ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम रसायन और भौतिकी के अध्ययन में एक मौलिक अवधारणा है। इसे ऊर्जा संरक्षण का नियम भी कहा जाता है। यह नियम कहता है कि किसी पृथक प्रणाली में ऊर्जा का न तो सृजन हो सकता है और न ही वह नष्ट हो सकती है। इसका अर्थ है कि एक पृथक प्रणाली की कुल ऊर्जा स्थिर रहती है। इसके बजाय, ऊर्जा केवल एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित हो सकती है या प्रणाली के एक भाग से दूसरे भाग में स्थानांतरित हो सकती है। चलिए, गहराई से प्रथम नियम की समझ प्राप्त करते हैं।

ऊर्जा की समझ

प्रथम नियम को समझने से पहले, ऊर्जा की अवधारणा को समझना महत्वपूर्ण है। ऊर्जा काम करने या ऊष्मा उत्पन्न करने की क्षमता है। यह कई रूपों में होती है, जिनमें गतिज ऊर्जा, स्थितिज ऊर्जा, ऊष्मीय ऊर्जा, रासायनिक ऊर्जा और विद्युत ऊर्जा शामिल है। अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली इकाइयों (एसआई) में ऊर्जा के माप की इकाई जूल (J) है।

गतिज ऊर्जा वह ऊर्जा है जो किसी वस्तु की गति के कारण होती है। उदाहरण के लिए, एक चलती हुई कार या बहती हुई नदी में गतिज ऊर्जा होती है। गतिज ऊर्जा की गणना करने का सूत्र यह है:

KE = 0.5 * m * v²

जहां m वस्तु का द्रव्यमान है और v उसकी वेग है।

स्थितिज ऊर्जा वह ऊर्जा है जो किसी वस्तु में उसकी स्थिति या अवस्था के कारण संग्रहीत होती है। उदाहरण के लिए, एक खिंचा हुआ धनुष या शेल्फ पर रखी हुई किताब में स्थितिज ऊर्जा होती है। स्थितिज ऊर्जा का एक रूप गुरुत्वाकर्षण स्थितिज ऊर्जा है, जिसकी गणना इस प्रकार की जाती है:

PE = m * g * h

जहां m द्रव्यमान है, g गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण है, और h संदर्भ बिंदु से ऊपर की ऊंचाई है।

कानून में वर्णित

अब जब हमारे पास ऊर्जा की बुनियादी समझ है, चलिए सरल तरीके से ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम को समझाते हैं: किसी प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन उस प्रणाली में जोड़ी गई ऊष्मा बराबर होता है, जिसमें से प्रणाली पर किया गया काम घटा दिया जाता है।

गणितीय रूप से, ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

ΔU = Q - W

जहां:

• ΔU प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन है।
• Q प्रणाली में जोड़ी गई ऊष्मा है।
• W प्रणाली द्वारा किया गया काम है।

यह समीकरण संकेत करता है कि जब एक प्रणाली ऊष्मा अवशोषित करती है (Q सकारात्मक होता है), तो इसकी आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है। इसके विपरीत, यदि प्रणाली काम करती है (W सकारात्मक होता है), तो इसकी आंतरिक ऊर्जा कम हो जाती है।

प्रथम नियम के उदाहरण

आइए कुछ परिस्थितियों पर विचार करें ताकि यह समझ सकें कि ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम विभिन्न प्रणालियों में कैसे कार्य करता है।

उदाहरण 1: सिलेंडर में गैस

कल्पना करें कि एक सिलेंडर में एक गैस बंद है जिसमें एक पिस्टन है। यदि हम गैस को गर्म करते हैं, तो ऊर्जा गैस में ऊष्मा के रूप में हस्तांतरित होती है (Q)। यह गैस को फैलाती है और पिस्टन को ऊपर धकेलते हुए उस पर काम करती है (W)। प्रथम नियम के अनुसार, गैस के आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन (ΔU) जोड़ी गई ऊष्मा और किए गए काम पर निर्भर करता है।

ΔU = Q - W

यदि गैस में 500 जूल ऊष्मा ऊर्जा जोड़ी जाती है, और गैस द्वारा पिस्टन पर 200 जूल का काम किया जाता है, तो आंतरिक ऊर्जा का परिवर्तन इस प्रकार होगा:

ΔU = 500 J - 200 J = 300 J

इस प्रकार, गैस की आंतरिक ऊर्जा में 300 जूल की वृद्धि होती है।

उदाहरण 2: बंद बर्तन में पानी उबालना

बंद, कठोर कंटेनर में पानी उबालने पर विचार करें। जैसे-जैसे ऊष्मा प्रणाली में जोड़ी जाती है, पानी का तापमान बढ़ता है। हालांकि, चूंकि कंटेनर कठोर है और विस्तार नहीं कर सकता, कोई काम नहीं होता है (W = 0)। इसलिए, प्रणाली में जोड़ी गई कोई भी ऊष्मा सीधे प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने के लिए जाती है।

ΔU = Q - 0 = Q

यदि 1000 जूल ऊष्मा जोड़ी जाती है तो आंतरिक ऊर्जा का परिवर्तन भी 1000 जूल होगा।

प्रथम नियम का चित्रण

आइए देखें कि इन अवधारणाओं को कैसे चित्रित किया जा सकता है। एक सिलेंडर में गैस के सरल उदाहरण पर विचार करें जिसमें एक चलता हुआ पिस्टन होता है, जो ऊर्जा के परिवर्तन और स्थानांतरण को चित्रित करने में मदद करता है:

[ | ] [ | gas ]