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एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा और एन्थैल्पी

1845
  • James Prescott Joule
Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

(यह छवि केवल उदाहरण के लिए बनाई गई है)

एक के लिए उत्तम गैसआंतरिक ऊर्जा (U) और एन्थैल्पी (H) केवल तापमान के फलन हैं। इनमें परिवर्तन निम्न द्वारा दिए जाते हैं: U = m c_v ΔT और H = m c_p ΔT, जहाँ c_v और c_p स्थिर आयतन पर विशिष्ट ऊष्माएँ हैं। दबावक्रमशः और को स्थिर माना जाता है।

आदर्श गैस मॉडल का एक मूलभूत सिद्धांत यह है कि इसकी आंतरिक ऊर्जा केवल इसके तापमान पर निर्भर करती है। जेम्स प्रेस्कॉट जूल ने अपने प्रसार प्रयोगों में इसे प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध किया था। एक आदर्श गैस के लिए, आंतरिक ऊर्जा उसके घटक अणुओं की गतिज ऊर्जाओं का योग होती है। चूंकि तापमान औसत गतिज ऊर्जा का माप है, इसलिए आंतरिक ऊर्जा तापमान का एक फलन है। आदर्श गैस मॉडल स्थिर आयतन पर स्थिर विशिष्ट ऊष्मा, [latex]c_v[/latex] के माध्यम से एक रैखिक संबंध मानकर इसे और सरल बनाता है। इस प्रकार, विशिष्ट आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन [latex]Delta u = c_v Delta T[/latex] होता है।

एन्थैल्पी (H) एक है thermodynamic विभव को [latex]H = U + PV[/latex] के रूप में परिभाषित किया गया है। एक आदर्श गैस के लिए, इसका उपयोग करते हुए आदर्श गैस नियम (PV = nRT) होने पर, एन्थैल्पी H = U(T) + nRT हो जाती है, जो कि केवल तापमान का फलन है। इसी प्रकार विशिष्ट एन्थैल्पी में परिवर्तन को Δh = cp ΔT द्वारा दर्शाया जाता है, जहाँ cp स्थिर दाब पर स्थिर विशिष्ट ऊष्मा है। यह सरलीकरण इंजीनियरिंग में अत्यंत उपयोगी है, क्योंकि यह जटिल सारणियों या अवस्था समीकरणों की आवश्यकता के बिना संपीड़न, विस्तार और तापन जैसी प्रक्रियाओं में ऊर्जा परिवर्तनों की सीधी गणना करने की अनुमति देता है, जो इंजन, रेफ्रिजरेटर और विद्युत संयंत्रों के विश्लेषण का आधार बनता है।

UNESCO Nomenclature: 2212
ऊष्मागतिकी

Type

सैद्धांतिक मॉडल

व्यवधान

मूलभूत

उपयोग

व्यापक उपयोग

शगुन

  • पहला नियम of thermodynamics
  • जूल के विस्तार का प्रयोग
  • आंतरिक ऊर्जा की अवधारणा
  • आदर्श गैस कानून
  • एन्थैल्पी की परिभाषा

आवेदन

  • ऊष्मागतिक चक्रों का विश्लेषण (उदाहरण के लिए, ब्रेटन, ओटो)
  • गैस प्रणालियों में ऊष्मा स्थानांतरण की गणना
  • हीट एक्सचेंजर का डिजाइन
  • गैस टर्बाइन और जेट इंजनों का मॉडलिंग
  • रासायनिक प्रक्रिया ऊर्जा संतुलन गणनाओं के लिए इंजीनियरिंग

पेटेंट:

NA

संभावित नवाचार विचार

  • औद्योगिक गैस भट्टियों के लिए वास्तविक समय ऊर्जा लेखापरीक्षा सॉफ्टवेयर
  • control systems for cryogenic gas liquefaction that optimize energy consumption
  • थर्मल प्रदर्शन पर आधारित गैस कंप्रेसर के लिए पूर्वानुमानित रखरखाव एल्गोरिदम
  • अधिक कुशल आंतरिक दहन इंजन शीतलन प्रणालियों के डिजाइन के लिए सिमुलेशन उपकरण
  • सूक्ष्म-स्तरीय गैस सेंसरों के लिए ऑन-चिप थर्मल प्रबंधन प्रणाली
  • संयुक्त चक्र विद्युत संयंत्रों के अनुकूलन के लिए गतिशील मॉडल
  • software for calculating the कार्बन पदचिह्न of industrial heating processes
  • हाइपरसोनिक वाहनों के लिए ऊष्मा परिरक्षण हेतु उन्नत थर्मोडायनामिक मॉडलिंग
  • गैर-मानक गैस मिश्रणों का उपयोग करके नवीन प्रशीतन चक्रों का विकास
  • हीट रिकवरी स्टीम जनरेटर का स्वचालित डिजाइन
Related to: internal energy, enthalpy, उत्तम गैस, Joule’s first law, specific heat, temperature, thermodynamics, energy balance, heat transfer, thermodynamic cycles.

ऐतिहासिक संदर्भ

Chemist conducting catalysis experiment in historical laboratory setting.

कटैलिसीस

उत्प्रेरण वह प्रक्रिया है जिसमें उत्प्रेरक नामक पदार्थ को मिलाकर रासायनिक अभिक्रिया की गति को बढ़ाया जाता है। उत्प्रेरक अभिक्रिया में नष्ट नहीं होते और अपरिवर्तित रहते हैं। वे कम सक्रियण ऊर्जा (E_a) वाला एक वैकल्पिक अभिक्रिया मार्ग प्रदान करके कार्य करते हैं, जिससे समग्र ऊष्मागतिकी (ΔH) को बदले बिना अग्र और पश्च दोनों अभिक्रियाओं की गति बढ़ जाती है।
Early fuel cell apparatus by William Grove, showcasing electrochemical principles in physical chemistry.

ईंधन सेल

फ्यूल सेल एक विद्युत रासायनिक उपकरण है जो ईंधन (आमतौर पर हाइड्रोजन) और ऑक्सीकरण एजेंट (अक्सर ऑक्सीजन) की रासायनिक ऊर्जा को सीधे बिजली में परिवर्तित करता है। बैटरी के विपरीत, इसे काम करने के लिए ईंधन और ऑक्सीकरण एजेंट की निरंतर बाहरी आपूर्ति की आवश्यकता होती है। इसके मुख्य घटक एनोड, कैथोड और उन्हें अलग करने वाला इलेक्ट्रोलाइट हैं, जो आयन परिवहन को सुगम बनाता है।
Demonstration of Joule heating in a vintage laboratory with electric appliances.

जूल तापन और विद्युत शक्ति

जूल तापन, या ओमिक तापन, वह घटना है जिसमें किसी चालक से विद्युत धारा प्रवाहित होने पर ऊष्मा उत्पन्न होती है। ऊष्मा उत्पादन की दर, या क्षयित शक्ति (P), जूल के प्रथम नियम, P = VI द्वारा दी जाती है। इसे ओम के नियम के साथ मिलाकर, शक्ति को P = I²R या P = V²R के रूप में व्यक्त किया जा सकता है।

एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा और एन्थैल्पी

Researcher testing viscoelastic properties of synthetic polymer in a laboratory.

viscoelasticity

विस्कोइलास्टिसिटी पदार्थों का वह गुण है जो विरूपण के दौरान श्यान और प्रत्यास्थ दोनों विशेषताओं को प्रदर्शित करता है। शहद जैसे श्यान पदार्थ अपरूपण प्रवाह का प्रतिरोध करते हैं और तनाव लागू होने पर समय के साथ रैखिक रूप से विकृत होते हैं। रबर बैंड जैसे प्रत्यास्थ पदार्थ खींचने पर विकृत होते हैं और तनाव हटने पर शीघ्र ही अपनी मूल अवस्था में लौट आते हैं। विस्कोइलास्टिक पदार्थों में इन दोनों गुणों के तत्व मौजूद होते हैं।
Scientist measuring sublimation in a vintage laboratory, thermodynamics study.

Enthalpy of Sublimation

ऊर्ध्वपातन की एन्थैल्पी, [latex]Delta H_{text{sub}}[/latex], किसी दिए गए तापमान और दाब पर किसी पदार्थ के एक मोल को ठोस से गैस में परिवर्तित करने के लिए आवश्यक ऊष्मा है। हेस के नियम के अनुसार, चूंकि एन्थैल्पी एक अवस्था फलन है, इसलिए यह ऊर्जा परिवर्तन संलयन की एन्थैल्पी ([latex]Delta H_{text{fus}}[/latex]) और वाष्पीकरण की एन्थैल्पी ([latex]Delta H_{text{vap}}[/latex]) का योग है।
Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम

द्वितीय नियम एन्ट्रापी की अवधारणा प्रस्तुत करता है और स्वतःस्फूर्त प्रक्रियाओं की दिशा निर्धारित करता है। इसे कई तरह से व्यक्त किया जा सकता है, लेकिन इसका एक प्रमुख परिणाम यह है कि एक पृथक प्रणाली की कुल एन्ट्रापी समय के साथ कभी कम नहीं हो सकती। यह नियम 'समय की दिशा' की व्याख्या करता है और यह भी बताता है कि प्रक्रियाएँ अपरिवर्तनीय क्यों होती हैं, जैसे कि ऊष्मा का स्वतः गर्म वस्तु से ठंडी वस्तु की ओर प्रवाहित होना।
1835
1838
1841
1845
1850
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1834
1836
1839-01-01
1842
1847
1850
1850
1850
Thermoelectric cooler demonstrating Peltier effect in a vintage laboratory setting.

पेल्टियर प्रभाव

पेल्टियर प्रभाव दो अलग-अलग चालकों के विद्युतीकृत जंक्शन पर होने वाली ऊष्मा या शीतलन की घटना है। जब दो भिन्न पदार्थों के बीच के जंक्शन से प्रत्यक्ष धारा प्रवाहित होती है, तो धारा की दिशा के आधार पर जंक्शन पर ऊष्मा उत्सर्जित या अवशोषित होती है। ऊष्मा स्थानांतरण की दर धारा के समानुपाती होती है (Q = π ± I)।
Daniell cell with copper and zinc electrodes in electrochemistry laboratory setup.

डेनियल सेल ऑपरेशन

वोल्टेइक पाइल का उन्नत रूप, डेनियल सेल में कॉपर(II) सल्फेट विलयन में एक कॉपर इलेक्ट्रोड और जिंक सल्फेट विलयन में एक जिंक इलेक्ट्रोड होता है, जो एक छिद्रयुक्त अवरोधक द्वारा अलग किए जाते हैं। यह दो-तरल संरचना कॉपर इलेक्ट्रोड पर हाइड्रोजन गैस के जमाव (ध्रुवीकरण) को रोकती है, जिसके परिणामस्वरूप लंबे समय तक अधिक स्थिर और विश्वसनीय वोल्टेज स्रोत प्राप्त होता है।
Solar panel installation demonstrating the photovoltaic effect in solid state physics.

फोटोवोल्टिक प्रभाव

फोटोवोल्टिक प्रभाव वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा प्रकाश के संपर्क में आने पर किसी पदार्थ में वोल्टेज और विद्युत धारा उत्पन्न होती है। यह एक भौतिक और रासायनिक घटना है। इसका एक सामान्य अनुप्रयोग सौर सेल है, जो सूर्य के प्रकाश को सीधे बिजली में परिवर्तित करने के लिए इस प्रभाव का उपयोग करता है। यह प्रभाव प्रकाश के फोटॉनों द्वारा इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा की उच्च अवस्था में उत्तेजित करने पर आधारित है।
19th century laboratory with thermodynamic instruments and Mayer's relation equations.

मेयर का संबंध (ऊष्मगतिकी)

मेयर का संबंध आदर्श गैस की विशिष्ट ऊष्माओं को विशिष्ट गैस स्थिरांक (R_s) से जोड़ता है। यह संबंध है: c_p - c_v = R_s। मोलर विशिष्ट ऊष्माओं (C_p और C_v) के लिए, संबंध है: C_p - C_v = R, जहाँ R सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है। इससे यह स्पष्ट होता है कि c_p हमेशा c_v से अधिक होता है।
19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

ऊर्जा संरक्षण

एक मूलभूत सिद्धांत यह बताता है कि पृथक प्रणालियों की कुल ऊर्जा समय के साथ स्थिर रहती है। ऊर्जा न तो सृजित की जा सकती है और न ही नष्ट की जा सकती है, इसे केवल एक रूप से दूसरे रूप में रूपांतरित किया जा सकता है, जैसे कि स्थितिज ऊर्जा से गतिज ऊर्जा में। शास्त्रीय यांत्रिकी में, केवल संरक्षी बलों वाली प्रणालियों के लिए, कुल यांत्रिक ऊर्जा [latex]E = T + V[/latex] संरक्षित रहती है।
Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

श्यानता की तापमान पर निर्भरता

न्यूटन के नियमों के अनुसार, श्यानता तापमान और दाब पर निर्भर करती है, न कि अपरूपण दर पर। तरल पदार्थों में, तापमान बढ़ने पर श्यानता काफी कम हो जाती है क्योंकि अधिक ऊष्मीय ऊर्जा अणुओं को अंतर्आणविक संसंजक बलों को आसानी से पार करने में सक्षम बनाती है। इसके विपरीत, गैसों में, तापमान बढ़ने पर श्यानता बढ़ जाती है क्योंकि अधिक गति पर बार-बार होने वाली आणविक टक्करों के कारण अधिक संवेग स्थानांतरण होता है।
Laboratory experiment demonstrating the First Law of Thermodynamics with a heat engine setup.

First Law of Thermodynamics

प्रथम नियम ऊर्जा संरक्षण का सिद्धांत है। यह बताता है कि किसी बंद प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा (ΔU) में परिवर्तन, प्रणाली को दी गई ऊष्मा (Q) में से प्रणाली द्वारा अपने परिवेश पर किए गए कार्य (W) को घटाने के बराबर होता है। इसका मूल समीकरण है: ΔU = Q - W। यह नियम ऊष्मा, कार्य और आंतरिक ऊर्जा को आपस में जोड़ता है और ऊष्मा को ऊर्जा स्थानांतरण के एक रूप के रूप में स्थापित करता है।
Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

रासायनिक संतुलन पर उत्प्रेरक

उत्प्रेरक कम सक्रियण ऊर्जा वाला एक वैकल्पिक अभिक्रिया मार्ग प्रदान करके अग्र और पश्च दोनों अभिक्रियाओं की दर को समान रूप से बढ़ाता है। उत्प्रेरक किसी प्रणाली को संतुलन तक बहुत तेजी से पहुंचने में सक्षम बनाता है, लेकिन यह संतुलन की स्थिति को नहीं बदलता है। अभिकारकों और उत्पादों की संतुलन सांद्रता और संतुलन स्थिरांक K का मान अपरिवर्तित रहता है।

(यदि तिथि अज्ञात है या प्रासंगिक नहीं है, उदाहरण के लिए "द्रव यांत्रिकी", तो इसके उल्लेखनीय उद्भव का एक अनुमानित आंकड़ा प्रदान किया गया है)

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