गैस प्रणालियों के ऊष्मप्रवैगिकी के अध्ययन का मुख्य विषय थर्मोडायनामिक अवस्थाओं में परिवर्तन है। ऐसे परिवर्तनों के परिणामस्वरूप, गैस काम कर सकती है और आंतरिक ऊर्जा का भंडारण कर सकती है। आइए एक आदर्श गैस में विभिन्न ऊष्मागतिकीय संक्रमणों के बारे में नीचे दिए गए लेख में अध्ययन करें। समतापी प्रक्रिया के ग्राफ के अध्ययन पर विशेष ध्यान दिया जाएगा।
आदर्श गैस
नाम से देखते हुए हम कह सकते हैं कि प्रकृति में 100% आदर्श गैसें नहीं होती हैं। हालांकि, कई वास्तविक पदार्थ इस अवधारणा को व्यावहारिक सटीकता के साथ संतुष्ट करते हैं।
एक आदर्श गैस कोई भी गैस है जिसमें उसके कणों और उनके आकार के बीच परस्पर क्रिया की उपेक्षा की जा सकती है। दोनों स्थितियाँ तभी संतुष्ट होती हैं जब अणुओं की गतिज ऊर्जा उनके बीच के बंधों की स्थितिज ऊर्जा से बहुत अधिक हो, और अणुओं के बीच की दूरी कण आकार की तुलना में बहुत अधिक हो।
यह निर्धारित करने के लिए कि कौन सा हैयदि अध्ययन के तहत गैस आदर्श है, तो आप अंगूठे के एक सरल नियम का उपयोग कर सकते हैं: यदि सिस्टम में तापमान कमरे के तापमान से ऊपर है, तो दबाव वायुमंडलीय दबाव से बहुत अलग या उससे कम नहीं है, और अणु जो सिस्टम बनाते हैं रासायनिक रूप से निष्क्रिय हैं, तो गैस आदर्श होगी।
मुख्य कानून
हम बात कर रहे हैं आदर्श गैस समीकरण की, जिसे क्लैपेरॉन-मेंडेलीव नियम भी कहते हैं। यह समीकरण XIX सदी के 30 के दशक में फ्रांसीसी इंजीनियर और भौतिक विज्ञानी एमिल क्लैपेरॉन द्वारा लिखा गया था। कुछ दशक बाद, रूसी रसायनज्ञ मेंडेलीव ने इसे अपने आधुनिक रूप में लाया। यह समीकरण इस तरह दिखता है:
पीवी=एनआरटी.
समीकरण के बाईं ओर दबाव P और आयतन V का गुणनफल है, समीकरण के दाईं ओर तापमान T और पदार्थ n की मात्रा का गुणनफल है। R सार्वत्रिक गैस नियतांक है। ध्यान दें कि T परम तापमान है, जिसे केल्विन में मापा जाता है।
क्लैपेरॉन-मेंडेलीव कानून सबसे पहले पिछले गैस कानूनों के परिणामों से प्राप्त किया गया था, यानी यह पूरी तरह से प्रयोगात्मक आधार पर आधारित था। आधुनिक भौतिकी के विकास और तरल पदार्थ के गतिज सिद्धांत के साथ, सिस्टम के कणों के सूक्ष्म व्यवहार पर विचार करके आदर्श गैस समीकरण प्राप्त किया जा सकता है।
समतापी प्रक्रिया
चाहे यह प्रक्रिया गैसों, तरल पदार्थों या ठोस पदार्थों में हो, इसकी बहुत स्पष्ट परिभाषा है। एक इज़ोटेर्मल संक्रमण दो राज्यों के बीच एक संक्रमण है जिसमें सिस्टम का तापमानसंरक्षित, अर्थात् अपरिवर्तित रहता है। इसलिए, समय के अक्ष (x अक्ष) में समतापी प्रक्रिया का ग्राफ - तापमान (y अक्ष) एक क्षैतिज रेखा होगी।
एक आदर्श गैस के संबंध में, हम देखते हैं कि इसके लिए समतापीय संक्रमण को बॉयल-मैरियोट नियम कहा जाता है। यह नियम प्रयोगात्मक रूप से खोजा गया था। इसके अलावा, वह इस क्षेत्र में पहले (17 वीं शताब्दी के उत्तरार्ध में) बने। यह प्रत्येक छात्र द्वारा प्राप्त किया जा सकता है यदि वह एक स्थिर तापमान (T=const) पर एक बंद प्रणाली (n=const) में गैस के व्यवहार पर विचार करता है। राज्य के समीकरण का उपयोग करते हुए, हम प्राप्त करते हैं:
nआरटी=कास्ट=>
पीवी=कास्ट.
अंतिम समानता बॉयल-मैरियोट कानून है। भौतिकी की पाठ्यपुस्तकों में, आप इसे लिखने का यह रूप भी पा सकते हैं:
पी1 वी1=पी2 वी 2.
समतापी अवस्था 1 से थर्मोडायनामिक अवस्था 2 में संक्रमण के दौरान, बंद गैस प्रणाली के लिए आयतन और दबाव का गुणनफल स्थिर रहता है।
अध्ययन किया गया कानून P और V के मूल्यों के बीच व्युत्क्रम आनुपातिकता की बात करता है:
पी=कास्ट / वी.
इसका मतलब है कि एक आदर्श गैस में समतापीय प्रक्रिया का ग्राफ अतिपरवलय वक्र होगा। नीचे दिए गए चित्र में तीन अतिपरवलय दिखाए गए हैं।
इनमें से प्रत्येक को समतापी कहते हैं। सिस्टम में तापमान जितना अधिक होगा, समन्वय अक्षों से इज़ोटेर्म उतना ही दूर होगा। ऊपर की आकृति से, हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि हरा रंग प्रणाली में उच्चतम तापमान से मेल खाता है, और नीला सबसे कम है, बशर्ते कि तीनों में पदार्थ की मात्रा होसिस्टम समान हैं। यदि आकृति में सभी समताप रेखाएं समान तापमान के लिए बनाई गई हैं, तो इसका मतलब है कि हरे रंग का वक्र पदार्थ की मात्रा के मामले में सबसे बड़ी प्रणाली से मेल खाता है।
समतापी प्रक्रिया के दौरान आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन
आदर्श गैसों के भौतिकी में, आंतरिक ऊर्जा को अणुओं की घूर्णी और स्थानान्तरण गति से जुड़ी गतिज ऊर्जा के रूप में समझा जाता है। गतिज सिद्धांत से आंतरिक ऊर्जा U के लिए निम्न सूत्र प्राप्त करना आसान है:
यू=जेड/2एनआरटी.
जहाँ z अणुओं की मुक्त गति की डिग्री की संख्या है। यह 3 (मोनाटॉमिक गैस) से लेकर 6 (बहुपरमाणुक अणु) तक होता है।
समतापी प्रक्रिया के मामले में तापमान स्थिर रहता है, जिसका अर्थ है कि आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का एकमात्र कारण पदार्थ के कणों का सिस्टम में बाहर निकलना या आगमन है। इस प्रकार, बंद प्रणालियों में, उनकी अवस्था में समतापीय परिवर्तन के दौरान, आंतरिक ऊर्जा संरक्षित रहती है।
आइसोबैरिक और आइसोकोरिक प्रक्रियाएं
बॉयल-मैरियोट कानून के अलावा, दो और बुनियादी गैस कानून हैं जो प्रयोगात्मक रूप से खोजे गए थे। वे फ्रांसीसी चार्ल्स और गे-लुसाक के नाम धारण करते हैं। गणितीय रूप से इन्हें इस प्रकार लिखा जाता है:
वी / टी=स्थिरांक जब पी=स्थिरांक;
पी / टी=स्थिरांक जब वी=स्थिरांक।
चार्ल्स का नियम कहता है कि एक समदाब रेखीय प्रक्रिया (P=const) के दौरान आयतन रैखिक रूप से निरपेक्ष तापमान पर निर्भर करता है। गे-लुसाक का नियम आइसोकोरिक पर दबाव और निरपेक्ष तापमान के बीच एक रैखिक संबंध को इंगित करता हैसंक्रमण (वी=स्थिरांक)।
दिए गए समानताओं से यह इस प्रकार है कि समदाब रेखीय और समद्विबाहु संक्रमणों के रेखांकन समतापीय प्रक्रिया से काफी भिन्न होते हैं। यदि समताप रेखा में अतिपरवलय का आकार है, तो समद्विबाहु और समस्थानिक सीधी रेखाएं हैं।
आइसोबैरिक-आइसोथर्मल प्रक्रिया
गैस कानूनों पर विचार करते समय, कभी-कभी यह भूल जाता है कि, टी, पी और वी के मूल्यों के अलावा, क्लैपेरॉन-मेंडेलीव कानून में एन का मूल्य भी बदल सकता है। यदि हम दबाव और तापमान को ठीक करते हैं, तो हमें आइसोबैरिक-आइसोथर्मल संक्रमण का समीकरण मिलता है:
n / V=const जब T=const, P=const.
पदार्थ की मात्रा और आयतन के बीच रैखिक संबंध से पता चलता है कि समान परिस्थितियों में, समान मात्रा में पदार्थ वाली विभिन्न गैसें समान मात्रा में होती हैं। उदाहरण के लिए, सामान्य परिस्थितियों में (0 oC, 1 वायुमंडल), किसी भी गैस का दाढ़ आयतन 22.4 लीटर होता है। माना गया कानून अवोगाद्रो का सिद्धांत कहलाता है। यह डाल्टन के आदर्श गैस मिश्रण के नियम को रेखांकित करता है।
