ऊर्जा विज्ञान का परिचय - पहला नियम और आंतरिक ऊर्जा

ऊर्जा विज्ञान का परिचय - पहला नियम और आंतरिक ऊर्जा#

ऊर्जा विज्ञान का पहला नियम#

परिभाषाएँ:

• ऊर्जा: काम करने की क्षमता।
• ऊष्मा: दो प्रणालियों के बीच अलग-अलग तापमान पर ऊर्जा का स्थानांतरण।
• काम: एक बल के कारण दूरी तक काम करने पर एक प्रणाली से दूसरी प्रणाली में ऊर्जा का स्थानांतरण।
• आंतरिक ऊर्जा: एक प्रणाली के भीतर के सभी कार्यक्षमता और स्थिरांक ऊर्जा का योग।

गणितीय रूपांतरण: ऊर्जा विज्ञान का पहला नियम कहता है कि एक पूर्ण विच्छिन्न प्रणाली की कुल ऊर्जा अचल रहती है। इसे इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है: $$\text{ΔE}_\text{int}=\text{Q}+\text{W}$$

• ∆Eint: आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन
• Q: प्रणाली में जोड़ी गई ऊष्मा
• W: प्रणाली द्वारा किया गया काम

चिह्न नियम:

• प्रणाली में जोड़ी गई ऊष्मा धनात्मक है, जबकि प्रणाली द्वारा खोयी गई ऊष्मा नकारात्मक है।
• प्रणाली द्वारा किया गया काम नकारात्मक है, जबकि प्रणाली पर किया गया काम धनात्मक है।

आंतरिक ऊर्जा#

परिभाषा:

आंतरिक ऊर्जा एक स्थिति फलन है जो केवल प्रणाली की वर्तमान स्थिति पर निर्भर करता है और उस स्थिति तक पहुँचने के लिए गए मार्ग पर नहीं।

अन्य ऊर्जा विज्ञानी चरों से संबंध:

• आंतरिक ऊर्जा दबाव (P), आयतन (V) और तापमान (T) द्वारा राशिफल के समीकरण से संबंधित है: $$\text{E}_\text{int} =\text{f(P, V, T)}$$
• एक आइडियल गैस के लिए, आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान पर निर्भर करता है। $$ \text{E}_\text{int} =\frac{3}{2}\text{nRT}$$ जहाँ n गैस के मोल की संख्या है और R आइडियल गैस स्थिरांक है।

ऊर्जा स्थानांतरण तंत्र:

• आंतरिक ऊर्जा को ऊष्मा प्रवाह और काम द्वारा प्रणालियों के बीच स्थानांतरित किया जा सकता है।
• ऊष्मा प्रवाह तब होता है जब दो अलग-अलग तापमान वाली प्रणालियाँ संपर्क में आती हैं। ऊष्मा गर्म प्रणाली से ठंडी प्रणाली की ओर प्रवाहित होती है।
• काम तब किया जाता है जब एक बल दूरी तक काम करती है। काम को एक प्रणाली पर या उस प्रणाली द्वारा किया जा सकता है।

ऊर्जा विज्ञानी प्रक्रियाओं में आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन

• अस्थिर दबाव (Isobaric): $$\text{ΔE} _\text{int} = \text{Q} _\text{p}-\text{PΔV}$$
• अस्थिर आयतन (Isochoric): $$\text{ΔE} _\text{int} =\text{Q} _\text{v}$$
• अस्थिर तापमान (Isothermal): $$\text{ΔE} _\text{int} =\text{W} _\text{rev}$$
• अधाउष्मिक (Adiabatic): $$\text{ΔE} _\text{int} = -\text{W} _\text{rev}$$

विशेष ऊष्मा 용량#

परिभाषा

एक पदार्थ की विशेष ऊष्मा 용량 वह ऊष्मा है जिसकी आवश्यकता होती है उस पदार्थ के एक ग्राम के तापमान को एक डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए।

विशेष ऊष्मा 용्यताओं के प्रकार:

• अस्थिर दबाव पर विशेष ऊष्मा 용्यता (Cp): इसे अस्थिर दबाव पर एक पदार्थ के एक ग्राम के तापमान को एक डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा के रूप में व्यक्त किया जाता है। $$C_ \text{p} =\left(\frac{\partial \text{Q} _\text{p}}\partial\text{T}\right) _\text{p}$$
• अस्थिर आयतन पर विशेष ऊष्मा 용्यता (Cv): इसे अस्थिर आयतन पर एक पदार्थ के एक ग्राम के तापमान को एक डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा के रूप में व्यक्त किया जाता है। $$C _\text{v} = \left(\frac{\partial \text{Q} _\text{v}}\partial\text{T}\right) _\text{V}$$

दुलूक-पेटिट का नियम:

दुलूक-पेटिट का नियम कहता है कि एक ठोस तत्व की विशेष ऊष्मा 용्यता कम से कम 25 J/mol K है रूम तापमान पर। इस नियम का उपयोग ठोस पदार्थों की विशेष ऊष्मा 용्यता का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है।

अधाउष्मिक प्रक्रियाएँ:#

परिभाषा: एक अधाउष्मिक प्रक्रिया वह प्रक्रिया है जिसमें प्रणाली और उसके परिवेश के बीच कोई ऊष्मा स्थानांतरण नहीं होता।

दबाव और आयतन के बीच संबंध: एक अधाउष्मिक प्रक्रिया के लिए, गैस के दबाव और आयतन इस समीकरण द्वारा संबंधित होते हैं:

$$\text{PV}^\gamma = \text{constant}$$ जहाँ γ विशेष ऊष्मा उपयोगों के अनुपात है (Cp/Cv)।

ऊष्माविज्ञान (Calorimetry):#

तकनीकें:

• बम ऊष्माविज्ञान: इस तकनीक का उपयोग एक पदार्थ के ज्वलन के ऊष्मा को उसे ऑक्सीजन भरे एक बंद अंश में जलाकर मापने के लिए करता है।
• अस्थिर आयतन ऊष्माविज्ञान: इस तकनीक का उपयोग एक प्रतिक्रिया के ऊष्मा को प्रतिक्रियाओं को एक बंद अंश में रखकर और तापमान परिवर्तन को मापकर करता है।

उष्माकी परिवर्तन का निर्धारण: एक रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए उष्माकी परिवर्तन निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके गणना किया जा सकता है: $$\Delta \text{H} =\text{Q}_\text{p}$$

हेस का नियम: हेस का नियम कहता है कि एक रासायनिक प्रतिक्रिया का उष्माकी परिवर्तन यहाँ तक कि प्रतिक्रिया एक चरण में या एक श्रृंखला के चरणों में होती है तब तक वही है। इस नियम का उपयोग जटिल प्रतिक्रियाओं के लिए उष्माकी परिवर्तन की गणना के लिए किया जा सकता है।

अभियांत्रिकी और भौतिक विज्ञानों में अनुप्रयोग#

अभियांत्रिकी अनुप्रयोग:

• कुशल ऊर्जा प्रणालियों का डिज़ाइन
• शीतलता चक्र
• ऊष्मा इंजन
• ऊर्जा संयंत्र

भौतिक विज्ञानों के अनुप्रयोग:

• ऊर्जा विज्ञानी प्रणालियों के व्यवहार को समझना
• गैसों और तरल पदार्थों के गुणों का भविष्यवाणी करना
• रासायनिक प्रतिक्रियाओं का विश्लेषण करना

ऊर्जा विज्ञान का परिचय - पहला नियम और आंतरिक ऊर्जा के विषय के उपविषयों का अध्ययन करके, छात्र ऊर्जा विज्ञान के मौलिक सिद्धांतों और उनके अभियांत्रिकी और भौतिक विज्ञानों के विभिन्न क्षेत्रों में अनुप्रयोगों के बारे में मजबूत आधार प्राप्त कर सकते हैं।