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ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

आंतरिक ऊर्जा U निकाय के अंदर के अणुओं की कुल ऊर्जा है। यह दो ही तरीकों से बदलती है: ऊष्मा Q (ताप के अंतर से बहने वाली ऊर्जा) और कार्य W (बल से दी गई ऊर्जा, जैसे खिसकता पिस्टन)। प्रथम नियम: ΔQ = ΔU + ΔW. गैस को दी गई ऊष्मा का एक भाग आंतरिक ऊर्जा बढ़ाता है, बाकी से गैस कार्य करती है। स्थिर दाब पर कार्य PΔV है। आदर्श गैस के लिए Cp − Cv = R.

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. सिलिंडर में गैस। नीली गेंदें अणु हैं। इनकी गति की कुल ऊर्जा आंतरिक ऊर्जा U है। दाईं ओर की पट्टी U दिखाती है।
  2. पिस्टन बंद है। लौ ऊष्मा Q देती है। गैस कुछ धकेल नहीं सकती, तो पूरी Q, U में जाती है। अणु तेज़ चलते हैं। ΔU = Q.
  3. अब लौ नहीं, दीवारें कुचालक। हम पिस्टन नीचे दबाते हैं। गैस पर किया कार्य भी U बढ़ाता है। गैस गरम करने का रास्ता सिर्फ ऊष्मा नहीं।
  4. पिस्टन खुला, लौ जली। ऊष्मा Q दो भागों में बँटती है: ΔU (गैस गरम) और W (गैस पिस्टन उठाती है)। Q = ΔU + W. यही प्रथम नियम है।
  5. गैस का कार्य: पिस्टन Δh ऊपर गया, आयतन ΔV = AΔh बढ़ा। स्थिर दाब P पर W = PΔV. स्थिर दाब पर इस कार्य के लिए अधिक ऊष्मा चाहिए, इसलिए Cp, Cv से बड़ा है।
  6. अब आप: ऊष्मा Q और पिस्टन कितना उठे, यह तय करो। तीनों पट्टियाँ हमेशा संतुलित रहती हैं: Q = ΔU + W.

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

क्या गरम गैस में ज़्यादा ऊष्मा होती है?

गरम गैस में आंतरिक ऊर्जा ज़्यादा होती है। "ऊष्मा" केवल अंदर-बाहर बहने वाली ऊर्जा है। लौ जलने पर U की पट्टी बढ़ती देखो।

बिना लौ के गैस गरम कैसे हो सकती है?

उस पर कार्य करके। पिस्टन दबाने से अणुओं को ऊर्जा मिलती है, कुचालक दीवारों में भी U बढ़ती है।

पिस्टन खुला हो तो ऊष्मा कहाँ जाती है?

कुछ U बढ़ाती है, कुछ पिस्टन उठाने में कार्य बनती है। दोनों पट्टियाँ मिलकर ऊष्मा की पट्टी के बराबर।

कार्य PΔV क्यों है?

पिस्टन पर बल = P × A; वह Δh चला; कार्य = P × A × Δh = P × ΔV.

Cp, Cv से बड़ा क्यों?

स्थिर दाब पर गैस पिस्टन उठाकर कार्य भी करती है, इसलिए उतने ही ताप वृद्धि के लिए अधिक ऊष्मा चाहिए।

क्या ऊष्मा देने पर भी ΔU ऋणात्मक हो सकता है?

हाँ, यदि गैस मिली ऊष्मा से अधिक कार्य करे। खुले चरण में Q कम और उठान अधिक रखकर देखो।

आंतरिक ऊर्जा

हर गैस छोटे-छोटे अणुओं से बनी है जो हमेशा चलते रहते हैं। आंतरिक ऊर्जा U इन सब अणुओं की कुल ऊर्जा है (गति की ऊर्जा, और वास्तविक गैसों में आपसी खिंचाव की ऊर्जा)। इसमें पूरे बर्तन की गति शामिल नहीं है।

आदर्श गैस के लिए U केवल ताप पर निर्भर है। अधिक ताप → तेज़ अणु → अधिक U.

U एक अवस्था चर है: यह केवल अभी की अवस्था पर निर्भर है।

ऊष्मा और कार्य: U बदलने के दो रास्ते

ऊष्मा (Q) वह ऊर्जा है जो ताप के अंतर के कारण निकाय और परिवेश के बीच बहती है। लौ गैस को गरम करती है।

कार्य (W) वह ऊर्जा है जो बल द्वारा दूरी तक दी जाती है, ताप के अंतर की ज़रूरत नहीं। हाथ से दबाया पिस्टन भी गैस गरम करता है।

ऊष्मा और कार्य वस्तु में "जमा" नहीं रहते, ये रास्ते में ऊर्जा हैं। वस्तु के पास आंतरिक ऊर्जा होती है, ऊष्मा या कार्य नहीं। इसलिए Q और W अवस्था चर नहीं, रास्ते पर निर्भर हैं।

जूल ने दिखाया कि तय मात्रा का कार्य हमेशा उतनी ही गर्मी देता है जितनी तय मात्रा की ऊष्मा। यानी ऊष्मा भी ऊर्जा है, जूल में मापी जाती है (1 cal = 4.186 J)।

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

प्रथम नियम ऊष्मा और कार्य के लिए ऊर्जा संरक्षण का नियम है:

ΔQ = ΔU + ΔW

चिह्न नियम (NCERT के अनुसार)

(रसायन की कुछ पुस्तकों में ΔU = q + w लिखते हैं, जहाँ w गैस पर किया कार्य है। नियम वही है, केवल W का चिह्न अलग।)

विशेष स्थितियाँ: चक्र में ΔU = 0, इसलिए Q = W. ऊष्मा न आए (कुचालक) तो ΔU = −W.

गैस द्वारा कार्य: W = PΔV

दाब P पर गैस, क्षेत्रफल A वाले पिस्टन को Δx दूरी धकेलती है। बल = PA, कार्य = PA × Δx. पर A × Δx ही आयतन की वृद्धि ΔV है। इसलिए

W = P ΔV (जब P स्थिर हो)

यदि P बदले, तो W = P–V वक्र के नीचे का क्षेत्रफल। प्रसार (ΔV > 0) → गैस धनात्मक कार्य करती है। संपीडन → ऋणात्मक कार्य।

गैस की विशिष्ट ऊष्माएँ और Cp − Cv = R

मोलर विशिष्ट ऊष्मा = 1 mol का ताप 1 K बढ़ाने के लिए ऊष्मा। गैस में यह गरम करने के ढंग पर निर्भर है।

Cp − Cv = R की व्युत्पत्ति (मेयर का संबंध)

1 mol को स्थिर दाब पर ΔT गरम करो। प्रथम नियम: CpΔT = ΔU + PΔV.

ΔU वही है जो स्थिर आयतन पर (U केवल T पर निर्भर): ΔU = CvΔT.

स्थिर P पर PV = RT से: PΔV = RΔT.

तो CpΔT = CvΔT + RΔT, यानी Cp − Cv = R.

परीक्षा टिप: यह व्युत्पत्ति (2–3 अंक) और ΔQ = ΔU + ΔW के प्रश्न लगभग हर साल आते हैं।

घर पर करके देखो

हथेलियाँ 10 सेकंड तेज़ी से रगड़ो। गरम लगती हैं: आपने कार्य किया, वह आंतरिक ऊर्जा बना। साइकिल के टायर में दस बार पंप करो और पंप का निचला भाग छुओ: फिर गरम। हवा पर किया कार्य भी ऊष्मा की तरह U बढ़ाता है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. गैस 500 J ऊष्मा लेती है और 200 J कार्य करती है। आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन?

ΔU = ΔQ − ΔW = 500 − 200 = 300 J. आंतरिक ऊर्जा 300 J बढ़ी।

2. गैस पर 800 J कार्य किया गया और उसने 300 J ऊष्मा बाहर दी। ΔU?

गैस पर कार्य: ΔW = −800 J. ऊष्मा बाहर: ΔQ = −300 J. ΔU = −300 − (−800) = +500 J.

3. 2 × 10⁵ Pa स्थिर दाब पर गैस 1 L से 4 L तक फैली। गैस द्वारा कार्य?

ΔV = 3 L = 3 × 10⁻³ m³. W = PΔV = 2 × 10⁵ × 3 × 10⁻³ = 600 J.

4. ऊपर वाली गैस को 1500 J ऊष्मा भी मिली। आंतरिक ऊर्जा कितनी बदली?

ΔU = 1500 − 600 = 900 J.

5. 2 mol आदर्श गैस को स्थिर आयतन पर 300 K से 350 K गरम किया। Cv = 20.8 J mol⁻¹ K⁻¹. दी गई ऊष्मा?

स्थिर आयतन पर W = 0, इसलिए ΔQ = ΔU = nCvΔT = 2 × 20.8 × 50 = 2080 J.

6. वही 2 mol, 300 K से 350 K, पर स्थिर दाब पर। ऊष्मा और कार्य? (R = 8.3)

Cp = Cv + R = 29.1. ΔQ = 2 × 29.1 × 50 = 2910 J. ΔU = 2080 J (पहले जैसा)। W = 2910 − 2080 = 830 J. जाँच: nRΔT = 2 × 8.3 × 50 = 830 J ✓

7. गैस पूरा चक्र पूरा कर प्रारंभिक अवस्था में लौटी। कुल 1200 J ऊष्मा ली। नेट कार्य?

चक्र में ΔU = 0. इसलिए ΔW = ΔQ = 1200 J.

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम किसके संरक्षण पर आधारित है?
2. गैस 100 J लेती है और 40 J कार्य करती है। ΔU =
3. अवस्था चर कौन है?
4. स्थिर आयतन पर गैस द्वारा कार्य:
5. आदर्श गैस के लिए Cp − Cv =

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम सरल शब्दों में क्या है?

ऊर्जा कभी नष्ट नहीं होती। निकाय को दी ऊष्मा उसकी आंतरिक ऊर्जा बढ़ाने और कार्य करने में जाती है: ΔQ = ΔU + ΔW.

आंतरिक ऊर्जा किसे कहते हैं?

निकाय के अंदर के अणुओं की कुल ऊर्जा। आदर्श गैस में यह केवल ताप पर निर्भर है।

Cp − Cv = R क्यों?

स्थिर दाब पर गैस प्रति मोल अतिरिक्त कार्य PΔV = RΔT करती है, इसलिए प्रति मोल प्रति K, R अधिक ऊष्मा चाहिए।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

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