शरीर की आंतरिक ऊर्जा. शरीर की आंतरिक ऊर्जा को बदलने के उपाय

आंतरिक ऊर्जाशरीर (के रूप में चिह्नित) इया यू) आणविक अंतःक्रियाओं और अणु की तापीय गतियों की ऊर्जा का योग है। आंतरिक ऊर्जा प्रणाली की स्थिति का एक अनूठा कार्य है। इसका मतलब यह है कि जब भी कोई सिस्टम किसी दिए गए राज्य में खुद को पाता है, तो सिस्टम के पिछले इतिहास की परवाह किए बिना, इसकी आंतरिक ऊर्जा इस राज्य में निहित मूल्य लेती है। नतीजतन, एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन हमेशा अंतिम और प्रारंभिक राज्यों में इसके मूल्यों के बीच अंतर के बराबर होगा, भले ही संक्रमण जिस पथ पर हुआ हो।

किसी पिंड की आंतरिक ऊर्जा को सीधे तौर पर नहीं मापा जा सकता। आप केवल आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन निर्धारित कर सकते हैं:

यह सूत्र ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम की गणितीय अभिव्यक्ति है

अर्ध-स्थैतिक प्रक्रियाओं के लिए निम्नलिखित संबंध है:

आदर्श गैसें

अनुभवजन्य रूप से प्राप्त जूल के नियम के अनुसार, एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा दबाव या आयतन पर निर्भर नहीं करती है। इस तथ्य के आधार पर, हम एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के लिए एक अभिव्यक्ति प्राप्त कर सकते हैं। स्थिर आयतन पर मोलर ताप क्षमता की परिभाषा के अनुसार। चूँकि एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान का एक कार्य है

.

यही सूत्र किसी भी पिंड की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की गणना के लिए भी सत्य है, लेकिन केवल स्थिर आयतन वाली प्रक्रियाओं (आइसोकोरिक प्रक्रियाओं) में; सामान्य तौर पर, यह तापमान और आयतन दोनों का एक कार्य है।

यदि हम तापमान में परिवर्तन के साथ दाढ़ ताप क्षमता में परिवर्तन की उपेक्षा करते हैं, तो हम प्राप्त करते हैं:

,

जहां पदार्थ की मात्रा है, तापमान में परिवर्तन है।

साहित्य

• सिवुखिन डी.वी.सामान्य भौतिकी पाठ्यक्रम. - 5वां संस्करण, संशोधित। - एम.: फ़िज़मैटलिट, 2006। - टी. II। ऊष्मप्रवैगिकी और आणविक भौतिकी। - 544 पी. - आईएसबीएन 5-9221-0601-5

टिप्पणियाँ

विकिमीडिया फ़ाउंडेशन. 2010.

देखें अन्य शब्दकोशों में "आंतरिक ऊर्जा" क्या है:

आंतरिक ऊर्जा- एक बंद थर्मोडायनामिक प्रणाली की स्थिति का एक कार्य, इस तथ्य से निर्धारित होता है कि इस प्रणाली में होने वाली किसी भी प्रक्रिया में इसकी वृद्धि प्रणाली को प्रदान की गई गर्मी और उस पर किए गए कार्य के योग के बराबर होती है। ध्यान दें आंतरिक ऊर्जा... ... तकनीकी अनुवादक मार्गदर्शिका

भौतिक ऊर्जा प्रणाली, उसके आंतरिक पर निर्भर करती है। स्थिति। वी. ई. इसमें सिस्टम के सभी सूक्ष्म कणों (अणु, परमाणु, आयन, आदि) की अराजक (थर्मल) गति की ऊर्जा और इन कणों की क्रिया की ऊर्जा शामिल है। काइनेटिक. समग्र रूप से सिस्टम की गति की ऊर्जा और... भौतिक विश्वकोश

आंतरिक ऊर्जा- किसी पिंड या प्रणाली की ऊर्जा, उसकी आंतरिक स्थिति पर निर्भर करती है; इसमें शरीर के अणुओं और उनकी संरचनात्मक इकाइयों (परमाणु, इलेक्ट्रॉन, नाभिक) की गतिज ऊर्जा, अणुओं में परमाणुओं की अंतःक्रिया ऊर्जा, इलेक्ट्रॉनिक की अंतःक्रिया ऊर्जा शामिल होती है... ... बिग पॉलिटेक्निक इनसाइक्लोपीडिया

एक पिंड में शरीर के अणुओं और उनकी संरचनात्मक इकाइयों (परमाणु, इलेक्ट्रॉन, नाभिक) की गतिज ऊर्जा, अणुओं में परमाणुओं की परस्पर क्रिया की ऊर्जा आदि शामिल होती है। आंतरिक ऊर्जा में शरीर की गति की ऊर्जा शामिल नहीं होती है एक संपूर्ण और संभावित ऊर्जा... बड़ा विश्वकोश शब्दकोश

आंतरिक ऊर्जा- ▲ ऊर्जा भौतिक शरीर, राज्य, आंतरिक तापमान आंतरिक ऊर्जा के अनुसार... रूसी भाषा का वैचारिक शब्दकोश

आंतरिक ऊर्जा- सिस्टम की कुल ऊर्जा शून्य क्षमता है, जो सिस्टम पर बाहरी बल क्षेत्रों (गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में) के प्रभाव और चलती प्रणाली की गतिज ऊर्जा के कारण होती है। सामान्य रसायन विज्ञान: पाठ्यपुस्तक / ए. वी. झोलनिन ... रासायनिक शब्द

आधुनिक विश्वकोश

आंतरिक ऊर्जा- शरीर में अणुओं, परमाणुओं, इलेक्ट्रॉनों, नाभिकों की गतिज ऊर्जा शामिल होती है जो शरीर बनाते हैं, साथ ही इन कणों की एक दूसरे के साथ बातचीत की ऊर्जा भी शामिल होती है। आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन संख्यात्मक रूप से शरीर पर किए गए कार्य के बराबर होता है (उदाहरण के लिए, जब... ... सचित्र विश्वकोश शब्दकोश

आंतरिक ऊर्जा- एक थर्मोडायनामिक मात्रा जो सिस्टम में किए गए सभी प्रकार के आंतरिक आंदोलनों की संख्या को दर्शाती है। किसी पिंड की पूर्ण आंतरिक ऊर्जा को मापना असंभव है। व्यवहार में, केवल आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन को मापा जाता है... ... धातुकर्म का विश्वकोश शब्दकोश

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एमकेटी के अनुसार, सभी पदार्थ ऐसे कणों से बने होते हैं जो निरंतर तापीय गति में होते हैं और एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। इसलिए, भले ही शरीर गतिहीन हो और शून्य संभावित ऊर्जा हो, इसमें ऊर्जा (आंतरिक ऊर्जा) होती है, जो शरीर को बनाने वाले सूक्ष्म कणों की गति और अंतःक्रिया की कुल ऊर्जा है। आंतरिक ऊर्जा में शामिल हैं:

1. अणुओं की अनुवादात्मक, घूर्णी और कंपन गति की गतिज ऊर्जा;
2. परमाणुओं और अणुओं की परस्पर क्रिया की संभावित ऊर्जा;
3. अंतरापरमाणु और अंतरापरमाणु ऊर्जा।

थर्मोडायनामिक्स में, प्रक्रियाओं को ऐसे तापमान पर माना जाता है जिस पर अणुओं में परमाणुओं की कंपन गति उत्तेजित नहीं होती है, यानी। 1000 K से अधिक तापमान पर नहीं। इन प्रक्रियाओं में, आंतरिक ऊर्जा के केवल पहले दो घटक बदलते हैं। इसीलिए

अंतर्गत आंतरिक ऊर्जाथर्मोडायनामिक्स में हम किसी पिंड के सभी अणुओं और परमाणुओं की गतिज ऊर्जा और उनकी परस्पर क्रिया की स्थितिज ऊर्जा के योग को समझते हैं।

किसी पिंड की आंतरिक ऊर्जा उसकी तापीय अवस्था निर्धारित करती है और एक अवस्था से दूसरी अवस्था में संक्रमण के दौरान बदलती है। किसी दिए गए राज्य में, शरीर में एक पूरी तरह से निश्चित आंतरिक ऊर्जा होती है, जो उस प्रक्रिया से स्वतंत्र होती है जिसके माध्यम से वह इस राज्य में प्रवेश करती है। इसलिए, आंतरिक ऊर्जा को अक्सर कहा जाता है शरीर की स्थिति का कार्य.

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T,\)

कहाँ मैं- आज़ादी की श्रेणी। मोनोआटोमिक गैस के लिए (जैसे उत्कृष्ट गैसें) मैं= 3, द्विपरमाणुक के लिए - मैं = 5.

इन सूत्रों से यह स्पष्ट है कि एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा यह केवल तापमान और अणुओं की संख्या पर निर्भर करता हैऔर यह आयतन या दबाव पर निर्भर नहीं करता है। इसलिए, एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन केवल उसके तापमान में परिवर्तन से निर्धारित होता है और यह उस प्रक्रिया की प्रकृति पर निर्भर नहीं करता है जिसमें गैस एक अवस्था से दूसरी अवस्था में गुजरती है:

\(~\Delta U = U_2 - U_1 = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac(m)(M) \cdot R \cdot \Delta T ,\)

कहां Δ टी = टी 2 - टी 1 .

• वास्तविक गैसों के अणु एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं और इसलिए उनमें स्थितिज ऊर्जा होती है डब्ल्यूपी, जो अणुओं के बीच की दूरी और इसलिए, गैस द्वारा घेरे गए आयतन पर निर्भर करता है। इस प्रकार, किसी वास्तविक गैस की आंतरिक ऊर्जा उसके तापमान, आयतन और आणविक संरचना पर निर्भर करती है।

*सूत्र की व्युत्पत्ति

एक अणु की औसत गतिज ऊर्जा \(~\left\langel W_k \right\rangle = \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T\).

गैस में अणुओं की संख्या \(~N = \dfrac (m)(M) \cdot N_A\) है।

इसलिए, एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा होती है

\(~U = N \cdot \left\langel W_k \right\rangel = \dfrac (m)(M) \cdot N_A \cdot \dfrac (i)(2) \cdot k \cdot T .\)

ध्यान में रख कर k⋅Nए= आरहमारे पास सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है

\(~U = \dfrac (i)(2) \cdot \dfrac (m)(M) \cdot R \cdot T\) - एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा।

आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन

व्यावहारिक समस्याओं को हल करने के लिए आंतरिक ऊर्जा ही महत्वपूर्ण भूमिका नहीं निभाती, बल्कि इसका परिवर्तन Δ निभाता है यू = यू 2 - यू 1 . आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन की गणना ऊर्जा संरक्षण के नियमों के आधार पर की जाती है।

किसी शरीर की आंतरिक ऊर्जा दो तरह से बदल सकती है:

1. प्रतिबद्ध करते समय यांत्रिक कार्य. ए) यदि कोई बाहरी बल किसी पिंड के विरूपण का कारण बनता है, तो जिन कणों से यह बना है उनके बीच की दूरी बदल जाती है, और इसलिए कणों की परस्पर क्रिया की संभावित ऊर्जा बदल जाती है। इसके अलावा, बेलोचदार विकृतियों के दौरान, शरीर का तापमान बदल जाता है, अर्थात। कणों की तापीय गति की गतिज ऊर्जा बदल जाती है। लेकिन जब कोई पिंड विकृत होता है, तो कार्य किया जाता है, जो शरीर की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का एक माप है। ख) किसी पिंड की दूसरे पिंड के साथ बेलोचदार टक्कर के दौरान उसकी आंतरिक ऊर्जा भी बदल जाती है। जैसा कि हमने पहले देखा, पिंडों की बेलोचदार टक्कर के दौरान, उनकी गतिज ऊर्जा कम हो जाती है, यह आंतरिक ऊर्जा में बदल जाती है (उदाहरण के लिए, यदि आप निहाई पर पड़े तार को हथौड़े से कई बार मारते हैं, तो तार गर्म हो जाएगा)। किसी पिंड की गतिज ऊर्जा में परिवर्तन का माप, गतिज ऊर्जा प्रमेय के अनुसार, कार्यरत बलों का कार्य है। यह कार्य आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के माप के रूप में भी काम कर सकता है। ग) किसी पिंड की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन घर्षण बल के प्रभाव में होता है, क्योंकि, जैसा कि अनुभव से ज्ञात होता है, घर्षण हमेशा रगड़ने वाले पिंडों के तापमान में बदलाव के साथ होता है। घर्षण बल द्वारा किया गया कार्य आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के माप के रूप में काम कर सकता है।
2. मदद से गर्मी विनिमय. उदाहरण के लिए, यदि किसी वस्तु को बर्नर की लौ में रखा जाए तो उसका तापमान बदल जाएगा, इसलिए उसकी आंतरिक ऊर्जा भी बदल जाएगी। हालाँकि, यहाँ कोई काम नहीं किया गया था, क्योंकि न तो शरीर की और न ही उसके अंगों की कोई हलचल दिखाई दे रही थी।

किसी निकाय की आंतरिक ऊर्जा में बिना कार्य किये परिवर्तन कहलाता है गर्मी विनिमय(गर्मी का हस्तांतरण)।

ऊष्मा स्थानांतरण तीन प्रकार के होते हैं: चालन, संवहन और विकिरण।

ए) ऊष्मीय चालकताशरीर के कणों के थर्मल अराजक आंदोलन के कारण उनके सीधे संपर्क के दौरान निकायों (या शरीर के हिस्सों) के बीच गर्मी विनिमय की प्रक्रिया है। तापमान जितना अधिक होगा, ठोस शरीर के अणुओं के कंपन का आयाम उतना ही अधिक होगा। गैसों की तापीय चालकता उनके टकराव के दौरान गैस अणुओं के बीच ऊर्जा के आदान-प्रदान के कारण होती है। तरल पदार्थ के मामले में, दोनों तंत्र काम करते हैं। किसी पदार्थ की तापीय चालकता ठोस अवस्था में अधिकतम तथा गैसीय अवस्था में न्यूनतम होती है।

बी) कंवेक्शनयह उनके द्वारा व्याप्त आयतन के कुछ क्षेत्रों से दूसरे क्षेत्रों में तरल या गैस के गर्म प्रवाह द्वारा गर्मी हस्तांतरण का प्रतिनिधित्व करता है।

ग) हीट एक्सचेंज पर विकिरणकी दूरी पर विद्युत चुम्बकीय तरंगों के माध्यम से किया गया।

आइए आंतरिक ऊर्जा को बदलने के तरीकों पर अधिक विस्तार से विचार करें।

यांत्रिक कार्य

थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं पर विचार करते समय, समग्र रूप से मैक्रोबॉडी की यांत्रिक गति पर विचार नहीं किया जाता है। यहां काम की अवधारणा शरीर के आयतन में बदलाव से जुड़ी है, यानी। एक दूसरे के सापेक्ष स्थूल शरीर के हिस्सों की गति। इस प्रक्रिया से कणों के बीच की दूरी में परिवर्तन होता है, और अक्सर उनकी गति की गति में भी परिवर्तन होता है, इसलिए, शरीर की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है।

समदाब रेखीय प्रक्रिया

आइए सबसे पहले आइसोबैरिक प्रक्रिया पर विचार करें। मान लीजिए कि एक गतिशील पिस्टन वाले सिलेंडर में एक तापमान पर गैस है टी 1 (चित्र 1)।

हम गैस को धीरे-धीरे एक तापमान तक गर्म करेंगे टी 2. गैस समदाब रेखीय रूप से विस्तारित होगी और पिस्टन अपनी स्थिति से हट जाएगा 1 ठीक जगह लेना 2 की दूरी तक Δ एल. गैस का दबाव बल बाहरी पिंडों पर कार्य करेगा। क्योंकि पी= स्थिरांक, फिर दबाव बल एफ = पी⋅एसभी स्थिर. इसलिए, इस बल के कार्य की गणना सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है

\(~A = F \cdot \Delta l = p \cdot S \cdot \Delta l = p \cdot \Delta V,\)

कहां Δ वी- गैस की मात्रा में परिवर्तन.

• यदि गैस का आयतन नहीं बदलता (आइसोकोरिक प्रक्रिया), तो गैस द्वारा किया गया कार्य शून्य है।

• गैस अपना आयतन बदलने की प्रक्रिया में ही कार्य करती है।

विस्तार करते समय (Δ वी> 0) गैस का, सकारात्मक कार्य किया जाता है ( ए> 0); संपीड़न के दौरान (Δ वी < 0) газа совершается отрицательная работа (ए < 0).

• अगर हम बाहरी ताकतों के काम पर विचार करें ए " (ए " = –ए), फिर विस्तार के साथ (Δ वी> 0) गैस ए " < 0); при сжатии (Δवी < 0) ए " > 0.

आइए हम दो गैस अवस्थाओं के लिए क्लैपेरॉन-मेंडेलीव समीकरण लिखें:

\(~p \cdot V_1 = \nu \cdot R \cdot T_1, \; \; p \cdot V_2 = \nu \cdot R \cdot T_2,\)

\(~p \cdot (V_2 - V_1) = \nu \cdot R \cdot (T_2 - T_1) .\)

इसलिए, जब समदाब रेखीय प्रक्रिया

\(~A = \nu \cdot R \cdot \Delta T .\)

यदि ν = 1 mol, तो Δ पर Τ = 1 K हमें वह प्राप्त होता है आरसंख्यात्मक रूप से बराबर ए.

इससे यह निष्कर्ष निकलता है सार्वभौमिक गैस स्थिरांक का भौतिक अर्थ: यह संख्यात्मक रूप से एक आदर्श गैस के 1 मोल द्वारा किए गए कार्य के बराबर है जब इसे आइसोबैरिक रूप से 1 K तक गर्म किया जाता है।

एक समदाब रेखीय प्रक्रिया नहीं है

चार्ट पर पी (वी) एक आइसोबैरिक प्रक्रिया में, कार्य चित्र 2, ए में छायांकित आयत के क्षेत्र के बराबर है।

यदि प्रक्रिया समदाब रेखीय नहीं(चित्र 2, बी), फिर फ़ंक्शन वक्र पी = एफ(वी) को एक टूटी हुई रेखा के रूप में दर्शाया जा सकता है जिसमें बड़ी संख्या में आइसोकोर और आइसोबार शामिल हैं। समदाब रेखीय अनुभागों पर कार्य शून्य है, और सभी समदाब रेखीय अनुभागों पर कुल कार्य बराबर होगा

\(~A = \lim_(\Delta V \to 0) \sum^n_(i=1) p_i \cdot \Delta V_i\), या \(~A = \int p(V) \cdot dV,\ )

वे। बराबर होगा छायांकित आकृति का क्षेत्र.

पर इज़ोटेर्माल प्रक्रिया (टी= स्थिरांक) कार्य चित्र 2, सी में दर्शाए गए छायांकित चित्र के क्षेत्रफल के बराबर है।

अंतिम सूत्र का उपयोग करके कार्य निर्धारित करना तभी संभव है जब यह ज्ञात हो कि गैस का आयतन बदलने पर उसका दबाव कैसे बदलता है, अर्थात। फ़ंक्शन का स्वरूप ज्ञात है पी = एफ(वी).

इस प्रकार, यह स्पष्ट है कि गैस की मात्रा में समान परिवर्तन के साथ भी, कार्य गैस की प्रारंभिक अवस्था से अंतिम तक संक्रमण की विधि (यानी, प्रक्रिया पर: आइसोथर्मल, आइसोबैरिक ...) पर निर्भर करेगा। राज्य। इसलिए, हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं

• थर्मोडायनामिक्स में कार्य प्रक्रिया का एक कार्य है न कि अवस्था का कार्य।

ऊष्मा की मात्रा

जैसा कि ज्ञात है, विभिन्न यांत्रिक प्रक्रियाओं के दौरान यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है डब्ल्यू. यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन का एक माप सिस्टम पर लागू बलों का कार्य है:

\(~\डेल्टा डब्ल्यू = ए.\)

ऊष्मा विनिमय के दौरान शरीर की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है। ऊष्मा स्थानांतरण के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का माप ऊष्मा की मात्रा है।

ऊष्मा की मात्राऊष्मा स्थानांतरण के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का एक माप है।

इस प्रकार, कार्य और ऊष्मा की मात्रा दोनों ही ऊर्जा में परिवर्तन की विशेषता बताते हैं, लेकिन आंतरिक ऊर्जा के समान नहीं हैं। वे सिस्टम की स्थिति को स्वयं चित्रित नहीं करते हैं (जैसा कि आंतरिक ऊर्जा करती है), लेकिन जब स्थिति बदलती है तो एक प्रकार से दूसरे प्रकार (एक शरीर से दूसरे शरीर में) में ऊर्जा संक्रमण की प्रक्रिया निर्धारित करते हैं और प्रक्रिया की प्रकृति पर महत्वपूर्ण रूप से निर्भर करते हैं।

काम और गर्मी के बीच मुख्य अंतर यही है

• कार्य एक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा को बदलने की प्रक्रिया को दर्शाता है, जिसमें ऊर्जा का एक प्रकार से दूसरे प्रकार (यांत्रिक से आंतरिक में) में परिवर्तन होता है;
• गर्मी की मात्रा आंतरिक ऊर्जा को एक शरीर से दूसरे शरीर में (अधिक गर्म से कम गर्म तक) स्थानांतरित करने की प्रक्रिया को दर्शाती है, जो ऊर्जा परिवर्तनों के साथ नहीं होती है।

गर्म करना ठंडा करना)

अनुभव से पता चलता है कि किसी पिंड को गर्म करने के लिए ऊष्मा की मात्रा की आवश्यकता होती है एमतापमान पर टी 1 से तापमान टी 2, सूत्र द्वारा गणना की गई

\(~Q = c \cdot m \cdot (T_2 - T_1) = c \cdot m \cdot \Delta T,\)

कहाँ सी- पदार्थ की विशिष्ट ऊष्मा क्षमता (सारणीबद्ध मान);

\(~c = \dfrac(Q)(m \cdot \Delta T).\)

विशिष्ट ऊष्मा क्षमता की SI इकाई जूल प्रति किलोग्राम केल्विन (J/(kg K)) है।

विशिष्ट ऊष्मा सीसंख्यात्मक रूप से गर्मी की मात्रा के बराबर है जो 1 किलो वजन वाले शरीर को 1 K तक गर्म करने के लिए प्रदान की जानी चाहिए।

विशिष्ट ताप क्षमता के अलावा, शरीर की ताप क्षमता जैसी मात्रा पर भी विचार किया जाता है।

ताप की गुंजाइशशरीर सीसंख्यात्मक रूप से शरीर के तापमान को 1 K तक बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा के बराबर:

\(~C = \dfrac(Q)(\Delta T) = c \cdot m.\)

किसी पिंड की ऊष्मा क्षमता की SI इकाई जूल प्रति केल्विन (J/K) है।

वाष्पीकरण (संक्षेपण)

स्थिर तापमान पर किसी तरल को भाप में बदलने के लिए, ऊष्मा की मात्रा खर्च करना आवश्यक होता है

\(~Q = L \cdot m,\)

कहाँ एल- वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा (सारणीबद्ध मान)। जब भाप संघनित होती है तो उतनी ही मात्रा में ऊष्मा निकलती है।

वाष्पीकरण की विशिष्ट ऊष्मा की SI इकाई जूल प्रति किलोग्राम (J/kg) है।

पिघलना (क्रिस्टलीकरण)

एक क्रिस्टलीय पिंड को पिघलाने के लिए वजन तौला जाता है एमपिघलने बिंदु पर, शरीर को गर्मी की मात्रा का संचार करने की आवश्यकता होती है

\(~Q = \lambda \cdot m,\)

कहाँ λ - संलयन की विशिष्ट ऊष्मा (सारणीबद्ध मान)। जब कोई पिंड क्रिस्टलीकृत होता है तो उतनी ही मात्रा में ऊष्मा निकलती है।

संलयन की विशिष्ट ऊष्मा की SI इकाई जूल प्रति किलोग्राम (J/kg) है।

ईंधन दहन

ईंधन के द्रव्यमान के पूर्ण दहन के दौरान निकलने वाली ऊष्मा की मात्रा एम,

\(~Q = q \cdot m,\)

कहाँ क्यू- दहन की विशिष्ट ऊष्मा (सारणीबद्ध मान)।

दहन की विशिष्ट ऊष्मा की SI इकाई जूल प्रति किलोग्राम (J/kg) है।

साहित्य

अक्सेनोविच एल.ए. माध्यमिक विद्यालय में भौतिकी: सिद्धांत। कार्य. टेस्ट: पाठ्यपुस्तक। सामान्य शिक्षा प्रदान करने वाले संस्थानों के लिए भत्ता। पर्यावरण, शिक्षा / एल. ए. अक्सेनोविच, एन. एन. राकिना, के. एस. फ़ारिनो; ईडी। के.एस. फ़ारिनो. - एमएन.: अदुकात्सिया आई व्यवहार्ने, 2004. - पी. 129-133, 152-161।

तापीय परिघटनाओं का अध्ययन करते समय, पिंडों की यांत्रिक ऊर्जा के साथ-साथ एक नई प्रकार की ऊर्जा का परिचय दिया जाता है- आंतरिक ऊर्जा। किसी आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा की गणना करना कठिन नहीं है।

इसके गुणों में सबसे सरल एक मोनोएटोमिक गैस है, यानी एक गैस जिसमें अणुओं के बजाय व्यक्तिगत परमाणु होते हैं। अक्रिय गैसें मोनोएटोमिक होती हैं - हीलियम, नियॉन, आर्गन, आदि। आप मोनोएटोमिक (परमाणु) हाइड्रोजन, ऑक्सीजन आदि प्राप्त कर सकते हैं। हालांकि, ऐसी गैसें अस्थिर होंगी, क्योंकि परमाणुओं की टक्कर से अणु एच 2, ओ 2, आदि उत्पन्न होते हैं।

सीधी टक्कर के क्षणों को छोड़कर, एक आदर्श गैस के अणु एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया नहीं करते हैं। इसलिए, उनकी औसत संभावित ऊर्जा बहुत छोटी है और सारी ऊर्जा अणुओं की अराजक गति की गतिज ऊर्जा है।यह, निश्चित रूप से, सच है यदि गैस वाला कंटेनर आराम पर है, यानी, पूरी गैस नहीं चलती है (इसके द्रव्यमान का केंद्र आराम पर है)। इस स्थिति में, कोई क्रमबद्ध गति नहीं होती है और गैस की यांत्रिक ऊर्जा शून्य होती है। गैस में ऊर्जा होती है, जिसे आंतरिक कहते हैं।

द्रव्यमान की एक आदर्श मोनोआटोमिक गैस की आंतरिक ऊर्जा की गणना करना टीआपको सूत्र (4.5.5) द्वारा व्यक्त एक परमाणु की औसत ऊर्जा को परमाणुओं की संख्या से गुणा करना होगा। यह संख्या पदार्थ की मात्रा के गुणनफल के बराबर है अवोगाद्रो स्थिरांक के लिए एन ए .

व्यंजक (4.5.5) को इससे गुणा करना
, हम एक आदर्श मोनोआटोमिक गैस की आंतरिक ऊर्जा प्राप्त करते हैं:

(4.8.1)

एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा उसके पूर्ण तापमान के सीधे आनुपातिक होती है।यह गैस की मात्रा पर निर्भर नहीं करता है. किसी गैस की आंतरिक ऊर्जा उसके सभी परमाणुओं की औसत गतिज ऊर्जा है।

यदि किसी गैस का द्रव्यमान केंद्र तेज गति से चलता है वी 0 , तब गैस की कुल ऊर्जा यांत्रिक (गतिज) ऊर्जा के योग के बराबर होती है और आंतरिक ऊर्जा यू:

(4.8.2)

आणविक गैसों की आंतरिक ऊर्जा

एक मोनोआटोमिक गैस की आंतरिक ऊर्जा (4.8.1) अनिवार्य रूप से अणुओं की स्थानान्तरणीय गति की औसत गतिज ऊर्जा है। परमाणुओं के विपरीत, गोलाकार समरूपता की कमी वाले अणु अभी भी घूम सकते हैं। इसलिए, स्थानान्तरणीय गति की गतिज ऊर्जा के साथ-साथ, अणुओं में घूर्णी गति की गतिज ऊर्जा भी होती है।

शास्त्रीय आणविक गतिज सिद्धांत में, परमाणुओं और अणुओं को बहुत छोटे बिल्कुल ठोस पिंड माना जाता है। शास्त्रीय यांत्रिकी में किसी भी शरीर को स्वतंत्रता की एक निश्चित संख्या की डिग्री की विशेषता होती है एफ- स्वतंत्र चर (निर्देशांक) की संख्या जो अंतरिक्ष में पिंड की स्थिति को विशिष्ट रूप से निर्धारित करती है। तदनुसार, शरीर द्वारा की जा सकने वाली स्वतंत्र गतिविधियों की संख्या भी बराबर होती है एफ. एक परमाणु को स्वतंत्रता की कई डिग्री के साथ एक सजातीय गेंद के रूप में माना जा सकता है एफ = 3 (चित्र 4.16, ए)। एक परमाणु केवल तीन स्वतंत्र परस्पर लंबवत दिशाओं में ही स्थानान्तरणीय गति कर सकता है। एक द्विपरमाणुक अणु में अक्षीय समरूपता होती है (चित्र 4.16, बी)। ) और स्वतंत्रता की पांच डिग्री है। स्वतंत्रता की तीन डिग्री इसकी स्थानांतरीय गति के अनुरूप हैं और दो एक दूसरे के लंबवत दो अक्षों और समरूपता की धुरी (अणु में परमाणुओं के केंद्रों को जोड़ने वाली रेखा) के आसपास घूर्णी गति के अनुरूप हैं। एक बहुपरमाणुक अणु, मनमाने आकार के ठोस की तरह, स्वतंत्रता की छह डिग्री की विशेषता रखता है (चित्र 4.16, सी) ); स्थानांतरीय गति के साथ-साथ, अणु तीन परस्पर लंबवत अक्षों के चारों ओर घूर्णन कर सकता है।

गैस की आंतरिक ऊर्जा अणुओं की स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या पर निर्भर करती है। तापीय गति के पूर्ण अव्यवस्था के कारण, आणविक गति के किसी भी प्रकार का दूसरे की तुलना में कोई लाभ नहीं है। अणुओं की स्थानांतरीय या घूर्णी गति के अनुरूप स्वतंत्रता की प्रत्येक डिग्री के लिए, समान औसत गतिज ऊर्जा होती है। यह स्वतंत्रता की डिग्री पर गतिज ऊर्जा के समान वितरण के बारे में प्रमेय है (यह सांख्यिकीय यांत्रिकी में सख्ती से सिद्ध है)।

अणुओं की स्थानांतरीय गति की औसत गतिज ऊर्जा बराबर होती है . अनुवादात्मक गति स्वतंत्रता की तीन डिग्री से मेल खाती है। इसलिए, औसत गतिज ऊर्जा स्वतंत्रता की एक डिग्री इसके बराबर है:

(4.8.3)

यदि इस मान को स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या और वजन वाले गैस अणुओं की संख्या से गुणा किया जाता है टी,तब हमें एक मनमाना आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा प्राप्त होती है:

(4.8.4)

यह सूत्र कारक 3 को कारक के साथ प्रतिस्थापित करके एक मोनोएटोमिक गैस के लिए सूत्र (4.8.1) से भिन्न है एफ.

एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा सीधे निरपेक्ष तापमान के समानुपाती होती है और गैस की मात्रा पर निर्भर नहीं करती है।

परिभाषा

शरीर की आंतरिक ऊर्जा (प्रणाली)ऊर्जा कहलाती है जो किसी पिंड (सिस्टम) को बनाने वाले कणों की सभी प्रकार की गति और अंतःक्रिया से जुड़ी होती है, जिसमें जटिल कणों की अंतःक्रिया और गति की ऊर्जा भी शामिल होती है।

ऊपर से यह निष्कर्ष निकलता है कि आंतरिक ऊर्जा में सिस्टम के द्रव्यमान के केंद्र की गति की गतिज ऊर्जा और बाहरी ताकतों की कार्रवाई के कारण सिस्टम की संभावित ऊर्जा शामिल नहीं है। यह वह ऊर्जा है जो केवल सिस्टम की थर्मोडायनामिक स्थिति पर निर्भर करती है।

आंतरिक ऊर्जा को अक्सर अक्षर U द्वारा दर्शाया जाता है। इस मामले में, इसमें एक अत्यंत मामूली परिवर्तन को dU द्वारा दर्शाया जाएगा। ऐसा माना जाता है कि यदि सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा बढ़ती है तो dU एक सकारात्मक मान है, यदि आंतरिक ऊर्जा घटती है तो आंतरिक ऊर्जा नकारात्मक है।

निकायों की एक प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा प्रत्येक व्यक्तिगत शरीर की आंतरिक ऊर्जा और सिस्टम के भीतर निकायों के बीच बातचीत की ऊर्जा के योग के बराबर होती है।

आंतरिक ऊर्जा प्रणाली की स्थिति का एक कार्य है। इसका मतलब यह है कि सिस्टम के एक राज्य से दूसरे राज्य में संक्रमण के दौरान सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन सिस्टम के संक्रमण की विधि (संक्रमण के दौरान थर्मोडायनामिक प्रक्रिया का प्रकार) पर निर्भर नहीं करता है और अंतर के बराबर होता है अंतिम और प्रारंभिक अवस्थाओं की आंतरिक ऊर्जाओं के बीच:

एक वृत्ताकार प्रक्रिया के लिए, सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में कुल परिवर्तन शून्य है:

एक ऐसी प्रणाली के लिए जिस पर बाहरी ताकतों द्वारा कार्य नहीं किया जाता है और जो स्थूल विश्राम की स्थिति में है, आंतरिक ऊर्जा प्रणाली की कुल ऊर्जा है।

आंतरिक ऊर्जा को केवल एक निश्चित स्थिर पद (यू0) तक ही निर्धारित किया जा सकता है, जिसे थर्मोडायनामिक विधियों द्वारा निर्धारित नहीं किया जा सकता है। हालाँकि, यह तथ्य महत्वपूर्ण नहीं है, क्योंकि थर्मोडायनामिक विश्लेषण का उपयोग करते समय, हम आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन से निपटते हैं, न कि इसके निरपेक्ष मूल्यों से। U_0 को अक्सर शून्य माना जाता है। वहीं, आंतरिक ऊर्जा को इसका घटक माना जाता है, जो प्रस्तावित परिस्थितियों में बदलती रहती है।

आंतरिक ऊर्जा को सीमित माना जाता है और इसकी (निचली) सीमा T=0K से मेल खाती है।

एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा

एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा केवल उसके पूर्ण तापमान (T) पर निर्भर करती है और उसके द्रव्यमान के समानुपाती होती है:

जहां CV एक आइसोकोरिक प्रक्रिया में गैस की ताप क्षमता है; सी वी एक आइसोकोरिक प्रक्रिया में गैस की विशिष्ट ताप क्षमता है; - परम शून्य तापमान पर गैस के प्रति इकाई द्रव्यमान की आंतरिक ऊर्जा। या:

i एक आदर्श गैस अणु की स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या है, v गैस के मोल की संख्या है, R=8.31 ​​​​J/(mol K) सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है।

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

जैसा कि ज्ञात है, ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के कई सूत्रीकरण हैं। के. कैराथोडोरी द्वारा प्रस्तावित फॉर्मूलेशन में से एक प्रणाली की कुल ऊर्जा के एक घटक के रूप में आंतरिक ऊर्जा के अस्तित्व की बात करता है। यह मात्रा (वी), दबाव (पी) के आधार पर सरल प्रणालियों में राज्य का एक कार्य है। पदार्थों का द्रव्यमान (m i) जो इस प्रणाली को बनाते हैं: . कैराथोडोरी द्वारा दिए गए सूत्रीकरण में, आंतरिक ऊर्जा इसके स्वतंत्र चर का एक विशिष्ट कार्य नहीं है।

थर्मोडायनामिक्स के पहले नियम के अधिक परिचित फॉर्मूलेशन में, उदाहरण के लिए, हेल्महोल्त्ज़ के फॉर्मूलेशन में, सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा को सिस्टम की भौतिक विशेषता के रूप में पेश किया जाता है। इस मामले में, सिस्टम का व्यवहार ऊर्जा संरक्षण के नियम द्वारा निर्धारित होता है। हेल्महोल्ट्ज़ आंतरिक ऊर्जा को सिस्टम की स्थिति के विशिष्ट मापदंडों के एक फ़ंक्शन के रूप में परिभाषित नहीं करता है:

- एक संतुलन प्रक्रिया में आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन, क्यू - गर्मी की मात्रा जो सिस्टम को विचाराधीन प्रक्रिया में प्राप्त हुई, ए - वह कार्य जो सिस्टम ने किया।

आंतरिक ऊर्जा के मापन की इकाइयाँ

एसआई प्रणाली में आंतरिक ऊर्जा के मापन की मूल इकाई है: [यू]=जे

समस्या समाधान के उदाहरण

उदाहरण

व्यायाम।गणना करें कि 0.1 किग्रा द्रव्यमान वाले हीलियम का तापमान 20C बढ़ने पर उसकी आंतरिक ऊर्जा कितनी मात्रा में बदल जाएगी।

समाधान।समस्या को हल करते समय, हम हीलियम को एक मोनोआटोमिक आदर्श गैस मानते हैं, तो गणना के लिए हम सूत्र लागू कर सकते हैं:

चूँकि हमारे पास एक मोनोआटोमिक गैस है, हम आवर्त सारणी से दाढ़ द्रव्यमान () लेते हैं ( किग्रा/मोल)। प्रस्तुत प्रक्रिया में गैस का द्रव्यमान नहीं बदलता है, इसलिए, आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन बराबर है:

गणना के लिए आवश्यक सभी मात्राएँ उपलब्ध हैं:

उत्तर। (जे)

उदाहरण

व्यायाम।आदर्श गैस का विस्तार कानून के अनुसार किया गया था, जिसे चित्र 1 में ग्राफ द्वारा दर्शाया गया है। आरंभिक आयतन V 0 से। विस्तार करते समय वसा की मात्रा बराबर होती है। किसी दी गई प्रक्रिया में गैस की आंतरिक ऊर्जा में क्या वृद्धि होती है? रुद्धोष्म गुणांक बराबर है।

यांत्रिक ऊर्जा के साथ-साथ किसी भी पिंड (या प्रणाली) में आंतरिक ऊर्जा भी होती है। आंतरिक ऊर्जा विश्राम की ऊर्जा है। इसमें शरीर को बनाने वाले अणुओं की थर्मल अराजक गति, उनकी पारस्परिक व्यवस्था की संभावित ऊर्जा, परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की गतिज और संभावित ऊर्जा, नाभिक में न्यूक्लियॉन, इत्यादि शामिल हैं।

ऊष्मागतिकी में आंतरिक ऊर्जा का निरपेक्ष मान नहीं, बल्कि उसके परिवर्तन को जानना महत्वपूर्ण है।

थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं में, केवल गतिमान अणुओं की गतिज ऊर्जा बदलती है (थर्मल ऊर्जा किसी परमाणु की संरचना को बदलने के लिए पर्याप्त नहीं है, नाभिक की तो बात ही छोड़िए)। इसलिए, वास्तव में आंतरिक ऊर्जा के अंतर्गतऊष्मागतिकी में हमारा तात्पर्य ऊर्जा से है थर्मल अराजकआणविक हलचलें.

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

इस प्रकार, 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 दोनों ऊर्जा हो सकती है, और विभिन्न प्रणालियाँ इस प्रकार की ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकती हैं।

अदला-बदली मेकेनिकल ऊर्जापरिपूर्ण द्वारा विशेषता कार्य ए,और आंतरिक ऊर्जा का आदान-प्रदान - स्थानांतरित ऊष्मा की मात्रा Q.

उदाहरण के लिए, सर्दियों में आपने बर्फ में एक गर्म पत्थर फेंका। स्थितिज ऊर्जा के भंडार के कारण बर्फ को संपीड़ित करने के लिए यांत्रिक कार्य किया गया और आंतरिक ऊर्जा के भंडार के कारण बर्फ को पिघलाया गया। यदि पत्थर ठंडा था, अर्थात्। यदि पत्थर का तापमान माध्यम के तापमान के बराबर है, तो केवल काम होगा, लेकिन आंतरिक ऊर्जा का कोई आदान-प्रदान नहीं होगा।

अत: कार्य और ऊष्मा ऊर्जा के विशेष रूप नहीं हैं। हम गर्मी के भंडार या काम के बारे में बात नहीं कर सकते। यह हस्तांतरित का मापयांत्रिक 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 में परिवर्तित किया जा सकता है और इसके विपरीत। उदाहरण के लिए, यदि आप निहाई को हथौड़े से मारते हैं, तो थोड़ी देर बाद हथौड़ा और निहाई गर्म हो जाएंगे (यह एक उदाहरण है) अपव्ययऊर्जा)।

हम ऊर्जा के एक रूप को दूसरे रूप में बदलने के और भी कई उदाहरण दे सकते हैं।

अनुभव बताता है कि सभी मामलों में, यांत्रिक ऊर्जा का तापीय ऊर्जा में परिवर्तन और इसके विपरीत सदैव पूर्णतः समतुल्य मात्रा में होता है।यह ऊष्मागतिकी के पहले नियम का सार है, जो ऊर्जा संरक्षण के नियम से चलता है।

शरीर को प्रदान की जाने वाली ऊष्मा की मात्रा आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाने और शरीर पर कार्य करने के लिए उपयोग की जाती है:

,

(4.1.1)

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

साइन नियम:यदि ऊष्मा को पर्यावरण से स्थानांतरित किया जाता है यह प्रणाली,और यदि सिस्टम इस मामले में आसपास के निकायों पर काम करता है। संकेत नियम को ध्यान में रखते हुए, ऊष्मागतिकी का पहला नियम इस प्रकार लिखा जा सकता है:

इस अभिव्यक्ति में यू- सिस्टम स्थिति फ़ंक्शन; डी यूइसका कुल अंतर है, और δ क्यूऔर δ एवे नहीं हैं। प्रत्येक अवस्था में, सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा का एक निश्चित और केवल यही मान होता है, इसलिए हम लिख सकते हैं:

,

यह ध्यान रखना जरूरी है कि गर्मी क्यूऔर काम एयह इस बात पर निर्भर करता है कि अवस्था 1 से अवस्था 2 में संक्रमण कैसे पूरा होता है (आइसोकोरिकली, एडियाबेटिकली, आदि), और आंतरिक ऊर्जा यूनिर्भर नहीं करता. साथ ही, यह नहीं कहा जा सकता है कि सिस्टम में किसी दिए गए राज्य के लिए गर्मी और काम का एक विशिष्ट मूल्य है।

सूत्र (4.1.2) से यह निष्कर्ष निकलता है कि ऊष्मा की मात्रा कार्य और ऊर्जा के समान इकाइयों में व्यक्त की जाती है, अर्थात। जूल (जे) में.

थर्मोडायनामिक्स में विशेष महत्व वृत्ताकार या चक्रीय प्रक्रियाओं का है जिसमें एक प्रणाली, राज्यों की एक श्रृंखला से गुजरने के बाद, अपनी मूल स्थिति में लौट आती है। चित्र 4.1 चक्रीय प्रक्रिया को दर्शाता है 1- ए–2–बी-1, जबकि कार्य ए पूरा हो चुका था।

चावल। 4.1

क्योंकि यूतो फिर, यह एक राज्य का कार्य है

(4.1.3)

यह किसी भी राज्य समारोह के लिए सत्य है।

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

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम यह नहीं बताता है कि राज्य परिवर्तन की प्रक्रियाएँ किस दिशा में होती हैं, जो इसकी कमियों में से एक है।