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First Law of Thermodynamics

1850

Julius Robert von Mayer
James Prescott Joule
Hermann von Helmholtz
Rudolf Clausius

(यह छवि केवल उदाहरण के लिए बनाई गई है)

The First Law is a statement of the ऊर्जा संरक्षण. It posits that the change in a closed system’s internal energy ([latex]\Delta U[/latex]) is equal to the heat supplied to the system ([latex]Q[/latex]) minus the work done by the system on its surroundings ([latex]W[/latex]). The governing equation is [latex]\Delta U = Q – W[/latex]. This law links heat, work, and internal energy, establishing heat as a form of energy transfer.

The First Law of Thermodynamics generalized the principle of conservation of energy, which was previously known in mechanics, to include heat. Its formulation was a major step in physics, as it definitively refuted the prevailing caloric theory, which considered heat a weightless fluid. Experiments by James Joule in the 1840s, which demonstrated the mechanical equivalent of heat, were crucial in establishing that heat and work are mutually convertible.

The law introduces internal energy ([latex]U[/latex]) as a state function, meaning its value depends only on the current state of the system, not on how it got there. In contrast, heat ([latex]Q[/latex]) and work ([latex]W[/latex]) are path-dependent process quantities. The law’s differential form is [latex]dU = \delta Q – \delta W[/latex]. For a cyclic process, where the system returns to its initial state, the change in internal energy is zero ([latex]\Delta U = 0[/latex]), so the net heat supplied equals the net work done. This principle is the basis for all heat engines. The law also implies the impossibility of a perpetual motion machine of the first kind—a machine that produces work without any energy input.

क्लोज्ड-लूप उत्पाद विकास, ऊर्जा, तापीय धारिता, उष्मा उपचार, यांत्रिक अभियांत्रिकी, प्रक्रिया अनुकूलन, गुणवत्ता प्रबंधन, ऊष्मागतिकी

UNESCO Nomenclature: 2212

ऊष्मागतिकी, सांख्यिकीय भौतिकी और संघनित पदार्थ

Type

सार प्रणाली

व्यवधान

क्रांतिकारी

उपयोग

व्यापक उपयोग

शगुन

Sadi Carnot’s analysis of heat engines and thermodynamic cycles
James Joule’s experiments on the mechanical equivalent of heat
rejection of the caloric theory of heat
principle of conservation of energy in mechanics as formulated by Leibniz and others

आवेदन

heat engines (internal combustion, steam turbines)
refrigerators, air conditioners, and heat pumps
chemical reaction analysis (enthalpy calculations)
power plant design and efficiency analysis
nutritional calorimetry for calculating food energy (calories)

पेटेंट:

संभावित नवाचार विचार

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Related to: first law, conservation of energy, internal energy, heat, work, thermodynamics, enthalpy, closed system, state function, perpetual motion.

ऐतिहासिक संदर्भ

उष्मागतिकी उपकरणों और मेयर के संबंध समीकरणों वाली 19वीं सदी की प्रयोगशाला।.

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।

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।

थर्मोडायनामिक्स में विभिन्न तापमानों पर द्रवों की सान्द्रता मापने के लिए प्रयोगशाला सेटअप।.

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।

First Law of Thermodynamics

1850 में एक पुरानी प्रयोगशाला में उत्प्रेरकों के साथ प्रयोग करते हुए रसायनज्ञ।.

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।

ऊष्मागतिकी में आदर्श गैस नियम को दर्शाते हुए गैस की आयतन मापने वाले 19वीं सदी के रसायनज्ञ।.

आदर्श गैस नियम (मोलर रूप)

आदर्श गैस नियम एक काल्पनिक आदर्श गैस के लिए अवस्था समीकरण है, जो विभिन्न परिस्थितियों में कई गैसों के व्यवहार का अनुमान लगाता है। मोलर रूप दाब (P), आयतन (V), मोल में पदार्थ की मात्रा (n) और परम तापमान (T) को सार्वभौमिक गैस स्थिरांक (R) के माध्यम से संबंधित करता है: PV = nRT।

ऊष्मागतिकी में वाष्प दाब और तापमान मापने के लिए प्रयोगशाला उपकरण।.

क्लॉसियस-क्लैपेयरॉन संबंध

क्लॉसियस-क्लैपेयरॉन संबंध किसी पदार्थ के अवस्था परिवर्तन (जैसे द्रव और वाष्प) के दौरान दाब और तापमान के बीच संबंध को दर्शाता है। जल वाष्प के लिए, यह दर्शाता है कि संतृप्त वाष्प दाब तापमान के साथ घातीय रूप से बढ़ता है। इसका अनुमानित रूप [latex]frac{dp}{dT} = frac{L}{T(V_v - V_l)} approx frac{L p}{R_v T^2}[/latex] है, जहाँ L गुप्त ऊष्मा है।

1842

1847

1850

1841

1845

1850

1851

विद्युत उपकरणों वाली एक पुरानी प्रयोगशाला में जूल ताप का प्रदर्शन।.

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

एक आदर्श गैस के लिए, आंतरिक ऊर्जा (U) और एन्थैल्पी (H) केवल तापमान के फलन होते 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 क्रमशः स्थिर आयतन और दाब पर विशिष्ट ऊष्माएँ हैं, और इन्हें स्थिर माना जाता है।

एक प्रयोगशाला में शोधकर्ता सिंथेटिक पॉलिमर के विस्कोइलास्टिक गुणों का परीक्षण कर रहा है।.

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।

एक पुरानी प्रयोगशाला में ऊष्मागतिकी अध्ययन के तहत वाष्पीकरण मापते वैज्ञानिक।.

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।