آرٹیکل تھرموڈینامک عمل : Isothermal Adiabatic Isochoric Isobaric
چار تھرموڈینامک عمل ہیں، یعنی Isothermal، isochoric، isobaric اور adiabatic عمل۔
Isothermal عمل (مستقل درجہ حرارت)
ایک isothermal عمل میں، نظام کا درجہ حرارت مستقل رکھا جاتا ہے۔ نظریاتی طور پر، تجزیہ شدہ نظام ایک مثالی گیس ہے. مثالی گیس کا درجہ حرارت مثالی اندرونی گیس توانائی (U = 3/2 n RT) کے براہ راست متناسب ہے۔ T تبدیل نہیں ہوتا ہے، لہذا U بھی تبدیل نہیں ہوتا ہے۔ اس طرح، اگر آئسوتھرمل عمل پر لاگو کیا جائے تو، تھرموڈینامک مساوات کا پہلا قانون بن جاتا ہے:
Δ U = Q - W
اندرونی توانائی تبدیل نہیں ہوتی، لہذا Δ U = 0۔
0 = Q - W
Q = W
اس مساوات کی بنیاد پر، isothermal عمل (مستقل درجہ حرارت) میں، نظام میں شامل حرارت (Q) کو نظام کام (W) انجام دینے کے لیے استعمال کرتا ہے۔
isothermal عمل میں نظام کے دباؤ اور حجم میں تبدیلی کو ذیل کے گراف سے واضح کیا گیا ہے:
سسٹم کا پہلا حجم = V1 (چھوٹی حجم) اور سسٹم پریشر = پی1 (بڑا دباؤ)۔ سسٹم کے درجہ حرارت کو مستقل رکھنے کے لیے پھر سسٹم میں گرمی شامل ہونے کے بعد، نظام پھیلتا ہے اور ماحول پر کام کرتا ہے۔ سسٹم کے ماحول پر کام کرنے کے بعد، سسٹم کا حجم V میں بدل جاتا ہے۔2 (سسٹم کا حجم بڑھ جاتا ہے) اور سسٹم پریشر P میں بدل جاتا ہے۔2 (نظام کے دباؤ میں کمی) گراف کی شکل خمیدہ ہے کیونکہ اس عمل کے دوران نظام کا دباؤ باقاعدگی سے تبدیل نہیں ہوتا ہے۔ کام کیے گئے نظام کی مقدار = سایہ دار علاقہ۔
اڈیبیٹک عمل
اڈیبیٹک عمل میں، نظام میں کوئی حرارت شامل نہیں ہوتی ہے اور نہ ہی نظام کو چھوڑتی ہے (Q = 0)۔ Adiabatic عمل اچھی طرح سے الگ تھلگ بند نظام میں ہو سکتا ہے. ایک اچھی طرح سے موصل بند نظام کے لیے، عام طور پر ایسی کوئی حرارت نہیں ہوتی جو نظام میں بہتی ہو یا نظام سے باہر نکل جاتی ہو۔ Adiabatic عمل بند نظاموں میں بھی ہو سکتے ہیں جو الگ تھلگ نہیں ہیں۔
اس صورت میں، عمل کو تیزی سے کیا جانا چاہئے تاکہ گرمی سسٹم میں نہ جائے یا نظام سے باہر نہ نکلے۔ اگر اڈیبیٹک عمل پر لاگو ہوتا ہے، تو پہلا قانون تھرموڈینامک مساوات بدل جائے گا:
Δ U = Q - W
کوئی حرارت سسٹم کے اندر یا باہر نہیں ہے، لہذا Q = 0۔
Δ U = 0 – W
Δ U = -W
اگر سسٹم کو تیزی سے دبایا جائے (سسٹم پر کام کیا جاتا ہے)، تو کام منفی ہے۔ کیونکہ W منفی ہے، پھر U مثبت ہے (نظام میں توانائی بڑھ جاتی ہے)۔ اس کے برعکس، اگر نظام تیزی سے پھیلتا ہے (سسٹم کام کرتا ہے)، تو ڈبلیو مثبت ہے۔ چونکہ W مثبت ہے، U منفی ہے (نظام میں توانائی کم ہو گئی ہے)۔ نظام میں توانائی (مثالی گیس) درجہ حرارت (U = 3/2 n RT) کے متناسب ہے، اس لیے اگر نظام میں توانائی بڑھ جاتی ہے تو نظام کا درجہ حرارت بھی بڑھ جاتا ہے۔ اس کے برعکس، اگر نظام میں توانائی کم ہو جاتی ہے، تو نظام کا درجہ حرارت کم ہو جاتا ہے۔
اڈیبیٹک عمل میں نظام کے دباؤ اور حجم میں تبدیلی کو نیچے کے گراف سے واضح کیا گیا ہے۔
اس گراف میں adiabatic وکر (منحنی خطوط 1-2) isothermal curve (منحنی خطوط 1-3) سے زیادہ تیز ہے۔ اس کھڑی پن کا فرق ظاہر کرتا ہے کہ اسی حجم میں اضافے کے لیے، نظام کا دباؤ adiabatic عمل میں isothermal عمل سے زیادہ کم ہوتا ہے۔ اڈیبیٹک عمل میں سسٹم پریشر زیادہ کم ہوتا ہے کیونکہ جب اڈیبیٹک توسیع ہوتی ہے تو سسٹم کا درجہ حرارت بھی کم ہوجاتا ہے۔ درجہ حرارت دباؤ کے متناسب ہے، لہذا اگر نظام کا درجہ حرارت گر جاتا ہے، تو نظام کا دباؤ بھی کم ہوتا ہے. isothermal عمل کے برعکس، نظام کا درجہ حرارت ہمیشہ مستقل رہتا ہے۔ اس طرح، isothermal عمل میں، درجہ حرارت دباؤ کی کمی کو متاثر نہیں کرتا ہے۔
adiabatically عمل کی ایک مثال اندرونی دہن کے انجن میں ہوتی ہے، جیسے ڈیزل انجن اور پٹرول انجن۔ ڈیزل انجنوں میں، سلنڈر میں ہوا داخل کی جاتی ہے، اور سلنڈر کے اندر کی ہوا کو پسٹن کا استعمال کرتے ہوئے تیزی سے دبایا جاتا ہے (کام ہوا پر ہوتا ہے)۔ اڈیبیٹک کمپریشن عمل (سسٹم کے حجم میں کمی) کو وکر 2-1 سے واضح کیا گیا ہے۔ تیز اڈیبیٹک دباؤ کی وجہ سے درجہ حرارت تیزی سے بڑھتا ہے۔ اسی وقت، ڈیزل کو انجیکٹر کے ذریعے سلنڈر میں چھڑکایا جاتا ہے، اور مرکب فوری طور پر متحرک ہوجاتا ہے۔ پٹرول انجن میں، ہوا اور پٹرول کا مرکب سلنڈر میں ڈالا جاتا ہے اور پھر پسٹن کا استعمال کرتے ہوئے تیزی سے دبایا جاتا ہے۔ چونکہ اسے تیزی سے اڈیابیٹیکل طور پر دھکیل دیا جاتا ہے، درجہ حرارت تیزی سے بڑھ جاتا ہے۔ ایک ہی وقت میں، چنگاری پلگ کو آگ لگتی ہے تاکہ جلنے کا عمل ہوتا ہے.
Isochoric عمل (مستقل حجم)
Isochoric عمل میں، نظام کا حجم مسلسل رکھا جاتا ہے. چونکہ نظام کا حجم ہمیشہ مستقل رہتا ہے، اس لیے نظام ماحول پر کام نہیں کر سکتا۔ ماحول بھی نظام پر کام نہیں کر سکتا۔ اگر آئسوکورک عمل پر لاگو کیا جائے تو تھرموڈینامک مساوات کا پہلا قانون اس میں تبدیل ہوتا ہے:
Δ U = Q - W
نظام ماحول پر کام نہیں کرتا، اس لیے W = 0
Δ U = Q – 0
Δ U = Q
اس نتیجے سے، ہم یہ نتیجہ اخذ کر سکتے ہیں کہ isochoric عمل (مسلسل حجم) میں، نظام میں شامل حرارت (Q) نظام میں توانائی کو بڑھانے کے لیے استعمال ہوتی ہے۔ isochoric عمل میں نظام کے دباؤ اور حجم میں تبدیلیوں کو ذیل کے گراف سے واضح کیا گیا ہے:
سب سے پہلے، سسٹم پریشر = p 1 (چھوٹا دباؤ)۔ نظام کی اضافی حرارت نظام میں توانائی کو بڑھانے کا سبب بنتی ہے۔ جیسے جیسے سسٹم میں توانائی بڑھتی ہے، سسٹم کا درجہ حرارت (مثالی گیس) بڑھتا ہے (U = 3/2 n RT)۔ درجہ حرارت دباؤ کے براہ راست متناسب ہے۔ لہذا، اگر سسٹم کا درجہ حرارت بڑھتا ہے، تو سسٹم پریشر بڑھ جاتا ہے (p 2 )۔ مستقل نظام والیوم کی وجہ سے، کوئی کام نہیں ہوا (کوئی سایہ دار علاقہ نہیں)۔
isochoric عمل میں، نظام ماحول پر کام نہیں کر سکتا۔ اسی طرح، ماحولیات نظام پر کام نہیں کر سکتا۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ، ایک isochoric عمل میں، نظام کا حجم ہمیشہ مستقل رہتا ہے۔ کام کی کچھ خاص قسمیں ہیں جن میں حجم کی تبدیلیاں شامل نہیں ہیں۔ لہذا اگرچہ نظام کا حجم تبدیل نہیں ہوتا ہے، پھر بھی سسٹم پر کام کیا جا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، بند کنٹینر میں پنکھا + بیٹری ہے۔ پنکھا بیٹری کے ذریعے توانائی کا استعمال کرتے ہوئے گھوم سکتا ہے۔ اس صورت میں، کنٹینر کے اندر پنکھے، بیٹریاں اور ہوا کو نظام سمجھا جاتا ہے۔
جب پنکھا گھومتا ہے، پنکھا کام کرتا ہے، کنٹینر میں موجود کھیلتا ہے۔ اسی وقت، پنکھے کی حرکی توانائی ہوا میں توانائی میں بدل جاتی ہے۔ بیٹری میں برقی توانائی یقیناً کم ہو جاتی ہے کیونکہ اس نے شکل کو ہوا میں توانائی میں بدل دیا ہے۔ یہ مثال ظاہر کرتی ہے کہ isochoric عمل میں (حجم ہمیشہ مستقل ہوتا ہے)، سسٹم پر کام اب بھی کیا جا سکتا ہے (وہ کام جس میں حجم کی تبدیلیاں شامل نہیں ہوتی ہیں)۔
Isobaric عمل (مسلسل دباؤ)
ایک isobaric عمل میں، نظام دباؤ مسلسل رکھا جاتا ہے. چونکہ دباؤ مستقل ہے، اسوبارک عمل میں اندرونی توانائی کی تبدیلی ( ΔU )، حرارت (Q) اور کام (W) صفر نہیں ہیں۔ اس طرح، پہلا قانون تھرموڈینامکس فارمولا تبدیل نہیں ہوا ہے۔
ΔU = Q − W
آئسوبارک عمل میں دباؤ اور گیس کے حجم میں ہونے والی تبدیلیوں کو نیچے کے گراف سے واضح کیا گیا ہے۔
سب سے پہلے، سسٹم کا حجم = V1 (چھوٹی حجم) چونکہ دباؤ کو مستقل رکھا جاتا ہے، اس لیے نظام میں حرارت شامل ہونے کے بعد، نظام پھیلتا ہے اور ماحول پر کام کرتا ہے۔ ماحولیات پر کام کرنے کے بعد، سسٹم کا حجم V میں بدل جاتا ہے۔2 (سسٹم کے حجم میں اضافہ) کام کی مقدار (W) مکمل نظام = سایہ دار علاقہ۔
سوال 1:
ذیل کے دو خاکوں میں منحنی خطوط 1-2 گیس کی توسیع (گیس کے حجم میں اضافہ) کو ظاہر کرتے ہیں جو adiabatically اور isothermally ہوتا ہے۔ کس عمل میں، گیس کے ذریعے انجام دیا جانے والا کام چھوٹا ہے؟
adiabatic عمل میں گیسوں کے ذریعہ کیا جانے والا کام isothermal عمل میں گیسوں کے کام سے کم ہے۔ سایہ دار رقبہ = توسیع کے عمل کے دوران گیس کے ذریعے کیا جانے والا کام (گیس کے حجم میں اضافہ)۔ اڈیبیٹک عمل میں سایہ دار علاقہ isothermal عمل کے سایہ دار علاقے سے کم ہوتا ہے۔
سوال 2:
تھرموڈینامک عمل نیچے دیے گئے خاکے میں دکھائے گئے ہیں۔ منحنی خطوط ab اور dc = isochoric عمل (مستقل حجم)۔ Curve bc اور ad = isobaric عمل (مسلسل دباؤ)۔ اب عمل میں، حرارت (Q) 600 Joules سسٹم میں شامل کی جاتی ہے۔ bc کے عمل میں، نظام میں حرارت (Q) 800 Joules شامل کی جاتی ہے۔
a) ab کے عمل میں توانائی کی تبدیلی
b) abc کے عمل میں توانائی کی تبدیلی
c) ADC عمل میں کل حرارت شامل کی گئی۔
P 1 = 2 x 10 5 Pa = 2 x 10 5 N/m 2
P 2 = 4 x 10 5 Pa = 4 x 10 5 N/m 2
V 1 = 2 لیٹر = 2 dm 3 = 2 x 10 -3 m 3
V 2 = 4 لیٹر = 2 dm 3 = 4 x 10 -3 m 3
حل
a) ab کے عمل میں اندرونی توانائی کی تبدیلیاں
ab عمل میں، 600 J حرارت سسٹم میں شامل کی جاتی ہے۔ عمل ab = isochoric عمل (مستقل حجم)۔ isochoric عمل میں، نظام میں حرارت کا اضافہ صرف نظام میں توانائی کو بڑھاتا ہے۔ اس طرح، گرمی حاصل کرنے کے بعد نظام میں توانائی کی تبدیلی:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) abc کے عمل میں توانائی کی تبدیلی
عمل ab = isochoric عمل (مستقل حجم)۔ ab عمل میں، 600 J حرارت سسٹم میں شامل کی جاتی ہے۔ مسلسل حجم کی وجہ سے، نظام کی طرف سے کوئی کام نہیں کیا جاتا ہے.
عمل bc = isobaric عمل (مسلسل دباؤ)۔ bc کے عمل میں، نظام میں حرارت (Q) 800 Joules شامل کی جاتی ہے۔ isobaric عمل میں، نظام کام کر سکتا ہے. بی سی پروسیس (آئسوبارک عمل) میں سسٹم کے ذریعے کیے جانے والے کام کی مقدار یہ ہے:
W = P (V 2 - V 1 ) — مسلسل دباؤ
W = P 2 (V 2 - V 1 )
W = 4 x 10 5 N/m 2 (4 x 10 -3 m 3 – 2 x 10 -3 m 3 )
W = 4 x 10 5 N/m 2 (2 x 10 -3 m 3 )
ڈبلیو = 8 x 10 2 جول
ڈبلیو = 800 جول
abc کے عمل میں سسٹم میں شامل ہونے والی کل حرارت یہ ہے:
Q کل = Q ab + Q bc
Q کل = 600 J + 800 J
Q کل = 1400 Joules
abc کے عمل میں سسٹم کے ذریعہ انجام دیا جانے والا کل کام یہ ہے:
W کل = W ab + W bc
W کل = 0 + W bc
ڈبلیو کل = 0 + 800 جول
ڈبلیو کل = 800 جول
عمل میں اندرونی توانائی کی تبدیلیاں abc = 600 J
c) ADC عمل میں کل حرارت شامل کی گئی۔
سسٹم میں شامل ہونے والی کل حرارت کا حساب ذیل کی مساوات سے لگایا جا سکتا ہے۔
ΔU = Q - W
Q = ΔU + W
عمل میں شامل کل حرارت adc = adc میں داخلی توانائی کی تبدیلی + عمل adc میں کام۔
حرارت اور کام نظام اور ماحول کے درمیان توانائی کی منتقلی میں شامل ہیں، جبکہ اندرونی توانائی کی تبدیلیاں نظام اور ماحول کے درمیان توانائی کی منتقلی کا نتیجہ ہیں۔ لہذا، توانائی میں تبدیلی توانائی کی منتقلی کے عمل پر منحصر نہیں ہے. دوسری طرف، گرمی اور کام عمل پر منحصر ہے. isochoric عمل (مسلسل حجم کے نظام) میں، توانائی کی منتقلی صرف حرارت کی صورت میں ہوتی ہے، جبکہ کام نہیں ہوتا ہے۔ isobaric عمل (مسلسل دباؤ) میں، توانائی کی منتقلی میں گرمی اور کام شامل ہوتا ہے۔ اگرچہ عمل پر منحصر نہیں ہے، توانائی کی تبدیلی ابتدائی حالت اور اختتامی نظام کی حالت پر منحصر ہوتی ہے۔ اگر ابتدائی اور آخری حالتیں ایک جیسی ہوں تو توانائی میں تبدیلیاں ہمیشہ ایک جیسی ہوتی ہیں، حالانکہ عمل مختلف ہوتا ہے۔
اوپر گراف میں abc عمل کے لیے ابتدائی اور آخری حالتیں = adc عمل کی ابتدائی اور آخری حالتیں۔ اس طرح، adc = 600 J کے عمل میں اندرونی توانائی بدل جاتی ہے۔
کل (W) کام adc = W پر عمل کیا گیا ad + W پر dc عمل۔
اشتھاراتی عمل ایک isobaric عمل (مسلسل دباؤ) ہے، جبکہ dc عمل ایک isochoric عمل (مستقل حجم) ہے۔ مسلسل حجم کی وجہ سے، ڈی سی کے عمل پر کوئی کام نہیں کیا جاتا ہے. سب سے پہلے، ہم اشتہار کے عمل پر کیے گئے کام کا حساب لگاتے ہیں۔
W اشتہار = P (V 2 - V 1 )
W اشتہار = P 1 (V 2 - V 1 )
W اشتہار = 2 x 10 5 N/m 2 (4 x 10 - 3 m 3 - 2 x 10 - 3 m 3 )
W اشتہار = 2 x 10 5 N/m 2 (2 x 10 ‐3 m 3 )
W اشتہار = 4 x 10 2 جول
ڈبلیو اشتہار = 400 جول
W کل = W عمل میں a-d + W عمل d-c میں
W کل = 400 Joules + 0
ڈبلیو کل = 400 جول
اس طرح، ADC کے عمل میں گرمی کی مقدار شامل ہے:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
سوال 3:
1 لیٹر پانی 1 اے ٹی ایم پریشر پر ابالنے پر 1671 لیٹر بھاپ میں بدل جاتا ہے۔ اندرونی توانائی کی تبدیلی اور پانی کے بخارات بننے پر کیے گئے کام کا حساب لگائیں … (پانی کے لیے بخارات کی حرارت = L V = 22.6 x 10 5 J/Kg)
حل
پانی کی کثافت = 1000 کلوگرام/میٹر 3
پانی کے لیے بخارات کی حرارت (L V ) = 22.6 x 10 5 J/Kg
P = 1 atm = 1.013 x 10 5 Pa = 1.013 x 10 5 N/m 2
V 1 = 1 لیٹر = 1 dm 3 = 1 x 10 -3 m 3 (پانی کا حجم)
V 2 = 1671 لیٹر = 1671 dm 3 = 1671 x 10 -3 m 3 (بھاپ کا حجم)
a) اندرونی توانائی میں تبدیلیاں
اندرونی توانائی میں تبدیلی = پانی میں گرمی کا اضافہ مائنس پانی کے بخارات بننے پر کیا جاتا ہے۔ پہلی گنتی گرمی (Q) پانی میں شامل کی گئی…
Q = m L V
پانی کی کثافت = پانی کا حجم / پانی کا حجم
پانی کا حجم (m) = پانی کی کثافت x پانی کا حجم
پانی کا حجم (m) = (1000 kg/m 3 ) (1 x 10 -3 m 3 )
پانی کا حجم (میٹر) = (1000 کلوگرام/میٹر 3 ) (0.001 میٹر 3 )
پانی کی مقدار (m) = 1 کلوگرام
Q = (1 کلوگرام) (22.6 x 10 5 J/kg)
Q = 22.6 x 10 5 J
پانی کے بخارات بننے پر کیے گئے کام (W) کا حساب لگائیں۔ پانی کا ابلنا مستقل دباؤ (آئسوبارک عمل) پر ہوتا ہے۔
W = p (V 2 - V 1 )
W = 1.013 x 10 5 N/m 2 (1671 x 10 -3 m 3 – 1 x 10 -3 m 3 )
W = 1.013 x 10 5 N/m 2 (1670 x 10 -3 m 3 )
W = 1691.71 x 105 Joules
W = 1.7 x 105 Joules
پانی کی اندرونی توانائی میں تبدیلیاں:
ΔU = Q - W
ΔU = 22.6 x 10 5 J - 1.7 x 10 5 J
ΔU = 20.9 x 10 5 J
ΔU = 21 x 10 5 J
پانی میں شامل 21 x 10 5 جول حرارت اندرونی توانائی کو بڑھانے کے لیے استعمال ہوتی ہے (پانی کو سیال رکھنے والے مالیکیولز کے درمیان تناؤ کی قوتوں پر قابو پانا)۔ دوسرے الفاظ میں، 21 x 10 5 J پانی کو بھاپ میں تبدیل کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ جب پانی بھاپ بن جاتا ہے، باقی 1.7 x 105 J کام کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔
سوال 4:
ایک سلنڈر میں گیس کا 1 مول تیزی سے adiabatically پھیلتا ہے۔ سب سے پہلے، گیس کا درجہ حرارت = 1000 K۔ پھیلنے کے بعد، گیس کا درجہ حرارت 500 K تک کم ہو جاتا ہے۔ گیس کے ذریعے کیے گئے کام کا تعین کریں …
حل
گیس کی توسیع adiabatically اس وقت ہوتی ہے. adiabatic عمل میں، کوئی حرارت نظام میں داخل یا خارج نہیں ہوتی ہے۔ اس طرح، گیس میں کیا جانے والا کام = گیس میں توانائی کی تبدیلی۔
ΔU = Q – W یا W = Q – Δ U → Q = 0
W = 0 – ΔU
ڈبلیو = – ΔU
ہم مثالی گیس میں توانائی کی مساوات کا استعمال کرتے ہوئے گیس میں توانائی کی تبدیلیوں کا حساب لگا سکتے ہیں:
ΔU = 3/2 (1 mol) (8.315 J / mol. K) (500 K - 1000 K)
ΔU = 3/2 (1 mol) (8.315 J / mol. K) (- 500 K)
ΔU = -6236.25 J
اس طرح، گیس کے ذریعہ کئے جانے والے کام کی مقدار یہ ہے:
ڈبلیو = – ΔU
W = – (- 6236.25 J)
ڈبلیو = 6236.25 جے
