आंतरिक ऊर्जा

आंतरिक ऊर्जा
सामान्य प्रतीक	U
Si   इकाई	J
SI आधार इकाइयाँ में	m2⋅kg/s2
अन्य मात्राओं से व्युत्पत्तियां	$\Delta U=\sum _{i}p_{i}E_{i}\!$ $\Delta U=nC_{V}\Delta T\!$

ऊष्मप्रवैगिकी प्रणाली में आंतरिक ऊर्जा स्थिर होती है। आंतरिक स्थिति में प्रणाली का निर्माण करने के लिए आवश्यक ऊर्जा है। इस प्रणाली में गतिज ऊर्जा सम्मिलित नहीं है, परन्तु इस प्रणाली में आतंरिक कणों की गतिज ऊर्जा सम्मिलित है। यह प्रणाली की ऊर्जा के लाभ एवं हानि का विवरण रखता है जो इसकी आंतरिक स्थिति में परिवर्तन के कारण होते हैं। आंतरिक ऊर्जा का सरल रूप प्राप्त नहीं जा सकता है। इसे संभावित अवस्था द्वारा परिभाषित संदर्भ शून्य से असमानता के रूप में मापा जाता है। असमानता को ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रियाओं द्वारा निर्धारित किया जाता है जो प्रणाली को संदर्भ स्थिति एवं ब्याज की स्थिति के मध्य ले जाते हैं।

आंतरिक ऊर्जा गहन एवं व्यापक गुण है। ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रियाएं, पदार्थ का स्थानांतरण, या ऊर्जा का ऊष्मा के रूप में, या कार्य (ऊष्मप्रवैगिकी) के रूप में आंतरिक ऊर्जा को परिभाषित करती हैं | इन प्रक्रियाओं को प्रणाली के व्यापक चर, जैसे एन्ट्रॉपी, आयतन एवं रासायनिक संरचना में परिवर्तन द्वारा परिमाण प्राप्त किया जाता है। प्रणाली की सभी आंतरिक ऊर्जाओं पर विचार करना प्रायः आवश्यक नहीं होता है, उदाहरण के लिए, इसके घटक पदार्थ की स्थिर विश्राम द्रव्यमान ऊर्जा है। जब अभेद्य युक्त दीवारों द्वारा पदार्थ के स्थानांतरण को रोका जाता है, तो इसे बंद प्रणाली कहा जाता है एवं ऊष्मप्रवैगिकी्स का प्रथम नियम आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन को परिभाषित करता है क्योंकि प्रणाली में ऊष्मा के रूप में जोड़ा गया ऊर्जा एवं ऊष्मप्रवैगिकी कार्य के मध्य भिन्नता होती है। इस प्रणाली में यदि युक्त दीवारें न तो पदार्थ एवं न ही ऊर्जा से निकलती हैं, तो प्रणाली को भिन्न-थलग कहा जाता है एवं इसकी आंतरिक ऊर्जा नहीं परिवर्तित हो सकती है।

इसके अन्य परिभाषित व्यापक अवस्था चर के साथ, आंतरिक ऊर्जा प्रणाली की संपूर्ण ऊष्मप्रवैगिकी ज्ञान को व्यक्त करती है, एवं एन्ट्रॉपी के समान प्रतिनिधित्व करती है ।इस प्रकार, इसका मूल्य केवल प्रणाली की वर्तमान स्थिति पर निर्भर करता है, न कि कई संभावित प्रक्रियाओं में से विशेष विकल्प पर जिसके द्वारा ऊर्जा प्रणाली से निकल सकती है। यह ऊष्मप्रवैगिकी क्षमता है। सूक्ष्म रूप से, आंतरिक ऊर्जा का अनुवाद (भौतिकी), घूर्णन, एवं दोलन से प्रणाली के कणों की सूक्ष्म गति की गतिज ऊर्जा एवं रासायनिक बंधनों सहित सूक्ष्म बलों से जुड़ी संभावित ऊर्जा के संदर्भ में किया जा सकता है।

इकाइयों की असमानता्राष्ट्रीय प्रणाली (एसआई) में ऊर्जा की इकाई जूल (J) है। इकाई J/kg वाले द्रव्यमान के सापेक्ष आंतरिक ऊर्जा विशिष्ट आंतरिक ऊर्जा है। इकाई J/mol (इकाई) के साथ पदार्थ की मात्रा के सापेक्ष संबंधित मात्रा मोलर आंतरिक ऊर्जा है।

मुख्य कार्य

प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा इसकी एन्ट्रॉपी S, इसकी मात्रा V एवं इसके बड़े कणों की संख्या U(S,V,{N_j}) पर निर्भर करती है | यह ऊर्जा प्रतिनिधित्व में प्रणाली के ऊष्मप्रवैगिकी को व्यक्त करता है। अवस्था फलन के रूप में व्यापक चर होते हैं। आंतरिक ऊर्जा के साथ, ऊष्मप्रवैगिकी प्रणाली की स्थिति का अन्य कार्डिनल कार्य इसकी एन्ट्रापी है, फलन के रूप में, S(U,V,{N_j}), अवस्था के चर की सूची में, एन्ट्रापी की S सूची में आंतरिक ऊर्जा U द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, यह एन्ट्रापी प्रतिनिधित्व को व्यक्त करता है। प्रत्येक कार्डिनल फलन प्राकृतिक या विहित चर का मोनोटोनिक फलन होता है। प्रत्येक अविशेषता या मौलिक समीकरण को प्रदान करता है, उदाहरण के लिए U = U(S,V,{N_j}), जो प्रणाली की ऊष्मप्रवैगिकी जानकारी समाहित करता है। दो कार्डिनल कार्यों के लिए मौलिक समीकरणों को सैद्धांतिक रूप से परिवर्तित किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, S के लिए U = U(S,V,{N_j}), एवं S = S(U,V,{N_j}) प्राप्त करने के लिए है।

इसके विपरीत, अन्य ऊष्मप्रवैगिकी क्षमता एवं मासीयू कार्यों के लिए मुख्य समीकरण प्राप्त करने के लिए लीजेंड्रे ट्रांसफॉर्म आवश्यक हैं। केवल व्यापक अवस्था चर रूप में एन्ट्रापी, मासीयू कार्यों के लिए अवस्था का मात्र कार्डिनल फलन है। यह स्वयं में ' मासीयू फलन ' के रूप में निर्दिष्ट नहीं है, चूँकि तर्कसंगत रूप से इसे 'ऊष्मप्रवैगिकी क्षमता' शब्द के अनुरूप माना जा सकता है, जिसमें आंतरिक ऊर्जा सम्मिलित है। वास्तविक एवं व्यावहारिक प्रणालियों के लिए, मुख्य समीकरणों की स्पष्ट अभिव्यक्ति सदैव अनुपलब्ध होती है, परन्तु कार्यात्मक संबंध सिद्धांत रूप में सम्मिलित होते हैं। औपचारिक, सिद्धांत रूप में, ऊष्मप्रवैगिकी के ज्ञान के लिए मूल्यवान हैं।

विवरण एवं परिभाषा

आंतरिक ऊर्जा $U$ प्रणाली की स्थिति का निर्धारण मानक स्थिति के सापेक्ष निर्धारित किया जाता है, ऊर्जा के मैक्रोस्कोपिक हस्तांतरण को जोड़कर जो संदर्भ अवस्था से दिए गए परिवर्तन के साथ होता है:

$\Delta U=\sum _{i}E_{i},$

जहाँ पर $\Delta U$ अवस्था की आंतरिक ऊर्जा एवं संदर्भ अवस्था की आंतरिक ऊर्जा के मध्य असमानता को दर्शाता है, एवं यह $E_{i}$ संदर्भ अवस्था के चरणों में स्थानांतरित विभिन्न ऊर्जाएं हैं। यह संदर्भ अवस्था से प्रणाली की स्थिति बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा है। अन्य-सापेक्ष सूक्ष्म दृष्टिकोण से, संभावित ऊर्जा को विभाजित किया जा सकता है, $U_{\text{micro,pot}}$, एवं सूक्ष्म गतिज ऊर्जा, $U_{\text{micro,kin}}$, का अवयव:

$U=U_{\text{micro,pot}}+U_{\text{micro,kin}}$ है।

प्रणाली की सूक्ष्म गतिज ऊर्जा केंद्र-द्रव्यमान फ्रेम के संबंध में कणों की गति के योग के रूप में उत्पन्न होती है, परमाणुओं, अणुओं, परमाणु नाभिक, इलेक्ट्रॉनों या अन्य कणों की गति होती है। सूक्ष्म संभावित ऊर्जा बीजीय योगात्मक घटक रासायनिक ऊर्जा एवं परमाणु संभावित ऊर्जा कण बंधन, एवं प्रणाली के अंदर भौतिक बल क्षेत्र हैं, जैसे कि आंतरिक इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रेरण विद्युत या चुंबकत्व द्विध्रुवीय क्षण (भौतिकी), साथ ही साथ ऊर्जा ठोस (तनाव (भौतिकी) -स्ट्रेन (सामग्री विज्ञान)) के विरूपण (इंजीनियरिंग) है। सामान्यतः, सूक्ष्म गतिज एवं संभावित ऊर्जाओं में विभाजन मैक्रोस्कोपिक ऊष्मप्रवैगिकी्स के क्षेत्र से बाहर है।

आंतरिक ऊर्जा में गति या संपूर्ण रूप से प्रणाली की स्थिति के कारण ऊर्जा सम्मिलित नहीं होती है। दूसरे शब्दों में, यह बाहरी गुरुत्वाकर्षण, इलेक्ट्रोस्टाटिक्स, या इलेक्ट्रोमैग्नेटिक्स क्षेत्र (भौतिकी) में गति या स्थान के कारण शरीर की किसी भी गतिज या संभावित ऊर्जा को बाहर कर देता है। चूँकि, इसमें क्षेत्र के साथ वस्तु की स्वतंत्रता की आंतरिक डिग्री के युग्मन के कारण ऊर्जा में ऐसे क्षेत्र का योगदान सम्मिलित है। क्षेत्र को अतिरिक्त बाहरी पैरामीटर के रूप में वस्तु के ऊष्मप्रवैगिकी विवरण में सम्मिलित किया जाता है।

ऊष्मप्रवैगिकी या इंजीनियरिंग में व्यावहारिक विचारों के लिए, मानक प्रणाली की सम्पूर्ण आंतरिक ऊर्जा के संबंध में ऊर्जाओं पर विचार करना संभव नहीं है, जैसे कि द्रव्यमान की तुल्यता ऊर्जा है। सामान्यतः, विवरण में केवल अध्ययन के अंतर्गत प्रणाली के लिए प्रासंगिक घटक सम्मिलित होते हैं। वास्तव में, विचाराधीन अधिकांश प्रणालियों में, विशेष रूप से ऊष्मागतिकी के माध्यम से, सम्पूर्ण आंतरिक ऊर्जा की गणना करना असंभव है। इसलिए, आंतरिक ऊर्जा के लिए सुविधाजनक शून्य संदर्भ बिंदु का चयन किया जा सकता है।

आंतरिक ऊर्जा व्यापक चर है, यह प्रणाली के आकार पर या इसमें सम्मिलित पदार्थ की मात्रा पर निर्भर करता है।

निरपेक्ष शून्य से अधिक तापमान पर, सूक्ष्म स्थितिज ऊर्जा एवं गतिज ऊर्जा निरन्तर परिवर्तित हो जाती हैं, परन्तु पृथक प्रणाली (cf. तालिका) में योग स्थिर रहता है। ऊष्मप्रवैगिकी के शास्त्रीय चित्र में, गतिज ऊर्जा शून्य तापमान पर विलुप्त हो जाती है एवं आंतरिक ऊर्जा विशुद्ध रूप से संभावित ऊर्जा होती है। चूँकि, क्वांटम यांत्रिकी ने प्रदर्शित किया है कि शून्य तापमान पर भी कण गति की अवशिष्ट ऊर्जा, शून्य बिंदु ऊर्जा बनाए रखते हैं। निरपेक्ष शून्य पर प्रणाली केवल अपनी क्वांटम-मैकेनिकल ग्राउंड अवस्था में होती है, जो सबसे कम ऊर्जा अवस्था उपलब्ध होती है। निरपेक्ष शून्य पर प्रणाली ने न्यूनतम एन्ट्रापी प्राप्त कर ली है।

आंतरिक ऊर्जा का सूक्ष्म गतिज ऊर्जा भाग निकाय के तापमान को उत्पन करता है। सांख्यिकीय यांत्रिकी व्यक्तिगत कणों की छद्म-यादृच्छिक गतिज ऊर्जा को प्रणाली में सम्मिलित कणों के पूर्ण समूह की औसत गतिज ऊर्जा से संबंधित है। इसके अतिरिक्त, यह माध्य सूक्ष्म गतिज ऊर्जा को मैक्रोस्कोपिक रूप से देखे गए अनुभवजन्य संपत्ति से संबंधित करता है जिसे प्रणाली के तापमान के रूप में व्यक्त किया जाता है एवं तापमान गहन उपाय है, यह ऊर्जा प्रणाली की व्यापक संपत्ति के रूप में अवधारणा को व्यक्त करती है, जिसे प्रायः ऊष्म ऊर्जा के रूप में जाना जाता है, तापमान एवं तापीय ऊर्जा के मध्य स्केलिंग गुण प्रणाली का एन्ट्रापी परिवर्तन है।

सांख्यिकीय यांत्रिकी किसी भी प्रणाली के समूह में सांख्यिकीय रूप से वितरित करने के लिए $N$ माइक्रोस्टेट (सांख्यिकीय यांत्रिकी) मानता है । प्रणाली में जो ऊष्मा भंडार के साथ ऊष्मप्रवैगिकी संपर्क संतुलन में है, प्रत्येक माइक्रोस्टेट में $E_{i}$ ऊर्जा होती है एवं $p_{i}$ संभावना के साथ जुड़ा हुआ है, आंतरिक ऊर्जा प्रणाली की सम्पूर्ण ऊर्जा का औसत मूल्य है, अर्थात, सभी माइक्रोस्टेट ऊर्जाओं का योग एवं घटना है।

$U=\sum _{i=1}^{N}p_{i}\,E_{i}$

यह ऊर्जा संरक्षण के नियम की सांख्यिकीय अभिव्यक्ति है।

Interactions of thermodynamic systems Type of system Mass flow Work Heat Open Y Y Y Closed N Y Y Thermally isolated N Y N Mechanically isolated N N Y Isolated N N N

आंतरिक ऊर्जा परिवर्तन

ऊष्मप्रवैगिकी मुख्य रूप से आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन से संबंधित$\Delta U$ है।

बंद प्रणाली के लिए, पदार्थ स्थानांतरण को छोड़कर, आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन ऊष्मा हस्तांतरण के कारण होते हैं $Q$ कार्य के कारण (ऊष्मप्रवैगिकी) $W$ प्रणाली द्वारा परिवेश में किया जाता है। तदनुसार, आंतरिक ऊर्जा परिवर्तन $\Delta U$ प्रक्रिया के लिए लिखा जा सकता है।

$$\Delta U=Q-W\quad {\text{(closed system, no transfer of matter)}}$$

जब बंद प्रणाली ऊष्मा के रूप में ऊर्जा प्राप्त करती है, तो यह आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाती है। यह सूक्ष्म गतिज एवं सूक्ष्म स्थितिज ऊर्जाओं के मध्य वितरित किया जाता है। सामान्यतः, ऊष्मप्रवैगिकी इस वितरण को ज्ञात नहीं करता है। आदर्श गैस में सभी अतिरिक्त ऊर्जा के परिणामस्वरूप तापमान में वृद्धि होती है, क्योंकि यह केवल सूक्ष्म गतिज ऊर्जा के रूप में संग्रहीत होती है; इस प्रकार की ऊष्मा को ज्ञानयुक्त ऊष्मा कहा जाता है।

बंद प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन का दूसरा तंत्र परिवेश पर कार्य (ऊष्मप्रवैगिकी) करने में है। ऐसा कार्य केवल यांत्रिक हो सकता है, जैसे कि जब प्रणाली पिस्टन को चलाने के लिए फैलता है, उदाहरण के लिए, जब प्रणाली अपने विद्युत ध्रुवीकरण को परिवर्तित करता है जिससे समीप के विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन हो सके।

यदि प्रणाली बंद नहीं होती है, तो प्रणाली में पदार्थ का स्थानांतरण होता है, जो आंतरिक ऊर्जा को बढ़ा सकता है । यह वृद्धि, $\Delta U_{\mathrm {matter} }$ ऊष्मा एवं कार्य के घटकों में विभाजित नहीं किया जा सकता है।यदि प्रणाली को भौतिक रूप से स्थापित किया गया है कि ऊष्मा हस्तांतरण कार्य करता है जो पदार्थों के हस्तांतरण से भिन्न एवं स्वतंत्र है, जो ऊर्जा के हस्तांतरण आंतरिक ऊर्जा को परिवर्तन करने के लिए जोड़ते हैं:

$$\Delta U=Q-W+\Delta U_{\text{matter}}\quad {\text{(matter transfer pathway separate from heat and work transfer pathways)}}$$

यदि प्रणाली गर्म होने के समय कुछ चरण परिवर्तनों से निकलती है, जैसे पिघलने एवं वाष्पीकरण समय, यह देखा जा सकता है कि प्रणाली का तापमान तब तक नहीं परिवर्तित होता है जब तक कि मानक ने परिवर्तन पूर्ण न कर लिया हो। तापमान में परिवर्तन नहीं होने पर प्रणाली में ऊर्जा को अव्यक्त ऊर्जा या गुप्त ऊष्मा कहा जाता है, उत्तम ऊष्मा के विपरीत, जो तापमान परिवर्तन से जुड़ी होती है।

आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा

ऊष्मप्रवैगिकी प्रायः शिक्षण उद्देश्यों के लिए आदर्श गैस की अवधारणा का उपयोग करती है, एवं कार्य प्रणालियों के लिए सन्निकटन के रूप में आदर्श गैस में बिंदु वस्तु के रूप में माने जाने वाले कण होते हैं जो केवल टकरावों से संपर्क करते हैं एवं मात्रा बढ़ाते हैं जैसे कि टकराव के मध्य उनका औसत मुक्त पथ उनके व्यास से अधिक बड़ा होता है। इस प्रकार की प्रणालियाँ हीलियम एवं अन्य महान गैसों जैसे परमानुक गैसों का अनुमान लगाती हैं। आदर्श गैस के लिए गतिज ऊर्जा में केवल व्यक्तिगत परमाणुओं की अनुवाद (भौतिकी) ऊर्जा होती है। परमाणुक कणों में स्वतंत्रता की घूर्णी या कंपन डिग्री नहीं होती है, एवं अधिक उच्च तापमान को छोड़कर उच्च ऊर्जा के लिए ऊर्जा स्तर नहीं होते हैं।

इसलिए, गैस की आंतरिक ऊर्जा पूर्ण रूप से उसके तापमान (एवं गैस कणों की संख्या) पर निर्भर करती है: $U=U(n,T)$, यह अन्य ऊष्मप्रवैगिकी मात्राओं जैसे दबाव या घनत्व पर निर्भर नहीं है।

आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा उसके द्रव्यमान (मोलों की संख्या) $n$ के समानुपाती होती है एवं इसके तापमान $T$ के लिए

$U=C_{V}nT,$

जहाँ $C_{V}$ गैस की ताप क्षमता (स्थिर आयतन पर) है। $C_{V}$ आदर्श गैस के लिए स्थिर है। किसी भी गैस की आंतरिक ऊर्जा को तीन व्यापक गुणों $S$, $V$, $n$ (एन्ट्रापी, आयतन, द्रव्यमान) के फलन के रूप में निम्नलिखित उपायों से लिखा जा सकता है

$U(S,V,n)=\mathrm {const} \cdot e^{\frac {S}{C_{V}n}}V^{\frac {-R}{C_{V}}}n^{\frac {R+C_{V}}{C_{V}}},$

जहाँ $\mathrm {const}$ मनमाना सकारात्मक स्थिरांक है एवं जहां $R$ गैस स्थिरांक है। यह सरलता से देखा जाता है कि $U$ तीन चरों का रैखिक रूप से सजातीय कार्य है (अर्थात, यह इन चरों में व्यापक है), एवं यह शक्तिहीन रूप से रूप से उत्तल कार्य है। तापमान एवं दबाव को व्युत्पन्न होने के विषय में ज्ञात करना है।

$T={\frac {\partial U}{\partial S}},$ $P=-{\frac {\partial U}{\partial V}},$

आदर्श गैस नियम $PV=nRT$ का अनुसरण करता है।

बंद ऊष्मप्रवैगिकी प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा

आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के सभी घटकों का उपरोक्त योग मानता है कि सकारात्मक ऊर्जा प्रणाली में ऊष्मा या उसके समीप के प्रणाली द्वारा किए गए कार्य के नकारात्मक को दर्शाती है।

इस संबंध के प्रत्येक पद के असमानताों का उपयोग करके अपरिमित शब्दों में व्यक्त किया जा सकता है, चूँकि केवल आंतरिक ऊर्जा ही त्रुटिहीन असमानता है। बंद प्रणाली के लिए, केवल ऊष्मा एवं कार्य के रूप में स्थानान्तरण के साथ, आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है।

$\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W,$

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम को व्यक्त करता है। इसे अन्य ऊष्मप्रवैगिकी मापदंडों के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है। प्रत्येक पद गहन चर ( सामान्यीकृत बल) एवं इसके संयुग्म चर (ऊष्मप्रवैगिकी) अनंतिम व्यापक चर ( सामान्यीकृत विस्थापन) से बना है।

उदाहरण के लिए, प्रणाली द्वारा किया गया यांत्रिक कार्य दबाव P एवं आयतन (ऊष्मप्रवैगिकी) परिवर्तन $\mathrm {d} V$ संबंधित हो सकता है, दबाव गहन सामान्यीकृत बल है, अपितु मात्रा परिवर्तन व्यापक सामान्यीकृत विस्थापन है:

$\delta W=P\,\mathrm {d} V.$

यह कार्य की दिशा $W$ को परिभाषित करता है, सकारात्मक कार्य प्रणाली में ऊर्जा हस्तांतरण होना।ऊष्मा हस्तांतरण की दिशा $Q$ कार्य करते तरल पदार्थ में होना एवं प्रतिवर्ती प्रक्रिया (ऊष्मप्रवैगिकी) ऊष्मा है,

$\delta Q=T\mathrm {d} S,$

जहाँ पर $T$ तापमान को दर्शाता है, एवं $S$ एन्ट्रापी को दर्शाता है।

आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन हो जाता है |

$\mathrm {d} U=T\,\mathrm {d} S-P\,\mathrm {d} V.$

तापमान एवं आयतन के कारण परिवर्तन

तापमान एवं आयतन के लिए आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन से संबंधित अभिव्यक्ति है |

$$\mathrm {d} U=C_{V}\,\mathrm {d} T+\left[T\left({\frac {\partial P}{\partial T}}\right)_{V}-P\right]\mathrm {d} V.$$

(1)

यह उपयोगी है यदि अवस्था का समीकरण ज्ञात हो।

आदर्श गैस के विषय में, हम यह प्राप्त कर सकते हैं कि $dU=C_{V}\,dT$ अर्थात् आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा को फलन के रूप में लिखा जा सकता है जो केवल तापमान पर निर्भर करता है।

आदर्श गैस के लिए दबाव स्वतंत्रता का प्रमाण

तापमान और आयतन में परिवर्तन के लिए आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन से संबंधित अभिव्यक्ति है

$\mathrm {d} U=C_{V}\,\mathrm {d} T+\left[T\left({\frac {\partial P}{\partial T}}\right)_{V}-P\right]\mathrm {d} V.$

राज्य का समीकरण आदर्श गैस नियम है

$PV=nRT.$

दबाव के लिए समाधान करना:

$P={\frac {nRT}{V}}.$

आंतरिक ऊर्जा अभिव्यक्ति में परिवर्तित करना:

$dU=C_{V}\mathrm {d} T+\left[T\left({\frac {\partial P}{\partial T}}\right)_{V}-{\frac {nRT}{V}}\right]\mathrm {d} V.$

तापमान के संबंध में दबाव का व्युत्पन्न करना:

$\left({\frac {\partial P}{\partial T}}\right)_{V}={\frac {nR}{V}}.$

परिवर्तित करना:

$dU=C_{V}\,\mathrm {d} T+\left[{\frac {nRT}{V}}-{\frac {nRT}{V}}\right]\mathrm {d} V.$

और सरल करना:

$\mathrm {d} U=C_{V}\,\mathrm {d} T.$

dT और dV के संदर्भ में dU की व्युत्पत्ति

$\mathrm {d} U$ के अनुसार $\mathrm {d} T$ तथा $\mathrm {d} V$, व्यक्त करना

$\mathrm {d} S=\left({\frac {\partial S}{\partial T}}\right)_{V}\mathrm {d} T+\left({\frac {\partial S}{\partial V}}\right)_{T}\mathrm {d} V$

मौलिक थर्मोडायनामिक संबंध में प्रतिस्थापित किया गया है

$\mathrm {d} U=T\,\mathrm {d} S-P\,\mathrm {d} V.$

यह है-

$dU=T\left({\frac {\partial S}{\partial T}}\right)_{V}\,dT+\left[T\left({\frac {\partial S}{\partial V}}\right)_{T}-P\right]dV.$

शब्द $T\left({\frac {\partial S}{\partial T}}\right)_{V}$ विशिष्ट ऊष्मा क्षमता संकुचित पिंडों की ऊष्मा क्षमता $C_{V}.$ का आंशिक व्युत्पन्न है $S$ इसके संबंध में $V$ समीकरण ज्ञात हो तो मूल्यांकन किया जा सकता है। मौलिक थर्मोडायनामिक संबंध से, यह निम्नानुसार है कि हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा का अंतर $A$ द्वारा दिया गया है

$dA=-S\,dT-P\,dV.$

डेरिवेटिव की समरूपता $A$ इसके संबंध में $T$ तथा $V$ मैक्सवेल संबंध उत्पन्न करता है:

$\left({\frac {\partial S}{\partial V}}\right)_{T}=\left({\frac {\partial P}{\partial T}}\right)_{V}.$

यह उपरोक्त अभिव्यक्ति देता है।

तापमान एवं दबाव के कारण परिवर्तन

तरल पदार्थ या ठोस पर विचार करते समय, तापमान एवं दबाव के संदर्भ में अभिव्यक्ति सामान्यतः अधिक उपयोगी होती है:

$dU=\left(C_{P}-\alpha PV\right)\,dT+\left(\beta _{T}P-\alpha T\right)V\,dP,$

जहां यह माना जाता है कि निरंतर दबाव पर ताप क्षमता विशिष्ट तापों के मध्य स्थिर मात्रा के मध्य संबंध है

$C_{P}=C_{V}+VT{\frac {\alpha ^{2}}{\beta _{T}}}.$

dT और dP के संदर्भ में dU की व्युत्पत्ति

स्थिर आयतन पर तापमान के संबंध में दबाव का आंशिक व्युत्पन्न थर्मल विस्तार के गुणांक के रूप में व्यक्त किया जा सकता है

$\alpha \equiv {\frac {1}{V}}\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{P}$

और इज़ोटेर्मल संपीड्यता

$\beta _{T}\equiv -{\frac {1}{V}}\left({\frac {\partial V}{\partial P}}\right)_{T}$

लेखन से

$dV=\left({\frac {\partial V}{\partial p}}\right)_{T}dP+\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{P}dT=V\left(\alpha dT-\beta _{T}\,dP\right)$

(2)

और dV को शून्य के समान करना और dP/dT के अनुपात को समाधान करना हैI

$\left({\frac {\partial P}{\partial T}}\right)_{V}=-{\frac {\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{P}}{\left({\frac {\partial v}{\partial p}}\right)_{t}}}={\frac {\alpha }{\beta _{T}}}.$

(3)

प्रतिस्थापन (2) तथा (3) में (1) उपरोक्त अभिव्यक्ति देता है।

स्थिर तापमान पर आयतन के कारण परिवर्तन होता है-

आंतरिक दबाव को स्थिर तापमान पर आयतन के संबंध में आंतरिक ऊर्जा के आंशिक व्युत्पन्न रूप में परिभाषित किया गया है:

$\pi _{T}=\left({\frac {\partial U}{\partial V}}\right)_{T}.$

बहु-घटक प्रणालियों की आंतरिक ऊर्जा

एन्ट्रापी को सम्मिलित करने के अतिरिक्त $S$ मात्रा को $V$ आंतरिक ऊर्जा के संदर्भ में, प्रणाली के कणों या रासायनिक प्रजातियों की संख्या के संदर्भ में भी वर्णित किया जाता है:

$U=U(S,V,N_{1},\ldots ,N_{n}),$

जहाँ पर $N_{j}$ $j$ प्रणाली में, आंतरिक ऊर्जा चरों का व्यापक परिवर्तनशील फलन है $S$, $V$, और मात्रा $N_{j}$, आंतरिक ऊर्जा को पहली डिग्री के रैखिक रूप से सजातीय कार्य के रूप में लिखा जा सकता है:

$U(\alpha S,\alpha V,\alpha N_{1},\alpha N_{2},\ldots )=\alpha U(S,V,N_{1},N_{2},\ldots ),$

जहाँ पर $\alpha$ प्रणाली के विकास का वर्णन करने का कारक है। असमानता आंतरिक ऊर्जा के रूप में लिखा जा सकता है

$\mathrm {d} U={\frac {\partial U}{\partial S}}\mathrm {d} S+{\frac {\partial U}{\partial V}}\mathrm {d} V+\sum _{i}\ {\frac {\partial U}{\partial N_{i}}}\mathrm {d} N_{i}\ =T\,\mathrm {d} S-P\,\mathrm {d} V+\sum _{i}\mu _{i}\mathrm {d} N_{i},$

जो तापमान (या परिभाषित करता है) $T$ का आंशिक व्युत्पन्न है $U$ एन्ट्रापी के संबंध में $S$ और दबाव $P$ आयतन में समान व्युत्पन्न का ऋणात्मक होना $V$,

$T={\frac {\partial U}{\partial S}},$

$P=-{\frac {\partial U}{\partial V}},$

और जहां प्रणाली में गुणांक $\mu _{i}$ प्रकार के घटकों के लिए रासायनिक क्षमताएं हैं। $i$ रासायनिक क्षमता को संरचना में भिन्नता के संबंध में ऊर्जा के आंशिक व्युत्पन्न के रूप में परिभाषित किया गया है:

$\mu _{i}=\left({\frac {\partial U}{\partial N_{i}}}\right)_{S,V,N_{j\neq i}}.$

रचना के संयुग्म चर के रूप में $\lbrace N_{j}\rbrace$ रासायनिक क्षमताएं गहन और व्यापक गुण हैं, आंतरिक रूप से प्रणाली की गुणात्मक प्रकृति की विशेषता है, और इसकी सीमा के समानुपाती नहीं है। स्थिर नियम के अंतर्गत $T$ तथा $P$, व्यापक प्रकृति के कारण $U$ और इसके स्वतंत्र चर, सजातीय फलन का उपयोग करते है| यूलर के समांगी फलन प्रमेय, असमानता $\mathrm {d} U$ एकीकृत किया जा सकता है और आंतरिक ऊर्जा के लिए अभिव्यक्ति उत्पन्न करता है:

$U=TS-PV+\sum _{i}\mu _{i}N_{i}.$

प्रणाली की संरचना का योग गिब्स मुक्त ऊर्जा है:

$G=\sum _{i}\mu _{i}N_{i}$

जो स्थिर तापमान और दबाव पर प्रणाली की संरचना को परिवर्तित करने से उत्पन्न होता हैI एकल घटक प्रणाली के लिए, रासायनिक क्षमता पदार्थ की प्रति मात्रा में गिब्स ऊर्जा के समान होती है, अर्थात कण या मोल के लिए $\lbrace N_{j}\rbrace$ इकाई की मूल परिभाषा के अनुसार होता हैI

आंतरिक ऊर्जा की यांत्रिक ऊर्जा अवधि को तनाव (भौतिकी) के रूप में व्यक्त किया जाता है $\sigma _{ij}$ और तनाव $\varepsilon _{ij}$ प्रक्रियाओं में सम्मिलित है। टेंसर के लिए आइंस्टीन संकेतन में, दोहराए गए सूचकांकों पर योग के साथ, यूनिट परिमाण के लिए, इनफिनिटिमल स्टेटमेंट है

$\mathrm {d} U=T\mathrm {d} S+\sigma _{ij}\mathrm {d} \varepsilon _{ij}.$

आंतरिक ऊर्जा के लिए यूलर प्रमेय है:

$U=TS+{\frac {1}{2}}\sigma _{ij}\varepsilon _{ij}.$

रैखिक रूप से सामग्री के लिए, तनाव से संबंधित है

$\sigma _{ij}=C_{ijkl}\varepsilon _{kl},$

जहां $C_{ijkl}$ माध्यम के चौथे क्रम के निरंतर टेंसर के घटक हैं।

विकृतियाँ, जैसे ध्वनि का किसी पिंड से होकर निकलना, या मैक्रोस्कोपिक आंतरिक आंदोलन या अशांत गति के अन्य रूप जैसी अवस्था बनाते हैं जब प्रणाली थर्मोडायनामिक संतुलन में नहीं होता है। अपितु गति की ऐसी ऊर्जाएं निरन्तर रहती हैं, वे प्रणाली की कुल ऊर्जा में योगदान करती हैं; थर्मोडायनामिक आंतरिक ऊर्जा केवल तभी संबंधित होती है जब ऐसी गतियां समाप्त हो जाती हैं।

इतिहास जेम्स प्रेस्कॉट जूल ने गर्मी, कार्य और तापमान के मध्य संबंधों का अध्ययन किया। उन्होंने देखा कि तरल में घर्षण, जैसे कि पैडल व्हील द्वारा कार्य के साथ इसके आंदोलन के कारण, तापमान में वृद्धि हुई, जिसे उन्होंने गर्मी की मात्रा का उत्पादन करने के रूप में वर्णित किया। आधुनिक इकाइयों में व्यक्त किया, उन्होंने पाया कि c. किलोग्राम पानी का तापमान डिग्री सेल्सियस बढ़ाने के लिए 4186 जूल ऊर्जा की आवश्यकता थी।

टिप्पणियाँ

यह भी देखें

• उष्मामिति
• तापीय धारिता
• ऊर्जा
• ऊष्मप्रवैगिकी समीकरण
• ऊष्मप्रवैगिकी क्षमता
• गिब्स फ्री ऊर्जा
• हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा

संदर्भ

उद्धृत संदर्भों की ग्रंथ सूची

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