థర్మోడైనమిక్స్

థర్మోడైనమిక్స్#

థర్మోడైనమిక్స్ అనేది భౌతిక శాస్త్రంలోని ఒక శాఖ, ఇది వేడి మరియు ఇతర రూపాలతో దాని సంబంధాన్ని, శక్తి ఎలా బదిలీ చేయబడుతుంది మరియు రూపాంతరం చెందుతుంది మరియు అది పదార్థం యొక్క స్థూల లక్షణాలను ఎలా ప్రభావితం చేస్తుంది అనే దానితో వ్యవహరిస్తుంది. థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క నాలుగు నియమాలు ఈ ప్రక్రియలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఒక ఫ్రేమ్వర్క్ను అందిస్తాయి.

మొదటి నియమం శక్తి నిత్యత్వ నియమాన్ని వివరిస్తుంది. రెండవ నియమం ఎంట్రోపీ మరియు స్వయంస్పూర్తి ప్రక్రియల దిశను వివరిస్తుంది. మూడవ నియమం సంపూర్ణ సున్నా వద్ద పరమాణు నిర్మాణానికి సంబంధించినది. నాల్గవ నియమం ఉష్ణోగ్రత సంపూర్ణ సున్నాను సమీపించినప్పుడు ఒక వ్యవస్థ యొక్క ఎంట్రోపీ స్థిరమైన విలువను సమీపిస్తుందని పేర్కొంటుంది.

ఈ నియమాలు విశ్వం గురించి మన అవగాహనకు ముఖ్యమైన అంతర్సంబంధాలను కలిగి ఉన్నాయి. ఉదాహరణకు, థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క రెండవ నియమం విశ్వం నిరంతరం మరింత అస్తవ్యస్తంగా మారుతుందని మరియు చివరికి అన్ని నక్షత్రాలు కాలిపోయి విశ్వం గరిష్ట ఎంట్రోపీ స్థితిని చేరుకుంటుందని మనకు తెలియజేస్తుంది.

థర్మోడైనమిక్స్ అంటే ఏమిటి?#

థర్మోడైనమిక్స్ అంటే ఏమిటి?

థర్మోడైనమిక్స్ అనేది భౌతిక శాస్త్రంలోని ఒక శాఖ, ఇది వేడి మరియు ఇతర రూపాల శక్తితో దాని సంబంధాన్ని వ్యవహరిస్తుంది. ఇది ఇంజనీరింగ్, రసాయన శాస్త్రం, జీవశాస్త్రం మరియు పర్యావరణ శాస్త్రం వంటి అనేక రంగాలలో అనువర్తనాలను కలిగి ఉన్న ఒక ప్రాథమిక శాస్త్రం.

థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క ప్రాథమిక సూత్రాలు థర్మోడైనమిక్స్ నియమాలపై ఆధారపడి ఉంటాయి, ఇవి భౌతిక వ్యవస్థలలో వేడి మరియు శక్తి ఎలా ప్రవర్తిస్తాయో వివరిస్తాయి. థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క నాలుగు నియమాలు:

• థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క జీరో నియమం: రెండు వ్యవస్థలు మూడవ వ్యవస్థతో ఉష్ణ సమతాపన స్థితిలో ఉంటే, అప్పుడు అవి ఒకదానితో ఒకటి ఉష్ణ సమతాపన స్థితిలో ఉంటాయి.
• థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క మొదటి నియమం: శక్తిని సృష్టించలేము లేదా నాశనం చేయలేము, కానీ దానిని ఒక రూపం నుండి మరొక రూపానికి బదిలీ చేయవచ్చు.
• థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క రెండవ నియమం: ఒక వివిక్త వ్యవస్థ యొక్క ఎంట్రోపీ కాలక్రమేణా ఎల్లప్పుడూ పెరుగుతుంది.
• థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క మూడవ నియమం: సంపూర్ణ సున్నా వద్ద ఉన్న ఖచ్చితమైన స్ఫటికం యొక్క ఎంట్రోపీ సున్నా.

ఈ నియమాలు భౌతిక వ్యవస్థలలో వేడి మరియు శక్తి ఎలా ప్రవహిస్తాయో అర్థం చేసుకోవడానికి ఒక ఫ్రేమ్వర్క్ను అందిస్తాయి. వేడి యంత్రాల పనితీరు, శీతలీకరణ వ్యవస్థల రూపకల్పన మరియు రసాయన ప్రతిచర్యల అధ్యయనం వంటి వివిధ పరిస్థితుల్లో వ్యవస్థల ప్రవర్తనను అంచనా వేయడానికి వాటిని ఉపయోగించవచ్చు.

థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క ఉదాహరణలు

వివిధ రంగాలలో థర్మోడైనమిక్స్ ఎలా వర్తింపజేయబడుతుందో ఇక్కడ కొన్ని ఉదాహరణలు:

• ఇంజనీరింగ్: వేడిని పనిగా లేదా పనిని వేడిగా మార్చే వేడి యంత్రాలు, శీతలీకరణ వ్యవస్థలు మరియు ఇతర పరికరాలను రూపకల్పన చేయడానికి మరియు ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి థర్మోడైనమిక్స్ ఉపయోగించబడుతుంది.
• రసాయన శాస్త్రం: రసాయన ప్రతిచర్యలను అధ్యయనం చేయడానికి మరియు రసాయన వ్యవస్థల సమతౌల్య కూర్పును అంచనా వేయడానికి థర్మోడైనమిక్స్ ఉపయోగించబడుతుంది.
• జీవశాస్త్రం: కణాలు మరియు జీవుల శక్తి జీవక్రియను అధ్యయనం చేయడానికి మరియు జీవ వ్యవస్థలు హోమియోస్టేసిస్ను ఎలా నిర్వహిస్తాయో అర్థం చేసుకోవడానికి థర్మోడైనమిక్స్ ఉపయోగించబడుతుంది.
• పర్యావరణ శాస్త్రం: పర్యావరణంలో వేడి మరియు శక్తి బదిలీని అధ్యయనం చేయడానికి మరియు వాతావరణంపై మానవ కార్యకలాపాల ప్రభావాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి థర్మోడైనమిక్స్ ఉపయోగించబడుతుంది.

థర్మోడైనమిక్స్ అనేది ప్రకృతి లోకంలోని వివిధ దృగ్విషయాలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఉపయోగించే శక్తివంతమైన సాధనం. ఇది అనేక రంగాలలో అనువర్తనాలను కలిగి ఉన్న ఒక ప్రాథమిక శాస్త్రం మరియు ఇది పరిశోధన యొక్క చురుకైన ప్రాంతంగా కొనసాగుతోంది.

JEE మెయిన్ కోసం థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క ద్రుత పునరావలోకనం

సంక్షిప్త గమనికలు

• థర్మోడైనమిక్స్ అనేది భౌతిక శాస్త్రంలోని ఒక శాఖ, ఇది వేడి మరియు ఇతర రూపాల శక్తితో దాని సంబంధాన్ని వ్యవహరిస్తుంది.
• థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క మొదటి నియమం శక్తిని సృష్టించలేము లేదా నాశనం చేయలేము, కేవలం బదిలీ చేయవచ్చు లేదా రూపాంతరం చెందుతుందని పేర్కొంటుంది.
• థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క రెండవ నియమం ఒక మూసివేసిన వ్యవస్థ యొక్క ఎంట్రోపీ కాలక్రమేణా ఎల్లప్పుడూ పెరుగుతుందని పేర్కొంటుంది.
• ఎంట్రోపీ అనేది ఒక వ్యవస్థ యొక్క అస్తవ్యస్తత యొక్క కొలత.
• వేడి అనేది ఒక వస్తువు నుండి మరొక వస్తువుకు ఉష్ణ శక్తి బదిలీ.
• పని అనేది ఒక బలం ద్వారా ఒక వస్తువు నుండి మరొక వస్తువుకు శక్తి బదిలీ.
• అంతర్గత శక్తి అనేది ఒక వ్యవస్థలోని కణాల గతి మరియు స్థితి శక్తుల మొత్తం.
• ఎంథాల్పీ అనేది ఒక వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తి మరియు దాని పీడనం మరియు ఘనపరిమాణం యొక్క లబ్ధం మొత్తం.
• గిబ్స్ ఉచిత శక్తి అనేది స్థిరమైన ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం వద్ద ఒక వ్యవస్థ చేయగల గరిష్ట పని మొత్తం.

మునుపటి సంవత్సర ప్రశ్నలు (PYQs)

1. 10 L ఘనపరిమాణం నుండి 5 L ఘనపరిమాణానికి ఒక వాయువు సంపీడనం చేయబడుతుంది. వాయువు యొక్క పీడనం 1 atm నుండి 2 atm కి పెరుగుతుంది. వాయువు చేసిన పని ఎంత?

2. 0°C వద్ద 100 g మంచు బ్లాక్ 20°C వద్ద 100 g నీటిని కలిగి ఉన్న కెలోరిమీటర్లో ఉంచబడుతుంది. మిశ్రమం యొక్క తుది ఉష్ణోగ్రత ఎంత?

3. 100°C వద్ద ఉన్న వేడి నిల్వ మరియు 20°C వద్ద ఉన్న చల్లని నిల్వ మధ్య ఒక వేడి యంత్రం పనిచేస్తుంది. యంత్రం ప్రతి చక్రానికి 100 J పని చేస్తుంది. యంత్రం యొక్క సామర్థ్యం ఎంత?

పరిష్కారాలు

1. వాయువు చేసిన పని సూత్రం ద్వారా ఇవ్వబడుతుంది:

$$W = -P\Delta V$$

ఎక్కడ:

• W అనేది చేసిన పని (జూల్స్లో)
• P అనేది పీడనం (పాస్కల్స్లో)
• ΔV అనేది ఘనపరిమాణంలో మార్పు (క్యూబిక్ మీటర్లలో)

ఈ సందర్భంలో, P = 1 atm = 101,325 Pa, ΔV = -5 L = -0.005 m3, కాబట్టి:

$$W = -(101,325 Pa)(-0.005 m3) = 506.625 J$$

అందువల్ల, వాయువు చేసిన పని 506.625 J.

2. మంచు గ్రహించిన వేడి సూత్రం ద్వారా ఇవ్వబడుతుంది:

$$Q = mc\Delta T$$

ఎక్కడ:

• Q అనేది గ్రహించిన వేడి (జూల్స్లో)
• m అనేది మంచు ద్రవ్యరాశి (కిలోగ్రాములలో)
• c అనేది మంచు యొక్క విశిష్ట ఉష్ణ సామర్థ్యం (జూల్స్ ప్రతి కిలోగ్రాము-కెల్విన్కు)
• ΔT అనేది ఉష్ణోగ్రతలో మార్పు (కెల్విన్లలో)

ఈ సందర్భంలో, m = 0.1 kg, c = 2090 J/kg-K, మరియు ΔT = 20°C = 20 K, కాబట్టి:

$$Q = (0.1 kg)(2090 J/kg-K)(20 K) = 4180 J$$

అందువల్ల, మంచు గ్రహించిన వేడి 4180 J.

నీటి విడుదల చేసిన వేడి సూత్రం ద్వారా ఇవ్వబడుతుంది:

$$Q = mc\Delta T$$

ఎక్కడ:

• Q అనేది విడుదల చేసిన వేడి (జూల్స్లో)
• m అనేది నీటి ద్రవ్యరాశి (కిలోగ్రాములలో)
• c అనేది నీటి యొక్క విశిష్ట ఉష్ణ సామర్థ్యం (జూల్స్ ప్రతి కిలోగ్రాము-కెల్విన్కు)
• ΔT అనేది ఉష్ణోగ్రతలో మార్పు (కెల్విన్లలో)

ఈ సందర్భంలో, m = 0.1 kg, c = 4180 J/kg-K, మరియు ΔT = -20°C = -20 K, కాబట్టి:

$$Q = (0.1 kg)(4180 J/kg-K)(-20 K) = -8360 J$$

అందువల్ల, నీటి విడుదల చేసిన వేడి -8360 J.

మిశ్రమం గ్రహించిన మొత్తం వేడి:

$$Q = Q_{ice} + Q_{water} = 4180 J - 8360 J = -4180 J$$

అందువల్ల, మిశ్రమం యొక్క తుది ఉష్ణోగ్రత:

$$T_f = T_i + \frac{Q}{mc}$$

ఎక్కడ:

• Tf అనేది తుది ఉష్ణోగ్రత (కెల్విన్లలో)
• Ti అనేది ప్రారంభ ఉష్ణోగ్రత (కెల్విన్లలో)
• Q అనేది గ్రహించిన మొత్తం వేడి (జూల్స్లో)
• m అనేది మిశ్రమం యొక్క మొత్తం ద్రవ్యరాశి (కిలోగ్రాములలో)
• c అనేది మిశ్రమం యొక్క విశిష్ట ఉష్ణ సామర్థ్యం (జూల్స్ ప్రతి కిలోగ్రాము-కెల్విన్కు)

ఈ సందర్భంలో, Ti = 20°C = 293 K, Q = -4180 J, m = 0.2 kg, మరియు c = 4180 J/kg-K, కాబట్టి:

$$T_f = 293 K + \frac{-4180 J}{(0.2 kg)(4180 J/kg-K)} = 273 K$$

అందువల్ల, మిశ్రమం యొక్క తుది ఉష్ణోగ్రత 273 K, లేదా 0°C.

3. ఒక వేడి యంత్రం యొక్క సామర్థ్యం సూత్రం ద్వారా ఇవ్వబడుతుంది:

$$\eta = \frac{W}{Q_h}$$

ఎక్కడ:

• η అనేది సామర్థ్యం
• W అనేది చేసిన పని (జూల్స్లో)
• Qh అనేది వేడి నిల్వ నుండి గ్రహించిన వేడి (జూల్స్లో)

ఈ సందర్భంలో, W = 100 J మరియు Qh = 100°C - 20°C = 80°C = 353 K, కాబట్టి:

$$\eta = \frac{100 J}{353 K} = 0.283$$

అందువల్ల, యంత్రం యొక్క సామర్థ్యం 0.283, లేదా 28.3%.

థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క ప్రాథమిక భావనలు – థర్మోడైనమిక్ పదాలు#

థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క ప్రాథమిక భావనలు – థర్మోడైనమిక్ పదాలు

థర్మోడైనమిక్స్ అనేది భౌతిక శాస్త్రంలోని ఒక శాఖ, ఇది వేడి మరియు ఇతర రూపాల శక్తితో దాని సంబంధాన్ని వ్యవహరిస్తుంది. ఇది ఇంజనీరింగ్, రసాయన శాస్త్రం మరియు జీవశాస్త్రం వంటి అనేక రంగాలలో అనువర్తనాలను కలిగి ఉన్న ఒక ప్రాథమిక శాస్త్రం.

థర్మోడైనమిక్ పదాలు

• వ్యవస్థ: వ్యవస్థ అనేది అధ్యయనం చేయబడుతున్న స్థలం యొక్క ప్రాంతం. వ్యవస్థ ఏదైనా కావచ్చు, ఒకే పరమాణువు నుండి మొత్తం విశ్వం వరకు.
• పరిసరాలు: పరిసరాలు అనేది వ్యవస్థ వెలుపల ఉన్న ప్రతిదీ. పరిసరాలు వ్యవస్థతో సంకర్షణ చేసుకోగలవు, కానీ అవి వ్యవస్థలో భాగం కావు.
• సరిహద్దు: సరిహద్దు అనేది వ్యవస్థను పరిసరాల నుండి వేరు చేసే ఉపరితలం. సరిహద్దు నిజమైనది లేదా కల్పితమైనది కావచ్చు.
• స్థితి: ఒక వ్యవస్థ యొక్క స్థితి అనేది వ్యవస్థ యొక్క లక్షణాల పూర్తి వివరణ. ఉష్ణోగ్రత, పీడనం మరియు ఘనపరిమాణం వంటి అనేక చరరాశుల ద్వారా వ్యవస్థ యొక్క స్థితిని నిర్దిష్టపరచవచ్చు.
• ప్రక్రియ: ప్రక్రియ అనేది వ్యవస్థ యొక్క స్థితిలో మార్పు. వ్యవస్థ యొక్క పరిసరాలలో మార్పు వలన ప్రక్రియ సంభవించవచ్చు, లేదా అది వ్యవస్థలోని మార్పు వలన సంభవించవచ్చు.
• వేడి: వేడి అనేది ఒక వ్యవస్థ నుండి మరొక వ్యవస్థకు ఉష్ణ శక్తి బదిలీ. వేడి ఎల్లప్పుడూ వేడి వ్యవస్థ నుండి చల్లని వ్యవస్థకు ప్రవహిస్తుంది.
• పని: పని అనేది ఒక బలం ద్వారా ఒక వ్యవస్థ నుండి మరొక వ్యవస్థకు శక్తి బదిలీ. ఒక వ్యవస్థపై పని చేయవచ్చు, లేదా ఒక వ్యవస్థ ద్వారా పని చేయవచ్చు.
• అంతర్గత శక్తి: ఒక వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తి అనేది వ్యవస్థలోని కణాల గతి మరియు స్థితి శక్తుల మొత్తం. వ్యవస్థకు వేడిని జోడించడం ద్వారా వ్యవస్థ యొక్క అంతర్గత శక్తిని పెంచవచ్చు, లేదా వ్యవస్థపై పని చేయడం ద్వారా దానిని తగ్గించవచ్చు.
• ఎంట్రోపీ: ఎంట్రోపీ అనేది ఒక వ్యవస్థ యొక్క అస్తవ్యస్తత యొక్క కొలత. వ్యవస్థకు వేడిని జోడించడం ద్వారా వ్యవస్థ యొక్క ఎంట్రోపీని పెంచవచ్చు, లేదా వ్యవస్థపై పని చేయడం ద్వారా దానిని తగ్గించవచ్చు.

థర్మోడైనమిక్ పదాల ఉదాహరణలు

• వేడి కాఫీ కప్పు: వేడి కాఫీ కప్పు వ్యవస్థ. గది ఉష్ణోగ్రత గాలి పరిసరాలు. సరిహద్దు కాఫీ కప్పు యొక్క ఉపరితలం. వ్యవస్థ యొక్క స్థితి కాఫీ యొక్క ఉష్ణోగ్రత, పీడనం మరియు ఘనపరిమాణం ద్వారా నిర్దిష్టపరచబడుతుంది. కాఫీ తాగే ప్రక్రియ వ్యవస్థ యొక్క స్థితిలో మార్పు. కాఫీ నుండి వ్యక్తి నోటికి బదిలీ చేయబడిన వేడి వేడి. కాఫీ తాగడానికి వ్యక్తి చేసిన పని పని. కాఫీ యొక్క అంతర్గత శక్తి కాఫీలోని కణాల గతి మరియు స్థితి శక్తుల మొత్తం. కాఫీ యొక్క ఎంట్రోపీ కాఫీ యొక్క అస్తవ్యస్తత యొక్క కొలత.
• కారు ఇంజిన్: కారు ఇంజిన్ వ్యవస్థ. గాలి మరియు ఇంధన మిశ్రమం పరిసరాలు. సరిహద్దు ఇంజిన్ యొక్క ఉపరితలం. వ్యవస్థ యొక్క స్థితి గాలి మరియు ఇంధన మిశ్రమం యొక్క ఉష్ణోగ్రత, పీడనం మరియు ఘనపరిమాణం ద్వారా నిర్దిష్టపరచబడుతుంది. దహన ప్రక్రియ వ్యవస్థ యొక్క స్థితిలో మార్పు. దహనం ద్వారా విడుదల చేయబడిన వేడి వేడి. ఇంజిన్ చేసిన పని పని. గాలి మరియు ఇంధన మిశ్రమం యొక్క అంతర్గత శక్తి గాలి మరియు ఇంధన మిశ్రమంలోని కణాల గతి మరియు స్థితి శక్తుల మొత్తం. గాలి మరియు ఇంధన మిశ్రమం యొక్క ఎంట్రోపీ గాలి మరియు ఇంధన మిశ్రమం యొక్క అస్తవ్యస్తత యొక్క కొలత.

థర్మోడైనమిక్స్ ఒక సంక్లిష్టమైన విషయం, కానీ ఇది చాలా ముఖ్యమైనది కూడా. థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క ప్రాథమిక భావనలను వాయువుల ప్రవర్తన నుండి వేడి యంత్రాల పనితీరు వరకు వివిధ దృగ్విషయాలను అర్థం చేసుకోవడానికి ఉపయోగించవచ్చు.

థర్మోడైనమిక్ లక్షణాలు#

థర్మోడైనమిక్ లక్షణాలు

థర్మోడైనమిక్ లక్షణాలు అనేవి ఒక థర్మోడైనమిక్ వ్యవస్థ యొక్క స్థితిని వివరించే భౌతిక లక్షణాలు. ఒక వ్యవస్థ స్థితిలో మార్పు చెందినప్పుడు శక్తి, ఎంట్రోపీ మరియు ఇతర థర్మోడైనమిక్ పరిమాణాలలో మార్పులను లెక్కించడానికి ఇవి ఉపయోగించబడతాయి.

సాధారణ థర్మోడైనమిక్ లక్షణాలు:

• ఉష్ణోగ్రత అనేది ఒక వ్యవస్థలోని కణాల సగటు గతి శక్తి యొక్క కొలత.
• పీడనం అనేది ఒక వ్యవస్థ దాని పరిసరాలపై చూపే బలం యొక్క కొలత.
• ఘనపరిమాణం అనేది ఒక వ్యవస్థ ఆక్రమించిన స్థలం యొక్క కొలత.
• ద్రవ్యరాశి అనేది ఒక వ్యవస్థలోని పదార్థం యొక్క కొలత.
• శక్తి అనేది ఒక వ్యవస్థ చేయగల మొత్తం పని మొత్తం యొక్క కొలత.
• ఎంట్రోపీ అనేది ఒక వ్యవస్థ యొక్క అస్తవ్యస్తత యొక్క కొలత.

ఈ లక్షణాలు అనేక థర్మోడైనమిక్ సమీకరణాల ద్వారా ఒకదానితో ఒకటి సంబంధం కలిగి ఉంటాయి, ఉదాహరణకు ఆదర్శ వాయు నియమం:

$$PV = nRT$$

ఎక్కడ:

• P అనేది వాయువు యొక్క పీడనం
• V అనేది వాయువు యొక్క ఘనపరిమాణం
• n అనేది వాయువు యొక్క మోల్స్ సంఖ్య
• R అనేది ఆదర్శ వాయు స్థిరాంకం
• T అనేది వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రత

థర్మోడైనమిక్ లక్షణాలను అనేక ఇతర థర్మోడైనమిక్ పరిమాణాలను లెక్కించడానికి ఉపయోగించవ