यांत्रिक ऊर्जा के साथ, किसी भी शरीर (या प्रणाली) में आंतरिक ऊर्जा होती है। आंतरिक ऊर्जा विश्राम ऊर्जा है। इसमें शरीर को बनाने वाले अणुओं की ऊष्मीय अराजक गति, उनकी सापेक्ष स्थिति की स्थितिज ऊर्जा, परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की गतिज और स्थितिज ऊर्जा, नाभिक में न्यूक्लियॉन आदि शामिल हैं।

ऊष्मप्रवैगिकी में, आंतरिक ऊर्जा का निरपेक्ष मूल्य नहीं, बल्कि इसके परिवर्तन को जानना महत्वपूर्ण है।

थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं में, केवल गतिमान अणुओं की गतिज ऊर्जा बदलती है (थर्मल ऊर्जा एक परमाणु की संरचना को बदलने के लिए पर्याप्त नहीं है, और इससे भी अधिक एक नाभिक की)। इसलिए, वास्तव में आंतरिक ऊर्जा के तहतऊष्मप्रवैगिकी में ऊर्जा का अर्थ है थर्मल अराजकआणविक आंदोलनों।

आंतरिक ऊर्जा यूएक आदर्श गैस का एक मोल बराबर होता है:

इस तरह, आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान पर निर्भर करती है। आंतरिक ऊर्जा यू प्रणाली की स्थिति का एक कार्य है, पृष्ठभूमि की परवाह किए बिना।

यह स्पष्ट है कि, सामान्य स्थिति में, एक थर्मोडायनामिक प्रणाली में आंतरिक और यांत्रिक ऊर्जा दोनों हो सकती हैं, और विभिन्न प्रणालियां इस प्रकार की ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकती हैं।

अदला बदली यांत्रिक ऊर्जाउत्तम . द्वारा विशेषता काम ए,और आंतरिक ऊर्जा का आदान-प्रदान - स्थानांतरित ऊष्मा की मात्रा Q.

उदाहरण के लिए, सर्दियों में आपने बर्फ में एक गर्म पत्थर फेंका। संभावित ऊर्जा के भंडार के कारण, बर्फ को कुचलने के लिए यांत्रिक कार्य किया गया था, और आंतरिक ऊर्जा के भंडार के कारण बर्फ पिघल गई थी। अगर पत्थर ठंडा था, यानी। पत्थर का तापमान पर्यावरण के तापमान के बराबर है, तभी काम होगा, लेकिन आंतरिक ऊर्जा का आदान-प्रदान नहीं होगा।

तो, काम और गर्मी ऊर्जा के विशेष रूप नहीं हैं। आप गर्मी के भंडार या काम के बारे में बात नहीं कर सकते। यह उपाय स्थानांतरितयांत्रिक या आंतरिक ऊर्जा की एक अन्य प्रणाली। हम इन ऊर्जाओं के भंडार के बारे में बात कर सकते हैं। इसके अलावा, यांत्रिक ऊर्जा को तापीय ऊर्जा और इसके विपरीत में परिवर्तित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, यदि आप हथौड़े से आँवले को मारते हैं, तो थोड़ी देर बाद हथौड़े और निहाई गर्म हो जाएंगे (यह एक उदाहरण है अपव्ययऊर्जा)।

ऊर्जा के एक रूप के दूसरे रूप में परिवर्तन के और भी कई उदाहरण हैं।

अनुभव से पता चलता है कि सभी मामलों में, यांत्रिक ऊर्जा का तापीय ऊर्जा में परिवर्तन और इसके विपरीत हमेशा कड़ाई से समकक्ष मात्रा में किया जाता है।यह ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम का सार है, जो ऊर्जा संरक्षण के नियम से चलता है।

शरीर को दी जाने वाली ऊष्मा की मात्रा का उपयोग आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने और शरीर पर कार्य करने के लिए किया जाता है:

,

(4.1.1)

- यह वही है ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम , या ऊष्मागतिकी में ऊर्जा संरक्षण का नियम।

साइन नियम:यदि वातावरण से ऊष्मा का स्थानांतरण होता है यह प्रणाली,और अगर सिस्टम आसपास के निकायों पर काम करता है, जबकि . संकेत नियम को देखते हुए, ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

इस अभिव्यक्ति में यूसिस्टम स्टेट फ़ंक्शन है; डी यूइसका कुल अंतर है, और क्यूऔर लेकिनवो नहीं हैं। प्रत्येक राज्य में, सिस्टम में आंतरिक ऊर्जा का एक निश्चित और केवल ऐसा ही मूल्य होता है, इसलिए हम लिख सकते हैं:

,

गौरतलब है कि गर्मी क्यूऔर काम लेकिनइस पर निर्भर करता है कि राज्य 1 से राज्य 2 में संक्रमण कैसे होता है (आइसोकोरिक, रुद्धोष्म, आदि), और आंतरिक ऊर्जा यूनिर्भर नहीं करता है। साथ ही, यह नहीं कहा जा सकता है कि सिस्टम में किसी दिए गए राज्य के लिए निर्धारित गर्मी और कार्य का मूल्य होता है।

सूत्र (4.1.2) से यह निम्नानुसार है कि ऊष्मा की मात्रा को कार्य और ऊर्जा के समान इकाइयों में व्यक्त किया जाता है, अर्थात। जूल (जे) में।

ऊष्मप्रवैगिकी में विशेष महत्व परिपत्र या चक्रीय प्रक्रियाएं हैं जिसमें प्रणाली, राज्यों की एक श्रृंखला से गुजरने के बाद, अपनी मूल स्थिति में लौट आती है। चित्र 4.1 एक चक्रीय प्रक्रिया को दर्शाता है 1– एक–2–बी-1, जबकि कार्य A किया गया था।

चावल। 4.1

इसलिये यूराज्य कार्य है, तो

(4.1.3)

यह किसी भी राज्य समारोह के लिए सच है।

यदि तब ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के अनुसार, अर्थात। समय-समय पर चलने वाले इंजन का निर्माण करना असंभव है जो इसे बाहर से दी गई ऊर्जा की मात्रा से अधिक काम करेगा। दूसरे शब्दों में, पहली तरह की एक सतत गति मशीन असंभव है। यह ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के सूत्रों में से एक है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम यह इंगित नहीं करता है कि राज्य परिवर्तन की प्रक्रिया किस दिशा में जाती है, जो इसकी कमियों में से एक है।

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पदार्थ का समग्र परिवर्तन किन प्रक्रियाओं में होता है?
पदार्थ की अवस्था को कैसे बदला जा सकता है?

आप किसी भी पिंड की आंतरिक ऊर्जा को काम करके, गर्म करके या, इसके विपरीत, ठंडा करके बदल सकते हैं।
इस प्रकार, धातु की फोर्जिंग करते समय, काम किया जाता है और इसे गर्म किया जाता है, जबकि साथ ही धातु को जलती हुई लौ पर गर्म किया जा सकता है।

साथ ही, यदि पिस्टन स्थिर है (चित्र 13.5), तो गर्म करने पर गैस का आयतन नहीं बदलता है और कोई कार्य नहीं होता है। लेकिन गैस का तापमान और इसलिए इसकी आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है।

आंतरिक ऊर्जा बढ़ और घट सकती है, इसलिए गर्मी की मात्रा सकारात्मक या नकारात्मक हो सकती है।

बिना कार्य किये एक पिंड से दूसरे पिंड में ऊर्जा के स्थानान्तरण की प्रक्रिया कहलाती है गर्मी विनिमय.

गर्मी हस्तांतरण के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की मात्रात्मक माप को कहा जाता है गर्मी की मात्रा.

गर्मी हस्तांतरण की आणविक तस्वीर।

पिंडों के बीच की सीमा पर गर्मी के आदान-प्रदान के दौरान, ठंडे शरीर के धीरे-धीरे चलने वाले अणु गर्म शरीर के तेजी से गतिमान अणुओं के साथ बातचीत करते हैं। नतीजतन, अणुओं की गतिज ऊर्जा बराबर हो जाती है और ठंडे शरीर के अणुओं की गति बढ़ जाती है, जबकि गर्म शरीर के अणुओं की गति कम हो जाती है।

ऊष्मा विनिमय के दौरान, ऊर्जा का एक रूप से दूसरे रूप में रूपांतरण नहीं होता है; एक गर्म शरीर की आंतरिक ऊर्जा का हिस्सा कम गर्म शरीर में स्थानांतरित हो जाता है।

गर्मी और गर्मी क्षमता की मात्रा।

आप पहले से ही जानते हैं कि तापमान t 1 से तापमान t 2 तक द्रव्यमान m वाले किसी पिंड को गर्म करने के लिए, उसमें ऊष्मा की मात्रा को स्थानांतरित करना आवश्यक है:

क्यू \u003d सेमी (टी 2 - टी 1) \u003d सेमी t। (13.5)

जब शरीर ठंडा होता है, तो उसका अंतिम तापमान t2 प्रारंभिक तापमान t1 से कम हो जाता है और शरीर द्वारा छोड़ी गई गर्मी की मात्रा नकारात्मक होती है।

गुणांक c को सूत्र (13.5) में कहा जाता है विशिष्ट ऊष्मा क्षमतापदार्थ।

विशिष्ट ऊष्मा- यह संख्यात्मक रूप से गर्मी की मात्रा के बराबर एक मान है जो 1 किलो के द्रव्यमान वाला पदार्थ प्राप्त करता है या छोड़ देता है जब उसका तापमान 1 के बदलता है।

गैसों की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता उस प्रक्रिया पर निर्भर करती है जिसके द्वारा ऊष्मा का स्थानांतरण होता है। यदि आप किसी गैस को स्थिर दाब पर गर्म करते हैं, तो वह फैल जाएगी और कार्य करेगी। स्थिर दाब पर किसी गैस को 1 °C तक गर्म करने के लिए, उसे स्थिर आयतन पर गर्म करने की अपेक्षा अधिक ऊष्मा स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है, जब गैस केवल गर्म होगी।

तरल पदार्थ और ठोस गर्म करने पर थोड़ा फैलते हैं। स्थिर आयतन और स्थिर दबाव पर उनकी विशिष्ट ऊष्मा क्षमताएँ बहुत कम होती हैं।

वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा।

उबलने की प्रक्रिया के दौरान एक तरल को वाष्प में बदलने के लिए, इसमें एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा को स्थानांतरित करना आवश्यक है। किसी द्रव को उबालने पर उसका तापमान नहीं बदलता है। एक स्थिर तापमान पर तरल के वाष्प में परिवर्तन से अणुओं की गतिज ऊर्जा में वृद्धि नहीं होती है, बल्कि उनकी बातचीत की संभावित ऊर्जा में वृद्धि होती है। आखिरकार, गैस के अणुओं के बीच की औसत दूरी तरल अणुओं के बीच की तुलना में बहुत अधिक है।

संख्यात्मक रूप से एक स्थिर तापमान पर 1 किलो तरल को भाप में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा के बराबर मान कहलाता है वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा.

तरल वाष्पीकरण की प्रक्रिया किसी भी तापमान पर होती है, जबकि सबसे तेज़ अणु तरल छोड़ देते हैं, और वाष्पीकरण के दौरान यह ठंडा हो जाता है। वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा के बराबर होती है।

यह मान अक्षर r द्वारा निरूपित किया जाता है और जूल प्रति किलोग्राम (J / kg) में व्यक्त किया जाता है।

पानी के वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा बहुत अधिक होती है: r H20 = 2.256 10 6 J/kg 100 °C के तापमान पर। अन्य तरल पदार्थों में, जैसे अल्कोहल, ईथर, पारा, मिट्टी के तेल में, वाष्पीकरण की विशिष्ट गर्मी पानी की तुलना में 3-10 गुना कम होती है।

द्रव्यमान m के एक द्रव को भाप में बदलने के लिए, ऊष्मा की मात्रा के बराबर की आवश्यकता होती है:

क्यू पी \u003d आरएम। (13.6)

जब भाप संघनित होती है, तो उतनी ही मात्रा में ऊष्मा निकलती है:

क्यू के \u003d -आरएम। (13.7)

संलयन की विशिष्ट ऊष्मा।

जब एक क्रिस्टलीय पिंड पिघलता है, तो उसे आपूर्ति की जाने वाली सारी गर्मी अणुओं के संपर्क की संभावित ऊर्जा को बढ़ाने के लिए जाती है। अणुओं की गतिज ऊर्जा में परिवर्तन नहीं होता है, क्योंकि गलनांक स्थिर तापमान पर होता है।

संख्यात्मक रूप से 1 किलो वजन वाले क्रिस्टलीय पदार्थ को गलनांक पर द्रव में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा के बराबर मान कहलाता है संलयन की विशिष्ट ऊष्माऔर अक्षर द्वारा निरूपित किए जाते हैं।

1 किलो द्रव्यमान वाले पदार्थ के क्रिस्टलीकरण के दौरान, उतनी ही मात्रा में ऊष्मा निकलती है जितनी पिघलने के दौरान अवशोषित होती है।

बर्फ के पिघलने की विशिष्ट ऊष्मा अपेक्षाकृत अधिक होती है: 3.34 10 5 J/kg।

"यदि बर्फ में संलयन की उच्च गर्मी नहीं होती, तो वसंत ऋतु में बर्फ के पूरे द्रव्यमान को कुछ मिनटों या सेकंड में पिघलना पड़ता, क्योंकि गर्मी लगातार हवा से बर्फ में स्थानांतरित हो जाती है। इसके परिणाम भयानक होंगे; क्योंकि वर्तमान स्थिति में भी बड़ी बाढ़ और पानी की बड़ी धाराएँ बर्फ या बर्फ के बड़े समूह के पिघलने से उत्पन्न होती हैं।” आर. ब्लैक, 18वीं सदी

द्रव्यमान m के एक क्रिस्टलीय पिंड को पिघलाने के लिए, ऊष्मा की मात्रा की आवश्यकता होती है:

क्यूपीएल \u003d m। (13.8)

शरीर के क्रिस्टलीकरण के दौरान निकलने वाली ऊष्मा की मात्रा बराबर होती है:

क्यू करोड़ = -λm (13.9)

गर्मी संतुलन समीकरण।

एक प्रणाली के भीतर गर्मी विनिमय पर विचार करें जिसमें शुरू में अलग-अलग तापमान वाले कई निकाय होते हैं, उदाहरण के लिए, एक बर्तन में पानी के बीच गर्मी का आदान-प्रदान और एक गर्म लोहे की गेंद को पानी में उतारा जाता है। ऊर्जा संरक्षण के नियम के अनुसार, एक पिंड द्वारा दी गई ऊष्मा की मात्रा संख्यात्मक रूप से दूसरे द्वारा प्राप्त ऊष्मा की मात्रा के बराबर होती है।

दी गई ऊष्मा की मात्रा को ऋणात्मक माना जाता है, प्राप्त ऊष्मा की मात्रा को धनात्मक माना जाता है। अत: ऊष्मा की कुल मात्रा Q1 + Q2 = 0।

यदि एक पृथक प्रणाली में कई निकायों के बीच गर्मी का आदान-प्रदान होता है, तो

क्यू 1 + क्यू 2 + क्यू 3 + ... = 0. (13.10)

समीकरण (13.10) कहलाता है गर्मी संतुलन समीकरण.

यहाँ Q 1 Q 2, Q 3 - पिंडों द्वारा प्राप्त या दी गई ऊष्मा की मात्रा। ऊष्मा की इन मात्राओं को सूत्र (13.5) या सूत्रों (13.6) - (13.9) द्वारा व्यक्त किया जाता है, यदि पदार्थ के विभिन्न चरण परिवर्तन गर्मी हस्तांतरण (पिघलने, क्रिस्टलीकरण, वाष्पीकरण, संघनन) की प्रक्रिया में होते हैं।

थर्मोडायनामिक सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा को दो तरह से बदला जा सकता है:

1. सिस्टम पर काम करना
2. थर्मल इंटरैक्शन के माध्यम से।

शरीर में ऊष्मा का स्थानांतरण शरीर पर स्थूल कार्य के प्रदर्शन से जुड़ा नहीं है। इस मामले में, आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन इस तथ्य के कारण होता है कि उच्च तापमान वाले शरीर के अलग-अलग अणु शरीर के कुछ अणुओं पर काम करते हैं, जिनका तापमान कम होता है। इस मामले में, तापीय चालकता के कारण थर्मल इंटरैक्शन का एहसास होता है। विकिरण की सहायता से ऊर्जा का स्थानांतरण भी संभव है। सूक्ष्म प्रक्रियाओं की प्रणाली (पूरे शरीर से नहीं, बल्कि व्यक्तिगत अणुओं से संबंधित) को गर्मी हस्तांतरण कहा जाता है। गर्मी हस्तांतरण के परिणामस्वरूप एक शरीर से दूसरे शरीर में स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा की मात्रा एक शरीर से दूसरे शरीर में स्थानांतरित होने वाली गर्मी की मात्रा से निर्धारित होती है।

परिभाषा

गरमाहटवह ऊर्जा कहलाती है जो शरीर द्वारा आसपास के पिंडों (पर्यावरण) के साथ ऊष्मा विनिमय की प्रक्रिया में प्राप्त (या दी गई) होती है। ऊष्मा को आमतौर पर Q अक्षर से निरूपित किया जाता है।

यह ऊष्मप्रवैगिकी में मूल मात्राओं में से एक है। ऊष्मागतिकी के पहले और दूसरे नियमों के गणितीय व्यंजकों में ऊष्मा शामिल है। ऊष्मा को आणविक गति के रूप में ऊर्जा कहा जाता है।

सिस्टम (शरीर) को गर्मी का संचार किया जा सकता है, या इसे इससे लिया जा सकता है। ऐसा माना जाता है कि यदि सिस्टम को गर्मी प्रदान की जाती है, तो यह सकारात्मक है।

तापमान में परिवर्तन के साथ गर्मी की गणना करने का सूत्र

ऊष्मा की प्राथमिक मात्रा को निरूपित किया जाता है। ध्यान दें कि गर्मी का वह तत्व जो सिस्टम को अपने राज्य में एक छोटे से बदलाव के साथ प्राप्त होता है (छोड़ देता है) कुल अंतर नहीं है। इसका कारण यह है कि गर्मी प्रणाली की स्थिति को बदलने की प्रक्रिया का एक कार्य है।

सिस्टम को सूचित की जाने वाली गर्मी की प्राथमिक मात्रा, और तापमान T से T + dT में बदल जाता है:

जहाँ C शरीर की ऊष्मा क्षमता है। यदि विचाराधीन पिंड सजातीय है, तो ऊष्मा की मात्रा के लिए सूत्र (1) को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

शरीर की विशिष्ट ऊष्मा कहाँ है, m शरीर का द्रव्यमान है, दाढ़ ऊष्मा क्षमता है, पदार्थ का दाढ़ द्रव्यमान है, पदार्थ के मोलों की संख्या है।

यदि शरीर सजातीय है, और गर्मी क्षमता को तापमान से स्वतंत्र माना जाता है, तो गर्मी की मात्रा () जो शरीर को उसके तापमान में एक मूल्य से बढ़ने पर प्राप्त होती है, की गणना इस प्रकार की जा सकती है:

जहां टी 2, टी 1 शरीर का तापमान गर्म करने से पहले और बाद में। कृपया ध्यान दें कि गणना में अंतर () खोजने पर, तापमान को डिग्री सेल्सियस और केल्विन दोनों में प्रतिस्थापित किया जा सकता है।

चरण संक्रमण के दौरान ऊष्मा की मात्रा का सूत्र

किसी पदार्थ के एक चरण से दूसरे चरण में संक्रमण के साथ एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा का अवशोषण या विमोचन होता है, जिसे चरण संक्रमण की ऊष्मा कहा जाता है।

इसलिए, किसी पदार्थ के एक तत्व को ठोस अवस्था से तरल में स्थानांतरित करने के लिए, उसे ऊष्मा की मात्रा () के बराबर सूचित किया जाना चाहिए:

संलयन की विशिष्ट ऊष्मा कहाँ है, dm शरीर द्रव्यमान तत्व है। इस मामले में, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि शरीर का तापमान विचाराधीन पदार्थ के गलनांक के बराबर होना चाहिए। क्रिस्टलीकरण के दौरान, ऊष्मा (4) के बराबर निकलती है।

तरल को वाष्प में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा (वाष्पीकरण की ऊष्मा) की मात्रा को इस प्रकार पाया जा सकता है:

जहां r वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा है। जब भाप संघनित होती है, तो ऊष्मा निकलती है। वाष्पीकरण की ऊष्मा समान द्रव्यमान वाले पदार्थ के संघनन की ऊष्मा के बराबर होती है।

ऊष्मा की मात्रा मापने की इकाइयाँ

SI प्रणाली में ऊष्मा की मात्रा को मापने की मूल इकाई है: [Q]=J

गर्मी की एक ऑफ-सिस्टम इकाई जो अक्सर तकनीकी गणनाओं में पाई जाती है। [क्यू] = कैलोरी (कैलोरी)। 1 कैल = 4.1868 जे।

समस्या समाधान के उदाहरण

उदाहरण

व्यायाम। t=40C के तापमान पर 200 लीटर पानी प्राप्त करने के लिए कितने मात्रा में पानी मिलाया जाना चाहिए, यदि पानी के एक द्रव्यमान का तापमान t 1 = 10C है, तो पानी का दूसरा द्रव्यमान t 2 = 60C है?

समाधान।हम ऊष्मा संतुलन समीकरण को रूप में लिखते हैं:

जहाँ Q=cmt - पानी मिलाने के बाद तैयार ऊष्मा की मात्रा; क्यू 1 \u003d सेमी 1 टी 1 - तापमान टी 1 और द्रव्यमान एम 1 के साथ पानी के एक हिस्से की गर्मी की मात्रा; क्यू 2 \u003d सेमी 2 टी 2 - तापमान टी 2 और द्रव्यमान एम 2 के साथ पानी के एक हिस्से की गर्मी की मात्रा।

समीकरण (1.1) का तात्पर्य है:

पानी के ठंडे (V 1) और गर्म (V 2) भागों को एक आयतन (V) में मिलाते समय, हम यह स्वीकार कर सकते हैं कि:

तो, हमें समीकरणों की एक प्रणाली मिलती है:

इसे हल करते हुए, हम प्राप्त करते हैं:

हमारे लेख का फोकस गर्मी की मात्रा है। हम आंतरिक ऊर्जा की अवधारणा पर विचार करेंगे, जो इस मूल्य में परिवर्तन होने पर रूपांतरित हो जाती है। हम मानव गतिविधि में गणनाओं के अनुप्रयोग के कुछ उदाहरण भी दिखाएंगे।

गर्मी

मातृभाषा के किसी भी शब्द के साथ, प्रत्येक व्यक्ति का अपना संघ होता है। वे व्यक्तिगत अनुभव और तर्कहीन भावनाओं से निर्धारित होते हैं। आमतौर पर "गर्मी" शब्द द्वारा क्या दर्शाया जाता है? एक नरम कंबल, सर्दियों में काम करने वाली केंद्रीय हीटिंग बैटरी, वसंत में पहली धूप, एक बिल्ली। या एक माँ की नज़र, एक दोस्त से दिलासा देने वाला शब्द, समय पर ध्यान।

भौतिकविदों का मतलब यह एक बहुत ही विशिष्ट शब्द है। और बहुत महत्वपूर्ण, विशेष रूप से इस जटिल लेकिन आकर्षक विज्ञान के कुछ वर्गों में।

ऊष्मप्रवैगिकी

यह सबसे सरल प्रक्रियाओं से अलगाव में गर्मी की मात्रा पर विचार करने योग्य नहीं है, जिस पर ऊर्जा संरक्षण का नियम आधारित है - कुछ भी स्पष्ट नहीं होगा। इसलिए, सबसे पहले, हम अपने पाठकों को याद दिलाते हैं।

थर्मोडायनामिक्स किसी भी वस्तु या वस्तु को बहुत बड़ी संख्या में प्राथमिक भागों - परमाणुओं, आयनों, अणुओं के संयोजन के रूप में मानता है। इसके समीकरण मैक्रो मापदंडों को बदलते समय सिस्टम की सामूहिक स्थिति में समग्र रूप से और संपूर्ण के हिस्से के रूप में किसी भी बदलाव का वर्णन करते हैं। उत्तरार्द्ध को तापमान (टी के रूप में दर्शाया गया), दबाव (पी), घटकों की एकाग्रता (आमतौर पर सी) के रूप में समझा जाता है।

आंतरिक ऊर्जा

आंतरिक ऊर्जा एक जटिल शब्द है, जिसका अर्थ गर्मी की मात्रा के बारे में बात करने से पहले समझा जाना चाहिए। यह उस ऊर्जा को दर्शाता है जो वस्तु के मैक्रो मापदंडों के मूल्य में वृद्धि या कमी के साथ बदलती है और संदर्भ प्रणाली पर निर्भर नहीं करती है। यह कुल ऊर्जा का हिस्सा है। यह उन परिस्थितियों में इसके साथ मेल खाता है जब अध्ययन के तहत वस्तु के द्रव्यमान का केंद्र आराम पर होता है (अर्थात कोई गतिज घटक नहीं होता है)।

जब किसी व्यक्ति को लगता है कि कोई वस्तु (जैसे, साइकिल) गर्म या ठंडी हो गई है, तो इससे पता चलता है कि इस प्रणाली को बनाने वाले सभी अणुओं और परमाणुओं ने आंतरिक ऊर्जा में बदलाव का अनुभव किया है। हालांकि, तापमान की स्थिरता का मतलब इस सूचक का संरक्षण नहीं है।

काम और गर्मी

किसी भी थर्मोडायनामिक सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा को दो तरह से बदला जा सकता है:

• उस पर काम करके;
• पर्यावरण के साथ गर्मी विनिमय के दौरान।

इस प्रक्रिया का सूत्र इस तरह दिखता है:

dU=Q-A, जहाँ U आंतरिक ऊर्जा है, Q ऊष्मा है, A कार्य है।

पाठक को अभिव्यक्ति की सरलता के बहकावे में न आने दें। क्रमपरिवर्तन से पता चलता है कि Q=dU+A, लेकिन एन्ट्रापी (S) का परिचय सूत्र को dQ=dSxT के रूप में लाता है।

चूंकि इस मामले में समीकरण एक अवकल समीकरण का रूप लेता है, इसलिए पहली अभिव्यक्ति की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, अध्ययन के तहत वस्तु में अभिनय करने वाले बलों और जिस पैरामीटर की गणना की जा रही है, उसके आधार पर आवश्यक अनुपात निकाला जाता है।

आइए हम एक धातु की गेंद को थर्मोडायनामिक प्रणाली के उदाहरण के रूप में लेते हैं। यदि आप इस पर दबाव डालते हैं, इसे ऊपर फेंकते हैं, इसे किसी गहरे कुएं में गिराते हैं, तो इसका मतलब है कि इस पर काम करना। बाह्य रूप से, इन सभी हानिरहित क्रियाओं से गेंद को कोई नुकसान नहीं होगा, लेकिन इसकी आंतरिक ऊर्जा बदल जाएगी, भले ही बहुत कम हो।

दूसरा तरीका गर्मी हस्तांतरण है। अब हम इस लेख के मुख्य लक्ष्य पर आते हैं: गर्मी की मात्रा क्या है इसका विवरण। यह थर्मोडायनामिक सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में ऐसा परिवर्तन है जो गर्मी हस्तांतरण के दौरान होता है (उपरोक्त सूत्र देखें)। इसे जूल या कैलोरी में मापा जाता है। जाहिर है, अगर गेंद को लाइटर के ऊपर, धूप में या बस गर्म हाथ में रखा जाए, तो वह गर्म हो जाएगी। और फिर, तापमान को बदलकर, आप उस गर्मी की मात्रा का पता लगा सकते हैं जो उसी समय उसे बताई गई थी।

गैस आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का सबसे अच्छा उदाहरण क्यों है, और छात्र इसके कारण भौतिकी को क्यों पसंद नहीं करते हैं

ऊपर, हमने धातु की गेंद के थर्मोडायनामिक मापदंडों में परिवर्तन का वर्णन किया है। वे विशेष उपकरणों के बिना बहुत ध्यान देने योग्य नहीं हैं, और पाठक को वस्तु के साथ होने वाली प्रक्रियाओं के बारे में एक शब्द लेने के लिए छोड़ दिया जाता है। एक और बात यह है कि अगर सिस्टम गैस है। उस पर दबाएं - यह दिखाई देगा, इसे गर्म करें - दबाव बढ़ेगा, इसे भूमिगत कम करें - और इसे आसानी से ठीक किया जा सकता है। इसलिए, पाठ्यपुस्तकों में, यह गैस है जिसे अक्सर एक दृश्य थर्मोडायनामिक प्रणाली के रूप में लिया जाता है।

लेकिन, अफसोस, आधुनिक शिक्षा में वास्तविक प्रयोगों पर ज्यादा ध्यान नहीं दिया जाता है। एक वैज्ञानिक जो एक कार्यप्रणाली मैनुअल लिखता है वह पूरी तरह से समझता है कि क्या दांव पर लगा है। उसे ऐसा लगता है कि, गैस के अणुओं के उदाहरण का उपयोग करते हुए, सभी थर्मोडायनामिक मापदंडों को पर्याप्त रूप से प्रदर्शित किया जाएगा। लेकिन एक छात्र के लिए जो अभी इस दुनिया की खोज कर रहा है, सैद्धांतिक पिस्टन के साथ एक आदर्श फ्लास्क के बारे में सुनना उबाऊ है। यदि स्कूल में वास्तविक अनुसंधान प्रयोगशालाएँ होतीं और उनमें काम करने के लिए समर्पित घंटे होते, तो सब कुछ अलग होता। अब तक, दुर्भाग्य से, प्रयोग केवल कागजों पर हैं। और, सबसे अधिक संभावना है, यही कारण है कि लोग भौतिकी की इस शाखा को विशुद्ध रूप से सैद्धांतिक, जीवन से दूर और अनावश्यक मानते हैं।

इसलिए, हमने पहले ही ऊपर बताई गई साइकिल को एक उदाहरण के रूप में देने का फैसला किया है। एक व्यक्ति पैडल दबाता है - उन पर काम करता है। पूरे तंत्र (जिसके कारण साइकिल अंतरिक्ष में चलती है) के लिए टोक़ को संप्रेषित करने के अलावा, सामग्री की आंतरिक ऊर्जा जिसमें से लीवर को बदल दिया जाता है। साइकिल चालक हैंडल को मुड़ने के लिए धक्का देता है, और फिर से काम करता है।

बाहरी कोटिंग (प्लास्टिक या धातु) की आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है। एक व्यक्ति तेज धूप में समाशोधन के लिए जाता है - बाइक गर्म हो जाती है, इसकी गर्मी की मात्रा बदल जाती है। एक पुराने ओक के पेड़ की छाया में आराम करने के लिए रुक जाता है और सिस्टम ठंडा हो जाता है, कैलोरी या जूल बर्बाद कर देता है। गति बढ़ाता है - ऊर्जा के आदान-प्रदान को बढ़ाता है। हालांकि, इन सभी मामलों में गर्मी की मात्रा की गणना बहुत कम, अगोचर मूल्य दिखाएगी। इसलिए, ऐसा लगता है कि वास्तविक जीवन में थर्मोडायनामिक भौतिकी की कोई अभिव्यक्ति नहीं है।

ऊष्मा की मात्रा में परिवर्तन के लिए गणनाओं का अनुप्रयोग

शायद, पाठक कहेंगे कि यह सब बहुत जानकारीपूर्ण है, लेकिन हमें स्कूल में इन सूत्रों के साथ इतना प्रताड़ित क्यों किया जाता है। और अब हम उदाहरण देंगे कि मानव गतिविधि के किन क्षेत्रों में उन्हें सीधे जरूरत है और यह कैसे किसी के लिए अपने दैनिक जीवन में लागू होता है।

आरंभ करने के लिए, अपने चारों ओर देखें और गिनें: आपके चारों ओर कितनी धातु की वस्तुएं हैं? शायद दस से ज्यादा। लेकिन पेपर क्लिप, वैगन, रिंग या फ्लैश ड्राइव बनने से पहले किसी भी धातु को गलाया जाता है। लौह अयस्क को संसाधित करने वाले प्रत्येक संयंत्र को यह समझना चाहिए कि लागत को अनुकूलित करने के लिए कितने ईंधन की आवश्यकता है। और इसकी गणना करते समय, धातु युक्त कच्चे माल की गर्मी क्षमता और सभी तकनीकी प्रक्रियाओं के लिए इसे प्रदान की जाने वाली गर्मी की मात्रा को जानना आवश्यक है। चूंकि ईंधन की एक इकाई द्वारा जारी ऊर्जा की गणना जूल या कैलोरी में की जाती है, इसलिए सूत्रों की सीधे आवश्यकता होती है।

या एक और उदाहरण: अधिकांश सुपरमार्केट में जमे हुए सामान के साथ एक विभाग होता है - मछली, मांस, फल। जहां जानवरों के मांस या समुद्री भोजन से कच्चे माल को अर्ध-तैयार उत्पादों में परिवर्तित किया जाता है, उन्हें पता होना चाहिए कि प्रति टन या तैयार उत्पाद की इकाई कितनी बिजली रेफ्रिजरेशन और फ्रीजिंग इकाइयों का उपयोग करेगी। ऐसा करने के लिए, आपको गणना करनी चाहिए कि एक डिग्री सेल्सियस ठंडा होने पर एक किलोग्राम स्ट्रॉबेरी या स्क्विड कितनी गर्मी खो देता है। और अंत में, यह दिखाएगा कि एक निश्चित क्षमता का फ्रीजर कितनी बिजली खर्च करेगा।

विमान, जहाज, ट्रेनें

ऊपर, हमने अपेक्षाकृत स्थिर, स्थिर वस्तुओं के उदाहरण दिखाए हैं जिन्हें सूचित किया जाता है या, इसके विपरीत, एक निश्चित मात्रा में गर्मी उनसे दूर ले जाती है। लगातार बदलते तापमान की स्थितियों में संचालन की प्रक्रिया में चलने वाली वस्तुओं के लिए, गर्मी की मात्रा की गणना एक अन्य कारण से महत्वपूर्ण है।

"धातु थकान" जैसी कोई चीज होती है। इसमें तापमान परिवर्तन की एक निश्चित दर पर अधिकतम स्वीकार्य भार भी शामिल है। कल्पना कीजिए कि एक हवाई जहाज आर्द्र उष्णकटिबंधीय से जमे हुए ऊपरी वातावरण में उड़ान भर रहा है। इंजीनियरों को कड़ी मेहनत करनी पड़ती है ताकि तापमान में परिवर्तन होने पर दिखाई देने वाली धातु में दरार के कारण यह टूट न जाए। वे एक मिश्र धातु संरचना की तलाश में हैं जो वास्तविक भार का सामना कर सके और सुरक्षा का एक बड़ा मार्जिन होगा। और आँख बंद करके खोज न करने के लिए, गलती से वांछित रचना पर ठोकर खाने की उम्मीद करते हुए, आपको बहुत सारी गणनाएँ करनी होंगी, जिनमें वे भी शामिल हैं जिनमें गर्मी की मात्रा में परिवर्तन शामिल हैं।

गर्मी विनिमय।

1. हीट ट्रांसफर।

हीट एक्सचेंज या हीट ट्रांसफरएक शरीर की आंतरिक ऊर्जा को बिना काम किए दूसरे शरीर में स्थानांतरित करने की प्रक्रिया है।

गर्मी हस्तांतरण तीन प्रकार के होते हैं।

1) ऊष्मीय चालकतासीधे संपर्क में निकायों के बीच गर्मी का आदान-प्रदान है।

2) कंवेक्शनगर्मी हस्तांतरण है जिसमें गर्मी गैस या तरल प्रवाह द्वारा स्थानांतरित की जाती है।

3) विकिरणविद्युत चुम्बकीय विकिरण के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण है।

2. ऊष्मा की मात्रा।

ऊष्मा की मात्रा ऊष्मा विनिमय के दौरान किसी पिंड की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का एक माप है। पत्र द्वारा निरूपित क्यू.

ऊष्मा की मात्रा मापने की इकाई = 1 J.

गर्मी हस्तांतरण के परिणामस्वरूप किसी अन्य शरीर से प्राप्त गर्मी की मात्रा तापमान बढ़ाने (अणुओं की गतिज ऊर्जा में वृद्धि) या एकत्रीकरण की स्थिति को बदलने (संभावित ऊर्जा में वृद्धि) पर खर्च की जा सकती है।

3. किसी पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता।

अनुभव से पता चलता है कि तापमान T 1 से तापमान T 2 के द्रव्यमान m के शरीर को गर्म करने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा शरीर के द्रव्यमान m और तापमान अंतर (T 2 - T 1) के समानुपाती होती है, अर्थात।

क्यू = सेमी(टी 2 - टी 1 ) = साथएमΔ टी,

साथतप्त पिंड के पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा धारिता कहलाती है।

किसी पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता उस ऊष्मा की मात्रा के बराबर होती है जिसे 1 किलो पदार्थ को 1 K तक गर्म करने के लिए दिया जाना चाहिए।

विशिष्ट ऊष्मा धारिता का मात्रक =.

विभिन्न पदार्थों के ताप क्षमता मान भौतिक तालिकाओं में पाए जा सकते हैं।

शरीर को ΔT से ठंडा करने पर उतनी ही ऊष्मा Q मुक्त होगी।

4. वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा।

अनुभव से पता चलता है कि किसी तरल को वाष्प में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा तरल के द्रव्यमान के समानुपाती होती है, अर्थात।

क्यू = एलएम,

आनुपातिकता का गुणांक कहाँ है लीवाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा कहलाती है।

वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा ऊष्मा की मात्रा के बराबर होती है जो 1 किलो तरल को क्वथनांक पर भाप में बदलने के लिए आवश्यक होती है।

वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा के लिए माप की इकाई।

रिवर्स प्रक्रिया में, भाप का संघनन, गर्मी उतनी ही मात्रा में निकलती है जितनी वाष्पीकरण पर खर्च की गई थी।

5. संलयन की विशिष्ट ऊष्मा।

अनुभव से पता चलता है कि एक ठोस को तरल में बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा शरीर के द्रव्यमान के समानुपाती होती है, अर्थात।

क्यू = λ एम,

जहाँ आनुपातिकता के गुणांक को संलयन की विशिष्ट ऊष्मा कहा जाता है।

संलयन की विशिष्ट ऊष्मा उस ऊष्मा की मात्रा के बराबर होती है जो गलनांक पर 1 किलो वजन वाले ठोस पिंड को तरल में बदलने के लिए आवश्यक होती है।

संलयन की विशिष्ट ऊष्मा के लिए माप की इकाई।

रिवर्स प्रक्रिया में, एक तरल के क्रिस्टलीकरण, गर्मी को उसी मात्रा में जारी किया जाता है जो पिघलने पर खर्च किया गया था।

6. दहन की विशिष्ट ऊष्मा।

अनुभव से पता चलता है कि ईंधन के पूर्ण दहन के दौरान निकलने वाली ऊष्मा की मात्रा ईंधन के द्रव्यमान के समानुपाती होती है, अर्थात।

क्यू = क्यूएम,

जहाँ आनुपातिकता कारक q को दहन की विशिष्ट ऊष्मा कहा जाता है।

दहन की विशिष्ट ऊष्मा 1 किलो ईंधन के पूर्ण दहन के दौरान निकलने वाली ऊष्मा की मात्रा के बराबर होती है।

दहन की विशिष्ट ऊष्मा के लिए माप की इकाई।

7. ऊष्मा संतुलन समीकरण।

दो या दो से अधिक निकाय ऊष्मा विनिमय में शामिल होते हैं। कुछ शरीर गर्मी छोड़ते हैं, जबकि अन्य इसे प्राप्त करते हैं। गर्मी हस्तांतरण तब तक होता है जब तक कि निकायों का तापमान बराबर न हो जाए। ऊर्जा संरक्षण के नियम के अनुसार, जितनी ऊष्मा दी जाती है, वह प्राप्त होने वाली मात्रा के बराबर होती है। इस आधार पर ऊष्मा संतुलन समीकरण लिखा जाता है।

एक उदाहरण पर विचार करें।

द्रव्यमान m 1 का एक पिंड, जिसकी ऊष्मा क्षमता c 1 है, का तापमान T 1 है, और द्रव्यमान m 2 का एक पिंड, जिसकी ऊष्मा क्षमता c 2 है, का तापमान T 2 है। इसके अलावा, टी 1 टी 2 से बड़ा है। इन निकायों को संपर्क में लाया जाता है। अनुभव से पता चलता है कि एक ठंडा शरीर (एम 2) गर्म होने लगता है, और एक गर्म शरीर (एम 1) ठंडा होने लगता है। इससे पता चलता है कि गर्म शरीर की आंतरिक ऊर्जा का हिस्सा ठंडे शरीर में स्थानांतरित हो जाता है, और तापमान भी बाहर हो जाता है। आइए हम अंतिम कुल तापमान को से निरूपित करें।

एक गर्म शरीर से ठंडे शरीर में स्थानांतरित होने वाली गर्मी की मात्रा

क्यू तबादला। = सी 1 एम 1 (टी 1 – θ )

एक गर्म शरीर से एक ठंडे शरीर को प्राप्त गर्मी की मात्रा

क्यू प्राप्त किया। = सी 2 एम 2 (θ – टी 2 )

ऊर्जा संरक्षण के नियम के अनुसार क्यू तबादला। = क्यू प्राप्त किया।, अर्थात।

सी 1 एम 1 (टी 1 – θ )= सी 2 एम 2 (θ – टी 2 )

आइए कोष्ठकों को खोलें और कुल स्थिर-अवस्था तापमान का मान व्यक्त करें।

इस मामले में तापमान मान केल्विन में प्राप्त किया जाएगा।

हालाँकि, क्यू के लिए भावों में पारित होने के बाद से। और क्यू प्राप्त होता है। यदि दो तापमानों के बीच अंतर है, और यह केल्विन और डिग्री सेल्सियस दोनों में समान है, तो गणना डिग्री सेल्सियस में की जा सकती है। फिर

इस मामले में, तापमान मान θ डिग्री सेल्सियस में प्राप्त किया जाएगा।

तापीय अराजक गति की प्रक्रिया में टकराव के दौरान अणुओं के बीच गतिज ऊर्जा के आदान-प्रदान के रूप में ऊष्मा चालन के परिणामस्वरूप तापमान के समीकरण को आणविक गतिज सिद्धांत के आधार पर समझाया जा सकता है।

इस उदाहरण को एक ग्राफ द्वारा दर्शाया जा सकता है।