“ఇది సార్వత్రిక విషయంతో కూడిన ఏకైక భౌతిక సిద్ధాంతం, దీని ప్రాథమిక భావనల వర్తింపు చట్రంలో, ఇది ఎప్పటికీ తిరస్కరించబడదని నేను ఖచ్చితంగా నమ్ముతున్నాను.”

ఆల్బర్ట్ ఐన్స్టీన్

మాలిక్యూల్స్ ద్వారా నిల్వ చేయబడిన రసాయన శక్తిని, మీథేన్ వంటి ఇంధనం, వంటి గ్యాస్ లేదా బొగ్గు గాలిలో మండినప్పుడు, రసాయన ప్రతిచర్యల సమయంలో వేడిగా విడుదల చేయవచ్చు. ఒక ఇంజిన్లో ఇంధనం మండినప్పుడు యాంత్రిక పని చేయడానికి లేదా డ్రై సెల్ వంటి గాల్వానిక్ సెల్ ద్వారా విద్యుత్ శక్తిని అందించడానికి రసాయన శక్తిని కూడా ఉపయోగించవచ్చు. అందువలన, శక్తి యొక్క వివిధ రూపాలు పరస్పరం సంబంధం కలిగి ఉంటాయి మరియు కొన్ని పరిస్థితుల్లో, ఇవి ఒక రూపం నుండి మరొక రూపంలోకి మార్చబడతాయి. ఈ శక్తి రూపాంతరాల అధ్యయనం థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క విషయాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. థర్మోడైనమిక్స్ నియమాలు కొన్ని అణువులను కలిగి ఉన్న సూక్ష్మ వ్యవస్థల కంటే పెద్ద సంఖ్యలో అణువులను కలిగి ఉన్న స్థూల వ్యవస్థల శక్తి మార్పులతో వ్యవహరిస్తాయి. థర్మోడైనమిక్స్ ఈ శక్తి రూపాంతరాలు ఎలా మరియు ఏ రేటులో నిర్వహించబడతాయో గురించి కాదు, కానీ మార్పును చెందుతున్న వ్యవస్థ యొక్క ప్రారంభ మరియు చివరి స్థితులపై ఆధారపడి ఉంటుంది. థర్మోడైనమిక్స్ నియమాలు ఒక వ్యవస్థ సమతౌల్య స్థితిలో ఉన్నప్పుడు లేదా ఒక సమతౌల్య స్థితి నుండి మరొక సమతౌల్య స్థితికి వెళ్ళినప్పుడు మాత్రమే వర్తిస్తాయి. సమతౌల్య స్థితిలో ఉన్న వ్యవస్థకు పీడనం మరియు ఉష్ణోగ్రత వంటి స్థూల లక్షణాలు సమయంతో మారవు. ఈ యూనిట్లో, మేము థర్మోడైనమిక్స్ ద్వారా కొన్ని ముఖ్యమైన ప్రశ్నలకు సమాధానం ఇవ్వాలనుకుంటున్నాము, ఇలా:

రసాయన ప్రతిచర్య/ప్రక్రియలో ఉన్న శక్తి మార్పులను మనం ఎలా నిర్ణయిస్తాము? ఇది జరుగుతుందో లేదో?

రసాయన ప్రతిచర్య/ప్రక్రియను ఏది నడిపిస్తుంది?

రసాయన ప్రతిచర్యలు ఎంత వరకు ముందుకు సాగుతాయి?

6.1 థర్మోడైనమిక్ పదాలు

మేము రసాయన ప్రతిచర్యలు మరియు వాటితో పాటు ఉండే శక్తి మార్పులపై ఆసక్తి కలిగి ఉన్నాము. దీని కోసం మనం కొన్ని థర్మోడైనమిక్ పదాలను తెలుసుకోవాలి. ఇవి క్రింద చర్చించబడ్డాయి.

6.1.1 వ్యవస్థ మరియు పరిసరాలు

థర్మోడైనమిక్స్లోని వ్యవస్థ విశ్వంలోని ఆ భాగాన్ని సూచిస్తుంది, దీనిలో పరిశీలనలు చేయబడతాయి మరియు మిగిలిన విశ్వం పరిసరాలను ఏర్పరుస్తుంది. పరిసరాలు వ్యవస్థ తప్ప మిగతా ప్రతిదీ కలిగి ఉంటాయి. వ్యవస్థ మరియు పరిసరాలు కలిసి విశ్వాన్ని ఏర్పరుస్తాయి.

విశ్వం $=$ వ్యవస్థ + పరిసరాలు

అయితే, వ్యవస్థలో జరుగుతున్న మార్పులతో వ్యవస్థ తప్ప మిగిలిన మొత్తం విశ్వం ప్రభావితం కాదు. అందువలన, అన్ని ఆచరణాత్మక ప్రయోజనాల కోసం, పరిసరాలు వ్యవస్థతో పరస్పర చర్య చేయగల మిగిలిన విశ్వంలోని భాగం. సాధారణంగా, వ్యవస్థ యొక్క పొరుగు ప్రాంతంలోని స్థలం దాని పరిసరాలను ఏర్పరుస్తుంది.

ఉదాహరణకు, మనం ఒక బీకర్లో ఉంచబడిన A మరియు B అనే రెండు పదార్థాల మధ్య ప్రతిచర్యను అధ్యయనం చేస్తుంటే, ప్రతిచర్య మిశ్రమాన్ని కలిగి ఉన్న బీకర్ వ్యవస్థ మరియు బీకర్ ఉంచబడిన గది పరిసరాలు (Fig. 6.1).

Fig. 6.1 వ్యవస్థ మరియు పరిసరాలు

వ్యవస్థను బీకర్ లేదా టెస్ట్ ట్యూబ్ వంటి భౌతిక సరిహద్దుల ద్వారా నిర్వచించవచ్చు, లేదా వ్యవస్థను సరళంగా ఒక నిర్దిష్ట వాల్యూమ్ను నిర్దేశించే కార్టీసియన్ కోఆర్డినేట్ల సమితి ద్వారా నిర్వచించవచ్చు. వ్యవస్థను నిజమైన లేదా ఊహాత్మకమైన గోడ ద్వారా పరిసరాల నుండి వేరు చేయడం గురించి ఆలోచించడం అవసరం. వ్యవస్థను పరిసరాల నుండి వేరు చేసే గోడను సరిహద్దు అంటారు. ఇది వ్యవస్థలోకి లేదా బయటకు పదార్థం మరియు శక్తి యొక్క అన్ని కదలికలను నియంత్రించడానికి మరియు ట్రాక్ చేయడానికి మాకు అనుమతించడానికి రూపొందించబడింది.

6.1.2 వ్యవస్థ యొక్క రకాలు

మేము, వ్యవస్థలోకి లేదా బయటకు పదార్థం మరియు శక్తి కదలికల ప్రకారం వ్యవస్థలను మరింత వర్గీకరిస్తాము.

1. ఓపెన్ సిస్టమ్

ఓపెన్ సిస్టమ్లో, వ్యవస్థ మరియు పరిసరాల మధ్య శక్తి మరియు పదార్థం మార్పిడి ఉంటుంది [Fig. 6.2 (a)]. ఓపెన్ బీకర్లో రియాక్టెంట్ల ఉనికి ఓపెన్ సిస్టమ్కు ఉదాహరణ[^0]. ఇక్కడ సరిహద్దు బీకర్ మరియు రియాక్టెంట్లను చుట్టుముట్టే ఊహాత్మక ఉపరితలం.

2. క్లోజ్డ్ సిస్టమ్

క్లోజ్డ్ సిస్టమ్లో, పదార్థం మార్పిడి లేదు, కానీ వ్యవస్థ మరియు పరిసరాల మధ్య శక్తి మార్పిడి సాధ్యమవుతుంది [Fig. 6.2 (b)]. కాండక్టింగ్ మెటీరియల్తో చేసిన క్లోజ్డ్ పాత్రలో రియాక్టెంట్ల ఉనికి, ఉదా., రాగి లేదా ఉక్కు, క్లోజ్డ్ సిస్టమ్కు ఉదాహరణ.

Fig. 6.2 ఓపెన్, క్లోజ్డ్ మరియు ఐసోలేటెడ్ సిస్టమ్లు.

3. ఐసోలేటెడ్ సిస్టమ్

ఐసోలేటెడ్ సిస్టమ్లో, వ్యవస్థ మరియు పరిసరాల మధ్య శక్తి లేదా పదార్థం మార్పిడి ఉండదు [Fig. 6.2 (c)]. థర్మోస్ ఫ్లాస్క్ లేదా ఏదైనా క్లోజ్డ్ ఇన్సులేటెడ్ పాత్రలో రియాక్టెంట్ల ఉనికి ఐసోలేటెడ్ సిస్టమ్కు ఉదాహరణ.

6.1.3 వ్యవస్థ యొక్క స్థితి

వ్యవస్థను దాని పీడనం $(p)$, ఘనపరిమాణం $(V)$ మరియు ఉష్ణోగ్రత $(T)$ వంటి ప్రతి లక్షణాన్ని మరియు వ్యవస్థ యొక్క కూర్పును పరిమాణాత్మకంగా పేర్కొనడం ద్వారా ఏదైనా ఉపయోగకరమైన గణనలు చేయడానికి వ్యవస్థను వివరించాలి. మార్పుకు ముందు మరియు తర్వాత దానిని పేర్కొనడం ద్వారా మనం వ్యవస్థను వివరించాలి. మీరు మీ ఫిజిక్స్ కోర్స్ నుండి గుర్తుకు తెస్తారు, మెకానిక్స్లోని వ్యవస్థ యొక్క స్థితి ఇచ్చిన సమయంలో, వ్యవస్థ యొక్క ప్రతి ద్రవ్యరాశి బిందువు యొక్క స్థానం మరియు వేగం ద్వారా పూర్తిగా నిర్దేశించబడుతుంది. థర్మోడైనమిక్స్లో, వ్యవస్థ యొక్క స్థితి యొక్క వేరొక మరియు చాలా సరళమైన భావన ప్రవేశపెట్టబడుతుంది. ఇది ప్రతి కణం యొక్క కదలిక యొక్క వివరణాత్మక జ్ఞానం అవసరం లేదు ఎందుకంటే, మేము వ్యవస్థ యొక్క సగటు కొలవగల లక్షణాలతో వ్యవహరిస్తాము. మేము స్థితి విధులు లేదా స్థితి వేరియబుల్స్ ద్వారా వ్యవస్థ యొక్క స్థితిని పేర్కొంటాము.

ఒక థర్మోడైనమిక్ వ్యవస్థ యొక్క స్థితి దాని కొలవగల లేదా స్థూల (బల్క్) లక్షణాల ద్వారా వివరించబడుతుంది. మనం ఒక వాయువు యొక్క స్థితిని దాని పీడనం ($p$), ఘనపరిమాణం $(V)$, ఉష్ణోగ్రత ($T$), పరిమాణం ($n$) మొదలైనవి ఉదహరించడం ద్వారా వివరించవచ్చు. $p, V, T$ వంటి వేరియబుల్స్ స్థితి వేరియబుల్స్ లేదా స్థితి విధులు అంటారు ఎందుకంటే వాటి విలువలు వ్యవస్థ యొక్క స్థితిపై మాత్రమే ఆధారపడి ఉంటాయి మరియు అది ఎలా చేరుకుంటుందో కాదు. వ్యవస్థ యొక్క స్థితిని పూర్తిగా నిర్వచించడానికి వ్యవస్థ యొక్క అన్ని లక్షణాలను నిర్వచించడం అవసరం లేదు; ఎందుకంటే కేవలం నిర్దిష్ట సంఖ్యలో లక్షణాలు స్వతంత్రంగా మార్చబడతాయి. ఈ సంఖ్య వ్యవస్థ యొక్క స్వభావంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఈ కనీస సంఖ్యలోని స్థూల లక్షణాలు స్థిరపడిన తర్వాత, మిగతావి స్వయంచాలకంగా నిర్దిష్ట విలువలను కలిగి ఉంటాయి. పరిసరాల స్థితిని ఎప్పటికీ పూర్తిగా పేర్కొనలేము; అదృష్టవశాత్తూ అలా చేయడం అవసరం లేదు.

6.1.4 స్థితి విధిగా అంతర్గత శక్తి

మన రసాయన వ్యవస్థ శక్తిని కోల్పోయినప్పుడు లేదా పొందినప్పుడు, వ్యవస్థ యొక్క మొత్తం శక్తిని సూచించే పరిమాణాన్ని మనం పరిచయం చేయాలి. ఇది రసాయన, విద్యుత్, యాంత్రిక లేదా మీరు భావించే ఏదైనా ఇతర రకం శక్తి కావచ్చు, వీటన్నింటి మొత్తం వ్యవస్థ యొక్క శక్తి. థర్మోడైనమిక్స్లో, మేము దానిని అంతర్గత శక్తి, $U$ అని పిలుస్తాము, ఇది మారవచ్చు, ఎప్పుడు

• వేడి వ్యవస్థలోకి లేదా బయటకు వెళుతుంది,
• పని వ్యవస్థపై లేదా ద్వారా చేయబడుతుంది,
• పదార్థం వ్యవస్థలోకి ప్రవేశిస్తుంది లేదా వదిలివేస్తుంది.

ఈ వ్యవస్థలు మీరు ఇప్పటికే సెక్షన్ 5.1.2లో అధ్యయనం చేసినట్లుగా తదనుగుణంగా వర్గీకరించబడతాయి.

(a) పని

ముందుగా పని చేయడం ద్వారా అంతర్గత శక్తిలో మార్పును పరిశీలిద్దాం. మేము థర్మోస్ ఫ్లాస్క్ లేదా ఇన్సులేటెడ్ బీకర్లో కొంత నీటిని కలిగి ఉన్న వ్యవస్థను తీసుకుంటాము. ఇది దాని సరిహద్దు ద్వారా వ్యవస్థ మరియు పరిసరాల మధ్య వేడి మార్పిడిని అనుమతించదు మరియు మేము ఈ రకమైన వ్యవస్థను అడియాబాటిక్ అని పిలుస్తాము. అటువంటి వ్యవస్థ యొక్క స్థితి మార్చబడే విధానాన్ని అడియాబాటిక్ ప్రక్రియ అని పిలుస్తాము. అడియాబాటిక్ ప్రక్రియ అనేది వ్యవస్థ మరియు పరిసరాల మధ్య వేడి బదిలీ లేని ప్రక్రియ. ఇక్కడ, వ్యవస్థ మరియు పరిసరాలను వేరు చేసే గోడను అడియాబాటిక్ గోడ అంటారు (Fig. 6.3).

Fig. 6.3 దాని సరిహద్దు ద్వారా వేడి బదిలీని అనుమతించని అడియాబాటిక్ వ్యవస్థ

వ్యవస్థపై కొంత పని చేయడం ద్వారా వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తిలో మార్పును తీసుకుందాం. వ్యవస్థ యొక్క ప్రారంభ స్థితిని స్థితి $\mathrm{A}$ మరియు దాని ఉష్ణోగ్రతను $T_{\mathrm{A}}$ అని పిలుద్దాం. స్థితి Aలో వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తిని $U_{\mathrm{A}}$ అని పిలుద్దాం. మేము వ్యవస్థ యొక్క స్థితిని రెండు వేర్వేరు మార్గాల్లో మార్చవచ్చు.

ఒక మార్గం: మేము కొంత యాంత్రిక పనిని చేస్తాము, $1 \mathrm{~kJ}$ అనుకుందాం, చిన్న పాడిల్స్ సెట్ను తిప్పడం ద్వారా మరియు తద్వారా నీటిని కలియబెట్టడం ద్వారా. కొత్త స్థితిని $B$ స్థితి మరియు దాని ఉష్ణోగ్రత, $T_{\mathrm{B}}$ అని పిలుద్దాం. ఇది $T_{\mathrm{B}}>T_{\mathrm{A}}$ మరియు ఉష్ణోగ్రతలో మార్పు, $\Delta T=T_{\mathrm{B}}-T_{\mathrm{A}}$ అని కనుగొనబడింది. స్థితి $\mathrm{B}$లో వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తిని $U_{\mathrm{B}}$ మరియు అంతర్గత శక్తిలో మార్పు, $\Delta U=U_{\mathrm{B}}-U_{\mathrm{A}}$ అని పిలుద్దాం.

రెండవ మార్గం: మేము ఇప్పుడు ఒక ఇమ్మర్షన్ రాడ్ సహాయంతో సమాన మొత్తంలో (అంటే, $1 \mathrm{~kJ}$) విద్యుత్ పనిని చేస్తాము మరియు ఉష్ణోగ్రత మార్పును గమనించండి. మేము ఉష్ణోగ్రతలో మార్పు మునుపటి కేసులో ఉన్నట్లే ఉందని కనుగొన్నాము, $T_{\mathrm{B}}-T_{\mathrm{A}}$ అనుకుందాం.

వాస్తవానికి, పై విధంగా చేసిన ప్రయోగాలు J. P. జౌల్ చేత 1840-50 మధ్య చేయబడ్డాయి మరియు వ్యవస్థపై చేసిన ఇచ్చిన పని మొత్తం, అది ఎలా చేయబడిందనే దానితో సంబంధం లేకుండా (మార్గం నిరపేక్షంగా) వ్యవస్థ యొక్క ఉష్ణోగ్రతలో మార్పు ద్వారా కొలవబడినట్లుగా, స్థితిలో అదే మార్పును ఉత్పత్తి చేసిందని చూపించగలిగాడు.

కాబట్టి, ఒక పరిమాణాన్ని నిర్వచించడం సరైనది, అంతర్గత శక్తి $U$, దీని విలువ వ్యవస్థ యొక్క స్థితికి లక్షణం, దీని ద్వారా స్థితి మార్పును తీసుకురావడానికి అవసరమైన అడియాబాటిక్ పని, $\mathrm{w_\text {ad }}$ ఒక స్థితిలో $U$ విలువ మరియు మరొక స్థితిలో ఉన్న విలువ మధ్య వ్యత్యాసానికి సమానం, $\Delta U$ అంటే,

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

అందువలన, అంతర్గత శక్తి, $U$, వ్యవస్థ యొక్క స్థితి విధి.

రసాయన థర్మోడైనమిక్స్లో IUPAC యొక్క సంప్రదాయాల ద్వారా. సానుకూల సంకేతం $w_{ad}$ వ్యవస్థపై పని చేసినప్పుడు సానుకూలంగా ఉంటుందని మరియు వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తి పెరుగుతుందని వ్యక్తపరుస్తుంది. అదేవిధంగా, పని వ్యవస్థ ద్వారా చేయబడితే, $w_{ad}$ ప్రతికూలంగా ఉంటుంది ఎందుకంటే వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తి తగ్గుతుంది.

మీరు కొన్ని ఇతర పరిచిత స్థితి విధుల పేర్లు చెప్పగలరా? ఇతర పరిచిత స్థితి విధులలో కొన్ని $V, p$, మరియు $T$. ఉదాహరణకు, మనం వ్యవస్థ యొక్క ఉష్ణోగ్రతను $25^{\circ} \mathrm{C}$ నుండి $35^{\circ} \mathrm{C}$కి మార్చినట్లయితే, ఉష్ణోగ్రతలో మార్పు $35^{\circ} \mathrm{C}-25^{\circ} \mathrm{C}=+10^{\circ} \mathrm{C}$, మనం నేరుగా $35^{\circ} \mathrm{C}$కి వెళ్తామా లేదా మనం వ్యవస్థను కొన్ని డిగ్రీలు చల్లబరిచి, తర్వాత వ్యవస్థను చివరి ఉష్ణోగ్రతకు తీసుకువెళ్తామా. అందువలన, $T$ ఒక స్థితి విధి మరియు ఉష్ణోగ్రతలో మార్పు తీసుకున్న మార్గంపై ఆధారపడి ఉండదు. ఉదాహరణకు, చెరువులోని నీటి ఘనపరిమాణం ఒక స్థితి విధి, ఎందుకంటే దాని నీటి ఘనపరిమాణంలో మార్పు నీరు చెరువులో నింపబడిన మార్గంపై ఆధారపడి ఉండదు, వర్షం ద్వారా లేదా ట్యూబ్వెల్ ద్వారా లేదా రెండింటి ద్వారా.

(b) వేడి

మేము పని ఖర్చు లేకుండా పరిసరాల నుండి వ్యవస్థకు లేదా దీనికి విరుద్ధంగా వేడి బదిలీ ద్వారా వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తిని కూడా మార్చవచ్చు. ఉష్ణోగ్రత వ్యత్యాసం ఫలితంగా ఈ శక్తి మార్పిడిని వేడి, $q$ అంటారు. మునుపటి సెక్షన్ 5.1 .4 (a)లో ఉన్నట్లుగా అదే ప్రారంభ మరియు చివరి స్థితులను అడియాబాటిక్ గోడలకు బదులుగా థర్మల్గా కండక్టింగ్ గోడల ద్వారా వేడి బదిలీ ద్వారా అదే ఉష్ణోగ్రత మార్పును (అదే ప్రారంభ మరియు చివరి స్థితులు) తీసుకురావడాన్ని పరిశీలిద్దాం (Fig. 6.4).

Fig. 6.4 దాని సరిహద్దు ద్వారా వేడి బదిలీని అనుమతించే వ్యవస్థ.

మేము ఉష్ణోగ్రత, $T_{\mathrm{A}}$ వద్ద నీటిని తీసుకుంటాము, థర్మల్గా కండక్టింగ్ గోడలు కలిగిన కంటైనర్లో, రాగితో చేసినవి అనుకుందాం మరియు దానిని ఉష్ణోగ్రత, $T_{\mathrm{B}}$ వద్ద భారీ హీట్ రిజర్వాయర్లో చుట్టుముట్టండి. వ్యవస్థ (నీరు) ద్వారా గ్రహించబడిన వేడి, $q$ ఉష్ణోగ్రత వ్యత్యాసం పరంగా కొలవవచ్చు, $T_{\mathrm{B}}-T_{\mathrm{A}}$. ఈ సందర్భంలో అంతర్గత శక్తిలో మార్పు, $\Delta U=q$, స్థిరమైన ఘనపరిమాణంలో ఎటువంటి పని చేయనప్పుడు.

రసాయన థర్మోడైనమిక్స్లో IUPAC యొక్క సంప్రదాయాల ద్వారా. $q$ సానుకూలంగా ఉంటుంది, వేడి పరిసరాల నుండి వ్యవస్థకు బదిలీ చేయబడినప్పుడు మరియు వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తి పెరుగుతుంది మరియు వేడి వ్యవస్థ నుండి పరిసరాలకు బదిలీ చేయబడినప్పుడు $q$ ప్రతికూలంగా ఉంటుంది, దీని ఫలితంగా వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తి తగ్గుతుంది.

• మునుపటి ప్రతికూల సంకేతం వ్యవస్థపై పని చేసినప్పుడు కేటాయించబడింది మరియు వ్యవస్థ ద్వారా పని చేసినప్పుడు సానుకూల సంకేతం. ఇది ఇప్పటికీ ఫిజిక్స్ పుస్తకాలలో అనుసరించబడుతుంది, అయినప్పటికీ IUPAC కొత్త సంకేత