારણ કે ફક્ત ચોક્કસ સંખ્યાના ગુણધર્મો સ્વતંત્ર રીતે બદલી શકાય છે. આ સંખ્યા સિસ્ટમની પ્રકૃતિ પર આધારિત છે. એકવાર આ ન્યૂનતમ સંખ્યાના મેક્રોસ્કોપિક ગુણધર્મો નિશ્ચિત થઈ જાય, તો અન્ય આપમેળે નિશ્ચિત મૂલ્યો ધરાવે છે. પરિસરની અવસ્થાને ક્યારેય સંપૂર્ણ રીતે સ્પષ્ટ કરી શકાતી નથી; સદભાગ્યે તે કરવું જરૂરી નથી.

6.1.4 અવસ્થા કાર્ય તરીકે આંતરિક ઊર્જા

જ્યારે આપણે આપણી રાસાયણિક સિસ્ટમ દ્વારા ઊર્જા ગુમાવવા અથવા મેળવવા વિશે વાત કરીએ છીએ, ત્યારે આપણે એક જથ્થાનો પરિચય કરાવવાની જરૂર છે જે સિસ્ટમની કુલ ઊર્જાનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. તે રાસાયણિક, વિદ્યુત, યાંત્રિક અથવા તમે વિચારી શકો તે કોઈપણ અન્ય પ્રકારની ઊર્જા હોઈ શકે છે, આ બધાનો સરવાળો સિસ્ટમની ઊર્જા છે. થર્મોડાયનેમિક્સમાં, આપણે તેને આંતરિક ઊર્જા, $U$ કહીએ છીએ, જે બદલાઈ શકે છે, જ્યારે

• ઉષ્મા સિસ્ટમમાં પ્રવેશે છે અથવા બહાર નીકળે છે,
• સિસ્ટમ પર કાર્ય કરવામાં આવે છે અથવા સિસ્ટમ દ્વારા કાર્ય કરવામાં આવે છે,
• પદાર્થ સિસ્ટમમાં પ્રવેશે છે અથવા છોડે છે.

આ સિસ્ટમો તમે પહેલાથી જ વિભાગ 5.1.2 માં અભ્યાસ કર્યો છે તે મુજબ તે મુજબ વર્ગીકૃત થયેલ છે.

(a) કાર્ય

ચાલો પહેલા કાર્ય કરીને આંતરિક ઊર્જામાં ફેરફારની તપાસ કરીએ. અમે થર્મોસ ફ્લાસ્ક અથવા ઇન્સ્યુલેટેડ બીકરમાં પાણીની ચોક્કસ માત્રા ધરાવતી સિસ્ટમ લઈએ છીએ. આ તેની સીમા દ્વારા સિસ્ટમ અને પરિસર વચ્ચે ઉષ્માની આપ-લે થવા દેશે નહીં અને અમે આ પ્રકારની સિસ્ટમને એડિયાબેટિક કહીએ છીએ. જે રીતે આવી સિસ્ટમની અવસ્થા બદલાઈ શકે છે તેને એડિયાબેટિક પ્રક્રિયા કહેવામાં આવશે. એડિયાબેટિક પ્રક્રિયા એ એવી પ્રક્રિયા છે જેમાં સિસ્ટમ અને પરિસર વચ્ચે ઉષ્માનું સ્થાનાંતરણ થતું નથી. અહીં, સિસ્ટમ અને પરિસરને અલગ કરતી દિવાલને એડિયાબેટિક દિવાલ કહેવામાં આવે છે (ફિગ. 6.3).

ફિગ. 6.3 એક એડિયાબેટિક સિસ્ટમ જે તેની સીમા દ્વારા ઉષ્માનું સ્થાનાંતરણ મંજૂર રાખતી નથી

ચાલો તેના પર કેટલાક કાર્ય કરીને સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જામાં ફેરફાર લાવીએ. ચાલો સિસ્ટમની પ્રારંભિક અવસ્થાને અવસ્થા $\mathrm{A}$ અને તેના તાપમાનને $T_{\mathrm{A}}$ કહીએ. અવસ્થા A માં સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જાને $U_{\mathrm{A}}$ કહેવા દો. આપણે સિસ્ટમની અવસ્થાને બે અલગ અલગ રીતે બદલી શકીએ છીએ.

એક રસ્તો: આપણે કેટલાક યાંત્રિક કાર્ય કરીએ છીએ, $1 \mathrm{~kJ}$ કહો, નાના પૅડલ્સના સમૂહને ફેરવીને અને ત્યાંથી પાણીને ફેંટવાથી. નવી અવસ્થાને $B$ અવસ્થા કહેવા દો અને તેનું તાપમાન, $T_{\mathrm{B}}$ તરીકે. તે જોવા મળે છે કે $T_{\mathrm{B}}>T_{\mathrm{A}}$ અને તાપમાનમાં ફેરફાર, $\Delta T=T_{\mathrm{B}}-T_{\mathrm{A}}$. અવસ્થા $\mathrm{B}$ માં સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જા $U_{\mathrm{B}}$ અને આંતરિક ઊર્જામાં ફેરફાર, $\Delta U=U_{\mathrm{B}}-U_{\mathrm{A}}$ હોવા દો.

બીજો રસ્તો: હવે આપણે એક ઇમર્શન રોડની મદદથી સમાન માત્રામાં (એટલે કે, $1 \mathrm{~kJ}$) વિદ્યુત કાર્ય કરીએ છીએ અને તાપમાનમાં ફેરફાર નોંધીએ છીએ. અમે જોયું છે કે તાપમાનમાં ફેરફાર પહેલાના કિસ્સાની જેમ જ છે, $T_{\mathrm{B}}-T_{\mathrm{A}}$ કહો.

હકીકતમાં, ઉપરોક્ત રીતે પ્રયોગો જે. પી. જૌલ દ્વારા 1840-50 દરમિયાન કરવામાં આવ્યા હતા અને તે બતાવવામાં સક્ષમ હતા કે સિસ્ટમ પર કરવામાં આવેલ કાર્યની આપેલ માત્રા, ભલે તે કેવી રીતે કરવામાં આવ્યું હોય (માર્ગથી સ્વતંત્ર) સમાન અવસ્થા પરિવર્તન ઉત્પન્ન કરે છે, જે સિસ્ટમના તાપમાનમાં ફેરફાર દ્વારા માપવામાં આવે છે.

તેથી, એક જથ્થાને વ્યાખ્યાયિત કરવું યોગ્ય લાગે છે, આંતરિક ઊર્જા $U$, જેનું મૂલ્ય સિસ્ટમની અવસ્થાનું લાક્ષણિક છે, જેના દ્વારા અવસ્થા પરિવર્તન લાવવા માટે જરૂરી એડિયાબેટિક કાર્ય, $\mathrm{w_\text {ad }}$ એ એક અવસ્થામાં $U$ ના મૂલ્ય અને બીજી અવસ્થામાંના મૂલ્ય વચ્ચેના તફાવત જેટલું છે, $\Delta U$ એટલે કે,

$$ \Delta U=U_{2}-U_{1}=\mathrm{w_\mathrm{ad}} $$

તેથી, આંતરિક ઊર્જા, $U$, સિસ્ટમનું અવસ્થા કાર્ય છે.

રાસાયણિક થર્મોડાયનેમિક્સમાં IUPAC ના સંમેલનો દ્વારા. સકારાત્મક ચિહ્ન દર્શાવે છે કે $w_{ad}$ જ્યારે સિસ્ટમ પર કાર્ય કરવામાં આવે છે ત્યારે સકારાત્મક હોય છે અને સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જા વધે છે. તે જ રીતે, જો કાર્ય સિસ્ટમ દ્વારા કરવામાં આવે છે, તો $w_{ad}$ નકારાત્મક હશે કારણ કે સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જા ઘટે છે.

શું તમે અન્ય કેટલાક પરિચિત અવસ્થા કાર્યોના નામ આપી શકો છો? અન્ય કેટલાક પરિચિત અવસ્થા કાર્યો $V, p$, અને $T$ છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો આપણે સિસ્ટમના તાપમાનમાં $25^{\circ} \mathrm{C}$ થી $35^{\circ} \mathrm{C}$ સુધી ફેરફાર લાવીએ, તો તાપમાનમાં ફેરફાર $35^{\circ} \mathrm{C}-25^{\circ} \mathrm{C}=+10^{\circ} \mathrm{C}$ છે, ભલે આપણે સીધા $35^{\circ} \mathrm{C}$ પર જઈએ અથવા આપણે સિસ્ટમને થોડા ડિગ્રી સુધી ઠંડુ કરીએ, પછી સિસ્ટમને અંતિમ તાપમાન પર લઈ જઈએ. આમ, $T$ એક અવસ્થા કાર્ય છે અને તાપમાનમાં ફેરફાર લેવામાં આવેલા માર્ગથી સ્વતંત્ર છે. ઉદાહરણ તરીકે, તળાવમાં પાણીનું પ્રમાણ એક અવસ્થા કાર્ય છે, કારણ કે તેના પાણીના જથ્થામાં ફેરફાર એ માર્ગથી સ્વતંત્ર છે જેના દ્વારા પાણી તળાવમાં ભરવામાં આવે છે, ભલે તે વરસાદ દ્વારા અથવા ટ્યુબવેલ દ્વારા અથવા બંને દ્વારા.

(b) ઉષ્મા

આપણે કાર્યના ખર્ચ વિના પરિસરથી સિસ્ટમમાં અથવા તેનાથી વિપરીત ઉષ્માના સ્થાનાંતરણ દ્વારા સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જા પણ બદલી શકીએ છીએ. ઊર્જાની આ આપ-લે, જે તાપમાનના તફાવતનું પરિણામ છે, તેને ઉષ્મા, $q$ કહેવામાં આવે છે. ચાલો એડિયાબેટિક દિવાલોને બદલે થર્મલી કન્ડક્ટિંગ દિવાલો દ્વારા ઉષ્મા સ્થાનાંતરણ દ્વારા તાપમાનમાં સમાન ફેરફાર લાવવાનું વિચારીએ (વિભાગ 5.1 .4 (a) માં પહેલાની જેમ સમાન પ્રારંભિક અને અંતિમ અવસ્થાઓ) (ફિગ. 6.4).

ફિગ. 6.4 એક સિસ્ટમ જે તેની સીમા દ્વારા ઉષ્મા સ્થાનાંતરણ મંજૂર રાખે છે.

આપણે તાપમાન, $T_{\mathrm{A}}$ પર પાણી લઈએ છીએ જેમાં થર્મલી કન્ડક્ટિંગ દિવાલો હોય છે, તાંબાની બનેલી કહો અને તેને તાપમાન, $T_{\mathrm{B}}$ પર એક વિશાળ હીટ રિઝર્વોયરમાં બંધ કરો. સિસ્ટમ (પાણી) દ્વારા શોષાયેલી ઉષ્મા, $q$ ને તાપમાનના તફાવત, $T_{\mathrm{B}}-T_{\mathrm{A}}$ ના સંદર્ભમાં માપી શકાય છે. આ કિસ્સામાં આંતરિક ઊર્જામાં ફેરફાર, $\Delta U=q$, જ્યારે કોઈ કાર્ય સતત વોલ્યુમ પર કરવામાં આવતું નથી.

રાસાયણિક થર્મોડાયનેમિક્સમાં IUPAC ના સંમેલનો દ્વારા. $q$ સકારાત્મક હોય છે, જ