Class 11 भौतिकी Ch-8 ऊष्मागतिकी

8. ऊष्मागतिकी (Thermodynamics)

ऊष्मागतिकी (Thermodynamics) भौतिकी की वह शाखा है जो ऊष्मा (Heat), तापमान (Temperature), ऊर्जा (Energy) और कार्य (Work) के बीच संबंध का अध्ययन करती है। यह अध्याय बताता है कि किसी तंत्र (System) में ऊर्जा कैसे स्थानांतरित होती है, कैसे एक रूप से दूसरे रूप में बदलती है तथा ऊष्मा के कारण पदार्थों के गुणों में क्या परिवर्तन होता है।

कक्षा 11 में यह अध्याय बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह आगे चलकर ऊष्मा इंजन, रेफ्रिजरेटर, गैसों के व्यवहार, एंट्रॉपी तथा इंजीनियरिंग के कई विषयों की नींव बनता है।

1. ऊष्मागतिकी का परिचय (Introduction to Thermodynamics)

ऊष्मागतिकी मुख्य रूप से पदार्थ के स्थूल (Macroscopic) गुणों का अध्ययन करती है। इसमें पदार्थ के प्रत्येक अणु को अलग-अलग नहीं देखा जाता बल्कि पूरे पदार्थ के सामूहिक व्यवहार का अध्ययन किया जाता है।

ऊष्मागतिकी में अध्ययन की जाने वाली प्रमुख राशियाँ

• तापमान (Temperature)
• ऊष्मा (Heat)
• दाब (Pressure)
• आयतन (Volume)
• ऊर्जा (Energy)
• कार्य (Work)

ऊष्मागतिकी के उपयोग

• रेफ्रिजरेटर
• एयर कंडीशनर
• भाप इंजन
• डीजल इंजन
• गैस टरबाइन
• बिजली उत्पादन संयंत्र

2. सूक्ष्मदर्शी और स्थूलदर्शी दृष्टिकोण (Microscopic and Macroscopic Approach)

सूक्ष्मदर्शी दृष्टिकोण (Microscopic Approach)

इसमें अणुओं और परमाणुओं की गति का अध्ययन किया जाता है।

उदाहरण: गैस के अणुओं की चाल, टक्कर आदि।

स्थूलदर्शी दृष्टिकोण (Macroscopic Approach)

इसमें केवल दाब, तापमान और आयतन जैसी राशियों का अध्ययन किया जाता है।

उदाहरण: किसी गैस का तापमान बढ़ने पर उसका फैलना।

3. ऊष्मागतिक तंत्र (Thermodynamic System)

ब्रह्मांड के जिस भाग का अध्ययन किया जाता है उसे तंत्र (System) कहते हैं।

तंत्र के प्रकार

(i) मुक्त तंत्र (Open System)

ऊर्जा और पदार्थ दोनों का आदान-प्रदान संभव होता है।

उदाहरण: खुला बर्तन।

(ii) बंद तंत्र (Closed System)

केवल ऊर्जा का आदान-प्रदान होता है।

उदाहरण: पिस्टन में बंद गैस।

(iii) पृथक तंत्र (Isolated System)

न ऊर्जा का आदान-प्रदान और न पदार्थ का।

उदाहरण: आदर्श थर्मस फ्लास्क।

4. परिवेश (Surroundings)

तंत्र के बाहर का सम्पूर्ण भाग परिवेश कहलाता है।

उदाहरण: यदि हम गैस भरे सिलेंडर का अध्ययन कर रहे हैं तो सिलेंडर के बाहर की सारी वस्तुएँ परिवेश कहलाएँगी।

5. ब्रह्मांड (Universe)

ऊष्मागतिकी में,

ब्रह्मांड = तंत्र + परिवेश

6. तंत्र की सीमा (Boundary)

तंत्र और परिवेश को अलग करने वाली सतह को सीमा (Boundary) कहते हैं।

सीमा के प्रकार

• वास्तविक सीमा (Real Boundary)
• काल्पनिक सीमा (Imaginary Boundary)
• स्थिर सीमा (Fixed Boundary)
• गतिशील सीमा (Movable Boundary)

7. ऊष्मागतिक संतुलन (Thermodynamic Equilibrium)

जब किसी तंत्र के सभी भौतिक गुण समय के साथ नहीं बदलते तब वह संतुलन अवस्था में होता है।

संतुलन के प्रकार

तापीय संतुलन (Thermal Equilibrium)

तापमान हर जगह समान हो।

यांत्रिक संतुलन (Mechanical Equilibrium)

दाब हर जगह समान हो।

रासायनिक संतुलन (Chemical Equilibrium)

कोई रासायनिक अभिक्रिया न हो।

8. शून्यवाँ नियम (Zeroth Law of Thermodynamics)

यदि वस्तु A और वस्तु B अलग-अलग किसी तीसरी वस्तु C के साथ तापीय संतुलन में हैं, तो A और B भी आपस में तापीय संतुलन में होंगे।

महत्व

• तापमान की परिभाषा देता है।
• थर्मामीटर का आधार है।
• तापीय संतुलन को समझाता है।

9. अवस्था (State)

किसी तंत्र की निश्चित स्थिति को अवस्था कहते हैं।

अवस्था निर्धारित करने वाली राशियाँ

• दाब (Pressure)
• आयतन (Volume)
• तापमान (Temperature)

10. अवस्था चर (State Variables)

वे राशियाँ जो किसी तंत्र की अवस्था को व्यक्त करती हैं।

उदाहरण

• तापमान
• दाब
• आयतन
• आंतरिक ऊर्जा
• एंट्रॉपी

11. अवस्था समीकरण (Equation of State)

दाब, आयतन और तापमान के बीच संबंध बताने वाली समीकरण।

आदर्श गैस समीकरण

$$PV=nRT$$

जहाँ,

P = दाब

V = आयतन

n = मोल संख्या

R = सार्वत्रिक गैस नियतांक

T = परम ताप

12. अवस्था फलन (State Function)

जो केवल प्रारंभिक और अंतिम अवस्था पर निर्भर करते हैं।

उदाहरण:

• तापमान
• दाब
• आयतन
• आंतरिक ऊर्जा
• एंट्रॉपी

13. पथ फलन (Path Function)

जो अपनाए गए मार्ग पर निर्भर करते हैं।

उदाहरण:

• ऊष्मा (Heat)
• कार्य (Work)

14. तापमान (Temperature)

किसी वस्तु की गर्माहट या ठंडक की माप तापमान कहलाती है।

तापमान पैमाने

• सेल्सियस (°C)
• फारेनहाइट (°F)
• केल्विन (K)

संबंध

K = °C + 273

15. परम ताप (Absolute Temperature)

केल्विन पैमाने पर मापा गया ताप।

परम शून्य (Absolute Zero)

0 K = -273.15°C

इस ताप पर अणुओं की गतिज ऊर्जा न्यूनतम होती है।

16. आंतरिक ऊर्जा (Internal Energy)

किसी पदार्थ के सभी अणुओं की कुल गतिज और स्थितिज ऊर्जा का योग आंतरिक ऊर्जा कहलाता है।

आंतरिक ऊर्जा को प्रभावित करने वाले कारक

• तापमान
• पदार्थ की मात्रा
• अणुओं की प्रकृति

विशेषता

आदर्श गैस के लिए आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान पर निर्भर करती है।

17. ऊष्मा (Heat)

तापमान के अंतर के कारण ऊर्जा का स्थानांतरण ऊष्मा कहलाता है।

ऊष्मा संचरण की विधियाँ

चालन (Conduction)

ऊष्मा का संचरण कणों के प्रत्यक्ष संपर्क द्वारा होता है।

संवहन (Convection)

द्रवों और गैसों में ऊष्मा का स्थानांतरण।

विकिरण (Radiation)

बिना किसी माध्यम के ऊष्मा का स्थानांतरण।

उदाहरण: सूर्य से पृथ्वी तक ऊष्मा का आना।

18. कार्य (Work)

जब गैस फैलती या संकुचित होती है तो कार्य होता है।

प्रसार कार्य (Expansion Work)

गैस पिस्टन को बाहर धकेलती है।

संपीड़न कार्य (Compression Work)

बाहरी बल गैस को दबाता है।

19. कार्य का संकेत नियम (Sign Convention)

ऊष्मा के लिए

• तंत्र ऊष्मा ग्रहण करे → +Q
• तंत्र ऊष्मा छोड़े → -Q

कार्य के लिए

• तंत्र द्वारा कार्य किया जाए → +W
• तंत्र पर कार्य किया जाए → -W

20. P-V आरेख (Pressure-Volume Diagram)

यह ऊष्मागतिक प्रक्रियाओं का चित्रात्मक निरूपण है।

महत्व

• कार्य ज्ञात करने में
• प्रक्रियाओं की तुलना करने में
• चक्रों को समझने में

P-V ग्राफ के नीचे का क्षेत्रफल = किया गया कार्य

21. ऊष्मा धारिता (Heat Capacity)

किसी वस्तु का तापमान 1 K बढ़ाने हेतु आवश्यक ऊष्मा।

22. विशिष्ट ऊष्मा धारिता (Specific Heat Capacity)

1 kg पदार्थ का तापमान 1 K बढ़ाने हेतु आवश्यक ऊष्मा।

Q = msΔT

23. मोलर ऊष्मा धारिता (Molar Heat Capacity)

1 मोल पदार्थ का तापमान 1 K बढ़ाने हेतु आवश्यक ऊष्मा।

प्रकार

• स्थिर आयतन पर (Cv)
• स्थिर दाब पर (Cp)

24. मेयर का संबंध (Mayer’s Relation)

CP−CV=RC_P-C_V=RCP​−CV​=R

यह संबंध केवल आदर्श गैसों के लिए लागू होता है।

25. ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम (First Law of Thermodynamics)

यह ऊर्जा संरक्षण का नियम है।

$Q=\Delta U+W$

अर्थ

दी गई ऊष्मा का कुछ भाग आंतरिक ऊर्जा बढ़ाने में तथा शेष कार्य करने में खर्च होता है।

26. मुक्त प्रसार (Free Expansion)

जब गैस बिना किसी बाहरी प्रतिरोध के फैलती है।

विशेषताएँ

• कार्य शून्य
• ऊष्मा शून्य
• अप्रत्यावर्ती प्रक्रिया

27. समतापी प्रक्रिया (Isothermal Process)

तापमान स्थिर रहता है।

$PV=\text{constant}$

विशेषताएँ

• तापमान नहीं बदलता।
• आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा नहीं बदलती।

28. रुद्धोष्म प्रक्रिया (Adiabatic Process)

ऊष्मा का आदान-प्रदान नहीं होता।

PVγ=constantPV^{\gamma}=\text{constant}PVγ=constant

उदाहरण

• साइकिल पंप गर्म होना
• बादलों का निर्माण

29. समदाबी प्रक्रिया (Isobaric Process)

दाब स्थिर रहता है।

उदाहरण: खुले बर्तन में पानी गर्म करना।

30. समआयतन प्रक्रिया (Isochoric Process)

आयतन स्थिर रहता है।

उदाहरण: बंद कंटेनर में गैस गर्म करना।

31. बहुपदीय प्रक्रिया (Polytropic Process)

यह एक सामान्य प्रक्रिया है।

PVⁿ = Constant

32. प्रत्यावर्ती प्रक्रिया (Reversible Process)

जिसे विपरीत दिशा में उसी मार्ग से वापस लाया जा सके।

विशेषताएँ

• अत्यंत धीमी
• आदर्श प्रक्रिया
• अधिकतम कार्य

33. अप्रत्यावर्ती प्रक्रिया (Irreversible Process)

जो वापस उसी मार्ग से न लाई जा सके।

कारण

• घर्षण
• मुक्त प्रसार
• तापमान अंतर
• अशांत प्रवाह

34. ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम (Second Law of Thermodynamics)

यह ऊष्मा के प्रवाह की दिशा बताता है।

केल्विन-प्लांक कथन

100% दक्षता वाला ऊष्मा इंजन संभव नहीं।

क्लॉजियस कथन

ऊष्मा स्वयं ठंडी वस्तु से गर्म वस्तु की ओर नहीं जा सकती।

35. एंट्रॉपी (Entropy)

किसी तंत्र की अव्यवस्था की माप एंट्रॉपी कहलाती है।

महत्व

• प्राकृतिक प्रक्रियाओं की दिशा बताती है।
• द्वितीय नियम का गणितीय आधार है।

विशेष तथ्य

पृथक तंत्र में एंट्रॉपी सदैव बढ़ती है।

36. कार्नो प्रमेय (Carnot Theorem)

समान ताप स्रोतों के बीच कार्य करने वाला कोई भी इंजन कार्नो इंजन से अधिक दक्ष नहीं हो सकता।

37. कार्नो चक्र (Carnot Cycle)

चार प्रक्रियाओं से बना आदर्श चक्र।

1. समतापी प्रसार
2. रुद्धोष्म प्रसार
3. समतापी संपीड़न
4. रुद्धोष्म संपीड़न

38. कार्नो इंजन (Carnot Engine)

सैद्धांतिक रूप से सर्वाधिक दक्ष ऊष्मा इंजन।

दक्षता

η = 1 – Tc/Th

39. ऊष्मा इंजन (Heat Engine)

ऊष्मा को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करने वाली मशीन।

भाग

• स्रोत (Source)
• कार्यकारी पदार्थ (Working Substance)
• सिंक (Sink)

40. इंजन की दक्षता (Efficiency)

दक्षता बताती है कि प्राप्त ऊष्मा का कितना भाग उपयोगी कार्य में परिवर्तित हुआ।

η = W/Qh

41. रेफ्रिजरेटर (Refrigerator)

निम्न ताप से ऊष्मा लेकर उच्च ताप पर भेजता है।

कार्य सिद्धांत

ऊष्मागतिकी के द्वितीय नियम पर आधारित।

42. प्रदर्शन गुणांक (Coefficient of Performance)

COP = Qc/W

महत्व

COP जितना अधिक होगा, रेफ्रिजरेटर उतना ही अधिक प्रभावी होगा।

43. ऊष्मा पंप (Heat Pump)

ठंडे स्थान से ऊष्मा लेकर गर्म स्थान तक पहुँचाता है।

44. ऊष्मा भंडार (Heat Reservoir)

ऐसा स्रोत या सिंक जिसका तापमान ऊष्मा देने या लेने पर भी लगभग स्थिर रहता है।

उदाहरण

• समुद्र
• बड़ी झीलें
• वातावरण

45. कार्यकारी पदार्थ (Working Substance)

वह पदार्थ जो इंजन या रेफ्रिजरेटर के भीतर ऊर्जा परिवर्तन की प्रक्रिया में भाग लेता है।

उदाहरण

• गैस
• भाप
• रेफ्रिजरेंट

46. अध्याय के सबसे महत्वपूर्ण Numerical Topics

• Ideal Gas Equation
• Heat Capacity
• Specific Heat Capacity
• First Law of Thermodynamics
• Work Done by Gas
• Isothermal Process
• Adiabatic Process
• Carnot Engine Efficiency
• Refrigerator COP
• Mayer’s Relation
• P-V Diagram

47. अक्सर छूट जाने वाले छोटे लेकिन महत्वपूर्ण Topics

• Zeroth Law of Thermodynamics
• Thermal Equilibrium
• Mechanical Equilibrium
• Chemical Equilibrium
• System Boundary
• Universe
• State Function
• Path Function
• Sign Convention
• Free Expansion
• Heat Reservoir
• Heat Sink
• Working Substance
• Absolute Temperature
• Kelvin Scale
• Macroscopic Approach
• Microscopic Approach
• Polytropic Process
• Carnot Theorem
• Entropy Change
• Reversible Process
• Irreversible Process