Thermodynamic System and First Law of Thermodynamics
Thermodynamic System and First Law of Thermodynamics पर आधारित इस हिंदी लेख में ऊष्मागतिक तंत्र, परिवेश, Intensive एवं Extensive गुण, State Function, Path Function, ऊष्मा (Heat) और ऊर्जा (Energy) की विस्तृत जानकारी B.Sc. Chemistry के लिए दी गई है।
परिचय
ऊष्मागतिकी (Thermodynamics) रसायन विज्ञान की एक महत्वपूर्ण शाखा है, जो ऊष्मा (Heat), कार्य (Work) और ऊर्जा (Energy) के पारस्परिक संबंधों का अध्ययन करती है। यह बताती है कि किसी भौतिक या रासायनिक परिवर्तन के दौरान ऊर्जा किस प्रकार एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित होती है। आधुनिक रसायन विज्ञान, भौतिकी, इंजीनियरिंग तथा औद्योगिक प्रक्रियाओं में ऊष्मागतिकी का व्यापक उपयोग होता है।
इस विषय में Thermodynamic System and First Law of Thermodynamics सबसे महत्वपूर्ण अवधारणाओं में से एक है। इसके माध्यम से हम ऊर्जा संरक्षण, कार्य, ऊष्मा, एन्थैल्पी तथा विभिन्न ऊष्मागतिक गुणों को समझते हैं।
ऊष्मागतिक तंत्र (Thermodynamic System)
ऊष्मागतिक तंत्र वह भाग है जिसका अध्ययन किया जाता है। इसके बाहर का समस्त भाग परिवेश (Surroundings) कहलाता है।
उदाहरण: यदि किसी बर्तन में पानी उबाला जा रहा है, तो बर्तन में उपस्थित पानी सिस्टम है तथा बर्तन, हवा और कमरा परिवेश हैं।
ऊष्मागतिक तंत्र के प्रकार
1. खुला तंत्र (Open System)
जिसमें पदार्थ तथा ऊर्जा दोनों का आदान-प्रदान होता है।
उदाहरण: खुले बर्तन में उबलता पानी।
2. बंद तंत्र (Closed System)
जिसमें केवल ऊर्जा का आदान-प्रदान होता है, पदार्थ का नहीं।
उदाहरण: बंद प्रेशर कुकर।
3. पृथक तंत्र (Isolated System)
जिसमें न पदार्थ और न ही ऊर्जा का आदान-प्रदान होता है।
उदाहरण: आदर्श थर्मस फ्लास्क।
परिवेश (Surroundings)
सिस्टम के अतिरिक्त शेष सम्पूर्ण ब्रह्मांड परिवेश कहलाता है। सिस्टम और परिवेश के बीच ऊर्जा एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान हो सकता है।
Intensive एवं Extensive गुण
Intensive Properties
वे गुण जो पदार्थ की मात्रा पर निर्भर नहीं करते।
उदाहरण
- तापमान
- दाब
- घनत्व
- अपवर्तनांक
Extensive Properties
वे गुण जो पदार्थ की मात्रा पर निर्भर करते हैं।
उदाहरण
- द्रव्यमान
- आयतन
- आंतरिक ऊर्जा
- एन्थैल्पी
Colligative Properties
वे गुण जो विलयन में घुले कणों की संख्या पर निर्भर करते हैं, न कि उनके प्रकार पर।
मुख्य Colligative Properties
- वाष्प दाब में कमी
- क्वथनांक में वृद्धि
- हिमांक में कमी
- परासरण दाब
State Function
वे गुण जिनका मान केवल प्रारंभिक एवं अंतिम अवस्था पर निर्भर करता है।
उदाहरण
- आंतरिक ऊर्जा (U)
- एन्थैल्पी (H)
- एंट्रॉपी (S)
Path Function
वे गुण जो परिवर्तन के मार्ग (Path) पर निर्भर करते हैं।
उदाहरण
- ऊष्मा (q)
- कार्य (w)
ऊष्मा (Heat) एवं ऊर्जा (Energy)
ऊष्मा वह ऊर्जा है जो तापमान के अंतर के कारण एक वस्तु से दूसरी वस्तु में स्थानांतरित होती है।
ऊर्जा कार्य करने की क्षमता है। यह विभिन्न रूपों में हो सकती है जैसे—
- गतिज ऊर्जा
- स्थितिज ऊर्जा
- रासायनिक ऊर्जा
- ऊष्मीय ऊर्जा
ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम (First Law of Thermodynamics)
यह नियम ऊर्जा संरक्षण के सिद्धांत पर आधारित है।
कथन
ऊर्जा न तो उत्पन्न की जा सकती है और न ही नष्ट की जा सकती है। इसे केवल एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित किया जा सकता है।
गणितीय रूप
ΔU=q+w
जहाँ—
- ΔU = आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन
- q = ऊष्मा
- w = कार्य
यदि सिस्टम पर कार्य किया जाता है तो ऊर्जा बढ़ती है और यदि सिस्टम कार्य करता है तो ऊर्जा घटती है।
एन्थैल्पी (Enthalpy)
एन्थैल्पी को H द्वारा व्यक्त किया जाता है।H=U+PV
स्थिर दाब पर होने वाले ऊष्मा परिवर्तन को एन्थैल्पी परिवर्तन (ΔH) कहते हैं।
ऊष्मा धारिता (Heat Capacity)
किसी पदार्थ का तापमान 1°C या 1 K बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊष्मा को उसकी ऊष्मा धारिता कहते हैं।
प्रकार
- स्थिर आयतन पर ऊष्मा धारिता (Cv)
- स्थिर दाब पर ऊष्मा धारिता (Cp)
सदैवCp>Cv
Joule–Thomson प्रभाव
जब गैस को बिना ऊष्मा के आदान-प्रदान के उच्च दाब से निम्न दाब पर प्रवाहित किया जाता है, तब उसके तापमान में परिवर्तन होता है। इसे Joule–Thomson Effect कहते हैं।
इसका उपयोग—
- रेफ्रिजरेटर
- एयर कंडीशनर
- गैस द्रवीकरण
में किया जाता है।
ऊष्मारसायन (Thermochemistry)
यह रसायन विज्ञान की वह शाखा है जिसमें रासायनिक अभिक्रियाओं के दौरान ऊष्मा परिवर्तन का अध्ययन किया जाता है।
मानक अवस्था (Standard State)
1 atm दाब तथा सामान्यतः 298 K तापमान पर पदार्थ की अवस्था को मानक अवस्था कहते हैं।
Hess का नियम
यदि कोई रासायनिक अभिक्रिया एक या अनेक चरणों में सम्पन्न हो, तो कुल एन्थैल्पी परिवर्तन समान रहता है।
उपयोग
- एन्थैल्पी की गणना
- निर्माण ऊष्मा
- दहन ऊष्मा
- बंध ऊर्जा
Phase Equilibrium
जब किसी पदार्थ की दो या अधिक अवस्थाएँ संतुलन में होती हैं, तो उसे Phase Equilibrium कहते हैं।
Phase Rule
F=C−P+2
जहाँ—
- F = Degree of Freedom
- C = Components
- P = Phases
ऊष्मागतिकी के अनुप्रयोग
- इंजन निर्माण
- रेफ्रिजरेशन
- विद्युत उत्पादन
- रासायनिक उद्योग
- उर्वरक उद्योग
- पेट्रोलियम उद्योग
- खाद्य उद्योग
निष्कर्ष
Thermodynamic System and First Law of Thermodynamics ऊष्मागतिकी का आधार है। इसके माध्यम से ऊर्जा संरक्षण, ऊष्मा, कार्य, एन्थैल्पी तथा विभिन्न ऊष्मागतिक गुणों का अध्ययन किया जाता है। आधुनिक विज्ञान एवं उद्योगों में इसकी अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका है। B.Sc. Chemistry की परीक्षा में यह विषय सबसे महत्वपूर्ण अध्यायों में से एक माना जाता है।