ઉષ્માગતિશાસ્ત્રનો પ્રથમ નિયમ

થર્મોડાયનેમિક પ્રક્રિયા

ગરમી (Q) એ ઉર્જા છે જે તાપમાનના તફાવતને કારણે એક પદાર્થથી બીજા પદાર્થમાં જાય છે. સિસ્ટમો અને પર્યાવરણ વિશે, ગરમી એ ઉર્જા છે જે સિસ્ટમથી પર્યાવરણમાં જાય છે અથવા ઉર્જા પર્યાવરણથી સિસ્ટમમાં જાય છે, જે તાપમાનના તફાવતને કારણે થાય છે. જો સિસ્ટમનું તાપમાન આસપાસના તાપમાન કરતા વધારે હોય, તો ગરમી સિસ્ટમથી પર્યાવરણમાં વહેશે. જો આસપાસનું તાપમાન સિસ્ટમના તાપમાન કરતા વધારે હોય, તો ગરમી પર્યાવરણમાંથી સિસ્ટમમાં વહે છે.

ગરમી (Q) એ ઉર્જા છે જે તાપમાનના તફાવતને કારણે ગતિ કરે છે, જ્યારે કાર્ય (W) કાર્ય દ્વારા ઉર્જા સ્થાનાંતરણ સાથે સંબંધિત છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો સિસ્ટમ પર્યાવરણ પર કાર્ય કરે છે, તો ઉર્જા સિસ્ટમમાંથી પર્યાવરણમાં જાય છે. તેનાથી વિપરીત, જો પર્યાવરણ સિસ્ટમ પર કાર્ય કરે છે, તો ઉર્જા પર્યાવરણથી સિસ્ટમમાં જાય છે.

આંતરિક ઊર્જા અને ઉષ્માગતિશાસ્ત્રનો પ્રથમ નિયમ

સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જા (U) એ સિસ્ટમમાં રહેલી બધી પરમાણુ ગતિ ઊર્જાનો સરવાળો છે, અને સિસ્ટમમાં રહેલા પરમાણુઓ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયામાંથી ઉદ્ભવતી બધી સંભવિત ઊર્જાનો જથ્થો છે. જો ગરમી પર્યાવરણમાંથી સિસ્ટમમાં વહે છે (સિસ્ટમ ઊર્જા મેળવે છે), તો સિસ્ટમમાં ઊર્જા વધે છે. તેનાથી વિપરીત, જો સિસ્ટમ પર્યાવરણ પર કાર્ય કરે છે (સિસ્ટમ ઊર્જા મુક્ત કરે છે), તો સિસ્ટમમાં ઊર્જા ઘટે છે.

ઊર્જા સંરક્ષણના આધારે, સિસ્ટમમાં આંતરિક ઊર્જામાં ફેરફાર થાય છે = સિસ્ટમમાં ગરમી ઉમેરવામાં આવે છે (સિસ્ટમ ઊર્જા મેળવે છે) સિસ્ટમ દ્વારા કરવામાં આવતા કાર્યને બાદ કરીને (સિસ્ટમ ઊર્જા મુક્ત કરે છે).

Δ U = આંતરિક ઉર્જા પરિવર્તન, Q = ગરમી, W = કાર્ય

આંતરિક ઊર્જા એ સિસ્ટમનો સૂક્ષ્મ જથ્થો છે જેથી તેનું મૂલ્ય જાણી શકાતું નથી. જ્યારે આંતરિક ઊર્જામાં થતા ફેરફારો સિસ્ટમમાં ઉમેરાતી ઊર્જા અને ગરમી અને કાર્યના સ્વરૂપમાં સિસ્ટમ દ્વારા મુક્ત થતી ઊર્જા દ્વારા જાણી શકાય છે. તેનાથી વિપરીત, તાપમાન (T), દબાણ (p), કદ (V) અને દળ (m) અથવા કેટલાક મોલ્સ (n) જેવા મેક્રોસ્કોપિક જથ્થાઓ જાણીતા છે.

ગરમી અને કાર્ય ફક્ત સિસ્ટમ અને પર્યાવરણ વચ્ચે ઊર્જા ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયામાં સામેલ છે. ગરમી અને કાર્ય એ કોઈ જથ્થો નથી જે સિસ્ટમની સ્થિતિ દર્શાવે છે.

ગરમી (Q) અને કાર્ય (W) માટે નિયમો પર સહી કરો.

ગરમી અને કાર્ય માટેના સંકેત નિયમો ઉષ્માગતિશાસ્ત્રના પ્રથમ નિયમના સમીકરણ અનુસાર ગોઠવાયેલા છે. ઉપરોક્ત સમીકરણમાં ગરમી (Q) એ સિસ્ટમમાં ઉમેરવામાં આવતી ગરમી છે (Q ધન), જ્યારે ઉપરોક્ત સમીકરણમાં કાર્ય (W) એ સિસ્ટમ દ્વારા કરવામાં આવેલ કાર્ય છે (W ધન). જો ગરમી સિસ્ટમમાંથી બહાર નીકળી જાય છે, તો Q ઋણ છે. જો કાર્ય સિસ્ટમ પર કરવામાં આવે છે, તો W ઋણ છે.

ઉદાહરણ ૧ :

જો સિસ્ટમમાં 2000 જ્યુલ્સ ગરમી ઉમેરવામાં આવે અને સિસ્ટમ કામ કરતી વખતે 1000 જ્યુલ્સ ગરમી મળે, તો આંતરિક ઉર્જા પ્રણાલીમાં કેટલો ફેરફાર થાય છે?

ઉકેલ

Δ U = Q – W = 2000 – 1000= 1000 જુલ્સ.

આ સિસ્ટમ 2000 જૌલ ગરમી (સિસ્ટમ પ્રાપ્ત કરતી ઊર્જા) શોષી લે છે, અને 1000 જૌલ કાર્ય (સિસ્ટમ મુક્તિ ઊર્જા) પણ પહોંચાડે છે. સિસ્ટમ ઊર્જા પરિવર્તન = 1000 જૌલ.

ઉદાહરણ ૧ :

સિસ્ટમમાંથી 2000 જ્યુલ ગરમ થાય છે. સિસ્ટમ 1000 જ્યુલનું કામ કરે છે. સિસ્ટમના આંતરિક ઊર્જા ફેરફારોની ગણતરી કરો.

ઉકેલ

જો સિસ્ટમ ગરમી છોડે છે, તો Q નકારાત્મક છે.

Δ U = Q – W = -2000 – 1000= -3000 જૌલ્સ.

આ સિસ્ટમ 2000 જૌલ ગરમી મુક્ત કરે છે. આ સિસ્ટમ 1000 જૌલ કાર્ય (સિસ્ટમ રીલીઝ એનર્જી) પણ કરે છે. આમ, સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જા 3000 J જેટલી ઓછી થાય છે.

ઉદાહરણ ૧ :

સિસ્ટમમાં 2000 જ્યુલ્સ ગરમી ઉમેરવામાં આવે છે, અને સિસ્ટમ પર 1000 જ્યુલ્સ કાર્ય કરવામાં આવે છે. સિસ્ટમના આંતરિક ઊર્જા ફેરફારોની ગણતરી કરો.

ઉકેલ

સિસ્ટમ પર કામ થયું હતું, તેથી W ઋણ છે.

Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 જુલ્સ.

સિસ્ટમની આંતરિક ઊર્જા 3000 જ્યુલ્સ વધે છે.