থার্মোডিনামিক্সের প্রথম আইন: সূত্র, সমীকরণ, উদাহরণ - শারীরিক - 2025

তাপগতিবিদ্যার প্রথম আইন বলে যে কোনো পরিবর্তন একটি সিস্টেম শক্তির দ্বারা সম্মুখীন যান্ত্রিক কাজ, প্লাস তাপ পরিবেশের সঙ্গে বিনিময় থেকে আসে। তারা বিশ্রামে হোক বা গতিতে থাকুক না কেন, বস্তুগুলিতে (সিস্টেমগুলি) আলাদা আলাদা শক্তি থাকে, যা এক ধরণের প্রক্রিয়ার মাধ্যমে এক শ্রেণি থেকে অন্য শ্রেণিতে রূপান্তরিত হতে পারে।

যদি কোনও সিস্টেম পরীক্ষাগারের স্থিরতায় থাকে এবং এর যান্ত্রিক শক্তি 0 হয় তবে এটির অভ্যন্তরীণ শক্তি থাকে, কারণ এটি রচনা করে এমন কণা প্রতিনিয়ত এলোমেলো গতিবিধি অনুভব করে।

চিত্র 1. একটি অভ্যন্তরীণ জ্বলন ইঞ্জিন কাজ উত্পাদন করার জন্য থার্মোডায়নামিক্সের প্রথম আইন ব্যবহার করে। সূত্র: পিক্সাবে।

কণার এলোমেলো গতিবিধি, বৈদ্যুতিক মিথস্ক্রিয়া এবং কিছু ক্ষেত্রে পারমাণবিক উপাদানগুলির সাথে সিস্টেমের অভ্যন্তরীণ শক্তি তৈরি করে এবং যখন এটি তার পরিবেশের সাথে যোগাযোগ করে, অভ্যন্তরীণ শক্তির বিভিন্নতা দেখা দেয়।

এই পরিবর্তনগুলি ঘটানোর বিভিন্ন উপায় রয়েছে:

- প্রথমটি হ'ল সিস্টেমটি পরিবেশের সাথে তাপের বিনিময় করে। যখন দুজনের মধ্যে তাপমাত্রার মধ্যে পার্থক্য থাকে তখন এটি ঘটে। তারপরে যেটি সবচেয়ে উত্তপ্ত তা তাপ স্থানান্তরিত করার এক উপায় দেয়- সবচেয়ে শীতলতমকে, যতক্ষণ না উভয় তাপমাত্রা সমান হয়, তাপ ভারসাম্যহীন হয়।

- কোনও কাজ সম্পাদনের মাধ্যমে, সিস্টেম এটি চালিত করে, বা কোনও বহিরাগত এজেন্ট এটি সিস্টেমে করে does

- সিস্টেমে ভর যোগ করা (ভর সমান শক্তি)।

ইউকে অভ্যন্তরীণ শক্তি হিসাবে ধরা যাক, ভারসাম্যটি হবে =U = চূড়ান্ত ইউ - প্রাথমিক ইউ, সুতরাং চিহ্নগুলি নির্ধারণ করা সুবিধাজনক, যা আইইউপিএসি (ইন্টারন্যাশনাল ইউনিয়ন অফ পিউর অ্যান্ড অ্যাপ্লাইড কেমিস্ট্রি) এর মানদণ্ড অনুসারে:

- ইতিবাচক প্রশ্নোত্তর এবং ডাব্লু (+), যখন সিস্টেমটি তাপ গ্রহণ করে এবং এর উপর কাজ করা হয় (শক্তি স্থানান্তরিত হয়)।

- নেতিবাচক কিউ এবং ডাব্লু (-), যদি সিস্টেম তাপ ছেড়ে দেয় এবং পরিবেশের উপর কাজ করে (শক্তি হ্রাস করে)।

সূত্র এবং সমীকরণ

থার্মোডিনামিক্সের প্রথম আইনটি বলার আরেকটি উপায় যা শক্তি তৈরি করে না ধ্বংস হয় না, তবে এক ধরণের থেকে অন্য ধরণের রূপান্তরিত হয়। এটি করার ফলে উত্তাপ এবং কাজ হবে যা ভাল কাজে লাগাতে পারে। গাণিতিকভাবে এটি নিম্নলিখিত হিসাবে প্রকাশ করা হয়:

=U = প্রশ্ন + ডাব্লু

কোথায়:

- U হ'ল প্রদত্ত সিস্টেমের শক্তির পরিবর্তন: =U = চূড়ান্ত শক্তি - প্রাথমিক শক্তি = U _f - U _o

- প্রশ্ন সিস্টেম এবং পরিবেশের মধ্যে তাপ এক্সচেঞ্জ হয়।

- ডাব্লু হ'ল সিস্টেমে কাজ।

কিছু গ্রন্থে থার্মোডিনামিক্সের প্রথম আইনটি এভাবে উপস্থাপন করা হয়েছে:

=U = প্রশ্ন - ডাব্লু

এর অর্থ এই নয় যে তারা একে অপরের বিরোধিতা করছে বা ত্রুটি রয়েছে। এটি কারণ IWAC পদ্ধতির মতো ডাব্লু ওয়ার্ককে সিস্টেমে কাজ না করে সিস্টেমের কাজ হিসাবে সংজ্ঞায়িত করা হয়েছিল।

এই মানদণ্ডের সাহায্যে, থার্মোডিনামিক্সের প্রথম আইনটি এভাবে বর্ণিত হয়েছে:

উভয় মানদণ্ডই সঠিক ফলাফল দেবে।

থার্মোডিনামিক্সের প্রথম আইন সম্পর্কে গুরুত্বপূর্ণ পর্যবেক্ষণ

তাপ এবং কাজ উভয়ই সিস্টেম এবং এর আশেপাশের মধ্যে শক্তি স্থানান্তর করার দুটি উপায়। জড়িত সমস্ত পরিমাণ আন্তর্জাতিক ব্যবস্থায় একক হিসাবে জোল বা জোল, সংক্ষেপে জে।

থার্মোডিনামিক্সের প্রথম আইনটি চূড়ান্ত বা প্রাথমিক শক্তির নিরঙ্কুশ মান সম্পর্কে নয়, শক্তির পরিবর্তন সম্পর্কে তথ্য দেয়। তাদের মধ্যে কিছুকে এমনকি 0 হিসাবে নেওয়া যেতে পারে, কারণ যা গণনা করা হয় তা মানগুলির মধ্যে পার্থক্য।

আরেকটি গুরুত্বপূর্ণ উপসংহারটি হ'ল প্রতিটি বিচ্ছিন্ন সিস্টেমে =U = 0 থাকে, যেহেতু এটি পরিবেশের সাথে তাপের বিনিময় করতে অক্ষম, এবং কোনও বাহ্যিক এজেন্টকে এটিতে কাজ করার অনুমতি দেওয়া হয় না, তাই শক্তি স্থির থাকে। আপনার কফিকে উষ্ণ রাখার জন্য থার্মোস হ'ল যুক্তিসঙ্গত।

সুতরাং একটি বিচ্ছিন্ন সিস্টেমে alwaysU সবসময় 0 থেকে আলাদা হয়? অগত্যা, pressureU 0 হতে পারে যদি এর ভেরিয়েবলগুলি, যা সাধারণত চাপ, তাপমাত্রা, ভলিউম এবং মোলের সংখ্যা হয়, এমন একটি চক্রের মধ্য দিয়ে যায় যেখানে তাদের প্রাথমিক এবং চূড়ান্ত মান একই হয়।

উদাহরণস্বরূপ কার্নোট চক্রের মধ্যে, সমস্ত তাপীয় শক্তি ব্যবহারযোগ্য কাজে রূপান্তরিত হয়, যেহেতু এটি ঘর্ষণ বা সান্দ্রতা ক্ষতির বিষয়টি বিবেচনা করে না।

ইউ, সিস্টেমের রহস্যময় শক্তি হিসাবে, তিনি অন্তর্ভুক্ত:

- কণাগুলি চলার সাথে সাথে গতিবেগ শক্তি এবং পরমাণু এবং অণুর কম্পন এবং আবর্তন থেকে আসে।

- পরমাণু এবং অণুর মধ্যে বৈদ্যুতিক মিথস্ক্রিয়াগুলির কারণে সম্ভাব্য শক্তি।

- সূর্যের অভ্যন্তরে পারমাণবিক নিউক্লিয়াসের মত ক্রিয়াকলাপ।

অ্যাপ্লিকেশন

প্রথম আইনটিতে বলা হয়েছে যে কোনও সিস্টেমের অভ্যন্তরীণ শক্তি পরিবর্তনের ফলে তাপ এবং কাজ করা সম্ভব। সর্বাধিক সফল অ্যাপ্লিকেশনগুলির মধ্যে একটি হ'ল অভ্যন্তরীণ জ্বলন ইঞ্জিন, যার মধ্যে একটি নির্দিষ্ট ভলিউম গ্যাস নেওয়া হয় এবং এর সম্প্রসারণটি কাজ চালাতে ব্যবহৃত হয়। আর একটি সুপরিচিত অ্যাপ্লিকেশন হ'ল স্টিম ইঞ্জিন।

ইঞ্জিনগুলি সাধারণত চক্র বা প্রক্রিয়াগুলি ব্যবহার করে যেখানে সিস্টেমটি সাম্যাবস্থার প্রাথমিক অবস্থা থেকে শুরু করে অন্য চূড়ান্ত রাষ্ট্রের দিকেও শুরু করে, সাম্যাবস্থারও। তাদের মধ্যে অনেকগুলি এমন শর্তে স্থান গ্রহণ করে যা প্রথম আইন থেকে কাজ এবং তাপের গণনা সহজ করে।

এখানে সাধারণ টেমপ্লেটগুলি রয়েছে যা সাধারণ, দৈনন্দিন পরিস্থিতি বর্ণনা করে। সর্বাধিক চিত্রণমূলক প্রক্রিয়াগুলি হ'ল অ্যাডিয়াব্যাটিক, আইসোকোরিক, আইসোথার্মাল, আইসোবারিক প্রক্রিয়া, বন্ধ পথ প্রক্রিয়া এবং বিনামূল্যে সম্প্রসারণ। তাদের মধ্যে একটি সিস্টেম ভেরিয়েবল স্থির রাখা হয় এবং ফলস্বরূপ প্রথম আইন একটি নির্দিষ্ট রূপ নেয়।

আইসোকোরিক প্রক্রিয়া

তারা হ'ল সিস্টেমের ভলিউম স্থির থাকে। অতএব, কোনও কাজ করা হয়নি এবং ডাব্লু = 0 দিয়ে এটি রয়ে গেছে:

=U = প্রশ্ন

আইসোবারিক প্রক্রিয়া

এই প্রক্রিয়াগুলিতে চাপ স্থির থাকে। ভলিউম পরিবর্তনের কারণে সিস্টেমটি কাজ করে।

মনে করুন কোনও পাত্রে একটি গ্যাস সীমাবদ্ধ। কাজ ডাব্লু হিসাবে সংজ্ঞায়িত:

কাজের জন্য অভিব্যক্তিতে এই বাহিনীকে প্রতিস্থাপন করা, ফলাফল:

তবে পণ্য A. productl ভলিউম পরিবর্তন ΔV এর সমান, কাজটি এভাবে রেখে যায়:

আইসোবারিক প্রক্রিয়াটির জন্য, প্রথম আইনটি রূপ নেয়:

=U = প্রশ্ন - পি Δভি

আইসোথার্মাল প্রক্রিয়াগুলি

তারাই স্থির তাপমাত্রায় স্থান নেয় at এটি কোনও বাহ্যিক তাপ জলাধারের সাথে সিস্টেমের সাথে যোগাযোগ করে এবং তাপ এক্সচেঞ্জটি খুব ধীরে ধীরে ঘটায়, যাতে তাপমাত্রা স্থির থাকে।

উদাহরণস্বরূপ, তাপ একটি গরম জলাশয় থেকে সিস্টেমে প্রবাহিত হতে পারে, সিস্টেমকে কাজ করতে দেয়, ΔU এর কোনও প্রকারভেদ ছাড়াই। সুতরাং:

প্রশ্ন + ডাব্লু = 0

আদিবাটিক প্রক্রিয়া

অ্যাডিয়াব্যাটিক প্রক্রিয়াতে তাপ শক্তির কোনও স্থানান্তর হয় না, সুতরাং Q = 0 এবং প্রথম আইনটি হ্রাস করে =U = ডব্লিউ করে This বর্তমান সাইন কনভেনশন (আইইউপিএসি) অনুসারে এটি তৈরি করা হয়েছে।

এটি ভাবা যেতে পারে যেহেতু তাপ শক্তির কোনও স্থানান্তর নেই তাই তাপমাত্রা স্থির থাকবে, তবে এটি সর্বদা হয় না। আশ্চর্যজনকভাবে, বিচ্ছিন্ন গ্যাসের সংকোচনের ফলে তার তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়, যখন অ্যাডিয়াব্যাটিক সম্প্রসারণে তাপমাত্রা হ্রাস পায়।

বন্ধ পথ এবং বিনামূল্যে সম্প্রসারণ প্রক্রিয়া

একটি বদ্ধ পথ প্রক্রিয়াতে, মধ্যবর্তী পয়েন্টগুলিতে যা ঘটেছিল তা বিবেচনা না করে সিস্টেম শুরুতে একই অবস্থায় ফিরে আসে। বিচ্ছিন্ন সিস্টেম সম্পর্কে কথা বলার আগে এই প্রক্রিয়াগুলির আগে উল্লেখ করা হয়েছিল।

সেগুলিতে ΔU = 0 এবং সেইজন্য Q = W বা Q = -W স্বাক্ষরিত স্বাক্ষরের উপর নির্ভর করে।

বদ্ধ পথ প্রক্রিয়াগুলি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ কারণ এগুলি স্টিম ইঞ্জিনের মতো তাপ ইঞ্জিনগুলির ভিত্তি তৈরি করে।

পরিশেষে, নিখরচায় সম্প্রসারণ হ'ল এমন একটি আদর্শ যা তাপ সহিত উত্তাপযুক্ত পাত্রে গ্যাস থাকে in ধারকটির একটি পার্টিশন বা ঝিল্লি দ্বারা পৃথক দুটি বিভাগ রয়েছে এবং এর মধ্যে একটিতে গ্যাস রয়েছে।

ঝিল্লি ফেটে এবং গ্যাস প্রসারিত হলে ধারকটির ভলিউম হঠাৎ বেড়ে যায়, তবে পাত্রে কোনও পিস্টন বা সরানোর জন্য অন্য কোনও বস্তু থাকে না। সুতরাং গ্যাস প্রসারিত হওয়ার সময় এবং ডাব্লু = 0 এ কাজ করে না কারণ এটি তাপীয়ভাবে নিরোধক, Q = 0 এবং এটি অবিলম্বে সিদ্ধান্ত নিয়েছে যে ΔU = 0।

অতএব, নিখরচায় গ্যাসের শক্তিতে পরিবর্তন ঘটায় না, তবে বিপরীতে যখন এটি প্রসারিত হয় তখন ভারসাম্যহীন হয় না।

উদাহরণ

- একটি সাধারণ আইসোকোরিক প্রক্রিয়া হ'ল এয়ারটাইট এবং অনমনীয় পাত্রে গ্যাস গরম করা, উদাহরণস্বরূপ এক্সস্টাস্ট ভালভ ছাড়াই একটি প্রেসার কুকার। এইভাবে, ভলিউম স্থির থাকে এবং যদি আমরা অন্যান্য সংস্থার সংস্পর্শে এই জাতীয় ধারক রাখি, তবে এই যোগাযোগের কারণে গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তি কেবল তাপ স্থানান্তরকে ধন্যবাদ জানায়।

- তাপীয় মেশিনগুলি একটি চক্র পরিচালনা করে যার মধ্যে তারা একটি তাপ ট্যাংক থেকে তাপ নিয়ে যায়, প্রায় সমস্ত কিছুকে কাজে রূপান্তর করে, তাদের নিজস্ব কাজকর্মের জন্য একটি অংশ রেখে দেয় এবং অতিরিক্ত তাপ অন্য একটি ঠান্ডা ট্যাঙ্কে ফেলে দেওয়া হয়, যা সাধারণত পরিবেষ্টিত

- একটি অনাবৃত পাত্রে সস প্রস্তুত করা একটি আইসোবারিক প্রক্রিয়ার একটি নিত্য উদাহরণ, যেহেতু রান্নাটি বায়ুমণ্ডলের চাপে সঞ্চালিত হয় এবং তরল বাষ্পীভবনের সাথে সাথে সময়ের সাথে সাথে সসের পরিমাণও হ্রাস পায়।

- একটি আদর্শ গ্যাস যেখানে একটি সমজাতীয় প্রক্রিয়া সঞ্চালিত হয় তা চাপ এবং ভলিউমের পণ্যকে ধ্রুবক করে রাখে: পি ভি ভি = ধ্রুবক।

- উষ্ণ রক্তযুক্ত প্রাণীদের বিপাক তাদের খাদ্যের মধ্যে থাকা শক্তির ব্যয়ে এক ধীরে ধীরে তাপমাত্রা বজায় রাখতে এবং একাধিক জৈবিক প্রক্রিয়া চালিয়ে যেতে দেয়।

চিত্র 2. তাপীয় মেশিনগুলির মতো অ্যাথলিটরাও কাজ করতে জ্বালানী ব্যবহার করে এবং ঘামের ফলে অতিরিক্ত ক্ষতি হয়। সূত্র: পিক্সাবে।

সমাধান ব্যায়াম

অনুশীলনী 1

একটি গ্যাস 0.800 এটিএমের ধ্রুবক চাপে সংকুচিত হয়, যাতে এর আয়তন 9.00 এল থেকে 2.00 এল থেকে পরিবর্তিত হয় the প্রক্রিয়াটিতে, গ্যাস তাপের মাধ্যমে 400 জে শক্তি দেয়। ক) গ্যাসের কাজটি সন্ধান করুন এবং খ) এর অভ্যন্তরীণ শক্তির পরিবর্তন গণনা করুন।

সমাধান)

আদিবাটিক প্রক্রিয়াতে এটি সম্পূর্ণ হয় যে পি _ও = পি _চ, গ্যাসের উপর কাজটি ডব্লু = পি হয় is পূর্ববর্তী বিভাগগুলিতে বর্ণিত ΔV

নিম্নলিখিত রূপান্তর কারণের প্রয়োজন:

অতএব: 0.8 এটিএম = 81.060 পা এবং Δ ভি = 9 - 2 এল = 7 এল = 0.007 মি ³

আপনি যে মানগুলি পেয়েছেন তা প্রতিস্থাপন:

সমাধান খ)

সিস্টেমটি তাপ ছেড়ে দিলে, কিউকে একটি চিহ্ন দেওয়া হয় - সুতরাং থার্মোডাইনামিক্সের প্রথম আইনটি নিম্নরূপ:

=U = -400 জে + 567.42 জে = 167.42 জে।

অনুশীলন 2

এটি জানা যায় যে একটি গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তি 500 জে এবং যখন এটি সংকুচিত হয় তখন এটির পরিমাণ 100 সেন্টিমিটার ³ কমে যায় । কম্প্রেশন চলাকালীন গ্যাসের উপর চাপ প্রয়োগ করা হয় যদি 3.00 atm হয়, তবে অ্যাডিবাটিক সংকোচনের পরে গ্যাসের অভ্যন্তরীণ শক্তি গণনা করুন।

সমাধান

যেহেতু বিবৃতিটি অবহিত করে যে সংক্ষেপণটি আদ্যাব্যাটিক, তাই সত্য যে প্রশ্ন = 0 এবং ΔU = ডাব্লু, তারপরে:

প্রাথমিক ইউ = 500 জ সহ

তথ্য অনুসারে ΔV = 100 সেমি ³ = 100 x 10 ^-6 মি ³ এবং 3 এটিএম = 303975 পা, অতএব:

তথ্যসূত্র

1. বাউয়ার, ডাব্লু। 2011. প্রকৌশল ও বিজ্ঞানের জন্য পদার্থবিদ্যা। খণ্ড 1. ম্যাক গ্রু হিল।
2. কেঞ্জেল, ওয়াই। 2012. থার্মোডাইনামিক্স। 7 ^মা সংস্করণ। ম্যাকগ্রা হিল
3. ফিগুয়েরো, ডি (2005)। সিরিজ: বিজ্ঞান এবং প্রকৌশল জন্য পদার্থবিদ্যা। আয়তন 4. তরল এবং থার্মোডিনামিক্স। ডগলাস ফিগুয়েরো (ইউএসবি) সম্পাদিত।
4. ল্যাপেজ, সি। থার্মোডিনামিক্সের প্রথম আইন। পুনরুদ্ধার করা হয়েছে: culturaciographica.com থেকে।
5. নাইট, আর। 2017. বিজ্ঞানীদের জন্য প্রকৌশল এবং প্রকৌশল: একটি কৌশল পদ্ধতির। পিয়ারসন।
6. সার্ওয়ে, আর।, ভুলি, সি। 2011. পদার্থবিজ্ঞানের ফান্ডামেন্টাল। 9 ^না এড। কেঞ্জেজ লার্নিং।
7. সেভিলা বিশ্ববিদ্যালয়। তাপীয় মেশিন। থেকে উদ্ধার করা হয়েছে: laplace.us.es।
8. উইকিওয়ান্ড আদিবাটিক প্রক্রিয়া। পুনরুদ্ধার: উইকিওয়ান ডটকম থেকে।